中国北方6种常见蕨类植物耐热性研究

吴菲，李鹏，王巍，崔玉莲，徐雨晴，卢珊珊，赵宝林

（1国家植物园（北园），北京 100093；2北京市花卉园艺工程技术研究中心，北京 100093）

0 引言

蕨类植物丛绿雅致，叶形和株型丰富多样，观赏价值较高，是用于庭院美化或室内观赏的良好材料。国内蕨类植物主产区为华南和西南地区，北方地区共有蕨类植物38 科76 属340 种（含22 变种4 变型）[1]，其中有1/3 以上具有观赏价值，目前仅荚果蕨(Matteuccia struthiopteris)大量应用到了园林中[2]。随着温室效应的加剧[3]，蕨类的耐热性成为其应用的限制因素之一。耐热性是园林植物优选的重要指标之一，针对此方向的研究也尤为必要。蕨类植物的区系组成及其与地理、气候因子的相互关系，与其耐热性等有一定的联系[4]。近年来对蕨类植物耐热性研究取得了一些进展，有学者对铁线蕨(Adiantumcapillus-veneris)等4 种蕨类进行了耐热性测定和比较[5]。另有研究表明，抗热性强的植物叶片组织具有独特性，如较大的栅栏组织厚度、较高的气孔密度、发达的木质部导管等[6]。

目前针对蕨类抗性的研究不多。国内学者对蕨类抗性的研究主要集中在耐阴性及耐旱性方面[7-8]，国外学者对蕨类植物的抗性研究相对较少，少数学者对耐寒性进行了研究[9]。开展蕨类耐热性研究可为蕨类在园林中的应用提供理论依据。

笔者选择中国北方6 种蕨类植物，设定40～70℃7个不同的温度进行细胞伤害率试验，同时测定叶面积、叶比重、气孔密度、叶绿素含量和最大净光合速率等数据，参考其在北京夏季的田间观察资料，评价其耐热性，最终筛选出耐热能力强、观赏价值高的蕨类，以期丰富蕨类植物在北京地区园林展示中的应用种类。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点

试验于2021 年4—9 月在国家植物园（北园）植物研究所实验室进行。国家植物园（北园）地处北京市香山东南（北纬39°48′、东经116°28′，海拔61.6～584.6 m），距市区18 km。属温带大陆性气候，年均温12.8℃，1月均温-3.3℃，7 月均温26.8℃，极端高温41.3℃，极端低温-17.5℃，年降水量526.5 mm，相对湿度43%～79%。土壤酸碱度为7～7.5。

1.2 试验材料

试材为在国家植物园（北园）老温室室外生长5年以上的荚果蕨、蕨(Pteridiumaquilinumvar.latiusculum)、球子蕨(Onocleasensibilisvar.interrupta)、中华蹄盖蕨(Athyriumsinense)、粗茎鳞毛蕨(Dryopteris crassirhizoma)和广布鳞毛蕨(Dryopterisexpansa)6 种蕨类植物，其中蕨采自宁夏六盘山，其余5种均采自吉林省磐石市烟筒山镇，选取状态良好、长势相仿的个体每种各20株。

1.3 试验方法

1.3.1 梯度高温下叶片细胞伤害率的测定植物受高温胁迫后，叶片是反应最敏感的部位之一，故测定其电导率用于评价耐热性[10-13]。挑选各蕨类植物相同位置的叶片，用去离子水清洗，滤纸吸干水分，用剪刀剪出约5 mm×5 mm 的小叶片若干。在试管中装入10 mL 去离子水，每次称取0.2 g 小叶片放入试管中，真空抽气使叶片沉入试管底部。将试管分别放入室温及40、45、50、55、60、65、70℃的水浴中，保持15 min，取出静置冷却，2 h后震荡。用电导率仪（型号EPH-119）测定细胞浸提液的电导率(R)。全部放入100℃沸水浴中煮沸15 min，杀死叶片组织，取出冷却至室温后再测定细胞浸提液的最终电导率(Ro)。3次重复计算平均值，对照(CK)为室温下细胞浸提液，可算出其相对电导率(RCK)，高温胁迫下叶片细胞受伤害，其电解质析出，使细胞浸提液的电导率增大，即反映出细胞伤害率(REC)，见式(1)[14]。

1.3.2 夏季田间环境植株性状表现观测2021、2022年6 月1 日—8 月31 日，选择状态良好、生长势接近的蕨类植物，进行高温条件下蕨类形态变化的观察，包括植物的长势及叶片的生长情况（叶色失绿情况、叶失水至萎缩情况、叶枯死数量等）[15]。

1.3.3 叶表皮结构的观测选取发育健康、长势一致的植株，每种摘取10 个叶片，用便携式叶面积扫描仪测定其长度、宽度，取平均值算出叶面积(S)；用打孔机取出小圆片，随机分为5 组，放入105℃的烘箱中，去青30 min，后设定为80℃，至称量为恒重，得到干重(G)和比叶重(G/S)；用印迹法进行气孔密度测定。

