劉國(guó)宇,毛祝新,王 瑋,王 慶,李雪君,李 艷
(1.陜西省西安植物園,陜西 西安 710061;2.陜西省植物資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710061)
雙莢決明(CassiabicapsularisLinn.)為豆科決明屬直立灌木,原產(chǎn)美洲熱帶地區(qū),花色鮮黃、花期長(zhǎng)、適應(yīng)性強(qiáng),在我國(guó)南方地區(qū)露地栽培,可作綠籬,是觀賞性極高的綠肥植物。隨著國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn),森林城市建設(shè)得到了快速發(fā)展,園林景觀從新穎性、豐富度、季節(jié)觀賞性等各方面有了新的要求,越來(lái)越多熱帶亞熱帶觀賞植物被應(yīng)用到北方園林中。近些年,在北京、河南、西安地區(qū)已有雙莢決明的引種應(yīng)用[1]。在西安地區(qū)雙莢決明主要是作為宿根亞灌木應(yīng)用,研究發(fā)現(xiàn),稍加保護(hù)即可越冬,在適宜的小環(huán)境下不進(jìn)行保護(hù)也可自然越冬。目前,關(guān)于雙莢決明的研究主要是集中在栽培繁殖和水脅迫等方面[2~4],鮮見有關(guān)于低溫對(duì)其葉片影響的研究。筆者主要是研究在西安地區(qū)自然低溫條件下雙莢決明葉片生理指標(biāo)的變化,以期能為雙莢決明在西安地區(qū)園林中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
雙莢決明為陜西省西安植物園(108°57′15.07″E, 34°12′36.44″N)當(dāng)年播種繁殖的實(shí)生苗。
選取植株地上60~80 cm 之間分枝中下部無(wú)病蟲害的完整葉片。從2017年11月18日至2018年1月17日每隔10 d采樣1次,每個(gè)樣本3個(gè)重復(fù),共取樣7次。記錄整個(gè)取樣期間的環(huán)境溫度,以采樣前5 d的平均最低溫度作為當(dāng)次采樣的最低溫度。
使用SPAD-502葉綠素儀(KONICA MINOLTA公司)測(cè)定葉片相對(duì)葉綠素含量;采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量[5];采用考馬斯亮藍(lán)比色法測(cè)定可溶性蛋白含量(試劑盒,南京建成生物工程研究所,型號(hào):A045-2);采用硫代巴比妥酸顯色法測(cè)定MDA含量[5];采用酸性茚三酮法測(cè)定脯氨酸含量[6];采用鉬酸銨法測(cè)定CAT活性(試劑盒,南京建成生物工程研究所,型號(hào):A007-1);采用黃嘌呤氧化酶法測(cè)定SOD活性(試劑盒,南京建成生物工程研究所,型號(hào):A001-1-1);采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定POD活性(試劑盒,南京建成生物工程研究所,型號(hào):A084-3)。
利用Excel和SPSS 19.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
葉綠素含量是衡量植物光合作用的重要生理指標(biāo),直接影響植物的光合效率[7]。圖1可以看出,雙莢決明葉片的SPAD值先升高后降低,又緩慢升高,SPAD值差異不顯著。說(shuō)明在整個(gè)試驗(yàn)期間,低溫對(duì)雙莢決明葉片的相對(duì)葉綠素含量影響不大。
注:α=0.05,相同字母代表差異不顯著,不同字母代表差異顯著。
滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)具有維持細(xì)胞的滲透壓和正常代謝的功能[8]。低溫脅迫可以誘導(dǎo)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)增加來(lái)提高細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)的濃度,以防止失水,提高植物抗寒性[9]。由圖2和圖4可以看出,在試驗(yàn)期間,雙莢決明葉片中可溶性糖和脯氨酸含量均隨溫度降低而增加,而且差異顯著,這樣有利于增強(qiáng)葉片抵御低溫的能力。圖3表明,可溶性蛋白含量呈雙峰變化,分別在第一次劇烈降溫和第二次降溫時(shí)出現(xiàn)峰值,說(shuō)明雙莢決明葉片在試驗(yàn)期間遇到降溫可以通過(guò)增加可溶性蛋白含量提高抗寒性。
