梁雯 趙冰 黃文梅

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，楊凌，712100)

熱鍛煉對高溫脅迫下2個(gè)杜鵑花品種耐熱性的影響1)

梁雯 趙冰 黃文梅

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，楊凌，712100)

以2個(gè)杜鵑花品種‘粉珍珠’(Rhododendron‘Fen zhen zhu’)和‘狀元紅’(Rhododendron‘Zhuang yuan hong’)為材料，經(jīng)過30 ℃ 6 d的熱鍛煉后，分別在38、42 ℃高溫下脅迫6 d，研究經(jīng)過熱鍛煉的2個(gè)杜鵑花品種光合作用、葉片解剖結(jié)構(gòu)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以及抗氧化系統(tǒng)的變化，以期探究熱鍛煉對不同杜鵑花品種耐熱性影響的生理機(jī)制。結(jié)果表明：熱鍛煉處理通過氣孔導(dǎo)度(Gs)、細(xì)胞間隙CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)及蒸騰速率(Ts)的不同變化進(jìn)而提高2個(gè)杜鵑花品種的凈光合速率(Pn)；熱鍛煉提高柵欄海綿組織比，保證了葉片組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；熱鍛煉處理后，2個(gè)品種中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸(Pro)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均下降；熱鍛煉處理后，葉片中過氧化氫(H2O2)和丙二醛(MDA)質(zhì)量摩爾濃度下降且差異顯著性不同，‘狀元紅’葉片MDA質(zhì)量摩爾濃度在38 ℃高溫脅迫下變化顯著，這是2個(gè)品種中超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性變化差異的結(jié)果。這些結(jié)果說明,熱鍛煉處理能提高杜鵑花植株的耐熱性，其減輕傷害的機(jī)理與植物品種有關(guān)。

熱鍛煉；杜鵑花；光合作用；葉片組織結(jié)構(gòu)；滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)；抗氧化系統(tǒng)

隨著全球氣溫的不斷上升，高溫對植物的影響日趨顯著，尤其對于高山植物來說，高溫?zé)崦{迫可能會(huì)對其造成毀滅性的打擊。高溫影響植物的生理生態(tài)過程，成為限制植物分布、生長和生產(chǎn)的主要環(huán)境因子[1]。城市夏季高溫已經(jīng)成為制約許多具有觀賞價(jià)值的野生花卉生長和發(fā)育的主要環(huán)境因子。因此，對植物的熱耐受性進(jìn)行研究并對耐熱機(jī)理進(jìn)行探討已經(jīng)成為目前環(huán)境綠化應(yīng)對全球變暖的重要課題之一。關(guān)于植物耐熱機(jī)理及提高植物耐熱能力的研究受到人們的廣泛關(guān)注和重視[2]。

杜鵑花是杜鵑花科(Ericaceae)杜鵑花屬(Rhododendron)植物的總稱，具有很高的觀賞價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是中國十大傳統(tǒng)名花之一，也是世界公認(rèn)的名貴觀賞盆花和對世界園林產(chǎn)生重大影響的代表性園林植物之一[3]。由于該屬植物喜冷涼、濕潤環(huán)境，耐熱性較差，對高溫的忍耐力不強(qiáng)，而低海拔地區(qū)夏季持續(xù)的高溫極易導(dǎo)致杜鵑花死亡，嚴(yán)重影響了杜鵑花在我國城市中的推廣應(yīng)用，高溫?zé)岷Τ蔀橹萍s其遷地保育及園林應(yīng)用的主要限制因子。因此，開展杜鵑花耐熱等抗逆研究顯得尤其必要[4-5]。

植物獲得高溫抗性首先決定于植物本身的遺傳性，植物在長期進(jìn)化過程中，通過本身的形態(tài)改變以及形成不同的生態(tài)類型來適應(yīng)環(huán)境的溫度，目前，可通過熱鍛煉和化控技術(shù)來提高耐熱性[5-9]。例如，Shen et al.[9]對杜鵑花品種‘粉珍珠’施用不同濃度的水楊酸(SA)及氯化鈣溶液，發(fā)現(xiàn)經(jīng)適應(yīng)濃度的SA及氯化鈣溶液處理后，杜鵑花植株耐熱性得到了提高。又如熱鍛煉處理后，與未經(jīng)熱鍛煉的相比，小蒼蘭幼苗的抗氧化酶活性較高[7]，亞洲百合抗氧化系統(tǒng)及光合系統(tǒng)得到了促進(jìn)[6]，報(bào)春葉肉細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的破壞得到了延緩[10]。許多研究表明，植物經(jīng)過高溫預(yù)處理(熱鍛煉)后，可減緩更高溫度對植物的熱損傷，其在高溫脅迫中的耐熱性會(huì)明顯提高，而且不同品種間的耐熱性差異只有經(jīng)過熱鍛煉才能表現(xiàn)出來[11]。

