楊 華,宋緒忠*,鄭國良,沈 劍
(1.浙江省林業(yè)科學研究院,浙江 杭州310023;2.浙江省金華市林業(yè)技術(shù)推廣站,浙江 金華321000)
【研究意義】杜鵑花是一類園藝栽培常用的花卉,全世界的杜鵑花約有960種,我國是杜鵑花主要分布國家,種類達542種[1],另外培育品種有上千種。雖然美麗的杜鵑花受人們喜愛,但杜鵑花對生長條件、栽培條件要求較高,在我國園林綠化應(yīng)用時,只有少數(shù)抗逆性強的種類被市場應(yīng)用,對于抗性了解不清的原生種或者品種,市場供應(yīng)量少,應(yīng)用也少。隨著人類活動的增加,全球氣溫逐漸升高,再加上城市溫室效應(yīng)常有發(fā)生,城市在夏季高溫期間,達38℃以上的高溫天氣時有出現(xiàn),對園林綠化植物的生長有一定的影響。杜鵑花種類繁多,對高溫的適應(yīng)能力千差萬別。為了增加杜鵑花種類在園林綠化中的應(yīng)用,同時避免應(yīng)用失敗,深入了解杜鵑花耐高溫能力是其應(yīng)用要考慮的關(guān)鍵因素之一?!厩叭搜芯窟M展】如秦嶺的高山杜鵑(Rh od odend ron lapponicum)[2-3]和井岡山杜鵑(R.jin g gangs hanicum)[4]只適合在涼爽濕潤的環(huán)境下生存,無法適應(yīng)高溫區(qū)域引種。西洋杜鵑(R.hyb ridum)[5]、馬銀花(R.ovatum)[6]、毛棉杜鵑(R.moulmai nense)、紅灘杜鵑(R.chihs i ni anum)和紅棕杜鵑(R.rubiginosum)[7]等少數(shù)幾種杜鵑花已開展了耐高溫能力分析,試驗處理最高溫度分別為43,42,38℃等,研究人員對它們的葉綠素、丙二醛、各種酶活性、光合特性等生理生化指標進行了分析,評價了其抗性,為它們的應(yīng)用范圍提供了指導(dǎo)。同時,研究者還利用不同的化學試劑對杜鵑花進行處理[8-11],或者進行一定高溫的預(yù)處理[12],以提高杜鵑花的耐高溫能力?!颈狙芯壳腥朦c】刺毛杜鵑(R.ch ampi onae)產(chǎn)于我國東南及中南部的9個省份,分布于海拔500~1 300 m的山谷疏林[13-14],其花冠大,色淡雅,量多,花朵具有淡淡香味,屬于觀賞價值較高的一類常綠杜鵑。目前,對刺毛杜鵑的研究相當少,對其適應(yīng)城鎮(zhèn)高溫環(huán)境的能力分析也不系統(tǒng),從其自然分布的海拔、生境情況看,認為其適應(yīng)高溫能力一般,不適合城市園林綠化。然而在課題組的引種栽培過程中,發(fā)現(xiàn)其適應(yīng)高溫環(huán)境的能力較好,是一類適合種植于庭院、公園的杜鵑花種類?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過人為模擬高溫環(huán)境,對其葉片生理指標及生長情況進行觀察,分析刺毛杜鵑的生理指標與高溫脅迫的關(guān)系,解釋其適應(yīng)高溫環(huán)境的能力,為其推廣應(yīng)用提供科學依據(jù)。
試驗用苗6年生,平均苗高48 cm,以黃土∶泥炭∶珍珠巖=2∶1∶1為基質(zhì)種植于25 cm×35 cm塑料容器內(nèi),室外栽培,下午無直射光照。8月底,放入不同溫度梯度的光照培養(yǎng)箱內(nèi),進行耐高溫抗性試驗。
利用智能光照培養(yǎng)箱(塞福,寧波)設(shè)定溫度梯度,分別為25℃/21℃(晝14 h/夜10 h,以下同)、32℃/25℃(輕度脅迫)、38℃/28℃(中度脅迫)、42℃/31℃(重度脅迫),每個處理9株。
處理第1、5和10天早上采集葉片進行生理指標分析,選取頂端向下第3~6片的葉子用于試驗,重復(fù)3次,避免已變褐色的葉片。處理第7、14天早上進行光合特性測定。處理21d后,將苗移出光照培養(yǎng)箱。保證土壤濕度,適時澆水,每天觀察植物生長情況。
葉綠素含量(mg/g)、類胡蘿卜素含量(mg/g)、電導(dǎo)率(%)、丙二醛(MDA)含量(μmol/g)的測定方法參照李合生方法[15]。超氧化物歧化酶(SOD)活性(U/g)的測定方法參照鄒琦方法[16]。
