冬季自然降溫過程中阿拉伯婆婆納與白三葉生理指標(biāo)的變化特征

黃萍， 高紅梅， 陳云， 孫龍飛

(1.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 中牟 451450； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

低溫脅迫直接影響著草坪的質(zhì)量、綠期長短及越冬率，成為制約中國北方草坪業(yè)發(fā)展的主要因子之一[1]。若能開發(fā)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的野生資源，篩選出優(yōu)良的抗寒草坪草種質(zhì)資源，不僅有利于推動北方地區(qū)草坪業(yè)發(fā)展，而且有助于緩解當(dāng)前中國草坪草種過于依賴進口的現(xiàn)狀。

阿拉伯婆婆納為玄參科婆婆納屬的一年生或越年生草本植物，在中國華北、西北、中南、西南等地區(qū)均有分布，常集群生長、成片分布，天然低矮匍匐，具有草坪草的諸多性狀且花色為藍色，具有較高的觀賞價值和較強的花色優(yōu)勢。此外，阿拉伯婆婆納越冬性強，冬季不存在枯黃期，最冷月只是葉色有些發(fā)紅，返青也早于常見的冷季型草坪植物紅花酢漿草(OxaliscorymbosaDC.)、白三葉(Trifoliumrepens)、早熟禾(PoaannuaL.)，早春2月即開始開花，3月初為盛花期，綠期、花期優(yōu)勢均非常明顯[2]，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ挠^賞性冷季型草坪草資源。但是，目前只有楊文權(quán)等[3]對其草坪用性狀進行了初步研究，提出阿拉伯婆婆納具有綠期長、蓋度大、人工移栽成活率高、水平生長速度快等坪用草的優(yōu)點；張慶良等[4]研究了其園林應(yīng)用，嘗試將阿拉伯婆婆納引入冬春季花壇而取得良好效果。而關(guān)于阿拉伯婆婆納抗寒生理特性的研究尚未見報道。

白三葉為豆科三葉草屬多年生冷季型草坪草，具有較強的抗旱、抗寒、耐鹽堿等特點[5]，現(xiàn)已廣泛用于中國北方地區(qū)草坪綠化工程中[6]。因野生白三葉和阿拉伯婆婆納具有相似的生活型和物候期，且已成功引種栽培并大面積推廣，故研究了2種植物自然降溫過程中生理反應(yīng)方面對低溫脅迫響應(yīng)的不同，以揭示阿拉伯婆婆納適應(yīng)低溫脅迫的生理機制，為其開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與樣地概況

試驗材料為阿拉伯婆婆納和野生白三葉，采于鄭州市中牟縣河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院園藝試驗基地內(nèi)。采樣地屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫14.5 ℃，7月份最熱，平均氣溫26.9 ℃；12月到1月為冬季，1月份最冷，平均氣溫0.3 ℃；極端最低氣溫-13.8 ℃，極端最高氣溫44.2 ℃；年平均降雨量632 mm，無霜期220 d；土壤類型為潮土，肥力中等。

1.2 越冬率及返青情況觀測

越冬率測定方法：用20 cm×20 cm鐵絲樣方隨機測定2種植物入冬前及返青后的覆蓋度，后者與前者的比值即為越冬率。返青期參照張躍進等[7]的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合2種植物的實際越冬情況，以80%的植株變綠為準(zhǔn)。

1.3 取樣與生理指標(biāo)測定

從連續(xù)5 d平均溫度低于5 ℃開始，到葉片出現(xiàn)凍害癥狀為止，每隔10 d取樣一次，具體時間分別為2018-12-14,2018-12-24,2019-01-03，每次在13:00―14:00取樣。每次取樣記錄前3 d日最高和最低氣溫，計算出前3 d的平均最高和最低氣溫。

取樣時選取2種植物生長比較一致的3塊不同地段，即3個重復(fù)。每次取樣均選取植株中部大小一致、無病蟲害的功能葉片，以盡量保證試驗材料生理特性的一致性。取完樣后，放入液氮罐迅速冷凍，回實驗室后放至-80 ℃冰箱保存，用于生理指標(biāo)的測定。

測定指標(biāo)包括葉片的超氧化物歧化酶(SOD)活性、游離脯氨酸(Pro)和丙二醛(MDA)含量。SOD活性采用氮藍四唑(NBT)光化還原法測定，以抑制NBT光化還原50%為一個酶活單位。Pro含量采用茚三酮溶液顯色法測定，MDA含量用硫代巴比妥酸(TBA)反應(yīng)法測定[8]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)利用Excel 2007制作圖表，用單因素方差分析和Duncan法多重比較對同一植物不同時間以及同一時間不同植物間生理指標(biāo)的差異進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 取樣期間采樣地氣溫變化

