‘紅粉佳人’櫻花對高溫脅迫的生理響應

洪志猛，夏思穎

(1. 福建省林業科學研究院，福建 福州 350012；2. 福建農林大學林學院，福建 福州 350002)

隨著全球氣候變暖，溫室效應的不斷加劇，高溫極端天氣日趨嚴重。高溫脅迫對植物的生長產生不良影響，導致其生理生化反應發生異常變化，嚴重時甚至導致植物死亡[1]。城市夏季的溫室效應已經成為制約綠化樹種生長的主要環境因子[2]。近年來一些學者開展櫻花抗熱性研究。聶超仁等[3]對12個櫻花新品種耐熱性從強到弱依次為‘吉野垂枝’＞‘八重紅大島’＞ ‘御車返’＞‘琉球緋櫻’＞ ‘衣通姬’＞ ‘松月’＞ ‘染井吉野’＞ ‘八重紅枝垂’＞ ‘椿寒櫻’＞ ‘河津櫻’＞ ‘神代曙’＞ ‘獎章’。胡娜等[4]對4 種原生櫻花耐熱性研究表明，華中櫻Prunusconradinae耐熱性較強， 迎春櫻P.discoidea、福建山櫻P.campanulata次之，尾葉櫻P.dielsiana較弱。許學洪等[5]對熱帶北緣櫻花引種表明，‘廣州櫻’、‘中國紅’生長好，‘日本晚櫻’適應性差。相關研究主要集中于生長適應性觀測、細胞損傷率等研究，系統地從生理生化指標開展櫻花耐熱性研究鮮有報道。

‘紅粉佳人’櫻花P.pseudocerasus×incisa，系中國櫻桃P.pseudocerasus與富士櫻P.incisa培育出來的特殊品種，顏色粉嫩，帶有淡淡的香味，十分特殊，花期2～3 月，原為臺灣武陵農場獨特品種，素有武陵“櫻花皇后”之稱[6]。2014 年從臺灣引進‘紅粉佳人’品種種植于海拔1100 m 的三明大田縣屏山鄉仙居山櫻花園基地，苗木長勢良好，適應性強。據觀測，在2018 年冬季極端低溫零下11～12 ℃條件下，櫻花樹不受凍，耐寒冷性強。近年來，‘紅粉佳人’因樹形美觀、觀賞效果好而廣泛推廣應用于城市綠化和公園建設，城市高溫脅迫環境是影響‘紅粉佳人’推廣應用效果的主要環境因子。為了探討其耐熱適應性情況，本文對引進‘紅粉佳人’品種開展高溫脅迫下生理響應研究，為其在南方更大區域的推廣應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料來源于國家林業和草原局“948”項目大田縣屏山鄉引種試驗基地，選擇培育1 年生生長健壯、整齊一致的‘紅粉佳人’嫁接袋裝苗，嫁接砧木為臺灣緋寒櫻P.campanulata，袋裝苗容器袋規格10 cm×15 cm，容器袋材質為無紡布育苗袋，苗高70 cm 左右。試驗設計為5 組，每組6 株。在光照強度10000 lx、相對濕度50%的人工氣候培養箱培養。培養箱溫度設置25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃等5 個溫度梯度，脅迫處理時間為2 h、4 h、6 h、8 h，不同溫度梯度均以25 ℃處理0 h 作為對照處理。從頂芽以下選取第5片幼葉測定生理指標，重復3 次。

1.2 方法

參照孔祥生等[7]方法測定葉綠素含量，采用考馬斯亮藍法G-250 染色法測定可溶性蛋白含量[8]，硫代巴比妥酸(TBA)法測定丙二醛(MDA)含量，紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性，抑制氮藍四唑(NBT)法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性，可溶性糖含量測定均按照王學奎[9]的方法，過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法測定[10]。耐熱性指標系數參照周廣生等[11]的方法計算，各個生理單項指標的耐熱系數進行主成分分析。

生理指標耐熱系數(a)：a=各指標測定值/對照測定值×100%

1.3 數據分析

利用SPSS 軟件進行數據相關性分析、顯著性差異檢驗和主成分分析，利用Origin2018 軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 高溫脅迫對‘紅粉佳人’葉片生理指標的影響

2.1.1 葉綠素含量

從圖1 可見，隨著脅迫時間延長，在溫度25 ℃條件下‘紅粉佳人’葉綠素含量呈下降趨勢，30 ℃、35 ℃處理則葉綠素含量不降反增，40 ℃處理葉綠素含量是先降后升，最高值是最低值的1.2 倍。45 ℃脅迫處理2 h，葉綠素含量達最高值2.412 mg·g-1，是25 ℃脅迫2 h 的2.05 倍。45 ℃脅迫處理2 h、4 h、6 h、8 h 分別比25 ℃對應脅迫時間的值增加105%、39.58%、75.91%和69.24%；45 ℃脅迫處理的葉綠素含量反而增加?？傮w來說，高溫脅迫下‘紅粉佳人’葉綠素含量隨著溫度升高，呈現先下降后增長的趨勢，除25 ℃外，同一溫度處理隨著脅迫時間延長葉綠素含量有顯著變化。

