不同白樺家系的耐熱性評(píng)價(jià)

李金霞 儲(chǔ)博彥 趙玉芬 尹新彥 趙振峰

摘要：以8個(gè)白樺家系為試驗(yàn)材料，在大田栽植的條件下，測(cè)定其在5—9月葉片的相對(duì)電導(dǎo)率、MDA含量、SOD活性和可溶性蛋白含量共4個(gè)生理指標(biāo)，并利用隸屬函數(shù)法對(duì)其越夏期的耐熱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，4個(gè)生理指標(biāo)均表現(xiàn)出與氣溫變化的正相關(guān)，8個(gè)家系均能在石家莊地區(qū)安全越夏，但耐熱性有差異，其中家系CD和1-41耐熱性最強(qiáng)，家系1-59和1-46的耐熱性最差。

關(guān)鍵詞：白樺;家系;耐熱性;綜合評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)： S792.153.01;Q945.78 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）17-0148-05

溫度是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因子。在植物引種過(guò)程中，從高緯度向低緯度、高海拔向低海拔引種，夏季高溫成為引種成功與否的重要限制因子，而在城市綠化中，由于城市熱島效應(yīng)的存在以及全球氣候變暖的加劇，城市園林綠化也迫切需要新的耐熱型植物品種。因此研究植物在越夏期高溫下的生理生化反應(yīng)，以耐熱性為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)引種植物的抗逆性進(jìn)行評(píng)價(jià)，有助于篩選出優(yōu)良的耐熱型植物品種，對(duì)豐富城市園林景觀也具有重要意義。

白樺（Betula platyphylla Suk.）為樺木科樺木屬落葉喬木，其枝葉輕盈，秋葉金黃，樹(shù)皮潔白雅致，在園林景觀配置中具有獨(dú)特的觀賞效果。耐熱型白樺屬于高海拔樹(shù)種，喜冷涼濕潤(rùn)氣候。關(guān)于白樺的抗逆性生理已有部分研究，但多集中在抗干旱[1]和抗低溫脅迫[2-3]方面。有學(xué)者對(duì)耐熱型白樺的種子篩選[4]、栽培基質(zhì)[5]和育苗[6]、栽培技術(shù)[7]進(jìn)行了研究，并在人工培養(yǎng)箱內(nèi)對(duì)白樺幼苗進(jìn)行高溫脅迫試驗(yàn)[8-9]。然而植物的耐熱性是其在夏季自然條件下經(jīng)受多種復(fù)雜因素脅迫的綜合表現(xiàn)[10]，目前對(duì)大田栽植條件下的白樺幼苗在越夏期的生理表現(xiàn)尚未見(jiàn)報(bào)道。為豐富石家莊城市綠化的樹(shù)種選擇，2015年從東北林業(yè)大學(xué)和承德共引進(jìn)耐熱型白樺家系8個(gè)，并于2017年進(jìn)行田間耐熱性測(cè)定，以期篩選出最具耐熱潛力的優(yōu)良家系，從而為白樺在石家莊的引種奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2015年從東北林業(yè)大學(xué)引進(jìn)耐熱型白樺優(yōu)良家系7個(gè)（1-39、1-41、1-46、1-54、1-59、1-56、2-5），從承德引進(jìn)耐熱性白樺家系1個(gè)（CD），共計(jì)8個(gè)家系。2015年春季進(jìn)行育苗，2016年春季分栽于河北省林業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地，試驗(yàn)期間進(jìn)行相同的常規(guī)栽培管理。

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于石家莊市河北省林業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地（114°28′34.03″E、38°8′25.67″N），試驗(yàn)期間氣溫情況見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)方法

2017年5月在8個(gè)白樺家系中各選出3株高度與基徑接近平均值的標(biāo)準(zhǔn)株，分別于5月13日、6月16日、7月11日、8月25日和9月21日的14：00取標(biāo)準(zhǔn)株枝條中上部成熟葉片，對(duì)其進(jìn)行田間耐熱性測(cè)定，所有測(cè)定均重復(fù)3次。測(cè)定當(dāng)天及前2 d均為晴天，具體氣溫見(jiàn)表1。測(cè)定指標(biāo)包括相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、可溶性蛋白含量，其中MDA含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定，SOD活性采用氮藍(lán)四唑（NBT）光還原法測(cè)定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定。

1.4 耐熱性評(píng)價(jià)

采用隸屬函數(shù)法對(duì)不同白樺家系的耐熱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。與耐熱性呈正相關(guān)的參數(shù)采用式（1）進(jìn)行計(jì)算，與耐熱性呈負(fù)相關(guān)的參數(shù)采用式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：U（Xijk）為第i個(gè)家系第j個(gè)月份第k項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度，且U（Xijk）∈[0，1]，Xijk為第i個(gè)家系第j個(gè)月份第k項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定值，Xkmin和Xkmax分別為所有家系中第k項(xiàng)指標(biāo)的最小值和最大值。用每個(gè)家系各項(xiàng)指標(biāo)隸屬度的平均值作為評(píng)價(jià)其耐熱性的依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同白樺家系相對(duì)電導(dǎo)率的月變化

