云南五種蕨類植物的抗寒性生理指標(biāo)測定*

高麗會

(姚安縣第一中學(xué)，云南 姚安 675300)

植物的生長發(fā)育受到溫度、降水和日照等氣候要素的綜合影響，溫度是植物生長的三大環(huán)境條件之一，也是植物自然地理分布的一個(gè)主要限制因素［1］。低溫促使植物細(xì)胞間隙的水形成冰晶，并繼續(xù)奪取細(xì)胞中的水分，冰晶逐漸擴(kuò)大，不僅消耗了細(xì)胞水分，還引起原生質(zhì)脫水使原生質(zhì)膠體變質(zhì)，從而使細(xì)胞脫水引起危害;同時(shí)，低溫還破壞細(xì)胞膜和原生質(zhì)的結(jié)構(gòu)，影響細(xì)胞代謝過程。把植物組織放在外界溶液中，植物組織中的水分和外界溶液中的水分進(jìn)行交流，從而使外界溶液的濃度發(fā)生變化。溶液濃度不同，比重不同，當(dāng)兩個(gè)不同濃度的溶液相遇時(shí)，稀的由于比重小而上浮，濃的由于比重大而下沉，通過觀察液滴的升降情況而判斷溶液濃度的變化，從而測定植物組織的水勢［2］。植物細(xì)胞中的水分，可分為自由水和束縛水。自由水是可以移動的，生理上活躍的組織中，大部分水 (包括液泡水)是自由水。隨著溫度下降，細(xì)胞內(nèi)親水性膠體加強(qiáng)，使束縛水含量相對提高，而自由水含量則相對減小。由于束縛水不易結(jié)冰和蒸騰，所以總含水量減小和束縛水量相對增加有利于植物抗寒性的加強(qiáng)［3］。電解質(zhì)滲透率是反映植物受傷害程度的重要指標(biāo)，電解質(zhì)滲透率越高，則植物受到的傷害就越重［4］。本文通過葉片水勢、束縛水/自由水比例和電解質(zhì)滲透率三個(gè)生理指標(biāo)對哀牢山5種蕨類植物進(jìn)行抗寒性測定，并比較它們的抗寒性大小，為蕨類植物抗寒性生理研究提供一定的理論參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采自云南省姚安縣前場鎮(zhèn)，共5種蕨類植物，經(jīng)楚雄師范學(xué)院徐成東教授鑒定，分別為:裸果耳蕨Polystichum nudisorum、重齒鱗毛蕨Dryopteris juxtaposita、干旱毛蕨Pellaea trichophylla、刺葉耳蕨Polystichum acanthophyllum、雞足山耳蕨Polystichum jizhushanense。

1.2 試驗(yàn)器材及試劑

器材:DDS307型數(shù)字電導(dǎo)儀、冰箱、電爐、天平、剪刀、解剖針、鑷子、三角瓶、試管、試管架、細(xì)滴管、移液管、濾紙。

試劑:甲烯藍(lán)粉末;蔗糖溶液 (1mol·L－1)、蒸餾水。

1.3 細(xì)胞水勢測定——小液流法［5］

試驗(yàn)方法及步驟:(1)配制一系列濃度遞增的蔗糖 (0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8mol·L－1)各10ml，注入試管中，各管都加上塞子并編號。按編號順序排成一列，放在試管架上，作為對照組。(2)另取8支試管并編號，按順序放在試管架上，作為試驗(yàn)組。然后由對照組中之各試管中分別取溶液4ml移入相同編號的試驗(yàn)組試管中，再將各試管都加上塞子。(3)用剪刀將分別將5種蕨類植物的葉剪成大小相等的小塊，各約40—50片。向試驗(yàn)組的每一試管中各加相等數(shù)目的葉片小塊，塞好塞子，放置30分鐘，在這段時(shí)間內(nèi)搖動數(shù)次，到時(shí)間后，向每一試管中各加次甲基藍(lán)粉末少許，并振蕩，使溶液著色均勻。(4)用毛細(xì)吸管從試驗(yàn)組的各試管中依次吸取著色的液體少許，然后伸入對照組的相同編號試管的液體的中部，緩慢放出一滴藍(lán)色試驗(yàn)溶液，并觀察小液流移動的方向，并記錄。

水勢值計(jì)算公式，記錄小液流不動的試管中蔗糖溶液的濃度，按ψπ=－RTiC計(jì)算水勢值。式中 ψπ為細(xì)胞水勢，R為氣體常數(shù)0.083×105L·Pa/mol·k，T為絕對溫度即273℃ +t(t為實(shí)驗(yàn)溫度)，i為解離系數(shù) (蔗糖為1)，C為等滲溶液的濃度。

1.4 水分含量測定——稱重法［6］

試驗(yàn)方法及步驟:(1)取稱量瓶6只編號，取完整葉片，剪成幾片面積相當(dāng)?shù)娜~片，立即稱重后裝入稱量瓶中。(2)把其中三只稱量瓶放入烘箱中，于105℃下殺青15min，然后轉(zhuǎn)入75℃下烘干至恒重，計(jì)算其總含水量。另外3只稱量瓶加入蕨類植物組織質(zhì)量6倍的60%—65%糖液。置于暗處6 h后將葉片取出 (其間不時(shí)輕輕搖動)，用濕紗布和濾紙吸去表面糖液，立即稱重，計(jì)算其自由水含量。

