高溫高濕脅迫對鼠尾草屬5 種植物生理特性的影響

陳云, 肖漢文, 黃艷波, 周翔宇**, 黃衛(wèi)昌, 彭東輝

(1. 中國科學院上海辰山植物科學研究中心/上海辰山植物園，上海 201602；2. 福建農(nóng)林大學園林學院，福州 350002；3. 南京林業(yè)大學，南京 210037)

鼠尾草屬(Salvia)是唇形科(Lamiaceae)中最大的屬，約有1 000 種[1]。根據(jù)花器官結構(形態(tài)、內(nèi)部結構、雄蕊特征)和花粉接觸傳粉昆蟲的部位可將東亞鼠尾草類群分為3 亞屬: 弧隔鼠尾草亞屬(subg.Salvia)、荔枝草亞屬(subg.Sclarea)和鼠尾草亞屬(subg.Allagospadonopsis)[3]。中國是鼠尾草屬東亞分布中心，有82 種24 變種，分布范圍廣，尤以西南地區(qū)為分布中心，種類繁多[4]。我國鼠尾草花部形態(tài)各異、花色豐富、植株姿態(tài)優(yōu)美，具有芳香氣味，有較高的觀賞價值[6]。但我國園林上常用的鼠尾草種類主要來源于國外，對國產(chǎn)鼠尾草的研究主要集中在藥用價值和傳粉生物學等方面[7]，對其引種栽培、觀賞評價和園林應用的研究較少。

近年來，全球氣溫變暖加劇，政府間氣候變化專門委員會(IPCC) 2021 報告指出，全球地表溫度比1850—1900 年間升高1.09 ℃，到21 世紀30 年代中期，氣溫上升可能達到或超過1.5 ℃[11]。研究預測未來中國極端高溫事件(≥35 ℃)發(fā)生頻率將增加4.5%[12]，華中、華東和華南地區(qū)的夏季降水增加明顯，洪澇災害加重[13]。在我國長江以南地區(qū),高溫和高濕往往同時發(fā)生，對許多鼠尾草屬植物的生長造成嚴重影響，已經(jīng)成為限制引種栽培的主要環(huán)境因子。但兩者復合脅迫對鼠尾草生長和生理影響的研究還未見報道，許多兼有較高藥用和觀賞價值的鼠尾草屬植物缺乏引種栽培的指導依據(jù)。

為此，本研究選取國產(chǎn)鼠尾草屬中具有較高園林觀賞價值的4 種植物及1 種雜交后代為試驗材料，分析在高溫高濕環(huán)境下鼠尾草的形態(tài)變化、葉綠素含量(SPAD)、細胞質膜透性、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性及可溶性蛋白、可溶性糖、丙二醛(malondialdehyde, MDA)和游離脯氨酸(proline, Pro)含量的變化[14]，探討其對高溫高濕復合環(huán)境的耐受性差異及生理變化，篩選出耐濕熱性較強的鼠尾草種類，以期為今后國產(chǎn)鼠尾草的選育、應用和栽培管理提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

本研究選取引種至上海市唇形科植物國家林木種質資源庫內(nèi)的5 種鼠尾草屬植物: 丹參(Salvia miltiorrhiza)、張家界鼠尾草(S.daiguii)、貴州鼠尾草(S.cavaleriei)、鐵線鼠尾草(S.adiantifolia)和‘辰丹月白’鼠尾草(人工雜交F1代，♂S.miltiorrhiza×♀S.daiguii，‘Chendanyuebai’)。所有材料均為2 a 生盆栽實生苗，統(tǒng)一進行水分管理，每隔2 d 澆透1 次水。選擇生長狀況良好、長勢一致，于2021 年9 月移至人工氣候箱進行耐濕熱試驗處理。

