低溫條件下四種觀賞鳶尾抗寒生理機制及抗寒性綜合評價研究

張 鑫，許 娟，王 可

（安徽林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源與環(huán)境系，安徽合肥 230031）

0 引言

生態(tài)文明城市建設(shè)不斷推進，觀賞植物成為生態(tài)環(huán)境優(yōu)化的主力軍.而由于全國各地生長條件差異，植物種植收效差異顯著，因為植物組織遭受逆境后，會自動基于代謝反應(yīng)阻止逆境造成的損傷使其保持正常的生理活動[1].在一些冬季氣溫較低的城市，植物越冬的抗寒力浮動較大，為抵抗低溫脅迫環(huán)境，植物機體將發(fā)生復(fù)雜、深刻變化才能積累強大的抗寒能力.鳶尾是具有一定抗旱能力的宿根花卉，鳶尾具有觀賞性強、花色明艷動人、造型個性美觀等優(yōu)點，受到北方地區(qū)城市的青睞.鳶尾屬(Iris L.)植物屬于單子葉宿根草本植物，具有較高觀賞價值與藥用價值，廣泛分布于北溫帶.

低溫條件下植物生長一般存在兩個弊端：一方面會減少其植物產(chǎn)量，另一方面可能造成植株的死亡[2].所以，研究低溫條件下觀賞鳶尾抗寒特性及生理機制，具有重要的理論意義和實際價值.

本研究選取德國鳶尾(Iris germanica L.)、溪蓀鳶尾(Iris sanguinea)、野鳶尾(Iris dichotoma Pall.)和藍蝴蝶鳶尾(Iris tectorum)等4種常見的觀賞陸生鳶尾植物作為試驗對象，在不同低溫環(huán)境下觀察植物的葉綠素、酶活性等生理響應(yīng)情況.目前關(guān)于鳶尾抗寒特性的研究多集中在水生鳶尾抗寒性研究、鳶尾與其他宿根植物的抗寒性對比研究[3,4]、鳶尾植物多種抗逆性的綜合研究等層面[5]，較少見對于陸生觀賞鳶尾的抗寒特性進行專門研究.本研究將觀賞鳶尾的抗寒特性作為重點，結(jié)合已有的植物生理指標測定方法與抗寒性綜合評價方式，探究低溫條件下4種觀賞鳶尾的抗寒生理機制，為觀賞鳶尾在逆境中生存提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

將德國鳶尾、溪蓀鳶尾、野鳶尾、藍蝴蝶鳶尾4種鳶尾植物葉片作為試驗材料測定觀賞鳶尾的抗寒性指標，試驗于2022 年8 月在安徽林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院園藝基地展開.將4個觀賞鳶尾品種栽植于口徑30 cm、高40 cm 的塑料容器內(nèi)，每個品種各種植5 盆.于早晨7：00 選擇栽培條件、長勢良好且一致的植株進行采集，取樣部位為離心葉最近的2片葉片，用塑料袋包裝帶至實驗室，依次使用自來水、蒸餾水沖洗植物葉片，然后使用濾紙吸浄表面水分，密閉貯存于保鮮袋內(nèi).

人工打造觀賞鳶尾葉片的低溫處理條件：將5℃、0℃、－5℃、－10℃、－15℃、－20℃、－25℃作為溫度梯度.在低溫恒溫槽內(nèi)進行降溫處理，在10℃環(huán)境內(nèi)低溫預(yù)冷12 h，依次對全部葉片進行降溫處理，每組供試葉片達到指定溫度后需保持該溫度4 h 再取出，隨后開展生理指標測定，每個葉片重復(fù)處理3 次.

1.2 指標測定

測定方法：采用相對電導(dǎo)率法測定REC；基于NBT 光化還原法測定SOD 活性[6]；采用硫代巴比妥酸法測定MDA 含量[7]；游離脯氨酸含量通過酸性茚三酮法測定；可溶性糖含量通過蒽酮顯色法測定[8].

成活率計算：通過計算葉片成活面積計算各品種葉片的成活率.

