4種濕地植物的抗寒性比較

趙　峰，張建旗

(蘭州市園林科學(xué)研究所，甘肅 蘭州　730070)

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4種濕地植物的抗寒性比較

趙峰，張建旗

(蘭州市園林科學(xué)研究所，甘肅 蘭州730070)

以蘭州市園林科學(xué)研究所品種圃內(nèi)兩年生花葉蘆葦、花葉水蔥、慈姑和澤瀉為試驗(yàn)材料，觀察記載其物候期特性、越冬性和成活率,并設(shè)置4個(gè)人工冷凍處理0℃、-10℃、-15℃、-20℃，以常溫為對(duì)照，研究了不同溫度條件下葉片的細(xì)胞膜透性、脯氨酸(Pro)、可溶性糖(WSC)含量、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性的變化。結(jié)果表明：定植2個(gè)月后，花葉蘆葦和慈姑的成活率達(dá)96%。隨著低溫脅迫的不斷加重，4種濕地植物葉片細(xì)胞膜透性、Pro含量和WSC含量逐漸增大， POD和CAT活性呈現(xiàn)出先上升后下降的變化規(guī)律；綜合比較各生理指標(biāo)，4種濕地植物的抗寒性強(qiáng)弱順序依次為：花葉蘆葦>花葉水蔥>慈姑>澤瀉。

濕地植物；冷凍處理；抗寒性；生理指標(biāo)

隨著生態(tài)園林城市建設(shè)的發(fā)展，園林水體綠化與濕地生態(tài)修復(fù)的需要日益受到重視。做為園林水景與濕地恢復(fù)的重要造景素材—水生植物，其多樣的姿態(tài)及絢麗的色彩形成優(yōu)美景觀引人入勝，留戀忘返[1-2]?；ㄈ~蘆葦(Phragmitesaustralis)、花葉水蔥(Scirpusvalidus)、慈姑(Sagittariasagittifolia)和澤瀉(Alismaorientale)為華北地區(qū)濕地水景綠化中常見濕地植物，2013年4月從河北省保定市白洋淀地區(qū)(安新縣境內(nèi))引種至蘭州市園林科學(xué)研究所；經(jīng)兩年的引種栽培，表現(xiàn)出良好的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[3-5]。蘭州市屬于典型的大陸性干旱氣候，冬季寒冷，極端最低溫度-23.1℃，低溫是影響植物生長(zhǎng)的決定性因子；研究濕地植物對(duì)低溫的適應(yīng)性及其機(jī)制，有助于在蘭州地區(qū)不同濕地環(huán)境中對(duì)植物進(jìn)行配置及推廣應(yīng)用[6-8]。

試驗(yàn)在對(duì)花葉蘆葦、花葉水蔥、慈姑和澤瀉物候期特性、成活率和越冬情況觀察記錄的基礎(chǔ)上，研究了低溫脅迫對(duì)這4種濕地植物葉片細(xì)胞膜透性、游離脯氨酸(Pro)含量、可溶性糖(WSC)含量、過氧化物酶(POD)活性以及過氧化氫酶(CAT)活性生理指標(biāo)的影響，為4種濕地植物在蘭州地區(qū)城鄉(xiāng)濕地水景中的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

以兩年生的花葉蘆葦、花葉水蔥、慈姑和澤瀉為試驗(yàn)材料，取自蘭州市園林科學(xué)研究所品種圃。

1.2冷凍處理

選擇生長(zhǎng)健壯且生長(zhǎng)勢(shì)較一致的植株葉片進(jìn)行采集(6～8片)，將葉片裝入采集袋帶回試驗(yàn)室，先用自來水洗掉葉片上沾附的塵土，再用蒸餾水輕輕沖洗葉片，后用濾紙吸干葉片表面的蒸餾水。貼明標(biāo)簽，放入恒溫冰箱中進(jìn)行低溫脅迫處理，設(shè)0℃、-10℃、-15℃、-20℃ 4個(gè)梯度處理，處理24 h然后進(jìn)行各生理指標(biāo)測(cè)定[9-10]，常溫為對(duì)照(CK)。

1.3測(cè)定方法

直接觀察記載物候期和定植2月后的成活率，采用電導(dǎo)率法測(cè)定細(xì)胞質(zhì)膜透性[11]，Pro含量采用酸式茚三酮法[12-13]，WSC含量采用蒽酮比色法[13]，POD和CAT酶活性測(cè)定采用紫外吸收法[14]，每個(gè)處理重復(fù)3次。

