洪志猛，夏思穎

(1. 福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 350012；2. 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002)

隨著全球氣候變暖，溫室效應(yīng)的不斷加劇，高溫極端天氣日趨嚴(yán)重。高溫脅迫對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致其生理生化反應(yīng)發(fā)生異常變化，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致植物死亡[1]。城市夏季的溫室效應(yīng)已經(jīng)成為制約綠化樹種生長(zhǎng)的主要環(huán)境因子[2]。近年來(lái)一些學(xué)者開展櫻花抗熱性研究。聶超仁等[3]對(duì)12個(gè)櫻花新品種耐熱性從強(qiáng)到弱依次為‘吉野垂枝’＞‘八重紅大島’＞ ‘御車返’＞‘琉球緋櫻’＞ ‘衣通姬’＞ ‘松月’＞ ‘染井吉野’＞ ‘八重紅枝垂’＞ ‘椿寒櫻’＞ ‘河津櫻’＞ ‘神代曙’＞ ‘獎(jiǎng)?wù)隆?。胡娜等[4]對(duì)4 種原生櫻花耐熱性研究表明，華中櫻Prunusconradinae耐熱性較強(qiáng)， 迎春櫻P.discoidea、福建山櫻P.campanulata次之，尾葉櫻P.dielsiana較弱。許學(xué)洪等[5]對(duì)熱帶北緣櫻花引種表明，‘廣州櫻’、‘中國(guó)紅’生長(zhǎng)好，‘日本晚櫻’適應(yīng)性差。相關(guān)研究主要集中于生長(zhǎng)適應(yīng)性觀測(cè)、細(xì)胞損傷率等研究，系統(tǒng)地從生理生化指標(biāo)開展櫻花耐熱性研究鮮有報(bào)道。

‘紅粉佳人’櫻花P.pseudocerasus×incisa，系中國(guó)櫻桃P.pseudocerasus與富士櫻P.incisa培育出來(lái)的特殊品種，顏色粉嫩，帶有淡淡的香味，十分特殊，花期2～3 月，原為臺(tái)灣武陵農(nóng)場(chǎng)獨(dú)特品種，素有武陵“櫻花皇后”之稱[6]。2014 年從臺(tái)灣引進(jìn)‘紅粉佳人’品種種植于海拔1100 m 的三明大田縣屏山鄉(xiāng)仙居山櫻花園基地，苗木長(zhǎng)勢(shì)良好，適應(yīng)性強(qiáng)。據(jù)觀測(cè)，在2018 年冬季極端低溫零下11～12 ℃條件下，櫻花樹不受凍，耐寒冷性強(qiáng)。近年來(lái)，‘紅粉佳人’因樹形美觀、觀賞效果好而廣泛推廣應(yīng)用于城市綠化和公園建設(shè)，城市高溫脅迫環(huán)境是影響‘紅粉佳人’推廣應(yīng)用效果的主要環(huán)境因子。為了探討其耐熱適應(yīng)性情況，本文對(duì)引進(jìn)‘紅粉佳人’品種開展高溫脅迫下生理響應(yīng)研究，為其在南方更大區(qū)域的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料來(lái)源于國(guó)家林業(yè)和草原局“948”項(xiàng)目大田縣屏山鄉(xiāng)引種試驗(yàn)基地，選擇培育1 年生生長(zhǎng)健壯、整齊一致的‘紅粉佳人’嫁接袋裝苗，嫁接砧木為臺(tái)灣緋寒櫻P.campanulata，袋裝苗容器袋規(guī)格10 cm×15 cm，容器袋材質(zhì)為無(wú)紡布育苗袋，苗高70 cm 左右。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為5 組，每組6 株。在光照強(qiáng)度10000 lx、相對(duì)濕度50%的人工氣候培養(yǎng)箱培養(yǎng)。培養(yǎng)箱溫度設(shè)置25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃等5 個(gè)溫度梯度，脅迫處理時(shí)間為2 h、4 h、6 h、8 h，不同溫度梯度均以25 ℃處理0 h 作為對(duì)照處理。從頂芽以下選取第5片幼葉測(cè)定生理指標(biāo)，重復(fù)3 次。

1.2 方法

參照孔祥生等[7]方法測(cè)定葉綠素含量，采用考馬斯亮藍(lán)法G-250 染色法測(cè)定可溶性蛋白含量[8]，硫代巴比妥酸(TBA)法測(cè)定丙二醛(MDA)含量，紫外吸收法測(cè)定過(guò)氧化氫酶(CAT)活性，抑制氮藍(lán)四唑(NBT)法測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性，可溶性糖含量測(cè)定均按照王學(xué)奎[9]的方法，過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定[10]。耐熱性指標(biāo)系數(shù)參照周廣生等[11]的方法計(jì)算，各個(gè)生理單項(xiàng)指標(biāo)的耐熱系數(shù)進(jìn)行主成分分析。

