黄晓霞，唐 探，姜永雷，程小毛

（西南林业大学 园林学院，云南 昆明 650224）

滇西北玉龙雪山急尖长苞冷杉不同海拔的生理特性变化

黄晓霞，唐 探，姜永雷，程小毛*

（西南林业大学 园林学院，云南 昆明 650224）

对丽江玉龙雪山自然保护区内不同海拔（3 100、3 250、3 400、3 550、3 700 m）梯度急尖长苞冷杉（Abies georgei var. smithii）部分生理生化指标的变化进行研究。结果表明：急尖长苞冷杉分布于海拔3 100 ～ 3 800 m，不同海拔种群抗氧化酶APX活性及可溶性蛋白含量均随海拔的升高而增加；叶绿素含量及抗氧化酶SOD、CAT活性在海拔3 100 ～ 3 550 m条件下并无显著变化，而当海拔上升到3 700 m时，MDA含量、抗氧化酶SOD、CAT、APX活性以及游离脯胺酸含量、可溶性蛋白含量及可溶性糖含量都显著高于其他海拔；此外，在海拔3 550 m环境下，急尖长苞冷杉叶片MDA含量、游离脯胺酸含量及可溶性糖含量都处于最低水平；海拔3 550 m环境因子最适宜于急尖长苞冷杉的生长，而较低海拔或较高海拔环境均不利于该植物的生长；当海拔上升到3 700 m时，植物体内抗氧化酶系统和渗透调节系统能力显著增强，以应对高海拔的逆境胁迫。

急尖长苞冷杉；抗氧化系统；海拔；生理特性；滇西北

植物的生长发育受到内在遗传因素和外在环境因素的双重影响。海拔梯度由于包括了温度、湿度、光照、土壤等诸多环境因子的剧烈变化而成了研究植物对环境变化响应的热点。随海拔升高，气温下降、大气压及CO2分压降低、太阳辐射增强，短波光增加，土壤及空气湿度减小等，植物的生长发育逐渐受到光照、温度及水分等多个因子的限制，因而其适应性会发生显著变化[1]。

滇西北亚高山地区具有特殊的地形地貌和复杂多样的气候，垂直气候变化明显，是研究植物对环境适应及分子进化的理想场所[2]。亚高山针叶林是滇西北横断山区独具特色的植被类型，主要是由冷杉属和云杉属两大优势树种构成的群落，具有涵养水源、调节区域性气候、保育生物多样性等重要作用[3]。亚高山针叶林对环境有很好的适应性，并且具有很强的抗环境干扰能力，其生长状况随环境状况变化明显。目前针对滇西北亚高山针叶林对环境变化的适应性机理研究方面尚开展不多。

急尖长苞冷杉（Abies georgei var. smithii）是松科（Pinaceae）冷杉属（Abies）植物，为中国特有植物，分布于滇西北、川西南、藏东南海拔2 500 ～ 4 000 m的高山地带，模式标本采自云南丽江的玉龙雪山[4]。本研究选取玉龙雪山自然保护区内不同海拔梯度上的急尖长苞冷杉为研究对象，研究其部分生理生化特性对不同海拔小生境的响应机制，比较其随海拔梯度变化的规律和差异，探究该植物天然群体对不同环境因子及气候变化的生理生态适应，可为我国西南部地区全球气候变化背景下森林生态系统的可持续发展以及退化生态系统的恢复与重建提供理论依据，同时也可为西南地区的天然林保护提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究区位于滇西北亚高山玉龙雪山自然保护区内（27° 03′ 20″ ～ 27° 40′ N，100° 04′ 10″ ～ 100° 16′ 30″ E），玉龙雪山南北长约35 km，东西宽约20 km，大小山峰约70余座，主峰扇子陡海拔5 596 m。玉龙雪山自然保护区东界丽鸣公路，西临虎跳峡，南起玉湖，北至大具下虎跳峡口，总面积约26万hm2，天然林面积约7 663 hm2[5]。其气候条件在这种巨大的海拔梯度下变化较大，森林群落类型在这里形成较大的差异，呈现出较为明显的山地垂直分布带谱规律。海拔每上升100 m，其平均气温降低约0.86℃，很多树种的分布界限受到高山环境的限制。急尖长苞冷杉分布在海拔3 100 ～ 3 800 m，随着海拔的升高，其在群落中的重要值的比重也逐渐增大。在海拔高度超过3 550 m时，急尖长苞冷杉成为优势种群，而少有其他种类。

