5種鼠尾草屬植物的耐濕熱性研究

陳 云，周翔宇，肖漢文，朱軍杰，黃衛(wèi)昌，彭東輝

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 園林學(xué)院，福建 福州 350002；2.上海辰山植物園 城市園藝技術(shù)研發(fā)與推廣中心，上海 201602)

鼠尾草屬(Salvia)是唇形科(Lamiaceae)中最大的屬，約有1 000種[1]，該屬植物以富含多種芳香成分而著稱，其含有的多種活性次生代謝產(chǎn)物在藥物、食品、化妝品領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用[2]，且該屬植物顏色豐富、品種繁多、花期長，具有芳香氣味，有極高的觀賞價(jià)值[3]。鼠尾草屬植物主要分布于北半球的溫帶、亞熱帶和南半球的亞熱帶高海拔地區(qū)[4-5]。我國長江以南，如上海地區(qū)，夏季多出現(xiàn)高溫高濕天氣，最高溫度可達(dá)40 ℃以上，7-8月的平均相對(duì)濕度高達(dá)90%[6]，對(duì)許多鼠尾草屬植物的生長造成嚴(yán)重影響，已經(jīng)成為其應(yīng)用的主要限制因子。

根據(jù)前期觀察，引種至上海地區(qū)的許多鼠尾草在高溫高濕環(huán)境下出現(xiàn)生長不良的癥狀，甚至死亡。龔萍等[7]利用電導(dǎo)率法對(duì)蘋果鼠尾草(Salviaofficinalis)進(jìn)行了耐熱性測(cè)定；馮時(shí)等[8]測(cè)定了8種中國原產(chǎn)鼠尾草的半致死溫度(LT50)和葉綠素相對(duì)含量，比較其耐熱性差異，從而對(duì)其在引種地的高溫適應(yīng)性做出評(píng)價(jià)。然而，鼠尾草屬植物在耐濕熱性相關(guān)方面的研究尚未見報(bào)道。因此，本研究選取觀賞價(jià)值較高且未能廣泛應(yīng)用的5種鼠尾草屬植物為試驗(yàn)材料，分析在高溫高濕環(huán)境下各鼠尾草的形態(tài)變化、葉綠素相對(duì)含量(SPAD)、細(xì)胞質(zhì)膜透性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、可溶性蛋白含量、丙二醛(MDA)含量以及游離脯氨酸(Pro)含量的變化，比較其對(duì)高溫高濕環(huán)境的耐受性差異及生理機(jī)制，為今后耐高溫高濕鼠尾草的選育、應(yīng)用和栽培管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

選取上海辰山植物園資源圃內(nèi)的馬德雷鼠尾草(Salviamadrensis)、腺毛鼠尾草(Salviaviscosa)、紫紅鼠尾草(Salviaiodantha)、總苞鼠尾草(Salviainvolucrata‘Bethellii’)、‘山頂公園’藥用鼠尾草(Salviaofficinalis‘Berggarten’) 5種鼠尾草屬植物。研究材料為扦插苗，成活后移植營養(yǎng)缽中進(jìn)行統(tǒng)一管理，待植株高15～20 cm后選擇生長狀況良好、長勢(shì)一致的植株，移至人工氣候箱進(jìn)行耐濕熱試驗(yàn)處理。

1.2 試驗(yàn)處理

在人工氣候箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)中進(jìn)行溫度35 ℃、光強(qiáng)66%的熱激處理，處理時(shí)間為12 h，然后進(jìn)行高溫高濕處理，根據(jù)上海市氣候溫度設(shè)置為白天40 ℃/12 h，夜晚35 ℃/12 h，空氣濕度90%～95%，土壤濕度95%～100%，白天光照強(qiáng)度66%，夜晚進(jìn)行遮光處理；對(duì)照植株置于室溫(晝25 ℃/12 h，夜22 ℃/12 h)生長。試驗(yàn)處理0 d(對(duì)照組)、2、4、6、8 d于10:00-10:30觀察每株受傷害情況(葉片受傷情況、黃葉數(shù)、黃葉植株數(shù))，并選取從頂部數(shù)第3～5片完全展開的成熟葉片，一部分用于葉綠素相對(duì)含量和細(xì)胞質(zhì)膜透性的測(cè)定，其余部分用錫箔紙包好，迅速放入液氮中冷凍并貯藏于超低溫(-80 ℃)冰箱中，用于超氧化物歧化酶活性、可溶性蛋白含量、丙二醛含量和游離脯氨酸含量的測(cè)定。每個(gè)種類每個(gè)時(shí)間點(diǎn)重復(fù)3次取樣，每次重復(fù)3株。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 形態(tài)學(xué)指標(biāo)測(cè)定方法 將高溫高濕傷害程度劃分為以下5級(jí)：1級(jí)，生長旺盛，葉色鮮亮，無濕熱傷害癥狀；2級(jí)，少于1/3的葉片表現(xiàn)濕熱傷害癥狀(葉色變暗、發(fā)黃、枯萎掉落等)；3級(jí)，1/3～2/3的葉片表現(xiàn)濕熱傷害癥狀；4級(jí)，2/3以上的葉片表現(xiàn)濕熱傷害癥狀；5級(jí)，植株死亡[9-10]。