文中針對杜鵑花2個(gè)品種，利用人工模擬氣候室法，從葉片解剖結(jié)構(gòu)、光合作用、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及抗氧化系統(tǒng)4個(gè)方面研究熱鍛煉處理對高溫脅迫下杜鵑花抗高溫能力的影響，并比較不同品種耐熱性表現(xiàn)的差異，研究杜鵑花在熱鍛煉過程中獲得耐熱性能力不同的原因，尋找能有效提高杜鵑花對高溫耐性的新途徑，緩解栽培過程中的高溫?zé)岷栴}，以減少人工調(diào)控環(huán)境下的能源消耗，對杜鵑花資源在園林中的廣泛應(yīng)用和杜鵑盆花的節(jié)能環(huán)保生產(chǎn)具有重要的意義，同時(shí)也可以為耐熱基因資源的發(fā)掘和耐熱品種的培育提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)于2016年5月份在西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)進(jìn)行。從陜西楊凌新天地日光溫室(溫度(25±1)℃)中選擇杜鵑花品種‘粉珍珠’(Rhododendron‘Fen zhenzhu’)和‘狀元紅’(Rhododendron‘Zhuang yuan hong’)(均購于浙江嘉善)2年生扦插苗作為試驗(yàn)材料，選取栽植于塑料盆里的生長健壯且大小一致的‘粉珍珠’和‘狀元紅’各18盆，每盆1株。栽培基質(zhì)為V(松針)∶V(泥炭土)=1∶2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用人工模擬氣候室法，于BIC-400人工氣候箱(博訊，中國上海)中進(jìn)行，各氣候箱處理時(shí)的光強(qiáng)均為12 000 lx，光周期14 h，相對濕度均保持在80%。為了避免干旱影響，每隔1 d為植株澆一次水，保證水分充足；同時(shí)為了減小擺放位置的影響，每天隨機(jī)改變氣候箱里的植株位置。試驗(yàn)開始時(shí)將所有杜鵑植株移到人工氣候箱(22 ℃，適應(yīng)溫度)培養(yǎng)3 d。之后，將每個(gè)品種的一半材料(9盆)轉(zhuǎn)移到30 ℃(輕度高溫)的人工培養(yǎng)箱熱鍛煉，同時(shí)每個(gè)品種的另一半材料仍置于人工培養(yǎng)箱[22 ℃，對照溫度(適溫)]培養(yǎng)。6 d后(此時(shí)植株均已從開始脅迫時(shí)葉片萎蔫的生長狀態(tài)轉(zhuǎn)為正常生長狀態(tài))，將每個(gè)品種適溫下培養(yǎng)的與經(jīng)過熱鍛煉的材料各取6盆分成2組，分別轉(zhuǎn)移到38 ℃(重度高溫)和42 ℃(極端高溫)人工培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行高溫脅迫，并把經(jīng)過熱鍛煉后每個(gè)品種余下的3盆植株轉(zhuǎn)移到22 ℃人工氣候箱下培養(yǎng)。6 d后進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測定(此時(shí)各處理下的植株生長狀態(tài)保持穩(wěn)定一致)。整個(gè)試驗(yàn)設(shè)12個(gè)處理，包括2個(gè)杜鵑花品種(‘粉珍珠’與‘狀元紅’)，2個(gè)預(yù)處理(30 ℃熱鍛煉與22 ℃未經(jīng)熱鍛煉)以及3個(gè)溫度水平(22 ℃對照溫度，38、42 ℃熱脅迫溫度)。

1.3 氣體交換參數(shù)測定

使用LI-6400便攜式光合熒光儀(LI-COR，美國)測定相同葉位的功能葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Ts)、細(xì)胞間隙CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)。測定時(shí)葉室面積為6 cm2，樣品室流速為500 μmol·s-1。

1.4 葉片葉肉解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)測定

高溫脅迫后，摘取各處理下3盆植株主枝的第5葉位葉片，將其迅速切成3 mm×1 mm大小，用4%的戊二醛在4 ℃條件下固定過夜，之后用0.1 mol·L-1、pH值為6.8的磷酸緩沖液漂洗4次，每次15 min。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度為30%、50%、70%、80%、90%、100%的乙醇依次脫水，前5個(gè)梯度各脫水15 min，100%乙醇脫水30 min，兩次。乙酸異戊酯置換后，用K-850CO2臨界點(diǎn)干燥儀(QUORUM，英國)進(jìn)行干燥，E-1045離子濺射儀(HITACHI，日本)噴金，再用JSM-6360LV鎢燈絲掃描電子顯微鏡(JEOL，日本)進(jìn)行觀察，拍照記錄葉片葉肉組織中柵欄組織及海綿組織的排列情況。用Nano Measure1.2測量軟件測量葉片厚度、柵欄組織及海綿組織厚度，并計(jì)算柵欄海綿組織比、組織結(jié)構(gòu)疏松度、組織結(jié)構(gòu)緊密度：

