基于高溫半致死溫度的13個牡丹品種耐熱性評價

余昕 陳法志 劉忠 陳志偉 戢小梅 李秀麗

摘要：以13個代表性牡丹（Paeonia suffruticosa Andr.）品種為試材，利用電導(dǎo)率法、Logistic方程研究高溫半致死溫度（LT50），以期評價牡丹種質(zhì)資源的耐熱性。結(jié)果表明，在逐步高溫處理過程中，13個牡丹品種的細胞傷害率呈典型的S形曲線增長趨勢，經(jīng)顯著性檢驗符合Logistic方程。13個牡丹品種的LT50為51.31～59.73 ℃，其中B24的LT50最高，為59.73 ℃，而海黃的LT50最低，為51.31 ℃。利用有序樣品最優(yōu)分割聚類法，將13個牡丹品種分為3個類群，B24、太平紅、B10、鳳丹荷和鳳丹白屬于耐熱類型，LT50平均值為57.70 ℃；香玉、蓮鶴、五星玉、島錦和墊江紅屬于中度耐熱類型，LT50平均值為56.32 ℃；ZB1、潑墨紫和海黃屬于不耐熱類型，LT50平均值為53.32 ℃。

關(guān)鍵詞：牡丹（Paeonia suffruticosa Andr.）； 細胞傷害率； Logistic方程； 高溫半致死溫度； 耐熱性

中圖分類號：S685.11? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）06-0116-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.06.018 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Evaluation of heat resistance of 13 tree peony varieties based on semi-lethal high temperature

YU Xin， CHEN Fa-zhi， LIU Zhong， CHEN Zhi-wei， JI Xiao-mei， LI Xiu-li

（Institute of Forestry and Fruit Tree， Wuhan Academy of Agricultural Sciences， Wuhan? 430075， China）

Abstract： In order to evaluate the heat resistance of tree peony（Paeonia suffruticosa Andr.） germplasm resources， 13 representative tree peony cultivars were selected as experimental materials， and the semi-lethal high temperature （LT50） was studied by the conductivity method and Logistic equation. The results showed that with the treating temperatures higher step-by-step， the cell damage rate of 13 tree peony cultivars showed a typical S curve increasing trend， and the significance test conformed to the Logistic equation. The LT50 of 13 tree peony cultivars ranged from 51.31 ℃ to 59.73 ℃， among which B24 had the highest LT50 of 59.73 ℃， while Haihuang had the lowest LT50 of 51.31 ℃. Based on sequential clustering method， 13 tree peony cultivars could be divided into 3 groups： B24， Taipinghong， B10， Fengdanhe and Fengdanbai belonged to the heat resistant type， with an average LT50 of 57.70 ℃； Xiangyu， Lianhe， Wuxingyu， Daojin and Dianjianghong belonged to the moderate heat resistant type， with an average LT50 of 56.32 ℃； ZB1， Pomozi and Haihuang belonged to the heat sensitive type， with an average LT50 of 53.32 ℃.

Key words： tree peony（Paeonia suffruticosa Andr.）； cell damage rate； Logistic equation； semi-lethal high temperature； heat resistance

牡丹（Paeonia suffruticosa Andr.）屬于芍藥科（Paeoniaceae）芍藥屬（Paeonia）牡丹組（Paeonia sect. Moutan DC.）植物，被稱為花中之王，是世界著名花卉，也是中國十大名花之一，具有較高的觀賞價值［1］。中國不僅是牡丹野生種的惟一產(chǎn)地，也是栽培品種的起源和演化中心，已有數(shù)千年的自然生長和1 500多年的人工栽培歷史［2］。牡丹適應(yīng)性強，耐干旱，能夠種植在非耕性的荒山荒坡上，在水土保持、防風固沙、改善土壤品質(zhì)等方面具有重要作用［3］。

牡丹原生地位于中國境內(nèi)的河南、西藏和湖北等地的高海拔地區(qū)，性喜冷涼干燥的環(huán)境，在年平均氣溫12～15 ℃的黃河中下游地區(qū)生長良好，26 ℃以上則停止生長，進入暫時休眠［4］。中國多地35 ℃以上高溫主要集中在6月中旬到8月中旬，隨著高溫時間的延長，葉片出現(xiàn)失綠、黃化、焦枯、提早落葉，直至植株死亡［5，6］。隨著全球氣候變暖，極端高溫事件頻繁發(fā)生，北部中緯度地區(qū)更容易受到影響，有些地區(qū)打破了長期氣溫記錄的5 ℃之高［7］。此外，夏季日數(shù)、熱夜日數(shù)、暖夜日數(shù)和暖晝?nèi)諗?shù)也均呈顯著上升趨勢［8］，高溫已成為影響牡丹生長的重要環(huán)境限制因子，不僅使其在原適宜生長的地區(qū)面臨挑戰(zhàn)，也嚴重抑制著牡丹在長江中下游地區(qū)的推廣應(yīng)用。