1.3.2 葉綠素相對(duì)含量的測(cè)定 參照蒼晶等[11]的方法，使用植物營養(yǎng)測(cè)定儀(浙江托普儀器有限公司)測(cè)定每種植物葉片的葉綠素相對(duì)含量。每種鼠尾草隨機(jī)選取3株，每株選取3片葉，每葉片重復(fù)3次。

1.3.3 細(xì)胞質(zhì)膜透性的測(cè)定 參照蒼晶等[11]的實(shí)驗(yàn)教程，用去離子水沖洗葉片2次，吸干葉片表面的水分后，用直徑為6 mm的打孔器避開葉脈隨機(jī)打取3個(gè)葉圓片，放入盛有10 mL去離子水(電導(dǎo)率小于0.1 μs·cm-1)的試管中，在真空干燥器中用真空泵抽氣1 h，使葉圓片沉入水中。室溫靜置20 min后，用電導(dǎo)率儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)測(cè)定電導(dǎo)值S1，再放入沸水浴中15 min，殺死植物組織，取出冷卻后在室溫下測(cè)定電導(dǎo)值S2，計(jì)算葉片的相對(duì)電導(dǎo)率，計(jì)算公式為

相對(duì)電導(dǎo)率=S1/S2×100%

(1)

1.3.4 葉片生理生化指標(biāo)的測(cè)定 可溶性蛋白含量的測(cè)定參考蒼晶等[11]的實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)，超氧化物歧化酶活性、丙二醛含量、游離脯氨酸含量的測(cè)定參照生工生物工程(上海)股份有限公司提供的試劑盒方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0進(jìn)行單因素方差分析，并使用Duncan進(jìn)行事后檢驗(yàn)，用GraphPad Prism 8.0繪制圖表，柱狀圖采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(Mean±SD)的方式表示。

1.5 耐濕熱性的綜合評(píng)定

采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)分析法[12-14]對(duì)5種鼠尾草屬植物進(jìn)行耐濕熱性綜合評(píng)定。隸屬函數(shù)計(jì)算公式如下

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

如果某一指標(biāo)與綜合評(píng)判結(jié)果為負(fù)相關(guān)，則用反隸屬函數(shù)進(jìn)行定量轉(zhuǎn)換。計(jì)算公式為

U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中：Xi為鼠尾草植物某一指標(biāo)測(cè)定值；Xmax和Xmin分別為某一指標(biāo)最大值和最小值。將各植物各指標(biāo)的耐濕熱隸屬值累加，進(jìn)行耐濕熱性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫高濕對(duì)5種鼠尾草的傷害等級(jí)

由表1可知，紫紅鼠尾草在脅迫初期相較于對(duì)照組受害等級(jí)降低，植株生長狀態(tài)更好，但后期仍受到一定傷害。其余4個(gè)種類的鼠尾草植株均受到了不同程度的濕熱傷害，如葉緣卷曲褐化，葉片發(fā)黃、脫落甚至死亡，并且隨著脅迫時(shí)間的延長加重。不同處理時(shí)間、不同種類之間生長形態(tài)變化存在一定差異。馬德雷鼠尾草最早受到濕熱傷害，脅迫2 d后，部分葉片出現(xiàn)發(fā)黃，葉緣干枯；腺毛鼠尾草、總苞鼠尾草、‘山頂公園’藥用鼠尾草在脅迫4 d后，形態(tài)開始出現(xiàn)變化。脅迫6 d后，總苞鼠尾草植株變化明顯，其中1株死亡，其余植株超過1/3葉片發(fā)黃，枯萎掉落。脅迫8 d后，總苞鼠尾草受到嚴(yán)重的濕熱傷害，2株死亡，剩余植株超過2/3的葉片發(fā)黃、枯萎掉落；其余鼠尾草均出現(xiàn)不同程度的形態(tài)變化，其中腺毛鼠尾草、紫紅鼠尾草部分葉片葉緣出現(xiàn)發(fā)黃或卷曲，傷害程度較輕且較穩(wěn)定。

