趙 偉 ,鄧 敏 ,戴錫玲 ,李謙盛
(1.上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200234;2.上海辰山植物園 中國(guó)科學(xué)院上海辰山植物科學(xué)研究中心,上海 201602;3上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 生態(tài)技術(shù)與工程學(xué)院,上海 201418)
煙葉唇柱苣苔Chirita heterotrichaMerr.為苦苣苔科Gesneriaceae唇柱苣苔屬Chirita的一種多年生草本植物,為我國(guó)海南省特有種,分布于瓊中、瓊海、保亭、三亞、白沙、東方等地,生于海拔400~600m的山谷林中或溪邊石上[1]。煙葉唇柱苣苔株高葉大,花色多樣(有藍(lán)紫色和白色)而艷麗,具有較高的觀賞價(jià)值[2-3];同時(shí)全株可入藥,具有補(bǔ)腎虛、止血、止咳、除濕等功效[4]。人類活動(dòng)的干擾及森林資源的破壞導(dǎo)致了苦苣苔科植物生境的破壞;同時(shí)因?yàn)樵撝参镔Y源存在藥用價(jià)值,故存在掠奪性挖掘,這又使得其種群數(shù)量減少、分布區(qū)域變窄[5],因此,開(kāi)展引種和人工繁殖栽培可有效保護(hù)和利用這一珍貴的植物資源。
目前,對(duì)苦苣苔科植物的研究主要集中于分類、系統(tǒng)進(jìn)化、花粉形態(tài)和發(fā)育和活性成分分析等方面[6-7],而對(duì)其繁育和生理、引種和栽培等方面的研究報(bào)道卻有限。近年來(lái),苦苣苔科植物已成為新興的觀賞植物資源,其觀賞價(jià)值逐漸為人們所認(rèn)識(shí),有關(guān)其人工繁殖栽培等方面的研究工作也日益被人們關(guān)注。唇柱苣苔屬主要通過(guò)組織培養(yǎng)和扦插進(jìn)行無(wú)性繁殖,已有包括唇柱苣苔屬在內(nèi)的多種苦苣苔科植物的組織培養(yǎng)快速繁殖技術(shù)研究獲得了成功,這為苦苣苔科植物的繁育和可持續(xù)利用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[8];也有多種關(guān)于利用唇柱苣苔屬植物葉片進(jìn)行扦插繁殖的研究報(bào)道[9-10];而利用種子繁殖的研究?jī)H見(jiàn)于線葉唇柱苣苔C.linearifoliaW.T.Wang[11]。但是,有關(guān)唇柱苣苔屬植物生理學(xué)方面的研究報(bào)道卻很少,僅有菱葉唇柱苣苔C.subrhomboideaW.T.Wang[12]和桂林唇柱苣苔C.gueilinensisW.T.Wang的光合特性[13]和牛耳朵C.eburneaHance的低溫脅迫生理響應(yīng)[14]的研究報(bào)道。目前,已有對(duì)煙葉唇柱苣苔的組培快繁技術(shù)[15]、藥用價(jià)值[16]和花的發(fā)育機(jī)理[17-18]等方面的研究報(bào)道,卻未見(jiàn)有對(duì)其栽培生理方面的研究報(bào)道。多數(shù)苦苣苔科植物喜生于巖壁中性和酸性土壤,在栽培中需要選擇60%~70%遮陰的溫暖濕潤(rùn)環(huán)境,最適于其生長(zhǎng)的溫度條件一般為夜間16~18℃、白天27~30℃[19]。為了探明煙葉唇柱苣苔的高溫半致死溫度和高溫脅迫對(duì)其生理代謝的影響情況,本文利用組培繁殖得到的煙葉唇柱苣苔幼苗為材料,測(cè)定離體條件下煙葉唇柱苣苔葉片組織在系列高溫脅迫處理下電解質(zhì)滲出率的變化曲線,利用Logistic方程擬合并計(jì)算出煙葉唇柱苣苔的高溫半致死溫度(LT50),并以LT50作為脅迫溫度處理煙葉唇柱苣苔植株,然后分析了葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)活性以及脯氨酸(Pro)、丙二醛(MDA)含量等生理指標(biāo)的變化趨勢(shì),旨在為煙葉唇柱苣苔的園藝栽培提供基礎(chǔ)資料。