研究人員從抗性育種［9］、抗性生理［10］、基因調(diào)控［11］、轉(zhuǎn)錄組［12］和蛋白質(zhì)組［13］等方面開展牡丹耐熱性研究，發(fā)現(xiàn)高溫不僅影響牡丹表型變化，而且還會引起體內(nèi)細胞穩(wěn)態(tài)失衡、影響物質(zhì)代謝和生物合成等過程，抑制植物的生長和發(fā)育，嚴重影響了牡丹的生物學(xué)特性及觀賞性。植物細胞膜具有選擇透過性，對維持細胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和調(diào)節(jié)生理代謝活動起著至關(guān)重要的作用。當植物受到高溫脅迫時，細胞膜出現(xiàn)分子內(nèi)化學(xué)鍵松動、蛋白質(zhì)變性或脂肪酸組分發(fā)生改變等現(xiàn)象，導(dǎo)致膜滲透性增大，細胞內(nèi)的電解質(zhì)外滲不斷增加［14］。細胞膜的熱穩(wěn)定性是評價植物耐熱性的重要指標，尤其是利用電導(dǎo)率法和Logistic方程測定植物的高溫半致死溫度（LT50），已廣泛用于植物的耐熱性評價，比如繡球花［15］、草莓［16］、小白菜［17］、藍莓［18］、三棱櫟［19］、藤本植物［20］等均有報道。然而有關(guān)牡丹種質(zhì)資源高溫半致死溫度的研究仍有待深入探討。

本研究以13個牡丹品種為試材，包括從湖北省?？悼h、河南省洛陽市、安徽省銅陵市、四川省彭州市、湖南省邵陽市、山東省菏澤市、重慶市墊江縣等地引進的栽培品種，以及資源圃中性狀穩(wěn)定的變異品種，具有一定的主栽品種代表性。應(yīng)用電導(dǎo)率法和Logistic方程擬合計算，明確不同種質(zhì)資源的高溫半致死溫度，并結(jié)合有序樣品最優(yōu)分割聚類法對不同牡丹品種的耐熱性強弱進行聚類分析，為其在園林綠化及美麗鄉(xiāng)村建設(shè)中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

以潑墨紫（Pomozi）、島錦（Daojin）、蓮鶴（Lianhe）、鳳丹荷（Fengdanhe）、五星玉（Wuxingyu）、海黃（Haihuang）、B10、香玉（Xiangyu）、B24、墊江紅（Dianjianghong）、ZB1、太平紅（Taipinghong）、鳳丹白（Fengdanbai）共13個牡丹品種為供試植物。上述供試植物栽培于武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院林業(yè)果樹研究所牡丹資源圃中，常規(guī)水肥管理。選取長勢基本一致的6年生嫁接苗用于試驗。

1.2 方法

1.2.1 細胞傷害率的測定 分別選取枝條自下而上的第2至第3個復(fù)葉頂部向下第2至第3片功能小葉，用清水和去離子水清洗干凈后擦干水分，去除葉片的主葉脈和邊緣，用剪刀剪取直徑約為6 mm的小圓片，取0.1 g葉片樣品放入10 mL的離心管中，加入9 mL去離子水，用針筒抽真空使葉片沉入離心管底部。以室溫下各品種牡丹葉片的電導(dǎo)率作為對照（RCK），并分別在30、35、40、45、50、55、60、65 ℃的梯度水浴中恒溫水浴20 min，待水浴完成后冷卻至室溫，采用雷磁電導(dǎo)儀（DDS-307A）測定不同水浴溫度下的電導(dǎo)率（Rt）；再將牡丹葉片置于沸水中煮沸15 min，待水浴完成后，靜置冷卻至室溫，測出最終電導(dǎo)率（R0），每組處理重復(fù)3次。按如下公式計算細胞傷害率，細胞傷害率=（Rt-RCK）/（R0-RCK）×100%［20，21］。