計(jì)算公式:

①植物組織中自由水含量 (%)= 〔(浸泡前葉片質(zhì)量－浸泡后葉片質(zhì)量)/浸泡前葉片質(zhì)量〕×100%;

②植物組織中束縛水含量 (%)=總含水量－自由水含量。

1.5 抗寒性測定——電導(dǎo)法［7］

試驗(yàn)方法及步驟:

(1)將采集的每種試驗(yàn)材料的葉片平均分成6份，分別置于12，4，0，－4，－8，－12℃的冰箱內(nèi)冷凍處理5h，其中12℃處理作為對照 (此時(shí)自然環(huán)境溫度約為12℃左右)。(2)低溫冷凍處理后的葉片，置于濾紙上晾干。然后將枝條剪成2～3mm長的小段，每種試材等量稱取3份，每份質(zhì)量1g，投入3個(gè)三角瓶中 (即重復(fù)3次)，每瓶加入100ml蒸餾水，浸泡48h后用DDS2307W型數(shù)字電導(dǎo)儀測定浸出液電導(dǎo)率 (測時(shí)搖勻)，每瓶重復(fù)測定3次。(3)將測定后各試材樣品恒溫 (95～96℃)煮30min后，加蒸餾水補(bǔ)充至煮前刻度，再次測定其電導(dǎo)率，計(jì)算各供試樣品的電解質(zhì)外滲率，以代表樣品抗寒力的強(qiáng)弱。

計(jì)算公式:

電解質(zhì)滲透率 (%)=(樣品低溫處理后電導(dǎo)率－對照電導(dǎo)率)÷ (樣品煮沸后電導(dǎo)率－對照電導(dǎo)率)×100

2.結(jié)果與分析

2.1 水勢差異分析

從表1可以看出，不同種蕨類植物的水勢存在差異，裸果耳蕨的水勢值最高，刺葉耳蕨的水勢最低。水勢值從高到低依次為:裸果耳蕨、雞足山耳蕨、重齒鱗毛蕨、干旱毛蕨、刺葉耳蕨，其中重齒鱗毛蕨和干旱毛蕨差異不明顯，其余的差異明顯。

表1 5種蕨類植物的水勢測定結(jié)果

2.2 束縛水和自由水比例差異分析

從圖2可以看出來，不同種蕨類植物的束縛水/自由水比例存在差異，裸果耳蕨的束縛水/自由比例最高，雞足山耳蕨最低。束縛水/自由水比例從高到低依次為:裸果耳蕨、重齒鱗毛蕨、干旱毛蕨、刺葉耳蕨、雞足山耳蕨。所有蕨類植物差異明顯。

表2 5種蕨類植物的束縛水/自由水測定結(jié)果

2.3 電解質(zhì)外滲率差異分析

植物細(xì)胞的質(zhì)膜，是一種對低溫極為敏感的半透性生物膜。當(dāng)溫度降低到一定程度后，再降低則引起膜相破壞、細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲［8］。不同種蕨類植物的細(xì)胞原生質(zhì)透性不同，電解質(zhì)滲透量不同，因此抗寒力也不同。電解質(zhì)外滲量越大，抗寒力越弱。

從表3中可以看出來，(1)4℃條件下裸果耳蕨的電解質(zhì)滲透率最低，雞足山耳蕨的電解質(zhì)滲透率最高。電解質(zhì)滲透率從高到低排列順序?yàn)?雞足山耳蕨、刺葉耳蕨、干旱毛蕨、重齒鱗毛蕨、裸果耳蕨，5種蕨類植物電解質(zhì)滲透率差異明顯。

(2)0℃條件下裸果耳蕨的電解質(zhì)滲透率最低，刺葉耳蕨的電解質(zhì)滲透率最高。電解質(zhì)滲透率從高到低排列順序?yàn)?刺葉耳蕨、雞足山耳蕨、干旱毛蕨、重齒鱗毛蕨、裸果耳蕨。從差異角度分析:裸果耳蕨和重齒鱗毛蕨、干旱毛蕨、刺葉耳蕨、雞足山耳蕨差異明顯;重齒鱗毛蕨和干旱毛蕨、刺葉耳蕨、雞足山耳蕨差異明顯;干旱毛蕨和刺葉耳蕨差異明顯，和雞足山耳蕨差異不明顯;刺葉耳蕨和雞足山耳蕨差異明顯

(3)－4℃條件下裸果耳蕨的電解質(zhì)滲透率最低，刺葉耳蕨的電解質(zhì)滲透率最高。電解質(zhì)滲透率從高到低排列順序?yàn)?刺葉耳蕨、雞足山耳蕨、重齒鱗毛蕨、干旱毛蕨、裸果耳蕨。從差異角度分析:裸果耳蕨和重齒鱗毛蕨、干旱毛蕨、刺葉耳蕨、雞足山耳蕨差異明顯;重齒鱗毛蕨和干旱毛蕨、刺葉耳蕨差異明顯，和雞足山耳蕨差異不明顯;干旱毛蕨和刺葉耳蕨、雞足山耳蕨差異明顯;刺葉耳蕨和雞足山耳蕨的差異明顯。