生理指標(biāo)耐熱系數(shù)(a)：a=各指標(biāo)測(cè)定值/對(duì)照測(cè)定值×100%

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析、顯著性差異檢驗(yàn)和主成分分析，利用Origin2018 軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫脅迫對(duì)‘紅粉佳人’葉片生理指標(biāo)的影響

2.1.1 葉綠素含量

從圖1 可見(jiàn)，隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，在溫度25 ℃條件下‘紅粉佳人’葉綠素含量呈下降趨勢(shì)，30 ℃、35 ℃處理則葉綠素含量不降反增，40 ℃處理葉綠素含量是先降后升，最高值是最低值的1.2 倍。45 ℃脅迫處理2 h，葉綠素含量達(dá)最高值2.412 mg·g-1，是25 ℃脅迫2 h 的2.05 倍。45 ℃脅迫處理2 h、4 h、6 h、8 h 分別比25 ℃對(duì)應(yīng)脅迫時(shí)間的值增加105%、39.58%、75.91%和69.24%；45 ℃脅迫處理的葉綠素含量反而增加?？傮w來(lái)說(shuō)，高溫脅迫下‘紅粉佳人’葉綠素含量隨著溫度升高，呈現(xiàn)先下降后增長(zhǎng)的趨勢(shì)，除25 ℃外，同一溫度處理隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)葉綠素含量有顯著變化。

圖1 高溫脅迫對(duì)‘紅粉佳人’葉綠素含量的影響Fig. 1 Effects of high temperature stress on chlorophyll contents of Prunus pseudocerasus × incisa

2.1.2 可溶性蛋白含量

從圖2 可以看出，處理6 h 后，隨著脅迫溫度提升，可溶性蛋白含量呈先升后降的趨勢(shì)。30 ℃脅迫處理6 h 可溶性蛋白含量達(dá)最高值1.748 mg·g-1，是25 ℃、35 ℃處理6 h 的1.51 倍和1.41 倍。45 ℃高溫脅迫處理2 h、4 h、6 h、8 h 可溶性蛋白含量?jī)H占25 ℃相對(duì)應(yīng)脅迫處理時(shí)間的55.66%、68.74%、55.63%、56.38%，降低近一半，可見(jiàn)高溫脅迫對(duì)可溶性蛋白影響較大。

圖2 高溫脅迫對(duì)‘紅粉佳人’可溶性蛋白含量的影響Fig. 2 Effects of high temperature stress on soluble protein contents of Prunus pseudocerasus × incisa

2.1.3 MDA 含量

從圖3 可以看出，在25 ℃和30 ℃處理下，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，‘紅粉佳人’MDA 含量先增加后下降，分別在6 h、4 h 達(dá)到峰值而后下降，峰值是比對(duì)照增加24.41%、31.50%。當(dāng)溫度達(dá)35 ℃以上，隨則脅迫溫度升高，MDA 含量變化不大，45 ℃脅迫處理 2 h，MDA 含量達(dá)到最高，為0.191 μmol·g-1，比25 ℃脅迫處理2 h 增加38.41%。從整體上來(lái)看，隨著脅迫溫度的升高，MDA 含量呈先增加后下降的趨勢(shì)，同一溫度不同處理時(shí)間也均存在一定的差異。

圖3 高溫脅迫對(duì)‘紅粉佳人’MDA 含量的影響Fig. 3 Effects of high temperature stress on MDA contents of Prunus pseudocerasus × incisa

2.1.4 CAT 活性

溫度脅迫處理對(duì)‘紅粉佳人’CAT 影響如圖4所示。隨著脅迫溫度的升高，在處理4 h 時(shí)，CAT活性呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)；在處理6 h 時(shí)，35 ℃、40 ℃條件下的CAT 活性達(dá)到高峰，45 ℃的CAT 活性相對(duì)于40 ℃有所下降。同一溫度下隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)CAT 活性大致呈先升高后下降的趨勢(shì)。45 ℃處理2 h、4 h、6 h、8 h 比25 ℃對(duì)應(yīng)時(shí)間處理的值增加14.38%、39.04%、1.69%、19.08%?？傮w來(lái)說(shuō)，高溫脅迫下CAT 活性增強(qiáng)。

