彩葉類鳳梨半致死溫度測定及其對溫度的適應性評價*

修美玲

(上海植物園，上海 200231)

0 引言

狹義的彩葉鳳梨特指鳳梨科(Bromeliaceae)彩葉鳳梨屬(Neoregelia)的植物,而廣義的彩葉類鳳梨是指葉片呈現非綠色色彩的鳳梨科植物的統稱，并不是一個嚴格的分類學概念。屬于彩葉類鳳梨范疇的種類很多，目前尚無確切的統計，本試驗選擇的光萼荷屬(AechmeaRuiz & Pav.)、麗穗鳳梨屬(VrieseaLindl)、彩葉鳳梨屬(NeoregeliaL.B.Sm)、鳳梨屬(AnanasMill)、彩葉光萼荷屬(Neomea)和果子蔓屬(GuzmaniaRuiz & Pav)等研究對象均屬于具有彩葉特征的種類。

國內外鳳梨科植物的研究主要集中在資源調查引種、觀賞特性、組織培養與快速繁殖等方面，尤其是菠蘿作為水果的雜交育種和轉基因技術研究較多[1-4]。鳳梨科觀賞植物自20世紀80年代引入我國，隨著國內組培、生產技術的不斷完善，逐漸在花卉市場上占有一席之地，并成為一類重要的年宵花卉，深受消費者的喜愛。但國內花卉市場上常見的鳳梨科植物品種單一，和歐美國家相比，我國的觀賞鳳梨不論從品種數量還是普及程度，都有較為明顯的差距。

氣溫是影響鳳梨科植物種植推廣的重要限制因子，高溫和低溫均會顯著影響多數彩葉類鳳梨的正常生長，而上海地區夏季的高溫濕熱和冬季的低溫陰冷都嚴重制約了彩葉類鳳梨的推廣應用。當前，在上海地區，鳳梨科植物主要用于室內，如家庭、辦公室、會議中心或者其他半封閉的公共場所。掌握不同彩葉類鳳梨品種對高溫和低溫的耐受限度將為其后期養護措施的制定提供理論依據，同時為今后針對性地在室內應用甚至露天栽培推廣奠定基礎。

半致死溫度(LT50)是植物抗寒性、抗熱性評價的主要指標之一[5-7]，可以用來評價植物對低溫或高溫的耐受性。植物長時間處在高于高溫半致死溫度或低于低溫半致死溫度的環境下會遭受不可逆轉的傷害，從而導致個體的死亡。電導率結合Logistic方程擬合的半致死溫度能較準確地反映植物所能耐受的最低或最高溫度，并廣泛應用于植物對溫度的適應性研究[8-11]。目前，國內外鳳梨科植物的抗熱性和抗寒性研究較少，關于其溫度適應性研究也缺少相關資料[12]。

采用電導率法配合Logistic非線性回歸測定植物的半致死溫度( LT50)來研究其對逆境條件的適應特性的方法，近年來已見于多種植物材料(紅豆杉、李、蘋果、觀賞草、桉樹等)抗性研究[13]。這些研究結果均表明：半致死溫度是能簡便、直觀地反映植物對溫度抗性的有效指標之一[14]。夏瑩瑩等[15]認為半致死溫度可直觀反映4個油茶品種對高溫的耐受性。田治國等[16]利用半致死溫度對9個萬壽菊的品種的耐熱性進行測定，其結果證明半致死溫度可作為今后萬壽菊屬植物耐熱性測定的指標之一。杜人杰等[17]對6 個山楂品種低溫半致死溫度進行測定，結果表明半致死溫度具有品種間的可比性，可為同一物種的不同品種的引種選擇提供依據。劉婉迪等[18]通過對9個杜鵑品種的高溫半致死溫度進行測定，認為該結果可為杜鵑的耐熱性育種及其在福建低海拔地區的園林綠化應用提供理論依據。王文舉等[19]認為在離體條件下計算出來的半致死溫度只能作為抗逆性的一個參考指標。

