楊舒婷，曲 博，2，李謙盛，鄧 敏

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海辰山植物研究中心/上海辰山植物園，上海 201602;2.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 生態(tài)學(xué)院，上海 201418)

弗吉尼亞櫟(Quercus virginiana Mill)為殼斗科櫟屬常綠喬木，原產(chǎn)于美國(guó)東南部，因樹(shù)冠濃密寬大、容易栽培、幼樹(shù)生長(zhǎng)速度快，在美國(guó)東南部城市森林和綠化中普遍栽培［1］。因其根系發(fā)達(dá)、樹(shù)干韌性強(qiáng)而抗風(fēng)耐鹽，我國(guó)作為沿海防護(hù)林樹(shù)種引進(jìn)后在長(zhǎng)江三角洲沿海栽培示范適應(yīng)性良好［2］。我國(guó)在研究推廣過(guò)程中重點(diǎn)對(duì)弗吉尼亞櫟的鹽脅迫生理［3-4］和干旱脅迫生理［5］進(jìn)行了較多研究，而鮮有對(duì)弗吉尼亞櫟溫度脅迫生理的研究報(bào)道。溫度是影響植物生長(zhǎng)的重要環(huán)境因子，隨著全球氣候變暖，夏季極端高溫度數(shù)和天數(shù)都在上升，高溫脅迫也成為植物面臨的最主要的非生物脅迫之一［6］。樹(shù)木對(duì)高溫脅迫的耐受性和適應(yīng)性是選擇園林樹(shù)種的重要依據(jù)之一。本研究通過(guò)人工氣候箱模擬高溫脅迫，對(duì)弗吉尼亞櫟幼苗葉片的含水量以及生物膜相關(guān)的幾個(gè)生理指標(biāo)開(kāi)展研究，探討其耐熱性能，旨在為其人工栽培繁殖及園林應(yīng)用提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

種子于2012年11月采自上海辰山植物園內(nèi)引種的弗吉尼亞櫟，選取籽粒飽滿(mǎn)、大小基本一致、無(wú)蟲(chóng)孔的種子用0.5%的高錳酸鉀溶液消毒30 min后晾干，貯存于4℃種子保存箱。2012年12月20日播于32孔林木專(zhuān)用穴盤(pán)，基質(zhì)為80%泥炭+20%珍珠巖的混合基質(zhì)。2013年2月底開(kāi)始出苗，4月中旬每穴施用2～4粒18N-6 P2O5-12K2O的控釋肥。7月中旬挑選長(zhǎng)勢(shì)基本一致的幼苗作為試驗(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料處理 將供試植株從溫室轉(zhuǎn)入人工氣候箱，在25℃，光照12 h，黑暗12 h，70%濕度條件下培養(yǎng)7 d。選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，分為3組，一組作為對(duì)照(CK)，繼續(xù)置于25℃光照培養(yǎng)箱中生長(zhǎng)，其余2組分別置于35℃和45℃光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行高溫脅迫處理12，24，48 h，處理過(guò)程中保證水分補(bǔ)給充足，各時(shí)長(zhǎng)處理的1/5幼苗(各4盆)在每個(gè)時(shí)段的高溫處理結(jié)束后立即用于測(cè)定生理指標(biāo)，剩余4/5幼苗分別在各處理結(jié)束后重新置于25℃、光照12 h、黑暗12 h下恢復(fù)生長(zhǎng)12，24，48，72 h(各4盆)，用于取樣測(cè)定相關(guān)生理指標(biāo)。取葉片測(cè)定生理指標(biāo)后的植株仍保留于溫室內(nèi)栽培觀察。以上試驗(yàn)處理重復(fù)3次。

1.2.2 測(cè)定方法 葉片含水量的測(cè)定:取不同處理相同部位的葉片稱(chēng)鮮質(zhì)量M1，用信封裝好后放入80℃烘箱，烘至恒重，稱(chēng)取干質(zhì)量M2，每個(gè)處理3次重復(fù)。葉片含水量=(M1-M2)/M1×100%。電解質(zhì)外滲率的測(cè)定:參考孫國(guó)勝等［7］的方法測(cè)定葉圓片相對(duì)電解質(zhì)外滲率。丙二醛(MDA)的測(cè)定:采用硫代巴比妥酸法測(cè)定［8］。脯氨酸的測(cè)定:采用酸性茚三酮法測(cè)定［8］。