柵欄海綿組織比=(柵欄組織厚度/海綿組織厚度)×100%；

組織結(jié)構(gòu)緊密度=(柵欄組織厚度/葉片厚度)×100%；

組織結(jié)構(gòu)疏松度=(海綿組織厚度/葉片厚度)×100%。

1.5 生理參數(shù)測定

處理結(jié)束后選取植株中部葉位的葉片進(jìn)行各項(xiàng)生理參數(shù)的測定。分別稱取葉片0.1 g，按照路文靜等[12]的方法采用硫代巴比妥酸顯色法測定丙二醛(MDA)質(zhì)量摩爾濃度，蒽酮比色法測定可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)，酸性茚三酮溶液顯色法測定游離脯氨酸(Pro)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，氮藍(lán)四唑光化還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性，愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性，紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性。利用過氧化氫(H2O2)測試盒(南京建成生物工程研究所，A064)測定過氧化氫質(zhì)量摩爾濃度，采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法利用總蛋白測定試劑盒(南京建成生物工程研究所，A045)測定可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS Statistics 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，利用Dunnett-t3檢驗(yàn)法對同一溫度脅迫下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1熱鍛煉對高溫脅迫下‘粉珍珠’和‘狀元紅’光合參數(shù)的影響

由表1可以看出，2個(gè)杜鵑花品種未經(jīng)熱鍛煉處理的葉片凈光合速率隨著脅迫溫度的升高而降低。在對照溫度下，經(jīng)過熱鍛煉預(yù)處理沒有增加‘粉珍珠’的Pn值，但卻增加了‘狀元紅’的Pn值。隨著高溫脅迫水平的上升，2個(gè)品種的Pn值均下降；且經(jīng)過高溫鍛煉后，2個(gè)品種的Pn值相較于未經(jīng)鍛煉的均有不同程度的上升。在38 ℃高溫下，‘狀元紅’植株葉片Pn經(jīng)過鍛煉的比未經(jīng)鍛煉的高22.4%，‘粉珍珠’Pn上升幅度則較??；在42 ℃高溫下，2個(gè)品種的Pn都較低，但經(jīng)過熱鍛煉后，Pn增值卻高，‘粉珍珠’增高約46.7%，‘狀元紅’增高約64.4%。由此可知，熱鍛煉處理能緩解高溫引起的光合傷害，促進(jìn)杜鵑花葉片的光合作用。2個(gè)品種植株的Gs、Ci及Ts值隨著脅迫溫度的升高并沒有一定的變化規(guī)律。在對照溫度下，經(jīng)過熱鍛煉后，2個(gè)品種的Gs及Ts值均顯著升高。在38 ℃溫度下，相較于未經(jīng)熱鍛煉的，經(jīng)過熱鍛煉的‘粉珍珠’Gs及Ts均顯著上升，而‘狀元紅’Gs值下降了78.3%，Ts值也顯著下降；但在42 ℃高溫下，2個(gè)品種Gs及Ts值變化卻相反，‘粉珍珠’Gs及Ts值顯著下降，‘狀元紅’Gs及Ts值顯著上升。至于Ci，在對照溫度下，經(jīng)過熱鍛煉后，2個(gè)品種Ci值均上升，并且‘狀元紅’值差異顯著。相較于未經(jīng)受熱鍛煉的，在38 ℃溫度下，‘粉珍珠’Ci值升高，‘狀元紅’Ci值下降，差異均不顯著；在42 ℃高溫下，2個(gè)品種Ci值均下降，且‘粉珍珠’值差異顯著。這表明，熱鍛煉處理在不同品種下，促進(jìn)光合作用的機(jī)理可能不同。

2.2熱鍛煉對高溫脅迫下‘粉珍珠’和‘狀元紅’葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

從圖1來看，杜鵑花植株在不同溫度脅迫下，葉肉組織結(jié)構(gòu)表現(xiàn)不同的受損程度。在對照溫度下，不管是否經(jīng)過熱鍛煉，2個(gè)杜鵑花品種的葉片組織基本不表現(xiàn)受損狀態(tài)。而在38 ℃高溫脅迫下，2個(gè)品種未經(jīng)熱鍛煉的葉片柵欄組織細(xì)胞均表現(xiàn)輕微的皺縮狀態(tài)，經(jīng)過鍛煉后，發(fā)現(xiàn)柵欄組織細(xì)胞呈現(xiàn)飽滿狀態(tài)。在42 ℃高溫脅迫下，2個(gè)品種柵欄組織細(xì)胞皺縮更加明顯，海綿組織呈紊亂狀態(tài)。從表2可看出，經(jīng)過熱鍛煉后，不論在何種溫度水平下，2個(gè)品種的柵欄海綿組織比(簡稱柵海比)均上升，且在38 ℃高溫下‘粉珍珠’柵海比變化顯著。表2中顯示，在各個(gè)溫度水平下，2個(gè)杜鵑花品種不管是否經(jīng)過熱鍛煉，組織結(jié)構(gòu)緊密度變化均不顯著；對照溫度下，‘粉珍珠’在經(jīng)過熱鍛煉后緊密度下降，‘狀元紅’則上升；在38 ℃高溫下，2個(gè)品種在經(jīng)過熱鍛煉后緊密度均上升；在42 ℃高溫下，‘粉珍珠’的緊密度值在經(jīng)過熱鍛煉后上升，但‘狀元紅’緊密度值下降，這與在對照溫度下，情況相反。與此同時(shí)，相比于未經(jīng)熱鍛煉的，在對照及42 ℃溫度下，2個(gè)品種疏松度均下降，且在對照溫度下，差異顯著；在38 ℃高溫下，‘粉珍珠’疏松度下降，而‘狀元紅’疏松度上升。

