中國北方6種常見蕨類植物耐熱性研究

吳菲，李鵬，王巍，崔玉蓮，徐雨晴，盧珊珊，趙寶林

（1國家植物園（北園），北京 100093；2北京市花卉園藝工程技術(shù)研究中心，北京 100093）

0 引言

蕨類植物叢綠雅致，葉形和株型豐富多樣，觀賞價值較高，是用于庭院美化或室內(nèi)觀賞的良好材料。國內(nèi)蕨類植物主產(chǎn)區(qū)為華南和西南地區(qū)，北方地區(qū)共有蕨類植物38 科76 屬340 種（含22 變種4 變型）[1]，其中有1/3 以上具有觀賞價值，目前僅莢果蕨(Matteuccia struthiopteris)大量應(yīng)用到了園林中[2]。隨著溫室效應(yīng)的加劇[3]，蕨類的耐熱性成為其應(yīng)用的限制因素之一。耐熱性是園林植物優(yōu)選的重要指標(biāo)之一，針對此方向的研究也尤為必要。蕨類植物的區(qū)系組成及其與地理、氣候因子的相互關(guān)系，與其耐熱性等有一定的聯(lián)系[4]。近年來對蕨類植物耐熱性研究取得了一些進展，有學(xué)者對鐵線蕨(Adiantumcapillus-veneris)等4 種蕨類進行了耐熱性測定和比較[5]。另有研究表明，抗熱性強的植物葉片組織具有獨特性，如較大的柵欄組織厚度、較高的氣孔密度、發(fā)達的木質(zhì)部導(dǎo)管等[6]。

目前針對蕨類抗性的研究不多。國內(nèi)學(xué)者對蕨類抗性的研究主要集中在耐陰性及耐旱性方面[7-8]，國外學(xué)者對蕨類植物的抗性研究相對較少，少數(shù)學(xué)者對耐寒性進行了研究[9]。開展蕨類耐熱性研究可為蕨類在園林中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

筆者選擇中國北方6 種蕨類植物，設(shè)定40～70℃7個不同的溫度進行細(xì)胞傷害率試驗，同時測定葉面積、葉比重、氣孔密度、葉綠素含量和最大凈光合速率等數(shù)據(jù)，參考其在北京夏季的田間觀察資料，評價其耐熱性，最終篩選出耐熱能力強、觀賞價值高的蕨類，以期豐富蕨類植物在北京地區(qū)園林展示中的應(yīng)用種類。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點

試驗于2021 年4—9 月在國家植物園（北園）植物研究所實驗室進行。國家植物園（北園）地處北京市香山東南（北緯39°48′、東經(jīng)116°28′，海拔61.6～584.6 m），距市區(qū)18 km。屬溫帶大陸性氣候，年均溫12.8℃，1月均溫-3.3℃，7 月均溫26.8℃，極端高溫41.3℃，極端低溫-17.5℃，年降水量526.5 mm，相對濕度43%～79%。土壤酸堿度為7～7.5。

1.2 試驗材料

試材為在國家植物園（北園）老溫室室外生長5年以上的莢果蕨、蕨(Pteridiumaquilinumvar.latiusculum)、球子蕨(Onocleasensibilisvar.interrupta)、中華蹄蓋蕨(Athyriumsinense)、粗莖鱗毛蕨(Dryopteris crassirhizoma)和廣布鱗毛蕨(Dryopterisexpansa)6 種蕨類植物，其中蕨采自寧夏六盤山，其余5種均采自吉林省磐石市煙筒山鎮(zhèn)，選取狀態(tài)良好、長勢相仿的個體每種各20株。

1.3 試驗方法

1.3.1 梯度高溫下葉片細(xì)胞傷害率的測定植物受高溫脅迫后，葉片是反應(yīng)最敏感的部位之一，故測定其電導(dǎo)率用于評價耐熱性[10-13]。挑選各蕨類植物相同位置的葉片，用去離子水清洗，濾紙吸干水分，用剪刀剪出約5 mm×5 mm 的小葉片若干。在試管中裝入10 mL 去離子水，每次稱取0.2 g 小葉片放入試管中，真空抽氣使葉片沉入試管底部。將試管分別放入室溫及40、45、50、55、60、65、70℃的水浴中，保持15 min，取出靜置冷卻，2 h后震蕩。用電導(dǎo)率儀（型號EPH-119）測定細(xì)胞浸提液的電導(dǎo)率(R)。全部放入100℃沸水浴中煮沸15 min，殺死葉片組織，取出冷卻至室溫后再測定細(xì)胞浸提液的最終電導(dǎo)率(Ro)。3次重復(fù)計算平均值，對照(CK)為室溫下細(xì)胞浸提液，可算出其相對電導(dǎo)率(RCK)，高溫脅迫下葉片細(xì)胞受傷害，其電解質(zhì)析出，使細(xì)胞浸提液的電導(dǎo)率增大，即反映出細(xì)胞傷害率(REC)，見式(1)[14]。