將野外采集于海南昌江(19°06′44″N、109°10′48″E,海拔 876m,樣本編號(hào)為DM2209)的煙葉唇柱苣苔活體植株引種栽培于上海辰山植物園的溫室內(nèi),引種成活后取其葉片作為外植體進(jìn)行組織培養(yǎng),當(dāng)組培苗長(zhǎng)至3cm高時(shí),將其移栽至長(zhǎng)與寬均為7cm、高為8cm的方形塑料花盆中,在加蓋保濕的育苗盒內(nèi)馴化成活后,置于上海辰山植物園科研中心的溫室中栽培5個(gè)月后選取長(zhǎng)勢(shì)大小基本一致的植株進(jìn)行試驗(yàn)。
選取長(zhǎng)勢(shì)良好的植株,選取從其基部數(shù)起的第3片完全展開(kāi)的成熟葉片,用去離子水洗凈,并用吸水紙吸干其表面的水滴,然后用直徑為6mm的打孔器避開(kāi)葉脈取葉圓片,隨機(jī)取4個(gè)葉圓片放入盛有10mL去離子水(電導(dǎo)率<0.1 μS/cm)的試管中,于真空干燥器中用真空泵抽氣8min,使葉圓片沉入水中,并使其分別在30、35、40、45、50、55、60、65、70℃的恒溫水浴鍋中保持20min,取出靜置冷卻2h;用電導(dǎo)率儀測(cè)定電導(dǎo)率(REC1)后再全部放入100℃沸水浴中15min,殺死植物組織,取出冷卻后在室溫下測(cè)定電導(dǎo)率(REC2)[20],重復(fù)3次。電解質(zhì)滲出率的計(jì)算公式如下:
電解質(zhì)滲出率=REC1/REC2×100%。
使用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS19.0擬合logistic方程:
式中:y表示電解質(zhì)滲出率(%),x表示處理溫度,e為自然對(duì)數(shù)函數(shù)的底數(shù),r為相對(duì)電導(dǎo)率飽和值,為100%,故取固定值100;a、b均為方程參數(shù)。
拐點(diǎn)即半致死溫度LT50= (lna)/b[21-22]。
將植株澆水充分后放進(jìn)光合有效輻射為40μmol·m-2s-1、溫度為25℃、濕度為70%、光照時(shí)間為16h的人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行適應(yīng)性培養(yǎng),培養(yǎng)7d后,將溫度調(diào)為按上述方法測(cè)定的高溫半致死溫度LT50,其余條件不變,每隔8h澆水1次,分別處理0、8、16、24、32、40、48、60h后,選取自基部數(shù)起的第3和第4片葉子進(jìn)行各項(xiàng)生理指標(biāo)的測(cè)定,每個(gè)處理重復(fù)5次。
采用抑制氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法[23]測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈創(chuàng)木酚法[24]測(cè)定過(guò)氧化物酶(POD)活性;采用硫代巴比妥酸法[25]測(cè)定丙二醛(MDA)含量;采用酸性茚三酮比色法[26]測(cè)定游離脯氨酸(Pro)含量。
不同溫度處理下煙葉唇柱苣苔的電解質(zhì)滲出率如圖1。由圖1可知,電解質(zhì)滲出率隨著溫度的升高逐漸增加,于60℃下處理后其增幅趨于平緩。曲線擬合得到的logistic方程為:
y=100/(1+17.967e-0.068x),擬合度R2=0.962,高溫半致死溫度LT50=42.3℃。
圖1 不同溫度處理下煙葉唇柱苣苔的電解質(zhì)滲出率Fig.1 Electrolyte leakage rates in C.heterotricha under different temperatures
不同LT50處理時(shí)間后煙葉唇柱苣苔SOD活性的變化曲線如圖2所示。在LT50溫度下,SOD活性呈先上升后下降的變化趨勢(shì),在以LT50溫度處理0~8h后快速上升,而處理8~16h又趨于平緩,SOD活性達(dá)到最大,處理16h后SOD活性卻明顯快速下降。
不同LT50處理時(shí)間后煙葉唇柱苣苔POD活性的變化曲線如圖3所示。在LT50脅迫下,POD活性在以LT50溫度處理0~24h時(shí)快速上升,處理24h時(shí)達(dá)到最大值,而后又急劇下降,且在處理48h后降到低于處理前的水平。
