矾根紫色宫殿对重庆地区夏季高温的生理响应

谢英赞，马立辉，刘 杨，黄世友，晏 巧，方 文*

(1.重庆市林业科学研究院，重庆 400036；2.重庆瀚业园林工程有限公司，重庆 400036)

【研究意义】矾根是虎耳草科(Saxifragaceae)矾根属(Heuchera)观赏植物的统称。矾根属植物，喜阳耐阴，是少有的彩叶阴生植物，性耐寒，可耐-34 ℃低温。“紫色宫殿”(Heucheramicrantha‘Palace Purple’)为矾根属多年生草本观赏植物园艺新品种，是矾根植物中最受欢迎的品种之一[1]。“紫色宫殿”株高20～40 cm，叶色深紫，株型优美，长势快、抗性强，观赏价值较高[2]。“紫色宫殿”自市场化以来，在上海、北京等地引种驯化成功。因其特殊的生物学特征及生态学习性，在盆栽观赏、花园、庭院和花境地被造景[3]等方面得到了较为广泛的推广应用。【前人研究进展】2016年4月，重庆市林业科学研究院引进紫色宫殿进行栽植和繁育，目的是为重庆市民在观赏花卉品种方面提供更多选择。矾根适宜种植在半遮阴、较为冷凉的环境，应避免强烈阳光直晒。而重庆地区夏季高温高湿，白天平均气温32 ℃以上，极端天气下甚至达40 ℃以上。高温是影响植物正常生长发育的重要非生物因子之一，高温使植物叶片的细胞膜结构受损，使细胞的持水能力下降，导致叶片变黄、枯萎，影响其生长，降低其观赏性[4-6]。重庆夏季的高温环境势必会对引进的“紫色宫殿”的生长生理产生影响。因此，通过植物的生长生理状况能够判断植物的生长状态和其对环境条件的响应状况。【本研究切入点】本文通过对矾根生长生理的测定，旨在了解“紫色宫殿”在重庆地区的生长适应性。【拟解决的关键问题】为其在重庆地区的栽培适应性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验场地

试验场地位于重庆市沙坪坝区歌乐山镇高店子重庆市林业科学研究院综合楼花境植物引种驯化试验田(E106.42007，N29.57908)，海拔540 m。歌乐山属于中亚热带季风性湿润气候区，气候温和、四季分明、雨量充沛。最冷月平均气温5.8 ℃，最热月平均气温27.5 ℃，年平均气温16.3 ℃，无霜期321.9 d，具有冬暖夏热和春秋多变的特点。年降水量1082.9 mm。试验期间(2017年8月8-27日)试验场地白天最高温度41 ℃，最低温度35 ℃；夜晚最高温度31 ℃，最低温度27 ℃(图1)。

1.2 供试材料

供试材料：“紫色宫殿”采购自上海，2017年3月将生长基本一致的植株120株移栽于塑料花盆中，盆高18 cm，内径20 cm，土壤厚度15 cm，每盆1株，种植后将其放置于重庆市林业科学研究院标准化育苗温室中缓苗。根据天气预报信息，试验定于2017年7月19日开始。

1.3 实验方法

实验设置2种处理：高温处理组和对照组，高温处理组即将植株放置于重庆市林业科学研究院实验苗圃内空旷无遮挡处，让其直接接受夏季阳光的直射(白天的温度达到35 ℃以上，夜晚温度达27 ℃以上)；对照组则将花盆放置在标准化控温温室，调节室内温度，设置为白天30 ℃、夜晚20 ℃(根据实际测量，温室温度白天约28～31 ℃，夜晚约20～23 ℃)。浇透水，当水分不足初始值60 %时根据损失量适当补水(水分损失量 = 初始盆重-测定时盆重)。每个处理随机选择50株作为测试植株，每10株作为一组，分别在实验后的0、5、10、15、20 d进行取样测定。取样时每次随机取5株将其整株挖出，用自来水冲洗干净后用吸水纸吸干水分，称量其单株鲜重后置于烘箱中烘干至恒重，测定其干重。另取5株作为生理指标取样，取样时选取自上而下第3、4片叶片，分别称量其鲜重，作为生理测试叶片。