本研究選取15種(含品種)在大田實驗中抗逆性表現較好的彩葉類鳳梨為試驗材料，利用電導法測定不同溫度下15種受測材料的電導率變化情況，利用SPSS進行Logistic非線性回歸計算不同種類的高溫半致死溫度和低溫半致死溫度，評價其對溫度的適應性，為彩葉類鳳梨在上海的栽培應用提供生理數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料

根據田間形態和適應性觀測結果，從83種鳳梨(含品種)篩選出抗性較強、觀賞價值較高的15個品種作為本試驗材料，其中包括光萼荷屬植物6種、麗穗鳳梨屬2種、彩葉鳳梨屬2種、鳳梨屬1種、彩葉光萼荷屬1種、果子蔓屬3種。具體名錄見表1。

表1 鳳梨品種名錄

Table 1 List of Bromeliaceae varieties

序號No.屬名Genus品種名Variety拉丁名Latin name1鳳梨屬Ananas‘紅色世紀’鳳梨Ananas 'Red Century'2麗穗鳳梨屬Vriesea‘伊莎貝爾’麗穗鳳梨Vriesea 'Isabel'3光萼荷屬Aechmea尾花光萼荷Aechmea caudata Yellow4光萼荷屬Aechmea肯特光萼荷Aechmea kentii5光萼荷屬Aechmea列花光萼荷Aechmea distichantha var.schlumbergeri6果子蔓屬Guzmania‘大普斯’擎天鳳梨Guzmania 'Grand Prix'7彩葉光萼荷屬Neomea彩葉光萼荷Neomea 'Red Cloud'8彩葉鳳梨屬Neoregelia‘里維拉’彩葉鳳梨Neoregelia 'Rivera'9彩葉鳳梨屬Neoregelia五彩紅星鳳梨Neoregelia 'Meyendorffii'10光萼荷屬Aechmea萊德曼光萼荷Aechmea lueddemanniana 'Pinkie'11光萼荷屬Aechmea威廉姆斯光萼荷Aechmea williamsii12光萼荷屬Aechmea費氏光萼荷Aechmea 'Fascini'13果子蔓屬Guzmania‘胭脂’果子蔓Guzmania 'Rouge'14果子蔓屬Guzmania紫紅果子蔓Guzmania 'Amaranth'15麗穗鳳梨屬Vriesea‘紫冠鸚鵡’麗穗鳳梨Vriesea 'Purple Cockatoo'

本研究選取的彩葉類鳳梨均為3年生且植株大小規格相似的個體。葉片選取原則為從根部向上計數第5-7片成熟葉片，用去離子水漂洗3次，用吸水紙將葉片表面水分吸干，用打孔器于葉片的基部、中部、頂端獲取直徑為6 mm葉片樣本，置于去離子水中測定葉片電解質滲出率，每個測試溫度(高溫為35，40，45，50，55，60，65，70℃；低溫為5，0，-5，-10，-15，-20，-25℃)下的測試樣本均包含9個葉片基部、中部和頂端樣本。高溫和低溫實驗分別設置3次重復。

1.2 高溫條件下彩葉類鳳梨電解質滲出率的測定

高溫條件對彩葉類鳳梨影響的研究于2018年9月進行，此時所有受測植株均經歷上海夏季高溫，產生了一定的適應性。取9個葉圓片(葉片基部、中部和頂端各3片)置于20 mL試管內，向裝有葉片樣本的試管中加入10 mL超純去離子水(電導率<0.1 US/cm )，確認葉片樣本全部浸沒在去離子水中，室溫下用振蕩培養箱搖勻后抽真空5 min，進一步確定葉片樣本全部浸沒在去離子水中。而后，將裝有處理好的葉片樣本的試管分別放置在預先設定好的8個恒溫水浴鍋里，溫度梯度為35-70℃，溫度間隔為5℃，恒溫靜置30 min。待靜置冷卻后，測定不同溫度條件處理下試管內溶液的電導率值(EC1)。隨后將裝有測試樣本的試管轉入100℃水浴鍋中，放置20 min，將植物組織徹底殺死，而后將其置于室溫條件冷卻至室溫測定試管中溶液的電導率值(EC2)。每個溫度處理測試3組，并設定獨立重復試驗3次，記錄測試數據[10]。

