不同紅樹莓品種對自然高溫的生理響應(yīng)及耐熱性綜合評價

邱佳奇，張立業(yè)，盧凱政，袁 旭，常飛楊，張雪梅

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北保定 071000)

紅樹莓(L.)是薔薇科(Rosaceae)懸鉤子屬的多年生落葉半灌木，又稱托盤、覆盆子等。紅樹莓果實酸甜可口，享有“第三代黃金水果”美稱，不僅含有維生素、鞣花酸等豐富的營養(yǎng)成分及活性物質(zhì)，還可以提高免疫力，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、美容等領(lǐng)域。樹莓具有一定的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，近年來對紅樹莓的需求量也不斷增加，成為極具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d產(chǎn)業(yè)。樹莓生長適溫為20～25 ℃，抗寒不耐高溫，近年來高溫天氣頻繁發(fā)生，華北地區(qū)極端氣溫高達42 ℃，高溫逆境成為限制樹莓生長發(fā)育及生產(chǎn)栽培的重要因素之一。

目前有關(guān)紅樹莓的研究主要集中在引種栽培、產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、果蠅防治、多酚、黃酮含量等活性物質(zhì)測定等方面，有關(guān)紅樹莓耐熱性研究僅見張琪對安徽地區(qū)“紅寶石”“中林18號”“秋?！奔t樹莓的光合特性及耐高溫研究，尚鮮見對華北地區(qū)樹莓品種耐熱性綜合性評價。筆者在自然高溫條件下，研究7個不同品種紅樹莓的相對生長量以及葉片的相對含水量、細胞膜透性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和抗氧化酶活性等生理指標(biāo)對高溫脅迫的響應(yīng)，并對其耐熱性進行綜合評價，以期為紅樹莓耐熱機理研究及耐熱品種的選育提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

7個不同紅樹莓品種栽植于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)苗圃，該地區(qū)位于115°48′E、38°85′N，海拔26 m，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫炎熱，冬季寒冷干燥。年平均氣溫13.4 ℃，年平均降水量為500 mm左右，年均日照時數(shù)為2 511 h。

2020年8月當(dāng)氣溫連續(xù)3 d達到35 ℃以上時(前期研究表明該溫度條件下紅樹莓果實發(fā)育不良)，每品種隨機抽取3株，采集中上部健康葉片，進行生理指標(biāo)測定。

生長指標(biāo)測定。用鋼卷尺測量株高、結(jié)果枝長度，用游標(biāo)卡尺測定莖粗，并統(tǒng)計平均節(jié)間長度、好果數(shù)量及壞果數(shù)量(高溫導(dǎo)致果實發(fā)育不良)。

生理指標(biāo)測定。用飽和稱重法測定葉片含水量；采用便攜式葉綠素儀SPAD測定各品種葉片的葉綠素含量；用電導(dǎo)儀法測定相對電導(dǎo)率；用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)含量；分別用蒽酮比色法、考馬斯亮藍G-250染色法測定可溶性糖、可溶性蛋白含量；用氮藍四唑(NBT)光還原法、愈創(chuàng)木酚法、過氧化氫法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性、氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性。

利用模糊隸屬函數(shù)法對不同品種紅樹莓的生理指標(biāo)進行分析，分別對各項指標(biāo)求隸屬函數(shù)值，公式如下：

(1)

(2)

式中，為各指標(biāo)測定值，和分別為各指標(biāo)的最大值和最小值，如果某一指標(biāo)與耐熱性呈正相關(guān)用式(1)，呈負相關(guān)用式(2)。

運用Excel軟件對7個紅樹莓品種的生理指標(biāo)進行統(tǒng)計作圖，并用SPSS軟件進行方差和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

高溫脅迫條件下不同品種紅樹莓葉片相對生長量的變化情況見表1。由表1可知，自然高溫脅迫下7個品種紅樹莓的株高和莖粗均以“D果”最高，且株高顯著高于其他品種；“波爾卡”的株高最低，“海爾特茲”的莖粗最小，分別為100.00 cm、11.06 mm，較“D果”分別下降了34.02%、23.72%。另外，“海爾特茲”的平均節(jié)間長度最大，為4.12 cm，顯著高于其他品種(除“D果”)。各品種坐果情況以“D果”最好，好果率達到67.54%，顯著高于其他品種，壞果率為32.46%。而“海爾特茲”的好果率僅為16.48%，壞果率達到83.52%，說明高溫脅迫對其果實品質(zhì)造成嚴重影響。

