高溫脅迫對(duì)刺毛杜鵑生理特征和生長(zhǎng)的影響

楊 華，宋緒忠*，鄭國(guó)良，沈 劍

（1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州310023；2.浙江省金華市林業(yè)技術(shù)推廣站，浙江 金華321000）

【研究意義】杜鵑花是一類園藝栽培常用的花卉，全世界的杜鵑花約有960種，我國(guó)是杜鵑花主要分布國(guó)家，種類達(dá)542種[1]，另外培育品種有上千種。雖然美麗的杜鵑花受人們喜愛(ài)，但杜鵑花對(duì)生長(zhǎng)條件、栽培條件要求較高，在我國(guó)園林綠化應(yīng)用時(shí)，只有少數(shù)抗逆性強(qiáng)的種類被市場(chǎng)應(yīng)用，對(duì)于抗性了解不清的原生種或者品種，市場(chǎng)供應(yīng)量少，應(yīng)用也少。隨著人類活動(dòng)的增加，全球氣溫逐漸升高，再加上城市溫室效應(yīng)常有發(fā)生，城市在夏季高溫期間，達(dá)38℃以上的高溫天氣時(shí)有出現(xiàn)，對(duì)園林綠化植物的生長(zhǎng)有一定的影響。杜鵑花種類繁多，對(duì)高溫的適應(yīng)能力千差萬(wàn)別。為了增加杜鵑花種類在園林綠化中的應(yīng)用，同時(shí)避免應(yīng)用失敗，深入了解杜鵑花耐高溫能力是其應(yīng)用要考慮的關(guān)鍵因素之一?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】如秦嶺的高山杜鵑（Rh od odend ron lapponicum）[2-3]和井岡山杜鵑（R.jin g gangs hanicum）[4]只適合在涼爽濕潤(rùn)的環(huán)境下生存，無(wú)法適應(yīng)高溫區(qū)域引種。西洋杜鵑（R.hyb ridum）[5]、馬銀花（R.ovatum）[6]、毛棉杜鵑（R.moulmai nense）、紅灘杜鵑（R.chihs i ni anum）和紅棕杜鵑（R.rubiginosum）[7]等少數(shù)幾種杜鵑花已開(kāi)展了耐高溫能力分析，試驗(yàn)處理最高溫度分別為43，42，38℃等，研究人員對(duì)它們的葉綠素、丙二醛、各種酶活性、光合特性等生理生化指標(biāo)進(jìn)行了分析，評(píng)價(jià)了其抗性，為它們的應(yīng)用范圍提供了指導(dǎo)。同時(shí)，研究者還利用不同的化學(xué)試劑對(duì)杜鵑花進(jìn)行處理[8-11]，或者進(jìn)行一定高溫的預(yù)處理[12]，以提高杜鵑花的耐高溫能力?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】刺毛杜鵑（R.ch ampi onae）產(chǎn)于我國(guó)東南及中南部的9個(gè)省份，分布于海拔500～1 300 m的山谷疏林[13-14]，其花冠大，色淡雅，量多，花朵具有淡淡香味，屬于觀賞價(jià)值較高的一類常綠杜鵑。目前，對(duì)刺毛杜鵑的研究相當(dāng)少，對(duì)其適應(yīng)城鎮(zhèn)高溫環(huán)境的能力分析也不系統(tǒng)，從其自然分布的海拔、生境情況看，認(rèn)為其適應(yīng)高溫能力一般，不適合城市園林綠化。然而在課題組的引種栽培過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其適應(yīng)高溫環(huán)境的能力較好，是一類適合種植于庭院、公園的杜鵑花種類?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究通過(guò)人為模擬高溫環(huán)境，對(duì)其葉片生理指標(biāo)及生長(zhǎng)情況進(jìn)行觀察，分析刺毛杜鵑的生理指標(biāo)與高溫脅迫的關(guān)系，解釋其適應(yīng)高溫環(huán)境的能力，為其推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)用苗6年生，平均苗高48 cm，以黃土∶泥炭∶珍珠巖＝2∶1∶1為基質(zhì)種植于25 cm×35 cm塑料容器內(nèi)，室外栽培，下午無(wú)直射光照。8月底，放入不同溫度梯度的光照培養(yǎng)箱內(nèi)，進(jìn)行耐高溫抗性試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用智能光照培養(yǎng)箱（塞福，寧波）設(shè)定溫度梯度，分別為25℃/21℃（晝14 h/夜10 h，以下同）、32℃/25℃（輕度脅迫）、38℃/28℃（中度脅迫）、42℃/31℃（重度脅迫），每個(gè)處理9株。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

