礬根紫色宮殿對重慶地區(qū)夏季高溫的生理響應

謝英贊，馬立輝，劉 楊，黃世友，晏 巧，方 文*

(1.重慶市林業(yè)科學研究院，重慶 400036；2.重慶瀚業(yè)園林工程有限公司，重慶 400036)

【研究意義】礬根是虎耳草科(Saxifragaceae)礬根屬(Heuchera)觀賞植物的統(tǒng)稱。礬根屬植物，喜陽耐陰，是少有的彩葉陰生植物，性耐寒，可耐-34 ℃低溫?！白仙珜m殿”(Heucheramicrantha‘Palace Purple’)為礬根屬多年生草本觀賞植物園藝新品種，是礬根植物中最受歡迎的品種之一[1]。“紫色宮殿”株高20～40 cm，葉色深紫，株型優(yōu)美，長勢快、抗性強，觀賞價值較高[2]。“紫色宮殿”自市場化以來，在上海、北京等地引種馴化成功。因其特殊的生物學特征及生態(tài)學習性，在盆栽觀賞、花園、庭院和花境地被造景[3]等方面得到了較為廣泛的推廣應用?！厩叭搜芯窟M展】2016年4月，重慶市林業(yè)科學研究院引進紫色宮殿進行栽植和繁育，目的是為重慶市民在觀賞花卉品種方面提供更多選擇。礬根適宜種植在半遮陰、較為冷涼的環(huán)境，應避免強烈陽光直曬。而重慶地區(qū)夏季高溫高濕，白天平均氣溫32 ℃以上，極端天氣下甚至達40 ℃以上。高溫是影響植物正常生長發(fā)育的重要非生物因子之一，高溫使植物葉片的細胞膜結構受損，使細胞的持水能力下降，導致葉片變黃、枯萎，影響其生長，降低其觀賞性[4-6]。重慶夏季的高溫環(huán)境勢必會對引進的“紫色宮殿”的生長生理產(chǎn)生影響。因此，通過植物的生長生理狀況能夠判斷植物的生長狀態(tài)和其對環(huán)境條件的響應狀況?！颈狙芯壳腥朦c】本文通過對礬根生長生理的測定，旨在了解“紫色宮殿”在重慶地區(qū)的生長適應性?！緮M解決的關鍵問題】為其在重慶地區(qū)的栽培適應性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗場地

試驗場地位于重慶市沙坪壩區(qū)歌樂山鎮(zhèn)高店子重慶市林業(yè)科學研究院綜合樓花境植物引種馴化試驗田(E106.42007，N29.57908)，海拔540 m。歌樂山屬于中亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，氣候溫和、四季分明、雨量充沛。最冷月平均氣溫5.8 ℃，最熱月平均氣溫27.5 ℃，年平均氣溫16.3 ℃，無霜期321.9 d，具有冬暖夏熱和春秋多變的特點。年降水量1082.9 mm。試驗期間(2017年8月8-27日)試驗場地白天最高溫度41 ℃，最低溫度35 ℃；夜晚最高溫度31 ℃，最低溫度27 ℃(圖1)。

1.2 供試材料

供試材料：“紫色宮殿”采購自上海，2017年3月將生長基本一致的植株120株移栽于塑料花盆中，盆高18 cm，內(nèi)徑20 cm，土壤厚度15 cm，每盆1株，種植后將其放置于重慶市林業(yè)科學研究院標準化育苗溫室中緩苗。根據(jù)天氣預報信息，試驗定于2017年7月19日開始。

1.3 實驗方法

實驗設置2種處理：高溫處理組和對照組，高溫處理組即將植株放置于重慶市林業(yè)科學研究院實驗苗圃內(nèi)空曠無遮擋處，讓其直接接受夏季陽光的直射(白天的溫度達到35 ℃以上，夜晚溫度達27 ℃以上)；對照組則將花盆放置在標準化控溫溫室，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，設置為白天30 ℃、夜晚20 ℃(根據(jù)實際測量，溫室溫度白天約28～31 ℃，夜晚約20～23 ℃)。澆透水，當水分不足初始值60 %時根據(jù)損失量適當補水(水分損失量 = 初始盆重-測定時盆重)。每個處理隨機選擇50株作為測試植株，每10株作為一組，分別在實驗后的0、5、10、15、20 d進行取樣測定。取樣時每次隨機取5株將其整株挖出，用自來水沖洗干凈后用吸水紙吸干水分，稱量其單株鮮重后置于烘箱中烘干至恒重，測定其干重。另取5株作為生理指標取樣，取樣時選取自上而下第3、4片葉片，分別稱量其鮮重，作為生理測試葉片。