提取粗提液時(shí)用預(yù)冷的研缽冰浴研磨，并在低溫離心機(jī)內(nèi)離心。制備好的粗提液迅速轉(zhuǎn)入低溫冷藏，以減小酶的失活。各指標(biāo)需當(dāng)日迅速測(cè)定，確保數(shù)據(jù)的可靠性[15-16]。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003軟件對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并作圖，用SPSS 16軟件對(duì)品種間各項(xiàng)指標(biāo)的差異顯著性進(jìn)行分析。

2　結(jié)果與分析

2.14種濕地植物的物候期和成活率

2013年5～11月，對(duì)蘭州市園林科學(xué)研究所品種圃內(nèi)栽植的4種濕地水生植物每隔10～15 d觀察植株的花期和觀賞類型，并統(tǒng)計(jì)植株2個(gè)月的存活率(表1，2)。結(jié)果顯示，花葉水蔥的始花期較早，于6月12日開放，且花期最長(zhǎng)，達(dá)115 d；慈姑和澤瀉次之，但澤瀉的花期較短，僅43 d。定植2個(gè)月后，4種濕地水生植物的成活率均較高，花葉蘆葦和慈姑的成活率達(dá)96%，花葉水蔥和澤瀉次之，成活率達(dá)91%(表2)。

表1　4種濕地植物物候期

注：4種植物觀賞類型為觀葉，澤瀉為可觀葉觀花

表2　4種濕地植物引種成活率統(tǒng)計(jì)

2.2低溫脅迫下濕地植物葉片細(xì)胞膜透性的變化

葉片相對(duì)電導(dǎo)率大小是衡量植物遭受溫度脅迫受害程度的生理指標(biāo)，低溫脅迫使細(xì)胞膜透性增加，越不耐寒的植物，膜透性的增加速度越快，表現(xiàn)為電導(dǎo)率迅速上升[17]。在低溫脅迫前期，各植物的相對(duì)電導(dǎo)率都處于比較低的水平，隨著溫度的降低，4種濕地植物葉片相對(duì)電導(dǎo)率總體呈上升趨勢(shì)，說明低溫處理對(duì)細(xì)胞膜產(chǎn)生了一定的傷害，但不同品種所受傷害程度不同。與CK相比，各品種在-10℃和-15℃時(shí)的相對(duì)電導(dǎo)率增加幅度較小，增幅在10%；當(dāng)溫度降低到-20℃，相對(duì)CK，4個(gè)品種的相對(duì)電導(dǎo)率增加幅度變大。據(jù)此推斷，4種濕地植物的抗寒性強(qiáng)弱順序依次為：花葉蘆葦>花葉水蔥>慈姑>澤瀉(圖1)。

圖1　不同低溫條件下葉片相對(duì)電導(dǎo)率Fig.1　The relative conductivity changes of the plants leaves under low temperature treatments

2.3低溫脅迫下濕地植物葉片Pro含量的變化

在正常環(huán)境條件下生長(zhǎng)的植物，體內(nèi)Pro的含量很低，但在植物受到低溫脅迫時(shí)，植物體內(nèi)Pro游離脯氨酸的含量可顯著增加，它在一定程度上反映植物受害程度，以及植物對(duì)低溫脅迫的忍耐及抵抗力[18]。隨著溫度的降低，4個(gè)品種的葉片Pro含量較CK顯著增加，且各溫度間其含量差異極顯著(P≤0.01)。當(dāng)溫度降至-20℃時(shí)，花葉水蔥的葉片Pro含量增加幅度最大，為18.4%。以葉片Pro含量增加幅度來分析，4種濕地植物的抗寒性強(qiáng)弱順序依次為：花葉水蔥>花葉蘆葦>慈姑>澤瀉(圖2)。

圖2　低溫脅迫下葉片Pro含量Fig.2　Effect of low temperature stress on Pro content in leaf of different wetland plants

