王義婧 ，徐勝 *，何興元 , ，陳瑋 ，袁玉玲，秦子晴

1. 中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽110016；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國科學(xué)院森林生態(tài)與管理重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；4. 呼倫貝爾生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008；5. 沈陽大學(xué)，遼寧 沈陽110044

近年來，全球氣候變化已成為世界關(guān)注的焦點，其中由溫室氣體增加引起的氣候變暖已成不爭事實（IPCC，2014）。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告（AR5），本世紀(jì)末全球平均氣溫將升高1.8~4.0 ℃（IPCC，2014）。相關(guān)報道表明，2000—2015年全球變暖速率約為 20世紀(jì)后半葉的一半（Karl et al.，2015），到 21世紀(jì)末全球地表溫度將升高1.5~2.0 ℃（Held，2013）。未來40年全球變暖加速的可能性增大（Roberts et al.，2015；Smith et al.，2015），而且升溫趨勢會更為明顯（Marotzke et al.，2015）。

隨著氣候變化趨勢的日益突出，全球氣候變暖帶來的潛在影響已成為當(dāng)前人們廣泛關(guān)注的熱點（Sevegnani et al.，2016；徐勝等，2017；Nadal et al.，2018）。而氣候變暖最直接的表現(xiàn)就是全球地表氣溫升高（袁文濤等，2011）。溫度作為最重要的氣候因子之一，調(diào)控著生態(tài)系統(tǒng)中大部分的生物化學(xué)反應(yīng)速率，幾乎影響所有的生物學(xué)過程，并調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動、水分和養(yǎng)分循環(huán)（沈振西等，2015）。相關(guān)研究表明，溫度升高，一方面直接影響植物的光合作用（陳翔等，2016），改變植物的物候進(jìn)程（王曉云等，2014），影響植物的生長速率；另一方面，改變土壤水熱狀況（楊月娟等，2015），間接影響土壤呼吸速率（Li et al.，2013；杜巖功等，2016）、有機質(zhì)分解和植物對營養(yǎng)物質(zhì)的利用（Boeck et al.，2006；武倩等，2016），進(jìn)而影響植物生物量的生產(chǎn)分配（Carlyle et al.，2014；Xu et al.，2015；余欣超等，2015）及群落的結(jié)構(gòu)和生物多樣性。因此，通過增溫模擬研究氣候變暖對植物的影響對其物種分布、生長發(fā)育及其開發(fā)利用具有重要意義。

目前，有關(guān)大氣增溫對植物的影響研究多集中于樹木和農(nóng)作物（Dong et al.，2011；孫嘯震等，2012；Kivim?enp?? et al.，2017；袁嫚嫚等，2018），而對草本植物的研究較少。而在增溫處理對草本植物影響的研究中，主要集中在其生長發(fā)育和繁殖物候等方面（范曾麗，2015；朱軍濤，2016），對其生理響應(yīng)機制的研究較少。本研究所選材料美國薄荷（Monarda didyma L.）是近年來北方城市普遍種植的芳香類草本植物，葉型玲瓏可愛，葉色濃綠，氣味芬芳，耐貧瘠，抗逆性強，觀賞性佳，易于管理，深得人們的喜愛，同時具有藥用食用雙重功能。然而，這類揮發(fā)性芳香類植物受氣溫影響較大，在北方對氣候變暖可能較為敏感，而目前關(guān)于該類植物對氣溫升高尤其是在未來氣候變暖環(huán)境下的生理代謝機制研究還非常匱乏。因此，本研究采用開頂式氣室模擬大氣增溫的方法，觀測了增溫處理下美國薄荷葉片的光合生理參數(shù)和逆境生理指標(biāo)，揭示其對增溫處理的生理響應(yīng)，旨在為薄荷等芳香類草本植物在中國北方城市的引種栽培尤其是全球變暖環(huán)境下這類物種的生長及開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況與實驗設(shè)計