處理第1、5和10天早上采集葉片進(jìn)行生理指標(biāo)分析，選取頂端向下第3～6片的葉子用于試驗(yàn)，重復(fù)3次，避免已變褐色的葉片。處理第7、14天早上進(jìn)行光合特性測(cè)定。處理21d后，將苗移出光照培養(yǎng)箱。保證土壤濕度，適時(shí)澆水，每天觀察植物生長(zhǎng)情況。

葉綠素含量（mg/g）、類胡蘿卜素含量（mg/g）、電導(dǎo)率（%）、丙二醛（MDA）含量（μmol/g）的測(cè)定方法參照李合生方法[15]。超氧化物歧化酶（SOD）活性（U/g）的測(cè)定方法參照鄒琦方法[16]。

采用LI-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)（LI-COR，美國(guó)）測(cè)定相同葉位的功能葉片的凈光合速率（Pn/μmolCO2·m-2·s-1）、氣孔導(dǎo)度（Gs/molH2O·m-2·s-1）、蒸騰速率（Tr/mmolH2O·m-2·s-1）、胞間CO2濃度（Ci/μmolCO2·m-2·s-1）、大氣CO2濃度（Ca/μmolCO2·mol-1）。測(cè)定時(shí)葉室面積為6 cm2，樣品室流速為500μmol/s，光照強(qiáng)度固定為500μmol/（m2·s）。水分利用效率W U E＝Pn/Tr，氣孔限制值L s=（Ca-Ci）/Ca。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行計(jì)算，使用統(tǒng)計(jì)軟件Excel2010繪制各曲線圖，多重比較采用LSD法進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫脅迫對(duì)刺毛杜鵑生理特征的影響

2.1.1 葉綠素含量與類胡蘿卜素含量變化情況 經(jīng)過(guò)10d不同溫度處理（圖1～3），葉綠素a含量、類胡蘿卜素含量在32℃/25℃、38℃/28℃、42℃/31℃這3個(gè)溫度下，隨時(shí)間延長(zhǎng)出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)；在25℃/21℃溫度下，則隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降。葉綠素b含量在25℃/21℃、38℃/28℃這2個(gè)溫度下，出現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)；在32℃/25℃、42℃/31℃溫度下，出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。第10天，葉綠素a、b含量在42℃/31℃時(shí)最高，分別為0.986 mg/g和0.296 mg/g；而類胡蘿卜素的含量在25℃/21℃時(shí)最高，為1.273 mg/g。方差分析顯示，葉綠素a含量、葉綠素b含量在不同處理時(shí)間呈顯著差異（P＜0.05），在不同處理溫度間呈極顯著差異（P＜0.01）。類胡蘿卜素含量在不同處理時(shí)間、不同處理溫度間呈極顯著差異。

2.1.2 電導(dǎo)率變化情況 隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，各溫度下電導(dǎo)率呈逐漸上升的趨勢(shì)（圖4）。第1天和第10天，隨處理溫度的升高，呈先降后升的趨勢(shì)；第5天則是隨處理溫度升高而下降。在相同處理時(shí)間下，25℃/21℃溫度下電導(dǎo)率為最高。方差分析顯示，電導(dǎo)率在不同處理時(shí)間和不同處理溫度間呈極顯著差異。

2.1.3 SOD活性變化情況 對(duì)SOD活性進(jìn)行分析（圖5），隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，32℃/25℃、38℃/28℃、42℃/31℃這3個(gè)溫度下植株的SOD活性呈上升趨勢(shì)；25℃/21℃溫度下呈先降后升的趨勢(shì)。在相同處理時(shí)間下，SOD活性隨溫度升高呈先降后升的趨勢(shì)，第1天和第10天25℃/21℃溫度下SOD活性最高，分別為279.96 U/g、342.03 U/g；第5天則是42℃/31℃溫度下SOD活性最高，為258.28 U/g。方差分析顯示，不同處理溫度和處理時(shí)間間SOD活性呈極顯著差異。