1.2.2 Logistic方程和高溫半致死溫度的確定 利用Logistic方程Y=k/（1+ae-bt），對各個處理溫度與所測細胞傷害率進行擬合。其中，Y為細胞傷害率；k為細胞傷害率的飽和容量；t為處理溫度，由于細胞傷害率去除了本底干擾，因此在本試驗中k為100%；a、b為方程參數(shù)。為了確定a和b的值，將Logistic方程進行線性化處理，ln［（k-Y）/Y］ = lna-bt，令y = ln［（k-Y）/Y］，則轉(zhuǎn)化為細胞傷害率（y）與處理溫度（t）的直線方程。通過DPS 9.01軟件回歸分析的方法求得參數(shù)a、b的值以及相關(guān)系數(shù)，計算高溫半致死溫度，對Logistic方程進行二階求導(dǎo)，并令其等于0，獲得曲線的拐點t=（lna）/b，求出的t即為高溫半致死溫度（LT50）［20，22］。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2016軟件整理試驗數(shù)據(jù)并繪制圖表，采用SPSS 20.0軟件和DPS 9.01統(tǒng)計軟件分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同牡丹品種細胞傷害率與處理溫度的關(guān)系

由圖1可以看出，當溫度在30～65 ℃時，隨著處理溫度的升高，13個牡丹品種葉片的細胞傷害率不斷增加，呈緩慢上升-急劇上升-緩慢上升的趨勢，即典型的S形曲線，不同品種間的上升快慢存在差異。在30～45 ℃，13個牡丹品種的葉片細胞傷害率增加緩慢，除ZB1增加了25.52倍外，其他品種變化較小，表明此溫度區(qū)間內(nèi)，牡丹葉片能自主調(diào)節(jié)并且維持細胞相對穩(wěn)定的狀態(tài)，但ZB1的自主調(diào)節(jié)能力較差。在45～50 ℃，ZB1、鳳丹白、五星玉、島錦、海黃的細胞傷害率上升較快，說明該溫度范圍對這些品種細胞穩(wěn)定性的影響較大，尤其對ZB1，其細胞傷害率從8.22%上升至29.56%。在50～60 ℃，13個品種的細胞傷害率均呈急劇上升趨勢，潑墨紫、島錦、蓮鶴、B24、墊江紅、ZB1的細胞傷害率為70%～80%，鳳丹荷、五星玉、B10、香玉的細胞傷害率為80%～90%，而海黃、太平紅、鳳丹白的細胞傷害率均在90%以上，其中海黃的細胞傷害率最大，達97.63%，表明牡丹葉片細胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)受損嚴重，細胞內(nèi)電解質(zhì)已出現(xiàn)大量外滲。當溫度上升至65 ℃時，13個品種的細胞傷害率均達80%以上，其中，潑墨紫的細胞傷害率從73.85%上升至97.31%，增幅達23.46個百分點，其他品種細胞傷害率增長趨于平緩，表明此時牡丹細胞質(zhì)膜遭到嚴重破壞，喪失了調(diào)節(jié)和選擇物質(zhì)進出的主動運輸功能，細胞內(nèi)外電解質(zhì)濃度已趨于平衡。綜上可知，ZB1、鳳丹白、五星玉、島錦、海黃葉片膜系統(tǒng)不可逆?zhèn)Φ呐R界溫度為45～60 ℃，蓮鶴、潑墨紫、B24、墊江紅、太平紅、B10、香玉、鳳丹荷葉片膜系統(tǒng)的臨界溫度為50～60 ℃。

2.2 不同牡丹品種高溫半致死溫度的確定

對不同溫度處理下13個牡丹品種的細胞傷害率進行一元回歸分析和Logistic方程擬合，確定了Logistic方程參數(shù)和相關(guān)系數(shù)，并計算高溫半致死溫度，結(jié)果如表1所示。13個牡丹品種的相關(guān)系數(shù)（R2）為0.906～0.983，達極顯著水平，方程擬合程度較好。13個牡丹品種的LT50為51.31～59.73 ℃，平均LT50為56.16 ℃。由于高溫半致死溫度與牡丹耐熱性呈正相關(guān)，可見13個牡丹品種的耐熱性表現(xiàn)為B24（59.73 ℃）>太平紅（57.54 ℃）>B10（57.27 ℃）>鳳丹荷（57.03 ℃）>鳳丹白（56.93 ℃）>五星玉（56.72 ℃）>香玉（56.61 ℃）>墊江紅（56.54 ℃）>蓮鶴（56.04 ℃）>島錦（55.69 ℃）>潑墨紫（54.80 ℃）>ZB1（53.84 ℃）>海黃（51.31 ℃）。