1.2 研究方法

1.2.1 野外取样 根据急尖长苞冷杉在玉龙雪山自然保护区内的分布区域，在玉龙雪山保护区内3 100 ～ 3 800 m的海拔梯度上每隔150 m间隔设置一个采样点，共设5个海拔梯度实验样点：A—3 100 m，B—3 250 m，C —3 400 m，D—3 550 m，E—3 700 m。在每个采样点上选取5株生长基本一致，无病虫害的成年树，进行叶片取样。每棵树分为东西南北4个固定方向在树冠中部的周围采摘一年生枝上的成熟且等量叶片，混匀，统一编号，将采回的叶片先于液氮中固定，立即带回实验室，再于-80℃超低温冰箱保存待用。对急尖长苞冷杉叶片的生理指标在实验室内进行测定，每一项指标的测定至少重复3次。

1.2.2 生理指标的测定 根据参考文献[6]方法测定丙二醛（MDA）含量；抗氧化酶活性的测定：取0.2 g叶片材料于5 mL提取缓冲溶液（50 mM Na2HPO4-NaH2PO4缓冲液，pH 7.0，含0.05%（V/V）Triton X-100，1 mM EDTA，2%（W/V）PVP中研磨成匀浆。10 000×g离心机下离心15 min，取上清液待测。超氧化物岐化酶（SOD，EC

1.1 5.1.1）活性的测定参考Giannopolitis and Ries的方法[7]；过氧化氢酶（CAT, EC 1.11.1.6）的测定方法参照Aebi[8]；抗坏血酸过氧化物酶（APX，EC 1.11.1.11）活性的测定参照Knorze等的方法[9]；可溶性蛋白含量的测定参照Bradford的方法[10]；可溶性糖含量的测定采用蒽酮试剂法[11]；根据 Bates等的方法测定脯氨酸含量[12]；叶绿素含量的测定参照Inskeep and Bloom的方法[13]：用二甲基甲酰胺提取。称取0.1 g植物鲜叶，于暗处4℃下浸提48 h，浸提液在663.8和646.8 nm下比色，并计算单位叶鲜重的叶绿素a、叶绿素b含量。

1.2.3 统计分析 对所有测得的数据利用SPSS 19.0分析软件进行一元方差分析（one-way ANOVA），平均数间的多重比较采用Ducan’s检验方法。P < 0.05时差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同海拔梯度对急尖长苞冷杉叶片丙二醛（MDA）含量的影响

MDA是膜脂过氧化的产物，MDA含量的增加，表明逆境下细胞质膜的结构和完整性遭到破坏的程度加剧。从图1可知，急尖长苞冷杉不同海拔梯度种群叶片中的MDA含量存在差异，其中在3 400 m及3 700 m海拔梯度下，MDA含量显著高于其它海拔梯度，表明此环境下植物的膜脂过氧化较严重；而在海拔3 550 m时MDA含量最低，说明这个海拔高度下的各环境因子对急尖长苞冷杉的生长较为有利，细胞膜脂过氧化程度较低。

图1 急尖长苞冷杉叶片中MDA含量随海拔的变化Figure 1 Content of MDA in leaves of A. georgei var. smithii grown atdifferent altitudes

2.2 不同海拔梯度对急尖长苞冷杉叶片抗氧化酶活性的影响

由表1可知，在3 100、3 250、3 400 及3 550 m海拔梯度下，急尖长苞冷杉叶片内SOD、CAT活性变化并不显著，而当海拔高度上升到3 700 m时，这两种抗氧化酶活性显著增加；而抗坏血酸过氧化物酶 APX活性则随海拔梯度的变化呈显著变化，每上升一个高拔高度，该指标都显著增加。从这3种抗氧化酶活性的变化可以看出，在海拔3 700 m以下的环境条件可能对该植物的生长并无显著胁迫影响，而当海拔上升到3 700 m时，高海拔的环境条件（如低温寒冷、强辐射等）可能刺激了植物体内的抗氧酶系统做出响应，以此来减少逆境胁迫造成的伤害。

表1 急尖长苞冷杉叶片中抗氧化酶活性随海拔梯度的变化Table 1 Activities of antioxidant enzyme in leaves ofA. georgei var. smithii grown at different altitudes