取樣期間采樣地氣溫變化見表1。由表1可以看出，在2018-12-14―2019 -01-03取樣期間，日最低氣溫及前3 d平均最高氣溫持續(xù)下降明顯，取樣當(dāng)日平均溫度均低于1 ℃，2019-01-03第3次取樣時，前3 d平均最高氣溫、前3 d平均最低氣溫及當(dāng)日最低氣溫均比上一次取樣時顯著下降。

2.2 2種植物越冬覆蓋度、越冬率及返青期比較

如表2所示，越冬前，2種植物的覆蓋度差異不顯著，越冬后阿拉伯婆婆納的覆蓋度及越冬率均極顯著高于白三葉(P<0.01)，說明阿拉伯婆婆納受凍害較輕，越冬性好。以80%的植株變綠為標(biāo)準(zhǔn)，阿拉伯婆婆納2019年2月初已返青，早于白三葉1個多月，而且在2019年2月初已開始現(xiàn)花。

表1 取樣期間試驗地氣溫變化Table 1 Temperature variation in experimental field during sampling ℃

表2 2種植物越冬覆蓋度、越冬率及返青期比較Table 2 Comparison of winter coverage,overwinter rate and regreening stag of two plants

注:**表示在0.01水平上差異顯著。

Note: **indicates the significant difference at 0.01 level.

2.3 自然降溫對2種植物葉片中SOD活性的影響

在冬季自然降溫過程中，阿拉伯婆婆納和白三葉SOD活性的總體變化均呈下降趨勢(圖1)。阿拉伯婆婆納的SOD活性每次取樣測定時均高于白三葉，在2018-12-24第2次測定時，兩者之間的差異達到了顯著水平(P<0.05)，其他2次測定時2種植物SOD活性差異不顯著。同一植物不同測定時間SOD活性的差異顯著性檢驗結(jié)果表明，從2018-12-14到2018-12-24，阿拉伯婆婆納和白三葉的SOD活性均存在顯著性下降(P<0.05)，阿拉伯婆婆納的降幅為13.1%，白三葉的降幅為17.3%；從2018-12-24到2019-01-03，2種植物的SOD活性仍有下降，但差異不顯著(P>0.05)。

2.4 自然降溫對2種植物葉片中脯氨酸含量的影響

如圖2所示，在冬季自然降溫過程中，2種植物脯氨酸含量的總體變化趨勢不太一致。白三葉的脯氨酸呈緩慢上升趨勢，第2次測定與第1次測定相比幾乎沒有變化，增幅僅為2.5%，到第3次測定時才有明顯上升，3次不同測定時間之間脯氨酸含量差異不顯著；阿拉伯婆婆納葉片中的脯氨酸含量從第1次測定到第2次測定時顯著上升(P<0.05)，增幅達27.5%，到第3次測定時脯氨酸含量變化不明顯，略有下降，但仍然顯著高于第1次測定值。冬季3次不同測定時間，阿拉伯婆婆納葉片的脯氨酸含量均高于白三葉，在2018-12-24第2次測定時，二者脯氨酸含量差異較大，接近顯著水平(P=0.07)，另外2次測定時差異不顯著。

注：同一曲線標(biāo)有不同小寫字母表示不同取樣時間在0.05水平上差異顯著；*表示同一取樣時間2種植物間差異顯著(P<0.05)，未標(biāo)者表示差異不顯著。下同。

2.5 自然降溫對2種植物葉片中丙二醛含量的影響

在冬季自然降溫過程中，阿拉伯婆婆納和白三葉葉片MDA含量呈現(xiàn)相似的變化趨勢(圖3)，即從2018-12-14到2018-12-24，MDA含量均有小幅上升，阿拉伯婆婆納的增幅為12.5%，白三葉的增幅為29.7%；從2018-12-24到2019-01-03，兩者MDA含量均有微幅下降，但變化不明顯。第3次取樣測定時3個生理指標(biāo)的變化均不明顯，這可能與第3次取樣時日平均氣溫降幅減小有關(guān)。阿拉伯婆婆納的MDA含量在3次取樣測定時，始終低于白三葉，但二者之間的差異不顯著。同一植物不同測定時間MDA含量差異顯著性檢驗結(jié)果表明，2種植物的3次測定結(jié)果之間均不存在顯著性差異(P>0.05)。

