牡丹高溫脅迫研究進(jìn)展

林邦語 李之俊 高 燕 李天耀 夏軒澤

（1浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽學(xué)院，浙江諸暨 311800；2諸暨市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江諸暨 311800）

牡丹（Paeonia suffruticosaAndr.）為芍藥科芍藥屬落葉灌木，是中國(guó)的傳統(tǒng)名花，為中國(guó)十大名花之一，有“花中之王”的美譽(yù)[1]。牡丹性喜溫暖、干燥且涼爽的氣候。近年來，我國(guó)南方夏季常出現(xiàn)40 ℃左右的連續(xù)高溫天氣，導(dǎo)致江南牡丹品種群逐漸縮小，因而篩選適應(yīng)高溫脅迫的牡丹品種迫在眉睫。高溫及相關(guān)交叉脅迫是造成牡丹生長(zhǎng)不良甚至死亡的重要原因。通過研究牡丹高溫?zé)岷Φ陌l(fā)生規(guī)律，揭示牡丹避熱、抗熱的生理機(jī)制，尋找高效的抗熱避熱技術(shù)措施，對(duì)于改善牡丹栽培環(huán)境、保障牡丹健壯生長(zhǎng)、實(shí)現(xiàn)選種引種等具有重要意義。

植物的抗逆性有避逆性、耐逆性2種表現(xiàn)，多數(shù)植物能夠通過耐逆性來適應(yīng)逆境脅迫，并且可分為外部形態(tài)結(jié)構(gòu)上的適應(yīng)和內(nèi)部生理代謝上的調(diào)節(jié)[2]，主要通過活性氧清除、逆境蛋白合成、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及激素含量的提高等方式，來適應(yīng)多種脅迫環(huán)境[3]。外源添加物可以通過催化植物體內(nèi)的活性酶類物質(zhì)聯(lián)合作用，起到調(diào)節(jié)植物的生理活動(dòng)的作用，從而提高植物抗性[4]。因此，外源添加物質(zhì)已被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)作物、觀賞植物抗逆性研究的多個(gè)方面[5]。

當(dāng)前，已有諸多關(guān)于高溫脅迫對(duì)牡丹影響的研究，但仍缺乏系統(tǒng)性的對(duì)比、整理、分析。為此，本文從牡丹的生理生化特性方面概述了高溫脅迫對(duì)牡丹的傷害及其發(fā)生機(jī)制，簡(jiǎn)述了近幾年來植物外源添加物質(zhì)在牡丹抗熱性中取得的研究成果，介紹了當(dāng)前牡丹耐熱品種篩選與評(píng)價(jià)的研究進(jìn)展，為牡丹引種和育種栽培提供理論參考。

1 高溫脅迫對(duì)牡丹植株形態(tài)的影響

WANG 等[6]研究發(fā)現(xiàn)，高溫對(duì)牡丹光合作用的影響主要體現(xiàn)在高溫會(huì)引起葉片收縮程度增加、氣孔長(zhǎng)度和寬度減小以及氣孔關(guān)閉等。高溫時(shí)牡丹葉片表現(xiàn)出明顯熱害癥狀，葉緣褐化明顯，葉片卷曲皺縮，葉面積狹窄，植株趨于枯萎[7]。LI 等[8]通過對(duì)比高溫下3個(gè)牡丹品種的葉片形態(tài)，發(fā)現(xiàn)3個(gè)牡丹品種的葉片厚度隨高溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，以‘胡紅’增加最多且最耐熱。說明不同牡丹品種的葉片厚度可作為衡量牡丹耐熱性的指標(biāo)之一，即葉片厚度越厚，水分蒸騰越慢，失水越少，以此來減弱高溫對(duì)牡丹的傷害。