1.3 低溫條件下彩葉類鳳梨電解質滲出率的測定

低溫條件對彩葉類鳳梨影響的研究于2018年12月下旬進行，此時所有受測植株均經歷過上海低溫。取9個葉圓片(葉片基部、中部和頂端各3片)置于20 mL試管內，將裝有處理好的葉片樣本的試管分別在5，0，-5，-10，-15，-20，-25℃的冰箱內低溫處理3 h。處理結束后，向裝有葉片樣本的試管中加入10 mL超純去離子水(電導率<0.1 US/cm)，確認葉片樣本全部浸沒在去離子水中，用振蕩培養箱在室溫條件下搖勻，隨后抽真空2 h，測定試管中溶液的電導率值(EC1)。隨后將裝有測試樣本的試管轉入100℃水浴鍋中恒溫水浴20 min，將植物組織徹底殺死，而后將其放置在室溫條件下冷卻至室溫，測定此時試管溶液的電導率值(EC2)。每個溫度處理測試3組，并設定獨立重復試驗3次，記錄測試數據[10]。

1.4 彩葉類鳳梨半致死溫度的回歸計算

細胞電解質滲出率用相對電導率(EC)來表示，其計算公式為

EC(%)=(EC1/EC2)*100%。

(1)

取每個溫度下3次獨立重復試驗的平均值記為該物種在此溫度條件下的細胞電解質滲出率。

基于SPSS繪制每種植物的電解質滲出率曲線，利用Logistic非線性回歸計算其半致死溫度，回歸方程為

y=k/(1+me-nx),

(2)

式中，y為此物種的細胞電解質滲出率(%)，x為處理溫度的梯度，k值設為1；m、n為方程參數。半致死溫度為y值取50時對應的溫度，計算公式[9]為

LT50=(Lnm)/n,

(3)

求得參數m、n值及決定系數R2[20]。

2 結果與分析

2.1 彩葉鳳梨的高溫半致死溫度研究

2.1.1 高溫條件下溫度變化對葉片電解質滲出率的影響

供試的15種彩葉類鳳梨葉片細胞的電解質滲出率對溫度變化的響應情況基本一致：均隨著溫度的升高而呈S型上升趨勢，初期(低于50℃時)增加較緩慢，說明此時葉片受到熱損傷較低；當溫度升到50-65℃時，電解質滲出率急劇增加，說明葉片在此階段受到嚴重損傷；當溫度高于65℃時，細胞電解質滲出率增幅趨緩，或略有下降，說明溫度超過65℃時葉片細胞已全部死亡(圖1)。

2.1.2 彩葉類鳳梨的高溫半致死溫度差異性分析

根據細胞電解質滲出率和處理溫度之間的關系，計算得出，Logistic方程擬合決定系數都較高，其中有9個鳳梨品種的決定系數R2>0.81。這表明細胞電解質滲出率和處理溫度之間的相關關系顯著，證明Logistic方程擬合有效。不同鳳梨品種葉片高溫的半致死溫度見表2。根據不同品種的高溫半致死溫度進行排序。高溫半致死溫度從高到低依次為肯特光萼荷>‘伊莎貝爾’麗穗鳳梨>列花光萼荷>紫紅果子蔓>彩葉光萼荷>‘胭脂’果子蔓>萊德曼光萼荷>‘里維拉’彩葉鳳梨>威廉姆斯光萼荷>‘大普斯’擎天鳳梨>‘紅色世紀’鳳梨>五彩紅星鳳梨>費氏光萼荷>‘紫冠鸚鵡’麗穗鳳梨>尾花光萼荷。高溫半致死溫度為50.19-80.40℃。

圖1 不同高溫處理后葉片電解質滲出率的變化

Fig.1 Change of electrolyte leakage rate of leaf after exposure to different high temperature