1.2 試驗處理

首先在人工氣候箱(上海一恒科學儀器有限公司)中進行溫度35 ℃、光強100% [312.5μmol/(m2s)]的熱激處理(12 h)，然后進行高溫高濕處理。根據(jù)2021 年上海市氣象局(http://sh.cma.gov.cn/)氣象數(shù)據(jù)，7 月—9 月上海最高溫度可達38 ℃，平均晝夜溫差約7 ℃，試驗組溫度設置為40 ℃/33 ℃ (晝/夜),空氣濕度90%～95%，土壤濕度95%～100%; 以試驗起始時(0 d)為對照，溫度設置為25 ℃/20 ℃ (晝/夜),空氣濕度65%～70%。白天光照強度100%，夜晚關閉光照，每隔2 d 澆透1 次水。每物種分別于處理0、3、6、9 d 時取相同位置展開的成熟葉片，進行理化指標的測定，同時記錄植株的形態(tài)變化。每種鼠尾草隨機選擇3 株，每株1～2 個重復，共5 個重復。

1.3 方法

形態(tài)指標參考于曉英[16]和陳文志[17]的方法，將高溫高濕傷害程度劃分為5 級：1 級，生長旺盛，葉色鮮亮，植株挺立；2 級，少于1/4 的葉片表現(xiàn)濕熱傷害癥狀(葉色發(fā)黃卷曲、萎蔫掉落、植株倒伏等)；3 級，1/4～1/2 的葉片表現(xiàn)濕熱傷害癥狀；4 級，1/2 至3/4 的葉片表現(xiàn)濕熱傷害癥狀；5 級，3/4以上的葉片表現(xiàn)濕熱傷害癥狀至植株死亡。

葉片生理生化指標的測定葉綠素相對含量的測定參照馮時等[18]的方法，采用植物營養(yǎng)測定儀測定。細胞質膜透性采用電導率儀測定沸水浴前后的電導值S1、S2，計算葉片的相對電導率=S1/S2×100%[19]；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法[19]測定。參照生工生物工程(上海)股份有限公司的試劑盒，采用氮藍四唑(NBT)法測定SOD 活性、采用硫代巴比妥酸法測定MDA 含量、采用酸性茚三酮法測定Pro 含量。

耐濕熱性的綜合評定采用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)分析法[20]對5 種鼠尾草屬植物進行耐濕熱性綜合評定。隸屬函數(shù)公式為U(Xi)=(Xi–Xmin)/(Xmax–Xmin)，如果某一指標與綜合評判結果為負相關，則用反隸屬函數(shù)進行定量轉換，公式為U(Xi)=1–(Xi–Xmin)/(Xmax–Xmin)，式中，Xi為指標測定值；Xmax和Xmin分別為指標的最大值和最小值。每種植物將各指標的耐濕熱隸屬值累加求平均，進行耐濕熱性比較。

1.4 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 進行初步處理，采用SPSS 25.0 中的廣義線性模型對高溫高濕脅迫后的數(shù)據(jù)進行分析，將處理時間作為自變量，生理指標數(shù)據(jù)作為因變量，鼠尾草植株作為隨機因子，并采用單因素方差分析，使用Tukey 進行事后檢驗,用GraphPad Prism 8.0 繪制圖表，數(shù)據(jù)采用平均值±標準偏差(Mean±SD)表示。

2 結果和分析

2.1 脅迫對植株的傷害

由表1 可見，隨著脅迫時間的延長，5 種鼠尾草的傷害等級均上升，但受害程度較低，處理9 d僅比對照上升1 個等級，無植株死亡。試驗開始時除鐵線鼠尾草正常生長外，其余鼠尾草的傷害等級均為2，表現(xiàn)為底部部分老葉發(fā)黃、枯萎；脅迫3 d，鐵線鼠尾草開始出現(xiàn)底部葉片發(fā)黃、枯萎，傷害等級上升，其余種類底部發(fā)黃、枯萎葉片數(shù)量增加,但仍少于1/4；脅迫6 d 時，丹參和‘辰丹月白’鼠尾草底部發(fā)黃葉片增加明顯，傷害等級提升；脅迫9 d時，各鼠尾草底部發(fā)黃葉片仍處于上升趨勢，其中張家界鼠尾草和貴州鼠尾草的受害葉片數(shù)量超過1/4，傷害等級上升。整個脅迫過程中，各鼠尾草植株整體顏色趨向變黃，丹參、張家界鼠尾草和貴州鼠尾草表現(xiàn)得較為明顯。脅迫結束后，經(jīng)正常養(yǎng)護，5 種鼠尾草均恢復正常生長。

