徐娜婷，劉玉民，劉亞敏，何丙輝

（西南大學資源環(huán)境學院 西南大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400715）

溫度是影響植物生長的重要生態(tài)因子，植物正常的生長發(fā)育及生理、生態(tài)特性總是和適宜的溫度條件聯(lián)系在一起的，溫度不僅影響植物對水分和礦質的吸收，而且影響物質的合成、轉化與分配，進而影響植物細胞的分化與伸長［1］。莫億偉等［2］對柱花草（Stylasanthes guianensis）研究發(fā)現(xiàn)，在溫度、降水量和日照3個氣象因子中，溫度因子對其生長和產(chǎn)量的影響最大。高溫脅迫會使植物的正常生理代謝受到抑制，產(chǎn)生細胞結構、生理生化過程等一系列變化，這是植物對脅迫信號感受、傳導和適應的結果，也是植物抗高溫的基礎［3］。同時，植物有各種調控防御機制，以應對高溫脅迫的有害影響［4］。特別是在非致命性的脅迫條件下，植物可能會調整自身壓力條件。研究表明，植物葉綠素含量在很大程度上反映了植株的生長狀況和光合能力，類胡蘿卜素在細胞內可吸收剩余能量，淬滅活性氧，從而防止膜脂過氧化［5］，而高溫可導致植物體內光合色素的改變，影響植物的光合作用；丙二醛（MDA）是自由基作用于脂質發(fā)生過氧化反應的產(chǎn)物，高溫可使植物體內MDA大量積累，破壞活性氧產(chǎn)生與清除之間的平衡，引起膜蛋白與膜內脂的變化，對植物造成高溫傷害［6］；脯氨酸（Pro）不僅是植物細胞質內滲透調節(jié)物質，還在穩(wěn)定生物大分子結構、降低細胞酸性、解除氨毒以及作為能量庫調節(jié)細胞氧化還原勢等方面起重要作用［7］，高溫能抑制脯氨酸參與蛋白質的合成作用，造成Pro在植物體內大量積累，使植物體內脯氨酸的含量顯著增加［8］；植物體具有的SOD、CAT等抗氧化酶保護系統(tǒng)可在一定范圍內清除活性氧以維持體內自由基代謝的動態(tài)平衡，降低膜脂過氧化，保護膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高植物的耐熱性［9］。

紫串（譯名）（Scaevola albida ‘Mauve Clusters’）屬草海桐科草海桐屬植物，原產(chǎn)于澳大利亞，是一種優(yōu)良的多年生觀賞花卉，具有生長快、適應性較強、易養(yǎng)護、花量大、花期長、花形美觀、顏色鮮艷等特點，多應用于地被植物、吊蘭和花床。國外研究顯示［10］，低溫條件下草海桐屬植物葉片會受到損害，大多數(shù)種類在0℃左右的溫度下能夠存活。但對于高溫條件下植株的形態(tài)和生理變化，尤其是紫串未見報道。2006年由國家林業(yè)局“948”項目引種到我國的重慶進行適應性栽植，由于原產(chǎn)地的環(huán)境條件與我國的差異較大，尤其是我國南方夏季的持續(xù)高溫制約紫串的正常生長，但高溫對其傷害機制尚不清楚，因此開展紫串在我國的生理適應性研究對于引種及資源評價具有重要意義。本試驗根據(jù)多年重慶氣溫的變化情況，通過設置不同的溫度梯度，研究了紫串在各種溫度條件下的生理生化變化趨勢，以揭示其對高溫的生理適應機制，并為紫串引種地的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料來源

試驗材料為2006年從澳大利亞引進的紫串植株，在西南大學實驗農(nóng)場進行擴繁栽培。于2010年11月選取健康且生長一致的紫串枝條在西南大學溫室內進行扦插，扦插基質為1紫色土∶1珍珠巖∶2腐殖質，成活后對扦插苗進行常規(guī)管理，管理技術一致。2011年4月選取生長一致的紫串扦插苗進行溫度脅迫試驗。