超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase, SOD)活性測定采用氮藍四唑(Nitro-blue tetrazolium, NBT)法[7]。過氧化物酶(Peroxidase, POD)活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[7]。過氧化氫酶(Catalase, CAT)活性測定采用過氧化氫氧化法，以每分鐘內(nèi)吸光值減少0.1為1個酶活力單位[7]。丙二醛(Malondialdehyde, MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸(Thiobarbituric acid, TBA)氧化法，可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍顯色法，游離脯氨酸含量測定采用磺基水楊酸法，用茚三酮比色法測定其含量[7]。吸光值均采用紫外分光光度計(UV-2550)測定。植株鮮重、干重使用萬分之一天平測定，測定結果保留2位小數(shù)。

圖1 試驗期間試驗地溫度走勢變化Fig.1 Changes of temperature of the study site

圖2 高溫下礬根“紫色宮殿”葉片電導率變化Fig.2 Changes of relative electric conductivity of Heuchera micrantha ‘Palace Purple’ under high temperature

1.4 數(shù)據(jù)分析和圖表制作

所測定結果取平均值和標準誤，使用SPSS 16.0分析軟件分析數(shù)據(jù)，使用Microsoft Excel 2003統(tǒng)計軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 高溫對礬根“紫色宮殿”葉片電導率的影響

葉片細胞膜透性通常用相對電導率反映[8]，如圖2所示，高溫處理下紫色宮殿的葉片電導率隨著處理時間的延長而逐漸升高，各處理時間差異顯著，而對照組的葉片電導率則無顯著性變化。至處理結束，高溫處理組的葉片電導率達10.17 %，較實驗開始時增加了6.11倍，較對照組也增加了6.14倍，說明高溫對紫色宮殿的細胞膜透性產(chǎn)生了顯著的影響。

2.2 高溫對礬根“紫色宮殿”MDA含量的影響

MDA作為脂質(zhì)過氧化反應的一個產(chǎn)物，其含量可以反映細胞膜脂質(zhì)過氧化程度和植物對逆境條件反應的強弱[9]。如圖3所示，高溫處理下礬根“紫色宮殿”的MDA含量隨著處理時間的延長而逐漸升高，各處理時間差異顯著，而對照組的葉片MDA含量則無顯著性變化。至處理結束，高溫處理組的葉片MDA含量達64.5 μmol/g，較實驗開始時增加了2.17倍，較對照組也增加了2.14倍，說明高溫對紫色宮殿的細胞膜透性產(chǎn)生了顯著的影響。

2.3 高溫對礬根“紫色宮殿”抗氧化酶活性的影響

2.3.1 高溫對礬根“紫色宮殿”SOD活性的影響 如圖4所示，對照組礬根“紫色宮殿”的SOD活性長期穩(wěn)定，略有波動。高溫處理下礬根“紫色宮殿”的SOD活性隨著處理時間的延長呈先升高后降低的

圖3 高溫下礬根“紫色宮殿”MDA含量變化Fig.3 Changes of MDA content of Heuchera micrantha ‘Palace Purple’ under high temperature

趨勢，試驗開始5 d后，高溫組SOD活性升高(56.15±2.77)U，顯著高于對照組，為對照組的1.22倍。至試驗10 d后，高溫組SOD活性回落(46.50±1.17)U，與對照組(48.54±1.29)U相當。試驗至15 d時，高溫組SOD活性繼續(xù)降低(42.47±1.59)U，但仍未顯著低于對照組(47.64±1.63)U，試驗20 d后，高溫組SOD活性降低(39.59±1.22)U，顯著低于對照組(48.22±1.77)U。說明高溫環(huán)境條件下，礬根“紫色宮殿”可以依賴自身SOD活性的調(diào)節(jié)應對不利條件的影響，且其調(diào)節(jié)能力相對較強。

2.3.2 高溫對礬根“紫色宮殿”POD活性的影響 如圖4所示，對照組礬根‘紫色宮殿’的POD活性長期穩(wěn)定，略有波動。高溫處理下礬根‘紫色宮殿’的POD活性隨著處理時間的延長呈先升高后降低的趨勢，試驗開始5 d后，高溫組POD活性升高(290.00±4.76)U，顯著高于對照組(218.10±3.66)，為對照組的1.33倍。至試驗15 d后，高溫組POD活性回落(223.20±4.63)U，略高于對照組(219.40±5.32)U。試驗至20 d時，高溫組POD活性繼續(xù)降低(203.81±2.63)U，顯著低于對照組(220.98±3.73)U。說明高溫環(huán)境條件下，礬根“紫色宮殿”能夠通過對自身POD活性的調(diào)節(jié)來應對不利條件的影響，且其調(diào)節(jié)能力相對較強。