2 高溫脅迫對(duì)牡丹生理生化特性的影響

2.1 對(duì)生物膜透性的影響

植物的耐熱性能夠用高溫下細(xì)胞膜的穩(wěn)定性來反映[9]，在高溫下細(xì)胞膜的流動(dòng)性、通透性得到提升，蛋白質(zhì)功能發(fā)生變性[10]。丙二醛（MDA）含量是常用的膜脂過氧化指標(biāo)，細(xì)胞中MDA含量的升高表明細(xì)胞膜的完整性受到傷害。騫光耀等[11]通過探究3個(gè)牡丹品種在高溫脅迫下的生理響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，‘鳳丹白’‘洛陽紅’‘映金紅’葉片中MDA含量和細(xì)胞膜相對(duì)透性呈上升的趨勢(shì)，與駱俊等[12]、姚奕平[13]的研究成果一致。張旻桓[14]研究發(fā)現(xiàn)，‘香丹’MDA含量隨脅迫的加深表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)[14]。在短期且適度的高溫環(huán)境下，該條件不會(huì)對(duì)牡丹生長(zhǎng)造成不良影響[15]。持續(xù)的高溫導(dǎo)致牡丹葉片脂膜過氧化程度和膜的透性增加，使得細(xì)胞喪失其細(xì)胞膜系統(tǒng)的半透性，引起代謝系統(tǒng)和信號(hào)傳遞系統(tǒng)發(fā)生紊亂，電解質(zhì)滲透率增加，且隨著高溫脅迫強(qiáng)度的上升而繼續(xù)增加[6，12]。另外，高溫還會(huì)致使葉綠體、線粒體等細(xì)胞器產(chǎn)生活性氧（ROS），從而引起氧化應(yīng)激反應(yīng)，形成大量ROS，不斷積累內(nèi)源、外源活性氧[16]。任增斌等[17]通過外施油菜素內(nèi)脂來提高牡丹在高溫下的抵抗能力，有效緩解高溫對(duì)牡丹光合作用的抑制，提高葉片凈光合速率，增強(qiáng)光合能力，有效降低高溫對(duì)抗氧化系統(tǒng)和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的傷害，提高牡丹耐熱性，其中以1.0 mg/L濃度的油菜素內(nèi)脂處理效果最好。李思龍等[18]、郭紹霞等[19]通過接種AM真菌來減弱高溫對(duì)細(xì)胞膜的傷害，緩解葉綠素的分解，調(diào)節(jié)牡丹的吸水和保水能力，降低植株蒸騰作用，防止水分過度蒸發(fā)，其效果隨著時(shí)間的延長(zhǎng)越顯著，從而提高了牡丹的抗熱性。