相對(duì)電導(dǎo)率能夠反應(yīng)逆境對(duì)植物組織的傷害程度，是比較理想的植物抗逆性鑒定的生理指標(biāo)之一[10]。由表2可以看出，5—9月不同白樺家系相對(duì)電導(dǎo)率均表現(xiàn)為先升高后下降，與氣溫表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。5月，不同白樺家系的相對(duì)電導(dǎo)率在9.12%～17.20%。7月，所有白樺家系電導(dǎo)率均達(dá)到最大值，與5月相比，家系1-59的增長(zhǎng)率最大，為155.68%，同時(shí)也是7月電導(dǎo)率值最大的家系，說(shuō)明該家系膜結(jié)構(gòu)的受損程度最大。8、9月，當(dāng)氣溫下降后，所有家系相對(duì)電導(dǎo)率也隨之降低。

2.2 不同白樺家系MDA含量的月變化

MDA含量是植物是否氧化過(guò)度的判定標(biāo)準(zhǔn)，MDA含量越高，說(shuō)明質(zhì)膜受損越嚴(yán)重。5—9月不同白樺家系MDA含量表現(xiàn)為先升高后下降，除家系2-5和1-59在8月MDA含量最高外，其余家系均在7月達(dá)到最大值。5月，不同白樺家系的MDA含量在4.06～16.50 nmol/g，其中家系1-56和CD的MDA含量明顯低于其他家系，但在7月的增長(zhǎng)率卻明顯高于其他家系，分別達(dá)到5月的5.39倍和5.56倍，說(shuō)明氣溫的升高對(duì)這2個(gè)白樺家系MDA含量的積累影響更為明顯。9月氣溫下降后，MDA含量也隨之降低，但除家系 1-39外，其他家系均不能恢復(fù)到5月份的水平，尤其是家系1-56和CD（表3）。

2.3 不同白樺家系SOD活性的月變化

SOD是植物體內(nèi)清除活性氧自由基的關(guān)鍵酶，在保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷過(guò)程中具有十分重要的作用。5月，不同白樺家系的SOD活性在 294.7～441.4 U/（g·h），6月氣溫為34.8 ℃時(shí)，與5月增長(zhǎng)幅度不大，但在7月氣溫達(dá)到 38.8 ℃ 時(shí)，所有家系的SOD活性均成倍數(shù)增加，達(dá)到2 101.7～3 265.1 U/（g·h），8、9月氣溫下降，高溫脅迫得到緩解，SOD活性也隨之降低，但仍維持在較高的水平（表4）。

2.4 不同白樺家系可溶性蛋白含量的月變化

可溶性蛋白是植物細(xì)胞內(nèi)常見(jiàn)而有效的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，耐熱植物在高溫脅迫下可保持較高的蛋白質(zhì)合成速率和較低的蛋白質(zhì)降解速率[11]，從而維持較高的可溶性蛋白含量。從表5可以看出，不同白樺家系的可溶性蛋白含量差異較大，5—9月家系1-41可溶性蛋白含量平均值最高，為16.61 mg/g，家系 1-46 最低，為7.17 mg/g。除家系1-54外，其余均在7月達(dá)到最大值，表現(xiàn)出與氣溫變化的正相關(guān)。

2.5 不同白樺家系耐熱型的綜合評(píng)價(jià)

采用隸屬函數(shù)法，對(duì)每個(gè)家系各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值求平均值，以此為據(jù)對(duì)其耐熱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)與耐熱性呈負(fù)相關(guān)的相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量采用公式（2）進(jìn)行計(jì)算，對(duì)與耐熱性呈正相關(guān)的SOD活性和可溶性蛋白含量采用公式（1）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。從表6評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，家系CD和1-41的耐熱性最強(qiáng)，而家系1-59和1-46的耐熱性最差。

3 結(jié)論與討論

細(xì)胞膜是植物細(xì)胞與外界環(huán)境的屏障，維持著細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性，當(dāng)植物處于逆境時(shí)，細(xì)胞膜受到損傷往往會(huì)導(dǎo)致膜透性增大，電解質(zhì)從細(xì)胞內(nèi)滲透出來(lái)，引起組織浸出液電解質(zhì)濃度隨之增高，相對(duì)電導(dǎo)率升高。因此，相對(duì)電導(dǎo)率反應(yīng)了細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于多種植物的耐熱性鑒定，電導(dǎo)率越大，說(shuō)明細(xì)胞膜受到的傷害越大，其耐熱性就越弱[9，11-14]。在本試驗(yàn)中，5—7月，不同白樺家系的電導(dǎo)率均隨著氣溫的升高而增加，然而不同家系的變化幅度不同，說(shuō)明家系間的耐熱性差異在細(xì)胞膜透性的增加幅度上表現(xiàn)較為明顯。7月過(guò)后，氣溫下降，電導(dǎo)率也隨之降低，說(shuō)明在石家莊地區(qū)，7月高溫并沒(méi)有使白樺各家系的細(xì)胞膜發(fā)生不可逆的損傷。