表2 高溫處理彩葉類鳳梨葉片電解質滲出率的Logistic方程及半致死溫度

Table 2 The Logistic equation of electrolyte leakage rate of leaf under high temperature and the semi-lethal temperature

鳳梨品種Bromeliaceae varietiesLogistic方程Logistic equation半致死溫度Semilethal temperature (℃)決定系數Decisive factor(R2)顯著性P值Significance P value‘紅色世紀’鳳梨Ananas 'Red Century'y=1.376/(1+28.786e0.065x)51.690.86<0.005‘伊莎貝爾’麗穗鳳梨Vriesea 'Isabel'y=1.388/(1+80e0.07x)62.600.84<0.005尾花光萼荷Aechmea caudata Yellowy=0.716/(1+15.811e0.055x)50.190.680.09肯特光萼荷Aechmea kentiiy=2.312/(1+40.3741e0.046x)80.400.89<0.005列花光萼荷Aechmea distichantha var.schlumbergeriy=1.291/(1+9.761e0.037x)61.760.83<0.01‘大普斯’擎天鳳梨Guzmania 'Grand Prix'y=1.148/(1+46.944e0.074x)52.010.780.04彩葉光萼荷Neomea 'Red Cloud'y=1.417/(1+73.874e0.07x)61.460.740.06‘里維拉’彩葉鳳梨Neoregelia 'Rivera'y=1.151/(1+382.5034e0.111x)53.570.780.07五彩紅星鳳梨Neoregelia 'Meyendorffii'y=1.063/(1+188.788e0.102x)51.370.82<0.01萊德曼光萼荷Aechmea lueddemanniana 'Pinkie'y=1.234/(1+82.84e0.081x)54.530.85<0.005威廉姆斯光萼荷Aechmea williamsiiy=1.058/(1+50.644e0.075x)52.330.89<0.005費氏光萼荷Aechmea 'Fascini'y=0.72/(1+3.766e0.026x)51.000.560.16‘胭脂’果子蔓Guzmania 'Rouge'y=1.274/(1+50.683e0.064x)61.340.88<0.005紫紅果子蔓Guzmania 'Amaranth'y=1.082/(1+29.806e0.055x)61.720.760.05‘紫冠鸚鵡’麗穗鳳梨Vriesea 'Purple Cockatoo'y=0.911/(1+253.689e0.109x)50.790.81<0.01

注：P<0.05代表回歸關系顯著,P<0.01代表回歸關系極顯著

Note:P<0.05 means significant regression relationship,P<0.01 means extremely significant regression relationship

2.2 彩葉鳳梨的低溫半致死溫度研究

2.2.1 低溫條件下溫度變化對彩葉類鳳梨細胞電解質滲出率的影響

不同彩葉類鳳梨的細胞電解質滲出率對低溫條件的適應特征基本相似：處理溫度的下降初期(5℃→0℃時)，相對電導率上升緩慢，說明此時葉片受到低溫損害較小；當溫度降至0℃以下時，葉圓片的電解質滲出率急劇上升，此時較小的降溫幅度會對植物造成嚴重的損傷；在-15℃后細胞電解質滲出率的增幅趨緩。低溫條件下，彩葉類鳳梨的細胞電解質滲出率變化與高溫條件下類似，都呈典型的S型曲線(圖2)。

圖2 不同低溫處理后葉片電解質滲出率的變化

Fig.2 Change of electrolyte leakage rate of leaf after exposure to different low temperature

2.2.2 彩葉類鳳梨的低溫半致死溫度差異性分析

通過計算，Logistic 方程擬合度都較高，有13個鳳梨品種的決定系數R2>0.81。不同鳳梨葉片的低溫半致死溫度見表3。15個鳳梨品種的低溫半致死溫度的排序依次為‘紅色世紀’鳳梨<尾花光萼荷<‘伊莎貝爾’麗穗鳳梨<彩葉光萼荷<威廉姆斯光萼荷<‘里維拉’彩葉鳳梨<五彩紅星鳳梨<‘紫冠鸚鵡’麗穗鳳梨<‘胭脂’果子蔓<‘大普斯’擎天鳳梨<萊德曼光萼荷<肯特光萼荷<紫紅果子蔓<費氏光萼荷<列花光萼荷。低溫半致死溫度為-38.25-3.02℃。