超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase, SOD)活性测定采用氮蓝四唑(Nitro-blue tetrazolium, NBT)法[7]。过氧化物酶(Peroxidase, POD)活性测定采用愈创木酚法[7]。过氧化氢酶(Catalase, CAT)活性测定采用过氧化氢氧化法，以每分钟内吸光值减少0.1为1个酶活力单位[7]。丙二醛(Malondialdehyde, MDA)含量的测定采用硫代巴比妥酸(Thiobarbituric acid, TBA)氧化法，可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝显色法，游离脯氨酸含量测定采用磺基水杨酸法，用茚三酮比色法测定其含量[7]。吸光值均采用紫外分光光度计(UV-2550)测定。植株鲜重、干重使用万分之一天平测定，测定结果保留2位小数。

图1 试验期间试验地温度走势变化Fig.1 Changes of temperature of the study site

图2 高温下矾根“紫色宫殿”叶片电导率变化Fig.2 Changes of relative electric conductivity of Heuchera micrantha ‘Palace Purple’ under high temperature

1.4 数据分析和图表制作

所测定结果取平均值和标准误，使用SPSS 16.0分析软件分析数据，使用Microsoft Excel 2003统计软件绘图。

2 结果与分析

2.1 高温对矾根“紫色宫殿”叶片电导率的影响

叶片细胞膜透性通常用相对电导率反映[8]，如图2所示，高温处理下紫色宫殿的叶片电导率随着处理时间的延长而逐渐升高，各处理时间差异显著，而对照组的叶片电导率则无显著性变化。至处理结束，高温处理组的叶片电导率达10.17 %，较实验开始时增加了6.11倍，较对照组也增加了6.14倍，说明高温对紫色宫殿的细胞膜透性产生了显著的影响。

2.2 高温对矾根“紫色宫殿”MDA含量的影响

MDA作为脂质过氧化反应的一个产物，其含量可以反映细胞膜脂质过氧化程度和植物对逆境条件反应的强弱[9]。如图3所示，高温处理下矾根“紫色宫殿”的MDA含量随着处理时间的延长而逐渐升高，各处理时间差异显著，而对照组的叶片MDA含量则无显著性变化。至处理结束，高温处理组的叶片MDA含量达64.5 μmol/g，较实验开始时增加了2.17倍，较对照组也增加了2.14倍，说明高温对紫色宫殿的细胞膜透性产生了显著的影响。

2.3 高温对矾根“紫色宫殿”抗氧化酶活性的影响

2.3.1 高温对矾根“紫色宫殿”SOD活性的影响 如图4所示，对照组矾根“紫色宫殿”的SOD活性长期稳定，略有波动。高温处理下矾根“紫色宫殿”的SOD活性随着处理时间的延长呈先升高后降低的

图3 高温下矾根“紫色宫殿”MDA含量变化Fig.3 Changes of MDA content of Heuchera micrantha ‘Palace Purple’ under high temperature

趋势，试验开始5 d后，高温组SOD活性升高(56.15±2.77)U，显著高于对照组，为对照组的1.22倍。至试验10 d后，高温组SOD活性回落(46.50±1.17)U，与对照组(48.54±1.29)U相当。试验至15 d时，高温组SOD活性继续降低(42.47±1.59)U，但仍未显著低于对照组(47.64±1.63)U，试验20 d后，高温组SOD活性降低(39.59±1.22)U，显著低于对照组(48.22±1.77)U。说明高温环境条件下，矾根“紫色宫殿”可以依赖自身SOD活性的调节应对不利条件的影响，且其调节能力相对较强。

2.3.2 高温对矾根“紫色宫殿”POD活性的影响 如图4所示，对照组矾根‘紫色宫殿’的POD活性长期稳定，略有波动。高温处理下矾根‘紫色宫殿’的POD活性随着处理时间的延长呈先升高后降低的趋势，试验开始5 d后，高温组POD活性升高(290.00±4.76)U，显著高于对照组(218.10±3.66)，为对照组的1.33倍。至试验15 d后，高温组POD活性回落(223.20±4.63)U，略高于对照组(219.40±5.32)U。试验至20 d时，高温组POD活性继续降低(203.81±2.63)U，显著低于对照组(220.98±3.73)U。说明高温环境条件下，矾根“紫色宫殿”能够通过对自身POD活性的调节来应对不利条件的影响，且其调节能力相对较强。

