4种湿地植物的抗寒性比较

赵　峰，张建旗

(兰州市园林科学研究所，甘肃 兰州　730070)



4种湿地植物的抗寒性比较

赵峰，张建旗

(兰州市园林科学研究所，甘肃 兰州730070)

以兰州市园林科学研究所品种圃内两年生花叶芦苇、花叶水葱、慈姑和泽泻为试验材料，观察记载其物候期特性、越冬性和成活率,并设置4个人工冷冻处理0℃、-10℃、-15℃、-20℃，以常温为对照，研究了不同温度条件下叶片的细胞膜透性、脯氨酸(Pro)、可溶性糖(WSC)含量、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性的变化。结果表明：定植2个月后，花叶芦苇和慈姑的成活率达96%。随着低温胁迫的不断加重，4种湿地植物叶片细胞膜透性、Pro含量和WSC含量逐渐增大， POD和CAT活性呈现出先上升后下降的变化规律；综合比较各生理指标，4种湿地植物的抗寒性强弱顺序依次为：花叶芦苇>花叶水葱>慈姑>泽泻。

湿地植物；冷冻处理；抗寒性；生理指标

随着生态园林城市建设的发展，园林水体绿化与湿地生态修复的需要日益受到重视。做为园林水景与湿地恢复的重要造景素材—水生植物，其多样的姿态及绚丽的色彩形成优美景观引人入胜，留恋忘返[1-2]。花叶芦苇(Phragmitesaustralis)、花叶水葱(Scirpusvalidus)、慈姑(Sagittariasagittifolia)和泽泻(Alismaorientale)为华北地区湿地水景绿化中常见湿地植物，2013年4月从河北省保定市白洋淀地区(安新县境内)引种至兰州市园林科学研究所；经两年的引种栽培，表现出良好的生长态势[3-5]。兰州市属于典型的大陆性干旱气候，冬季寒冷，极端最低温度-23.1℃，低温是影响植物生长的决定性因子；研究湿地植物对低温的适应性及其机制，有助于在兰州地区不同湿地环境中对植物进行配置及推广应用[6-8]。

试验在对花叶芦苇、花叶水葱、慈姑和泽泻物候期特性、成活率和越冬情况观察记录的基础上，研究了低温胁迫对这4种湿地植物叶片细胞膜透性、游离脯氨酸(Pro)含量、可溶性糖(WSC)含量、过氧化物酶(POD)活性以及过氧化氢酶(CAT)活性生理指标的影响，为4种湿地植物在兰州地区城乡湿地水景中的推广应用提供理论依据。

1　材料和方法

1.1试验材料

以两年生的花叶芦苇、花叶水葱、慈姑和泽泻为试验材料，取自兰州市园林科学研究所品种圃。

1.2冷冻处理

选择生长健壮且生长势较一致的植株叶片进行采集(6～8片)，将叶片装入采集袋带回试验室，先用自来水洗掉叶片上沾附的尘土，再用蒸馏水轻轻冲洗叶片，后用滤纸吸干叶片表面的蒸馏水。贴明标签，放入恒温冰箱中进行低温胁迫处理，设0℃、-10℃、-15℃、-20℃ 4个梯度处理，处理24 h然后进行各生理指标测定[9-10]，常温为对照(CK)。

1.3测定方法

直接观察记载物候期和定植2月后的成活率，采用电导率法测定细胞质膜透性[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酶活性测定采用紫外吸收法[14]，每个处理重复3次。

提取粗提液时用预冷的研钵冰浴研磨，并在低温离心机内离心。制备好的粗提液迅速转入低温冷藏，以减小酶的失活。各指标需当日迅速测定，确保数据的可靠性[15-16]。

1.4数据处理

采用Microsoft Excel 2003软件对所有数据进行处理并作图，用SPSS 16软件对品种间各项指标的差异显著性进行分析。

2　结果与分析

2.14种湿地植物的物候期和成活率

2013年5～11月，对兰州市园林科学研究所品种圃内栽植的4种湿地水生植物每隔10～15 d观察植株的花期和观赏类型，并统计植株2个月的存活率(表1，2)。结果显示，花叶水葱的始花期较早，于6月12日开放，且花期最长，达115 d；慈姑和泽泻次之，但泽泻的花期较短，仅43 d。定植2个月后，4种湿地水生植物的成活率均较高，花叶芦苇和慈姑的成活率达96%，花叶水葱和泽泻次之，成活率达91%(表2)。