圖1 高溫脅迫對(duì)弗吉尼亞櫟葉片含水量的影響Fig.1 Effect of heat stresses on leaf water content of Quercus virginiana

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫脅迫及恢復(fù)生長(zhǎng)對(duì)弗吉尼亞櫟幼苗葉片含水量的影響

弗吉尼亞櫟幼苗在高溫脅迫后，葉片含水量顯著下降，并且隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而遞減;在高溫處理48 h后，葉片含水量從59.42%分別降到了 56.05%(35 ℃)和 55.81%(45℃)，顯著低于對(duì)照組(CK)(圖1)。但相同處理時(shí)間下兩個(gè)脅迫溫度間的葉片含水量沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明35℃和45℃的脅迫處理對(duì)葉片含水量的影響基本一致。

將高溫脅迫處理后的植株置于25℃下恢復(fù)生長(zhǎng)后，弗吉尼亞櫟植株的葉片含水量逐漸恢復(fù)(圖2)，經(jīng)過(guò)72 h的恢復(fù)生長(zhǎng)后其葉片含水量基本可達(dá)到處理前水平。但經(jīng)過(guò)45℃高溫脅迫處理后的植株(圖2B)相比35℃相同時(shí)間處理的植株(圖2A)其葉片含水量的恢復(fù)能力稍弱一些，在恢復(fù)生長(zhǎng)的這段時(shí)間里所測(cè)定的數(shù)值波動(dòng)也相對(duì)較大。

圖2 不同處理階段弗吉尼亞櫟葉片含水量的變化Fig.2 Leaf water content change of Quercus virginiana at different treatment phase

圖3 不同溫度高溫脅迫處理對(duì)弗吉尼亞櫟葉片電解質(zhì)外滲率的影響Fig.3 Effect of heat stress on the electrolyte leakage of Quercus virginiana leaves

2.2 高溫脅迫及恢復(fù)生長(zhǎng)對(duì)弗吉尼亞櫟幼苗電解質(zhì)外滲率的影響

高溫脅迫12 h后，葉片的電解質(zhì)外滲率均顯著高于對(duì)照組(圖3)。隨著脅迫處理時(shí)間的延長(zhǎng)，植株的電解質(zhì)外滲率略有回落，但均維持顯著高于對(duì)照的水平，而35℃和45℃處理之間的電解質(zhì)外滲率沒(méi)有顯著差異。

將高溫處理過(guò)的弗吉尼亞櫟植株置于25℃下進(jìn)行恢復(fù)生長(zhǎng)后，所有處理后的植株在恢復(fù)生長(zhǎng)的72 h內(nèi)電解質(zhì)外滲率一直與脅迫處理后水平相近，沒(méi)有恢復(fù)(圖4)，表明高溫脅迫對(duì)弗吉尼亞櫟葉片電解質(zhì)滲透率的傷害是不可逆的。

圖4 不同處理階段弗吉尼亞櫟葉片電解質(zhì)外滲率的變化Fig.4 Change of the electrolyte leakage in Quercus virginiana at different treatment phase

2.3 高溫脅迫及恢復(fù)生長(zhǎng)對(duì)弗吉尼亞櫟幼苗MDA含量的影響

高溫脅迫處理后葉片MDA含量均出現(xiàn)先升高后降低的變化，這可能是植株逐漸適應(yīng)高溫環(huán)境過(guò)程中，激活抗氧化系統(tǒng)，清除掉了一些MDA(圖5)。但在35℃高溫處理后，MDA含量變化幅度相對(duì)較小，隨著處理時(shí)間延長(zhǎng)逐漸升高，在脅迫處理24 h時(shí) MDA 含量達(dá)到最高(0.046 μmol/g)，在48 h時(shí)又下降至對(duì)照組相近水平;而在45℃極端溫度脅迫下，葉片中的MDA含量在脅迫處理12 h就達(dá)到了一個(gè)很高的水平(0.082 μmol/g)，而后隨著處理時(shí)間增加，MDA含量又逐步下降到與對(duì)照組相當(dāng)?shù)乃健?/p>