高溫脅迫條件下不同品種紅樹莓葉片相對含水量的變化情況如圖1所示。從圖1可見，自然高溫脅迫下7個品種紅樹莓相對含水量以“D果”最高，為76.07%，與“中林18號”的相對含水量之間無顯著差異，顯著高于其他品種，表明其在高溫條件下有更高的持水力；“海爾特茲”的相對含水量最低，僅59.27%，較“D果”降低了22.08%，表明其在高溫條件下脫水嚴重?！爸辛?8號”與“波爾卡”“龍園秋豐”“金秋”間均無顯著差異，與“海爾特茲”“紅寶石”間差異顯著。

表1 高溫脅迫對不同品種紅樹莓相對生長量的影響Table 1 Effects of high temperature stress on the relative growth of different varieties of Rubus idaeus

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicate significant differences between treatments(P<0.05)圖1 高溫脅迫后不同品種紅樹莓葉片相對含水量Fig.1 The relative water content of different varieties Rubus idaeus under high temperature stress

對相對電導(dǎo)率的影響。高溫脅迫條件下不同品種紅樹莓葉片相對電導(dǎo)率的變化情況如圖2所示。由圖2可知，自然高溫脅迫下7個品種紅樹莓相對電導(dǎo)率以“海爾特茲”最高，達到66.89%，且顯著高于其他品種；“D果”的相對電導(dǎo)率最低，僅25.74%，較“海爾特茲”低61.52%；“金秋”與其他品種間差異顯著，“龍園秋豐”“中林18號”“紅寶石”間無顯著差異，與“波爾卡”“D果”差異顯著。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicate significant differences between treatments(P<0.05)圖2 高溫脅迫后不同品種紅樹莓葉片相對電導(dǎo)率Fig.2 The relative conductivity of different varieties Rubus idaeus under high temperature stress

對MDA含量的影響。高溫脅迫條件下不同品種紅樹莓葉片MDA的變化情況如圖3所示。從圖3可見，自然高溫脅迫下7個品種紅樹莓MDA含量以“海爾特茲”最高，為4.12 μmol/g，顯著高于其他品種，表明其在高溫脅迫條件下細胞膜受害程度最嚴重，“D果”的MDA含量最低，僅為1.86 μmol/g，較“海爾特茲”低54.85%，“金秋”與“紅寶石”“龍園秋豐”之間均無顯著差異。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicate significant differences between treatments(P<0.05)圖3 高溫脅迫后不同品種紅樹莓葉片MDA含量Fig.3 The MDA content of different varieties Rubus idaeus under high temperature stress

高溫脅迫條件下不同品種紅樹莓葉片葉綠素含量變化如圖4所示。從圖4可知，自然高溫脅迫下7個品種紅樹莓葉綠素含量以“D果”最高，為34.37，與“波爾卡”的葉綠素含量之間無顯著差異，顯著高于其他品種?！昂柼仄潯钡娜~綠素含量最低，為21.10，較“D果”低38.61%?！安柨ā迸c“中林18號”之間無顯著差異，與其他品種之間差異顯著。

逆境條件下，植物體產(chǎn)生的可溶性糖可以降低逆境對植物造成的傷害。高溫脅迫后不同品種紅樹莓葉片可溶性糖含量和可溶性蛋白含量變化如圖5所示。由圖5可知，自然高溫脅迫條件下7個品種紅樹莓可溶性糖含量以“金秋”最高，為36.49 mg/g，顯著高于其他品種，“D果”的可溶性糖含量最低，僅23.84 mg/g，較“金秋”低34.67%，“龍園秋豐”和“紅寶石”之間無顯著差異，“波爾卡”“海爾特茲”“中林18號”之間無顯著差異。自然高溫脅迫條件下7個品種紅樹莓可溶性蛋白含量以“波爾卡”最高，達到5.30 mg/g，與“金秋”“中林18號”的可溶性蛋白含量之間無顯著差異；“D果”的可溶性蛋白含量最低，且顯著低于其他品種，僅3.09 mg/g，較“波爾卡”低41.70%?！敖鹎铩薄昂柼仄潯薄爸辛?8號”“紅寶石”可溶性蛋白含量之間差異不顯著。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicate significant differences between treatments(P<0.05)圖4 高溫脅迫后不同品種紅樹莓葉片葉綠素含量Fig.4 The chlorophyll content of different varieties Rubus idaeus under high temperature stress

