北京引種7種常綠闊葉植物的抗寒適應(yīng)性研究

金 花，王 斌，戴思蘭，楊秀珍

（北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，國家花卉工程技術(shù)研究中心，北京 100083）

低溫是常綠闊葉植物自然分布的主要限制因子[1]。在亞熱帶北緣地區(qū)進(jìn)行常綠闊葉植物越冬適應(yīng)性觀察，并開展抗寒機(jī)理方面的研究，對(duì)于其在高緯度城市園林中的引種與應(yīng)用具有實(shí)際意義[2]。低溫誘導(dǎo)生成的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）等抗氧化酶構(gòu)成了植物的酶促保護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)植物免受活性氧的傷害。許多研究證明，冷馴化能夠提高膜保護(hù)酶的抗氧化能力，從而減輕低溫脅迫引起的膜蛋白聚合和膜脂過氧化，提高了植物的抗寒力[3－5]。近年來，盡管國內(nèi)外研究者們已經(jīng)開始重視常綠闊葉植物的抗寒性研究，但與其它園藝作物和農(nóng)作物非常成熟的抗寒性研究相比，在此方面的深入研究工作目前還有所欠缺[6]。在我國高緯度地區(qū)的城市園林中常綠闊葉植物的種類甚少，而且新品種很難得到推廣。主要原因是對(duì)常綠闊葉植物在較高緯度地區(qū)的越冬適應(yīng)能力以及抗寒機(jī)理方面缺乏全面系統(tǒng)的研究與評(píng)價(jià)，育種工作尚待開展。筆者對(duì)7種引種的到北京地區(qū)的常綠闊葉植物主要抗寒生理指標(biāo)進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)各種引種材料的抗寒性，同時(shí)分析各種生理指標(biāo)與抗寒性相關(guān)程度，以期為今后常綠闊葉植物在較高緯度地區(qū)的引種預(yù)測、篩選和育種以及栽培和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及工作背景

2005年4月從美國茶花林苗圃（Camellia Forest Nursery，Chapel Hill，NC，USA）引入北京的 7 種常綠闊葉植物：金邊扶芳藤（Euonymus fortunei‘E－merald’n‘Gold’）、銀邊扶芳藤（Euonymus fortunei‘Emerald Gaiety’）、藍(lán)冬青 （Ilex×meserveae‘Blue Princess’）、栒子（Cotoneaster×suecicus‘Coral Beauty’）、雜交山茶 （Camellia japonica）、雜交油茶（Camellia oleifera）和 April Rose（Camellia japonica‘April Rose’）。每種植物種植100株，進(jìn)行保護(hù)地栽培。從2007年11月至2008年3月，每月分別對(duì)7種植物進(jìn)行1次葉片采集。每種植物隨機(jī)挑選3株，選擇一年生健壯枝條上的3個(gè)生長良好的葉片進(jìn)行采集。越冬期間各月平均溫度分別為5.6、0.5、－3、0.6、9.1℃。

1.2 引種植物抗寒性形態(tài)學(xué)觀測

2007～2009年對(duì)引種的7種常綠闊葉植物進(jìn)行物候期的觀測記錄，包括春梢期、開花期、果熟期、秋梢期和霜凍變色期。2008年春季3～5月，用直尺、游標(biāo)卡尺對(duì)經(jīng)過越冬后引種植物的春季生長量進(jìn)行測定，包括地徑粗、新梢長、新梢粗、植物平均高度。

1.3 引種植物越冬期間生理生化指標(biāo)分析

葉組織水分飽和虧缺值、電解質(zhì)外滲率和SOD活性，采用鄭彩霞[7]的方法測定；束縛水和自由水含量、葉綠素含量、POD活性、MDA含量、APX活性和可溶性糖含量的測定采用李合生[8]的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 引種植物形態(tài)觀測