圖1 葉綠素a含量的變化情況Fig.1 The change of chlorophyll a content

圖2 葉綠素b含量的變化情況Fig.2 The change of chlorophyll b content

圖3 類胡蘿卜素含量的變化情況Fig.3 The change of carotenoid content

圖4 電導(dǎo)率的變化情況Fig.4 The change of conductivity

2.1.4 MDA含量變化情況 MDA是細(xì)胞膜被破壞的標(biāo)志物質(zhì)。從圖6可以看出，隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，38℃/28℃、42℃/31℃這2個(gè)溫度下，MDA含量呈先升后降的趨勢(shì)；25℃/21℃溫度下MDA含量呈先降后升的趨勢(shì)，第1天和第10天，MDA含量最高，分別為23.59μmol/g和31.58μmol/g；32℃/25℃溫度下MDA含量呈上升趨勢(shì)，但變化不明顯。方差分析顯示，不同處理溫度間MDA含量呈極顯著差異。

圖5 SOD活性變化情況Fig.5 The change of SOD activity

圖6 MDA含量變化情況Fig.6 The change of MDA content

2.1.5 光合特性變化情況 處理第7、14天早上進(jìn)行光合特性測(cè)定，從圖7可以看出：（1）隨處理時(shí)間延長(zhǎng)，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率表現(xiàn)為逐漸下降。第14天時(shí)各溫度下凈光合速率變化不明顯。隨處理溫度的升高，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率表現(xiàn)為升-降-升的趨勢(shì)。42℃/31℃溫度下，氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率都為最大，分別為0.35 molH2O/（m2·s）、0.21 molH2O/（m2·s）和4.86 mmolH2O/（m2·s）、3.60 mmolH2O/（m2·s）。（2）42℃/31℃溫度下，隨處理時(shí)間延長(zhǎng)，胞間CO2濃度有所上升，而另外3個(gè)溫度則為下降。隨溫度的升高，第7天時(shí)胞間CO2濃度先升再降，到了第14天則是不斷升高。（3）隨溫度的升高，水分利用效率和氣孔限制值逐漸降低。第7天，42℃/31℃溫度下水分利用效率和氣孔限制值分別是25℃/21℃溫度下的0.33倍和0.53倍；第14天，則為0.24倍和0.45倍。除了42℃/31℃，各溫度下的水分利用率和氣孔限制值第14天高于第7天。方差分析顯示，除了第14天時(shí)，不同處理溫度間凈光合速率無(wú)顯著差異；其它指標(biāo)在不同處理溫度間呈極顯著差異。

2.2 植株葉片生長(zhǎng)情況

觀察刺毛杜鵑植株對(duì)高溫的耐性，第16天時(shí)，只有處在42℃/31℃的6株刺毛杜鵑植株葉柄開(kāi)始出現(xiàn)褐色，表現(xiàn)出受傷害的癥狀；第21天時(shí)，有6株手碰葉，葉片掉落；處理23d后放在自然環(huán)境下，最終死亡3株。其它溫度下刺毛杜鵑葉片無(wú)明顯變化。

圖7 光合特性、水分利用率和氣孔限制值變化情況Fig.7 The change of physiological indexes，water use efficiency and stomata limitation

