5种鼠尾草属植物的耐湿热性研究

陈 云，周翔宇，肖汉文，朱军杰，黄卫昌，彭东辉

(1.福建农林大学 园林学院，福建 福州 350002；2.上海辰山植物园 城市园艺技术研发与推广中心，上海 201602)

鼠尾草属(Salvia)是唇形科(Lamiaceae)中最大的属，约有1 000种[1]，该属植物以富含多种芳香成分而著称，其含有的多种活性次生代谢产物在药物、食品、化妆品领域均有广泛的应用[2]，且该属植物颜色丰富、品种繁多、花期长，具有芳香气味，有极高的观赏价值[3]。鼠尾草属植物主要分布于北半球的温带、亚热带和南半球的亚热带高海拔地区[4-5]。我国长江以南，如上海地区，夏季多出现高温高湿天气，最高温度可达40 ℃以上，7-8月的平均相对湿度高达90%[6]，对许多鼠尾草属植物的生长造成严重影响，已经成为其应用的主要限制因子。

根据前期观察，引种至上海地区的许多鼠尾草在高温高湿环境下出现生长不良的症状，甚至死亡。龚萍等[7]利用电导率法对苹果鼠尾草(Salviaofficinalis)进行了耐热性测定；冯时等[8]测定了8种中国原产鼠尾草的半致死温度(LT50)和叶绿素相对含量，比较其耐热性差异，从而对其在引种地的高温适应性做出评价。然而，鼠尾草属植物在耐湿热性相关方面的研究尚未见报道。因此，本研究选取观赏价值较高且未能广泛应用的5种鼠尾草属植物为试验材料，分析在高温高湿环境下各鼠尾草的形态变化、叶绿素相对含量(SPAD)、细胞质膜透性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、可溶性蛋白含量、丙二醛(MDA)含量以及游离脯氨酸(Pro)含量的变化，比较其对高温高湿环境的耐受性差异及生理机制，为今后耐高温高湿鼠尾草的选育、应用和栽培管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

选取上海辰山植物园资源圃内的马德雷鼠尾草(Salviamadrensis)、腺毛鼠尾草(Salviaviscosa)、紫红鼠尾草(Salviaiodantha)、总苞鼠尾草(Salviainvolucrata‘Bethellii’)、‘山顶公园’药用鼠尾草(Salviaofficinalis‘Berggarten’) 5种鼠尾草属植物。研究材料为扦插苗，成活后移植营养钵中进行统一管理，待植株高15～20 cm后选择生长状况良好、长势一致的植株，移至人工气候箱进行耐湿热试验处理。

1.2 试验处理

在人工气候箱(上海一恒科学仪器有限公司)中进行温度35 ℃、光强66%的热激处理，处理时间为12 h，然后进行高温高湿处理，根据上海市气候温度设置为白天40 ℃/12 h，夜晚35 ℃/12 h，空气湿度90%～95%，土壤湿度95%～100%，白天光照强度66%，夜晚进行遮光处理；对照植株置于室温(昼25 ℃/12 h，夜22 ℃/12 h)生长。试验处理0 d(对照组)、2、4、6、8 d于10:00-10:30观察每株受伤害情况(叶片受伤情况、黄叶数、黄叶植株数)，并选取从顶部数第3～5片完全展开的成熟叶片，一部分用于叶绿素相对含量和细胞质膜透性的测定，其余部分用锡箔纸包好，迅速放入液氮中冷冻并贮藏于超低温(-80 ℃)冰箱中，用于超氧化物歧化酶活性、可溶性蛋白含量、丙二醛含量和游离脯氨酸含量的测定。每个种类每个时间点重复3次取样，每次重复3株。

1.3 测定方法

1.3.1 形态学指标测定方法 将高温高湿伤害程度划分为以下5级：1级，生长旺盛，叶色鲜亮，无湿热伤害症状；2级，少于1/3的叶片表现湿热伤害症状(叶色变暗、发黄、枯萎掉落等)；3级，1/3～2/3的叶片表现湿热伤害症状；4级，2/3以上的叶片表现湿热伤害症状；5级，植株死亡[9-10]。

1.3.2 叶绿素相对含量的测定 参照苍晶等[11]的方法，使用植物营养测定仪(浙江托普仪器有限公司)测定每种植物叶片的叶绿素相对含量。每种鼠尾草随机选取3株，每株选取3片叶，每叶片重复3次。