在恢復(fù)生長(zhǎng)期，兩種溫度處理所表現(xiàn)出來(lái)的變化亦有所不同。35℃脅迫處理的植株中MDA含量在恢復(fù)生長(zhǎng)過(guò)程中均逐步下降，其中35℃高溫脅迫處理12 h和48 h的植株在經(jīng)過(guò)72 h的恢復(fù)生長(zhǎng)后，植株中的MDA含量與對(duì)照組相比沒(méi)有顯著性差異，而35℃高溫處理24 h的植株在經(jīng)過(guò)72 h的恢復(fù)生長(zhǎng)后植株中的MDA含量仍顯著高于其他兩組，說(shuō)明其恢復(fù)相對(duì)緩慢一些(圖6A)。45℃高溫脅迫處理12 h和24 h的植株在恢復(fù)生長(zhǎng)過(guò)程中MDA含量的變化趨勢(shì)分別與35℃高溫脅迫處理12 h和24 h的處理組檢測(cè)結(jié)果相似(圖6B)。盡管經(jīng)過(guò)45℃，48 h的高溫脅迫后，植株出現(xiàn)了一定的適應(yīng)性，MDA的含量較處理12 h和24 h的植株有所降低，但高溫脅迫處理48 h的植株在恢復(fù)生長(zhǎng)12 h后其MDA含量才從處理后的0.034 μmol/g急升至0.094 μmol/g，隨后才回落恢復(fù)到與45℃脅迫處理24 h的植株相當(dāng)?shù)暮?，說(shuō)明45℃極端高溫處理后會(huì)引起MDA的大量積累，并有一定的延后性。

圖5 高溫脅迫處理對(duì)弗吉尼亞櫟葉片MDA含量的影響Fig.5 Effect of heat stress on MDA content in Quercus virginiana leaves

圖6 不同處理階段弗吉尼亞櫟葉片中MDA含量的變化Fig.6 Change of MDA in Quercus virginiana leaves at different treatment phase

2.4 高溫脅迫及恢復(fù)生長(zhǎng)對(duì)弗吉尼亞櫟幼苗脯氨酸含量的影響

在高溫處理48 h內(nèi)，弗吉尼亞櫟植株中的脯氨酸含量均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，并且脯氨酸含量的最高點(diǎn)均出現(xiàn)在處理24 h后，但45℃脅迫下植株中的脯氨酸含量和增幅均顯著高于35℃處理(圖7)。這表明45℃處理對(duì)弗吉尼亞櫟幼苗葉片傷害更大。

35℃脅迫處理后的植株中脯氨酸的含量在恢復(fù)生長(zhǎng)過(guò)程中迅速降低(圖8A)，其變化趨勢(shì)基本與MDA含量的變化一致。而45℃脅迫處理12 h和24 h的植株中的脯氨酸含量在恢復(fù)生長(zhǎng)的12 h仍在增加，在恢復(fù)生長(zhǎng)72 h之后植株中的脯氨酸含量都基本上恢復(fù)到了處理前水平(圖8B)。

圖7高溫脅迫處理對(duì)弗吉尼亞櫟葉片脯氨酸含量的影響Fig.7 Effect of heat stress on proline content in Quercus virginiana leaves

圖8 不同處理階段弗吉尼亞櫟葉片中脯氨酸含量的變化Fig.8 Change of proline content in Quercus virginiana leaves at different treatment phase

3 討論與結(jié)論

植物體中的各種代謝活動(dòng)都需要水分的參與，在不同環(huán)境的脅迫下植物體內(nèi)的水分均會(huì)受到不同程度的影響，植物會(huì)出現(xiàn)脫水現(xiàn)象［9］。植物在逆境脅迫下的水分含量變化在一定程度上也反應(yīng)了植物體的生存狀態(tài)和抗逆性能。弗吉尼亞櫟幼苗的葉片含水量隨著脅迫處理時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降，但總體變化幅度較小。45℃脅迫下，幼嫩葉片邊緣出現(xiàn)了一定程度的脫水變焦。含水量在脅迫處理后較短時(shí)間內(nèi)可基本恢復(fù)至處理前水平(圖2)。