采用LI-6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)(LI-COR,美國)測定相同葉位的功能葉片的凈光合速率(Pn/μmolCO2·m-2·s-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs/molH2O·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr/mmolH2O·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(Ci/μmolCO2·m-2·s-1)、大氣CO2濃度(Ca/μmolCO2·mol-1)。測定時葉室面積為6 cm2,樣品室流速為500μmol/s,光照強度固定為500μmol/(m2·s)。水分利用效率W U E=Pn/Tr,氣孔限制值L s=(Ca-Ci)/Ca。
所有數(shù)據(jù)取平均值進行計算,使用統(tǒng)計軟件Excel2010繪制各曲線圖,多重比較采用LSD法進行。
2.1.1 葉綠素含量與類胡蘿卜素含量變化情況 經(jīng)過10d不同溫度處理(圖1~3),葉綠素a含量、類胡蘿卜素含量在32℃/25℃、38℃/28℃、42℃/31℃這3個溫度下,隨時間延長出現(xiàn)先升后降的趨勢;在25℃/21℃溫度下,則隨時間的延長而逐漸下降。葉綠素b含量在25℃/21℃、38℃/28℃這2個溫度下,出現(xiàn)逐漸下降的趨勢;在32℃/25℃、42℃/31℃溫度下,出現(xiàn)先升后降的趨勢。第10天,葉綠素a、b含量在42℃/31℃時最高,分別為0.986 mg/g和0.296 mg/g;而類胡蘿卜素的含量在25℃/21℃時最高,為1.273 mg/g。方差分析顯示,葉綠素a含量、葉綠素b含量在不同處理時間呈顯著差異(P<0.05),在不同處理溫度間呈極顯著差異(P<0.01)。類胡蘿卜素含量在不同處理時間、不同處理溫度間呈極顯著差異。
2.1.2 電導(dǎo)率變化情況 隨處理時間的延長,各溫度下電導(dǎo)率呈逐漸上升的趨勢(圖4)。第1天和第10天,隨處理溫度的升高,呈先降后升的趨勢;第5天則是隨處理溫度升高而下降。在相同處理時間下,25℃/21℃溫度下電導(dǎo)率為最高。方差分析顯示,電導(dǎo)率在不同處理時間和不同處理溫度間呈極顯著差異。
2.1.3 SOD活性變化情況 對SOD活性進行分析(圖5),隨處理時間的延長,32℃/25℃、38℃/28℃、42℃/31℃這3個溫度下植株的SOD活性呈上升趨勢;25℃/21℃溫度下呈先降后升的趨勢。在相同處理時間下,SOD活性隨溫度升高呈先降后升的趨勢,第1天和第10天25℃/21℃溫度下SOD活性最高,分別為279.96 U/g、342.03 U/g;第5天則是42℃/31℃溫度下SOD活性最高,為258.28 U/g。方差分析顯示,不同處理溫度和處理時間間SOD活性呈極顯著差異。
圖1 葉綠素a含量的變化情況Fig.1 The change of chlorophyll a content
圖2 葉綠素b含量的變化情況Fig.2 The change of chlorophyll b content
圖3 類胡蘿卜素含量的變化情況Fig.3 The change of carotenoid content
圖4 電導(dǎo)率的變化情況Fig.4 The change of conductivity
2.1.4 MDA含量變化情況 MDA是細胞膜被破壞的標志物質(zhì)。從圖6可以看出,隨處理時間的延長,38℃/28℃、42℃/31℃這2個溫度下,MDA含量呈先升后降的趨勢;25℃/21℃溫度下MDA含量呈先降后升的趨勢,第1天和第10天,MDA含量最高,分別為23.59μmol/g和31.58μmol/g;32℃/25℃溫度下MDA含量呈上升趨勢,但變化不明顯。方差分析顯示,不同處理溫度間MDA含量呈極顯著差異。
圖5 SOD活性變化情況Fig.5 The change of SOD activity
圖6 MDA含量變化情況Fig.6 The change of MDA content
2.1.5 光合特性變化情況 處理第7、14天早上進行光合特性測定,從圖7可以看出:(1)隨處理時間延長,凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率表現(xiàn)為逐漸下降。第14天時各溫度下凈光合速率變化不明顯。隨處理溫度的升高,凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率表現(xiàn)為升-降-升的趨勢。42℃/31℃溫度下,氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率都為最大,分別為0.35 molH2O/(m2·s)、0.21 molH2O/(m2·s)和4.86 mmolH2O/(m2·s)、3.60 mmolH2O/(m2·s)。(2)42℃/31℃溫度下,隨處理時間延長,胞間CO2濃度有所上升,而另外3個溫度則為下降。隨溫度的升高,第7天時胞間CO2濃度先升再降,到了第14天則是不斷升高。(3)隨溫度的升高,水分利用效率和氣孔限制值逐漸降低。第7天,42℃/31℃溫度下水分利用效率和氣孔限制值分別是25℃/21℃溫度下的0.33倍和0.53倍;第14天,則為0.24倍和0.45倍。除了42℃/31℃,各溫度下的水分利用率和氣孔限制值第14天高于第7天。方差分析顯示,除了第14天時,不同處理溫度間凈光合速率無顯著差異;其它指標在不同處理溫度間呈極顯著差異。
