自然低溫下7 種熱帶睡蓮的耐寒性評價(jià)

程 哲，王彥杰，呂存紅，金奇江，楊梅花，王雪蓮，葉春秀，徐迎春*

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部景觀農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部花卉生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國家林業(yè)與草原局華東地區(qū)花卉生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210095；2.三亞南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研究院，海南 三亞 572025；3.浙江偉達(dá)園林工程有限公司，浙江 杭州 311201；4.石河子大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832099；5.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

睡蓮屬植物按生態(tài)類型可分為耐寒睡蓮和熱帶睡蓮，其中熱帶睡蓮是廣泛分布于熱帶地區(qū)的睡蓮屬植物類群的統(tǒng)稱。熱帶睡蓮的花期較長，只要溫度合適可一直開花，無明顯的休眠特性；其花朵碩大，花?？赏Τ鏊妫m合用作切花；花色艷麗、豐富，具有耐寒睡蓮所不具備的藍(lán)與藍(lán)紫色系［1-2］，觀賞價(jià)值極高。不少熱帶睡蓮品種的花具有香味，沁人心脾，深受大眾喜愛；同時(shí)，熱帶睡蓮的花還可用于提取精油、泡茶飲用，其葉片提取的類黃酮具有抑菌功效［3］。但熱帶睡蓮在我國南嶺以北地區(qū)自然越冬較為困難，需要在溫室內(nèi)加以保護(hù)越冬，這大大限制了其推廣應(yīng)用。

隨著近年來園林綠化產(chǎn)業(yè)對耐寒觀賞植物的需求日益增長，耐寒性強(qiáng)弱成為園林植物配置中重要的指標(biāo)。但關(guān)于熱帶睡蓮的耐寒性研究僅有少量報(bào)道［4-6］，缺乏系統(tǒng)評價(jià)，尤其未見自然低溫下熱帶睡蓮品種間耐寒性的研究。

因此，本研究以杭州蕭山地區(qū)種植的7種熱帶睡蓮為試材，通過觀測自然低溫下不同品種植株的冷脅迫指數(shù)、落葉率、落花率及葉色變化等指標(biāo)，對品種間的耐寒性進(jìn)行比較，以期篩選出耐寒性強(qiáng)的熱帶睡蓮品種作為優(yōu)良親本用于耐寒性育種，同時(shí)指導(dǎo)企業(yè)按照熱帶睡蓮的不同耐寒等級有依據(jù)地規(guī)劃出引種范圍，降低生產(chǎn)試錯投入成本，擴(kuò)大熱帶睡蓮種植區(qū)域。此外，也為進(jìn)一步解析高耐寒型熱帶睡蓮的耐寒機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于浙江杭州蕭山區(qū)義橋鎮(zhèn)浙江偉達(dá)園林工程公司的水生植物基地，地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全年平均氣溫為16.1 ℃，平均相對濕度為70.3%［7］，冬季平均氣溫3.8 ℃。

1.2 試驗(yàn)材料

供試材料為7種熱帶睡蓮的成品開花苗（表1），分別為：埃及白、伊斯蘭達(dá)、甘娜、蒂娜、藍(lán)女神、黑美人、魯比，盆栽種植，并沉盆于露天池塘中。每個(gè)品種觀測3盆。觀測時(shí)間從2019年10月底至12月初。

表1 供試熱帶睡蓮品種

1.3 觀測內(nèi)容與方法

記錄觀測地每日最高以及最低溫度，直至觀測結(jié)束，將氣溫?cái)?shù)據(jù)繪制成圖并定期記錄各品種的熱帶睡蓮葉片冷害脅迫指數(shù)、落葉率、落花率及葉片中綠黃紅面積比。

1.3.1 冷害脅迫指數(shù)的計(jì)算 植株的葉片冷害指數(shù)＝∑（級數(shù)×葉片數(shù)）/（最高級數(shù)×總?cè)~片數(shù)）。每個(gè)品種3個(gè)重復(fù)，取均值。

冷害脅迫分級依據(jù)李心［8］、張瑋［9］等在紅掌、木薯耐寒性研究中使用的分級標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實(shí)際觀測進(jìn)行了改良（表2）。相對凍傷面積的計(jì)算采用崔華威等［10］的方法。