表1 高溫高濕對(duì)5種鼠尾草的傷害等級(jí)

2.2 高溫高濕對(duì)5種鼠尾草葉綠素相對(duì)含量的影響

由圖1可以看出，除了紫紅鼠尾草的對(duì)照組，隨著脅迫時(shí)間的延長，5種鼠尾草的SPAD值呈遞減的變化趨勢(shì)，第8天的值相較于對(duì)照組分別下降25.0%、21.2%、4.1%、18.1%、17.9%。顯著性分析結(jié)果表明，在處理時(shí)間內(nèi)，‘山頂公園’藥用鼠尾草SPAD值始終處于較高的水平，總苞鼠尾草次之，兩者與其他鼠尾草形成顯著關(guān)系(P<0.05)；除對(duì)照組以外，在脅迫時(shí)間內(nèi)，紫紅鼠尾草與腺毛鼠尾草差異不明顯(P>0.05)，與形態(tài)指標(biāo)基本吻合，而馬德雷鼠尾草、總苞鼠尾草則與形態(tài)指標(biāo)結(jié)果不同。

2.3 高溫高濕對(duì)5種鼠尾草細(xì)胞膜透性的影響

從圖2可以看出，除紫紅鼠尾草對(duì)照組外，5種鼠尾草的相對(duì)電導(dǎo)率值變化趨勢(shì)與SPAD值相反，呈上升趨勢(shì)。馬德雷鼠尾草、腺毛鼠尾草、總苞鼠尾草、‘山頂公園’藥用鼠尾草在8 d后的相對(duì)電導(dǎo)率較對(duì)照組分別增加196%、262.8%、230%、177.8%。在0 d時(shí)，紫紅鼠尾草的相對(duì)電導(dǎo)率較高，與其他鼠尾草差異顯著(P<0.05)，在2 d后相對(duì)電導(dǎo)率隨脅迫時(shí)間的增長呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但在整個(gè)處理時(shí)間內(nèi)低于其他鼠尾草；馬德雷鼠尾草在0 d時(shí)與腺毛鼠尾草、總苞鼠尾草、‘山頂公園’藥用鼠尾草差異性不顯著(P>0.05)，而在0～2 d相對(duì)電導(dǎo)率迅速上升，與其他鼠尾草差異顯著，表明其最先受到傷害，與形態(tài)指標(biāo)相吻合；第4天開始，腺毛鼠尾草、總苞鼠尾草迅速上升，并在6 d后與其他鼠尾草呈顯著差異，馬德雷鼠尾草和‘山頂公園’藥用鼠尾草差異不明顯，說明腺毛鼠尾草、總苞鼠尾草細(xì)胞膜最終受到的傷害高于馬德雷鼠尾草、‘山頂公園’藥用鼠尾草。

2.4 高溫高濕對(duì)5種鼠尾草其他生理生化指標(biāo)的影響

2.4.1 超氧化物歧化酶活性 從圖3可以看出，5種鼠尾草在脅迫前期SOD活性均有所上升(紫紅鼠尾草對(duì)照組除外)，表明在高溫高濕脅迫下，各鼠尾草均產(chǎn)生了適應(yīng)性反應(yīng)，但變化趨勢(shì)和拐點(diǎn)有所不同。馬德雷鼠尾草、‘山頂公園’藥用鼠尾草SOD活性在第0～2天大幅度上升，達(dá)到最大值，在第2天呈不顯著差異(P>0.05)，而第0天、第4天差異顯著(P<0.05)，說明前者SOD活性上升速度和下降速度均快于后者；其余3種鼠尾草SOD活性均在第4天達(dá)到最高值，其中腺毛鼠尾草上升緩慢，增幅較小；紫紅鼠尾草在2～4 d增幅明顯，達(dá)到最高值，之后一直處于最高水平；而總苞鼠尾草上升緩慢，整體水平較低。