對(duì)引種常綠闊葉植物的越冬形態(tài)學(xué)觀測發(fā)現(xiàn)：溫室中盆栽的植物表現(xiàn)良好，部分植物有褐化現(xiàn)象，露地越冬植物均出現(xiàn)葉片褐化現(xiàn)象，且干枯現(xiàn)象嚴(yán)重，葉片灰綠、發(fā)脆，葉片失水較嚴(yán)重（表1）。在小氣候保護(hù)好的條件下生長的植物都已存活，而缺少小氣候保護(hù)的植物由于冬季受北京冬季旱風(fēng)影響，地上部分旱死，來年春天又從根部發(fā)出新芽。從引種常綠闊葉植物的物候期觀測結(jié)果（表2）中可見，山茶冬季有花可觀，栒子可觀其春花，藍(lán)冬青秋季有紅果經(jīng)冬不凋。對(duì)引種常綠闊葉植物經(jīng)過越冬后的春季生長量進(jìn)行測定發(fā)現(xiàn)，扶芳藤的新梢較長，其越冬后生長較快，藍(lán)冬青地徑較粗（表3）。綜合植物越冬期間形態(tài)觀測結(jié)果，7種常綠闊葉植物抗寒性強(qiáng)弱排序依次為：栒子>藍(lán)冬青、雜交油茶>金邊扶芳藤、銀邊扶芳藤>雜交山茶、April Rose。

表1 引種常綠闊葉植物的越冬表現(xiàn)

表2 引種常綠闊葉植物的物候期觀測 （月）

表3 幾種常綠闊葉植物的春季生長量測定

2.2 越冬期間葉片生理生化指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化

2.2.1 葉組織水分飽和虧缺值動(dòng)態(tài)變化 越冬期間7種植物葉組織水分飽和虧缺值總的表現(xiàn)是：11月至翌年2月隨著氣溫降低表現(xiàn)出下降趨勢，而2月后氣溫回暖則表現(xiàn)為上升趨勢。

2.2.2 束縛水/自由水比值動(dòng)態(tài)變化 植物細(xì)胞中自由水與束縛水比值反映著植物代謝程度。比值大時(shí)，植物細(xì)胞代謝旺盛；比值小時(shí)，植物生長代謝緩慢，抗逆性強(qiáng)。11月至12月，藍(lán)冬青、雜交山茶和雜交油茶的自由水/束縛水比值呈現(xiàn)下降趨勢；12月至翌年1月，僅銀邊扶芳藤的比值下降，其余均上升；1月以后，銀邊扶芳藤、藍(lán)冬青的比值上升，其余均下降；2月份后氣溫回暖，僅April Rose的比值下降，其余均升高（圖2）。

圖1 越冬過程中葉片飽和虧缺變化

圖2 葉片束縛水/自由水含量變化

2.2.3 電解質(zhì)外滲率動(dòng)態(tài)變化 11月至12月，7種引種植物的電解質(zhì)外滲率均呈現(xiàn)下降趨勢，從12月份開始到翌年3月，除了雜交油茶出現(xiàn)下降幅度較大外，其他植物均呈現(xiàn)上升趨勢，且幅度較為緩和（圖3）。總的來說，越冬過程中電解質(zhì)的外滲率比較有規(guī)律。由于冬季低溫，植物葉片受損傷比較嚴(yán)重，細(xì)胞質(zhì)質(zhì)膜受到了一定的損傷，表現(xiàn)為膜透性增大，電解質(zhì)外滲率增大。

圖3 越冬期間電解質(zhì)外滲率變化

2.2.4 葉綠素含量變化 葉綠素含量動(dòng)態(tài)變化如圖4～圖6，從3個(gè)圖中看出：引種的常綠闊葉植物的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量，11月至翌年1月隨著氣溫降低表現(xiàn)下降趨勢。1月后隨著氣溫的上升，其又呈一定規(guī)律性緩和上升。其中栒子的變化幅度在3個(gè)圖表中均為最顯著。

圖4 越冬期間葉綠素a含量變化

圖5 越冬期間葉綠素b含量變化

圖6 越冬期間類胡蘿卜素含量變化

2.2.5 超氧化物歧化酶（SOD）活性變化 11月至12月，除雜交油茶和雜交山茶的酶活性下降外，其它引種植物SOD活性均表現(xiàn)為上升。12月到翌年1月，藍(lán)冬青和雜交山茶的酶活性有所下降，其余5種的酶活性上升。1月至2月，April Rose、金邊扶芳藤和栒子的酶活性下降，藍(lán)冬青、銀邊扶芳藤、雜交油茶和雜交山茶的酶活性上升。2月至3月，雜交山茶的酶活性升高，其他6種植物均呈下降趨勢（圖7）。總體來說，在越冬過程中，1月至2月氣溫最低，除了雜交山茶呈下降趨勢外，其他植物均表現(xiàn)為先上升后下降。這說明SOD活性和氣溫變化密切相關(guān)，低溫導(dǎo)致了SOD酶活性的增加。