2.3.3 高温对矾根“紫色宫殿”CAT活性的影响 过氧化氢酶是植物防御系统的关键酶之一，其生物学功能是催化细胞内过氧化氢分解，防止过氧化，以保护植物机体、细胞及生理健康。根据图4所示，有利环境条件下(CK)，“紫色宫殿”CAT活性长期相对稳定。高温环境条件下，“紫色宫殿”CAT活性随着时间的推移，表现出持续降低的现象。至试验开始后15 d时，“紫色宫殿”CAT活性(69.20±1.393)U开始显著低于对照组(79.76±2.272)U，试验结束时“紫色宫殿”CAT活性(63.81±2.245)

图4 高温下矾根“紫色宫殿”SOD、POD和CAT酶活性变化Fig.4 Changes of SOD, POD and CAT activity of Heuchera micrantha ‘Palace Purple’ under high temperature

U仅为对照组(80.42±2.241)的79.35 %。表明了CAT活性对高温环境条件具有一定的耐受性，但不能长期(15 d以上)持续耐受。

2.4 高温对矾根“紫色宫殿”渗透调节物质的影响

如图5所示，矾根“紫色宫殿”在有利环境条件下其主要渗透调节物质可溶性糖、可溶性蛋白及游离脯氨酸含量基本处于长期稳定状态。高温环境条件下，“紫色宫殿”主要渗透调节物质出现了不同的变化趋势。可溶性糖、可溶性蛋白含量表现出先升高后降低的整体趋势，但在试验开始10 d后高温组可溶性蛋白含量(21.42±0.477)mg/g即显著低于对照组(24.29±0.655)mg/g，并在之后持续降低。可溶性糖含量虽出现降低情况，但除试验伊始外整个试验周期内高温组可溶性糖含量均显著高于对照组。高温环境条件下，“紫色宫殿”游离脯氨酸含量在整个试验周期内呈现出持续升高的现象，试验开始5 d后“紫色宫殿”游离脯氨酸含量(14.20±0.488)μg/g即显著高于对照组(10.31±0.151)μg/g，至试验开始后20 d时，高温组游离脯氨酸含量(32.81±0.797)μg/g，为对照组(10.39±0.283)μg/g的3.16倍。

图5 高温下矾根“紫色宫殿”可溶性蛋白、脯氨酸、可溶性糖含量变化Fig.5 Changes of soluble protein, proline and soluble sugar content of Heuchera micrantha ‘Palace Purple’ under high temperature

时间(d)Date鲜重(g)Fresh weight干重(g)Drought weight鲜重/干重(%)Fresh weight /drought weightCKHTCKHTCKHT030.81±1.655a31.20±1.158a4.39±0.171a4.41±0.135a7.01±0.115a7.07±0.067a535.42±0.927b34.01±0.707ab5.03±0.054b4.67±0.047a*7.05±0.233a7.29±0.214a1040.20±1.281c36.62±0.927bc*5.80±0.169c4.66±0.047a**6.93±0.176a7.85±0.189b*1544.81±1.562d37.03±0.707bcd**6.49±0.105d4.58±0.056a**6.89±0.161a8.09±0.133b*2050.83±1.241e38.21±0.583d**7.41±0.083e4.38±0.065a**6.86±0.137a8.73±0.210b*

注：CK表示对照处理；HT表示高温处理；同一列不同小写字母表示二者间差异显著(P<0.05)；*表示同时间相同指标(鲜重、干重或鲜重/干重)间差异显著(P<0.05)；**表示同时间相同指标间差异达到极显著(P<0.01)程度。

Note: CK indicates control treatment; HT indicates high temperature treatment; The same column with different lowercase letters indicates significant difference between the two data (P<0.05); * indicating significant difference between the same indexes (fresh weight, dry weight or fresh weight/dry weight) at the same time (P< 0.05); ** indicating significant difference between the same indexes at the same time (P< 0.01).