研究區(qū)域位于沈陽市商業(yè)文化中心區(qū)域，中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所樹木園內(nèi)（123°26′E，41°46′N）。樹木園占地面積約5 hm2，四季分明，雨熱同期，屬于暖溫帶大陸型季風(fēng)性氣候。本試驗主要采用直徑4 m，高3 m玻璃室壁的正八邊形開頂箱（OTC，北京前景惠邦控制技術(shù)有限公司設(shè)計），OTC內(nèi)設(shè)有6個陶瓷加熱器（距離植物冠層1.5 m）、溫濕度傳感器及數(shù)據(jù)分析與自動控制系統(tǒng)，模擬增溫采用全天候不間斷增溫模式。增溫試驗設(shè)置2個處理：對照組CK和增溫組IT，其中增溫處理比對照處理的大氣溫度高(3±0.2) ℃，每個處理設(shè)置3次重復(fù)。在試驗期間，對照組、增溫組的植物冠層最低溫度分別為 10.6 ℃和13.5 ℃，最高溫度為 31.0 ℃和 33.8 ℃。本研究選取一年生的美國薄荷為實驗材料，于2017年7月1日進(jìn)行種植栽培，統(tǒng)一采用高25 cm，直徑20 cm的聚乙烯塑料盆進(jìn)行盆栽?；|(zhì)為經(jīng)處理的無病害基質(zhì)，成分為園林土、草炭土和爐灰，比例為1∶1∶1，保水性能良好，適宜薄荷生長。8月20日，挑選長勢均勻一致的薄荷盆栽苗12盆，隨機分為2組，每組6盆，分別放入對照和增溫開頂箱內(nèi)。于處理的第7天和第14天測定薄荷葉片的光合氣體交換參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)及其他生理指標(biāo)。此外，在試驗過程中，保持對照組和增溫組的薄荷盆栽供水充足。對照組與增溫組除溫度外，灌溉水量等其他條件均一致。

1.2 測定項目與試驗方法

1.2.1 光合氣體交換參數(shù)

試驗處理后每隔 7天測 1次光合氣體交換參數(shù)，選擇晴朗天氣的上午 9:00—12:00開始測定。選擇位于植株冠層中間部位的成熟葉，利用LI-6400便攜式光合測定儀（固定紅藍(lán)光源，設(shè)定光合有效輻射 PAR=1000 μmol·m-2·s-1）測定凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、葉片水分利用效率（WUE=Pn/Tr）。

1.2.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)

采用 FMS-2便攜式葉綠素?zé)晒鈨x（英國Hansatech公司）測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)PSII電子傳遞量子產(chǎn)率（ΦPSII）、PSII最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）和非光化學(xué)猝滅系數(shù)（qN）。與光合氣體交換參數(shù)同步測定，每隔7天測定1次，測定時間選擇在晴朗天氣的上午9:00—12:00。葉片選擇位于植株冠層中部的健康、成熟葉。

1.2.3 逆境生理參數(shù)

光合色素含量采用乙醇混合液法測定（高俊鳳，2006）；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法（Hodges et al.，1999）測定；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑法測定（Bortolin et al.，2014）；可溶性蛋白含量采取考馬斯亮藍(lán)染色法測定（高俊鳳，2006）；超氧自由基（O2-·）產(chǎn)生速率采用鹽酸羥胺法測定（高俊鳳，2006）；脫落酸（ABA）含量采用酶聯(lián)免疫法（李莉等，2007）結(jié)合植物激素脫落酸ELISA檢測試劑盒（上海茁彩生物科技有限公司）進(jìn)行測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用Microsoft Excel統(tǒng)計處理數(shù)據(jù)、計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)合SPSS 21.0軟件，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）的Duncan多重比較法，分別對不同時間對照和增溫處理下美國薄荷的各項生理指標(biāo)進(jìn)行分析，比較不同時間各指標(biāo)的處理組與對照組之間差異顯著性。數(shù)據(jù)在進(jìn)行方差分析前，均進(jìn)行了方差齊性檢驗。運用Oringin 9.1軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 增溫處理對薄荷葉片光合氣體交換參數(shù)的影響

圖1 增溫處理對美國薄荷葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和水分利用效率（WUE）的影響Fig. 1 Effects of temperature-increasing treatment on net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), transpiration rate (Tr)and water use efficiency (WUE) in leaves of Monarda didyma L.樣品重復(fù)數(shù)n=3，同一時期不同小寫字母表示不同處理間有顯著差異（P<0.05），同一時期不同大寫字母表示不同處理有極顯著影響（P<0.01），下同Sample repeat number n=3, different lowercase letters in the same period indicated significant differences between different treatments at the 0.05 level.Different capital letters at the same period indicated extremely significant differences between different treatments at the 0.01 level, the same below