不同LT50處理時(shí)間后煙葉唇柱苣苔MDA含量的變化曲線如圖4所示。在LT50脅迫下,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),MDA含量呈持續(xù)上升的變化趨勢(shì),在以LT50溫度處理0~8h時(shí)其平緩上升,處理8~24h時(shí)卻急劇上升,而在處理24~48h后又平緩上升,處理48h后又加速升高。處理60h時(shí)MDA含量分別是處理0 與48h時(shí)MDA含量的2.3和1.39倍。
圖2 不同LT50處理時(shí)間后煙葉唇柱苣苔SOD活性的變化曲線Fig.2 Change of SOD activity in C.heterotricha for different durations at LT50
圖3 不同LT50處理時(shí)間后煙葉唇柱苣苔POD活性的變化曲線Fig.3 Change of POD activity in C.heterotricha for different durations at LT50
不同LT50處理時(shí)間后煙葉唇柱苣苔脯氨酸含量的變化曲線如圖5所示。在LT50脅迫下,Pro含量也隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)而呈持續(xù)上升的變化趨勢(shì),在以LT50溫度處理0~24h時(shí)其呈近似線性的增加趨勢(shì)。在處理24~40h時(shí)Pro的增幅相對(duì)平緩,處理40h時(shí)Pro含量是處理前的18.5倍,處理48h時(shí)的含量是處理前的33.5倍。處理60h時(shí),Pro含量達(dá)到最大值,是處理前的36.3倍。
圖4 不同LT50處理時(shí)間后煙葉唇柱苣苔MDA含量的變化曲線Fig.4 Change of MDA content in C.heterotricha for different durations at LT50
圖5 不同LT50處理時(shí)間后煙葉唇柱苣苔脯氨酸含量的變化曲線Fig.5 Change of proline content in C.heterotricha for different durations at LT50
溫度對(duì)于植物的形態(tài)、分布、代謝以及生長(zhǎng)發(fā)育起著重要作用。在高溫脅迫下,一般先直接誘發(fā)植物脫水,在細(xì)胞逐漸失水萎縮過(guò)程中,膜透性增大,電解質(zhì)外滲,細(xì)胞受到傷害[27]。利用系列溫度梯度下植物組織電解質(zhì)的滲出率求得的半致死溫度(LT50)是評(píng)價(jià)植物耐性較為靈敏和準(zhǔn)確的指標(biāo)[28-29]。本試驗(yàn)用電解質(zhì)滲出率配合logistic方程測(cè)得煙葉唇柱苣苔的半致死溫度LT50為42.3℃。電解質(zhì)滲出率隨著溫度的升高而增大,其變化曲線近似S型,logistic方程擬合度高。以42℃的高溫處理煙葉唇柱苣苔8h,其葉片便失水下垂,處理16h葉片繼續(xù)下垂,至處理40h葉片便已經(jīng)灼傷而有局部變干,處理48和60h后葉柄下垂,植株萎蔫。
SOD酶是存在于植物體內(nèi)的一種重要的保護(hù)酶,它能清除體內(nèi)的氧自由基,從而保護(hù)質(zhì)膜不受超氧陰離子自由基的破壞。SOD是一種典型的誘導(dǎo)酶,植物在遭到逆境脅迫時(shí),會(huì)啟動(dòng)自我保護(hù)機(jī)制,先通過(guò)增加SOD活性來(lái)清除超氧陰離子自由基,提高對(duì)高溫的耐受性,減少對(duì)自身的傷害[30]。植物遭受逆境脅迫的主要特征是活性氧代謝的失調(diào),最主要的傷害是對(duì)內(nèi)酶的破壞,造成細(xì)胞的正常代謝受阻,導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育中止或死亡[31]。研究中發(fā)現(xiàn),高溫LT50脅迫下SOD活性隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)先升高,在脅迫24h時(shí)達(dá)到最大值,然后再下降。該變化趨勢(shì)與低溫脅迫下唇柱苣苔屬牛耳朵以及菲油果屬的菲油果的SOD活性的變化趨勢(shì)一致[14,32]。在短時(shí)間內(nèi),植物可通過(guò)提高酶活性來(lái)清除氧自由基以保護(hù)自身,但在長(zhǎng)時(shí)間脅迫后,酶逐漸變性失活,同時(shí)生理代謝受到抑制,酶的產(chǎn)生量也減少。
