美国薄荷（Monarda didyma L.）对大气增温的生理生态响应

王义婧 ，徐胜 *，何兴元 , ，陈玮 ，袁玉玲，秦子晴

1. 中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳110016；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 中国科学院森林生态与管理重点实验室，辽宁 沈阳 110016；4. 呼伦贝尔生态产业技术研究院，内蒙古 呼伦贝尔 021008；5. 沈阳大学，辽宁 沈阳110044

近年来，全球气候变化已成为世界关注的焦点，其中由温室气体增加引起的气候变暖已成不争事实（IPCC，2014）。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告（AR5），本世纪末全球平均气温将升高1.8~4.0 ℃（IPCC，2014）。相关报道表明，2000—2015年全球变暖速率约为 20世纪后半叶的一半（Karl et al.，2015），到 21世纪末全球地表温度将升高1.5~2.0 ℃（Held，2013）。未来40年全球变暖加速的可能性增大（Roberts et al.，2015；Smith et al.，2015），而且升温趋势会更为明显（Marotzke et al.，2015）。

随着气候变化趋势的日益突出，全球气候变暖带来的潜在影响已成为当前人们广泛关注的热点（Sevegnani et al.，2016；徐胜等，2017；Nadal et al.，2018）。而气候变暖最直接的表现就是全球地表气温升高（袁文涛等，2011）。温度作为最重要的气候因子之一，调控着生态系统中大部分的生物化学反应速率，几乎影响所有的生物学过程，并调节生态系统中的能量流动、水分和养分循环（沈振西等，2015）。相关研究表明，温度升高，一方面直接影响植物的光合作用（陈翔等，2016），改变植物的物候进程（王晓云等，2014），影响植物的生长速率；另一方面，改变土壤水热状况（杨月娟等，2015），间接影响土壤呼吸速率（Li et al.，2013；杜岩功等，2016）、有机质分解和植物对营养物质的利用（Boeck et al.，2006；武倩等，2016），进而影响植物生物量的生产分配（Carlyle et al.，2014；Xu et al.，2015；余欣超等，2015）及群落的结构和生物多样性。因此，通过增温模拟研究气候变暖对植物的影响对其物种分布、生长发育及其开发利用具有重要意义。

目前，有关大气增温对植物的影响研究多集中于树木和农作物（Dong et al.，2011；孙啸震等，2012；Kivimäenpää et al.，2017；袁嫚嫚等，2018），而对草本植物的研究较少。而在增温处理对草本植物影响的研究中，主要集中在其生长发育和繁殖物候等方面（范曾丽，2015；朱军涛，2016），对其生理响应机制的研究较少。本研究所选材料美国薄荷（Monarda didyma L.）是近年来北方城市普遍种植的芳香类草本植物，叶型玲珑可爱，叶色浓绿，气味芬芳，耐贫瘠，抗逆性强，观赏性佳，易于管理，深得人们的喜爱，同时具有药用食用双重功能。然而，这类挥发性芳香类植物受气温影响较大，在北方对气候变暖可能较为敏感，而目前关于该类植物对气温升高尤其是在未来气候变暖环境下的生理代谢机制研究还非常匮乏。因此，本研究采用开顶式气室模拟大气增温的方法，观测了增温处理下美国薄荷叶片的光合生理参数和逆境生理指标，揭示其对增温处理的生理响应，旨在为薄荷等芳香类草本植物在中国北方城市的引种栽培尤其是全球变暖环境下这类物种的生长及开发利用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况与实验设计

研究区域位于沈阳市商业文化中心区域，中国科学院沈阳应用生态研究所树木园内（123°26′E，41°46′N）。树木园占地面积约5 hm2，四季分明，雨热同期，属于暖温带大陆型季风性气候。本试验主要采用直径4 m，高3 m玻璃室壁的正八边形开顶箱（OTC，北京前景惠邦控制技术有限公司设计），OTC内设有6个陶瓷加热器（距离植物冠层1.5 m）、温湿度传感器及数据分析与自动控制系统，模拟增温采用全天候不间断增温模式。增温试验设置2个处理：对照组CK和增温组IT，其中增温处理比对照处理的大气温度高(3±0.2) ℃，每个处理设置3次重复。在试验期间，对照组、增温组的植物冠层最低温度分别为 10.6 ℃和13.5 ℃，最高温度为 31.0 ℃和 33.8 ℃。本研究选取一年生的美国薄荷为实验材料，于2017年7月1日进行种植栽培，统一采用高25 cm，直径20 cm的聚乙烯塑料盆进行盆栽。基质为经处理的无病害基质，成分为园林土、草炭土和炉灰，比例为1∶1∶1，保水性能良好，适宜薄荷生长。8月20日，挑选长势均匀一致的薄荷盆栽苗12盆，随机分为2组，每组6盆，分别放入对照和增温开顶箱内。于处理的第7天和第14天测定薄荷叶片的光合气体交换参数、叶绿素荧光参数及其他生理指标。此外，在试验过程中，保持对照组和增温组的薄荷盆栽供水充足。对照组与增温组除温度外，灌溉水量等其他条件均一致。