3 討論與結(jié)論

3.1 高溫脅迫對(duì)刺毛杜鵑細(xì)胞膜的影響

植物體細(xì)胞對(duì)脅迫的響應(yīng)最明顯的是細(xì)胞膜完整性丟失，導(dǎo)致細(xì)胞滲透增加和電解質(zhì)的泄露，電導(dǎo)率上升[17]，以及細(xì)胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生過(guò)剩的活性氧和MDA含量增加[18-19]。SOD酶是清除活性氧的關(guān)鍵[20]，降低膜受的損傷和MDA含量，是反映植物抗逆能力的重要參考指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，各溫度下電導(dǎo)率隨時(shí)間延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)，但25℃/21℃溫度下電導(dǎo)率卻是最高的，表明此時(shí)細(xì)胞膜損傷最重，這與田學(xué)軍等對(duì)蘿芙木的研究并不相同[21]。其原因可能是試驗(yàn)處理苗在處理前20d所處環(huán)境的平均溫度為34.5～26.4℃，最高溫度達(dá)到38℃/28℃，這與中度脅迫試驗(yàn)處理相近，因此在25℃/21℃環(huán)境下處理10d，苗木卻表現(xiàn)出不適應(yīng)。如果試驗(yàn)處理季節(jié)不同可能會(huì)出現(xiàn)不同的表現(xiàn)，這有待于進(jìn)一步研究比較。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，中度脅迫和重度脅迫下，MDA含量先升后下，表明高溫脅迫誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)SOD酶活性增強(qiáng)，SOD作用的發(fā)揮有助于植物獲得對(duì)高溫脅迫的適應(yīng)能力。紫扇花高溫脅迫時(shí)表現(xiàn)出了相似的變化趨勢(shì)[22]?？梢?jiàn)，刺毛杜鵑對(duì)溫度處理逐步產(chǎn)生了一定的適應(yīng)能力。

3.2 高溫脅迫對(duì)刺毛杜鵑葉片色素及光合特性的影響

植物色素中葉綠素是光合色素，而類胡蘿卜素作為光合輔助色素，起到延緩葉綠素的降解，保護(hù)細(xì)胞膜的作用。本研究不同處理溫度下的刺毛杜鵑，光合作用能力有所下降。綜合分析色素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，除重度脅迫外的3個(gè)溫度環(huán)境下，第14天刺毛杜鵑的光合作用是氣孔限制，即該條件下葉片氣孔導(dǎo)度降低，進(jìn)入氣孔的CO2減少了，不能滿足光合作用，導(dǎo)致光合作用受到限制[23]；而在重度脅迫下，氣孔限制值基本無(wú)變化，但凈光合速率下降，推斷此時(shí)光合作用是非氣孔限制，極端高溫引起刺毛杜鵑葉片色素含量下降，是造成光合作用降低的主要原因。脅迫造成植物光合系統(tǒng)破壞的現(xiàn)象在冬小麥、樟樹(shù)、番茄的研究中有相似結(jié)論[24-26]。此外，研究發(fā)現(xiàn)極端高溫對(duì)刺毛杜鵑的水分利用也有負(fù)面的影響。

3.3 高溫脅迫對(duì)刺毛杜鵑形態(tài)的影響

杜鵑屬植物喜濕涼環(huán)境，夏季極端高溫是限制其應(yīng)用的主要因素，特別是多數(shù)的高山杜鵑[27]。研究發(fā)現(xiàn)刺毛杜鵑在重度脅迫下可在15d內(nèi)保持正常生長(zhǎng)，而第21天后開(kāi)始出現(xiàn)葉片壞損并最后部分死亡；而其它高溫處理下，植株生長(zhǎng)正常。鑒于我國(guó)絕大多數(shù)城市，少有出現(xiàn)連續(xù)15d以上42℃/31℃（晝14 h/夜10 h）極端高溫的情況，可以預(yù)測(cè)刺毛杜鵑具有較好的耐高溫能力，具備了在夏季高溫地區(qū)進(jìn)行引種應(yīng)用潛力。

綜上所述，刺毛杜鵑在高溫環(huán)境下，葉片色素、細(xì)胞膜、酶活性、光合特性等各生理指標(biāo)都會(huì)產(chǎn)生一定的變化，并隨時(shí)間延長(zhǎng)而受到傷害。與高山杜鵑相比[3]，其耐高溫能力強(qiáng)，在我國(guó)東南及中南部省份的低海拔地區(qū)具有推廣應(yīng)用潛力，這個(gè)推論也得到以往研究結(jié)果的支持，認(rèn)為其耐高溫能力與同亞屬的廣布種馬銀花較為接近[6]，但可能比毛棉杜鵑耐高溫能力略為差一些[28]，種間抗性比較還有待進(jìn)一步研究分析。