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用SPSS 軟件進行統(tǒng)計分析，利用visio 軟件制作曲線圖.基于隸屬函數(shù)值法綜合評價植物抗寒性，結(jié)合林榕燕等人的研究進行隸屬度計算[9]，得到隸屬函數(shù)值計算公式.當(dāng)植物生理指標和抗寒性為正相關(guān)關(guān)系時，隸屬函數(shù)值運算方法如下式：

當(dāng)植物生理指標和抗寒性為負相關(guān)關(guān)系時，隸屬函數(shù)運算方法如下式，即求取反隸屬函數(shù)值：

其中，抗寒性指標的測定值用Xi表示，某個抗寒性指標的上限值與下限值分別描述為Xmax和Xmin.可溶性糖含量、游離脯氨酸含量的計算均基于反隸屬函數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 抗寒生理指標變化

2.1.1 低溫條件對四種觀賞鳶尾相對電導(dǎo)率REC 的影響

植物的相對電導(dǎo)率增加速度慢、幅度小則植物的抗寒性較強，相對電導(dǎo)率增加速度急劇、幅度較大則植物的抗寒性較弱.采用5 個階梯溫度對觀賞鳶尾進行低溫處理后，測定4 個品種的葉片REC，圖1 為測定結(jié)果統(tǒng)計分析圖.

圖1 低溫條件下四種觀賞鳶尾的相對電導(dǎo)率變化

由圖1 可知，4 個品種的鳶尾相對電導(dǎo)率差異不明顯，伴隨處理溫度持續(xù)下降，各階梯溫度下鳶尾葉片REC 快速上升，各品種間上升速度與幅度存在較大差距；當(dāng)?shù)蜏貤l件達到最頂端值－12℃時，4 個品種的REC 也達到峰值.其中溪蓀鳶尾上升速度最快，折線發(fā)展趨勢最為陡峭，尤其0℃處理后急劇增加；在0℃處理后，德國鳶尾相對電導(dǎo)率增加幾乎呈直線趨勢；野鳶尾上升趨勢相對緩慢，同樣是在0℃處理條件后開始呈現(xiàn)較快的上升趨勢，但是上升幅度低于德國鳶尾，－10℃后上升幅度降低；相比之下，藍蝴蝶鳶尾REC 折線上升最為緩慢，溫度設(shè)定到－8℃時才開始急劇增加.

基于REC 折線變化趨勢能夠看出，觀賞鳶尾各品種隨著處理溫度的降低REC 逐漸增加，此時細胞膜透性也逐漸增大，所以差異性低溫處理條件下REC 差異顯著(P<0.01).由此評估4 個品種觀賞鳶尾抗寒性大?。合p鳶尾最強，德國鳶尾次之，野鳶尾再次，藍蝴蝶鳶尾最弱.這一結(jié)果是通過對比分析各品種鳶尾相對電導(dǎo)率上升幅度得出.

2.1.2 低溫條件對四種觀賞鳶尾可溶性糖的影響

可溶性糖含量一定程度上決定了植物的抗寒性強弱，當(dāng)生存環(huán)境溫度降低時，植物通過增加體內(nèi)可溶性糖以調(diào)節(jié)細胞的滲透勢.部分研究顯示，溫度下降時植物呼吸減弱，可溶性糖的消耗量下降，與此同時植物體內(nèi)淀粉會少量轉(zhuǎn)化為可溶性糖，目的是抵抗降溫.表1 為各品種觀賞鳶尾葉片的可溶性糖測定結(jié)果統(tǒng)計分析.

表1 四種觀賞鳶尾葉片的可溶性糖測定含量統(tǒng)計分析

表1結(jié)果顯示，低溫條件下觀賞鳶尾可溶性糖含量伴隨溫度降低呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢.具體而言，－15℃條件下德國鳶尾、溪蓀鳶尾體內(nèi)可溶性糖達到最高，比5℃時分別高出44.11 mg·g-1、53.88 mg·g-1；野鳶尾在-10℃時可溶性糖含量達到峰值，藍蝴蝶鳶尾在－5℃時達到最高，藍蝴蝶鳶尾全程增加幅度最小，可溶性糖峰值僅為38.12 mg·g-1.對觀賞鳶尾可溶性糖含量進行方差計算顯示，低溫條件為－10～－15 ℃時各品種觀賞鳶尾可溶性糖含量均具有顯著差異(P<0.01).