1.3.3 细胞质膜透性的测定 参照苍晶等[11]的实验教程，用去离子水冲洗叶片2次，吸干叶片表面的水分后，用直径为6 mm的打孔器避开叶脉随机打取3个叶圆片，放入盛有10 mL去离子水(电导率小于0.1 μs·cm-1)的试管中，在真空干燥器中用真空泵抽气1 h，使叶圆片沉入水中。室温静置20 min后，用电导率仪(上海仪电科学仪器股份有限公司)测定电导值S1，再放入沸水浴中15 min，杀死植物组织，取出冷却后在室温下测定电导值S2，计算叶片的相对电导率，计算公式为

相对电导率=S1/S2×100%

(1)

1.3.4 叶片生理生化指标的测定 可溶性蛋白含量的测定参考苍晶等[11]的实验原理和技术，超氧化物歧化酶活性、丙二醛含量、游离脯氨酸含量的测定参照生工生物工程(上海)股份有限公司提供的试剂盒方法。

1.4 数据处理与分析

所有数据采用SPSS 25.0进行单因素方差分析，并使用Duncan进行事后检验，用GraphPad Prism 8.0绘制图表，柱状图采用平均值±标准偏差(Mean±SD)的方式表示。

1.5 耐湿热性的综合评定

采用模糊数学隶属函数分析法[12-14]对5种鼠尾草属植物进行耐湿热性综合评定。隶属函数计算公式如下

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

如果某一指标与综合评判结果为负相关，则用反隶属函数进行定量转换。计算公式为

U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中：Xi为鼠尾草植物某一指标测定值；Xmax和Xmin分别为某一指标最大值和最小值。将各植物各指标的耐湿热隶属值累加，进行耐湿热性比较。

2 结果与分析

2.1 高温高湿对5种鼠尾草的伤害等级

由表1可知，紫红鼠尾草在胁迫初期相较于对照组受害等级降低，植株生长状态更好，但后期仍受到一定伤害。其余4个种类的鼠尾草植株均受到了不同程度的湿热伤害，如叶缘卷曲褐化，叶片发黄、脱落甚至死亡，并且随着胁迫时间的延长加重。不同处理时间、不同种类之间生长形态变化存在一定差异。马德雷鼠尾草最早受到湿热伤害，胁迫2 d后，部分叶片出现发黄，叶缘干枯；腺毛鼠尾草、总苞鼠尾草、‘山顶公园’药用鼠尾草在胁迫4 d后，形态开始出现变化。胁迫6 d后，总苞鼠尾草植株变化明显，其中1株死亡，其余植株超过1/3叶片发黄，枯萎掉落。胁迫8 d后，总苞鼠尾草受到严重的湿热伤害，2株死亡，剩余植株超过2/3的叶片发黄、枯萎掉落；其余鼠尾草均出现不同程度的形态变化，其中腺毛鼠尾草、紫红鼠尾草部分叶片叶缘出现发黄或卷曲，伤害程度较轻且较稳定。

表1 高温高湿对5种鼠尾草的伤害等级

2.2 高温高湿对5种鼠尾草叶绿素相对含量的影响

由图1可以看出，除了紫红鼠尾草的对照组，随着胁迫时间的延长，5种鼠尾草的SPAD值呈递减的变化趋势，第8天的值相较于对照组分别下降25.0%、21.2%、4.1%、18.1%、17.9%。显著性分析结果表明，在处理时间内，‘山顶公园’药用鼠尾草SPAD值始终处于较高的水平，总苞鼠尾草次之，两者与其他鼠尾草形成显著关系(P<0.05)；除对照组以外，在胁迫时间内，紫红鼠尾草与腺毛鼠尾草差异不明显(P>0.05)，与形态指标基本吻合，而马德雷鼠尾草、总苞鼠尾草则与形态指标结果不同。

2.3 高温高湿对5种鼠尾草细胞膜透性的影响

从图2可以看出，除紫红鼠尾草对照组外，5种鼠尾草的相对电导率值变化趋势与SPAD值相反，呈上升趋势。马德雷鼠尾草、腺毛鼠尾草、总苞鼠尾草、‘山顶公园’药用鼠尾草在8 d后的相对电导率较对照组分别增加196%、262.8%、230%、177.8%。在0 d时，紫红鼠尾草的相对电导率较高，与其他鼠尾草差异显著(P<0.05)，在2 d后相对电导率随胁迫时间的增长呈现上升趋势，但在整个处理时间内低于其他鼠尾草；马德雷鼠尾草在0 d时与腺毛鼠尾草、总苞鼠尾草、‘山顶公园’药用鼠尾草差异性不显著(P>0.05)，而在0～2 d相对电导率迅速上升，与其他鼠尾草差异显著，表明其最先受到伤害，与形态指标相吻合；第4天开始，腺毛鼠尾草、总苞鼠尾草迅速上升，并在6 d后与其他鼠尾草呈显著差异，马德雷鼠尾草和‘山顶公园’药用鼠尾草差异不明显，说明腺毛鼠尾草、总苞鼠尾草细胞膜最终受到的伤害高于马德雷鼠尾草、‘山顶公园’药用鼠尾草。