1.3.2 夏季田間環(huán)境植株性狀表現(xiàn)觀測2021、2022年6 月1 日—8 月31 日，選擇狀態(tài)良好、生長勢接近的蕨類植物，進行高溫條件下蕨類形態(tài)變化的觀察，包括植物的長勢及葉片的生長情況（葉色失綠情況、葉失水至萎縮情況、葉枯死數(shù)量等）[15]。

1.3.3 葉表皮結(jié)構(gòu)的觀測選取發(fā)育健康、長勢一致的植株，每種摘取10 個葉片，用便攜式葉面積掃描儀測定其長度、寬度，取平均值算出葉面積(S)；用打孔機取出小圓片，隨機分為5 組，放入105℃的烘箱中，去青30 min，后設(shè)定為80℃，至稱量為恒重，得到干重(G)和比葉重(G/S)；用印跡法進行氣孔密度測定。

1.3.4 葉綠素含量的測定測定方法參考《植物生理生化實驗原理和技術(shù)》[16]。將采回的葉片按上述方法快速洗凈擦干，稱取0.1 g，剪碎后放入50 mL試管中；準(zhǔn)備浸提液，即無水乙醇:丙酮=1:1 混合，取20 mL 加入試管中，將各試管密封，放在黑暗低溫處2 d；試管中的葉片完全變白后，將試管置于646 nm(OD646)、663 nm(OD663)和470 nm(OD470)波長下，分別用紫外可見分光光度計（型號UV-2802S）測定浸提液在不同光波下的光密度。根據(jù)式(2)～(4)計算出葉綠素a(Ca)、葉綠素b(Cb)和葉綠素總含量(Ct)。

式中，V為提取液體積，W為葉片鮮重。

1.3.5 光合數(shù)據(jù)測定在晴朗天氣下，選取600 μmol/(m2·s)的光強環(huán)境，選用CIRAS-2 型便攜式光合作用測定系統(tǒng)(PP-Systems，UK)測定葉片凈光合速率(Pn)。

1.3.6 Logistic方程參數(shù)確定Logistic方程[式(5)]可表達細(xì)胞傷害率與高溫梯度之間的關(guān)系。

式中，y為細(xì)胞傷害率；t為不同處理的溫度；k為細(xì)胞傷害率飽和容量[式(6)]，本研究消除了本底干擾，k為100%；e為方程參數(shù)。

式中，y1、y2、y3為測定數(shù)值中相距最大且等距離的3 個細(xì)胞傷害率[17]。

1.3.7 數(shù)據(jù)分析利用Excel 2021 和SPSS 26.0 軟件進行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度下蕨類離體葉片的細(xì)胞傷害率

由圖1 可看出，高溫脅迫后，6 種蕨類植物的細(xì)胞傷害率隨溫度的升高有不同程度的增長。6種蕨類在40～45℃時細(xì)胞傷害率增長緩慢，且各物種間差異不大；在45～65℃時，半數(shù)植物細(xì)胞傷害率增長劇烈，不同種類間的差異明顯；65～70℃時，多數(shù)細(xì)胞傷害率變化趨緩，不同種類間的差異變小。細(xì)胞傷害率呈“S”型變化。細(xì)胞傷害率增長最快的是球子蕨，其次是蕨和中華蹄蓋蕨。

2.2 高溫半致死溫度

經(jīng)過試驗測定，依據(jù)1.3.6中的公式計算處理溫度(t)與轉(zhuǎn)化細(xì)胞傷害率(y)的線性關(guān)系，見圖2。

圖2 處理溫度與轉(zhuǎn)化細(xì)胞傷害率之間的關(guān)系

使用SPSS 26.0 對t、y進行線性回歸，計算出a、b的值及相關(guān)系數(shù)。進行顯著性檢驗，均達到了極顯著水平，說明y與t之間存在線性相關(guān)。計算二階導(dǎo)數(shù)，設(shè)其為0，得出曲線的拐點(t=lna/b)，該t值即為LT50[17]。計算出蕨類植物的LT50（表1）。

表1 方程參數(shù)及高溫半致死溫度

2.3 蕨類耐熱性的確定

LT50是植物耐熱性的指標(biāo)，其值越高，植物耐熱性越強，反之越弱[18]。結(jié)果表明，6種蕨類植物的耐熱性為粗莖鱗毛蕨(63.77℃)＞中華蹄蓋蕨(62.07℃)＞廣布鱗毛蕨(61.63℃)＞莢果蕨(61.13℃)＞球子蕨(58.03℃)＞蕨(56.70℃)。