圖2 自然降溫過程中2種植物葉片中Pro含量的變化

圖3 自然降溫過程中2種植物葉片中MDA含量的變化

3 結(jié)論與討論

植物抗寒性與體內(nèi)保護酶活性密切相關(guān)，保護酶活性高，說明植物對環(huán)境反應(yīng)快，抗氧化能力強，抗寒性也強[9]。SOD是保護酶系統(tǒng)的核心成員，在植物的抗寒鍛煉過程中起著重要的保護作用。本研究中，3次取樣測定時，阿拉伯婆婆納葉片的SOD活性始終高于白三葉，在第2次取樣測定時，2種植物SOD活性的差異達到顯著水平，表明阿拉伯婆婆納活性氧清除能力強于白三葉，能有效保護細(xì)胞膜系統(tǒng)免受低溫傷害。冬季自然降溫過程中，2種植物葉片中SOD活性的總體變化均呈下降趨勢，但耐寒力強的阿拉伯婆婆納SOD活性降幅小于耐寒力稍弱的白三葉。這與王榕楷等[10]對3種草坪草的耐寒性與超氧化物歧化酶作用關(guān)系的研究結(jié)果一致，但與何麗斯等[11]對茉莉耐寒能力研究的結(jié)果不太一致。茉莉葉片SOD活性在自然降溫過程中呈先升后降趨勢，而本研究中2種植物SOD活性一直呈下降趨勢。結(jié)果不一致的原因可能是因為本試驗的取樣時間是在最冷月，氣溫已降至全年最低點，第2次取樣時日最低氣溫已達到-6 ℃，第3次取樣時日最低氣溫已達到-8 ℃，此時低溫脅迫強度比較大，SOD本身可能也受到一定程度的損害，因而活性一直呈下降趨勢。

植物體內(nèi)游離脯氨酸作為細(xì)胞質(zhì)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在低溫脅迫下可以誘導(dǎo)合成，以增加細(xì)胞液濃度，降低細(xì)胞液冰點，防止細(xì)胞質(zhì)凝固和過度失水，保護細(xì)胞免受低溫傷害[12]。劉南清等[13]對假儉草葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量與低溫傷害關(guān)系的研究表明，脯氨酸是假儉草細(xì)胞內(nèi)與抗寒性相關(guān)的重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，假儉草葉片內(nèi)的脯氨酸可以作為假儉草耐寒性評價的重要指標(biāo)。但也有研究表明，逆境下脯氨酸的積累是傷害反應(yīng)，與抗性無關(guān)[14]。本研究中，阿拉伯婆婆納葉片的脯氨酸含量在每次取樣測定時均高于白三葉，且阿拉伯婆婆納脯氨酸含量在第2次取樣測定時已顯著上升，而白三葉第3次測定時才有明顯上升。結(jié)合越冬率觀測，以及其他生理指標(biāo)反映的結(jié)果，本試驗中脯氨酸含量應(yīng)為抗性指標(biāo)，說明遭受低溫脅迫時，阿拉伯婆婆納比白三葉更能快速反應(yīng)，通過自身調(diào)節(jié)增加脯氨酸的積累，維持較強的滲透調(diào)節(jié)作用，以提高其抗寒能力。

MDA是膜脂過氧化作用的終產(chǎn)物，其含量高低常用來衡量植物在逆境脅迫中受活性氧傷害的程度。低溫逆境下，MDA積累越多，膜脂過氧化程度越高，說明膜受傷害越嚴(yán)重，植物抗寒性越弱[15]。本研究結(jié)果顯示，阿拉伯婆婆納和白三葉葉片MDA含量從第1次取樣測定到第2次取樣測定時均有上升，但阿拉伯婆婆納的增幅明顯小于白三葉，而且3次測定時，阿拉伯婆婆納葉片MDA含量始終小于白三葉，說明阿拉伯婆婆納膜脂過氧化程度相對較輕，受低溫傷害的程度小于白三葉。

綜上所述，在冬季自然降溫過程中，阿拉伯婆婆納SOD誘導(dǎo)合成能力較強，游離脯氨酸快速積累，MDA含量小幅上升。3項生理指標(biāo)表現(xiàn)出較為一致的結(jié)果，即阿拉伯婆婆更能快速反應(yīng)，通過自身生理調(diào)節(jié)以適應(yīng)低溫脅迫。2種植物越冬及返青情況觀測結(jié)果也表明，阿拉伯婆婆納越冬率極顯著高于白三葉，最冷月凍傷葉片明顯少于白三葉，且早春返青早于白三葉35 d，自然越冬表現(xiàn)與生理指標(biāo)反映的結(jié)果一致，均表明阿拉伯婆婆納對低溫的耐受性比白三葉更強。因此，可以考慮將阿拉伯婆婆納作為冷季型草坪草在中國華北、西北地區(qū)引種栽培，以彌補該地區(qū)當(dāng)前草坪草種多存在冬季枯黃期較長、無綠可賞的不足。