2.3 不同牡丹品種的耐熱性聚類分析

進一步通過有序樣品最優(yōu)分割聚類法對13個牡丹品種的耐熱性強弱進行分類，結(jié)果見表2、圖2和表3。分類數(shù)與誤差函數(shù)曲線的拐點在3～4，將13個牡丹品種的耐熱性按LT50的排序分為3類，排序1～5的B24、太平紅、B10、鳳丹荷、鳳丹白為耐熱品種（R），排序6～10的五星玉、香玉、墊江紅、蓮鶴、島錦為中度耐熱品種（M），排序11～13的潑墨紫、ZB1、海黃為不耐熱品種（S）。

3 討論

在全球氣候變暖背景下，中國園藝植物生長季的農(nóng)業(yè)氣候資源發(fā)生變化，尤其是極端高溫存在年際間波動性改變，直接影響了植物的生長和生物學(xué)性狀的形成［8，23］，高溫脅迫對園藝植物生長的影響備受關(guān)注［15，24］。高溫脅迫能激活細胞質(zhì)內(nèi)一系列的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，改變膜脂結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，使細胞膜通透性發(fā)生改變，從而導(dǎo)致細胞內(nèi)電解質(zhì)外滲不斷增加，電導(dǎo)率逐漸增大［14］。大量研究表明，電導(dǎo)率是反映細胞膜受損程度，評價植物耐熱性的重要指標，許多遭受高溫脅迫的植物，如繡球（Hydrangea macrophylla）、凌霄（Campsis grandiflova）、杜鵑（Rhododendron spp.）等植物葉片的電導(dǎo)率隨著脅迫溫度的增加而上升［15，20，21］。電導(dǎo)率法配合Logistic方程可計算出植物的LT50，能夠簡單、準確、快速地判定植物對高溫的耐受性［15，20，21］。

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著脅迫溫度的逐漸升高，牡丹葉片的電導(dǎo)率逐漸增大，對于ZB1而言，其耐熱能力在不同溫度梯度脅迫下均表現(xiàn)較弱，說明ZB1在高溫脅迫條件下的自主調(diào)節(jié)能力較弱。此外，同一品種的耐熱能力在不同溫度梯度脅迫下存在差異，鳳丹白在30～45 ℃細胞傷害率增加緩慢，耐熱性較好，當溫度繼續(xù)上升>45 ℃時，鳳丹白細胞傷害率上升較快，耐熱性變?nèi)?。這一現(xiàn)象在植物中普遍存在，周媛等［25］發(fā)現(xiàn)在相對較低的高溫脅迫下，金葉佛甲草的耐熱能力較強，而在≥45 ℃的高溫脅迫下，金葉佛甲草的耐熱能力迅速降低，但胭脂紅景天卻與之相反。凌瑞等［15］發(fā)現(xiàn)，在35～55 ℃花手鞠的電導(dǎo)率細胞傷害率增長最慢，耐熱性較強，而在55～65 ℃花手鞠的細胞質(zhì)外滲最為嚴重，耐熱性較弱。表明同一品種對不同強度高溫脅迫的耐受程度及生理響應(yīng)具有一定差異。本研究發(fā)現(xiàn)隨著脅迫溫度的不斷升高，13個牡丹品種葉片的細胞傷害率呈一致性變化趨勢，即緩慢上升-急劇上升-緩慢上升的 S形曲線增加趨勢，通過顯著性檢驗，符合Logistic方程。為進一步綜合評價不同牡丹品種的耐熱能力，計算13個牡丹品種的LT50，并通過有序樣品最優(yōu)分割聚類法，將13個牡丹品種按耐熱能力強弱分為3類，B24、太平紅、B10、鳳丹荷、鳳丹白的LT50均大于56.90 ℃，屬于耐熱品種（R），具有一定的高溫適應(yīng)能力，適合在高溫地區(qū)推廣應(yīng)用；而潑墨紫、ZB1、海黃的LT50均小于54.81 ℃，屬于不耐熱品種（S），更適合種植于溫度較低的溫帶地區(qū)。

本研究測定了葉片的相對電導(dǎo)率，所得到的LT50可有效評估牡丹的耐熱能力。然而，牡丹的耐熱性受多種因素的影響，其耐熱生理過程錯綜復(fù)雜。有研究表明細胞膜相對通透性與植物耐熱能力存在相關(guān)性，是評價植物耐熱性的重要指標［15，20］。若要更加精確、全面地評價植物耐熱性，需要結(jié)合葉綠素含量、葉綠素熒光參數(shù)、脯氨酸含量、超氧化物歧化酶活性、亞細胞結(jié)構(gòu)等其他生理生化指標進行綜合評價［14，26］。

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