不同苹果品种叶片耐热阈值及高温下生理生化响应

田 佳，李 佳，孟清波，李中勇，徐继忠

(河北农业大学 园艺学院，河北 保定 071000)

温度是影响植物生长发育的主要环境因子[1]。近年来，苹果种植面积和产量快速增长[2]，成为农民增加收入的优势产业。然而，全球变暖导致极端高温事件的发生频率明显增加[3]，我国许多地区也不断遭遇持续时间较长的高温天气[4]，甚至在有些地区还频繁出现超过40 ℃的短期极端高温天气[5]。高温胁迫已经成为制约果树产业健康持续发展的主要逆境之一[6]。

高温胁迫对植物生长发育的影响已有许多相关报道，包括胁迫后症状的发生、内部生理生化变化等[7-16]。苹果属植物性喜冷凉，耐热性较差[17]，以往关于苹果的高温研究大多集中在果实、果皮及苹果相关基因方面[18-20]，关于苹果叶片耐热阈值及生理生化变化的研究较少。鉴于此，以王林、富士、嘎拉3个苹果品种的新梢为试材，通过人工模拟高温处理，研究不同苹果品种叶片表面热害情况及生理生化指标的变化，探明王林、富士、嘎拉叶片的耐热阈值温度和高温胁迫下苹果叶片的生理生化变化，以期为苹果热害的深入研究及热害预防措施的制定提供依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试材料为13年生的王林、富士、嘎拉3个苹果品种的新梢,要求长势一致、无病虫害，每个品种的基砧为八棱海棠，中间砧为SH40。

1.2 试验方法

1.2.1 高温季节树冠内温度监测 2019年6月15日—8月31日，在河北省顺平县南神南村河北农业大学苹果试验基地利用温度记录仪(精创GSP-6)监测苹果树冠内温度变化，每15 min自动记录1次温度。记录仪2个探头分别安放在树冠中部主枝的外侧和内膛。

1.2.2 不同苹果品种叶片耐热阈值温度的确定 剪取长度20 cm左右且长势一致的王林、富士、嘎拉新梢，将其形态学下端插入盛水的100 mL三角瓶中，置于光照培养箱中进行不同温度处理，温度设计为36、38、40、41、42、43、44 ℃，分别于处理后0、3、6、9、12 h进行热害率和热害指数的调查。每温度处理重复3次，每次重复包括3个新梢。

热害率和热害指数参考马宝鹏[16]、彭勇政等[21]热害分级标准,结合苹果枝条在高温胁迫下的形态变化,将热害症状分为5个级别：0级，枝条叶片完好无症状；1级，枝条个别叶片的叶尖叶缘出现白化或黄褐色症状；2级，枝条1/4叶片叶尖叶缘及周围表皮出现白化或褐色焦枯症状；3级，枝条上1/4～1/2叶片白化或褐色焦枯卷曲；4级,1/2～3/4叶片白化或焦枯卷曲；5级,枝条叶片3/4以上受害或全部干枯死亡。

热害率=(受害新梢数/处理总新梢数)×100%；

热害指数=∑(代表级值×新梢数)/(最高级值×处理总新梢数)×100。

1.2.3 高温季节不同品种热害情况调查 2019年8月初，选取王林、富士、嘎拉3个品种各20株进行调查。在每棵苹果树的上、中、下部和外、中、内部随机均匀选取20个长势一致，无病虫害的新梢，调查其热害率和热害指数。

1.2.4 高温胁迫下苹果叶片的生理生化变化 选择20 cm左右且长势一致的王林、富士、嘎拉新梢，在恒温光照培养箱中进行处理，温度分别为王林41 ℃、富士43 ℃、嘎拉44 ℃，对照温度均为27 ℃。每个温度设3次重复，每个重复包括12个新梢。在处理后0、3、6、9、12 h取叶片样，之后迅速用液氮冷冻，并置于-80 ℃保存。

1.3 数据处理

利用Microsoft Office 2010、Microsoft Excel 2010软件进行数据的统计和整理，利用DPS 7.05软件进行数据差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 高温季节树冠内最高气温变化

