短期高温胁迫对大花四照花和日本四照花生长和光合的影响

鲁强 徐杰 洑香香

摘要：以1年生盆栽大花四照花（Cornus florida）和日本四照花（C. kousa）实生苗为试验材料，人工气候室内采用昼/夜温度分别为35/30、40/35 ℃持续处理27 d，以昼/夜温度30/25 ℃处理为对照（CK），测定分析这2种四照花的幼苗生长情况及胁迫处理0、2、8、13、19、27 d时叶片光合、叶绿素荧光参数。结果表明，35/30、40/35 ℃高温胁迫处理27 d时，大花四照花和日本四照花的苗高相对增长率、地上部分生物量、总生物量、气孔导度（Gs）、净光合速率（Pn）、最大光量子产量（Fv/Fm）、光化学猝灭系数（qP）低于CK或处理前，非光化学猝灭系数（NPQ）高于CK或处理前;35/30 ℃ 处理27 d时2种四照花幼苗各项测定指标与CK或处理前相比相互间差异不显著（P>0.05），而40/35 ℃处理27 d时2种四照花的幼苗苗高相对增长率、大花四照花总生物量较CK有显著降低（P<0.05），大花四照花叶片Pn、Gs、Fv/Fm、PSⅡ潜在光化学活性（Fv/Fo）、qP及日本四照花叶片Pn较处理前有显著降低。

关键词：大花四照花;日本四照花;高温胁迫;生长;光合指标;叶绿素荧光参数

中图分类号： S718.43;S684.01  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）22-0159-05

随着全球气候变暖，高温胁迫已逐渐成为威胁植物生长发育的主要因素之一。高温胁迫虽然可从生理、生化及分子等方面影响植物的生长，但光合作用才是影响植物生物量的本质[1]，同时也是植物应对高温胁迫极为敏感的生理过程[2]。高温胁迫会引生起植物叶绿体类囊体膜结构改变，导致膜脂过氧化，使光合电子传递链和放氧复合体（OEC）受到损伤，光合速率降低[3]。光系统Ⅱ（PSⅡ）是光合作用进程中对高温最敏感、最易受破坏的部位[4]，高温会抑制PSⅡ供体侧水的光解和下游碳的同化反应[5]，目前，对高温胁迫下植物PSⅡ功能的研究方法主要有叶绿素荧光参数检测、快速叶绿素荧光诱导动力学（OJIP）曲线和蛋白质组学技术等[6-8]。

四照花（Cornus）为山茱萸科常绿或落叶小乔木或灌木，被划分为东亚四照花和北美四照花两大类群[9]，树种树姿优美，是集彩花、彩果、彩叶于一身的园艺观赏树种[10]，在森林生态系统中发挥着良好的生态效益[11]，北美早在100多年前就对北美四照花类群进行大量选育，目前有超过100多个栽培品种广泛种植于北美各地的庭园和道路旁。近年来，日本、韩国等亚洲国家也开始对四照花进行引种、推广栽培，并取得良好的景观效果[12]。中国作為东亚四照花类群的主要分布区，也被认为是北美四照花品种的适宜引种栽培区，尤其是中国亚热带地区[10，13]。

中国长江中下游亚热带地区夏季炎热多雨，高温引起的自然灾害事件频发，而极端高温持续天数也呈上升趋势[14]。为评估长江中下游亚热带地区夏季高温对北美四照花品种的影响，本试验以乡土树种日本四照花（C. kousa）为对照材料，研究短期高温胁迫下大花四照花（C. florida）的光合和生长情况，探讨其对高温胁迫的响应机制，以期为北美四照花在亚热带地区的引种栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料的准备

