高溫處理對3 種香草植物生理生化特性的影響

吳 靜，袁平成

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045）

香草植物作為芳香植物類群中的一類植物，兼有芳香、觀賞、食用和藥用等功能，一般為一年生或多年生草本，還包括少部分亞灌木和灌木類群［1］。香草植物與一般園林植物相比，不僅具有綠化美化環(huán)境和減噪作用，而且有芳香功能，能釋放含有烴類、醇類和萜烯類物質(zhì)等揮發(fā)性物質(zhì)的香氣，特別是當(dāng)其達(dá)到一定濃度時可以產(chǎn)生一定的預(yù)防、治療和保健作用，是康復(fù)景觀的重要組成部分，同時還能凈化空氣［2－4］。此外，香草植物在其他領(lǐng)域的應(yīng)用前景也十分廣闊，其具有一定的土壤修復(fù)能力，與其他植物間作有促進(jìn)生長、提高品質(zhì)的作用［5－10］。

近年來全球氣候變暖的問題日趨嚴(yán)重，如溫室效應(yīng)加劇、極端高溫天氣頻繁出現(xiàn)等，因而植物受到高溫傷害的現(xiàn)象也越來越顯著。因此，植物在高溫處理下的生長形態(tài)和生理生態(tài)變化等耐熱機(jī)制也引起眾多學(xué)者的關(guān)注。植物在高溫環(huán)境下形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，水分消耗急劇增加，長期高溫會影響植物的生長發(fā)育，嚴(yán)重時將導(dǎo)致植株脫水死亡［11］。葉片是光合作用的主要器官，葉綠素是光合色素的重要組成成分，高溫處理下植物葉表溫度升高會顯著影響光合作用的生理過程，最終引起葉綠素含量升高或降低［12］。高溫處理下植物的呼吸作用減弱，細(xì)胞膜被破壞，電解質(zhì)外滲，膜脂過氧化增大，從而導(dǎo)致相對電導(dǎo)率升高，丙二醛含量上升，受到脅迫后超氧化物岐化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等抗氧化酶活性將增加以保護(hù)植物，但長期的高溫條件會嚴(yán)重影響植物的生理生化機(jī)能［13－15］。

香草植物是一類有綜合應(yīng)用價值和開發(fā)前景的植物資源，但是對其逆境生理及栽培應(yīng)用鮮少研究。本文以檸檬香茅（Cymbopogon citratus）、香蜂草（Melissa officinalis）和匍匐迷迭香（Rosmarinus officinalis′Severn Sea′）3 種常見的園林植物為研究材料，探討其在高溫處理下的生理生化反應(yīng)特性，可為香草植物栽培推廣及引種繁育工作提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料檸檬香茅、香蜂草和匍匐迷迭香苗購于青島百草香芳香植物有限公司，均為1 年生扦插苗。試驗(yàn)前已統(tǒng)一置于同一環(huán)境中進(jìn)行盆栽適應(yīng)?；ㄅ枰?guī)格為高14 cm、上口徑13 cm、下口徑11 cm，栽培基質(zhì)為園土∶草炭∶蛭石（3∶1∶1）的混合基質(zhì)，充分混合用多菌靈進(jìn)行消毒。栽培基質(zhì)的pH 值為5.19，有機(jī)質(zhì)含量為21.76 g/kg，全氮含量為0.61 g/kg，全磷含量0.90 g/kg，全鉀含量8.73 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)始于2021 年1 月，試驗(yàn)前將材料統(tǒng)一放置在人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行適應(yīng)性栽培14 d ，光照強(qiáng)度6 000 lx，相對濕度80%，溫度25 ℃，光周期13 h/11 h（晝/夜），高溫處理前統(tǒng)一澆水，保持各盆土壤濕度相對一致。于第15 天開始高溫處理，將人工氣候箱的溫度調(diào)整至35 ℃/30 ℃（晝/夜），高溫處理時間為8：00－17：00，光照條件和時間與濕度條件均不變。試驗(yàn)過程中每2 d 澆水一次。分別于3、9 和14 d 采樣，試驗(yàn)共進(jìn)行14 d。取樣后部分葉片先迅速用液氮冷凍，后藏于－80 ℃超低溫冰箱內(nèi)，用于生理指標(biāo)的測定；部分葉片于當(dāng)天進(jìn)行細(xì)胞膜透性、光合色素含量的測定。采樣時選擇成熟功能葉進(jìn)行指標(biāo)測定，每個處理重復(fù)3 次，每次重復(fù)3 盆。