表1 高溫高濕脅迫對5 種鼠尾草的傷害等級Table 1 Damage degree of five Salvia species under high temperature and high humidity stress

2.2 脅迫對葉綠素含量的影響

由圖1 可見，隨著脅迫時間的延長，5 種鼠尾草葉片的葉綠素SPAD 值總體呈下降的趨勢，但變化拐點和幅度不同。丹參僅在脅迫3 d 時出現(xiàn)明顯下降，隨后保持穩(wěn)定，而張家界鼠尾草、貴州鼠尾草的下降較為明顯，3 種鼠尾草脅迫9 d 的SPAD值與對照有顯著差異(P<0.05)；‘辰丹月白’鼠尾草在脅迫6 d 時顯著下降，雖在脅迫9 d 出現(xiàn)上升，但與6 d 時無顯著差異(P>0.05)；而鐵線鼠尾草在脅迫時間內(nèi)保持穩(wěn)定，無顯著差異。脅迫9 d 的SPAD比對照的下降幅度為貴州鼠尾草(16.5%)>張家界鼠尾草(14.8%)>丹參(12.3%)>‘辰丹月白’鼠尾草(5.5%)>鐵線鼠尾草(2.3%)。

圖1 高溫高濕對5 種鼠尾草葉綠素相對含量的影響。同一條線上不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同F(xiàn)ig. 1 Effects of high temperature and humidity on chlorophyll relative content of five Salvia species. Different letters upon the same line indicate significant difference at 0.05 level. The same below

2.3 脅迫對細胞膜透性的影響

由圖2 可知，高溫高濕脅迫下5 種鼠尾草葉片的相對電導率逐漸上升，細胞膜透性增大，脅迫9 d與對照有顯著差異，但各物種出現(xiàn)顯著差異的時間不同。貴州鼠尾草脅迫6 d 與對照有顯著差異，之后大幅上升，脅迫9 d 時達最高，其余種類均在脅迫3 d 與對照有顯著差異(P<0.05)，之后穩(wěn)定上升。細胞膜受損程度以貴州鼠尾草(99.1%)>張家界鼠尾草(60%)>丹參(53.5%)>‘辰丹月白’鼠尾草(51.7%)>鐵線鼠尾草(45.7%)。

圖2 高溫高濕脅迫對5 種鼠尾草葉片細胞膜透性的影響Fig. 2 Effects of high temperature and high humidity stress on cell membrane permeability of five Salvia leaves

2.4 脅迫對SOD 活性和MDA 含量的影響

由圖3 可見，貴州鼠尾草葉片的MDA 含量隨脅迫時間的延長而逐漸上升，其余種類呈上升-下降-上升的趨勢。張家界鼠尾草、鐵線鼠尾草、‘辰丹月白’鼠尾草葉片的MDA 含量在脅迫3 d 迅速上升,達最高，而后急劇下降；丹參葉片的MDA 含量在脅迫3 d 的增幅較小，但仍比對照有顯著差異(P<0.05), 并在脅迫6 d 下降至最低；貴州鼠尾草葉片的MDA 含量在脅迫時間內(nèi)呈上升趨勢，但整體水平較低。除鐵線鼠尾草外，其余種類脅迫9 d 的葉片MDA 含量均顯著高于對照。

圖3 高溫高濕脅迫對5 種鼠尾草葉片的MDA 含量和SOD 活性的影響Fig. 3 Effects of high temperature and humidity stress on MDA content and SOD activity in leaves of five Salvia species