1.2 試驗設計

根據(jù)重慶市的氣象研究資料，46年來重慶市最高氣溫達到43℃，6－8月的平均晝夜溫差8～9℃［11］。因此本研究設定的處理溫度為45℃／34℃（晝／夜）、40℃／30℃、35℃／27℃，以25℃／22℃作對照，所有處理每天均為10h光照／14h黑暗。2011年4月開始進行高溫處理試驗，每個處理均隨機選取扦插苗30株，采用RXZ智能PQX多段人工氣候箱對其進行持續(xù)高溫處理?？刂迫斯夂蛳涞目諝鉂穸龋?0±10）%，光照強度100μmol／（m2·s），水分補給情況一致。分別于處理1，2和3d后觀察植株受害情況，并測定葉片的各項生理指標（從第2片起采葉片，同一測定指標取同一序號的葉片），所有指標均重復測定3次。

1.3 測定方法

受害指數(shù)：受害指數(shù)（%）＝∑（各級株數(shù)×級數(shù)）／（最高級數(shù)×總株樹）×100%［7］。受害程度分5級，0級：無受害癥狀；1級：1～2片葉變黃；2級：全部葉變黃；3級：1～2片葉萎蔫；4級：整株萎蔫枯死。

相關生理指標測定：采用比色法測定葉綠素和類胡蘿卜素含量［12］；酸性茚三酮比色法測定脯氨酸含量［13］；TBA比色法測定MDA含量［14］；NBT光還原法測定SOD活性［12］，以抑制NBT光化還原的50%為1個酶活性單位（U）；紫外吸收法測定CAT活性［12］，以1min內OD240減少0.1的酶量為1個酶活性單位（U）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 17.0進行方差分析和相關分析，運用最小極差法分析顯著性，采用Excel 2003繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 高溫脅迫對紫串形態(tài)特征的影響

高溫脅迫對紫串的形態(tài)特征產(chǎn)生了一定的影響（表1），隨著脅迫溫度的升高，紫串受害指數(shù)逐漸增大。35℃高溫處理時，紫串植株生長良好，其受害指數(shù)隨時間變化不顯著；40℃高溫處理時，隨著脅迫時間的延長，受害指數(shù)逐漸增大，40℃高溫脅迫3d有50%植株葉片變黃，30%植株葉片卷曲、皺縮、變軟，解除脅迫10d后，所有植株都能夠完成自我恢復；45℃高溫處理時，紫串植株受害指數(shù)顯著高于對照，表現(xiàn)明顯的熱害癥狀，處理3d后只有45%的植株可通過自身調節(jié)而繼續(xù)存活，55%植株萎蔫甚至死亡，解除脅迫10d后，多數(shù)植株能夠完成恢復，僅有少數(shù)植株死亡。

表1 高溫脅迫對受害指數(shù)的影響（平均值±標準誤）Table 1 Effects of high temperature on injury indices（mean±SE） %

2.2 高溫脅迫對紫串光合色素含量的影響

高溫脅迫過程中紫串葉片葉綠素和類胡蘿卜素含量呈規(guī)律性變化，隨脅迫溫度升高，葉綠素含量逐漸下降，且隨脅迫時間延長下降程度越大，隨脅迫溫度升高類胡蘿卜素含量也呈下降趨勢（表2）。與對照相比，在35℃處理區(qū)葉綠素和類胡蘿卜素含量略有減少；在40℃處理區(qū)葉綠素和類胡蘿卜素含量均與對照差異顯著（P＜0.05）；在45℃處理區(qū)葉綠素含量顯著減少，處理1～3d后分別降為對照的59.11%，55.71%，45.8%；高溫脅迫下，葉綠素a／b值逐漸下降，Car／Chl值逐漸上升。

表2 高溫脅迫對光合色素含量的影響（平均值±標準誤）Table 2 Effects of high temperature on photosynthetic pigment contents（mean±SE）

2.3 高溫脅迫對紫串丙二醛含量的影響

隨高溫脅迫水平的加強，丙二醛含量呈現(xiàn)微增－急劇增加－緩慢減少的趨勢（圖1）。35℃與40℃處理區(qū)變化趨勢基本一致，處理1d后與對照差異不顯著，處理2～3d后，MDA含量加速累積，均與對照差異顯著；在45℃處理區(qū)，處理1d后，丙二醛含量顯著增加并達到最大值，為對照的2.6倍，處理2～3d后，其含量略有降低但仍高于對照，分別為對照的2.0和1.9倍。這可能是由于MDA與細胞內成分發(fā)生反應引起的。