由图1可见，2019年6月15日—8月31日，试验地苹果树冠外侧，日最高气温≥35 ℃的天数为50 d(占试验期间总天数的64.10%)，日最高气温≥37 ℃的天数为42 d(占53.85%)，日最高气温≥40 ℃的天数为27 d(占34.62%)；由于树冠内膛枝叶密度大，空气中的热量较为分散，以及其他环境因子(如风速、空气湿度等)的影响，树冠内膛温度明显低于树冠外侧温度，树冠内膛日最高气温≥35 ℃的天数为13 d(占16.67%)；观测时期内最高气温出现在7月21日，高达45.1 ℃,当日树冠外侧高温持续时长为6 h。从图1还可看出，持续高温时间在6月中下旬和7月居多。

2.2 不同苹果品种叶片耐热阈值温度

随着温度的升高，不同苹果品种叶片发生热害的时间和程度不同(表1)。王林叶片在40 ℃以下温度处理12 h均无受害症状；41 ℃处理6 h时出现了热害症状,热害率和热害指数分别为 33.33% 和 6.67；随着温度的升高，王林叶片的热害率和热害指数表现出逐步升高的趋势。富士和嘎拉叶片在36～42 ℃温度处理12 h均无受害症状；43 ℃和44 ℃处理12 h均有热害症状出现，不同的是，43 ℃处理下，富士叶片在9 h出现热害症状，而嘎拉叶片在12 h出现热害症状；43 ℃处理12 h时,富士叶片的热害率和热害指数分别为33.33%和6.67，高于嘎拉叶片的热害率(22.22%)和热害指数(4.44)。根据表1中热害出现的时间先后及对应的温度，初步确定王林、富士、嘎拉的耐热阈值温度分别为41、43、44 ℃。

表1 人工模拟环境下不同苹果品种叶片的热害率和热害指数Tab.1 Heat injury rate and heat injury index of leaves of different apple varieties under artificial simulated environment

2.3 高温季节不同苹果品种热害率和热害指数比较

调查结果(表2)表明，王林叶片的热害率和热害指数最高，为53.50%和18.05；嘎拉叶片的热害率和热害指数最低，为5.36%和1.57；3个苹果品种的热害率和热害指数均为王林显著高于富士，富士显著高于嘎拉。

表2 高温季节不同苹果品种叶片热害率和热害指数Tab.2 Heat injury rate and heat injury index of different apple varieties in high temperature season

2.4 高温胁迫下苹果叶片的生理生化响应

2.4.1 叶片叶绿素含量 不同苹果品种叶片叶绿素含量随着高温胁迫时间的延长均呈现降低趋势。在阈值温度下，王林、富士、嘎拉叶片在处理0 h的叶绿素含量最高，分别为2.63、2.61、2.65 mg/g；高温处理3 h后，3个品种苹果叶片叶绿素含量均显著低于对照(表3)。处理12 h时，王林、富士、嘎拉叶片的叶绿素含量最低，分别为1.96、2.06、1.87 mg/g，比对照分别下降了25.19%、21.07%、29.43%。

表3 不同高温胁迫时间下不同苹果品种叶片叶绿素含量 Tab.3 Chlorophyll content of leaves of different apple varieties under high temperature stress mg/g

表4 不同高温胁迫时间下不同苹果品种叶片超氧阴离子含量 Tab.4 Superoxide anion content of leaves of different apple varieties under high temperature stress μmol/g

3个苹果品种叶片MDA含量随着高温胁迫时间的延长均呈现升高趋势(表5)。在阈值温度处理下，3 h时，富士和嘎拉叶片的MDA含量分别为15.67、17.03 μmol/g，显著高于对照，是对照的1.10、1.03倍；王林、富士、嘎拉叶片的MDA含量均显著高于对照，分别是对照的1.09、1.12、1.07倍。与处理0 h相比，处理12 h时，3个品种MDA含量分别增加了21.20%、26.36%、20.39%。

不同苹果品种叶片相对电导率随着高温胁迫时间的延长均在增加(表6)。处理0 h时，王林、富士、嘎拉的叶片相对电导率最低，分别为15.21%、15.83%、16.44%；高温处理后，3个品种叶片的相对电导率均显著高于对照；处理12 h时，王林、富士、嘎拉的叶片相对电导率最高，分别为22.86%、23.77%、27.49%，是对照的1.54、1.49、1.64倍。

表5 不同高温胁迫时间下不同苹果品种叶片的丙二醛含量 Tab.5 Content of MDA of leaves of different apple varieties under high temperature stress μmol/g

表6 不同高温胁迫时间下不同苹果品种叶片的相对电导率 Tab.6 Relative conductivity of leaves of different apple varieties under high temperature stress %