2.4.2 丙二醛含量 從圖4可以看出，5種鼠尾草的MDA含量變化趨勢(shì)沒有一致性?？偘笪膊菰?～6 d MDA值下降，之后有上升趨勢(shì)；其余4種鼠尾草在脅迫初期均有所上升，其中馬德雷鼠尾草、腺毛鼠尾草、‘山頂公園’藥用鼠尾草在第4天時(shí)達(dá)到最高值，三者之間沒有顯著差異(P>0.05)，但在前后2組中存在顯著差異(P<0.05)，表明‘山頂公園’藥用鼠尾草上升和下降幅度最大，腺毛鼠尾草次之、馬德雷鼠尾草最小；紫紅鼠尾草的MDA含量呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，前期變化與形態(tài)指標(biāo)有所差別，但整體呈現(xiàn)較低的水平。

2.4.3 游離脯氨酸含量 由圖5可知，除紫紅鼠尾草外，其余4種鼠尾草處理8 d后Pro含量顯著升高，較對(duì)照組分別增加45.9%、52.2%、47.4%、31.4%；馬德雷鼠尾草、腺毛鼠尾草、‘山頂公園’藥用鼠尾草的Pro含量呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)，且在2～4 d增幅明顯，之后一直保持較高的水平；紫紅鼠尾草Pro含量在脅迫初期降低，在4 d后達(dá)到最低值，之后緩慢回升，但整體水平較低；總苞鼠尾草在脅迫時(shí)間內(nèi)呈增-減-增的變化趨勢(shì)，變化幅度相對(duì)較小，整體水平較低。顯著性分析表明，在0 d、2 d，紫紅鼠尾草與其余4種鼠尾草差異顯著，而4～8 d，馬德雷鼠尾草、腺毛鼠尾草、‘山頂公園’藥用鼠尾草與其余2種鼠尾草差異顯著(P<0.05)。

2.4.4 可溶性蛋白含量 從圖6可以看出，5種鼠尾草的可溶性蛋白變化趨勢(shì)各不相同，且沒有明顯規(guī)律。脅迫時(shí)間內(nèi)，馬德雷鼠尾草、‘山頂公園’藥用鼠尾草始終維持較高的水平，而總苞鼠尾草的可溶性蛋白含量在6～8 d增幅明顯，達(dá)到最大值，與馬德雷鼠尾草沒有顯著差異(P>0.05)；腺毛鼠尾草在2 d時(shí)上升明顯，之后變化較為穩(wěn)定，但整體水平較低。脅迫至8 d，各鼠尾草可溶性蛋白含量相較于對(duì)照組增加44%、37%、33%、64%、6.4%。

2.5 隸屬函數(shù)分析結(jié)果

由表2可知，根據(jù)綜合隸屬函數(shù)值大小，對(duì)5種鼠尾草進(jìn)行耐熱能力排序，其中‘山頂公園’藥用鼠尾草綜合值最大，表示耐濕熱性最好，總苞鼠尾草綜合值最小，表示其耐濕熱性最差，這與形態(tài)學(xué)觀察的結(jié)果相似。5種鼠尾草的耐濕熱性從大到小依次排列為：‘山頂公園’藥用鼠尾草>腺毛鼠尾草>紫紅鼠尾草>馬德雷鼠尾草>總苞鼠尾草。

表2 耐濕熱指標(biāo)的綜合隸屬函數(shù)值

3 結(jié)論與討論

植物形態(tài)特征的變化可以比較直觀地反映植物的受害程度，是評(píng)價(jià)植物對(duì)逆境適應(yīng)性強(qiáng)弱的直接指標(biāo)[15]。脅迫初期，紫紅鼠尾草的黃葉數(shù)減少，生長情況優(yōu)于對(duì)照組，可能是對(duì)照組溫度不適宜此種鼠尾草的生長，而短時(shí)間的高溫更適合，或在其自我調(diào)節(jié)能力范圍內(nèi)。其余4種鼠尾草在2～4 d受害程度相對(duì)較小，說明脅迫初期有一定的自我調(diào)節(jié)能力。但隨著時(shí)間的延長，5種鼠尾草的受害程度加深，其中總苞鼠尾草部分植株死亡，無法恢復(fù)正常生長。

高溫會(huì)破壞植物的類囊體的膜結(jié)構(gòu)和碳的新陳代謝，引起葉綠素含量的下降，因此葉綠素含量的變化可以作為判斷植物是否受到熱傷害的主要指標(biāo)[16]。馮時(shí)等[8]測(cè)量8種鼠尾草SPAD值，并結(jié)合大棚栽培觀察進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)SPAD值可以反映葉綠素含量的變化。在高溫高濕脅迫時(shí)間內(nèi)，5種鼠尾草SPAD值呈遞減的趨勢(shì)，說明葉片內(nèi)的葉綠素含量下降，植株持續(xù)受到傷害。這與形態(tài)指標(biāo)表現(xiàn)一致。