2.2 對(duì)光合作用的影響

植物體生長(zhǎng)發(fā)育、生態(tài)適應(yīng)情況在很大程度上受光合作用的影響，葉片光合參數(shù)能夠反映出植物光合效率狀況[20]。高溫是阻礙植物生長(zhǎng)發(fā)育的脅迫因子之一[21]，植物在逆境脅迫下最為敏感的器官是葉片[22]，最敏感的生理過程則主要體現(xiàn)在光合作用方面，并且植物對(duì)環(huán)境脅迫響應(yīng)的共同特征是葉片凈光合速率的降低[23]。高溫脅迫降低了牡丹體內(nèi)葉綠素含量，葉綠素類囊體膜漏失，葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞，活力下降，使植物葉綠素的合成發(fā)生障礙[10]，并且引起牡丹葉片體內(nèi)凈光合速率Pn、蒸騰速率Tr、氣孔導(dǎo)度Gs、呼吸速率RR降低，胞間二氧化碳濃度Ci升高[24]。前人研究發(fā)現(xiàn)，引起植物Pn下降的主要原因分為氣孔限制性因素和非氣孔限制性因素，引起植物光合速率降低的自身因素包括氣孔的部分關(guān)閉和葉肉細(xì)胞光合活性下降，前者使Ci降低，而后者使Ci增高[25]，牡丹在高溫脅迫中Pn的下降主要是受非氣孔限制性因素決定[26]。高溫脅迫顯著限制牡丹光合曲線參數(shù)Pnmax，大多數(shù)牡丹品種的表觀量子效率（AQE）在脅迫初期顯著下降，在高溫脅迫初期，牡丹葉片光飽和點(diǎn)（LSP）顯著降低并伴隨著光補(bǔ)償點(diǎn)（LCP）顯著升高，表明牡丹通過縮小光適應(yīng)范圍以緩解高溫脅迫造成的損害[8]。葉綠素是光合的探針，光系統(tǒng)對(duì)光能吸收、傳遞、耗能等狀況能夠通過葉綠素?zé)晒饣緟?shù)的變化表現(xiàn)出來[27]。植物PS Ⅱ反應(yīng)中心經(jīng)高溫脅迫后會(huì)暫時(shí)失活，其吸收的光能以熱耗散和葉綠素?zé)晒夂纳⒌谋壤龑⒃黾樱瑥亩档臀展饽艿霓D(zhuǎn)換效率，而此時(shí)的PS Ⅱ反應(yīng)中心只吸收光能卻不傳遞、轉(zhuǎn)化光能，以此來緩解高溫脅迫對(duì)反應(yīng)中心帶來的傷害，這是許多植物本能的防御機(jī)制[28]，并且在高溫干旱脅迫下抗性越弱的牡丹品種PS Ⅱ反應(yīng)中心葉綠素?zé)晒饽芰糠峙湔{(diào)節(jié)機(jī)制比不上抗性強(qiáng)的品種[29]。Ji 等[26]、劉春英等[30]研究發(fā)現(xiàn)，高溫均引起牡丹葉片F(xiàn)v/Fm、φEo、ΨO、PIabs等葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化，導(dǎo)致牡丹葉片光合速率和光化學(xué)特性下降，PS Ⅱ反應(yīng)中心部分失活，PS Ⅱ反應(yīng)中心供體側(cè)和受體側(cè)以及放氧復(fù)合體失活，抑制了光合碳代謝的電子供應(yīng)和光合作用的進(jìn)行[26，30]。高溫強(qiáng)光脅迫對(duì)牡丹的傷害亦是如此，但高溫脅迫與強(qiáng)光脅迫對(duì)牡丹PS Ⅱ反應(yīng)中心影響不同，高溫脅迫主要體現(xiàn)在抑制PS Ⅱ供體側(cè)和受體側(cè)方面，而強(qiáng)光脅迫對(duì)PS Ⅱ反應(yīng)中心有著顯著影響，PS Ⅱ受體側(cè)與供體側(cè)抑制則略顯輕微，高溫強(qiáng)光交叉脅迫較單一脅迫而言，對(duì)光系統(tǒng)光抑制的程度加重[20]。盛瑞艷等[31]在光溫交叉脅迫研究的過程中發(fā)現(xiàn)，伴隨著PS Ⅱ的最大光化學(xué)效率的下降，在PS Ⅱ供體側(cè)和受體側(cè)損傷方面，交叉脅迫較單一高溫脅迫輕。陳大印等[32]研究表明，光抑制主要是由光的增強(qiáng)所引起的，溫度的變化起促進(jìn)作用，并且高溫強(qiáng)光脅迫引起葉片光化學(xué)效率降低，植物產(chǎn)生的激發(fā)能顯著減少，PS Ⅰ和PS Ⅱ激發(fā)能分配嚴(yán)重失衡，過多激發(fā)能被分配到PS II，造成PS Ⅱ激發(fā)壓升高，使PS Ⅱ的傷害程度加重[32]。