2.4低溫脅迫下葉片WSC含量的變化

WSC作為滲透保護(hù)物質(zhì)，可提高細(xì)胞液的濃度，增加細(xì)胞持水力及組織中非結(jié)冰水，從而降低細(xì)胞質(zhì)的冰點(diǎn)，是植物抵御低溫的重要保護(hù)物質(zhì)。受到低溫脅迫時(shí)，體內(nèi)的WSC含量就會(huì)增加來保護(hù)植物不受到傷害，植物體內(nèi)的WSC含量越高，植物的抗寒性也就越高[19-20]。隨著溫度的降低，4個(gè)濕地植物葉片WSC含量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，品種不同增加幅度也不盡相同，且葉片WSC含量在不同的低溫處理間以及各處理與CK間均產(chǎn)生了極顯著性差異(P≤0.01)。在-20℃的條件下，較CK相比，花葉蘆葦增加了539.35 mg/g；澤瀉增加了518.10 mg/g；慈姑增加了208.35 mg/g。若以葉片可溶性糖含量為指標(biāo)，4種濕地植物品種的抗寒性強(qiáng)弱順序依次為：花葉蘆葦>澤瀉>花葉水蔥>慈姑(圖3)。

圖3　低溫脅迫對(duì)葉片WSC含量的影響Fig.3　Effect of low temperature stress on WSC content in leaf of different wetland plants

2.5低溫脅迫下植物葉片POD活性的變化

POD是一種廣泛存在植物于細(xì)胞中的氧化酶，能有效的清除細(xì)胞中因逆生長(zhǎng)的活性氧和超氧化物陰離子自由基，從而防止其對(duì)細(xì)胞的傷害，抗寒性高的植物其POD含量也較高[21]。隨著溫度的降低，4種濕地植物POD酶活性呈先升后降的趨勢(shì)。在-10℃低溫脅迫時(shí)，所有植物的POD酶活性明顯增強(qiáng)，且增加幅度有顯著性差異；與CK相比，花葉蘆葦和花葉水蔥的POD酶活性增強(qiáng)幅度最大，分別為58.8%和41.3%。當(dāng)溫度降至-15℃時(shí)，供試各品種的POD酶活性明顯下降，澤瀉的POD酶活性下降幅度最大，達(dá)81.3%。從POD活性的變化指標(biāo)來判斷，4種濕地植物的抗寒性強(qiáng)弱順序依次為：花葉蘆葦>花葉水蔥>慈姑>澤瀉(圖4)。

圖4　低溫脅迫下葉片POD酶活性Fig.4　Effect of low temperature stress on POD activity in leaf of different wetland plants

2.6低溫脅迫下植物葉片CAT活性的變化

CAT是植物抵抗逆境環(huán)境的保護(hù)酶之一，抗寒性強(qiáng)的植物，其CAT的活性高，且在抗寒鍛煉中隨著溫度的降低，酶活性下降，以抗寒性強(qiáng)的品種下降幅度小[22]。隨著溫度的降低，各品種的CAT酶活性呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)。在整個(gè)處理過程中，花葉蘆葦?shù)腃AT酶活性明顯高于其他品種，在-10℃時(shí)各品種的CAT酶活性均最低，但在-15℃時(shí)明顯增加，并且增加幅度有顯著性差異，花葉水蔥和花葉蘆葦?shù)腃AT酶活性增加幅度最大，達(dá)73%以上。當(dāng)溫度降低至-20℃后，各品種的CAT酶活性又明顯降低，說明-15℃是CAT酶活性的臨界值。從CAT活性變化指標(biāo)來判斷，4種濕地植物的抗寒性強(qiáng)弱順序依次為：花葉蘆葦>花葉水蔥>慈姑>澤瀉(圖5)。

圖5　低溫脅迫下葉片CAT酶活性Fig.5　Effect of low temperature stress on CAT activity in leaf of different wetland plants

3　討論

北方植物，抗寒性的高低是其能否安全越冬和適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂虻年P(guān)鍵。許多研究表明，植物的抗寒性與其生理變化有著密切的關(guān)系[6,12,23],本研究也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。植物細(xì)胞膜對(duì)維持細(xì)胞的微環(huán)境和正常的代謝起著重要作用。在正常情況下,細(xì)胞膜對(duì)物質(zhì)具有選擇透性能力，植物受到低溫傷害時(shí)，細(xì)胞質(zhì)膜透性會(huì)有不同程度增大，導(dǎo)致電解質(zhì)滲出率提高。因此，低溫傷害后電解質(zhì)滲出率是評(píng)價(jià)植物抗寒性的一個(gè)重要指標(biāo)[23-25]。研究表明，隨著溫度的降低，4種濕地植物的相對(duì)電導(dǎo)率均呈先上升的趨勢(shì)。其中，澤瀉的細(xì)胞膜透性相對(duì)較高，變化較大，細(xì)胞膜系統(tǒng)被破壞的程度比較嚴(yán)重,其抗寒性較弱。