表2 熱帶睡蓮葉片冷害分級

1.3.2 葉片綠黃紅占比的計(jì)算 使用PS CC2016魔棒工具對觀測期間照片進(jìn)行處理，選取肉眼觀測黃色、綠色及紅色區(qū)域（包含紫紅），直方圖計(jì)算像素點(diǎn)，用各顏色像素點(diǎn)之比代表各區(qū)域顏色占比。每個(gè)品種取其3次重復(fù)的平均值。

1.3.3 葉色色卡的制作 打開PS工具按照照片顏色表普及排序，挑選出排名靠前的3種色塊代表該時(shí)期熱帶睡蓮葉色的顏色，繪制成色卡。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并用SPSS 19.0、Origin 2016軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及繪制圖表，使用PS CC 2016軟件計(jì)算熱帶睡蓮葉片凍傷相對面積比、紅綠黃占比以及色卡制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫變化

由圖1可以看出，在觀測期間，氣溫不同程度地下降了6次，其中12月3日下降的溫度達(dá)到最低，為3.2 ℃；11月7日至11月9日氣溫下降幅度最大，達(dá)到了57.23%。考慮到觀測期間有溫度持續(xù)回升時(shí)期，所以選取4個(gè)特殊階段：11月4～9日（初次大幅度降溫的時(shí)期）、11月14～19日、11月19～21日（時(shí)間持續(xù)最久，為3 d）及12月3日（溫度降至最低時(shí)）重點(diǎn)分析不同睡蓮品種的耐寒反應(yīng)。

圖1 2019年10月30日至12月3日杭州市氣溫的日變化趨勢

2.2 自然低溫下熱帶睡蓮葉片形態(tài)的變化

在觀測的1個(gè)月時(shí)間內(nèi)，7種熱帶睡蓮的冷害指數(shù)（圖2）、落葉率（圖3）均有所升高。觀測結(jié)束時(shí)，冷害指數(shù)超0.2的品種已過半數(shù)，與其他品種存在顯著性差異，耐寒性能較差；落葉率大于40%的有2種，受低溫脅迫嚴(yán)重。

從冷害脅迫指數(shù)來看（圖2），觀測初始，除藍(lán)女神外，其余品種的冷害指數(shù)均在0～0.1范圍內(nèi)，起始水平相對一致。埃及白在觀測期間一直保持著低水平，截至結(jié)束，與冷害脅迫指數(shù)高水平品種存在顯著性差異，推測其耐寒性較佳。伊斯蘭達(dá)與甘娜在經(jīng)歷了2次降溫的觀測前期與推測耐寒性較好的埃及白在冷害指數(shù)的數(shù)值上不存在明顯區(qū)別，觀測后期的數(shù)值激增并一直保持高水平，對于低溫有一定的耐受性，葉片對環(huán)境變化反應(yīng)存在滯后。蒂娜初降溫結(jié)束時(shí)增長幅度達(dá)到了105.49%，脅迫損傷急速惡化，推測面對低溫的應(yīng)變能力較差，如圖2所示，后續(xù)冷害指數(shù)持續(xù)走低應(yīng)該是以落葉的形式減緩低溫傷害。黑美人冷害指數(shù)總體水平不高，在達(dá)到最大值（0.145）后，降溫冷害數(shù)值偏低，推測是經(jīng)歷了幾次降溫后得到一定程度的抗凍鍛煉，對低溫的適應(yīng)性有所提升。藍(lán)女神冷害指數(shù)持續(xù)增長，與當(dāng)時(shí)冷害指數(shù)最小即受冷害程度最輕的埃及白存在顯著性差異，低溫影響加深，推測其對低溫的抵抗力較弱，達(dá)到最高值（0.215）后也維持著高水平。魯比與黑美人葉片形態(tài)變化類似，在觀測截止時(shí)冷害指數(shù)攀升，上漲152%，可能是遭遇了超越抗寒能力的脅迫，耐寒耐受溫度可能在此范圍內(nèi)。