1.3 生理指標(biāo)測定

葉綠素含量采用乙醇浸提法測定；細(xì)胞膜透性采用電導(dǎo)法測定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸顯色（TBA）法測定；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑（NBT）法測定；可溶性糖采用蒽酮比色法測定；可溶性蛋白質(zhì)采用考馬斯亮藍(lán)G－250 染色法測定。以上生理指標(biāo)測定均參考李合生［16］的生理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel2010 和SPSS22.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，利用Origin2018 繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫處理對3 種植物光合色素含量的影響

由圖1 可知，在高溫處理下3 種香草植物的葉綠素含量存在差異。檸檬香茅僅葉綠素a 含量存在顯著差異，而香蜂草和匍匐迷迭香葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總和類胡蘿卜素含量均存在顯著差異。其中檸檬香茅的葉綠素a 含量呈遞減趨勢，香蜂草總體呈遞增趨勢，而匍匐迷迭香呈先增后減變化。檸檬香茅的葉綠素b 呈先減后增變化，在9 d 時，葉綠素b 含量最低；香蜂草則呈遞增趨勢；匍匐迷迭香呈先增后減趨勢。檸檬香茅葉綠素總含量呈遞減變化，香蜂草總體呈遞增趨勢，匍匐迷迭香呈先增后減變化。檸檬香茅類胡蘿卜素含量變化較小，趨于平穩(wěn)；香蜂草總體呈增加趨勢，匍匐迷迭香類胡蘿卜素呈先增后減顯著變化。

圖1 高溫處理對3 種香草植物光合色素含量的影響Fig.1 Effects of high temperature treatment on the content of photosynthetic pigments of three aromatic plants

2.2 高溫處理對3 種香草植物抗氧化系統(tǒng)的影響

不同植物在高溫處理下相對電導(dǎo)率變化也不同（見圖2）。檸檬香茅的相對電導(dǎo)率呈遞增趨勢，3 d 時相對電導(dǎo)率與9 d、14 d 存在顯著差異。香蜂草呈遞增趨勢，3 d 和14 d 有顯著差異。而匍匐迷迭香的相對電導(dǎo)率則無明顯變化，趨于平穩(wěn)。

圖2 高溫處理對3 種香草植物抗氧化系統(tǒng)的影響Fig.2 Effects of high temperature treatment on the antioxidant system of three aromatic plants

MDA 含量各植物表現(xiàn)也各不相同。檸檬香茅呈先減后增的變化，3 d 與9 d、14 d 存在顯著差異。香蜂草呈先減后增的變化，9 d 時，MDA 含量最低。匍匐迷迭香呈遞減變化，但無顯著差異。

3 種香草植物的SOD 活性存在差異。檸檬香茅呈遞減趨勢，且存在顯著差異。香蜂草則呈先增后減趨勢，14 d 與3 d、9 d 存在顯著差異。匍匐迷迭香亦呈先增后減的變化趨勢，9 d 與3 d、14 d 存在顯著差異，SOD 活性由高到低排列為9 d ＞14 d ＞3 d。

2.3 高溫處理對3 種香草植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

由圖3 可知，檸檬香茅可溶性糖含量呈遞增趨勢，3 d 與9 d、14 d 時的可溶性糖含量有顯著差異，且比3 d 時分別增加了6.11 、7.34 mg/g。香蜂草和匍匐迷迭香的可溶性糖含量均呈緩慢遞增趨勢，無顯著差異。

圖3 高溫處理對3 種香草植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響Fig.3 Effects of high temperature treatment on osmotic adjustment substances of three aromatic plants

高溫處理對3 種植物可溶性蛋白含量影響也各有不同，檸檬香茅和匍匐迷迭香呈遞增變化，14 d 與3 d、9 d 有顯著增加。香蜂草呈先減后增變化且存在顯著差異，9 d 時可溶性蛋白含量最低。

3 結(jié)論與討論

3.1 高溫處理對3 種香草植物葉綠素含量的影響

高溫會破壞葉綠體的超微結(jié)構(gòu)，同時還會影響葉綠素中間產(chǎn)物的生物合成而減少葉綠素的生成量，高溫也會抑制類胡蘿卜素的合成［17－18］。植物葉片作為植物進(jìn)行光合作用的主要器官，高溫處理會直接提高植物葉片表溫，影響植物光合作用、蒸騰作用和呼吸作用等生理活動。本研究結(jié)果表明，檸檬香茅的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量均隨時間的延長而下降，這與李敏等［19］的研究結(jié)果一致，而類胡蘿卜素含量趨于平穩(wěn)，說明高溫破壞了檸檬香茅葉綠素的合成與分解，且處理時間越久抑制作用越明顯，但對類胡蘿卜素含量影響較小。香蜂草的葉綠素含量則呈上升變化并趨于平穩(wěn)，而匍匐迷迭香呈先增后減變化，說明35 ℃高溫未達(dá)到香蜂草極限溫度，其極限溫度有待進(jìn)一步深入研究；匍匐迷迭香的光合作用隨時間的延長則受到了明顯的抑制作用。由此可知，高溫處理下3 種香草植物的光合色素含量變化不同，不同植物對高溫的耐受力有差異，而3 種植物中檸檬香茅對高溫最敏感。