表1熱鍛煉對高溫脅迫下2個(gè)杜鵑花品種葉片光合參數(shù)的影響

處理Pn/μmol·m-2·s-1Gs/mol·m-2·s-1Ci/μmol·mol-1Ts/mmol·m-2·s-1Fa(2．59±0．01)A (0．076±0)B(267．67±0．19)AB(1．55±0)BFb(2．27±0．05)A(0．082±0)A(273．60±1．14)A(1．77±0．01)AZa(2．62±0．08)A(0．029±0．001)D(184．12±5．61)C(0．62±0．02)DZb(2．78±0．08)A(0．050±0)C(238．03±3．17)B(1．12±0)CFc(1．72±0．02)B(0．032±0)C(252．79±1．23)A(0．73±0)CFd(1．72±0．01)AB(0．066±0)A(273．17±0．33)A(1．45±0)AZc(2．02±0．01)A(0．063±0)B(280．07±0．15)A(1．35±0)BZd(2．48±0．07)A(0．035±0．003)BC(213．36±7．57)A(0．65±0．05)CFe(0．08±0．01)A(0．004±0)C(317．47±6．76)A(0．10±0)CFf(0．11±0．01)A(0．003±0)D(264．12±5．90)B(0．06±0)DZe(0．07±0)A(0．035±0．001)B(348．07±0．30)A(0．70±0．01)BZf(0．12±0．01)A(0．060±0．001)A(321．34±0．13)A(1．17±0．01)A

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；同列不同字母表示同一溫度脅迫下的任兩值之間在0.05概率水平上差異顯著；處理值中F、Z.分別表示杜鵑花‘粉珍珠’和‘狀元紅’2個(gè)品種；a.表示未經(jīng)熱鍛煉、未經(jīng)熱脅迫的處理；b.表示經(jīng)30 ℃熱鍛煉、未經(jīng)熱脅迫的處理；c.表示未經(jīng)熱鍛煉、經(jīng)38 ℃熱脅迫的處理；d.表示經(jīng)30 ℃熱鍛煉、經(jīng)38 ℃熱脅迫的處理；e.表示未經(jīng)熱鍛煉、經(jīng)42 ℃熱脅迫的處理；f.表示經(jīng)30 ℃熱鍛煉、經(jīng)42 ℃熱脅迫的處理。

2.3熱鍛煉對高溫脅迫下‘粉珍珠’和‘狀元紅’可溶性糖、可溶性蛋白與游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由表3可知，可溶性糖、可溶性蛋白與游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律較一致。在對照溫度下，熱鍛煉后2個(gè)品種葉片中可溶性糖、可溶性蛋白與游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)相較于未經(jīng)鍛煉的有所上升；但在38 ℃及42 ℃高溫下，可溶性糖、可溶性蛋白與游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)均下降，且在38 ℃高溫脅迫下，‘粉珍珠’葉片中游離脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化顯著(下降了54.9%)，在42 ℃高溫脅迫下，‘粉珍珠’葉片中可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化顯著(下降了60.4%)，‘狀元紅’葉片中可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化顯著(下降了55.7%)。

F、Z.分別表示杜鵑花‘粉珍珠’和‘狀元紅’2個(gè)品種；a.表示未經(jīng)熱鍛煉、未經(jīng)熱脅迫的處理；b.表示經(jīng)30 ℃熱鍛煉、未經(jīng)熱脅迫的處理；c.表示未經(jīng)熱鍛煉、經(jīng)38 ℃熱脅迫的處理；d.表示經(jīng)30 ℃熱鍛煉、經(jīng)38 ℃熱脅迫的處理；e.表示未經(jīng)熱鍛煉、經(jīng)42 ℃熱脅迫的處理；f.表示經(jīng)30 ℃熱鍛煉、經(jīng)42 ℃熱脅迫的處理。