表3 低溫處理葉片電解質滲出率的Logistic方程及半致死溫度

Table 3 The Logistic equation of electrolyte leakage rate of leaf under low temperature and the semi-lethal temperature

鳳梨品種Bromeliaceae varietiesLogistic方程Logistic equation半致死溫度Semilethal temperature (℃)決定系數R2Decisive factor R2顯著性P值Significance P value‘紅色世紀’鳳梨Ananas 'Red Century'y=97.865/(1+2.809e-0.027x)-38.250.97<0.001‘伊莎貝爾’麗穗鳳梨Vriesea 'Isabel'y=113.542/(1+3.948e-0.072x)-19.070.860.002尾花光萼荷Aechmea caudata Yellowy=76.926/(1+4.3131e-0.056x)-26.10.96<0.001肯特光萼荷Aechmea kentiiy=46.787/(1+1.175e-0.103x)-1.570.97<0.001列花光萼荷Aechmea distichantha var.schlumbergeriy=40.485/(1+0.807e-0.071x)3.020.860.002‘大普斯’擎天鳳梨Guzmania 'Grand Prix'y=68.301/(1+1.474e-0.176x)-2.200.880.002

續表3

Continued table 3

鳳梨品種Bromeliaceae varietiesLogistic方程Logistic equation半致死溫度Semilethal temperature (℃)決定系數R2Decisive factor R2顯著性P值Significance P value彩葉光萼荷Neomea 'Red Cloud'y=81.554/(1+2.4234e-0.065x)-13.620.790.05‘里維拉’彩葉鳳梨Neoregelia 'Rivera'y=57.565/(1+2.024e-0.083x)-8.470.830.003五彩紅星鳳梨Neoregelia 'Meyendorffii'y=52.386/(1+1.966e-0.08x)-8.450.810.003萊德曼光萼荷Aechmea lueddemanniana 'Pinkie'y=41.163/(1+1.256e-0.10x)-2.190.890.002威廉姆斯光萼荷Aechmea williamsiiy=71.897/(1+1.831e-0.057x)-10.610.840.003費氏光萼荷Aechmea 'Fascini'y=35.173/(1+0.778e-0.17x)1.480.90<0.001‘胭脂’果子蔓Guzmania 'Rouge'y=78.686/(1+1.755e-0.137x)-4.110.850.003紫紅果子蔓Guzmania 'Amaranth'y=57.915/(1+1.192e-0.215x)-0.820.790.04‘紫冠鸚鵡’麗穗鳳梨Vriesea 'Purple Cockatoo'y=76.513/(1+2.137e-0.097x)-7.830.850.002

注：P<0.05代表回歸關系顯著,P<0.01代表回歸關系極顯著

Note:P<0.05 means significant regression relationship,P<0.01 means extremely significant regression relationship

3 討論

3.1 不同品種的高溫適應性評價

從實驗結果里可以總結出，鳳梨科光萼荷屬植物總體耐熱性較強，且同屬內葉片越窄、葉片數量越多的種類，耐熱性越強。麗穗鳳梨屬和果子蔓屬耐熱性與葉片寬度和數量的對應關系與光萼荷屬植物類似，但耐熱性低于后者。在測試的15個品種中，彩葉鳳梨屬耐熱性最差，且呈現出同屬內葉片越艷麗耐熱性越差的特點。屬間雜交種具有明顯的雜種優勢，耐熱性較強，比如彩葉光萼荷；而屬內雜交的種類在耐熱性方面的雜交優勢不明顯。地生性鳳梨(如鳳梨屬)的耐熱性比附生性鳳梨差，這可能與原產地的生態環境有關。