2.3 高溫脅迫對(duì)相關(guān)酶活性的影響

在反映高溫脅迫對(duì)牡丹生理生化影響的研究中，主要采用游離脯氨酸Pro、葉綠素Chl、丙二醛MDA、可溶性蛋白SP、超氧化物歧化酶SOD 等生理生化指標(biāo)，其次是采用過氧化氫酶CAT 活性、H2O2含量、可溶性糖SS 含量、過氧化物酶POD 活性等生理生化參數(shù)[14]。徐艷[33]通過鄧肯氏新復(fù)級(jí)差檢驗(yàn)法分析，發(fā)現(xiàn)在濕熱脅迫下牡丹葉片的電導(dǎo)率、MDA、脯氨酸、蛋白質(zhì)、相對(duì)含水量、SOD 和CAT 活性的變化等指標(biāo)具有較強(qiáng)的規(guī)律性，可作為牡丹抗?jié)駸崮芰?qiáng)弱的鑒別指標(biāo)[33]。植物在高溫脅迫下，Pro合成酶自身含量反饋受到抑制，Pro 積累量大，滲透調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，達(dá)到去除ROS、減輕膜氧化損傷的功能[34]。駱俊等[12]分別用40、35 和30 ℃處理牡丹，發(fā)現(xiàn)高溫引起牡丹Pro含量升高，且牡丹體內(nèi)Pro含量隨溫度升高而上升，脅迫結(jié)果與騫光耀、徐艷等一致[11，13，14，35]。高溫引起牡丹體內(nèi)SS 下降，這可能由于溫度升高，加快了淀粉向可溶性糖分解的速度，與此同時(shí)呼吸作用增強(qiáng)，消耗掉儲(chǔ)存在細(xì)胞中的糖，二者同時(shí)發(fā)揮作用，導(dǎo)致了不同種類中可溶性糖含量變化存在差異[11]。SOD 是植物氧代謝的關(guān)鍵酶，能夠防止超氧陰離子自由基損傷細(xì)胞，減輕膜脂質(zhì)過氧化[11]；POD 可以去除H2O2和其他氧化物，并降低氧化能力，促進(jìn)更強(qiáng)的羥自由基生成，減少膜系統(tǒng)損傷，是植物抗氧化脅迫的常用指標(biāo)之一[35]。徐艷等[35]比較分析了高溫下5 種牡丹品種的生理變化，結(jié)果表明，不同牡丹品種葉片H2O2含量、MDA含量、SS含量、CAT活性、Pro含量、POD活性總體均呈上升趨勢(shì)，SP含量、葉綠素含量呈下降趨勢(shì)，SOD活性降低或先升高后降低，趨勢(shì)與其他學(xué)者一致[11，14]。連續(xù)的高溫使得牡丹植株的損傷程度不斷加重[35]，牡丹葉片通過增大電導(dǎo)率、積累游離脯氨酸含量、提高體內(nèi)過氧化物酶活性來維持牡丹正常生長(zhǎng)并形成一定的抗熱性[12]。張旻桓[14]、吳莎[36-37]、肖瑞雪[38]等通過噴施ABA、SA 和CaCl2等物質(zhì)來緩解高溫對(duì)牡丹的危害，分別以40 mg/L、100.0 μmoL/L 和40.0 mmoL/L為最佳施用濃度，結(jié)果表明，施用ABA、SA、CaCl2能夠增加牡丹幼苗葉片中葉綠素的含量，減少細(xì)胞質(zhì)膜透性，降低膜脂的過氧化作用，增強(qiáng)抗氧化酶的活性，增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，從而增強(qiáng)牡丹幼苗的耐熱性，減輕高溫傷害，提高幼苗干物質(zhì)累積量，適當(dāng)施用有利于生產(chǎn)上品質(zhì)和產(chǎn)量的提高。