POD酶是植物體在逆境下清除羥自由基的酶促防御系統(tǒng)中的重要酶之一。本研究結(jié)果表明,與SOD相似,隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),POD活性先升高后降低,在LT50脅迫24h時(shí)其活性達(dá)到最大,在此處理階段,POD活性隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,其清除羥自由基的能力較強(qiáng),對(duì)細(xì)胞未造成明顯的傷害,能通過(guò)酶促系統(tǒng)減輕自身在逆境下的傷害。在LT50脅迫24h之后,POD活性快速下降,而羥自由基的積累增加,導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化程度加深,對(duì)植物細(xì)胞造成損傷,影響植物的正常代謝[32-33]。
MDA是植物在逆境條件下或衰老時(shí)發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用的產(chǎn)物之一,通常用其表示植物膜脂過(guò)氧化程度和膜系統(tǒng)傷害程度[34]。本研究結(jié)果表明,MDA含量呈上升趨勢(shì),與灰?guī)r皺葉報(bào)春在高溫45℃處理下MDA含量的變化趨勢(shì)相同[35]。在LT50脅迫0~8h時(shí)MDA緩慢積累,脅迫8~24h積累速率加快,而后又平緩積累,在脅迫48h后MDA急劇增加,說(shuō)明植物隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)其膜脂過(guò)氧化程度加重。
脯氨酸(Pro)作為一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),普遍存在于植物體內(nèi),當(dāng)植物受到非生物因素的脅迫時(shí),都會(huì)直接或間接地發(fā)生水分脅迫。為了適應(yīng)逆境脅迫,植物通常會(huì)在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)迅速大量地合成和積累脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)增強(qiáng)其對(duì)滲透脅迫的抵抗能力。脯氨酸也是多種自由基的清除劑,還可激發(fā)植物體內(nèi)POD、CAT、SOD等酶的活性[36]。本研究結(jié)果表明,Pro含量在高溫脅迫下接近線性積累,急劇升高,Pro對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)是迅速而敏感的,通過(guò)提高脯氨酸含量來(lái)進(jìn)行滲透調(diào)節(jié),保護(hù)細(xì)胞膜的穩(wěn)定性,提高對(duì)高溫脅迫的耐性[37]。在LT50脅迫下,隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),煙葉唇柱苣苔植株形態(tài)發(fā)生了明顯的變化,在脅迫40h時(shí)葉片已經(jīng)嚴(yán)重失水,且有灼傷跡象,處理48和60h后其已萎蔫,說(shuō)明脅迫對(duì)植物已造成了不可逆的傷害。
綜上所述,通過(guò)電導(dǎo)率法配合logistic方程可以簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確地測(cè)定煙葉唇柱苣苔的高溫半致死溫度,再結(jié)合生理生化指標(biāo)評(píng)價(jià)其高溫脅迫下的生理響應(yīng),可以有效評(píng)估其高溫適應(yīng)性,從而為煙葉唇柱苣苔設(shè)施栽培的溫度調(diào)控提供了理論依據(jù)。
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