綜上所述，這15個彩葉類鳳梨都是耐高溫的植物材料，上海地區的夏季高溫不會成為彩葉類鳳梨在上海露天應用與推廣的限制因子。

3.2 不同品種的低溫適應性評價

在鳳梨科光萼荷屬和麗穗鳳梨屬中，葉片厚的種類比葉片薄的耐寒性弱。屬間雜交種的雜種優勢明顯，耐寒性較強，如彩葉光萼荷屬植物；而屬內雜交的種類在耐寒性方面的雜種優勢不明顯。彩葉鳳梨屬植物呈現出葉片越艷麗耐寒性越差的特點。果子蔓屬植物耐寒性較差，但同屬內葉片基部緊密貼合種類的耐寒性較強。地生性鳳梨的耐低溫能力比附生性強，這可能與原產地的生態環境有關。在田間觀察記錄中，最低溫度低于5℃時，彩葉鳳梨屬和果子蔓屬植物均出現不同程度的凍斑；最低溫度低于0℃時，光萼荷屬和鳳梨屬也出現凍斑。

綜上所述，上海地區的冬季低溫是限制鳳梨科植物在上海露天應用與推廣的主要限制因子之一，所有供試的彩葉類鳳梨種類均無法露天越冬。因此，在露天推廣應用時，必須考慮配套適當的保暖防寒設備設施，確保其冬季的正常生長。

4 結論

雖然采用電導率法配合Logistic非線性回歸測定植物的半致死溫度的方法在多種植物材料上被驗證有效，但是應用于鳳梨科植物的不同品種中，在國內外當屬首次。本研究結果表明，15個鳳梨品種的耐熱性從強到弱依次為肯特光萼荷>‘伊莎貝爾’麗穗鳳梨>列花光萼荷>紫紅果子蔓>彩葉光萼荷>‘胭脂’果子蔓>萊德曼光萼荷>‘里維拉’彩葉鳳梨>威廉姆斯光萼荷>大普斯擎天鳳梨>‘紅色世紀’鳳梨>五彩紅星鳳梨>費氏光萼荷>‘子冠鸚鵡’麗穗鳳梨>尾花光萼荷；耐寒性從強到弱的排序依次為‘紅色世紀’鳳梨>尾花光萼荷>‘伊莎貝爾’麗穗鳳梨>彩葉光萼荷>威廉姆斯光萼荷>‘里維拉’彩葉鳳梨>五彩紅星鳳梨>‘紫冠鸚鵡’麗穗鳳梨>‘胭脂’果子蔓>‘大普斯’擎天鳳梨>萊德曼光萼荷>肯特光萼荷>紫紅果子蔓>費氏光萼荷>列花光萼荷。其結果與本研究前期田間實際觀察的耐熱性和耐寒性排序基本一致。綜合來看，光萼荷屬植物表現出高溫半致死溫度較高且低溫半致死溫度較低的特點，表明其溫度適應范圍較廣，多年來的田間實驗中光萼荷屬的長勢最佳印證了這一結果。因此半致死溫度測定法可作為鑒定不同鳳梨品種抗性的有效手段。

植物對環境的適應還受水分、肥力等條件的制約。在本試驗中，‘紅色世紀’鳳梨的低溫半致死溫度為-38.25℃，肯特光萼荷的高溫半致死溫度為80.40℃，但這并不能說明這兩個品種就能在最低氣溫達到-38.25℃和最高氣溫達到80.40℃的地區存活。這是因為在自然條件下，植物的每個組織所受到的傷害是在多種生態環境因素的共同脅迫下的一種綜合體現。因此，若要對不同鳳梨品種的抗性作出更為科學、更為準確的評價，須進一步測定活體植株的逆境脅迫實驗，再結合其他生理、生化指標，以期綜合評價不同鳳梨科品種的抗性差異。

植物的溫度適應性除受自身因素制約外，還與生境的水分、土壤等因素密切相關，半致死溫度測定與栽培試驗觀測結合，可對植物的耐熱性或耐寒性能進行量化評價，為耐熱或耐寒品種選擇提供參考依據。