2.2.6 過氧化物酶（POD）活性動(dòng)態(tài)變化 11月至翌年2月，金邊扶芳藤和銀邊扶芳藤的POD活性變化較明顯，表現(xiàn)為上升趨勢，2月至3月表現(xiàn)為大幅度下降，而其余幾種植物的POD活性變化并不明顯（圖8）。這說明，除金邊扶芳藤和銀邊扶芳藤外，POD活性不是這幾種植物抗寒生理的重要指標(biāo)。

圖7 超氧化物歧化酶活性變化

圖8 過氧化物酶活性變化

2.2.7 植物丙二醛（MDA）含量變化 11月至12月，栒子、April Rose、銀邊扶芳藤和雜交油茶的MDA含量上升，其他植物表現(xiàn)為下降。12月至1月，栒子、藍(lán)冬青、銀邊扶芳藤和雜交油茶的MDA含量上升，其他植物表現(xiàn)為下降。1月至2月，引種植物MDA含量表現(xiàn)為上升。2月至3月，引種植物MDA含量下降（圖9）。總的來說，除栒子MDA含量變化最明顯外，其他幾種植物變化并不明顯。

圖9 丙二醛含量變化

2.2.8 抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性變化 11月至12月，除金邊扶芳藤和雜交山茶APX活性下降外，其余5種植物則表現(xiàn)為上升。12月至1月，April Rose、藍(lán)冬青、銀邊扶芳藤、雜交油茶的APX活性下降，金邊扶芳藤、栒子、雜交山茶的APX活性上升。1月至2月，April Rose、金邊扶芳藤、雜交油茶和雜交山茶的APX活性下降，藍(lán)冬青、銀邊扶芳藤和栒子的APX活性上升。2月至3月，除雜交山茶的APX活性上升外，其他6種的APX活性下降（圖10）。總的來說，這7種植物在越冬的過程中，APX活性總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且隨著溫度的降低其含量逐漸升高。

圖10 抗壞血酸過氧化物酶活性變化

2.2.9 可溶性糖含量變化 11月至12月，藍(lán)冬青、銀邊扶芳藤、栒子和雜交油茶的可溶性糖含量下降，April rose、金邊扶芳藤和雜交山茶的可溶性糖含量上升。12月至1月，藍(lán)冬青、雜交油茶和雜交山茶的可溶性糖含量下降，金邊扶芳藤、銀邊扶芳藤和栒子的可溶性糖含量上升。1月至2月，金邊扶芳藤和雜交山茶的可溶性糖含量下降，其他5種的可溶性糖含量上升。2月至3月，引種植物可溶性糖含量下降。總的來說，藍(lán)冬青、雜交油茶、栒子的可溶性糖含量變化較為平緩，其他幾種植物變化較明顯。

圖11 可溶性糖含量變化圖

3 結(jié)論和討論

3.1 常綠闊葉植物抗寒性評(píng)價(jià)結(jié)果

從物候期觀測、越冬表現(xiàn)和春季生長測定看出，栒子最早出現(xiàn)霜凍變色，春季生長量最大，而在生理指標(biāo)的測定中則表現(xiàn)葉片自由含水量變化、SOD活性變化的幅度最大，因此對(duì)抗寒適應(yīng)性最強(qiáng)，藍(lán)冬青、雜交油茶次之，雜交山茶、April Rose耐寒性相對(duì)較差。總的來看，抗寒性大小依次為：栒子>藍(lán)冬青、雜交油茶>金邊扶芳藤、銀邊扶芳藤>雜交山茶、April Rose。