2.4 高溫脅迫對紫串脯氨酸含量的影響

在高溫脅迫環(huán)境下，隨著處理溫度的升高紫串葉片中脯氨酸含量呈逐漸增加的趨勢（圖2）。在35℃高溫條件下，脯氨酸含量與對照相比略有增加，但變化不顯著；在40℃高溫條件下，脯氨酸含量與對照相比有顯著增加；在35℃和40℃高溫條件下，隨脅迫時間的延長脯氨酸含量均呈逐漸增加的趨勢，由于脯氨酸在體內的積累有防止細胞脫水的作用，在一定程度上提高了紫串對高溫的抵抗能力，這有利于其對高溫環(huán)境的適應；在45℃高溫條件下，紫串葉片中脯氨酸含量顯著高于其他溫度條件的值，但隨脅迫時間的延長脯氨酸含量有先升后降的趨勢，45℃處理2d后急劇升到最大值，為對照的4.15倍，處理3d后略有下降，可能是因為長時間的高溫脅迫已超出了紫串的自我調節(jié)能力，植物組織代謝遭到了破壞。

2.5 高溫脅迫對紫串SOD活性的影響

高溫脅迫條件下，紫串體內SOD活性隨脅迫溫度升高和脅迫時間的延長均呈上升趨勢，但增幅較?。▓D3）。在35℃和40℃處理區(qū)，SOD活性隨時間變化的趨勢基本一致且差異不顯著，但均與對照差異顯著，45℃短時間（1d）處理時與35℃和40℃處理時的結果一致，無顯著差異，長時間處理時SOD活性顯著高于其他處理溫度的值，SOD活性隨脅迫時間延長持續(xù)升高，處理3d后SOD活性達到最大，為對照的1.5倍。

2.6 高溫脅迫對紫串CAT活性的影響

CAT活性隨處理溫度的加強呈先上升后下降的趨勢（圖4）。在35℃處理區(qū)，處理1d后CAT活性變化不明顯，處理2～3d后其活性升高，均與對照差異顯著；在40℃處理區(qū)，處理2d后CAT活性達到最大值，為對照的1.2倍；在45℃處理區(qū)，CAT活性急劇下降，處理2～3d后分別降為對照的68.13%，54.96%，可能是由于長持續(xù)高溫造成了CAT的快速分解。

2.7 相關分析

各生理指標的相關性分析顯示（表3），葉綠素與類胡蘿卜素呈極顯著正相關，葉綠素與Pro、SOD和MDA呈極顯著負相關，Pro、SOD與 MDA呈極顯著正相關。另外，葉綠素、CAT與受害指數(shù)呈極顯著負相關，MDA、Pro、SOD與受害指數(shù)呈極顯著正相關。這些表明，紫串的生理指標間存在極顯著的相關關系，高溫脅迫過程中各生理指標相互協(xié)同。高溫脅迫抑制了紫串葉綠素、類胡蘿卜素的生成，誘導產(chǎn)生了Pro、MDA、SOD和CAT應對脅迫環(huán)境。

圖1 高溫脅迫對丙二醛含量影響（平均值±標準誤）Fig.1 Effects of high temperature on contents of MDA（mean±SE）

圖2 高溫脅迫對脯氨酸含量影響（平均值±標準誤）Fig.2 Effects of high temperature on contents of Pro（mean±SE）

圖3 高溫脅迫對SOD活性的影響（平均值±標準誤）Fig.3 Effects of high temperature on SOD activities（mean±SE）

圖4 高溫脅迫對CAT活性的影響（平均值±標準誤）Fig.4 Effects of high temperature on CAT activities（mean±SE）

表3 高溫脅迫下紫串各生理生化指標相關性分析Table 3 Correlation between physiological and biochemical indices in Mauve Clusters leaves under high temperature stresses

3 討論

受害指數(shù)是反應植株受傷害程度的指標之一，受害指數(shù)越高，植株所受傷害越大。本試驗中，高溫對紫串的傷害均隨處理的加強而加重。一定程度的短暫高溫對紫串長勢沒有明顯影響，較嚴重的高溫脅迫對紫串造成一定傷害，可以通過自我調節(jié)進行恢復，但當高溫脅迫水平達到紫串的耐受極限時，便不能自我恢復而死亡。