Pro作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，一是作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，保持原生質(zhì)與環(huán)境的滲透平衡；二是保持膜結(jié)構(gòu)的完整性。大量研究證明其含量和植物抗寒性有很大的相關(guān)性[26-27]。低溫脅迫下，花葉蘆葦和花葉水蔥中Pro含量和細(xì)胞膜相對(duì)透性升高，說明在Pro的作用下，花葉蘆葦和花葉水蔥通過滲透調(diào)節(jié)來提高其抗寒性。

植物在低溫脅迫環(huán)境下,可以通過可溶性糖的增加產(chǎn)生保護(hù)作用[27]。4種濕地植物在低溫脅迫下，WSC的含量均隨著溫度的降低成增加的趨勢(shì)，且各處理間差異顯著。花葉蘆葦?shù)目扇苄蕴呛吭谙嗤蜏孛{迫下一直高于其他3種,可能是因?yàn)橹参镌谑艿降蜏孛{迫后,產(chǎn)生大量的WSC,增加原生質(zhì)濃度,來降低冰點(diǎn),以此來增加抗寒性能，說明其抗寒性較強(qiáng)。

POD和CAT是細(xì)胞抗氧化系統(tǒng)中的重要保護(hù)性酶，能清除體內(nèi)過多的自由基，減輕逆境下對(duì)細(xì)胞膜的傷害，使機(jī)體免遭氧化損傷，從而提高植物抗寒性。有研究表明，隨著溫度的降低，植物體內(nèi)的POD活性呈先增加后降低的趨勢(shì)，而CAT活性呈先降低后增加的趨勢(shì)[21,26-27]。本研究中，4種濕地植物的POD含量隨著溫度的降低呈先增加后降低的趨勢(shì)，在-15℃時(shí)，花葉蘆葦和花葉水蔥的POD酶活性增強(qiáng)幅度最大，分別為58.8%和41.3%，與上述研究結(jié)果一致。CAT呈先降低后增加的趨勢(shì)，在-10℃時(shí)，4種濕地植物的CAT含量均降低至最小值，而在-15℃時(shí)，其顯著增加，花葉蘆葦和花葉水蔥增加幅度最大，CAT的積累量最多，這一研究結(jié)果與上述研究結(jié)果一致。

4　結(jié)論

植物抗寒性是一個(gè)受多種因素影響的較為復(fù)雜的綜合性狀，相對(duì)電導(dǎo)率、WSC含量、Pro含量、POD活性、CAT活性等都是影響和評(píng)價(jià)植物抗寒性的重要指標(biāo)。綜合4種濕地植物的物候期、成活率和生理生化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果，可初步判定,4種濕地植物抗寒性強(qiáng)弱為：花葉蘆葦>花葉水蔥>慈姑>澤瀉。

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Comparision on cold resistance of four wetland plants

ZHAO Feng，ZHANG Jian-qi

(LanZhouInstituteofLandscapeGardening,Lanzhou730070,China)

Four wetland plnats with 2-year old,including Phragmites australis var.versicolor,Scirpus validus cv.zebrinus,Sagittaria sagittifolia,Alisma orientale were chosen to test its cold resistance in the paper.The phenophase,wintering ability and survival rate were studied under different temperature condition(0℃、-10℃、-15℃、-20℃),the treatment under room temperature was control(CK). The cell membrane permeability,content of Proline(Pro),content of soluble sugar(WSC)， activities of peroxidase( POD ) and catalase ( CAT ) in leaves were measured under different treatments.The results showed thatthe survival rate of phragmites australis var.Versicolo and Sagittaria sagittifolia after planting 2 months reacheed 96%.The cell membrane permeability,the contents of Pro and WSC increased with the temperature decreasing,while the activity of POD and CAT increased firstly and then declined.Based on the integrated indicators,the rank of cold resistance of 4 wetland plants was phragmites australis var.Versicolor>Scirpus validus cv.Zebrinus >Sagittaria sagittifolia>Alisma orientale.

wetland plants；freezing treatment；cold resistance；physiological indexes

2015-10-19；

2016-04-27

蘭州市科技局項(xiàng)目“蘭州地區(qū)濕地適生水生植物引種栽培及應(yīng)用研究(2013-1-34)”資助

趙峰(1980-)，男，甘肅天水人，工程師，碩士，主要從事濕地保護(hù)與恢復(fù)研究。

E-mail：308020975@qq.com

S 682.32

A

1009-5500(2016)04-0092-05

張建旗為通訊作者。