2.1.3 低溫條件對四種觀賞鳶尾丙二醛MDA 的影響

逆境條件下，諸如低溫脅迫環(huán)境中，植物器官通過膜脂過氧化作用產(chǎn)生MDA，而MDA 直接干擾酶活性，不符合正常水平的大量MDA 會打破代謝平衡，傷害植物無細胞，因此MDA成為植物抗寒性評價的重要指標之一.圖2 為各品種鳶尾葉片的MDA測定結(jié)果統(tǒng)計分析圖.

圖2 低溫條件下四種觀賞鳶尾的丙二醛變化

圖2 數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，低溫條件下觀賞鳶尾MDA 含量變化趨勢均為下降再上升的趨勢，0℃為MDA 含量值變化節(jié)點，0℃后MDA 含量紛紛上升.當(dāng)MDA 含量處于最低點時開始不斷增加.其中，MDA 含量增長幅度最大的是溪蓀鳶尾，－5℃和0℃相比增加約22.8 μmol·mg-1，MDA 含量增長幅度最小的是藍蝴蝶鳶尾，在整個降溫過程中呈現(xiàn)不明顯的上升和下降趨勢，增減幅度均較小，與0℃相比MDA 含量－5℃時僅增加14.2 μmol·mg-1.德國鳶尾、野鳶尾折線明顯介于上述兩者之間.

2.1.4 低溫條件對觀賞鳶尾游離脯氨酸的影響

植物體內(nèi)的游離脯氨酸含量通常較低，會在低溫條件下出現(xiàn)游離脯氨酸的含量增加現(xiàn)象，以保護植物細胞.各品種觀賞鳶尾葉片的游離脯氨酸統(tǒng)計分析如表2所示.

表2 四種觀賞鳶尾葉片的可溶性糖測定含量統(tǒng)計分析

表2 數(shù)據(jù)表明，4 個品種的游離脯氨酸含量均呈現(xiàn)隨著低溫脅迫不斷上升的趨勢，隨后又開始下降.德國鳶尾、溪蓀鳶尾在－20℃時達到最大值，和5℃相比，二者游離脯氨酸含量分別增加了47.61 mg·g-1、43.38 mg·g-1；差異性低溫條件下變化幅度有所不同.野鳶尾游離脯氨酸含量出現(xiàn)在－15℃，相比5℃條件增幅僅為14.72 mg·g-1，相對較低.藍蝴蝶鳶尾最早出現(xiàn)游離脯氨酸含量峰值，－10℃時已達到最大值，相比5℃溫度條件僅增加12.40 mg·g-1，不同低溫條件下游離脯氨酸含量變化幅度有所差異.對觀賞鳶尾游離脯氨酸含量進行方差計算顯示，相同低溫條件下不同鳶尾葉片內(nèi)的游離脯氨酸含量具有一定的差異，隨著溫度持續(xù)降低，藍蝴蝶鳶尾同其他品種存在顯著性差異，抗寒性最弱(P<0.01).

2.2 抗寒性綜合評價

2.2.1 低溫條件下四種觀賞鳶尾成活率分析

不同低溫條件下觀賞鳶尾葉片的成活率統(tǒng)計如表3所示.

表3 四種觀賞鳶尾葉片的成活率統(tǒng)計

表3 數(shù)據(jù)顯示，隨著低溫條件逐漸加強，觀賞鳶尾成活率逐漸降低，降低幅度有所不同.0℃和5℃條件下，4 種鳶尾成活率基本為100%，只有藍蝴蝶鳶尾出現(xiàn)一定程度的死亡損傷，并且藍蝴蝶鳶尾在－20℃條件下成活率已經(jīng)為0，說明其抗寒性在4個品種中較差.德國鳶尾和野鳶尾的成活率相對突出，－5℃條件下分別有96.1%、90.8%成活率，溪蓀鳶尾次之.

2.2.2 四種觀賞鳶尾抗寒性綜合評價

植物的抗寒性是一個變化復(fù)雜的生理過程，生理指標之間相互影響、作用，產(chǎn)生的強大的抗寒生理機制.表4為觀賞鳶尾的抗寒性綜合評價結(jié)果.