圖1 高溫脅迫對‘紅粉佳人’葉綠素含量的影響Fig. 1 Effects of high temperature stress on chlorophyll contents of Prunus pseudocerasus × incisa

2.1.2 可溶性蛋白含量

從圖2 可以看出，處理6 h 后，隨著脅迫溫度提升，可溶性蛋白含量呈先升后降的趨勢。30 ℃脅迫處理6 h 可溶性蛋白含量達最高值1.748 mg·g-1，是25 ℃、35 ℃處理6 h 的1.51 倍和1.41 倍。45 ℃高溫脅迫處理2 h、4 h、6 h、8 h 可溶性蛋白含量僅占25 ℃相對應脅迫處理時間的55.66%、68.74%、55.63%、56.38%，降低近一半，可見高溫脅迫對可溶性蛋白影響較大。

圖2 高溫脅迫對‘紅粉佳人’可溶性蛋白含量的影響Fig. 2 Effects of high temperature stress on soluble protein contents of Prunus pseudocerasus × incisa

2.1.3 MDA 含量

從圖3 可以看出，在25 ℃和30 ℃處理下，隨著脅迫時間的延長，‘紅粉佳人’MDA 含量先增加后下降，分別在6 h、4 h 達到峰值而后下降，峰值是比對照增加24.41%、31.50%。當溫度達35 ℃以上，隨則脅迫溫度升高，MDA 含量變化不大，45 ℃脅迫處理 2 h，MDA 含量達到最高，為0.191 μmol·g-1，比25 ℃脅迫處理2 h 增加38.41%。從整體上來看，隨著脅迫溫度的升高，MDA 含量呈先增加后下降的趨勢，同一溫度不同處理時間也均存在一定的差異。

圖3 高溫脅迫對‘紅粉佳人’MDA 含量的影響Fig. 3 Effects of high temperature stress on MDA contents of Prunus pseudocerasus × incisa

2.1.4 CAT 活性

溫度脅迫處理對‘紅粉佳人’CAT 影響如圖4所示。隨著脅迫溫度的升高，在處理4 h 時，CAT活性呈現逐漸上升趨勢；在處理6 h 時，35 ℃、40 ℃條件下的CAT 活性達到高峰，45 ℃的CAT 活性相對于40 ℃有所下降。同一溫度下隨著脅迫時間的延長CAT 活性大致呈先升高后下降的趨勢。45 ℃處理2 h、4 h、6 h、8 h 比25 ℃對應時間處理的值增加14.38%、39.04%、1.69%、19.08%?？傮w來說，高溫脅迫下CAT 活性增強。

圖4 高溫脅迫對‘紅粉佳人’CAT 活性的影響Fig. 4 Effects of high temperature stress on CAT activities in Prunus pseudocerasus × incisa

2.1.5 POD 活性

從圖5 可看出，POD 隨著溫度的增加而增加，45 ℃高溫脅迫處理2 h、4 h、6 h、8 h 是25 ℃對應脅迫時間的3.92 倍、1.80 倍、1.03 倍、1.17 倍。同一溫度的隨著脅迫時間的延長均呈現顯著差異性?？傮w上，溫度脅迫提高‘紅粉佳人’POD 活性。

圖5 高溫脅迫對‘紅粉佳人’POD 活性的影響Fig. 5 Effects of high temperature stress on POD activities of Prunus pseudocerasus × incisa

2.1.6 SOD 活性

在不同溫度處理下，SOD 活性隨時間變化的趨勢有所差異(圖6)。在40 ℃范圍內，SOD 活性隨時間變化波動上升，45 ℃高溫脅迫下SOD 活性顯著增強，并在處理6 h 時達高峰，是對照的1.3 倍，隨后顯著下降。40 ℃條件下，SOD 活性在處理4 h 時達最低，僅為對照的84.23%。從SOD 活性來看，‘紅粉佳人’在40 ℃以上高溫時出現異常變化。

2.1.7 可溶性糖含量

從可溶性糖含量變化來看(圖7)，隨著脅迫溫度的升高，可溶性榶含量呈先下降再升高的現象。40℃達到最低值，40 ℃脅迫處理2 h、4 h、6 h、8 h的可溶性糖含量分別為 25 ℃相應處理時間的46.31%、27.67%、68.73%、55.88%，最低值為40 ℃脅迫處理4 h，僅為對照的32.48%。45 ℃高溫脅迫下可溶性糖含量呈現升高趨勢，45 ℃脅迫8 h 的可溶性糖含量為1.787 mg·g-1，是40 ℃脅迫8 h 值為1.026 mg·g-1的1.74 倍。在同一溫度下，可溶性糖含量隨著脅迫時間延長均存在顯著性差異(P＜0.05)。

圖7 高溫脅迫對‘紅粉佳人’可溶性糖含量的影響Fig. 7 Effects of high temperature stress on soluble sugar contents of Prunus pseudocerasus × incisa