如圖1A、圖1C所示，處理7 d后，增溫處理下美國薄荷葉片的凈光合速率和蒸騰速率較對照分別極顯著升高了48.8%（P=0.002<0.01）和49.2%（P=0.007<0.01）；如圖1B、圖1D所示，處理7 d后，增溫處理下美國薄荷葉片的氣孔導(dǎo)度和葉片水分利用效率較對照分別上升了 11.1%和 14.6%，但不顯著。處理14 d后，各指標(biāo)較對照均有所降低，但不顯著。第 14天增溫組合處理組的薄荷葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度以及蒸騰速率均顯著高于第7天，這可能與測定光合氣體交換參數(shù)時的外界環(huán)境因子（如外界光照強度、CO2濃度、大氣溫濕度和風(fēng)速等）有關(guān)；而葉片水分利用效率則顯著低于第7天，這是由于蒸騰速率的增加幅度較大。由此可見，短時間增溫處理可以促進(jìn)美國薄荷的光合作用，但隨著處理時間的增長，增溫處理下光合作用較對照有所降低。

2.2 增溫處理對薄荷葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

如圖2A、圖2B、圖2C所示，處理7 d時，增溫處理下美國薄荷葉片的 PSⅡ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、PSII電子傳遞量子產(chǎn)率（ΦPSII）和光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）與對照相比略有升高，但不顯著；處理14 d時，則分別較對照下降了11.0%、21.5%（P=0.017<0.05）和 17.1%（P=0.033<0.05）。如圖2D所示，處理7 d時，增溫處理下美國薄荷葉片的非光化學(xué)猝滅系數(shù)（qN）與對照相比無顯著變化；處理 14 d時，則較對照顯著上升了 17.0%（P=0.045<0.05）。

2.3 增溫處理對薄荷葉片光合色素含量的影響

如圖3A所示，經(jīng)過增溫處理之后，美國薄荷葉片的葉綠素和類胡蘿卜素含量的變化趨勢一致，較對照均呈先升高后降低的趨勢。處理7 d時，增溫處理下薄荷葉片的葉綠素含量較對照顯著上升了15.2%（P=0.016<0.05），而處理14 d時，較對照顯著下降了10.0%（P=0.015<0.05）；如圖3B所示，處理7 d時，增溫處理下薄荷葉片的類胡蘿卜素含量較對照上升了3.6%，而處理14 d時，則較對照顯著下降了16.6%（P=0.020<0.05）。

圖2 增溫處理對美國薄荷葉片PSⅡ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、PSⅡ電子傳遞量子產(chǎn)率（ΦPSII）、光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）和非光化學(xué)猝滅系數(shù)（qN）的影響Fig. 2 Effects of temperature-increasing treatment on PSII maximum photochemical efficiency (Fv/Fm), PS II electron transfer quantum yield (ΦPSII),photochemical quenching coefficient (qP) and non-photochemical quenc hing coefficient(qN)in leaves of Monarda didyma L.

2.4 增溫處理對美國薄荷葉片逆境生理指標(biāo)的影響

2.4.1 膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）含量

如圖4A所示，處理7 d時，增溫處理下美國薄荷葉片MDA含量較對照顯著降低，降幅為25.2%（P=0.022<0.05）；而處理14 d時，增溫處理下美國薄荷葉片的 MDA含量則較對照升高了 11.5%（P=0.017<0.05）。

圖4 增溫處理對美國薄荷葉片MDA含量、SOD活性、超氧自由基（O2-?）產(chǎn)生速率和可溶性蛋白含量的影響Fig. 4 Effects of temperature-increasing treatment on MDA content, SOD activity, (O2-·) production rate, and soluble protein contentin leaves of Monarda didyma L.

2.4.2 超氧化物歧化酶（SOD）活性

如圖4B所示，在處理過程中，增溫處理下美國薄荷葉片超氧化物歧化酶活性較對照呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，但并不顯著。

2.4.3 超氧自由基（O2-?）產(chǎn)生速率

如圖4C所示，在處理過程中，增溫處理下美國薄荷葉片超氧自由基產(chǎn)生速率較對照呈先下降后上升的趨勢。處理7 d時，增溫處理下美國薄荷葉片的超氧自由基產(chǎn)生速率較對照下降了2.1%。而在處理 14 d時則較對照顯著上升了 15.5%（P=0.038<0.05）。且第14天測定的薄荷葉片的O2-·產(chǎn)生速率均顯著高于第7天，這說明后期的增溫處理引起的活性氧毒害作用加強。