3.2 常綠闊葉植物抗寒性生理生化指標(biāo)與抗寒性綜合分析

對(duì)引種的7種常綠闊葉植物越冬期間葉片生理生化指標(biāo)進(jìn)行測定的研究發(fā)現(xiàn)：7種常綠闊葉植物的水分飽和虧缺值、電解質(zhì)外滲率、束縛水和自由水比值、SOD活性、APX活性以及可溶性糖含量從2007年11月份到2008年2月份呈現(xiàn)隨溫度下降而上升的趨勢，2008年2月到3月隨氣溫回升又表現(xiàn)為下降的趨勢。這與物候期觀測中11月至翌年2月的霜凍變色及越冬期間葉片褐化現(xiàn)象，3月氣溫回升這些生理指標(biāo)出現(xiàn)下降趨勢，進(jìn)入春梢期表現(xiàn)相一致。葉綠素含量先下降后上升的變化同樣也是其解釋。所以，這幾種生理指標(biāo)可以作為評(píng)價(jià)幾種引種的常綠闊葉植物的抗寒生理指標(biāo)。He Yong-ming等[5]也認(rèn)為，這些可以去除寒冷產(chǎn)生的活性氧（ROS）的物質(zhì)指標(biāo)具有重要意義。糖是植物抗寒性的主要保護(hù)物質(zhì)，可溶性糖含量的積累是植物進(jìn)行抗寒反應(yīng)的表現(xiàn)[9]。總含水量減少與束縛水含量相對(duì)增多，即束縛水和自由水比值增高，有利于植物抗寒性的加強(qiáng)。電解質(zhì)外滲率[10]、水分飽和虧缺值、SOD活性、APX活性的提高也有助于提高常綠闊葉植物的抗寒性[11]。而POD活性[12]和MDA含量[13]變化規(guī)律性不強(qiáng)，因此其與抗寒性關(guān)系不大，不能作為引種常綠闊葉植物的耐寒性鑒定指標(biāo)。所以，在評(píng)價(jià)引種常綠闊葉植物的抗寒性時(shí)，不能以單一指標(biāo)來衡量，應(yīng)該綜合其他指標(biāo)、多種方法來分析引種植物的抗寒性。

[1]Tomasz A,Orville M L.Seasonal changes in cold hardening on sensitivity of Rhododendron L[J].Amer.Soc.Hort.Sci,1996,121:301-306.

[2]馬海慧，戴思蘭.植物的冷調(diào)節(jié)蛋白及誘導(dǎo)其基因表達(dá)的條件[J].中南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，23（5）：96-100.

[3]李美如，劉鴻先，王以柔.植物細(xì)胞中的抗寒物質(zhì)及其與植物抗冷性的關(guān)系[J].植物生理學(xué)通訊，1995，31（5）：328-334.

[4]姚立新，朱 銳，馬雯彥，等.植物抗旱、抗寒性鑒定與生理生化機(jī)理研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009（25）：11864-11866.

[5]He Y M,Xiao H D,Wang H Z,et al.Effect of silicon on chilling-induced changes of solutes,antioxidants,and memberane stability in seashore paspalum turfgrass[J].Acta Physiol Plant,2010,32:487-494.

[6]簡令成.植物抗寒機(jī)理研究的新進(jìn)展[J].植物學(xué)通報(bào)，1992，9（3）：16-22.

[7]鄭彩霞，夏新莉.研究生植物生理大試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M].北京：北京林業(yè)大學(xué)植物生理研究教研組，2002.

[8]李合生.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[9]Michel M,Brigitte K,Pascal R,et al.Tocotrienols,the Unsaturated Forms of Vitamin E,Can Function as Antioxidants and Lipid Protectors in Tobacco Leaves[J].Plant Physiology,2008,147:764-778.

[10]Huang M,Guo Z.Responses of antioxidative system to chilling stress in two rice cultivars differing in sensitivity[J].Biol Plant,2005,49:81-84.

[11]Bowler C,Van Montagu M,Inze D.Superoxide dismutase and stress tolerance[J].Annual Review of Plant Biology And Plant Molecular Biology,1992,43:83-116.

[12]陳禪友，汪匯東，丁 毅.低溫脅迫下長豇豆幼苗可溶性蛋白質(zhì)和細(xì)胞保護(hù)酶活性的變化[J].園藝學(xué)報(bào)，2005，32（5）：911-913.

[13]劉學(xué)慶，王秀峰，樸永吉.蝴蝶蘭不同品種耐冷特性的研究[J].園藝學(xué)報(bào)，2007，4（2）：425-430.