由表2可知，自然高溫脅迫條件下7個品種紅樹莓SOD活性以“D果”最高，達到8.49 U/(g·min)，與“波爾卡”“紅寶石”的SOD活性之間無顯著差異，“海爾特茲”的SOD活性最低，僅6.88 U/(g·min)，較“D果”低18.96%，“龍園秋豐”“金秋”“中林18號”之間無顯著差異。POD活性以“海爾特茲”最高，達到63.61 U/(g·min)，與“波爾卡”之間無顯著差異，顯著高于其他品種，“D果”的POD活性最低，僅為28.08 U/(g·min)，較“海爾特茲”低55.86%，與“中林18號”無顯著差異。CAT活性以“D果”最高，達到173.33 U/(g·min)，與“龍園秋豐”和“紅寶石”之間無顯著差異，顯著高于其他品種，“海爾特茲”的CAT活性最低，僅83.73 U/(g·min)，較“D果”低51.69%，與其他品種差異顯著。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05) Note：Different lowercase letters indicate significant differences between treatments(P<0.05)圖5 高溫脅迫后不同品種紅樹莓葉片可溶性糖含量和可溶性蛋白含量Fig.5 The soluble sugar and soluble protein content of different varieties Rubus idaeus under high temperature stress

表2 高溫脅迫對不同品種紅樹莓葉片抗氧化酶活性的影響Table 2 Effects of high temperature stress on antioxidant enzyme activities in different varieties Rubus idaeus leaves

將14個指標(biāo)進行模糊隸屬函數(shù)分析，結(jié)果見表3。由表3可知，“D果”和“波爾卡”耐熱能力較強，隸屬度平均值在0.913、0.725；“中林18號”“龍園秋豐”“紅寶石”“金秋”耐熱能力中等，隸屬度平均值在0.479～0.599；“海爾特茲”的耐熱能力較差，隸屬度平均值為0.260。7個品種耐熱性綜合表現(xiàn)為“D果”>“波爾卡”>“中林18號”>“龍園秋豐”>“紅寶石”>“金秋”>“海爾特茲”。

表3 不同紅樹莓品種耐熱性綜合分析Table 3 Comprehensive analysis of heat resistance of different varieties Rubus idaeus

3 討論與結(jié)論

高溫脅迫條件下，植物的形態(tài)特征變化是植物經(jīng)歷高溫脅迫最直觀的表現(xiàn)之一，同時也反映出不同植物的抗熱脅迫能力。前人把花粉活力、柱頭可授性列為研究高溫脅迫的熱點指標(biāo)，筆者選擇株高、莖粗、好果率、壞果率等最直觀的形態(tài)指標(biāo)直接反映紅樹莓受高溫傷害的程度。該試驗中，“D果”的株高、莖粗均為最高，節(jié)間長度適中，且好果率顯著高于其他品種，說明其良好的營養(yǎng)生長可減緩高溫脅迫對果實品質(zhì)的傷害，具體營養(yǎng)生長與果實品質(zhì)之間的聯(lián)系需進一步研究。而“海爾特茲”株高和節(jié)間長度相對較高，莖粗小于其他品種，植株呈現(xiàn)細高的表型，發(fā)生徒長，受高溫影響嚴重，導(dǎo)致壞果率高于其他品種。這與袁慧敏等研究得出高溫阻礙番茄幼苗生長的結(jié)論一致。

植物在高溫逆境條件下會產(chǎn)生一系列的生理生化變化，以抵御和減緩熱脅迫帶來的傷害。高溫可以加快植物的蒸騰作用，產(chǎn)生水分脅迫，導(dǎo)致植物細胞脫水，因此高溫脅迫條件下葉片相對含水量(RWC)可以作為評價耐熱性指標(biāo)，耐熱性強的品種在高溫下保持較高的相對含水量。在該試驗中，7個品種紅樹莓葉片在自然高溫脅迫下的相對含水量呈現(xiàn)不同的趨勢，其中“D果”和“中林18號”的相對含水量高于其他品種，“海爾特茲”的相對含水量最低。說明高溫脅迫下“海爾特茲”的脫水較嚴重，耐熱能力較差，這與王宏輝等研究的4個紅掌盆栽品種的相對含水量的結(jié)論一致。