圖1熱鍛煉對高溫脅迫下2個(gè)杜鵑花品種葉片的影響

表2 熱鍛煉對高溫脅迫下2個(gè)杜鵑花品種葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；同列不同字母表示同一溫度脅迫下的任兩值之間在0.05概率水平上差異顯著；處理值中F、Z.分別表示杜鵑花‘粉珍珠’和‘狀元紅’2個(gè)品種；a.表示未經(jīng)熱鍛煉、未經(jīng)熱脅迫的處理；b.表示經(jīng)30 ℃熱鍛煉、未經(jīng)熱脅迫的處理；c.表示未經(jīng)熱鍛煉、經(jīng)38 ℃熱脅迫的處理；d.表示經(jīng)30 ℃熱鍛煉、經(jīng)38 ℃熱脅迫的處理；e.表示未經(jīng)熱鍛煉、經(jīng)42 ℃熱脅迫的處理；f.表示經(jīng)30 ℃熱鍛煉、經(jīng)42 ℃熱脅迫的處理。

2.4熱鍛煉對高溫脅迫下‘粉珍珠’和‘狀元紅’丙二醛與過氧化氫質(zhì)量摩爾濃度的影響

隨著溫度的增加，2個(gè)品種的膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)質(zhì)量摩爾濃度均增加(表3)。然而，在高溫脅迫下，經(jīng)過熱鍛煉的葉片的MDA質(zhì)量摩爾濃度卻有所降低，在38 ℃下經(jīng)過熱鍛煉的2個(gè)品種的葉片的MDA質(zhì)量摩爾濃度比同一水平下未經(jīng)熱鍛煉的分別降低6.1%和13.9%；在42 ℃下，則分別降低24.3%和14.4%。結(jié)果表明，熱鍛煉有助于減緩高溫脅迫下杜鵑花葉片細(xì)胞膜膜脂過氧化產(chǎn)物的積累。

過氧化氫(H2O2)是種重要的活性氧，在各個(gè)溫度水平下，它在2個(gè)品種‘粉珍珠’和‘狀元紅’葉片中隨高溫脅迫水平的增加在不斷積累(表3)。在對照溫度下，經(jīng)過熱鍛煉處理和未經(jīng)過熱鍛煉預(yù)處理的相比，‘粉珍珠’葉片中H2O2質(zhì)量摩爾濃度明顯增高，但‘狀元紅’葉片中增高得卻不顯著。高溫脅迫下，‘狀元紅’葉片中H2O2質(zhì)量摩爾濃度比‘粉珍珠’葉片中的要多。但在經(jīng)過熱鍛煉預(yù)處理后，2個(gè)品種葉片中的H2O2質(zhì)量摩爾濃度要比沒有經(jīng)過熱鍛煉的低。且在38 ℃和42 ℃下，‘狀元紅’葉片中H2O2質(zhì)量摩爾濃度變化率和‘粉珍珠’的相比要高，分別是46.9%和16.8%，與此同時(shí)，‘粉珍珠’的H2O2質(zhì)量摩爾濃度變化率分別是12.1%和12.3%。這些結(jié)果表明，熱鍛煉處理降低了杜鵑花在熱脅迫下氧自由基的積累，從而減輕熱脅迫對細(xì)胞的傷害。

2.5熱鍛煉對高溫脅迫下‘粉珍珠’和‘狀元紅’超氧化物歧化酶、過氧化物酶與過氧化氫酶活性的影響

熱脅迫下，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除平衡被打破，導(dǎo)致活性氧積累。SOD、POD和CAT是植物體內(nèi)清除活性氧的重要保護(hù)酶[13]。在對照溫度下，經(jīng)過熱鍛煉后，‘粉珍珠’葉片中SOD活性下降，‘狀元紅’中SOD活性上升，變化均不明顯。在38 ℃及42 ℃高溫下，‘粉珍珠’葉片中SOD活性經(jīng)熱鍛煉的比未經(jīng)鍛煉的高，‘狀元紅’葉片中SOD活性卻降低，差異均不顯著(表3)。由表3可知，‘粉珍珠’葉片中POD活性在各個(gè)溫度水平下，經(jīng)熱鍛煉的均低于未經(jīng)熱鍛煉的，且在2個(gè)高溫脅迫下，差異顯著?！疇钤t’葉片中POD活性在對照及38 ℃溫度下，經(jīng)過熱鍛煉的要低，且在38 ℃高溫下差異顯著，但在42 ℃高溫下，經(jīng)熱鍛煉的葉片POD活性卻顯著增高。在對照及38 ℃溫度下，2個(gè)品種在經(jīng)受熱鍛煉后CAT活性的變化情況相反，均為‘粉珍珠’升高而‘狀元紅’下降，且在38 ℃高溫下‘粉珍珠’葉片中CAT活性變化顯著。在42 ℃高溫下，經(jīng)過熱鍛煉后，‘粉珍珠’葉片中CAT活性相較于未經(jīng)熱鍛煉的降低，而‘狀元紅’則上升，差異均不顯著(表3)。