1.2 测定项目与试验方法

1.2.1 光合气体交换参数

试验处理后每隔 7天测 1次光合气体交换参数，选择晴朗天气的上午 9:00—12:00开始测定。选择位于植株冠层中间部位的成熟叶，利用LI-6400便携式光合测定仪（固定红蓝光源，设定光合有效辐射 PAR=1000 μmol·m-2·s-1）测定净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、叶片水分利用效率（WUE=Pn/Tr）。

1.2.2 叶绿素荧光参数

采用 FMS-2便携式叶绿素荧光仪（英国Hansatech公司）测定叶绿素荧光参数PSII电子传递量子产率（ΦPSII）、PSII最大光化学效率（Fv/Fm）、光化学猝灭系数（qP）和非光化学猝灭系数（qN）。与光合气体交换参数同步测定，每隔7天测定1次，测定时间选择在晴朗天气的上午9:00—12:00。叶片选择位于植株冠层中部的健康、成熟叶。

1.2.3 逆境生理参数

光合色素含量采用乙醇混合液法测定（高俊凤，2006）；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法（Hodges et al.，1999）测定；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑法测定（Bortolin et al.，2014）；可溶性蛋白含量采取考马斯亮蓝染色法测定（高俊凤，2006）；超氧自由基（O2-·）产生速率采用盐酸羟胺法测定（高俊凤，2006）；脱落酸（ABA）含量采用酶联免疫法（李莉等，2007）结合植物激素脱落酸ELISA检测试剂盒（上海茁彩生物科技有限公司）进行测定。

1.3 数据处理

运用Microsoft Excel统计处理数据、计算平均值和标准差，结合SPSS 21.0软件，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）的Duncan多重比较法，分别对不同时间对照和增温处理下美国薄荷的各项生理指标进行分析，比较不同时间各指标的处理组与对照组之间差异显著性。数据在进行方差分析前，均进行了方差齐性检验。运用Oringin 9.1软件绘图。

2 结果与分析

2.1 增温处理对薄荷叶片光合气体交换参数的影响

图1 增温处理对美国薄荷叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和水分利用效率（WUE）的影响Fig. 1 Effects of temperature-increasing treatment on net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), transpiration rate (Tr)and water use efficiency (WUE) in leaves of Monarda didyma L.样品重复数n=3，同一时期不同小写字母表示不同处理间有显著差异（P<0.05），同一时期不同大写字母表示不同处理有极显著影响（P<0.01），下同Sample repeat number n=3, different lowercase letters in the same period indicated significant differences between different treatments at the 0.05 level.Different capital letters at the same period indicated extremely significant differences between different treatments at the 0.01 level, the same below

如图1A、图1C所示，处理7 d后，增温处理下美国薄荷叶片的净光合速率和蒸腾速率较对照分别极显著升高了48.8%（P=0.002<0.01）和49.2%（P=0.007<0.01）；如图1B、图1D所示，处理7 d后，增温处理下美国薄荷叶片的气孔导度和叶片水分利用效率较对照分别上升了 11.1%和 14.6%，但不显著。处理14 d后，各指标较对照均有所降低，但不显著。第 14天增温组合处理组的薄荷叶片的净光合速率、气孔导度以及蒸腾速率均显著高于第7天，这可能与测定光合气体交换参数时的外界环境因子（如外界光照强度、CO2浓度、大气温湿度和风速等）有关；而叶片水分利用效率则显著低于第7天，这是由于蒸腾速率的增加幅度较大。由此可见，短时间增温处理可以促进美国薄荷的光合作用，但随着处理时间的增长，增温处理下光合作用较对照有所降低。

2.2 增温处理对薄荷叶片叶绿素荧光参数的影响

如图2A、图2B、图2C所示，处理7 d时，增温处理下美国薄荷叶片的 PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）、PSII电子传递量子产率（ΦPSII）和光化学猝灭系数（qP）与对照相比略有升高，但不显著；处理14 d时，则分别较对照下降了11.0%、21.5%（P=0.017<0.05）和 17.1%（P=0.033<0.05）。如图2D所示，处理7 d时，增温处理下美国薄荷叶片的非光化学猝灭系数（qN）与对照相比无显著变化；处理 14 d时，则较对照显著上升了 17.0%（P=0.045<0.05）。