2.4 蕨類植物的葉表皮形態(tài)

研究發(fā)現(xiàn)，葉片的表皮特征和組織結(jié)構(gòu)與地理分布格局及生態(tài)適應(yīng)性有較大的關(guān)系，分布廣、適應(yīng)性強的植物表現(xiàn)出氣孔密度大、葉革質(zhì)等特征[19]。由表2 可知，6 種蕨類植物的葉面積依次為粗莖鱗毛蕨＞中華蹄蓋蕨＞廣布鱗毛蕨＞莢果蕨＞蕨＞球子蕨，與6種植物的耐熱性排序基本一致；比葉重大小排序依次為粗莖鱗毛蕨＞廣布鱗毛蕨＞中華蹄蓋蕨＞莢果蕨＞蕨＞球子蕨，與6 種植物的耐熱性排序基本一致；氣孔密度依次為粗莖鱗毛蕨＞中華蹄蓋蕨＞廣布鱗毛蕨＞莢果蕨＞球子蕨＞蕨，與6 種植物的耐熱性排序完全一致。植物的表皮形態(tài)指標(biāo)也可以作為判斷植物耐熱性的參考之一。

表2 蕨類植物葉片表皮形態(tài)

2.5 蕨類植物的葉綠素含量和最大凈光合速率

有學(xué)者選擇葉綠素?zé)晒鈪?shù)、生理生化指標(biāo)以及光合參數(shù)來評定植物的耐熱能力，具體指標(biāo)包括最大熒光、最大凈光合速率等[20-21]。筆者測試了6種蕨類植物的葉綠素含量及最大凈光合速率（表3），廣布鱗毛蕨、球子蕨和蕨的葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量與植物的耐熱能力呈正相關(guān)，粗莖鱗毛蕨、中華蹄蓋蕨和莢果蕨的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量與植物的耐熱能力呈負(fù)相關(guān)；中華蹄蓋蕨和莢果蕨的葉綠素a/b 值與植物的耐熱性呈正相關(guān)，粗莖鱗毛蕨、廣布鱗毛蕨、球子蕨和蕨的葉綠素a/b值與植物的耐熱能力呈負(fù)相關(guān)；最大凈光合速率與耐熱能力呈現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)性?？梢钥闯?，6 種植物葉綠素含量和最大凈光合速率與它們的耐熱性排序不完全一致，不能單獨作為耐熱性的評價指標(biāo)，不能直接反映植物的耐熱能力。

表3 蕨類植物的葉綠素含量和最大凈光合速率

2.6 蕨類植物的田間觀測及物種分布

查閱植物智(http://www.iplant.cn)及中國植物園聯(lián)盟(https://image.cubg.cn/)網(wǎng)站可知，蕨在國內(nèi)34 個省級行政區(qū)均有分布，是測試的6 種蕨類植物中分布最廣的；其次是莢果蕨，在18個省級行政區(qū)有分布；粗莖鱗毛蕨有在15個省級行政區(qū)有分布，從東北到西南均有分布，中華蹄蓋蕨在14 個省級行政區(qū)有分布，主要分布在長江以北地區(qū)；廣布鱗毛蕨主要分布在北京、天津、河北、內(nèi)蒙古和東三省，最遠(yuǎn)分布至臺灣；球子蕨分布最窄，僅北京和東北有分布。根據(jù)李巖等[22]對中國東北地區(qū)石松類和蕨類植物區(qū)系研究，莢果蕨屬為北溫帶分布，球子蕨屬為東亞和北美洲間斷分布，蕨屬為泛熱帶分布，鱗毛蕨屬、蹄蓋蕨屬為世界分布型。

結(jié)合2021 年和2022 年連續(xù)2 年的田間高溫實際形態(tài)觀察情況，6 種蕨類植物在北京最炎熱的6—8 月（見圖3，2021年6、7、8月最高氣溫分別為36、38、33℃，2022 年6、7、8 月最高氣溫分別為38、37、36℃）均未出現(xiàn)葉片焦邊、干枯等情況，生長狀態(tài)良好，能在北京安全越夏。測定結(jié)果顯示，蕨的耐熱能力是最弱的，其次是球子蕨和莢果蕨。而物種實際的分布情況是蕨在國內(nèi)的分布是最廣的，在海南也有分布，從理論上講，耐熱能力比它強的植物在國內(nèi)大部分地區(qū)均可引種栽培，并應(yīng)用到園林中。目前，北京園林中應(yīng)用最廣的是莢果蕨，蕨也在國家植物園南、北園等地有一定的應(yīng)用和展示。球子蕨為北京二級保護植物，為球子蕨屬單種植物，葉型奇特，葉二形，不育葉一回羽狀，能育葉二回羽狀，羽片條形，孢子葉裂片反卷形成串珠狀結(jié)構(gòu)，成熟時開裂。春季常布滿淡紅褐色暈，頗具觀賞價值，應(yīng)繼續(xù)展開研究，建立繁殖技術(shù)系統(tǒng)，加以推廣應(yīng)用。