2.3.3 高溫對礬根“紫色宮殿”CAT活性的影響 過氧化氫酶是植物防御系統(tǒng)的關鍵酶之一，其生物學功能是催化細胞內(nèi)過氧化氫分解，防止過氧化，以保護植物機體、細胞及生理健康。根據(jù)圖4所示，有利環(huán)境條件下(CK)，“紫色宮殿”CAT活性長期相對穩(wěn)定。高溫環(huán)境條件下，“紫色宮殿”CAT活性隨著時間的推移，表現(xiàn)出持續(xù)降低的現(xiàn)象。至試驗開始后15 d時，“紫色宮殿”CAT活性(69.20±1.393)U開始顯著低于對照組(79.76±2.272)U，試驗結束時“紫色宮殿”CAT活性(63.81±2.245)

圖4 高溫下礬根“紫色宮殿”SOD、POD和CAT酶活性變化Fig.4 Changes of SOD, POD and CAT activity of Heuchera micrantha ‘Palace Purple’ under high temperature

U僅為對照組(80.42±2.241)的79.35 %。表明了CAT活性對高溫環(huán)境條件具有一定的耐受性，但不能長期(15 d以上)持續(xù)耐受。

2.4 高溫對礬根“紫色宮殿”滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

如圖5所示，礬根“紫色宮殿”在有利環(huán)境條件下其主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖、可溶性蛋白及游離脯氨酸含量基本處于長期穩(wěn)定狀態(tài)。高溫環(huán)境條件下，“紫色宮殿”主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)出現(xiàn)了不同的變化趨勢。可溶性糖、可溶性蛋白含量表現(xiàn)出先升高后降低的整體趨勢，但在試驗開始10 d后高溫組可溶性蛋白含量(21.42±0.477)mg/g即顯著低于對照組(24.29±0.655)mg/g，并在之后持續(xù)降低?？扇苄蕴呛侩m出現(xiàn)降低情況，但除試驗伊始外整個試驗周期內(nèi)高溫組可溶性糖含量均顯著高于對照組。高溫環(huán)境條件下，“紫色宮殿”游離脯氨酸含量在整個試驗周期內(nèi)呈現(xiàn)出持續(xù)升高的現(xiàn)象，試驗開始5 d后“紫色宮殿”游離脯氨酸含量(14.20±0.488)μg/g即顯著高于對照組(10.31±0.151)μg/g，至試驗開始后20 d時，高溫組游離脯氨酸含量(32.81±0.797)μg/g，為對照組(10.39±0.283)μg/g的3.16倍。

圖5 高溫下礬根“紫色宮殿”可溶性蛋白、脯氨酸、可溶性糖含量變化Fig.5 Changes of soluble protein, proline and soluble sugar content of Heuchera micrantha ‘Palace Purple’ under high temperature

時間(d)Date鮮重(g)Fresh weight干重(g)Drought weight鮮重/干重(%)Fresh weight /drought weightCKHTCKHTCKHT030.81±1.655a31.20±1.158a4.39±0.171a4.41±0.135a7.01±0.115a7.07±0.067a535.42±0.927b34.01±0.707ab5.03±0.054b4.67±0.047a*7.05±0.233a7.29±0.214a1040.20±1.281c36.62±0.927bc*5.80±0.169c4.66±0.047a**6.93±0.176a7.85±0.189b*1544.81±1.562d37.03±0.707bcd**6.49±0.105d4.58±0.056a**6.89±0.161a8.09±0.133b*2050.83±1.241e38.21±0.583d**7.41±0.083e4.38±0.065a**6.86±0.137a8.73±0.210b*

注：CK表示對照處理；HT表示高溫處理；同一列不同小寫字母表示二者間差異顯著(P<0.05)；*表示同時間相同指標(鮮重、干重或鮮重/干重)間差異顯著(P<0.05)；**表示同時間相同指標間差異達到極顯著(P<0.01)程度。

Note: CK indicates control treatment; HT indicates high temperature treatment; The same column with different lowercase letters indicates significant difference between the two data (P<0.05); * indicating significant difference between the same indexes (fresh weight, dry weight or fresh weight/dry weight) at the same time (P< 0.05); ** indicating significant difference between the same indexes at the same time (P< 0.01).