2个类群的代表种大花四照花（北美类群）、日本四照花（东亚类群）种子，分别于2014年购自美国路易斯安那州和日本。将2个四照花种子进行低温层积处理，于南京林业大学溧水白马基地塑料大棚内培育成1年生容器苗，容器规格为上、下口径分别20、15 cm，高20 cm，栽培基质为草炭 土 ∶ 黄棕壤 ∶ 珍珠岩 ∶ 碳化稻壳=5 ∶ 3 ∶ 1 ∶ 1，并施用缓释肥3 g/盆。

1.2 试验设计

试验于2015年8月在人工气候室内进行，选取长势基本一致的健壮幼苗于人工气候室中缓苗1周，缓苗期间保证良好的水分供应和适宜的生长温度;以昼/夜温度分别为 35/30、40/35 ℃这2个高温胁迫处理27 d，处理编号分别为T1、T2，以昼/夜温度30/25 ℃处理为对照（CK）。每处理20株苗，重复3次，试验过程中保证水分的正常供应;测定2个四照花的生长和光合指标。培养条件：光照度为 550 μmol/（m2·s），光照时间为12 h/d，相对湿度为60%～70%，保持通风。

1.3 生长与光合指标测定方法

1.3.1 生长指标 高温胁迫前，选定长势较为一致的幼苗5株，测量苗高H0、地径B0;胁迫处理结束，再次测量同一植株的苗高H1、地径B1，计算苗高、地径的相对增长率，同时，各处理选取与苗高和地径均值较为接近的幼苗5株，去除叶片和栽培基质，将植株分为地上主干、地下根2个部分，105 ℃烘箱中烘干至恒质量，称质量即为地上、地下部分生物量。苗高、地径的相对增长率计算公式分别为：

苗高相对增长率=（H1-H0）/H0×100%;

地径相对增长率=（B1-B0）/B0×100%。

1.3.2 光合指标 分别于处理0、2、8、13、19、27 d的中午，采用美国产LI-6400便携式光合仪，避开主脉，测定幼苗中上部成熟功能叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）。每重复随机测定1株，每株测叶片3张，取均值。测定时，光合仪使用人工LED光源，饱和光强、气体流速、CO2浓度分别为 1 000 μmol/（m2·s）、500 μmol/s、400 μmol/mol。同日下午，分别测定叶绿素荧光指标，即将红蓝光源换成荧光叶室，将叶片用暗适应夹夹住暗处理20 min，测定初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、光化学猝灭系数（qP），计算最大光量子产量（Fv/Fm）、PSⅡ潜在光化学活性（Fv/F0）、可变荧光（Fv）;活化 30 min，测定非光化学淬灭系数（NPQ）。可变荧光计算公式为：

Fv=Fm-F0。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2013软件对试验数据进行处理，采用SPSS 20.0软件对数据进行单因素方差分析和Duncans新复极差法多重比较。

2 结果与分析

2.1 高温胁迫对幼苗生长的影响

由表1可见，与CK相比，T1处理对2种四照花苗高、地径相对增长率及生物量指标的影响均不显著（P>0.05），T2处理的2种四照花苗高相对增长率有显著降低（P<0.05），而对地径增长的影响不显著;2种高温胁迫处理对2种四照花幼苗地上、地下部分生物量的影响不显著，T2处理的大花四照花总生物量较CK有显著减少，而对日本四照花的总生物量影响不显著。

2.2 高温胁迫对四照花幼苗叶片气体交换参数的影响

由图1可见，T1处理的2种四照花幼苗叶片，其净光合速率（Pn）在胁迫处理前8 d整体呈明显的下降趋势，并在胁迫处理8 d时达到最低值，后又逐渐恢复至胁迫处理前的水平，这说明35/30 ℃胁迫处理未对2种四照花产生实质性的伤害;T2处理的大花四照花幼苗叶片，其Pn随时间延长整体呈明显的下降趋势，处理27 d时的Pn值较CK降低 38.94%，下降幅度明显高于日本四照花;T1、T2高温胁迫处理27 d时，大花四照花、日本四照花叶片Pn低于处理前。