圖2 不同時(shí)期各品種熱帶睡蓮冷害指數(shù)的變化（均值±SEM）

從落葉率來看（圖3），埃及白連續(xù)幾次不同程度的降溫依然能維持葉片的正常生長，幾乎未受到影響，表現(xiàn)為耐寒性較強(qiáng)。而伊斯蘭達(dá)的落葉率在觀測期間一直保持著較高水平，觀測中期數(shù)值趨于平緩，可能是由于抗凍鍛煉，但在持續(xù)降溫后平衡被打破，落葉率飆升與其他品種差異顯著，耐寒性較差。甘娜在初次降溫時(shí)落葉率上升幅度超過250%，后期變化幅度平穩(wěn)且數(shù)值水平也基本穩(wěn)定，表明該品種對低溫的響應(yīng)快，能迅速地維持環(huán)境脅迫下的機(jī)體平衡，保證植物正常生理活動，耐寒性較好。蒂娜在觀測期間落葉率持續(xù)增長，至12月3日落葉率已達(dá)41.50%，與埃及白差異明顯，推測耐寒性較差。黑美人落葉率在觀測期間呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，落葉數(shù)的下降表明該品種應(yīng)對環(huán)境脅迫的損傷恢復(fù)能力強(qiáng)，能保證葉片正常生長，耐寒性較強(qiáng)。藍(lán)女神與之類似，但是恢復(fù)程度不及黑美人，耐寒性也遜于該品種。魯比的落葉率隨著降溫進(jìn)程的推移而逐步平穩(wěn)上升，截至觀測結(jié)束，數(shù)值保持較低水平，與最低值（0.91%）無顯著差異，推測耐寒性能尚可。

圖3 不同時(shí)期各品種熱帶睡蓮落葉率的變化（均值±SEM）

從葉片形態(tài)指標(biāo)的綜合分析來看，埃及白的耐寒性最好，在經(jīng)歷幾次降溫后，冷害脅迫指數(shù)（0.125）與落葉率（0.91%）均為末位，且觀測期間2類數(shù)值變化小，受低溫?fù)p傷較小，葉片狀態(tài)較為穩(wěn)定。低溫下黑美人相關(guān)測定指標(biāo)數(shù)值雖高于埃及白，但是冷害脅迫指數(shù)與除埃及白、蒂娜以外的品種存在顯著性差異，落葉率（27.78%）也為7個(gè)品種中的較低值，此外，冷害脅迫指數(shù)、落葉率從觀測開始至結(jié)束時(shí)的變化幅度分別為112%、162%，與其他品種相比較，變化不明顯，故黑美人耐寒性次之。甘娜、魯比、藍(lán)女神3個(gè)品種冷害脅迫指數(shù)及落葉率數(shù)值接近無顯著差異，大于埃及白、黑美人數(shù)值，推測三者耐寒性應(yīng)低于上述2個(gè)品種。而甘娜面對降溫?fù)p傷恢復(fù)能力較強(qiáng)，耐寒性應(yīng)強(qiáng)于其他2個(gè)品種。蒂娜冷害脅迫指數(shù)雖然較低，但是落葉率（41.50%）居于前列，且與推測耐寒性最強(qiáng)的埃及白存在顯著性差異，至觀測結(jié)束，數(shù)值變化近5倍，耐寒性次于上述品種。最后，伊斯蘭達(dá)2種形態(tài)指標(biāo)的數(shù)值均為7個(gè)品種中的最大值，耐寒性較差?；谌~片相關(guān)形態(tài)指標(biāo)，得出初步耐寒性排序：埃及白＞黑美人＞甘娜＞魯比、藍(lán)女神＞蒂娜＞伊斯蘭達(dá)。

2.3 自然低溫下熱帶睡蓮葉色的變化

低溫下葉色發(fā)生變化是植物抵御低溫的應(yīng)激反應(yīng)，一定程度上能反映葉片的冷害程度。在觀測期間，7種熱帶睡蓮葉片變化程度各異（表3、圖4）。幾次降溫后除甘娜以外的6種熱帶睡蓮葉片的主體色系仍能保持綠色，其中埃及白綠色占比最大，變黃或者變紅的比例最低，葉片受低溫影響小，耐寒性強(qiáng)。伊斯蘭達(dá)在觀測期間葉片變黃的程度較淺，與觀測初始相比無明顯變化，有略微變紅現(xiàn)象，葉色較為穩(wěn)定，推測其耐受低溫強(qiáng)度尚可。甘娜在7個(gè)品種中的葉色變化最大，葉表面的顏色大面積變紅，如圖5所示，變紅的區(qū)域隨著降溫進(jìn)程的推移而逐漸擴(kuò)展，葉片受低溫影響嚴(yán)重。蒂娜葉色變化明顯，特別是綠色區(qū)域，與初始相差1倍，觀測期間有變紅現(xiàn)象，推測有花色素苷參與其中，耐寒性較差。黑美人葉色變化大，變紅區(qū)域逐漸擴(kuò)展，受低溫影響較大。藍(lán)女神觀測期間葉色的變化小，但變紅、變黃現(xiàn)象均有發(fā)生。魯比黃色占比上漲，略有變紅，低溫對其葉色有一定的影響。