表1　4种湿地植物物候期

注：4种植物观赏类型为观叶，泽泻为可观叶观花

表2　4种湿地植物引种成活率统计

2.2低温胁迫下湿地植物叶片细胞膜透性的变化

叶片相对电导率大小是衡量植物遭受温度胁迫受害程度的生理指标，低温胁迫使细胞膜透性增加，越不耐寒的植物，膜透性的增加速度越快，表现为电导率迅速上升[17]。在低温胁迫前期，各植物的相对电导率都处于比较低的水平，随着温度的降低，4种湿地植物叶片相对电导率总体呈上升趋势，说明低温处理对细胞膜产生了一定的伤害，但不同品种所受伤害程度不同。与CK相比，各品种在-10℃和-15℃时的相对电导率增加幅度较小，增幅在10%；当温度降低到-20℃，相对CK，4个品种的相对电导率增加幅度变大。据此推断，4种湿地植物的抗寒性强弱顺序依次为：花叶芦苇>花叶水葱>慈姑>泽泻(图1)。

图1　不同低温条件下叶片相对电导率Fig.1　The relative conductivity changes of the plants leaves under low temperature treatments

2.3低温胁迫下湿地植物叶片Pro含量的变化

在正常环境条件下生长的植物，体内Pro的含量很低，但在植物受到低温胁迫时，植物体内Pro游离脯氨酸的含量可显著增加，它在一定程度上反映植物受害程度，以及植物对低温胁迫的忍耐及抵抗力[18]。随着温度的降低，4个品种的叶片Pro含量较CK显著增加，且各温度间其含量差异极显著(P≤0.01)。当温度降至-20℃时，花叶水葱的叶片Pro含量增加幅度最大，为18.4%。以叶片Pro含量增加幅度来分析，4种湿地植物的抗寒性强弱顺序依次为：花叶水葱>花叶芦苇>慈姑>泽泻(图2)。

图2　低温胁迫下叶片Pro含量Fig.2　Effect of low temperature stress on Pro content in leaf of different wetland plants

2.4低温胁迫下叶片WSC含量的变化

WSC作为渗透保护物质，可提高细胞液的浓度，增加细胞持水力及组织中非结冰水，从而降低细胞质的冰点，是植物抵御低温的重要保护物质。受到低温胁迫时，体内的WSC含量就会增加来保护植物不受到伤害，植物体内的WSC含量越高，植物的抗寒性也就越高[19-20]。随着温度的降低，4个湿地植物叶片WSC含量均呈现增加趋势，品种不同增加幅度也不尽相同，且叶片WSC含量在不同的低温处理间以及各处理与CK间均产生了极显著性差异(P≤0.01)。在-20℃的条件下，较CK相比，花叶芦苇增加了539.35 mg/g；泽泻增加了518.10 mg/g；慈姑增加了208.35 mg/g。若以叶片可溶性糖含量为指标，4种湿地植物品种的抗寒性强弱顺序依次为：花叶芦苇>泽泻>花叶水葱>慈姑(图3)。

图3　低温胁迫对叶片WSC含量的影响Fig.3　Effect of low temperature stress on WSC content in leaf of different wetland plants

2.5低温胁迫下植物叶片POD活性的变化

POD是一种广泛存在植物于细胞中的氧化酶，能有效的清除细胞中因逆生长的活性氧和超氧化物阴离子自由基，从而防止其对细胞的伤害，抗寒性高的植物其POD含量也较高[21]。随着温度的降低，4种湿地植物POD酶活性呈先升后降的趋势。在-10℃低温胁迫时，所有植物的POD酶活性明显增强，且增加幅度有显著性差异；与CK相比，花叶芦苇和花叶水葱的POD酶活性增强幅度最大，分别为58.8%和41.3%。当温度降至-15℃时，供试各品种的POD酶活性明显下降，泽泻的POD酶活性下降幅度最大，达81.3%。从POD活性的变化指标来判断，4种湿地植物的抗寒性强弱顺序依次为：花叶芦苇>花叶水葱>慈姑>泽泻(图4)。

图4　低温胁迫下叶片POD酶活性Fig.4　Effect of low temperature stress on POD activity in leaf of different wetland plants