2.4 高温高湿对5种鼠尾草其他生理生化指标的影响

2.4.1 超氧化物歧化酶活性 从图3可以看出，5种鼠尾草在胁迫前期SOD活性均有所上升(紫红鼠尾草对照组除外)，表明在高温高湿胁迫下，各鼠尾草均产生了适应性反应，但变化趋势和拐点有所不同。马德雷鼠尾草、‘山顶公园’药用鼠尾草SOD活性在第0～2天大幅度上升，达到最大值，在第2天呈不显著差异(P>0.05)，而第0天、第4天差异显著(P<0.05)，说明前者SOD活性上升速度和下降速度均快于后者；其余3种鼠尾草SOD活性均在第4天达到最高值，其中腺毛鼠尾草上升缓慢，增幅较小；紫红鼠尾草在2～4 d增幅明显，达到最高值，之后一直处于最高水平；而总苞鼠尾草上升缓慢，整体水平较低。

2.4.2 丙二醛含量 从图4可以看出，5种鼠尾草的MDA含量变化趋势没有一致性。总苞鼠尾草在0～6 d MDA值下降，之后有上升趋势；其余4种鼠尾草在胁迫初期均有所上升，其中马德雷鼠尾草、腺毛鼠尾草、‘山顶公园’药用鼠尾草在第4天时达到最高值，三者之间没有显著差异(P>0.05)，但在前后2组中存在显著差异(P<0.05)，表明‘山顶公园’药用鼠尾草上升和下降幅度最大，腺毛鼠尾草次之、马德雷鼠尾草最小；紫红鼠尾草的MDA含量呈现先增后减的趋势，前期变化与形态指标有所差别，但整体呈现较低的水平。

2.4.3 游离脯氨酸含量 由图5可知，除紫红鼠尾草外，其余4种鼠尾草处理8 d后Pro含量显著升高，较对照组分别增加45.9%、52.2%、47.4%、31.4%；马德雷鼠尾草、腺毛鼠尾草、‘山顶公园’药用鼠尾草的Pro含量呈现先增加后降低的变化趋势，且在2～4 d增幅明显，之后一直保持较高的水平；紫红鼠尾草Pro含量在胁迫初期降低，在4 d后达到最低值，之后缓慢回升，但整体水平较低；总苞鼠尾草在胁迫时间内呈增-减-增的变化趋势，变化幅度相对较小，整体水平较低。显著性分析表明，在0 d、2 d，紫红鼠尾草与其余4种鼠尾草差异显著，而4～8 d，马德雷鼠尾草、腺毛鼠尾草、‘山顶公园’药用鼠尾草与其余2种鼠尾草差异显著(P<0.05)。

2.4.4 可溶性蛋白含量 从图6可以看出，5种鼠尾草的可溶性蛋白变化趋势各不相同，且没有明显规律。胁迫时间内，马德雷鼠尾草、‘山顶公园’药用鼠尾草始终维持较高的水平，而总苞鼠尾草的可溶性蛋白含量在6～8 d增幅明显，达到最大值，与马德雷鼠尾草没有显著差异(P>0.05)；腺毛鼠尾草在2 d时上升明显，之后变化较为稳定，但整体水平较低。胁迫至8 d，各鼠尾草可溶性蛋白含量相较于对照组增加44%、37%、33%、64%、6.4%。

2.5 隶属函数分析结果

由表2可知，根据综合隶属函数值大小，对5种鼠尾草进行耐热能力排序，其中‘山顶公园’药用鼠尾草综合值最大，表示耐湿热性最好，总苞鼠尾草综合值最小，表示其耐湿热性最差，这与形态学观察的结果相似。5种鼠尾草的耐湿热性从大到小依次排列为：‘山顶公园’药用鼠尾草>腺毛鼠尾草>紫红鼠尾草>马德雷鼠尾草>总苞鼠尾草。