表4 四種觀賞鳶尾的抗寒性綜合評價

表4 中，德國鳶尾隸屬度值為0.4571，排名第一；溪蓀鳶尾次之，隸屬度值為0.4405；野鳶尾和藍蝴蝶鳶尾分別排名第三、第四，隸屬度值分別為0.4206、0.4087.可見，通過對4 個品種觀賞鳶尾4 個生理指標的綜合評價，能夠得出得出幾種鳶尾的抗寒性排名：德國鳶尾>溪蓀鳶尾>野鳶尾>藍蝴蝶鳶尾.

3 討論與結(jié)論

3.1 四種觀賞鳶尾抗寒特性討論

（1）相對電導(dǎo)率.相對電導(dǎo)率是辨別植物抗寒性的重要指標之一，植物在低溫條件下生存，其膜系統(tǒng)會受到傷害，低溫對膜的傷害可導(dǎo)致電解質(zhì)滲透率增加，電導(dǎo)率大小與組織受寒害的程度呈正相關(guān).REC 增加速度緩慢、幅度較小則植物的抗寒性較強，REC 增加速度急劇、幅度較大則植物的抗寒性較弱[10].本次研究結(jié)果與這一生理表現(xiàn)吻合，隨著處理溫度的下降，藍蝴蝶鳶尾的REC 折線上升幅度最大、速度最快；相比之下，抗寒性強的德國鳶尾因為受低溫傷害程度低，所以相對電導(dǎo)率變化幅度緩慢.

（2）丙二醛.植物體內(nèi)酶活性的變化可以表達低溫條件下植物的受傷程度.試驗結(jié)果顯示，在5℃與0℃環(huán)境下，各品種鳶尾的MDA 含量為下降趨勢，一定程度上是因為細胞受到低溫環(huán)境突變的傷害進而增強自身保護酶活性，抑制膜脂過氧化作用；當(dāng)?shù)蜏厮郊訌姷那闆r下，MDA 含量轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔荩f明低溫環(huán)境削弱了保護酶活性，膜脂過氧化作用得到加強，此時鳶尾植物遭受到不同程度的傷害.

（3）可溶性糖.可溶性糖作是一種關(guān)鍵的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，當(dāng)植物處于低溫逆境時可溶性糖積累能夠提高細胞液的濃度，降低滲透勢從而提升了保水能力，冰點隨之下降，令植物葉片中的細胞遇冷不凝固，從而增強了植物自身抗寒能力.本研究中觀賞鳶尾葉片的可溶性糖含量均隨溫度的降低呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，低溫條件為－10～－15 ℃時各品種觀賞鳶尾可溶性糖含量均具有顯著差異(P<0.01)，較高的可溶性糖抵御寒冷的能力更強，抗寒性更強，可證明野鳶尾和德國鳶尾的抗寒性更強，溪蓀鳶尾和藍蝴蝶鳶尾的抗寒性相對稍弱.

（4）游離脯氨酸.已有研究中游離脯氨酸表征植物抗寒性的結(jié)果不一致.本次研究中，隨著溫度的降低，抗寒性較強的鳶尾游離脯氨酸積累較大，抗寒性較弱的鳶尾游離脯氨酸積累較小.

3.2 結(jié)論

結(jié)合植物成活率客觀全面分析植物的抗寒性以及低溫極限關(guān)系，本研究表3 結(jié)果表明，低溫條件為0℃時，藍蝴蝶鳶尾已經(jīng)開始出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，而其他三個品種的鳶尾成活率均為100%；低溫條件為－15℃時，德國鳶尾、溪蓀鳶尾、野鳶尾、藍蝴蝶鳶尾成活率分別為48.9%、38.4%、20.4%、2.8%.

藍蝴蝶鳶尾MDA 增幅最大、溪蓀鳶尾MDA增幅最小，可見，藍蝴蝶鳶尾在低溫條件下的膜脂過氧化程度相對于德國鳶尾更高植物受的傷害更大、抗性更弱.此結(jié)果與張京等人在4 種常綠水生鳶尾抗寒性研究中的結(jié)果基本一致[11].

本次試驗通過對上述兩個生理指標和可溶性糖、游離脯氨酸兩個生理指標進行隸屬度函數(shù)分析，得出4 個品種觀賞鳶尾抗寒性排序：德國鳶尾>溪蓀鳶尾>野鳶尾>藍蝴蝶鳶尾.德國鳶尾展現(xiàn)了良好的抗寒性，此結(jié)果與幾種宿根花卉抗寒特性的研究吻合[12].