高溫會改變細胞膜結(jié)構(gòu)，使細胞內(nèi)的電解質(zhì)向外滲出，破壞細胞膜結(jié)構(gòu)的完整性和熱穩(wěn)定性，丙二醛(MDA)作為脂膜過氧化的最終產(chǎn)物，高溫脅迫后相對電導(dǎo)率的變化和MDA含量可以直接反映植物細胞膜受害程度，細胞膜被認為是植物受傷害的主要部位。大量試驗表明，相對電導(dǎo)率的大小和MDA含量的高低與植物耐熱能力呈負相關(guān)。楊華等通過對鹿角杜鵑進行高溫脅迫，研究發(fā)現(xiàn)，葉片電導(dǎo)率不斷上升。該試驗研究表明，7個品種紅樹莓葉片在自然高溫脅迫下，“海爾特茲”的相對電導(dǎo)率和MDA含量顯著高于其他品種，說明“海爾特茲”的細胞膜被破壞程度最高。

植物進行光合作用的主要色素是葉綠素，高溫脅迫會破壞葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能，抑制葉綠素的合成，不利于植物的光合作用，進而影響植物生長。宰學(xué)明等對花生幼苗的研究表明，熱脅迫時間越長，葉綠素含量越低，在42 ℃高溫脅迫下，隨著熱處理時間的延長，葉綠素含量出現(xiàn)了明顯的下降。但也有研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫后銀杏葉綠素含量會出現(xiàn)短暫的上升。在該試驗中，“海爾特茲”的葉綠素含量較“D果”降低了38.61%，可見高溫脅迫對“D果”葉綠素的影響最弱，對“海爾特茲”的影響最強。

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)是維持植物細胞生理活動穩(wěn)定的重要物質(zhì)，在受到逆境脅迫時，植物自身會通過積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)維持細胞保水能力，從而應(yīng)對外界刺激，可溶性糖和可溶性蛋白是植物細胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。王一飛研究發(fā)現(xiàn)，隨著外界溫度的升高，木瓜的可溶性糖含量和可溶性蛋白含量均逐漸下降。該研究中，“D果”為7個紅樹莓品種中可溶性糖含量和可溶性蛋白含量最低的品種，這可能是在高溫脅迫下合成蛋白的酶沒有失活，對其光合作用的影響較小(植物通過光合速率產(chǎn)生糖類)，維持了“D果”體內(nèi)蛋白質(zhì)和糖類物質(zhì)的合成速率，而其他品種受到高溫后啟動了自身滲透調(diào)節(jié)機制，通過提高可溶性糖和可溶性蛋白含量達到自我保護。

逆境條件下，植物體內(nèi)產(chǎn)生過量的活性氧自由基會導(dǎo)致脂膜過氧化，造成植物損傷，甚至死亡，此時植物會啟動自身的抗氧化系統(tǒng)來清除過多的活性氧。SOD、POD、CAT是酶促防御體系中重要的保護酶，它們能使自由基處于平衡狀態(tài)，維持膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該試驗中，均以“D果”的SOD和CAT活性最高，“海爾特茲”最低，POD的變化情況與SOD和CAT相反。可能是“D果”在應(yīng)對高溫脅迫時相對其他紅樹莓品種可及時作出應(yīng)激反應(yīng)，清除過多的活性氧，不同程度地緩解高溫脅迫帶來的傷害，在此過程中，SOD和CAT起主導(dǎo)作用，而POD可能受到NDA的抑制。楊華庚等對蝴蝶蘭的研究同樣得出耐熱性品種具有更好的抵御活性氧傷害能力的結(jié)論。

李輝等運用模糊隸屬函數(shù)法分別對不同杜鵑和辣椒品種的耐熱性進行了綜合評價，都得到了滿意結(jié)果。筆者利用模糊隸屬函數(shù)，綜合評價不同品種紅樹莓的耐熱性，其結(jié)果與田間形態(tài)表現(xiàn)一致。同時該研究數(shù)據(jù)是在自然高溫條件下獲得的，所得結(jié)果對紅樹莓耐熱品種選育及栽培具有參考意義。