表3 熱鍛煉對高溫脅迫下2個(gè)杜鵑花品種葉片生理參數(shù)的影響

注：表中數(shù)據(jù)根據(jù)鮮質(zhì)量測得；表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；同列不同字母表示同一溫度脅迫下的任兩值之間在0.05概率水平上差異顯著；處理值中F、Z.分別表示杜鵑花‘粉珍珠’和‘狀元紅’2個(gè)品種；a.表示未經(jīng)熱鍛煉、未經(jīng)熱脅迫的處理；b.表示經(jīng)30 ℃熱鍛煉、未經(jīng)熱脅迫的處理；c.表示未經(jīng)熱鍛煉、經(jīng)38 ℃熱脅迫的處理；d.表示經(jīng)30 ℃熱鍛煉、經(jīng)38 ℃熱脅迫的處理；e.表示未經(jīng)熱鍛煉、經(jīng)42 ℃熱脅迫的處理；f.表示經(jīng)30 ℃熱鍛煉、經(jīng)42 ℃熱脅迫的處理。

3 結(jié)論與討論

目前，提高耐熱性的方法包括施用生長調(diào)節(jié)劑和高溫鍛煉等，高溫鍛煉是較為有效的一種方法。本研究結(jié)果表明，熱鍛煉提高2個(gè)杜鵑花品種植株的抗高溫能力，主要是通過提高其凈光合速率，促進(jìn)葉片的光合作用，通過提高柵欄海綿組織比保持葉片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以及通過提高細(xì)胞膜熱穩(wěn)定性防止膜脂過氧化進(jìn)行的。并且在經(jīng)熱鍛煉后，杜鵑花2個(gè)品種的葉片光合氣體交換情況、組織結(jié)構(gòu)與細(xì)胞膜穩(wěn)定性等方面的變化存在差別，這與品種差異是有關(guān)的。

光合作用被認(rèn)為是對高溫脅迫最為敏感的生理過程。高溫抑制光合作用，是因?yàn)楦邷貙χ参锕夂献饔玫墓夥磻?yīng)階段以及暗反應(yīng)階段產(chǎn)生影響：光合色素減少、Gs改變、CO2擴(kuò)散阻力增加、原初反應(yīng)及電子傳遞鏈被抑制、Rubisco活力下降等，歸結(jié)起來可分為2個(gè)方面，即氣孔限制因素和非氣孔限制因素[14]。氣孔限制因素是由于葉片Gs下降導(dǎo)致Ci下降，大大減少CO2的供應(yīng)，使得光合作用原料供應(yīng)不足進(jìn)而引起凈光合速率下降；或是由于Gs下降使Ts降低，Ts的下降會(huì)使光合產(chǎn)物運(yùn)輸變慢，使得光合產(chǎn)物在葉綠體中不斷積累，間接制約凈光合速率[15-16]。非氣孔限制因素則是與葉肉細(xì)胞自身活性有關(guān)，葉肉細(xì)胞使氣孔擴(kuò)散阻力增加，導(dǎo)致CO2溶解度下降并不斷積累，最終引起葉肉光合能力下降[16-17]。研究表明，Ci的降低方向是判斷導(dǎo)致Pn降低原因的主要依據(jù)，當(dāng)Ci與Pn變化趨勢相同(即兩者同增或同減)時(shí)，Pn降低主要是由氣孔導(dǎo)度的降低引起的[14]。試驗(yàn)結(jié)果中，只有在38 ℃高溫下，‘粉珍珠’葉片經(jīng)過熱鍛煉后Pn與Ci同時(shí)增加，這表明在38 ℃高溫下，‘粉珍珠’葉片經(jīng)熱鍛煉后Pn增加可能是因?yàn)闅饪紫拗埔蛩匾鸬?。但?8 ℃高溫下的‘狀元紅’葉片與42 ℃高溫下的‘粉珍珠’葉片中，經(jīng)熱鍛煉后Pn增加，同時(shí)Gs、Ci與Ts均下降，這可能歸因于非氣孔限制因素，熱鍛煉提升了葉肉細(xì)胞自身的活性，加快CO2的溶解，最終使光合能力上升?！疇钤t’葉片在42 ℃高溫下，熱鍛煉處理提升了Pn，Gs與Ts均上升，這可能是因?yàn)闅饪紫拗埔蛩匾鸬?，但是由于Gs上升使Ts上升，Ts的上升使光合產(chǎn)物運(yùn)輸變快，正反饋促進(jìn)了杜鵑花植株凈光合速率。在同一高溫脅迫水平下，發(fā)現(xiàn)‘狀元紅’Pn經(jīng)熱鍛煉后上升幅度較大，這可能是因?yàn)椤疇钤t’經(jīng)過熱鍛煉處理后，表現(xiàn)出了較高的耐熱性。