2.5 高溫對礬根“紫色宮殿”生物量及鮮干物質(zhì)比的影響

生物量變化是直接反應植株對環(huán)境適應能力的指標之一，生物量積累越快，其對象應環(huán)境的適應能力越強，生物量積累越慢，則表明植物對環(huán)境呈現(xiàn)不耐受現(xiàn)象。如表1可以看出，對照組“紫色宮殿”在試驗過程中鮮重、干重均表現(xiàn)出快速增長現(xiàn)象，試驗伊始‘紫色宮殿’平均植株鮮重為30.8 g，其后每5 d的測定結果顯示“紫色宮殿”干、鮮重增長顯著，至20 d時，其植株鮮重增加了20 g，干重增加了3.02 g，分別為初始值的1.65和1.69倍；高溫環(huán)境下，干重‘紫色宮殿’生長受到抑制。試驗初始時，2組“紫色宮殿”平均植株鮮重、干重差異不顯著，且高溫組植株鮮、干重均略高于對照組。至試驗結束，高溫組平均植株鮮重、干重僅為對照組的75.2 %和59.1 %，差異達到極顯著水平。通過對“紫色宮殿”鮮重/干重值的測定，對照組植株含水量長期保持穩(wěn)定略有降低(7.01 %～6.86 %)，而高溫組則表現(xiàn)出植株含水量逐漸升高的現(xiàn)象(7.07 %～8.73 %)。

3 討 論

高溫下植物葉片溫度升高，繼而帶來蒸騰作用加強、植物的葉片缺水、植物細胞內(nèi)環(huán)境損傷等[10-11]。本研究中，礬根“紫色宮殿”的電導率在脅迫5 d后開始增加，即細胞膜透性增大，并隨著脅迫時間的延長顯著增加，說明電導率與植物的耐熱能力和受害狀況有關[12]，礬根“紫色宮殿”對重慶夏季的連續(xù)高溫環(huán)境耐受時間有限，長時間持續(xù)高溫環(huán)境下“紫色宮殿”表現(xiàn)出受害癥狀。

高溫脅迫除了能導致植物的細胞質(zhì)膜透性增加外，還能導致植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的氧自由基如過氧化氫、活性氧自由基等，使植物受到氧化脅迫的傷害[13-16]。氧化脅迫使膜脂發(fā)生過氧化作用，導致膜結構破壞，是引起植物損傷甚至死亡的重要原因。MDA是膜脂過氧化的重要產(chǎn)物。大量研究表明，高溫脅迫通常會導致MDA的含量顯著升高[17-18]。在本研究中，高溫下礬根“紫色宮殿”的MDA含量顯著增加，且隨著時間延長，其含量逐漸增高，表明高溫導致其發(fā)生膜脂過氧化，其受害程度逐漸增加。因此，礬根“紫色宮殿”對重慶夏季的高溫脅迫敏感。

植物在適應逆境的過程中形成了一套清除逆境脅迫產(chǎn)生的自由基或活性氧的保護酶體系，即酶促防御體系。其中，SOD、CAT、POD等是植物體內(nèi)自由基的清除劑，三者協(xié)調(diào)一致使生物自由基維持在正常水平，從而防止自由基傷害。前人研究表明，高溫脅迫誘導保護酶活性增強，其活性大小與植物的耐熱性密切相關[19-20]。在本研究中，礬根“紫色宮殿”的SOD、POD活性先升高后下降，說明在脅迫的初期，礬根“紫色宮殿”對高溫脅迫做出了積極的響應，但隨著脅迫時間的延長，植株的調(diào)節(jié)能力超過其耐受限度，導致酶活性下降。CAT活性在整個實驗期間均呈下降趨勢，表明礬根“紫色宮殿”主要依賴SOD和POD來抵御高溫脅迫環(huán)境。

脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖可溶性蛋白均為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，逆境下，植物體內(nèi)積累一定量的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)有利于維持細胞滲透壓的穩(wěn)定，有利于植物體對逆境脅迫的抵抗[21]。本研究中，礬根“紫色宮殿”的可溶性糖和可溶性蛋白均先升高后降低，表明短期高溫脅迫，礬根“紫色宮殿”通過可溶性糖和可溶性蛋白來維持細胞的膨壓，但隨著脅迫時間的延長，傷害逐漸加劇。體現(xiàn)在生物量積累上，高溫環(huán)境條件下礬根“紫色宮殿”植株鮮重、干重積累速度下降，植株生物量顯著低于對照組。前人研究表明，高溫導致植物機體缺水萎蔫[22]，但本研究中“紫色宮殿”在高溫環(huán)境條件下相對含水量逐漸提高，應當與采樣時間集中在上午7：00，經(jīng)過夜間恢復后充分吸水導致，表明了“紫色宮殿”能夠通過主動吸收和補充水分來應對白天的高溫環(huán)境。