2.4.4 可溶性蛋白含量

如圖4D所示，處理7 d時，增溫處理下美國薄荷葉片可溶性蛋白含量沒有顯著變化。而處理14 d時則較對照顯著下降了19.9%（P=0.012<0.05）。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

光合作用是植被生態(tài)系統(tǒng)最重要的碳同化過程，是綠色植物最基本的生命能量的來源。研究表明，適宜的溫度增加可促進(jìn)植物的光合作用，從而促進(jìn)植物生長（Sandvik et al.，2004；孫寶玉等，2018）。本試驗結(jié)果表明，在增溫處理第7天時，薄荷葉片的Pn、Gs、Tr和WUE與對照相比均呈上升趨勢，而在處理第 14天時，則與對照相比呈下降趨勢。這是因為在增溫處理的初期，光合作用屬于酶促反應(yīng)，受溫度的影響較大，隨著溫度的升高，光合反應(yīng)酶活性隨之升高，所以光合作用提高，同時也說明了薄荷植物在處理初期對增溫有更好的適應(yīng)能力。這與馮憬等（2018）對多年生草本植物賴草（Leymus secalinus）的研究結(jié)果一致，他們采用開頂箱氣室模擬增溫，結(jié)果表明，適宜的溫度增加（2 ℃）能夠促進(jìn)植物的光合作用能力，提高植物的光合速率。而到增溫處理的第 14天時，增溫改變了光響應(yīng)過程中葉片蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、水分利用效率的響應(yīng)進(jìn)程，這些因素都導(dǎo)致了葉片光合作用的減弱，因此其光合作用呈下降趨勢。葉綠素?zé)晒鈪?shù)與光合作用效率密切相關(guān)，是評定植物光合結(jié)構(gòu)受損程度的一個重要指標(biāo)，其中Fv/Fm是暗適應(yīng)下PSII的最大光化學(xué)效率，能反映植物對光能的利用效率；ΦPSII是指光合系統(tǒng)II的有效量子產(chǎn)量，能反映光合系統(tǒng)II的實際光能捕獲率（尹海龍等，2013）；qP光化學(xué)猝滅系數(shù)，它反映了 PSII反應(yīng)中心的開放程度；而qN是PSII天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞而以熱的形式耗散掉的部分，是一種自我保護(hù)機制，對光合機構(gòu)起一定的保護(hù)作用（李曉等，2006）。本試驗結(jié)果表明，增溫處理第 7天時，薄荷葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm、ΦPSII和 qP與對照相比均呈上升趨勢；而在處理第 14天時，薄荷葉片的 Fv/Fm、ΦPSII和 qP與對照相比均呈下降趨勢，而qN則與對照相比顯著上升。這表明在處理前7 d時，增溫使得薄荷具有更強的光能轉(zhuǎn)換效率、更高的光合電子傳遞速率以及電子傳遞活性，從而使得其潛在的光化學(xué)效率提高（石福孫等，2009）。而在增溫處理的第14天，溫度增加抑制了光合作用過程中電子的傳遞速率，PSII反應(yīng)中心開放比例降低，天線色素吸收的能量更多以熱耗散的形式消耗，進(jìn)而導(dǎo)致Fv/Fm、ΦPSII、qP等葉綠素?zé)晒鈪?shù)降低，而 qN則顯著升高。這與李曉娜（2017）對多年生草本植物三裂葉蟛蜞菊（Wedelia trilobata）的研究結(jié)果相一致，其采用人工智能氣候箱進(jìn)行模擬增溫，試驗結(jié)果表明，溫度增加（比對照增加2 ℃）使得植物的葉綠素?zé)晒鈪?shù)升高。