圖4 高溫脅迫對(duì)‘紅粉佳人’CAT 活性的影響Fig. 4 Effects of high temperature stress on CAT activities in Prunus pseudocerasus × incisa

2.1.5 POD 活性

從圖5 可看出，POD 隨著溫度的增加而增加，45 ℃高溫脅迫處理2 h、4 h、6 h、8 h 是25 ℃對(duì)應(yīng)脅迫時(shí)間的3.92 倍、1.80 倍、1.03 倍、1.17 倍。同一溫度的隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)均呈現(xiàn)顯著差異性。總體上，溫度脅迫提高‘紅粉佳人’POD 活性。

圖5 高溫脅迫對(duì)‘紅粉佳人’POD 活性的影響Fig. 5 Effects of high temperature stress on POD activities of Prunus pseudocerasus × incisa

2.1.6 SOD 活性

在不同溫度處理下，SOD 活性隨時(shí)間變化的趨勢(shì)有所差異(圖6)。在40 ℃范圍內(nèi)，SOD 活性隨時(shí)間變化波動(dòng)上升，45 ℃高溫脅迫下SOD 活性顯著增強(qiáng)，并在處理6 h 時(shí)達(dá)高峰，是對(duì)照的1.3 倍，隨后顯著下降。40 ℃條件下，SOD 活性在處理4 h 時(shí)達(dá)最低，僅為對(duì)照的84.23%。從SOD 活性來(lái)看，‘紅粉佳人’在40 ℃以上高溫時(shí)出現(xiàn)異常變化。

2.1.7 可溶性糖含量

從可溶性糖含量變化來(lái)看(圖7)，隨著脅迫溫度的升高，可溶性榶含量呈先下降再升高的現(xiàn)象。40℃達(dá)到最低值，40 ℃脅迫處理2 h、4 h、6 h、8 h的可溶性糖含量分別為 25 ℃相應(yīng)處理時(shí)間的46.31%、27.67%、68.73%、55.88%，最低值為40 ℃脅迫處理4 h，僅為對(duì)照的32.48%。45 ℃高溫脅迫下可溶性糖含量呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，45 ℃脅迫8 h 的可溶性糖含量為1.787 mg·g-1，是40 ℃脅迫8 h 值為1.026 mg·g-1的1.74 倍。在同一溫度下，可溶性糖含量隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)均存在顯著性差異(P＜0.05)。

圖7 高溫脅迫對(duì)‘紅粉佳人’可溶性糖含量的影響Fig. 7 Effects of high temperature stress on soluble sugar contents of Prunus pseudocerasus × incisa

2.2 生理指標(biāo)的主成分分析

依據(jù)主成分分析法將7 項(xiàng)生理指標(biāo)的耐熱性系數(shù)轉(zhuǎn)換成7 個(gè)主成分，按照累積貢獻(xiàn)率≥80%的標(biāo)準(zhǔn)提取主成分作為‘紅粉佳人’耐熱性的綜合指標(biāo)。前4 個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為36.80%、24.21%、13.82%和8.54%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)83.37%。各指標(biāo)的特征值如表2 所示。提取的4 個(gè)主成分(Y1、Y2、Y3和Y4)、X1～X7分別表示7 個(gè)生理指標(biāo)，各指標(biāo)特征向量為系數(shù)[11]，建立4 個(gè)主成分的函數(shù)關(guān)系式：

Y1=0.678X1-0.627X2+0.547X3+0.515X4+0.770X5+0.171X6-0.733X7

Y2=0.354X1+0.402X2+0.568X3-0.491X4+0.190X5+0.782X6+0.443X7

Y3=-0.311X1+0.564X2+0.355X3+0.487X4+0.331X5-0.253X6+0.125X7

Y4=0.283X1-0.130X2+0.083X3-0.229X4+0.200X5-0.519X6+0.363X7

主成分的特征向量值越大，其單項(xiàng)生理指標(biāo)對(duì)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)值也越大[13]。從表1 的各指標(biāo)分析得知，高溫脅迫‘紅粉佳人’耐熱性評(píng)價(jià)第1 主成分中貢獻(xiàn)最大是POD 值活性，為0.770，其次是葉綠素含量，特征向量值為0.678，體現(xiàn)出高溫脅迫下首先植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)受到破壞、過(guò)氧化物增加，植物啟動(dòng)抗氧化酶系統(tǒng)維持體內(nèi)平衡；第2 主成分中SOD 活性貢獻(xiàn)最大，為0.782，其次是MDA 含量，主要是細(xì)胞保護(hù)酶系統(tǒng)，消除過(guò)氧化物維護(hù)細(xì)胞體內(nèi)機(jī)體平衡；第3 主成分可溶性蛋白最大，其次是CAT 含量，主要是細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)和抗氧化系統(tǒng)保護(hù)；第4 主成分可溶性糖特征向量最大，主要反應(yīng)植物滲透調(diào)節(jié)能力[14]。