气孔调节是植物应对逆境胁迫的快速调节方式之一。由图1可见，与处理前相比，T1胁迫处理27 d时大花四照花、日本四照花的气孔导度（Gs）低于处理前，但相互间差异不显著（P>0.05），说明35/30 ℃胁迫处理未对2种四照花造成实质性伤害;T2处理的大花四照花Gs整体呈明显下降趋势，胁迫处理27 d时显著低于处理前（P<0.05），而T2胁迫处理未对日本四照花Gs产生显著影响，说明日本四照花具有较好的耐热性。

2.3 高温胁迫对四照花幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响

由图2可见，T1处理未对2种四照花幼苗叶片的最大光量子产量（Fv/Fm）、PSⅡ潜在光化学活性（Fv/F0）产生显著影响（P>0.05）;T2处理的大花四照花幼苗，其叶片Fv/Fm、Fv/F0随高温持续时间的延长呈明显的下降趋势，胁迫处理 8 d 后显著低于胁迫处理前（P<0.05），胁迫处理27 d时，Fv/Fm、Fv/F0分别降至最低，分别为对照的93.15%、79.18%，说明大花四照花的光合系统在昼/夜温度40/35 ℃高温胁迫下受到损伤;随胁迫天数的延长，T2处理时的日本四照花幼苗叶片Fv/Fm呈降—升—降—升波动态势、Fv/F0呈先降后升趋势，但与胁迫处理前相比，胁迫处理27 d时的日本四照花幼苗叶片Fv/Fm、Fv/F0差异不显著，说明高温胁迫对日本四照花光合系统的损伤是可逆的。

由图3可见，与胁迫处理前相比，T1处理对大花四照花、日本四照花幼苗叶片光化学猝灭系数（qP）、非光化学猝灭系数（NPQ）未产生显著影响（P>0.05）;随胁迫天数的增加，T2处理的大花四照花幼苗叶片qP呈明显的下降趋势、NPQ呈先升后降趋势，处理27 d时，大花四照花幼苗叶片qP较CK下降40.00%、NPQ较CK上升9.09%，说明大花四照花在高温胁迫下会以热耗散形式消耗过剩的激发能，以减轻高温胁迫对光合系统造成的损伤;T2处理的日本四照花随处理时间的延长，其叶片qP呈明显先降后升趋势、NPQ呈整体先升后降趋势，并在胁迫处理19 d时达到极值，qP较CK下降 22.23%、NPQ较CK上升5.26%，而在胁迫处理27 d时恢复至与处理前相比差异不显著，说明日本四照花可随胁迫天数的增加而逐渐适应高温环境，并通过自身调节可以适当恢复。

3 结论与讨论

生长量是植物应对逆境胁迫综合响应的体现，也是确定植物耐逆性的常用指标[4，15]。高温胁迫导致植物细胞失水，细胞增长受到抑制，从而植物的生长量降低[16]。本试验结果表明，昼/夜温度分别为35/30、40/35 ℃持续处理27 d进行高温胁迫，未显著影响大花四照花、日本四照花2种四照花的地径相对增长率及地上、地下部分生物量（P>0.05），而 40/35 ℃ 高温胁迫使2种四照花的苗高相对增长率及大花四照花总生物量有显著降低（P<0.05），未对日本四照花总生物量产生显著影响，可能是由于35～40 ℃为大花四照花适宜生长温度的上限值，而日本四照花则更适应于这种短期高温环境，与其原生境较为一致。

高温会导致植物气孔关闭、胞间CO2浓度降低、碳同化量减少，最终会导致植物净光合速率（Pn）下降[17]。Allakhverdiev等的研究结果表明，轻度高温便可抑制植物的光合作用[18-19]。本研究結果表明，昼/夜温度35/30 ℃高温胁迫0～8 d时，2种四照花幼苗叶片Pn较处理前有明显降低，最终均能恢复至处理前水平，说明这2种四照花均能够耐受35 ℃高温;昼/夜温度40/35 ℃高温胁迫下，2种四照花的Pn随胁迫天数的延长有明显下降，且不能恢复到处理前水平，这与孙宪芝等的研究结果[3]较为吻合。