3 高溫脅迫下牡丹耐熱機(jī)理研究

為深入研究高溫脅迫下觀賞植物品質(zhì)的變化，采用現(xiàn)代分子生物學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法發(fā)掘關(guān)鍵基因，解析關(guān)鍵基因調(diào)節(jié)耐熱分子機(jī)制，是選育耐熱優(yōu)良品種的重要途徑[39]。熱激蛋白是高溫脅迫誘導(dǎo)的一類主要功能蛋白，包括HSP60、HSP70、HSP90、HSP100 和小分子量熱激蛋白5 大類[40]。郝力慧[16]‘羽紅’為試材，用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的結(jié)果證明，PsHSP基因能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)高溫脅迫做出快速應(yīng)答，參與牡丹耐熱調(diào)控，HSPs可能直接參與到高溫脅迫下牡丹的分子調(diào)控過程。MA 等[41]研究發(fā)現(xiàn)，PsHSP17.8、PsHSP21和PsHSP27.43個(gè)sHSPs的功能與牡丹的熱脅迫有關(guān)，能夠通過提高SOD 活性和脯氨酸含量來提高牡丹耐熱性。朱紹華[7]以‘羽紅’為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)差異蛋白在含有丙酮酸代謝和碳代謝的代謝通路上富集程度最高，而在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)合成及光合作用通路上次之，還發(fā)現(xiàn)肽基脯氨酰基異構(gòu)酶、APX、HSPs、FBA、CaM、RubisCo、乙酰輔酶A 羧化酶和GS 可能是江南牡丹在高溫脅迫響應(yīng)過程中起重要作用的目的蛋白。姚奕平[13]通過開展權(quán)重共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析WGCNA 發(fā)現(xiàn)，在高溫下，PoPSAO、PoLH?CA3可能與牡丹光合作用機(jī)制的調(diào)控過程有關(guān)；PoWRY53可能參與到牡丹抗氧化酶活性的負(fù)調(diào)控機(jī)制中；PoHsfB2b可能在調(diào)控牡丹高溫脅迫能力的過程中發(fā)揮重要作用。此外，王曉曉[42]基于RNASeq 技術(shù)建立了高溫脅迫下‘鳳丹’的響應(yīng)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫，篩選出237 個(gè)與HSP、光合作用、氧化應(yīng)激以及ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的候選基因，發(fā)現(xiàn)MWCNTs激活A(yù)SA-GSH 循環(huán)，減輕高溫對(duì)‘鳳丹’所帶來的傷害，抗氧化能力增強(qiáng)顯著減少ROS累積，從而保持了細(xì)胞膜穩(wěn)定和葉肉細(xì)胞完整，并且增強(qiáng)了光合作用，最終匯集成‘鳳丹’高溫耐受性的提高。

4 不同品種耐熱性評(píng)價(jià)

有研究者已通過不同的分析手段對(duì)牡丹耐熱性進(jìn)行分析比較，例如，騫光耀等[11]通過SP、SS、Pro、MDA 含量以及SOD 活性比較分析了洛陽紅、鳳丹白、映金紅3個(gè)品種的耐熱性，得出鳳丹白是三者中耐熱性最好的品種。徐艷等[35]在對(duì)不同品種的牡丹進(jìn)行耐熱性綜合評(píng)價(jià)中采取隸屬函數(shù)值法，隸屬函數(shù)值法不僅可以消除個(gè)別指標(biāo)所造成的片面性，而且D 值是無量綱的純數(shù)，這提高了品種之間耐熱性差異之間的可比性，并且得出，牡丹的耐熱能力能夠被游離脯氨酸含量、電導(dǎo)率、丙二醛含量、過氧化氫酶活性更好地體現(xiàn)。張旻桓[14]用AHP 法建立了湖南牡丹品種生態(tài)適應(yīng)性綜合評(píng)價(jià)體系，提出熱害指數(shù)HII、相對(duì)含水量REC、Chl 含量、SS 含量4 個(gè)指標(biāo)能夠作為評(píng)價(jià)外源物質(zhì)誘導(dǎo)牡丹耐熱性的指標(biāo)，能夠顯著反映牡丹品種耐熱性。通過檢測(cè)38 種牡丹品種在高溫脅迫下葉片的各項(xiàng)生理指標(biāo)，李苗等[43]運(yùn)用主成分和隸屬函數(shù)分析構(gòu)建牡丹耐熱性的綜合鑒定和評(píng)價(jià)體系，篩選耐熱性強(qiáng)的牡丹品種資源。依據(jù)前人研究結(jié)果，耐熱性越強(qiáng)的牡丹品種，在葉綠素降解、MDA 含量降低、SOD 活性保持上更具優(yōu)勢(shì)[11]。劉俊娟[29]通過牡丹高溫干旱脅迫試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，牡丹葉片PSⅡ系統(tǒng)在脅迫下受到光化學(xué)傷害，并且系統(tǒng)通過提高熱耗散來提高其自身保護(hù)機(jī)制，電子傳遞能力下降，同時(shí)，抗性越弱的品種的PSⅡ反應(yīng)中心葉綠素?zé)晒饽芰糠峙湔{(diào)節(jié)機(jī)制比不上抗性強(qiáng)的品種。牡丹品種‘豆綠’‘冠世墨玉’‘迎日紅’‘金閣’‘首案紅’‘肉芙蓉’‘藏嬌’和‘鳳丹白’為較耐熱品種[11，35]。