細(xì)胞膜系統(tǒng)是植物在逆境脅迫條件下最主要的受害部位。植物在受到高溫脅迫時(shí)，葉表溫度上升，可能導(dǎo)致抗氧化酶活性降低［10］，自由基大量積累，進(jìn)而導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化水平增高，MDA含量增加，膜脂成分改變，不飽和指數(shù)下降，膜透性增大，相對(duì)電導(dǎo)率升高，膜結(jié)構(gòu)和功能改變，從而引起一系列生理代謝變化［11］。弗吉尼亞櫟葉片的電解質(zhì)外滲率在高溫脅迫12 h后即出現(xiàn)了不可逆的顯著上升，但并沒(méi)有隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng)而持續(xù)增加(圖4)，暗示了弗吉尼亞櫟幼苗葉片細(xì)胞膜可能通過(guò)一些自身的其他生理生化特征調(diào)節(jié)形成了較良好的熱穩(wěn)定性，從而防止了長(zhǎng)時(shí)間的高溫脅迫對(duì)細(xì)胞膜的進(jìn)一步破壞。45℃高溫處理組的弗吉尼亞櫟幼苗葉片中MDA含量和脯氨酸含量增加要顯著大于35℃處理組(圖5和圖7)，表明了脅迫溫度越高，膜脂過(guò)氧化水平越高，植株受脅迫的程度也相應(yīng)加劇。但同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)隨著脅迫時(shí)間的增加，在脅迫處理前中期(12～24 h)，MDA和脯氨酸含量基本呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，但到48 h后均出現(xiàn)了一定程度降低，暗示植株可能通過(guò)自身生理代謝變化對(duì)高溫脅迫形成了一定的抗逆性，植株受脅迫程度得以緩和。經(jīng)脅迫處理后的植株經(jīng)過(guò)72 h的恢復(fù)生長(zhǎng)后，除細(xì)胞液滲漏不可逆外，葉片水分可以有效恢復(fù)，MDA和脯氨酸含量均降低到接近處理前水平，進(jìn)一步說(shuō)明了弗吉尼亞櫟對(duì)高溫具有良好的適應(yīng)性。此外，我們對(duì)不同實(shí)驗(yàn)處理后的弗吉尼亞櫟幼苗在常規(guī)溫室下進(jìn)行了2個(gè)月的栽培觀察，植株均沒(méi)有出現(xiàn)死亡，且基本恢復(fù)了正常生長(zhǎng)，說(shuō)明高溫脅迫處理并沒(méi)有對(duì)其造成致命傷害。

耐熱性好的植物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的歷史演化發(fā)展出了一系列形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理及生化特征，通過(guò)規(guī)避傷害和提高耐性?xún)纱髾C(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)自身在高溫逆境下的生存［6］。首先，弗吉尼亞櫟幼苗葉片較小，受空氣邊界層的阻力也小于大葉植物，因而在水分充足情況下面臨極端高溫時(shí)，通過(guò)加大蒸騰作用，更容易向周?chē)h(huán)境散發(fā)自身熱量;再則弗吉尼亞櫟的葉片表面具有較厚的蠟質(zhì)和表皮毛［12］，可以減少高溫輻射造成的傷害［10］，從而為其應(yīng)對(duì)逆境提供了較好的保護(hù)。

本研究通過(guò)對(duì)弗吉尼亞櫟幼苗在高溫脅迫下和恢復(fù)生長(zhǎng)過(guò)程中葉片水分以及與細(xì)胞膜穩(wěn)定性相關(guān)生理指標(biāo)的測(cè)定，證實(shí)了弗吉尼亞櫟能通過(guò)自身的耐熱機(jī)制抵御高溫脅迫對(duì)其造成的傷害。弗吉尼亞櫟對(duì)高溫脅迫有良好耐受性和適應(yīng)性的探明，是其除抗風(fēng)［2］、耐鹽［3，4］、耐旱［5］等優(yōu)良特性外的又一重要優(yōu)良生理特性，這將為弗吉尼亞櫟作為一種優(yōu)良的園林和防護(hù)林樹(shù)種的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供有力的理論支撐。

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