植物體內光合色素是光合作用的物質基礎，光合作用是植物能量代謝和物質轉換的關鍵，高溫逆境對其影響很大。本試驗高溫脅迫下，葉綠素含量明顯下降，其可能原因一方面是高溫脅迫抑制了葉綠素的合成，另一方面高溫脅迫引起活性氧的累積，加速了葉綠素的降解。Car／Chl值的升高說明高溫脅迫刺激類胡蘿卜素的合成以對機體形成保護。高溫導致Chl a／Chl b降低，主要是由于葉綠素a受高溫影響大，下降的幅度大，而葉綠素b所受影響相對較小，這種葉綠素a和葉綠素b含量下降的不平衡性，必然導致葉片光合作用的降低，這與張桂蓮等［15］的研究結果相同。

MDA是膜脂過氧化作用的最終產(chǎn)物，是細胞膜損害程度的指示物質，其含量可以反映細胞膜脂質過氧化程度和植物對逆境條件反應的強弱［16］。MDA能與蛋白質結合引起膜蛋白的變性，從而直接影響膜的流動性和透性，對植物產(chǎn)生傷害［17］。紫串在高溫處理下葉片中MDA均有累積，且隨高溫脅迫水平的加強累積增多，MDA含量持續(xù)上升，表明膜質過氧化程度加強，植物細胞膜受到了嚴重的高溫傷害。Pro含量的增加與膜脂過氧化作用也有很大關系，Pro可作為細胞質的滲透調節(jié)物質及能量庫調節(jié)細胞氧化還原勢，對細胞內保水和清除活性氧具有一定影響［18］。本試驗在一定溫度范圍內（45℃以下），游離脯氨酸的積累與脅迫強度呈正相關。溫度脅迫條件（35℃處理區(qū)）越弱，體內脯氨酸積累就越慢，溫度脅迫條件越強（40℃處理區(qū)，45℃處理），體內脯氨酸積累越快。但持續(xù)強度高溫脅迫（45℃脅迫3d后）會超出紫串耐受極限，反而引起體內脯氨酸積累下降。

抗氧化防御機制是植物對高溫逆境的適應，其強弱與耐熱性的高低有很大的關系［19］。超氧化物歧化酶（SOD）具有特殊的生理活性，它具有較強的清除活性氧、保護細胞膜透性的作用［20］；過氧化氫酶（CAT）能消除植物體內由光呼吸形成的過多的H2O2，以維持植物體內的H2O2處在一個低濃度水平；CAT和SOD結合起來可以把有害的超氧陰離子自由基和H2O2轉化成無毒的H2O和O2，從而防止活性氧引起的膜質過氧化及其他傷害［21］。本試驗中，隨高溫脅迫的增強紫串植株中SOD活性逐漸升高，這是紫串應對高溫脅迫的一種自我響應機制，是為緩解高溫脅迫時因超氧自由基增加而造成對植株的傷害；低強度的高溫脅迫時（35℃和40℃），CAT活性隨脅迫時間延長而升高，是為了清除SOD反應過程中產(chǎn)生的H2O2，也是應對高溫脅迫的一種自我調節(jié)反應，但高強度的高溫脅迫時（45℃），CAT活性隨脅迫時間延長而急劇下降，表明紫串的自我調節(jié)能力是有限的。在持續(xù)高溫環(huán)境中（45℃處理3d），紫串自身對活性氧自由基和H2O2的清除能力均有所下降，對熱脅迫可能缺乏有效的保護機制，導致體內活性氧代謝失調，引起自由基的積累，加劇了細胞膜脂過氧化作用。因此，高溫脅迫對紫串的傷害可能與植株體內活性氧代謝失調有關。

高溫可導致植物體內活性氧自由基大量產(chǎn)生，破壞葉內自由基的產(chǎn)生與清除的動態(tài)平衡關系，活性氧大量增加又可使膜脂過氧化作用加劇，導致膜結構和功能的破壞，從而影響到葉片的生理生化機能，因此，用單一耐熱指標難以判斷植物對高溫的綜合適應力。高溫環(huán)境中紫串通過自身MDA、Pro含量、SOD和CAT活性的動態(tài)變化，在一定程度上維持了光和色素的穩(wěn)定，保護了細胞膜質的完整性，清除了體內過量的超氧自由基和H2O2，減輕了高溫對植物的傷害，這是紫串適應高溫環(huán)境的重要調節(jié)機制；MDA、Pro含量、SOD和CAT活性與紫串的受害指數(shù)均有顯著的相關性，這些都可作為判定紫串耐熱性的重要生理指標。

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