2.2 生理指標的主成分分析

依據主成分分析法將7 項生理指標的耐熱性系數轉換成7 個主成分，按照累積貢獻率≥80%的標準提取主成分作為‘紅粉佳人’耐熱性的綜合指標。前4 個主成分的貢獻率分別為36.80%、24.21%、13.82%和8.54%，累積貢獻率達83.37%。各指標的特征值如表2 所示。提取的4 個主成分(Y1、Y2、Y3和Y4)、X1～X7分別表示7 個生理指標，各指標特征向量為系數[11]，建立4 個主成分的函數關系式：

Y1=0.678X1-0.627X2+0.547X3+0.515X4+0.770X5+0.171X6-0.733X7

Y2=0.354X1+0.402X2+0.568X3-0.491X4+0.190X5+0.782X6+0.443X7

Y3=-0.311X1+0.564X2+0.355X3+0.487X4+0.331X5-0.253X6+0.125X7

Y4=0.283X1-0.130X2+0.083X3-0.229X4+0.200X5-0.519X6+0.363X7

主成分的特征向量值越大，其單項生理指標對綜合指標的貢獻值也越大[13]。從表1 的各指標分析得知，高溫脅迫‘紅粉佳人’耐熱性評價第1 主成分中貢獻最大是POD 值活性，為0.770，其次是葉綠素含量，特征向量值為0.678，體現出高溫脅迫下首先植物細胞結構受到破壞、過氧化物增加，植物啟動抗氧化酶系統維持體內平衡；第2 主成分中SOD 活性貢獻最大，為0.782，其次是MDA 含量，主要是細胞保護酶系統，消除過氧化物維護細胞體內機體平衡；第3 主成分可溶性蛋白最大，其次是CAT 含量，主要是細胞滲透調節和抗氧化系統保護；第4 主成分可溶性糖特征向量最大，主要反應植物滲透調節能力[14]。

表1 生理指標的主成分分析Table 1 Principal component analysis of physiological biochemical indexes

3 結論與討論

葉綠素作為光合作用的重要色素，其含量變化反映植物抗逆能力[15]。一般認為，高溫脅迫導致葉綠體結構被破壞，葉綠素含量顯著減少，植株光合效率低下[16—17]。而本研究表明，較長時間高溫促進‘紅粉佳人’葉綠素含量顯著升高，雖然35 ℃、40 ℃脅迫處理2 h、4 h 時葉綠素含量減少，但處理6 h、8 h 時葉綠素含量增多，在45 ℃脅迫狀態下葉綠素含量反而增加并達到最高值?？梢?，‘紅粉佳人’抗熱性較強，能較好適應高溫環境。此外，高溫脅迫使植物葉片相對含水量降低，葉片生長受阻，葉面積減小，以致單位面積的葉綠素含量升高[18]。

丙二醛(MDA)是膜脂過氧化最重要的產物之一。本研究表明，隨著脅迫處理時間延長，‘紅粉佳人’MDA 含量先增加而后下降，同一溫度的不同處理時間也均呈現顯著性差異，但除35 ℃脅迫處理8 h 達到最高值外，其余同一溫度隨著脅迫處理時間的延長MDA 含量均呈現先升后降的趨勢。因此，從MDA 含量的變化來看，‘紅粉佳人’可在一定范圍內耐受較高溫度環境，具有一定的抗熱性。

植物通過自我調節滲透物質含量提高應對外界環境脅迫的能力[19—20]，主要是調節自身可溶性蛋白和可溶性糖含量來穩定細胞內環境[21]。隨著脅迫溫度升高，‘紅粉佳人’葉片可溶性蛋白呈現先升后降、的現象，這與鄭宇等[2]、楊煒茹等[22]研究成果相致?！t粉佳人’在應對外界環境變化時，首先是提高自身的滲透物質含量來維持細胞平衡，應對外界不利環境。隨后可溶性蛋白含量下降可能與‘紅粉佳人’自身基因抗熱性有關[21]?？扇苄蕴堑姆e累則呈現先下降再升高的變化趨勢?！t粉佳人’引種于臺灣，長期適應于低緯度環境，雖然在大田縣屏山鄉海拔1100 m 生長良好，但其抗熱性較強，這與聶仁等[3]對12 個櫻花新品種耐熱性LT50 均達到57 ℃以上的結論相一致。45 ℃脅迫處理下其可溶性糖增加是為適應高溫脅迫環境而自身提升調節免疫。

植物在高溫脅迫環境下會產生過量的活性氧，對細胞內環境的造成破壞[23]。由CAT、POD、SOD等構成抗氧化酶系統，能消除活性氧的危害，有效保護細胞維持正常生理過程。在高溫脅迫下，‘紅粉佳人’的CAT、POD、SOD 等抗氧化酶均得到顯著提高，表明植物體在受到外界環境脅迫時，能夠迅速提升自身的防御能力，保持細胞內環境的穩定。但隨著脅迫溫度的升高，CAT、SOD 等值均呈下降趨勢，說明‘紅粉佳人’具有較強的抗熱性，能夠應對外界溫度的變化。通過對生理指標耐熱性系數進行主成分分析，POD 活性、葉綠素、SOD含量、可溶性蛋白和可溶性糖是影響高溫脅迫的主導指標。