觀察刺毛杜鵑植株對高溫的耐性,第16天時,只有處在42℃/31℃的6株刺毛杜鵑植株葉柄開始出現(xiàn)褐色,表現(xiàn)出受傷害的癥狀;第21天時,有6株手碰葉,葉片掉落;處理23d后放在自然環(huán)境下,最終死亡3株。其它溫度下刺毛杜鵑葉片無明顯變化。
圖7 光合特性、水分利用率和氣孔限制值變化情況Fig.7 The change of physiological indexes,water use efficiency and stomata limitation
植物體細胞對脅迫的響應(yīng)最明顯的是細胞膜完整性丟失,導(dǎo)致細胞滲透增加和電解質(zhì)的泄露,電導(dǎo)率上升[17],以及細胞內(nèi)會產(chǎn)生過剩的活性氧和MDA含量增加[18-19]。SOD酶是清除活性氧的關(guān)鍵[20],降低膜受的損傷和MDA含量,是反映植物抗逆能力的重要參考指標。本研究發(fā)現(xiàn),各溫度下電導(dǎo)率隨時間延長呈上升趨勢,但25℃/21℃溫度下電導(dǎo)率卻是最高的,表明此時細胞膜損傷最重,這與田學軍等對蘿芙木的研究并不相同[21]。其原因可能是試驗處理苗在處理前20d所處環(huán)境的平均溫度為34.5~26.4℃,最高溫度達到38℃/28℃,這與中度脅迫試驗處理相近,因此在25℃/21℃環(huán)境下處理10d,苗木卻表現(xiàn)出不適應(yīng)。如果試驗處理季節(jié)不同可能會出現(xiàn)不同的表現(xiàn),這有待于進一步研究比較。隨著時間的延長,中度脅迫和重度脅迫下,MDA含量先升后下,表明高溫脅迫誘導(dǎo)細胞內(nèi)SOD酶活性增強,SOD作用的發(fā)揮有助于植物獲得對高溫脅迫的適應(yīng)能力。紫扇花高溫脅迫時表現(xiàn)出了相似的變化趨勢[22]??梢?,刺毛杜鵑對溫度處理逐步產(chǎn)生了一定的適應(yīng)能力。
植物色素中葉綠素是光合色素,而類胡蘿卜素作為光合輔助色素,起到延緩葉綠素的降解,保護細胞膜的作用。本研究不同處理溫度下的刺毛杜鵑,光合作用能力有所下降。綜合分析色素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等指標發(fā)現(xiàn),除重度脅迫外的3個溫度環(huán)境下,第14天刺毛杜鵑的光合作用是氣孔限制,即該條件下葉片氣孔導(dǎo)度降低,進入氣孔的CO2減少了,不能滿足光合作用,導(dǎo)致光合作用受到限制[23];而在重度脅迫下,氣孔限制值基本無變化,但凈光合速率下降,推斷此時光合作用是非氣孔限制,極端高溫引起刺毛杜鵑葉片色素含量下降,是造成光合作用降低的主要原因。脅迫造成植物光合系統(tǒng)破壞的現(xiàn)象在冬小麥、樟樹、番茄的研究中有相似結(jié)論[24-26]。此外,研究發(fā)現(xiàn)極端高溫對刺毛杜鵑的水分利用也有負面的影響。
杜鵑屬植物喜濕涼環(huán)境,夏季極端高溫是限制其應(yīng)用的主要因素,特別是多數(shù)的高山杜鵑[27]。研究發(fā)現(xiàn)刺毛杜鵑在重度脅迫下可在15d內(nèi)保持正常生長,而第21天后開始出現(xiàn)葉片壞損并最后部分死亡;而其它高溫處理下,植株生長正常。鑒于我國絕大多數(shù)城市,少有出現(xiàn)連續(xù)15d以上42℃/31℃(晝14 h/夜10 h)極端高溫的情況,可以預(yù)測刺毛杜鵑具有較好的耐高溫能力,具備了在夏季高溫地區(qū)進行引種應(yīng)用潛力。
綜上所述,刺毛杜鵑在高溫環(huán)境下,葉片色素、細胞膜、酶活性、光合特性等各生理指標都會產(chǎn)生一定的變化,并隨時間延長而受到傷害。與高山杜鵑相比[3],其耐高溫能力強,在我國東南及中南部省份的低海拔地區(qū)具有推廣應(yīng)用潛力,這個推論也得到以往研究結(jié)果的支持,認為其耐高溫能力與同亞屬的廣布種馬銀花較為接近[6],但可能比毛棉杜鵑耐高溫能力略為差一些[28],種間抗性比較還有待進一步研究分析。