MDA是膜脂過(guò)氧化作用的產(chǎn)物，其含量可以表示膜脂過(guò)氧化的程度和植物對(duì)逆境條件反映的強(qiáng)弱。許多研究表明，MDA含量與植物的耐熱性呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，在高溫脅迫下，耐熱性強(qiáng)的植物，仍能維持較高的保護(hù)酶活性，清除活性氧的能力較強(qiáng)，MDA積累較少;而耐熱性弱的植物，當(dāng)受到重度的高溫脅迫時(shí)，則易造成大量的MDA等有害物質(zhì)的積累[11-16]。本研究結(jié)果與其他學(xué)者研究較為一致，5—7月隨著氣溫升高，6個(gè)白樺家系的MDA含量逐漸積累，在7月氣溫最高時(shí)達(dá)到最大值。之后隨氣溫下降，MDA含量逐漸降低。然而家系1-59和2-5的MDA含量卻在8月達(dá)到最大值，9月有所降低，這一現(xiàn)象可能是受到復(fù)雜的大田環(huán)境的影響，原因有待進(jìn)一步研究。

高溫脅迫引起的膜脂過(guò)氧化過(guò)程中，氧自由基O-2·、H2O2等有毒物質(zhì)的產(chǎn)生速度與保護(hù)酶系統(tǒng)在高溫下的活性共同決定著植物的耐熱性[17]，而SOD是植物體內(nèi)清除活性氧自由基的關(guān)鍵酶，它可以減輕膜脂過(guò)氧化程度，保持膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本研究中，隨著氣溫升高，6月所有家系SOD活性增長(zhǎng)幅度較小，然而到了7月，均出現(xiàn)呈倍數(shù)增加，說(shuō)明白樺在高溫脅迫下，會(huì)通過(guò)增強(qiáng)SOD活性，來(lái)減輕植物體內(nèi)活性氧平衡的破壞，提高對(duì)高溫的適應(yīng)性。這與胡佳佳等對(duì)屋頂綠化植物的耐熱性評(píng)價(jià)結(jié)果[18]相一致。

作為植物細(xì)胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可溶性蛋白對(duì)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能穩(wěn)定具有重要的作用[19]。研究表明，高溫導(dǎo)致氮素代謝失調(diào)是植物生長(zhǎng)受到影響的一個(gè)重要原因[11]。耐熱性較強(qiáng)的植物在高溫條件下合成蛋白質(zhì)的速率較高，降解速率較低。本研究中，雖然不同白樺家系可溶性蛋白含量變化均表現(xiàn)出與氣溫的正相關(guān)性，夏季高溫使白樺各家系保持較高的蛋白質(zhì)合成速率和較低的降解速率，氣溫降低后，又基本回歸到正常狀態(tài)。但不同家系間的含量差異較大，且在不同月份的變化幅度也表現(xiàn)出差異性。

目前大多學(xué)者對(duì)植物耐熱性的研究多是在人工氣候培養(yǎng)箱中模擬高溫脅迫，這種各因素可控的試驗(yàn)條件難以準(zhǔn)確反映出自然界的復(fù)雜環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，同時(shí)由于植物不同品種之間潛在的耐熱性差異需經(jīng)過(guò)一定的熱鍛煉才能充分表現(xiàn)出來(lái)[20]，因此不能夠準(zhǔn)確地反映植物的耐熱性。本研究通過(guò)大田試驗(yàn)，在自然環(huán)境下進(jìn)行，8個(gè)白樺家系經(jīng)過(guò)順應(yīng)氣候的熱鍛煉，能夠真實(shí)表現(xiàn)出各自耐熱性的強(qiáng)弱。目前在植物耐熱性研究中，溫度梯度的設(shè)置多為單調(diào)升高，但是對(duì)高溫脅迫后溫度降低時(shí)植物的生理反應(yīng)則報(bào)道較少，本研究當(dāng)中，8、9月氣溫降低，各個(gè)家系的4個(gè)生理指標(biāo)均有不同程度的恢復(fù)，說(shuō)明在石家莊地區(qū)，7月高溫并未對(duì)白樺的生長(zhǎng)造成不可逆的傷害。

耐熱性是植物在夏季經(jīng)受多種因素脅迫下的一種綜合表現(xiàn)，是一個(gè)綜合性指標(biāo)，而且不同植物家系品種在耐熱機(jī)制上也存在差異[21]，因此使用單一指標(biāo)并不能全面地反應(yīng)植物的耐熱性強(qiáng)弱，而應(yīng)該使用多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本研究通過(guò)隸屬函數(shù)法，以相對(duì)電導(dǎo)率、MDA含量、SOD活性和可溶性蛋白含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)了8個(gè)白樺家系的耐熱性。結(jié)果表明，8個(gè)白樺家系均能在石家莊安全越夏，其中家系CD和1-41耐熱性最強(qiáng)，家系1-59和1-46的耐熱性最差。

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