圖3 2021—2022年6—8月最高溫分布圖

3 結(jié)論與討論

3.1 細(xì)胞傷害率結(jié)合形態(tài)學(xué)觀察確定蕨類植物耐熱性

目前，有多種指標(biāo)可用于評價植物的耐熱性。本研究使用的方法是判定植物耐熱能力較為科學(xué)、快捷的方法之一。結(jié)果表明，6 種蕨類的耐熱性為粗莖鱗毛蕨＞中華蹄蓋蕨＞廣布鱗毛蕨＞莢果蕨＞球子蕨＞蕨。此結(jié)論與田間觀察結(jié)果一致，粗莖鱗毛蕨、中華蹄蓋蕨等耐熱能力強的蕨類基本上無受害情況，耐熱性弱的球子蕨，高溫?fù)p傷明顯，不同蕨類間的差異在高溫脅迫下差異更為明顯。參考高溫半致死溫度，綜合考慮高溫脅迫下的田間觀察結(jié)果，可以用于評價不同蕨類的耐熱能力。

3.2 耐熱性與形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)系

革質(zhì)發(fā)亮的葉片、密被的絨毛、光滑的蠟質(zhì)等，均能在一定程度上反射太陽光而降低植物葉片溫度，有利于增強物種的耐熱性。本研究中，球子蕨葉片草質(zhì)、較薄，其耐熱性不強；與球子蕨相比，耐熱性強的粗莖鱗毛蕨、廣布鱗毛蕨均具有較厚的葉片、被毛或革質(zhì)，這與前人的研究結(jié)果一致；葉片的組織結(jié)構(gòu)與耐熱性有一定的關(guān)聯(lián)，耐熱型網(wǎng)狀脈植物常年生長在高溫的惡劣環(huán)境中，依靠自身的自適應(yīng)熱結(jié)構(gòu)，通過葉片的蒸騰作用進行散熱，以抵御高溫對植物自身的正常生理活動的影響[23]。葉片解剖結(jié)構(gòu)間的差異變化，是植物面對不同環(huán)境壓力時提高自身生存適應(yīng)性、協(xié)調(diào)與生境的合作關(guān)系的有效方式[24]。球子蕨的葉脈為網(wǎng)狀，正是對高溫的一種適應(yīng)。蕨的葉片上面光滑無毛，下面被疏毛或近無毛，葉片較薄，故耐熱性較差。

3.3 耐熱性與生理生化指標(biāo)的關(guān)系

本研究測試了6 種蕨類植物的葉綠素含量、最大凈光合速率等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)與前人的研究結(jié)果不完全一致。有學(xué)者對鼠尾草屬植物進行了高溫半致死溫度和葉綠素相對含量的測定，結(jié)果表明，各植物的LT50值與SAPD值之間存在顯著正相關(guān)[25]。筆者研究表明，粗莖鱗毛蕨、莢果蕨和蕨的最大凈光合速率與植物的耐熱性負(fù)相關(guān)，中華蹄蓋蕨和廣布鱗毛蕨的最大凈光合速率與植物的耐熱性正相關(guān)，還需要繼續(xù)深入研究，以揭示更為科學(xué)的規(guī)律。

3.4 耐熱性培育是蕨類植物推廣應(yīng)用的發(fā)展方向之一

有學(xué)者進行了13種觀賞草耐熱性測定的研究，認(rèn)為環(huán)境因素會影響植物的生長發(fā)育，植物的生物學(xué)特性與生境關(guān)系密切，共同決定了其在引種地的適應(yīng)性[26]。本研究的思路與前人的一致，綜合目前的研究成果，對于蕨類耐熱品種的篩選及推廣應(yīng)用具有一定的參考意義。

中國北方地區(qū)夏季高溫多雨，野生蕨類植物在三北地區(qū)雖分布較廣，但目前僅莢果蕨大量運用到了園林中，其他觀賞性狀好、耐性強的種類可以加以推廣展示，進一步豐富園林綠化種類。但植物的耐熱性受多因素影響，因此要從植物的組織細(xì)胞、光合器官、形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化等多方面綜合考慮[27]，進而科學(xué)評價植物的耐熱性。