葉綠素和類胡蘿卜素都是重要的光合色素，也是衡量植物光合能力的重要指標(biāo)之一，其含量的變化往往與葉綠體的生理活性、植物對環(huán)境的適應(yīng)性和抗性密切相關(guān)（Xin et al.，2016）。研究表明，適宜的增加溫度會使得植物的葉綠素和類胡蘿卜素等光合色素的含量增加（Chang et al.，2015；Stinziano et al.，2015；Wong et al.，2015；袁嫚嫚等，2018）。本試驗結(jié)果表明，在處理第7天時，增溫處理下美國薄荷葉片的葉綠素和類胡蘿卜素與對照相比呈上升趨勢，而在處理第14天時，與對照相比均顯著下降。這可能是因為在處理初期增溫有利于植物根部細(xì)胞分裂素的合成與向葉片的運輸，促進(jìn)葉片中葉綠素的合成，王瓊等（2017）采用紅外加熱器模擬增溫試驗也發(fā)現(xiàn)，適宜的增加溫度（0~1 ℃）能夠促進(jìn)多年生草本植物喜旱蓮子草（Alternanthera philoxeroides（Mart.）Griseb）葉片光合色素含量；而在處理后7 d時，長時間的增溫處理則變成了一種脅迫，導(dǎo)致了葉綠素等光合色素被分解，因此與對照相比呈下降趨勢。

丙二醛（MDA）是細(xì)胞膜脂過氧化產(chǎn)物之一，其含量越多表明葉片受毒害作用越強，通常利用丙二醛的產(chǎn)生量表征細(xì)胞膜脂過氧化程度，也可間接反映植物組織的抗氧化能力（Yu et al.，2018）。而超氧自由基（O2-·）則是葉片受到外界脅迫時產(chǎn)生的活性氧物質(zhì)，是活性氧的一種重要形式，也是植物體內(nèi)其他活性氧物質(zhì)H2O2的來源（阮亞男等，2017）。超氧化物歧化酶（SOD）是植物體內(nèi)一類重要的抗氧化酶?？扇苄缘鞍讋t是一種具有親水性的膠體，參與植物的滲透調(diào)節(jié)過程，與植物的許多生理生化作用都密切相關(guān)。本實驗結(jié)果表明，隨著處理時間的增長，與對照相比，增溫處理下的MDA含量呈先下降后上升的趨勢；SOD活性呈先上升后下降的趨勢，但不顯著；O2-·產(chǎn)生速率則在試驗增溫處理后期顯著增加，可溶性蛋白含量顯著下降。這說明在處理第7天時，增加溫度使得SOD等抗氧化酶的活性增加，維持了細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，也維持了植物體內(nèi)的生理代謝平衡，因此膜脂過氧化的程度沒有增加，MDA含量有所降低，這與Shi et al.（2010）對多年生草本植物垂穗披堿草（Elymus nutans）的研究結(jié)果一致，適宜的增加溫度（1~2 ℃）能夠使得膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛的含量減少。但在處理第14天時，增溫處理導(dǎo)致的脅迫加速了活性氧的毒害作用，因此O2-·產(chǎn)生速率增加，導(dǎo)致MDA含量上升，此時的增溫生境導(dǎo)致的活性氧積累可能加速了蛋白質(zhì)的分解，因此可溶性蛋白含量下降顯著。

3.2 結(jié)論

增溫處理下美國薄荷葉片的Pn、Tr在處理第7天與對照相比顯著增加（P<0.05），ΦPSII、qP以及光合色素含量在處理第 14天較對照顯著降低（P<0.05）；處理第14天時，MDA、O2-·產(chǎn)生速率較對照顯著增加（P<0.05），可溶性蛋白含量則較對照顯著降低（P<0.05）。因此，處理第7天時增加溫度對植物表現(xiàn)出正效應(yīng)，促進(jìn)了薄荷葉片的生長及其光合作用，而處理第 14天時，長時間的增溫處理變成了一種脅迫，對美國薄荷的生長及其藥用和食用價值產(chǎn)生不利影響。另外，溫度升高對植物產(chǎn)生的影響長遠(yuǎn)且復(fù)雜，本試驗只研究了增溫對一種草本植物生理生態(tài)的影響，有一定的局限性；同時，在自然條件下，氣溫上升3 ℃可能需要上百年的時間歷程，而模擬增溫實驗在較短時間內(nèi)試驗了增溫效應(yīng)，忽略了植物對自然界氣候變化的長期適應(yīng)過程，因此植物對氣溫升高的最初響應(yīng)能否在長時間尺度上持續(xù)還需要進(jìn)一步驗證。此外，本研究僅模擬了大氣增溫一種環(huán)境因子對美國薄荷的影響，在增溫處理與其他因子（如光強、二氧化碳、高濃度臭氧、干旱脅迫、重金屬離子脅迫等）的復(fù)合作用對薄荷類草本植物的影響方面還有待開展進(jìn)一步深入研究。