高溫高濕脅迫可以使細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)變性，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)[17]，使細(xì)胞的內(nèi)含物外滲，進(jìn)而引起電導(dǎo)率的改變[18]。本研究中，各鼠尾草的相對(duì)電導(dǎo)率變化趨勢(shì)與其他研究結(jié)果相似[19-20]，表現(xiàn)為隨脅迫時(shí)間的延長逐漸上升(紫紅鼠尾草對(duì)照組除外)，表明各鼠尾草持續(xù)受到高溫高濕傷害，細(xì)胞膜受損越來越嚴(yán)重。

MDA是膜脂過氧化最終分解產(chǎn)物，MDA含量可以反映膜脂過氧化程度，與植物的耐熱性呈負(fù)相關(guān)[21]。本研究中各鼠尾草的MDA含量在脅迫初期都有上升，表明各鼠尾草均受到高溫高濕傷害(紫紅鼠尾草除外)。但并非呈持續(xù)上升趨勢(shì)，期間有下降的過程，這可能得益于植物體內(nèi)的SOD等酶[22]。SOD是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，能通過歧化反應(yīng)使O2-、-OH等活性氧轉(zhuǎn)變?yōu)镺2和H2O2[23]，減少濕熱脅迫帶來的氧化損傷。本研究中SOD活性總體呈現(xiàn)先上升再降低的趨勢(shì)，且與MDA含量存在一定相似。在脅迫初期，濕熱脅迫導(dǎo)致MDA含量和SOD活性的上升，兩者在2～4 d達(dá)到頂峰；之后，由于SOD的清除作用，膜損傷減緩，MDA含量逐漸降低；但隨著脅迫時(shí)間的延長，SOD活性下降，導(dǎo)致MDA含量的降低速度減緩或有上升趨勢(shì)。許華等[22]研究認(rèn)為，較高的SOD等酶活性可以減緩膜脂的過氧化速度，減少M(fèi)DA的積累，本研究結(jié)果與之相似。馬德雷鼠尾草MDA含量在2、4、6 d的變化幅度大于‘山頂公園’藥用鼠尾草，以及在脅迫后期，紫紅鼠尾草的MDA含量始終在較低的水平，可能就是得益于較高的SOD活性。

脯氨酸、可溶性蛋白都屬于滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在一定程度上可以反映植物的抗逆性，耐熱性強(qiáng)的植物往往積累更多的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[24]。本研究中，紫紅鼠尾草第8天的Pro含量高于第2天，并且還有上升趨勢(shì)；其余鼠尾草的脯氨酸、可溶性蛋白含量對(duì)比對(duì)照組均有不同程度的上升，表明通過提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)是鼠尾草對(duì)濕熱環(huán)境的一種適應(yīng)機(jī)制。但不同植物可能有不同的適應(yīng)機(jī)制，馬德雷鼠尾草、腺毛鼠尾草、‘山頂公園’藥用鼠尾草以增加脯氨酸含量為主，而總苞鼠尾草以增加可溶性蛋白為主，紫紅鼠尾草兩者均不突出。這也說明脯氨酸和可溶性蛋白含量一定程度上可以反映植物的耐濕熱性，但脅迫后期脯氨酸含量有下降的趨勢(shì)，所以使用脯氨酸含量作為指標(biāo)來評(píng)價(jià)鼠尾草屬植物的耐濕熱性時(shí)，脅迫時(shí)間不應(yīng)過長，否則可能導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果的不準(zhǔn)確。

綜上所述，在高溫高濕脅迫下，鼠尾草所表現(xiàn)出來的性狀是經(jīng)過多種因素共同作用的綜合性狀。在鑒定一種或幾種植物耐濕熱性時(shí)不能通過單一評(píng)價(jià)指標(biāo)得出結(jié)論，而需要選擇多個(gè)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)定。鼠尾草種類眾多，觀賞價(jià)值高，卻缺少引種栽培的理論指導(dǎo)。本研究以5種鼠尾草作為試驗(yàn)材料，從生理角度闡述了各鼠尾草對(duì)高溫高濕脅迫的適應(yīng)性差異，比較其耐濕熱性，為今后園林綠化引種栽培提供參考。

致謝:感謝彭東輝老師、黃衛(wèi)昌老師、周翔宇老師、肖漢文老師、朱軍杰老師、魏宇昆老師、黃艷波老師和曾歆花師姐在研究過程中對(duì)本人的支持及解惑！