圖4 杭州熱帶睡蓮受冷害情況

圖5 不同時(shí)期下各品種熱帶睡蓮的葉色變化

表3 不同時(shí)期各品種熱帶睡蓮葉片綠、黃、紅顏色占比

2.4 自然低溫下熱帶睡蓮開花的變化

從7種熱帶睡蓮的落花率調(diào)查結(jié)果可以看出（圖6），除埃及白外，其余6個(gè)品種落花率均有大幅度上升，最大值超50%。伊斯蘭達(dá)的落花率先升后降，這表明在降溫條件下仍有花朵生成，耐寒性較強(qiáng)。甘娜的落花率數(shù)值較為平穩(wěn)，變化幅度小，受溫度影響小，耐寒性較佳。蒂娜的落花率在觀測期間一直處于高水平，且觀測截止時(shí)落花率數(shù)值最高，耐寒性較差。黑美人的初始值較高，但在接連幾次降溫時(shí)數(shù)值穩(wěn)定，上升幅度1倍左右，耐寒性較強(qiáng)。藍(lán)女神雖在降溫期間也有花苞生成，但總體數(shù)值偏高，耐寒性較差。魯比的落花率整體數(shù)值偏高，但低于藍(lán)女神，耐寒性則要高于該品種?；诼浠蕯?shù)據(jù)，推測耐寒性強(qiáng)弱，其大小依次為埃及白＞黑美人＞甘娜＞伊斯蘭達(dá)＞魯比＞蒂娜、藍(lán)女神。埃及白在觀測期間沒有開花而未在表格中標(biāo)注。

圖6 不同時(shí)期各品種熱帶睡蓮落花率的變化（均值±SEM）

3 討論

3.1 自然低溫下熱帶睡蓮表型變化

由野外實(shí)際觀測可以發(fā)現(xiàn)，在低溫環(huán)境下熱帶睡蓮的形態(tài)及葉色均發(fā)生了變化。首先，在形態(tài)方面，葉片直接表現(xiàn)為變薄、萎蔫彎曲、出現(xiàn)斑點(diǎn)、局部壞死、脫落。葉片變薄是由于低溫可促使植物表皮角質(zhì)層變薄，同時(shí)表皮附近細(xì)胞的細(xì)胞壁分離導(dǎo)致其趨于扁平［11］。而葉彎曲則是低溫對細(xì)胞膜的損傷而造成吸水困難的主動適應(yīng)［12］。不僅如此，低溫也會損壞葉片的表皮細(xì)胞，使植物組織下陷形成斑點(diǎn)，降低對病菌的抵抗力，易被感染，導(dǎo)致葉片局部壞死［13］。葉片脫落是植物采取的最后的自保措施，通過減少養(yǎng)分的流失，將營養(yǎng)物質(zhì)鎖定在地下組織以增強(qiáng)耐寒性［14］。另外，由于熱帶睡蓮的花梗較長，可以伸出水面，和其葉片一樣與外界環(huán)境直接接觸，對氣溫的變化敏感，可以靈敏地反映其健康狀態(tài)。在低溫條件下會出現(xiàn)僵花僵蕾現(xiàn)象。

其次，低溫環(huán)境下其葉色也會發(fā)生變化。植物的葉色會受到遺傳、體內(nèi)色素占比以及外界環(huán)境的干預(yù)［15］。在低溫脅迫條件下，熱帶睡蓮體內(nèi)色素之一的葉綠素含量下降，其葉綠素合成酶活性降低，葉綠素產(chǎn)出受阻，導(dǎo)致葉綠素整體含量下降，在植物體內(nèi)占比減小，呈現(xiàn)出葉片發(fā)黃的癥狀。值得一提的是熱帶睡蓮受到冷害時(shí)不僅僅會出現(xiàn)黃化的癥狀，有些品種的葉片還會變?yōu)樽霞t色，如甘娜和黑美人。多項(xiàng)研究表明，該現(xiàn)象的產(chǎn)生可能有花青素苷參與其中［16-17］。推測低溫環(huán)境中熱帶睡蓮水解反應(yīng)加劇，更多的淀粉分解為可溶性糖，作為花青素苷合成信號的可溶性糖啟動了該反應(yīng)［18］，積累的可溶性糖被轉(zhuǎn)化為花青素苷，加之葉綠素被降解，花青素苷占比增加，使葉片由綠變紅，且低溫對花青素的留存有增益作用［19］，所以在該條件下能維持葉色的穩(wěn)定。有研究表明：葉色之所以變紅一方面是由于花青素苷能在低溫環(huán)境中將光能轉(zhuǎn)化為熱能提升葉溫，促進(jìn)新陳代謝［20］；還能遮擋部分強(qiáng)光，減輕光合作用附帶的氧化傷害，加強(qiáng)營養(yǎng)回流［21］的作用；另一方面是利用警戒色以防蚜蟲產(chǎn)卵取食［22］?？偟膩碚f，葉片變紅可能是熱帶睡蓮在不利環(huán)境下的一種求生策略。此外，該現(xiàn)象不排除有礦質(zhì)元素氮、磷［23］等參與的可能性。