表2 耐湿热指标的综合隶属函数值

3 结论与讨论

植物形态特征的变化可以比较直观地反映植物的受害程度，是评价植物对逆境适应性强弱的直接指标[15]。胁迫初期，紫红鼠尾草的黄叶数减少，生长情况优于对照组，可能是对照组温度不适宜此种鼠尾草的生长，而短时间的高温更适合，或在其自我调节能力范围内。其余4种鼠尾草在2～4 d受害程度相对较小，说明胁迫初期有一定的自我调节能力。但随着时间的延长，5种鼠尾草的受害程度加深，其中总苞鼠尾草部分植株死亡，无法恢复正常生长。

高温会破坏植物的类囊体的膜结构和碳的新陈代谢，引起叶绿素含量的下降，因此叶绿素含量的变化可以作为判断植物是否受到热伤害的主要指标[16]。冯时等[8]测量8种鼠尾草SPAD值，并结合大棚栽培观察进行对比分析，发现SPAD值可以反映叶绿素含量的变化。在高温高湿胁迫时间内，5种鼠尾草SPAD值呈递减的趋势，说明叶片内的叶绿素含量下降，植株持续受到伤害。这与形态指标表现一致。

高温高湿胁迫可以使细胞膜的蛋白质变性，破坏细胞膜结构[17]，使细胞的内含物外渗，进而引起电导率的改变[18]。本研究中，各鼠尾草的相对电导率变化趋势与其他研究结果相似[19-20]，表现为随胁迫时间的延长逐渐上升(紫红鼠尾草对照组除外)，表明各鼠尾草持续受到高温高湿伤害，细胞膜受损越来越严重。

MDA是膜脂过氧化最终分解产物，MDA含量可以反映膜脂过氧化程度，与植物的耐热性呈负相关[21]。本研究中各鼠尾草的MDA含量在胁迫初期都有上升，表明各鼠尾草均受到高温高湿伤害(紫红鼠尾草除外)。但并非呈持续上升趋势，期间有下降的过程，这可能得益于植物体内的SOD等酶[22]。SOD是植物体内重要的抗氧化酶，能通过歧化反应使O2-、-OH等活性氧转变为O2和H2O2[23]，减少湿热胁迫带来的氧化损伤。本研究中SOD活性总体呈现先上升再降低的趋势，且与MDA含量存在一定相似。在胁迫初期，湿热胁迫导致MDA含量和SOD活性的上升，两者在2～4 d达到顶峰；之后，由于SOD的清除作用，膜损伤减缓，MDA含量逐渐降低；但随着胁迫时间的延长，SOD活性下降，导致MDA含量的降低速度减缓或有上升趋势。许华等[22]研究认为，较高的SOD等酶活性可以减缓膜脂的过氧化速度，减少MDA的积累，本研究结果与之相似。马德雷鼠尾草MDA含量在2、4、6 d的变化幅度大于‘山顶公园’药用鼠尾草，以及在胁迫后期，紫红鼠尾草的MDA含量始终在较低的水平，可能就是得益于较高的SOD活性。

脯氨酸、可溶性蛋白都属于渗透调节物质，在一定程度上可以反映植物的抗逆性，耐热性强的植物往往积累更多的渗透调节物质[24]。本研究中，紫红鼠尾草第8天的Pro含量高于第2天，并且还有上升趋势；其余鼠尾草的脯氨酸、可溶性蛋白含量对比对照组均有不同程度的上升，表明通过提高渗透调节物质是鼠尾草对湿热环境的一种适应机制。但不同植物可能有不同的适应机制，马德雷鼠尾草、腺毛鼠尾草、‘山顶公园’药用鼠尾草以增加脯氨酸含量为主，而总苞鼠尾草以增加可溶性蛋白为主，紫红鼠尾草两者均不突出。这也说明脯氨酸和可溶性蛋白含量一定程度上可以反映植物的耐湿热性，但胁迫后期脯氨酸含量有下降的趋势，所以使用脯氨酸含量作为指标来评价鼠尾草属植物的耐湿热性时，胁迫时间不应过长，否则可能导致评价结果的不准确。

综上所述，在高温高湿胁迫下，鼠尾草所表现出来的性状是经过多种因素共同作用的综合性状。在鉴定一种或几种植物耐湿热性时不能通过单一评价指标得出结论，而需要选择多个相关指标进行综合评定。鼠尾草种类众多，观赏价值高，却缺少引种栽培的理论指导。本研究以5种鼠尾草作为试验材料，从生理角度阐述了各鼠尾草对高温高湿胁迫的适应性差异，比较其耐湿热性，为今后园林绿化引种栽培提供参考。

致谢:感谢彭东辉老师、黄卫昌老师、周翔宇老师、肖汉文老师、朱军杰老师、魏宇昆老师、黄艳波老师和曾歆花师姐在研究过程中对本人的支持及解惑！