2.5 高温对矾根“紫色宫殿”生物量及鲜干物质比的影响

生物量变化是直接反应植株对环境适应能力的指标之一，生物量积累越快，其对象应环境的适应能力越强，生物量积累越慢，则表明植物对环境呈现不耐受现象。如表1可以看出，对照组“紫色宫殿”在试验过程中鲜重、干重均表现出快速增长现象，试验伊始‘紫色宫殿’平均植株鲜重为30.8 g，其后每5 d的测定结果显示“紫色宫殿”干、鲜重增长显著，至20 d时，其植株鲜重增加了20 g，干重增加了3.02 g，分别为初始值的1.65和1.69倍；高温环境下，干重‘紫色宫殿’生长受到抑制。试验初始时，2组“紫色宫殿”平均植株鲜重、干重差异不显著，且高温组植株鲜、干重均略高于对照组。至试验结束，高温组平均植株鲜重、干重仅为对照组的75.2 %和59.1 %，差异达到极显著水平。通过对“紫色宫殿”鲜重/干重值的测定，对照组植株含水量长期保持稳定略有降低(7.01 %～6.86 %)，而高温组则表现出植株含水量逐渐升高的现象(7.07 %～8.73 %)。

3 讨 论

高温下植物叶片温度升高，继而带来蒸腾作用加强、植物的叶片缺水、植物细胞内环境损伤等[10-11]。本研究中，矾根“紫色宫殿”的电导率在胁迫5 d后开始增加，即细胞膜透性增大，并随着胁迫时间的延长显著增加，说明电导率与植物的耐热能力和受害状况有关[12]，矾根“紫色宫殿”对重庆夏季的连续高温环境耐受时间有限，长时间持续高温环境下“紫色宫殿”表现出受害症状。

高温胁迫除了能导致植物的细胞质膜透性增加外，还能导致植物体内产生大量的氧自由基如过氧化氢、活性氧自由基等，使植物受到氧化胁迫的伤害[13-16]。氧化胁迫使膜脂发生过氧化作用，导致膜结构破坏，是引起植物损伤甚至死亡的重要原因。MDA是膜脂过氧化的重要产物。大量研究表明，高温胁迫通常会导致MDA的含量显著升高[17-18]。在本研究中，高温下矾根“紫色宫殿”的MDA含量显著增加，且随着时间延长，其含量逐渐增高，表明高温导致其发生膜脂过氧化，其受害程度逐渐增加。因此，矾根“紫色宫殿”对重庆夏季的高温胁迫敏感。

植物在适应逆境的过程中形成了一套清除逆境胁迫产生的自由基或活性氧的保护酶体系，即酶促防御体系。其中，SOD、CAT、POD等是植物体内自由基的清除剂，三者协调一致使生物自由基维持在正常水平，从而防止自由基伤害。前人研究表明，高温胁迫诱导保护酶活性增强，其活性大小与植物的耐热性密切相关[19-20]。在本研究中，矾根“紫色宫殿”的SOD、POD活性先升高后下降，说明在胁迫的初期，矾根“紫色宫殿”对高温胁迫做出了积极的响应，但随着胁迫时间的延长，植株的调节能力超过其耐受限度，导致酶活性下降。CAT活性在整个实验期间均呈下降趋势，表明矾根“紫色宫殿”主要依赖SOD和POD来抵御高温胁迫环境。

脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖可溶性蛋白均为渗透调节物质，逆境下，植物体内积累一定量的渗透调节物质有利于维持细胞渗透压的稳定，有利于植物体对逆境胁迫的抵抗[21]。本研究中，矾根“紫色宫殿”的可溶性糖和可溶性蛋白均先升高后降低，表明短期高温胁迫，矾根“紫色宫殿”通过可溶性糖和可溶性蛋白来维持细胞的膨压，但随着胁迫时间的延长，伤害逐渐加剧。体现在生物量积累上，高温环境条件下矾根“紫色宫殿”植株鲜重、干重积累速度下降，植株生物量显著低于对照组。前人研究表明，高温导致植物机体缺水萎蔫[22]，但本研究中“紫色宫殿”在高温环境条件下相对含水量逐渐提高，应当与采样时间集中在上午7：00，经过夜间恢复后充分吸水导致，表明了“紫色宫殿”能够通过主动吸收和补充水分来应对白天的高温环境。