在脅迫期間，5 種鼠尾草葉片的SOD 活性比對照均顯著提高(P<0.05)，但各物種的變化趨勢和幅度略有不同。丹參的SOD 活性隨脅迫時間延長呈逐漸增長的趨勢，脅迫9 d 時達最高，說明其對高溫高濕較不敏感；除張家界鼠尾草外，其余種類脅迫3 d 的SOD 活性與對照沒有顯著差異(P>0.05);除丹參外，其余鼠尾草的SOD 活性均在脅迫6 d 時大幅上升，達最大值，而后急劇下降，但在脅迫結束后仍顯著高于0 d。

2.5 脅迫對滲透調節(jié)物質含量的影響

由圖4 可見，5 種鼠尾草葉片Pro 含量在高溫高濕脅迫下的變化趨勢和幅度不同。貴州鼠尾草和鐵線鼠尾草隨脅迫時間的延長持續(xù)上升，其余種類在脅迫3～6 d 呈下降趨勢。5 種鼠尾草脅迫9 d 的Pro 含量比對照均顯著增加，上升了83.1%～203.1%。5 種鼠尾草葉片的可溶性蛋白含量在脅迫時總體呈現(xiàn)上升的趨勢，均在脅迫9 d 時達最高，比對照增加了65.8%～101.4%。除張家界鼠尾草外，其余種類葉片的可溶性糖含量在脅迫6 d 的變化平緩，偶有下降，均無顯著差異(P>0.05)，5 種鼠尾草脅迫9 d的可溶性糖含量比對照增加了49.5%～140.6%。

圖4 高溫高濕脅迫對5 種鼠尾草葉片滲透調節(jié)物質含量的影響Fig. 4 Effects of high temperature and humidity stress on osmoregulatory substances contents in leaves of five Salvia species

2.6 綜合評價

隸屬函數(shù)綜合值越大，表示其耐濕熱性越強。根據(jù)隸屬函數(shù)綜合值，對5 種鼠尾草進行耐濕熱能力評價(表2)，由強到弱依次為張家界鼠尾草≈鐵線鼠尾草>‘辰丹月白’鼠尾草≈丹參>貴州鼠尾草。

表2 耐濕熱指標的綜合隸屬函數(shù)值Table 2 Comprehensive membership function values of humidity and heat resistance indexes

3 結論和討論

植物在脅迫下形態(tài)特征的變化可以直觀反映其受害程度，是評價植物對逆境適應性強弱的直接指標[14]。本研究中，5 種鼠尾草在高溫高濕脅迫下均發(fā)生了外部形態(tài)變化，底部黃葉數(shù)增多，葉色變黃，說明植物都受到一定程度的濕熱傷害。但脅迫結束后鼠尾草均可恢復正常生長，表明本研究的高溫高濕脅迫程度并未對鼠尾草產(chǎn)生不可逆的損傷,耐濕熱性較好。此外，在對照環(huán)境下，除鐵線鼠尾草外，其余鼠尾草的底部老葉也出現(xiàn)發(fā)黃、枯萎,與我們在資源圃中(正常生長條件)觀察的結果一致，這可能是植物生長過程中的正常更新，而高溫高濕使得這一過程加快，黃葉數(shù)明顯增多。

葉綠素是植物光合作用的物質基礎，對植物生長有重要作用，其含量變化與植物抗逆性密切相關[22]。SPAD 值是一個與葉片葉綠素含量相關的無量綱比值，反映植物綠色程度，與葉片葉綠素含量呈正比[24]。本研究中，‘辰丹月白’鼠尾草的SPAD值的變化幅度小于親本，說明其葉綠素受高溫高濕脅迫影響小于親本。貴州鼠尾草葉綠素下降最多,受到的影響最大，而鐵線鼠尾草最小，說明各鼠尾草對高溫高濕的耐受性差異。