2.3 增温处理对薄荷叶片光合色素含量的影响

如图3A所示，经过增温处理之后，美国薄荷叶片的叶绿素和类胡萝卜素含量的变化趋势一致，较对照均呈先升高后降低的趋势。处理7 d时，增温处理下薄荷叶片的叶绿素含量较对照显著上升了15.2%（P=0.016<0.05），而处理14 d时，较对照显著下降了10.0%（P=0.015<0.05）；如图3B所示，处理7 d时，增温处理下薄荷叶片的类胡萝卜素含量较对照上升了3.6%，而处理14 d时，则较对照显著下降了16.6%（P=0.020<0.05）。

图2 增温处理对美国薄荷叶片PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）、PSⅡ电子传递量子产率（ΦPSII）、光化学猝灭系数（qP）和非光化学猝灭系数（qN）的影响Fig. 2 Effects of temperature-increasing treatment on PSII maximum photochemical efficiency (Fv/Fm), PS II electron transfer quantum yield (ΦPSII),photochemical quenching coefficient (qP) and non-photochemical quenc hing coefficient(qN)in leaves of Monarda didyma L.

2.4 增温处理对美国薄荷叶片逆境生理指标的影响

2.4.1 膜脂过氧化产物丙二醛（MDA）含量

如图4A所示，处理7 d时，增温处理下美国薄荷叶片MDA含量较对照显著降低，降幅为25.2%（P=0.022<0.05）；而处理14 d时，增温处理下美国薄荷叶片的 MDA含量则较对照升高了 11.5%（P=0.017<0.05）。

图4 增温处理对美国薄荷叶片MDA含量、SOD活性、超氧自由基（O2-∙）产生速率和可溶性蛋白含量的影响Fig. 4 Effects of temperature-increasing treatment on MDA content, SOD activity, (O2-·) production rate, and soluble protein contentin leaves of Monarda didyma L.

2.4.2 超氧化物歧化酶（SOD）活性

如图4B所示，在处理过程中，增温处理下美国薄荷叶片超氧化物歧化酶活性较对照呈现先增加后降低的趋势，但并不显著。

2.4.3 超氧自由基（O2-∙）产生速率

如图4C所示，在处理过程中，增温处理下美国薄荷叶片超氧自由基产生速率较对照呈先下降后上升的趋势。处理7 d时，增温处理下美国薄荷叶片的超氧自由基产生速率较对照下降了2.1%。而在处理 14 d时则较对照显著上升了 15.5%（P=0.038<0.05）。且第14天测定的薄荷叶片的O2-·产生速率均显著高于第7天，这说明后期的增温处理引起的活性氧毒害作用加强。

2.4.4 可溶性蛋白含量

如图4D所示，处理7 d时，增温处理下美国薄荷叶片可溶性蛋白含量没有显著变化。而处理14 d时则较对照显著下降了19.9%（P=0.012<0.05）。

3 讨论与结论

3.1 讨论

光合作用是植被生态系统最重要的碳同化过程，是绿色植物最基本的生命能量的来源。研究表明，适宜的温度增加可促进植物的光合作用，从而促进植物生长（Sandvik et al.，2004；孙宝玉等，2018）。本试验结果表明，在增温处理第7天时，薄荷叶片的Pn、Gs、Tr和WUE与对照相比均呈上升趋势，而在处理第 14天时，则与对照相比呈下降趋势。这是因为在增温处理的初期，光合作用属于酶促反应，受温度的影响较大，随着温度的升高，光合反应酶活性随之升高，所以光合作用提高，同时也说明了薄荷植物在处理初期对增温有更好的适应能力。这与冯憬等（2018）对多年生草本植物赖草（Leymus secalinus）的研究结果一致，他们采用开顶箱气室模拟增温，结果表明，适宜的温度增加（2 ℃）能够促进植物的光合作用能力，提高植物的光合速率。而到增温处理的第 14天时，增温改变了光响应过程中叶片蒸腾速率、气孔导度、水分利用效率的响应进程，这些因素都导致了叶片光合作用的减弱，因此其光合作用呈下降趋势。叶绿素荧光参数与光合作用效率密切相关，是评定植物光合结构受损程度的一个重要指标，其中Fv/Fm是暗适应下PSII的最大光化学效率，能反映植物对光能的利用效率；ΦPSII是指光合系统II的有效量子产量，能反映光合系统II的实际光能捕获率（尹海龙等，2013）；qP光化学猝灭系数，它反映了 PSII反应中心的开放程度；而qN是PSII天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的部分，是一种自我保护机制，对光合机构起一定的保护作用（李晓等，2006）。本试验结果表明，增温处理第 7天时，薄荷叶片的叶绿素荧光参数Fv/Fm、ΦPSII和 qP与对照相比均呈上升趋势；而在处理第 14天时，薄荷叶片的 Fv/Fm、ΦPSII和 qP与对照相比均呈下降趋势，而qN则与对照相比显著上升。这表明在处理前7 d时，增温使得薄荷具有更强的光能转换效率、更高的光合电子传递速率以及电子传递活性，从而使得其潜在的光化学效率提高（石福孙等，2009）。而在增温处理的第14天，温度增加抑制了光合作用过程中电子的传递速率，PSII反应中心开放比例降低，天线色素吸收的能量更多以热耗散的形式消耗，进而导致Fv/Fm、ΦPSII、qP等叶绿素荧光参数降低，而 qN则显著升高。这与李晓娜（2017）对多年生草本植物三裂叶蟛蜞菊（Wedelia trilobata）的研究结果相一致，其采用人工智能气候箱进行模拟增温，试验结果表明，温度增加（比对照增加2 ℃）使得植物的叶绿素荧光参数升高。