2.6低温胁迫下植物叶片CAT活性的变化

CAT是植物抵抗逆境环境的保护酶之一，抗寒性强的植物，其CAT的活性高，且在抗寒锻炼中随着温度的降低，酶活性下降，以抗寒性强的品种下降幅度小[22]。随着温度的降低，各品种的CAT酶活性呈现先升后降趋势。在整个处理过程中，花叶芦苇的CAT酶活性明显高于其他品种，在-10℃时各品种的CAT酶活性均最低，但在-15℃时明显增加，并且增加幅度有显著性差异，花叶水葱和花叶芦苇的CAT酶活性增加幅度最大，达73%以上。当温度降低至-20℃后，各品种的CAT酶活性又明显降低，说明-15℃是CAT酶活性的临界值。从CAT活性变化指标来判断，4种湿地植物的抗寒性强弱顺序依次为：花叶芦苇>花叶水葱>慈姑>泽泻(图5)。

图5　低温胁迫下叶片CAT酶活性Fig.5　Effect of low temperature stress on CAT activity in leaf of different wetland plants

3　讨论

北方植物，抗寒性的高低是其能否安全越冬和适应当地气候的关键。许多研究表明，植物的抗寒性与其生理变化有着密切的关系[6,12,23],本研究也证实了这一观点。植物细胞膜对维持细胞的微环境和正常的代谢起着重要作用。在正常情况下,细胞膜对物质具有选择透性能力，植物受到低温伤害时，细胞质膜透性会有不同程度增大，导致电解质渗出率提高。因此，低温伤害后电解质渗出率是评价植物抗寒性的一个重要指标[23-25]。研究表明，随着温度的降低，4种湿地植物的相对电导率均呈先上升的趋势。其中，泽泻的细胞膜透性相对较高，变化较大，细胞膜系统被破坏的程度比较严重,其抗寒性较弱。

Pro作为渗透调节物质，一是作为渗透调节物质，保持原生质与环境的渗透平衡；二是保持膜结构的完整性。大量研究证明其含量和植物抗寒性有很大的相关性[26-27]。低温胁迫下，花叶芦苇和花叶水葱中Pro含量和细胞膜相对透性升高，说明在Pro的作用下，花叶芦苇和花叶水葱通过渗透调节来提高其抗寒性。

植物在低温胁迫环境下,可以通过可溶性糖的增加产生保护作用[27]。4种湿地植物在低温胁迫下，WSC的含量均随着温度的降低成增加的趋势，且各处理间差异显著。花叶芦苇的可溶性糖含量在相同低温胁迫下一直高于其他3种,可能是因为植物在受到低温胁迫后,产生大量的WSC,增加原生质浓度,来降低冰点,以此来增加抗寒性能，说明其抗寒性较强。

POD和CAT是细胞抗氧化系统中的重要保护性酶，能清除体内过多的自由基，减轻逆境下对细胞膜的伤害，使机体免遭氧化损伤，从而提高植物抗寒性。有研究表明，随着温度的降低，植物体内的POD活性呈先增加后降低的趋势，而CAT活性呈先降低后增加的趋势[21,26-27]。本研究中，4种湿地植物的POD含量随着温度的降低呈先增加后降低的趋势，在-15℃时，花叶芦苇和花叶水葱的POD酶活性增强幅度最大，分别为58.8%和41.3%，与上述研究结果一致。CAT呈先降低后增加的趋势，在-10℃时，4种湿地植物的CAT含量均降低至最小值，而在-15℃时，其显著增加，花叶芦苇和花叶水葱增加幅度最大，CAT的积累量最多，这一研究结果与上述研究结果一致。

4　结论

植物抗寒性是一个受多种因素影响的较为复杂的综合性状，相对电导率、WSC含量、Pro含量、POD活性、CAT活性等都是影响和评价植物抗寒性的重要指标。综合4种湿地植物的物候期、成活率和生理生化指标测定结果，可初步判定,4种湿地植物抗寒性强弱为：花叶芦苇>花叶水葱>慈姑>泽泻。

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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

兰州市科技局项目“兰州地区湿地适生水生植物引种栽培及应用研究(2013-1-34)”资助

赵峰(1980-)，男，甘肃天水人，工程师，硕士，主要从事湿地保护与恢复研究。

E-mail：308020975@qq.com

S 682.32

A

1009-5500(2016)04-0092-05

张建旗为通讯作者。