2.4.3 叶片可溶性蛋白含量及抗氧化酶活性 由表7可知，随着高温胁迫时间的延长，3个苹果品种叶片可溶性蛋白含量均呈现先升高后降低的趋势。高温处理6 h时，王林、富士、嘎拉叶片可溶性蛋白含量达到最大值，分别为28.41、22.52、22.25 mg/g，是对照的2.06、2.00、2.00倍。胁迫至9 h时，王林叶片可溶性蛋白含量(14.02 mg/g)与对照(13.92 mg/g)无显著差异，富士叶片可溶性蛋白含量(16.34 mg/g)显著高于对照(11.54 mg/g)，嘎拉叶片可溶性蛋白含量(8.48 mg/g)显著低于对照(11.70 mg/g)。

表7 不同高温胁迫时间下不同苹果品种叶片的可溶性蛋白含量 Tab.7 Soluble protein content of leaves of different apple varieties under high temperature stress mg/g

随着高温胁迫时间的延长，3个苹果品种叶片SOD、POD活性均呈现先升高后降低的趋势(表8、表9)。高温处理6 h时，王林、富士和嘎拉叶片SOD、POD活性达到最高，SOD活性分别是对照的1.76、2.27、1.59倍，POD活性分别是对照的2.08、2.00、1.92倍。胁迫至9 h时，3个苹果品种叶片POD活性均显著高于对照；王林叶片SOD活性与对照无显著差异，富士、嘎拉叶片的SOD活性分别为40.87、41.74 U/(g·min)，分别是对照的1.66、1.39倍。

表8 不同高温胁迫时间下不同苹果品种叶片的SOD活性Tab.8 SOD activity of leaves of different apple varieties under high temperature stress U/(g·min)

表9 不同高温胁迫时间下不同苹果品种叶片的POD活性 Tab.9 POD activity of leaves of different apple varieties under high temperature stress U/(g·min)

3 结论与讨论

植物叶片形态特征的变化可直接反映高温伤害程度和抗高温胁迫能力[24]。本研究中，王林叶片在41 ℃处理6 h出现热害症状，43 ℃处理下，富士叶片9 h出现热害症状，而嘎拉叶片在12 h出现热害症状，初步确定了王林、富士、嘎拉叶片耐热阈值分别41、43、44 ℃。张建光等[25]对苹果果实日灼阈值温度的研究表明，红富士果实的阈值温度为(46.6±0.5)℃，嘎拉果实的阈值温度为(47.5±0.5) ℃，可见不同苹果品种的果实耐热阈值高于其叶片的阈值温度。本研究对3个苹果品种叶片的田间热害调查结果显示，王林苹果叶片受害最重，而嘎拉最轻，从另一侧面也验证了不同苹果品种叶片耐热阈值温度不同。

植物在受到高温胁迫的同时，也会进行自我保护。植物体产生的可溶性蛋白可以在一定程度上改善植物细胞渗透性并平衡细胞质。但持续高温会导致蛋白质变性失活分解，从而使得细胞内可溶性蛋白含量下降[21]。本试验中3个苹果品种叶片的可溶性蛋白含量随着高温时间的延长，表现出了先升高后降低的趋势，且均在6 h时含量最高，说明在阈值温度下,3个苹果品种叶片在6 h时抗热性达到了最大。同时，活性氧清除系统也是植物体重要的自我保护机制。高温对POD活性有明显的抑制作用,其活性的降低加速了高温对细胞结构和功能的损伤[1]。SOD也是植物抗氧化防御系统中的关键酶,可以提高植物组织的抗氧化能力。本研究中3个苹果品种叶片的SOD、POD活性随着高温时间的延长均出现了先上升后下降的趋势，且在6 h达到最大值，这与彭勇政等[21]的研究结果一致。而徐佳宁等[29]的研究显示，不同番茄品种的叶片POD活性均随胁迫时间的延长呈先上升后下降再上升的趋势,且大多数供试品种的POD活性在高温胁迫12 h时达到最大值。可见,高温胁迫下植物体内保护酶活性可能会因温度、物种等变化而有所不同。

综上所述，王林、富士、嘎拉叶片的耐热阈值温度分别为41、43、44 ℃。随着高温胁迫时间的延长，苹果叶片叶绿素降解，膜脂过氧化加重，苹果叶片抗氧化酶活性增加，苹果叶片的生理代谢变化明显。