3.2 7種熱帶睡蓮耐寒性排序

綜合葉花以及葉色數(shù)據(jù)來看，耐寒性最強(qiáng)的為埃及白，各項(xiàng)數(shù)值均為低水平，各器官受環(huán)境脅迫影響小，抵抗低溫能力強(qiáng)。其次為黑美人，雖各項(xiàng)數(shù)值高于埃及白，但是與其他品種相比還屬于低水平，低溫下葉色變化明顯，花朵對于低溫敏感性要高于葉片，耐寒性次于埃及白。甘娜葉片在脅迫條件下恢復(fù)迅速，且落花率在觀測期間較為平穩(wěn)，數(shù)值偏低，但觀測起始至結(jié)束時(shí)葉色差異過大，耐寒性要遜色于上述2個(gè)品種。魯比與伊斯蘭達(dá)耐寒性較為接近，伊斯蘭達(dá)雖然冷害指數(shù)以及落葉率均處于前列，但是落花率較為穩(wěn)定，在降溫時(shí)還能進(jìn)行正常生理活動；而魯比的落葉率、冷害指數(shù)優(yōu)于伊斯蘭達(dá)，但落花率數(shù)值偏高，難以判斷2個(gè)品種耐寒性強(qiáng)弱。藍(lán)女神不耐寒，低溫下花、葉相關(guān)數(shù)值高水平，且恢復(fù)能力差，受到傷害幾乎不可逆。蒂娜與上述品種情況類似，但是各項(xiàng)數(shù)值水平要高于藍(lán)女神。故得出耐寒性最終排序:埃及白＞黑美人＞甘娜＞伊斯蘭達(dá)、魯比＞藍(lán)女神＞蒂娜。值得一提的是，試驗(yàn)結(jié)果表明：伊斯蘭達(dá)的耐寒性并不理想，這與吉琴［6］在熱帶睡蓮耐寒性分析中的試驗(yàn)結(jié)果相悖，推斷可能是由于選取的伊斯蘭達(dá)此時(shí)正處于生長期，幼嫩葉片較多，而對溫度的抵抗力比成熟葉片要弱一點(diǎn)，對低溫極度敏感，所以在遭遇低溫時(shí)便會大量脫落，而藍(lán)女神均為成熟葉片，相較伊斯蘭達(dá)而言具有更強(qiáng)的抵抗力，所以葉片脫落較少［24-30］。有關(guān)伊斯蘭達(dá)的耐寒性問題可能還要進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)來具體分析。此外，伊斯蘭達(dá)的落花率是所有觀測品種中最低的，這可能是因?yàn)榈蜏丨h(huán)境下，花梗生長緩慢，花苞處在比熱容小的水中，溫度變化小，所以得以正常存活。該品種具有很好的豐花性，適合應(yīng)用于北方地區(qū)的水體造景。

4 結(jié)論

本研究按照野外低溫觀測實(shí)際情況將熱帶睡蓮冷害癥狀進(jìn)行分級，規(guī)范化了評判標(biāo)準(zhǔn)，并計(jì)算其葉片冷害指數(shù)，加上落葉率，葉色變化以及落花率等作為評價(jià)耐寒性的代表指標(biāo)，并從葉、花2種器官狀態(tài)綜合分析，得出耐寒性由大到小排序?yàn)椋喊＜鞍祝竞诿廊耍靖誓龋疽了固m達(dá)、魯比＞藍(lán)女神＞蒂娜。此外，采用量化指標(biāo)來描述熱帶睡蓮的葉色變化，準(zhǔn)確規(guī)范，減少了調(diào)查誤差。但試驗(yàn)還未涉及熱帶睡蓮葉片變紅的內(nèi)在機(jī)理，有待后續(xù)試驗(yàn)再進(jìn)行研究和分析。