2.3 不同海拔梯度对急尖长苞冷杉叶片可溶性渗透调节物质含量的影响

由表2可知，不同海拔梯度对急尖长苞冷杉叶片中游离脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量存在显著影响。随海拔的增加，游离脯氨酸含量呈现先增加后降低的趋势，且在海拔3 550 m梯度下其值最低；而可溶性蛋白含量随海拔的增加呈显著增加趋势；可溶性糖含量在海拔3 550 m梯度下也显著降低，而在其他海拔梯度下变化不明显。可能由于海拔3 550 m处环境对急尖长苞冷杉生长较为有利，从而该植物体内的渗透调节系统未能发挥作用。

表2 急尖长苞冷杉叶片中游离脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量的变化Table 2 Contents of free proline, soluble protein and sugar in leaves of A. georgei var. smithii grown at different altitudes

2.4 不同海拔梯度对急尖长苞冷杉叶片光合色素含量的影响

叶绿素是光合作用的重要色素，其含量直接影响光合作用的强弱，叶绿素含量亦是反映植物光合作用能力高低的一个间接指标。从表3可知，叶绿素a及总叶绿素含量在3 100、3 250、3 400及3 550 m海拔梯度下变化并不显著，而当海拔高度上升到3 700 m时，这两个指标显著增加。此外，叶绿素b含量随着海拔的升高先增加后降低，但在3 700 m海拔下突然显著增加；而叶绿素b/叶绿素a的比值随海拔升高也呈先增后降的趋势，且在3 700 m海拔下最低。

3 结论与讨论

海拔梯度造成的温度、水分、光照、土壤肥力等环境异质性可能会极大地影响到植物的分布及生长，而长期对不同环境因子的适应也导致山地植物随海拔变化表现出相应的生理生态及形态可塑性[1]。在本研究中，所测定的急尖长苞冷杉天然种群部分生理特性对海拔梯度的变化有积极响应，也说明该植物对亚高山环境有着较好的适应能力，可以随海拔梯度及环境因子的变化适当的调节自身生理代谢及生长发育。

表3 急尖长苞冷杉叶片中叶绿素含量随海拔梯度的变化Table 3 Content of Chlorophyll content in leaves of A. georgei var. smithii at different altitudes

研究表明，植物在受到高光强、低温、干旱等不利环境条件的胁迫时，植物体内的代谢平衡被破坏，对植物细胞有害的超氧自由基离子会大量的积累从而导致植物细胞膜系统的破坏，造成植物细胞膜脂过氧化[14～15]；而植物体内 MDA的含量能够反映植物细胞膜脂过氧化强弱和细胞受到的伤害程度大小[16]。本研究中， MDA含量在海拔3 400 m及3 700 m梯度下显著高于其它海拔梯度，而在海拔3 550 m时MDA含量最低。说明低于3 550 m或高于3 550 m海拔的环境因子都可能对急尖长苞冷杉生长发育不利，这可能与较低海拔的光照不足，多物种资源竞争激烈或较高海拔的低温、干旱、强辐射等不利环境因子有关，从而导致细胞膜脂过氧化程度加剧[17]。随海拔的升高，各种胁迫增强，与此同时，植物体内的抗氧化酶系统能够对环境胁迫做出积极的响应，用于及时清除氧自由基，防止植物细胞膜脂过氧化程度加剧[18～19]。植物体内重要的抗氧化酶有SOD、CAT和APX等。SOD在清除植物体内自由基和催化超氧自由基（O2-）发生歧化反应产生H2O2和O2中起着重要作用[20]。而CAT和APX活性的增加能够将H2O2转化为水和分子氧进而降低活性氧对植物的伤害[21]。在本研究中，急尖长苞冷杉叶片内SOD、CAT活性在海拔3 550 m及其以下海拔环境下变化并不显著，而当海拔高度上升到3 700 m时，这两种抗氧化酶活性显著增加；而APX活性则随海拔梯度的升高显著增加。表明急尖长苞冷杉在海拔3 550 m以下受到的胁迫的程度较小，而随着海拔的进一步增加，外界环境胁迫（如低温寒冷、强辐射、空气稀薄等）加剧，抗氧化酶系统作出响应，POD、CAT和APX活性增加，以此降低逆境胁迫下活性氧对植物的伤害。