5 展望

當(dāng)前，關(guān)于牡丹耐熱性的研究已取得了較大進(jìn)展。牡丹在高溫脅迫方面的研究主要集中在生理生化特性和外源物質(zhì)對(duì)其耐熱性的影響方面，并且已有部分研究開始探索高溫脅迫下牡丹相關(guān)蛋白和耐熱基因的調(diào)控機(jī)制，為篩選和培育耐熱牡丹品種，實(shí)現(xiàn)牡丹種質(zhì)資源創(chuàng)新提供理論支撐。關(guān)于高溫對(duì)牡丹生理生化的危害正逐步清晰，外源物質(zhì)對(duì)提高牡丹抗熱性的機(jī)理亦趨于明了，但對(duì)牡丹的耐熱機(jī)制研究仍不夠深入，目前僅探明部分調(diào)控機(jī)制，對(duì)于其他可能參與牡丹熱激反應(yīng)的影響因子仍有待進(jìn)一步考究。

環(huán)境是各因素綜合作用的結(jié)果，在研究高溫脅迫的同時(shí)，還應(yīng)考慮到其他環(huán)境因子對(duì)脅迫的影響以及交叉脅迫對(duì)牡丹生長(zhǎng)的影響，交叉脅迫不是單一脅迫的簡(jiǎn)單疊加，對(duì)牡丹的影響傷害更為嚴(yán)重。當(dāng)前，牡丹交叉脅迫研究?jī)H在高溫強(qiáng)光脅迫對(duì)牡丹的光合作用的影響方面較為系統(tǒng)，仍需從其他角度深入研究交叉逆境脅迫對(duì)牡丹生長(zhǎng)的影響，從牡丹自身生物學(xué)特性出發(fā)，為未來牡丹種質(zhì)資源在引種馴化與栽培利用方面提供進(jìn)一步的理論依據(jù)。

如今，運(yùn)用RNA-Seq 技術(shù)已能構(gòu)建部分牡丹響應(yīng)高溫脅迫的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫，同時(shí)牡丹的多組學(xué)研究已成為新興方向，對(duì)各組學(xué)的數(shù)據(jù)進(jìn)行充分整合分析，從多角度進(jìn)行全方位、深入的理解，能夠全面地了解牡丹的生物系統(tǒng)。當(dāng)前，對(duì)于提升牡丹耐高溫性的栽培措施研究仍較少，大量相關(guān)文獻(xiàn)聚焦在牡丹生理機(jī)制層面，鮮有研究將理論成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際的栽培措施，如林下栽培對(duì)牡丹熱害緩解方面。因此，今后還應(yīng)收集、豐富牡丹優(yōu)良種質(zhì)資源，開展具有優(yōu)良性狀、特色觀賞價(jià)值的牡丹品系育種工作，促進(jìn)牡丹新優(yōu)品種的引種和擴(kuò)大栽培，最終實(shí)現(xiàn)牡丹花卉業(yè)的蓬勃發(fā)展。