葉是植物進(jìn)行光合與蒸騰作用的主要器官，植物對環(huán)境的適應(yīng)性也反映在葉的結(jié)構(gòu)上。柵欄組織在葉片結(jié)構(gòu)中所占的厚度越大，越利于增強(qiáng)植株對水分和光能的利用效率，有利于緩解了葉片脫水造成的傷害。海綿組織厚度主要反映植物對溫度較低環(huán)境的適應(yīng)，厚度越大，植株耐熱性越弱[18]。因此，柵欄海綿組織比越大，一定程度上反映植株的耐熱性較強(qiáng)。申惠翡等[18]以及胡偉娟等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，耐熱性較高的植物種或品種柵欄海綿組織比較高，這在一定程度上可以表明柵海比越高，植物抗高溫能力越強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果中經(jīng)熱鍛煉后，杜鵑花2個(gè)品種的柵海比均升高，這可以表明，經(jīng)熱鍛煉后，杜鵑花耐熱性得到了提升。從試驗(yàn)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，熱鍛煉處理后‘粉珍珠’植株在高溫脅迫下，柵海比升高，這是緊密度上升，疏松度下降的結(jié)果。但‘狀元紅’植株變化情況卻不相同，在38 ℃高溫下，柵海比升高是柵欄組織顯著增厚的結(jié)果；而在42 ℃高溫下，則是海綿組織厚度顯著下降的結(jié)果。

植物在逆境脅迫下細(xì)胞內(nèi)會(huì)積累脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白以及有機(jī)酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，從而來保持植物細(xì)胞水勢的平衡?？扇苄蕴悄茉黾蛹?xì)胞液的滲透壓、原生質(zhì)彈性，減輕細(xì)胞的機(jī)械損傷，還可提供能源與代謝底物，誘導(dǎo)其他與抗性有關(guān)的生理生化過程，有利于提高抗逆性?？扇苄缘鞍子H水性很強(qiáng)，可提高細(xì)胞的保水能力，降低植物的冰點(diǎn)，以此來提高植物的抗逆性。脯氨酸能加強(qiáng)逆境條件下蛋白質(zhì)的水合作用，有利于植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的維持，并具有解氨毒和保護(hù)質(zhì)膜完整性的作用[20-23]。試驗(yàn)結(jié)果中，3種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)隨著脅迫溫度的增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，表明杜鵑花在受到高溫脅迫時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)來維持細(xì)胞膨壓，保證生理生化過程的正常進(jìn)行。這也從側(cè)面反映出植物細(xì)胞受損較輕，表明熱鍛煉處理提高了杜鵑花植株滲透調(diào)節(jié)能力，增強(qiáng)其耐熱性。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，不同高溫下2個(gè)品種進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)所依托的主要物質(zhì)是不盡相同的。在38 ℃高溫脅迫下，‘粉珍珠’主要依托游離脯氨酸，維持滲透調(diào)節(jié)功能；而在42 ℃高溫脅迫下，‘粉珍珠’主要依托可溶性糖來減輕細(xì)胞機(jī)械損傷，減少細(xì)胞內(nèi)液外滲，從而維持細(xì)胞水勢平衡，‘狀元紅’則主要依托可溶性蛋白提高細(xì)胞保水力，提高細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力。這表明2個(gè)杜鵑花品種是通過不同機(jī)制來調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透能力，從而提高植株的耐熱性的。