高温胁迫抑制植物光合作用的机制至今仍存在争议[20]，有一种理论认为，高温胁迫降低了植物的气孔导度，使叶绿体内CO2供应受阻，从而降低了叶片的最大羧化速率，抑制了光合作用[21];另一种理论认为，光合电子传递和核酮糖-1，5- 二磷酸羧化酶（Rubisco酶）活性在高温胁迫下受到抑制，从而降低了植物的光合作用[22]。本试验中，大花四照花在40/35 ℃高温胁迫下叶片气孔导度（Gs）受到抑制，进而导致Pn降低，与前者理论较为吻合;但是，高温胁迫未明显降低日本四照花的Gs，但其Pn却受到抑制，这可能是因为日本四照花在高温下受到光抑制，其光合电子传递和Rubisco酶活性降低，与后者理论较为相符。

高温胁迫会致使植物无法利用过量的光能，从而产生大量的活性氧损伤叶绿体，导致光抑制和过氧化胁迫[23]。同时，光合电子传递能力的损坏也会导致对热敏感的光系统Ⅱ（PSⅡ）产生过量的单线态氧，影响PSⅡ放氧复合体活性，损伤PSⅡ反应中心D1蛋白[24]。一般情况下，PSⅡ的受损程度可用最大光量子产量（Fv/Fm）、PSⅡ潜在光化学活性 （Fv/F0） 的变化来指示。周媛等研究表明，随着高温胁迫程度和持续天数的增加，Fv/Fm、Fv/F0下降[6，24]，这反映高温胁迫下植物叶绿体类囊体膜构象发生改变、PSⅡ反应中心失活。一般认为，高温胁迫下叶绿素荧光指标变化幅度较大的植物耐热性较差[25]。本研究结果表明，2种四照花的Fv/Fm、Fv/F0在35/30 ℃高温胁迫未受到显著影响，这与刘春风等的研究结果[26]一致，但40/35 ℃高温胁迫27 d时大花四照花叶片Fv/Fm、Fv/F0较处理前有显著降低，而日本四照花较处理前差异不显著，说明日本四照花在40/35 ℃高温下发生的光抑制是可逆的，日本四照花对原生境的适应性明显优于大花四照花。

植物对光能的利用主要包括光化学反应转化、非光化学热耗散、叶绿素荧光形式耗散等3个方面，其中，叶绿素荧光猝灭包括光化学猝灭（qP）和非光化学猝灭（NPQ）[21]。有研究证明，非光化学猝灭是植物体通过热耗散形式消耗光合机构内过剩激发能、有效防止光抑制发生的自我保护机制[27]。本试验中，2种四照花叶片qP、NPQ在35/30 ℃高温胁迫下未有显著变化，而在40/35 ℃高温胁迫下，大花四照花叶片qP、NPQ随胁迫时间延长发生明显变化，其光合机构可能受到不可逆损伤，日本四照花叶片qP、NPQ虽发生明显变化，但胁迫27 d时均能有所恢复，说明日本四照花能够逐渐适应40/35 ℃ 的高温环境，这与He等的研究结果[28]较为吻合。

综上所述，高温胁迫降低了2种四照花幼苗叶片的气孔导度、净光合速率，减少了最大光量子产量、光化学猝灭系数，而转为热耗散形式消耗过剩光能，提高了非光化学猝灭系数，从而导致苗高相对增长率和生物量降低;四照花能较好地适应昼/夜温度35/30 ℃的高温环境，日本四照花对昼/夜温度40/35 ℃的高温有更好的耐受性和适应能力。因此，可采用嫁接方法，以耐热性较好的日本四照花为砧木嫁接优良的北美四照花栽培品种，以提高其在亚热带地区高温环境下的存活率，并保证其优良的观赏价值。

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