3.2 高溫處理對3 種香草植物抗氧化系統(tǒng)的影響

植物在受到逆境脅迫時會調(diào)整一系列機(jī)制來適應(yīng)環(huán)境。為了降低高溫造成的傷害，植物的酶活性會發(fā)生改變以減輕膜脂過氧化的傷害［20］。植物在高溫逆境中會產(chǎn)生一系列的生理生化變化來抵御和適應(yīng)一定程度的熱脅迫。如調(diào)整細(xì)胞膜的組分、產(chǎn)生滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和增強(qiáng)抗氧化酶活性等來減輕高溫帶來的傷害。高溫會使植物的細(xì)胞膜透性變大，電解質(zhì)外滲，并產(chǎn)生MDA等膜脂過氧化產(chǎn)物。細(xì)胞膜透性變大，會直接導(dǎo)致植物的相對電導(dǎo)率增大。本研究中，高溫處理下檸檬香茅和香蜂草的相對電導(dǎo)率顯著增大，而匍匐迷迭香則表現(xiàn)平穩(wěn)，無顯著差異，這與許桂芳等［21］的研究結(jié)果一致，說明匍匐迷迭香細(xì)胞膜穩(wěn)定性較好，其耐熱能力比其他兩種植物更強(qiáng)。本試驗(yàn)中的檸檬香茅的MDA 含量先增后減，香蜂草和匍匐迷迭香的MDA 含量總體來說變化幅度較小，無顯著差異。高溫處理下檸檬香茅的相對電導(dǎo)率和MDA 含量均明顯高于其他兩種植物，說明檸檬香茅的細(xì)胞膜受到的傷害大于香蜂草和匍匐迷迭香，而且匍匐迷迭香一直維持在較平穩(wěn)的狀態(tài)，進(jìn)一步證明其耐熱性強(qiáng)于檸檬香茅和香蜂草。

持續(xù)的高溫環(huán)境會破壞抗氧化酶活性的正常代謝，植物則通過調(diào)節(jié)酶活性高低來減輕環(huán)境帶來的傷害，以維持其自身的正常生命活動［13］。SOD 作為抗氧化酶系統(tǒng)的重要酶類之一，其活性高低是植物在逆境下適應(yīng)性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。本研究中，高溫處理下檸檬香茅的SOD 呈遞減趨勢，香蜂草和匍匐迷迭香則先增后減，說明在短時逆境下，香蜂草和匍匐迷迭香通過增加SOD來保護(hù)細(xì)胞膜，但持續(xù)高溫會使植物呼吸作用增強(qiáng)，破壞抗氧化酶系統(tǒng)，導(dǎo)致酶合成量下降［22］。

3.3 高溫處理對3 種香草植物滲透物質(zhì)的影響

可溶性糖和可溶性蛋白是很重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，植物會通過這些滲透物質(zhì)來減輕脅迫所受的傷害。本研究發(fā)現(xiàn)，3 種植物的可溶性糖均呈上升的變化趨勢，揭示了3 種植物響應(yīng)高溫處理的反應(yīng)過程，這與粉帶（Scaevola albida）在高溫處理下的研究結(jié)果［23］一致，其中檸檬香茅的變化幅度最大，香蜂草次之，匍匐迷迭香最小，說明高溫處理下植物能通過增加可溶性糖來適應(yīng)逆境。檸檬香茅和匍匐迷迭香的可溶性蛋白呈上升變化，而香蜂草呈先降后升的變化，說明3 種植物均能通過增加滲透性物質(zhì)來調(diào)節(jié)細(xì)胞水分平衡。由此表明檸檬香茅和香蜂草是熱敏性植物，而匍匐迷迭香是較耐熱性植物。

高溫處理下，檸檬香茅比香蜂草和匍匐迷迭香對高溫更敏感，其受到高溫傷害最大；而香蜂草和匍匐迷迭香具有一定的耐高溫能力。本研究中僅探討了高溫處理對植物生理生化特性的影響，各指標(biāo)測定以初生代謝產(chǎn)物為主，未測定分析其次生代謝產(chǎn)物，但次生代謝能提高植物自我保護(hù)能力，協(xié)調(diào)與環(huán)境的聯(lián)系，也扮演著非常重要的角色，建議后期可探討香草植物的芳香成分、芳香物質(zhì)等次生代謝過程與產(chǎn)物及其揮發(fā)性有機(jī)化合物的釋放規(guī)律，探究植物次生代謝影響植物生長發(fā)育的機(jī)理及其與環(huán)境的關(guān)系。