(4)－8℃條件下裸果耳蕨的電解質(zhì)滲透率最低，雞足山耳蕨的電解質(zhì)滲透率最高。電解質(zhì)滲透率從高到低排列順序?yàn)?雞足山耳蕨、刺葉耳蕨、干旱毛蕨、重齒鱗毛蕨、裸果耳蕨。從差異角度分析:裸果耳蕨和重齒鱗毛蕨、干旱毛蕨、刺葉耳蕨、雞足山耳蕨差異明顯;重齒鱗毛蕨和干旱毛蕨、刺葉耳蕨、雞足山耳蕨差異明顯;干旱毛蕨和刺葉耳蕨差異不明顯，和雞足山耳蕨差異明顯;刺葉耳蕨雞足山耳蕨差異明顯。

(5)－12℃條件下裸果耳蕨的電解質(zhì)滲透率最低，刺葉耳蕨的電解質(zhì)滲透率最高。電解質(zhì)滲透率從高到低排列順序?yàn)?刺葉耳蕨、雞足山耳蕨、干旱毛蕨、重齒鱗毛蕨、裸果耳蕨。從差異角度分析:裸果耳蕨和重齒鱗毛蕨、干旱毛蕨、刺葉耳蕨、雞足山耳蕨差異明顯;重齒鱗毛蕨和干旱毛蕨、刺葉耳蕨、雞足山耳蕨差異明顯;干旱毛蕨和刺葉耳蕨差異不明顯，和雞足山耳蕨差異明顯;刺葉耳蕨雞足山耳蕨差異明顯。

表3 5種蕨類植物電解質(zhì)外滲率測定結(jié)果

上述結(jié)果表明，各種蕨類植物抗寒性由強(qiáng)到弱大致順序?yàn)槁愎А⒅佚X鱗毛蕨、干旱毛蕨、刺葉耳蕨、雞足山耳蕨。從圖3中可以看出，溫度降低，電解質(zhì)滲透率總體增加，但溫度與電解質(zhì)滲透率并不成線形關(guān)系，如雞足山耳蕨在0℃、－4℃、－12℃的條件下電解質(zhì)滲透率降低，由于長時(shí)間處在低溫條件下其葉片生物膜遭到破壞且不能恢復(fù)導(dǎo)致死亡，電解質(zhì)不能再繼續(xù)大量滲透，所以滲透率突然降低。

3 結(jié)論與討論

(1)蕨類植物的抗寒性與水勢、束縛水/自由水比例、電解質(zhì)滲透率有密切的關(guān)系。當(dāng)溫度降低時(shí)，由于各種逆境作用于植物，同時(shí)也直接或間接地對植物產(chǎn)生水分脅迫，使細(xì)胞脫水，膜系統(tǒng)受害，透性加大，滲透勢降低，水勢也降低。自由水與束縛水是水分在植物體內(nèi)的兩種不同的存在狀態(tài)。自由水與束縛水比值高時(shí)，植物組織或器官的代謝活動旺盛，生長也較快，抗逆性較弱;反之，則生長較緩慢，但抗性較強(qiáng)。在低溫鍛煉過程中葉片含水率下降，自由水與束縛水值變小，有利于提高植物體的抗寒能力，這已被研究證實(shí)［9］。植物組織細(xì)胞受凍后，首先損傷的是細(xì)胞膜系統(tǒng)，造成細(xì)胞內(nèi)大量物質(zhì)外滲，植物抗寒力越差，細(xì)胞受凍程度愈重，其外滲物質(zhì)也就越多。因此，測定組織細(xì)胞受凍后外滲物質(zhì)的多少，就可以評價(jià)抗寒性強(qiáng)弱［10］。

(2)從水勢、束縛水/自由水比例、電解質(zhì)滲透率三個(gè)生理指標(biāo)上來比較五種蕨類植物的抗寒性，裸果耳蕨的抗寒性最強(qiáng)，重齒鱗毛蕨、干旱毛蕨、刺葉耳蕨的抗寒性相對較弱，雞足山耳蕨的抗寒性最弱。五種蕨類植物的抗寒性順序依次為:裸果耳蕨﹥重齒鱗毛蕨﹥干旱毛蕨﹥刺葉耳蕨﹥雞足山耳蕨。

(3)用葉片束縛水/自由水比例和電解質(zhì)滲透率作指標(biāo)來衡量蕨類植物的抗寒性，操作較簡單、方便，測定結(jié)果能較準(zhǔn)確反映樣品抗寒性。雖然植物的抗寒性能由遺傳性狀和環(huán)境因素綜合作用決定，但是受環(huán)境的影響和塑造較大，生長在不同地域的同種蕨類植物可能具有不同的抗寒能力。

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