叶绿素和类胡萝卜素都是重要的光合色素，也是衡量植物光合能力的重要指标之一，其含量的变化往往与叶绿体的生理活性、植物对环境的适应性和抗性密切相关（Xin et al.，2016）。研究表明，适宜的增加温度会使得植物的叶绿素和类胡萝卜素等光合色素的含量增加（Chang et al.，2015；Stinziano et al.，2015；Wong et al.，2015；袁嫚嫚等，2018）。本试验结果表明，在处理第7天时，增温处理下美国薄荷叶片的叶绿素和类胡萝卜素与对照相比呈上升趋势，而在处理第14天时，与对照相比均显著下降。这可能是因为在处理初期增温有利于植物根部细胞分裂素的合成与向叶片的运输，促进叶片中叶绿素的合成，王琼等（2017）采用红外加热器模拟增温试验也发现，适宜的增加温度（0~1 ℃）能够促进多年生草本植物喜旱莲子草（Alternanthera philoxeroides（Mart.）Griseb）叶片光合色素含量；而在处理后7 d时，长时间的增温处理则变成了一种胁迫，导致了叶绿素等光合色素被分解，因此与对照相比呈下降趋势。

丙二醛（MDA）是细胞膜脂过氧化产物之一，其含量越多表明叶片受毒害作用越强，通常利用丙二醛的产生量表征细胞膜脂过氧化程度，也可间接反映植物组织的抗氧化能力（Yu et al.，2018）。而超氧自由基（O2-·）则是叶片受到外界胁迫时产生的活性氧物质，是活性氧的一种重要形式，也是植物体内其他活性氧物质H2O2的来源（阮亚男等，2017）。超氧化物歧化酶（SOD）是植物体内一类重要的抗氧化酶。可溶性蛋白则是一种具有亲水性的胶体，参与植物的渗透调节过程，与植物的许多生理生化作用都密切相关。本实验结果表明，随着处理时间的增长，与对照相比，增温处理下的MDA含量呈先下降后上升的趋势；SOD活性呈先上升后下降的趋势，但不显著；O2-·产生速率则在试验增温处理后期显著增加，可溶性蛋白含量显著下降。这说明在处理第7天时，增加温度使得SOD等抗氧化酶的活性增加，维持了细胞膜的稳定性，也维持了植物体内的生理代谢平衡，因此膜脂过氧化的程度没有增加，MDA含量有所降低，这与Shi et al.（2010）对多年生草本植物垂穗披碱草（Elymus nutans）的研究结果一致，适宜的增加温度（1~2 ℃）能够使得膜脂过氧化产物丙二醛的含量减少。但在处理第14天时，增温处理导致的胁迫加速了活性氧的毒害作用，因此O2-·产生速率增加，导致MDA含量上升，此时的增温生境导致的活性氧积累可能加速了蛋白质的分解，因此可溶性蛋白含量下降显著。

3.2 结论

增温处理下美国薄荷叶片的Pn、Tr在处理第7天与对照相比显著增加（P<0.05），ΦPSII、qP以及光合色素含量在处理第 14天较对照显著降低（P<0.05）；处理第14天时，MDA、O2-·产生速率较对照显著增加（P<0.05），可溶性蛋白含量则较对照显著降低（P<0.05）。因此，处理第7天时增加温度对植物表现出正效应，促进了薄荷叶片的生长及其光合作用，而处理第 14天时，长时间的增温处理变成了一种胁迫，对美国薄荷的生长及其药用和食用价值产生不利影响。另外，温度升高对植物产生的影响长远且复杂，本试验只研究了增温对一种草本植物生理生态的影响，有一定的局限性；同时，在自然条件下，气温上升3 ℃可能需要上百年的时间历程，而模拟增温实验在较短时间内试验了增温效应，忽略了植物对自然界气候变化的长期适应过程，因此植物对气温升高的最初响应能否在长时间尺度上持续还需要进一步验证。此外，本研究仅模拟了大气增温一种环境因子对美国薄荷的影响，在增温处理与其他因子（如光强、二氧化碳、高浓度臭氧、干旱胁迫、重金属离子胁迫等）的复合作用对薄荷类草本植物的影响方面还有待开展进一步深入研究。