MDA的含量可以反應(yīng)植物細(xì)胞膜脂過(guò)氧化而遭受傷害的程度,含量越高,受傷害程度越高[10]。圖5可以看出,前5次取樣的低溫下,雙莢決明葉片中MDA含量差異不顯著,隨著1月7日溫度再次降低,MDA含量驟然升高,差異顯著,表明細(xì)胞受到低溫傷害程度增大。
注:α=0.05,相同字母代表差異不顯著,不同字母代表差異顯著。
注:α=0.05,相同字母代表差異不顯著,不同字母代表差異顯著。
注:α=0.05,相同字母代表差異不顯著,不同字母代表差異顯著。
注:α=0.05,相同字母代表差異不顯著,不同字母代表差異顯著。
低溫脅迫可直接誘導(dǎo)植物細(xì)胞產(chǎn)生過(guò)多的活性氧,植物通過(guò)自身的應(yīng)激防御系統(tǒng)提高SOD、POD和CAT的活性清除體內(nèi)過(guò)多的活性氧以提高自身抵御低溫的能力[11]。圖6可以看出,在試驗(yàn)前期,隨著溫度下降雙莢決明葉片中SOD活性先升高后降低,且差異顯著;試驗(yàn)后期隨著溫度持續(xù)降低,SOD活性又升高,但差異不顯著;試驗(yàn)結(jié)束時(shí)SOD活性比降溫前有所增加,且差異顯著,說(shuō)明SOD活性的增強(qiáng)有助于雙莢決明葉片提高耐寒性。雙莢決明葉片中POD活性呈單峰變化(圖7),但1月7日前差異不顯著,最后一次取樣POD活性顯著降低,可能是由于低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),POD活性受到了限制。圖8可以看出,開始降溫時(shí)雙莢決明葉片中CAT活性大幅度升高以抵御低溫環(huán)境,隨著12月18日溫度略有所回升,CAT活性降低,1月7日溫度再次降低時(shí),CAT活性又升高,與試驗(yàn)開始時(shí)差異顯著,說(shuō)明CAT活性的升高對(duì)抵御低溫起到積極作用。
注:α=0.05,相同字母代表差異不顯著,不同字母代表差異顯著。
注:α=0.05,相同字母代表差異不顯著,不同字母代表差異顯著。
注:α=0.05,相同字母代表差異不顯著,不同字母代表差異顯著。
對(duì)雙莢決明葉片的8個(gè)抗寒指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單的相關(guān)性分析,結(jié)果見表1。雙莢決明葉片中的可溶性糖含量與脯氨酸含量呈極顯著正相關(guān),與MDA濃度呈顯著正相關(guān)??扇苄缘鞍缀颗cSOD活性呈顯著正相關(guān)。脯氨酸含量與MDA濃度呈極顯著正相關(guān),與POD活性呈顯著負(fù)相關(guān)。MDA濃度與POD活性呈極顯著負(fù)相關(guān)。
表1 抗寒指標(biāo)的相關(guān)性分析
注:*和**分別表示在0.05和0.01水平上顯著相關(guān)。
在筆者研究中,經(jīng)歷試驗(yàn)期間的自然低溫過(guò)程后,雙莢決明葉片中可溶性糖和脯氨酸含量都顯著增加,滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的積累有利于提高植物的抗寒性,這與鮑思偉[12]的研究結(jié)果是一致的。雙莢決明葉片中可溶性蛋白含量變化呈雙峰變化,第一個(gè)峰值后含量下降應(yīng)該是植物本身對(duì)低溫環(huán)境的適應(yīng)性調(diào)節(jié),第二個(gè)峰值后含量下降可能是由于低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),超出了植物自身對(duì)低溫的調(diào)節(jié)能力導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成受阻。
在低溫過(guò)程中,植物體要通過(guò)SOD、POD和CAT三種保護(hù)酶的相互協(xié)調(diào)來(lái)增強(qiáng)抵御低溫的能力[13]。在筆者試驗(yàn)中,雙莢決明葉片中SOD和CAT活性最終都有所增強(qiáng),而POD活性在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)驟然降低,三種酶的協(xié)調(diào)作用不足以及時(shí)清除過(guò)多的活性氧和自由基,導(dǎo)致細(xì)胞膜的過(guò)氧化程度加劇,MDA大量積累。
利用自然低溫條件可測(cè)得植物生理指標(biāo)變化的真實(shí)情況,且耗時(shí)耗費(fèi)少,但是由于自然低溫發(fā)生的強(qiáng)度和時(shí)間存在年度差異,對(duì)植物耐寒性評(píng)價(jià)的一次性描述準(zhǔn)確度不夠[14],因此需要多次自然低溫及人工控制溫度相結(jié)合來(lái)更準(zhǔn)確的描述植物的耐寒性。