植物在正常生理?xiàng)l件下,體內(nèi)O2-、H2O2和·OH等活性氧(ROS)的產(chǎn)生和清除處于動(dòng)態(tài)平衡。這種平衡主要由植物體酶促抗氧化系統(tǒng)(SOD、POD和CAT等)和非酶促抗氧化系統(tǒng)(AsA和GSH等)調(diào)控。當(dāng)溫度過高時(shí)，植物捕獲的激發(fā)能超過光合作用所能利用時(shí)，過剩的激發(fā)能會(huì)形成活性氧，而活性氧不能被及時(shí)清除，這會(huì)導(dǎo)致膜質(zhì)過氧化[24-25]。MDA是膜脂過氧化產(chǎn)物，它可以與細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)和酶等結(jié)合，導(dǎo)致細(xì)胞膜完整性遭到破壞，喪失選擇透性，引起電導(dǎo)率的上升[22]。試驗(yàn)結(jié)果中，隨著脅迫溫度的升高，杜鵑花2個(gè)品種葉片中的MDA質(zhì)量摩爾濃度均上升，但經(jīng)受熱鍛煉之后，MDA質(zhì)量摩爾濃度表現(xiàn)不同程度的降低，這表明，熱鍛煉處理減緩了細(xì)胞膜脂過氧化程度，因而膜脂過氧化產(chǎn)物積累較少。這與徐勝等[26]對草坪草經(jīng)受熱鍛煉后在高溫脅迫下MDA質(zhì)量摩爾濃度的變化情況研究相同。MDA質(zhì)量摩爾濃度的變化情況可能與熱鍛煉增強(qiáng)植株抗高溫能力，細(xì)胞經(jīng)受高溫脅迫后，內(nèi)部ROS積累較少或抗氧化酶清除ROS較快，使得細(xì)胞膜脂過氧化程度較低有關(guān)。逆境脅迫下，SOD作為清除ROS的第一道防線，可將植物體內(nèi)產(chǎn)生的傷害性物質(zhì)——超氧陰離子歧化為H2O2和O2，減輕植物體的受傷害程度。但是歧化作用產(chǎn)生的H2O2在植物體內(nèi)積累，之后會(huì)形成引起膜脂過氧化的·OH，而且由于植物細(xì)胞內(nèi)沒有專一清除·OH的酶，所以積累的H2O2必須馬上清除掉。CAT和POD均有清除H2O2的能力，植物組織中高濃度的H2O2主要通過CAT清除,從而使H2O2控制在較低水平;而低濃度的H2O2主要靠POD在氧化相應(yīng)基質(zhì)時(shí)被消化[22]。在38 ℃高溫下，經(jīng)過熱鍛煉后，‘粉珍珠’葉片中SOD和CAT活性均增加，最終導(dǎo)致H2O2質(zhì)量摩爾濃度下降。這或可因?yàn)镾OD活性增加，將細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的超氧陰離子快速歧化為H2O2和O2，緊接著具有較高活性的CAT在H2O2濃度較高時(shí)將其清除，最終使得熱鍛煉后H2O2質(zhì)量摩爾濃度較少。而對于‘狀元紅’植株，熱鍛煉后SOD、POD和CAT活性均下降，H2O2質(zhì)量摩爾濃度亦下降，這可能是因?yàn)槿~片中產(chǎn)生的ROS本就較低，因此不需要過高活性的抗氧化酶來進(jìn)行清除。在42 ℃高溫下，可以發(fā)現(xiàn)，‘粉珍珠’葉片主要依靠提高SOD活性來清除ROS，減少H2O2積累；‘狀元紅’則主要依托提高POD和CAT活性清除ROS，減少H2O2積累。

總之，熱鍛煉預(yù)處理能提高杜鵑花植株的抗高溫能力，且不同品種提高耐熱性的機(jī)制是不盡相同的。熱鍛煉有利于減緩熱脅迫對光合作用、葉片組織結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞穩(wěn)定性的傷害，從而減輕高溫對植株的傷害。然而，熱鍛煉提高耐熱能力的機(jī)理是很復(fù)雜的，在從光合作用、葉片結(jié)構(gòu)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以及抗氧化過程探討的同時(shí)，還有必要在蛋白質(zhì)或分子水平，如在不同品種的熱激蛋白HSP或耐熱基因的表達(dá)差異等方面開展更深層次的研究，以便進(jìn)一步了解杜鵑花不同品種對熱脅迫的適應(yīng)機(jī)制，揭示其抗高溫機(jī)理，為杜鵑花的引種馴化、耐熱品種的選育以及對全球變暖的生理響應(yīng)適應(yīng)提供全面性、系統(tǒng)性的科學(xué)依據(jù)。

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EffectsofHeatAcclimationonHeatRresistanceofTwoRhododendronCultivars//

Liang Wen, Zhao Bing, Huang Wenmei
(Northwest A&F University, Yangling 712100, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(9)：24-30.

Heat acclimation;Rhododendron; Photosynthesis; Anatomy ofRhododendronleaves; Osmotic regulation substances； Antioxidant system

S685.21;Q945.78

1)西北農(nóng)林科技大學(xué)國際科技合作種子基金(A213021701)、西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(Z109021703)。

梁雯，女，1993年9月生，西北農(nóng)林科技大學(xué)風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院，碩士研究生。E-mail:liangwen-19@qq.com。

趙冰，西北農(nóng)林科技大學(xué)風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院，副教授。E-mail:bingbing2003915@163.com。

2017年5月11日。

責(zé)任編輯：任 俐。

With the changes in the photosynthesis, anatomy, osmotic regulation substances as well as antioxidant system, we studied the effects of heat acclimation on the thermostability ofRhododendronunder heat stress in leaves of twoRhododendroncultivars,Rhododendron‘Fen zhen zhu’ andRhododendron‘Zhuang yuan hong’, exposed to two heat stress levels (38 ℃ and 42 ℃) for 6 d, after heat acclimation at 30 ℃ for 6 d. Heat acclimation enhancedPnof twoRhododendroncultivars by different changes ofGs,CiandTs. Under heat stress, heat acclimation enhanced ratio of palisade to spongy and it ensured anatomy stabilization. Osmotic regulation substances like soluble sugar, soluble protein and free proline were declined after heat acclimation in twoRhododendroncultivars. The decline being significantly different of the molality of H2O2and MDA after heat acclimation were the results of different changes in SOD, POD and CAT activity in twoRhododendroncultivars. The molality of MDA changed significantly in the leaves ofRhododendron‘Zhuang yuan hong’. Therefore, heat acclimation can improve thermostability ofRhododendron, and the mechanism of alleviating the damage is related to cultivars.