細胞膜的穩(wěn)定性能準確反映植物在逆境中的適應能力，是評價植物抗逆性的適宜指標之一[26]。植物在逆境中細胞膜結構會遭到破壞，使細胞內(nèi)的內(nèi)含物外滲，引起電導率的改變[28]，因而電導率可以判斷植物細胞膜的受損程度。本研究中, 鼠尾草在高溫高濕脅迫下相對電導率持續(xù)下降，細胞膜持續(xù)受損，這與前人[14]的研究結果相似，且與其形態(tài)表現(xiàn)較一致，說明相對電導率的變化可以作為判斷鼠尾草屬植物耐濕熱性的根據(jù)。此外，本研究還表明鼠尾草的細胞膜受損程度與SPAD 的下降幅度具有一致性，故推測葉片細胞膜透性增加是導致葉綠素含量降低的重要原因。

植物在逆境中，細胞氧自由基的產(chǎn)生和清除的平衡遭到破壞，細胞膜脂過氧化加劇，導致膜脂過氧化最終分解產(chǎn)物MDA 含量的增加[31]。SOD 是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，能通過歧化反應使O2、 OH等活性氧轉變?yōu)镺2和H2O2[32]。在高溫高濕脅迫下,不同植物的SOD 活性和MDA 含量變化趨勢有差異,無明顯上升或下降規(guī)律[29]。本研究結果相似, 且鼠尾草的MDA 含量變化與細胞膜透性變化并不吻合，說明MDA 并非唯一影響細胞膜透性的因子, 可能還有其他原因導致膜透性增加。張家界鼠尾草、鐵線鼠尾草和‘辰丹月白’鼠尾草的SOD 活性和MDA含量呈顯著負相關，說明SOD 對MDA 含量的重要影響；但在丹參和貴州鼠尾草中并未呈現(xiàn)這種規(guī)律，可能其他抗氧化酶在高溫高濕脅迫中同樣對MDA 含量的降低起著重要作用，這與許華等[22]對美麗鼠尾草和貴州鼠尾草的研究相似。

脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白都屬于滲透調節(jié)物質，其含量變化可以反映植物的抗逆性，抗性強的植物往往積累更多的滲透調節(jié)物質[34]。不同植物體內(nèi)的滲透調節(jié)物質在受到脅迫后變化趨勢不一致，多數(shù)呈持續(xù)上升或先升后降的變化趨勢，但也有持續(xù)下降或暫時下降的現(xiàn)象[14]。本研究結果表明，不同鼠尾草的滲透調節(jié)物質含量變化趨勢存在差異，可能是不同鼠尾草對于逆境的敏感性和耐受性不同，對環(huán)境變化較不敏感或所受傷害超過自身調節(jié)范圍時，滲透調節(jié)物質的上升速度小于其被分解或破壞的速度，從而導致其含量短暫降低。但脅迫結束后5 種鼠尾草的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量比對照仍有不同程度的提升，表明鼠尾草所受的濕熱傷害仍在其調節(jié)范圍內(nèi)，具有較強的耐濕熱能力。

通過隸屬函數(shù)對7 項指標進行綜合分析，耐濕熱性為張家界鼠尾草≈鐵線鼠尾草>‘辰丹月白’鼠尾草≈丹參>貴州鼠尾草。但各鼠尾草的隸屬函數(shù)值差距較小，且在實際栽培中鐵線鼠尾草在上海的夏季表現(xiàn)不如丹參，這可能是因為不同鼠尾草耐脅迫時間的臨界點不同。在脅迫9 d 內(nèi)，鼠尾草的耐濕熱性均表現(xiàn)較好，而隨著脅迫時間的延長，如夏季的持續(xù)高溫高濕，鼠尾草的脅迫能力可能會發(fā)生變化。因此，未來在對鼠尾草屬植物的耐濕熱性測定時應適當延長脅迫時間。

綜上，5 種鼠尾草在脅迫中未出現(xiàn)嚴重的濕熱傷害，脅迫結束后仍能恢復正常生長，具有較好的耐濕熱性，可以在上海及周邊地區(qū)進行引種栽培。雜交鼠尾草花朵美麗、花序及植株挺拔，兼具父母本的優(yōu)點，且耐濕熱性好，可以作為觀賞植物進行推廣種植。

致謝感謝魏宇昆老師在研究過程中對本人的支持及解惑。