除了抗氧化酶系统，植物体内渗透性调节系统在抵御逆境胁迫时也起到重要作用，其中游离脯氨酸作为重要的渗透调节物质，能够维持细胞膜的稳定和增加植物细胞的抗寒性[22]。另外，植物细胞内可溶性糖和可溶性蛋白含量的增加能提高细胞液浓度和增加功能蛋白的数量，有助于维持细胞正常代谢和抵抗不利环境胁迫[23]。本研究中，随海拔的增加，游离脯氨酸含量、可溶性蛋白含量及可溶性糖含量均表现出不同变化，其中在海拔3 550 m梯度下游离脯氨酸及可溶性糖含量最低，这可能与海拔3 550 m处的环境因子对急尖长苞冷杉生长较为有利，从而该植物体内的渗透调节系统未能发挥作用有关。而在海拔3 700 m梯度下这三个指标都偏高，也说明了高海拔刺激了植物体内渗透调节能力的增强，用于抵御低温、干旱、低压、紫外辐射等不利环境，这在很多研究中都有过类似报道[22,24]。

此外，很多研究表明，随海拔的增加，由于环境胁迫加剧，叶片叶绿素含量降低，而叶绿素 b/a的比值会降低[19,25～26]。本实验结果表明，叶绿素含量在海拔3 550 m及其以下几个海拔梯度下都无明显变化，说明了急尖长苞冷杉对于海拔3 550 m以下的环境因子适应能力较强，并没有造成叶绿素的降解或合成的减少；而总叶绿素含量在海拔3 700 m时显著增加，则可能是由于高海拔梯度下叶片含水量降低，叶片干物质及叶绿素所占比重加大导致。此外，叶绿素b/a的比值在海拔3 550 m及3 700 m梯度下都降低，这与海拔升高，光照增强，温度降低有关，因为在低温下叶绿素 b的降解速度大于叶绿素a[27]；此外，在强光环境下，植物体内会偏向于合成更多的叶绿素a分子用于光能的转化利用，而减少叶绿素b分子的合成从而避免捕获过多的光能对光合反应中心造成伤害[18]。

综上所述，生长于滇西北玉龙雪山自然保护区内不同海拔区域的急尖长苞冷杉种群对海拔梯度有着相应的生理适应机制。低于海拔3 550 m的环境虽然没有对其造成严重胁迫，但可能由于和其他树种混生，而体现不出急尖长苞冷杉的竞争优势；当海拔上升到3 550 m时，其他树种由于不能适应高海拔的不良环境而使得急尖长苞冷杉成为优势种，多为急尖长苞冷杉纯林，各种环境因子最适宜于该植物的生长；随着海拔进一步升高到3 700 m时，由于外界环境条件愈发严厉，从而也限制了急尖长苞冷杉的生长发育，并且激发启动了植物体内抗氧化酶系统和渗透调节系统以应对高海拔的逆境胁迫。

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Physiological Characteristics of Abies georgei var. smithii at Different Altitudes in Yulong Snow Mountain

HUANG Xiao-xia，TANG Tan，JIANG Yong-lei，CHENG Xiao-mao*
（College of Landscape Architecture, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China）

∶Determinations were conducted some to physiological and biochemical index of Abies georgei var. smithii at different altitudes (3100m，3250m，3400m，3550m，3700m) of Yulong Snow Mountain in Yunnan province. The results showed that both the activities of ascorbate peroxidase(APO) and the content of soluble protein in leaves of A. georgei var. smithii from different altitudes increased obviously with the increase of altitude. The content of chlorophyll and the activities of SOD, CAT had no evident difference in the leaves from the altitude of 3100 - 3550m, however, MDA content, the activities of anti-oxidases (SOD, CAT, APX), the free proline and soluble protein and soluble sugar contents in the leaves from altitude of 3700m were significantly higher than that of others. The content of MDA, soluble sugar and free proline in leaves of A. georgei var. smithii was the lowest at the altitude of 3550m. The experiment demonstrated that A. georgei var. smithii grows well at altitude of 3550m.

∶Abies georgei var. smithii; antioxidative system; altitude; physiological characteristics

S718.43

A

1001-3776（2015）01-0040-05

2014-10-20；

2014-12-21

国家自然科学青年基金项目（31100292）；“省部级重点学科、省高校重点实验室及校实验室共享平台”资助项目

黄晓霞（1980-），女，四川成都人，副教授，博士，从事植物生理生态研究；*通讯作者。