表1 生理指標(biāo)的主成分分析Table 1 Principal component analysis of physiological biochemical indexes

3 結(jié)論與討論

葉綠素作為光合作用的重要色素，其含量變化反映植物抗逆能力[15]。一般認(rèn)為，高溫脅迫導(dǎo)致葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞，葉綠素含量顯著減少，植株光合效率低下[16—17]。而本研究表明，較長(zhǎng)時(shí)間高溫促進(jìn)‘紅粉佳人’葉綠素含量顯著升高，雖然35 ℃、40 ℃脅迫處理2 h、4 h 時(shí)葉綠素含量減少，但處理6 h、8 h 時(shí)葉綠素含量增多，在45 ℃脅迫狀態(tài)下葉綠素含量反而增加并達(dá)到最高值。可見(jiàn)，‘紅粉佳人’抗熱性較強(qiáng)，能較好適應(yīng)高溫環(huán)境。此外，高溫脅迫使植物葉片相對(duì)含水量降低，葉片生長(zhǎng)受阻，葉面積減小，以致單位面積的葉綠素含量升高[18]。

丙二醛(MDA)是膜脂過(guò)氧化最重要的產(chǎn)物之一。本研究表明，隨著脅迫處理時(shí)間延長(zhǎng)，‘紅粉佳人’MDA 含量先增加而后下降，同一溫度的不同處理時(shí)間也均呈現(xiàn)顯著性差異，但除35 ℃脅迫處理8 h 達(dá)到最高值外，其余同一溫度隨著脅迫處理時(shí)間的延長(zhǎng)MDA 含量均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。因此，從MDA 含量的變化來(lái)看，‘紅粉佳人’可在一定范圍內(nèi)耐受較高溫度環(huán)境，具有一定的抗熱性。

植物通過(guò)自我調(diào)節(jié)滲透物質(zhì)含量提高應(yīng)對(duì)外界環(huán)境脅迫的能力[19—20]，主要是調(diào)節(jié)自身可溶性蛋白和可溶性糖含量來(lái)穩(wěn)定細(xì)胞內(nèi)環(huán)境[21]。隨著脅迫溫度升高，‘紅粉佳人’葉片可溶性蛋白呈現(xiàn)先升后降、的現(xiàn)象，這與鄭宇等[2]、楊煒茹等[22]研究成果相致。‘紅粉佳人’在應(yīng)對(duì)外界環(huán)境變化時(shí)，首先是提高自身的滲透物質(zhì)含量來(lái)維持細(xì)胞平衡，應(yīng)對(duì)外界不利環(huán)境。隨后可溶性蛋白含量下降可能與‘紅粉佳人’自身基因抗熱性有關(guān)[21]?？扇苄蕴堑姆e累則呈現(xiàn)先下降再升高的變化趨勢(shì)?！t粉佳人’引種于臺(tái)灣，長(zhǎng)期適應(yīng)于低緯度環(huán)境，雖然在大田縣屏山鄉(xiāng)海拔1100 m 生長(zhǎng)良好，但其抗熱性較強(qiáng)，這與聶仁等[3]對(duì)12 個(gè)櫻花新品種耐熱性LT50 均達(dá)到57 ℃以上的結(jié)論相一致。45 ℃脅迫處理下其可溶性糖增加是為適應(yīng)高溫脅迫環(huán)境而自身提升調(diào)節(jié)免疫。

植物在高溫脅迫環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的活性氧，對(duì)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的造成破壞[23]。由CAT、POD、SOD等構(gòu)成抗氧化酶系統(tǒng)，能消除活性氧的危害，有效保護(hù)細(xì)胞維持正常生理過(guò)程。在高溫脅迫下，‘紅粉佳人’的CAT、POD、SOD 等抗氧化酶均得到顯著提高，表明植物體在受到外界環(huán)境脅迫時(shí)，能夠迅速提升自身的防御能力，保持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。但隨著脅迫溫度的升高，CAT、SOD 等值均呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明‘紅粉佳人’具有較強(qiáng)的抗熱性，能夠應(yīng)對(duì)外界溫度的變化。通過(guò)對(duì)生理指標(biāo)耐熱性系數(shù)進(jìn)行主成分分析，POD 活性、葉綠素、SOD含量、可溶性蛋白和可溶性糖是影響高溫脅迫的主導(dǎo)指標(biāo)。