1.3.4 叶绿素含量的测定测定方法参考《植物生理生化实验原理和技术》[16]。将采回的叶片按上述方法快速洗净擦干，称取0.1 g，剪碎后放入50 mL试管中；准备浸提液，即无水乙醇:丙酮=1:1 混合，取20 mL 加入试管中，将各试管密封，放在黑暗低温处2 d；试管中的叶片完全变白后，将试管置于646 nm(OD646)、663 nm(OD663)和470 nm(OD470)波长下，分别用紫外可见分光光度计（型号UV-2802S）测定浸提液在不同光波下的光密度。根据式(2)～(4)计算出叶绿素a(Ca)、叶绿素b(Cb)和叶绿素总含量(Ct)。

式中，V为提取液体积，W为叶片鲜重。

1.3.5 光合数据测定在晴朗天气下，选取600 μmol/(m2·s)的光强环境，选用CIRAS-2 型便携式光合作用测定系统(PP-Systems，UK)测定叶片净光合速率(Pn)。

1.3.6 Logistic方程参数确定Logistic方程[式(5)]可表达细胞伤害率与高温梯度之间的关系。

式中，y为细胞伤害率；t为不同处理的温度；k为细胞伤害率饱和容量[式(6)]，本研究消除了本底干扰，k为100%；e为方程参数。

式中，y1、y2、y3为测定数值中相距最大且等距离的3 个细胞伤害率[17]。

1.3.7 数据分析利用Excel 2021 和SPSS 26.0 软件进行数据分析处理。

2 结果与分析

2.1 不同温度下蕨类离体叶片的细胞伤害率

由图1 可看出，高温胁迫后，6 种蕨类植物的细胞伤害率随温度的升高有不同程度的增长。6种蕨类在40～45℃时细胞伤害率增长缓慢，且各物种间差异不大；在45～65℃时，半数植物细胞伤害率增长剧烈，不同种类间的差异明显；65～70℃时，多数细胞伤害率变化趋缓，不同种类间的差异变小。细胞伤害率呈“S”型变化。细胞伤害率增长最快的是球子蕨，其次是蕨和中华蹄盖蕨。

2.2 高温半致死温度

经过试验测定，依据1.3.6中的公式计算处理温度(t)与转化细胞伤害率(y)的线性关系，见图2。

图2 处理温度与转化细胞伤害率之间的关系

使用SPSS 26.0 对t、y进行线性回归，计算出a、b的值及相关系数。进行显著性检验，均达到了极显著水平，说明y与t之间存在线性相关。计算二阶导数，设其为0，得出曲线的拐点(t=lna/b)，该t值即为LT50[17]。计算出蕨类植物的LT50（表1）。

表1 方程参数及高温半致死温度

2.3 蕨类耐热性的确定

LT50是植物耐热性的指标，其值越高，植物耐热性越强，反之越弱[18]。结果表明，6种蕨类植物的耐热性为粗茎鳞毛蕨(63.77℃)＞中华蹄盖蕨(62.07℃)＞广布鳞毛蕨(61.63℃)＞荚果蕨(61.13℃)＞球子蕨(58.03℃)＞蕨(56.70℃)。

2.4 蕨类植物的叶表皮形态

研究发现，叶片的表皮特征和组织结构与地理分布格局及生态适应性有较大的关系，分布广、适应性强的植物表现出气孔密度大、叶革质等特征[19]。由表2 可知，6 种蕨类植物的叶面积依次为粗茎鳞毛蕨＞中华蹄盖蕨＞广布鳞毛蕨＞荚果蕨＞蕨＞球子蕨，与6种植物的耐热性排序基本一致；比叶重大小排序依次为粗茎鳞毛蕨＞广布鳞毛蕨＞中华蹄盖蕨＞荚果蕨＞蕨＞球子蕨，与6 种植物的耐热性排序基本一致；气孔密度依次为粗茎鳞毛蕨＞中华蹄盖蕨＞广布鳞毛蕨＞荚果蕨＞球子蕨＞蕨，与6 种植物的耐热性排序完全一致。植物的表皮形态指标也可以作为判断植物耐热性的参考之一。

表2 蕨类植物叶片表皮形态

2.5 蕨类植物的叶绿素含量和最大净光合速率

有学者选择叶绿素荧光参数、生理生化指标以及光合参数来评定植物的耐热能力，具体指标包括最大荧光、最大净光合速率等[20-21]。笔者测试了6种蕨类植物的叶绿素含量及最大净光合速率（表3），广布鳞毛蕨、球子蕨和蕨的叶绿素a、叶绿素b 和总叶绿素含量与植物的耐热能力呈正相关，粗茎鳞毛蕨、中华蹄盖蕨和荚果蕨的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量与植物的耐热能力呈负相关；中华蹄盖蕨和荚果蕨的叶绿素a/b 值与植物的耐热性呈正相关，粗茎鳞毛蕨、广布鳞毛蕨、球子蕨和蕨的叶绿素a/b值与植物的耐热能力呈负相关；最大净光合速率与耐热能力呈现出一定的负相关性。可以看出，6 种植物叶绿素含量和最大净光合速率与它们的耐热性排序不完全一致，不能单独作为耐热性的评价指标，不能直接反映植物的耐热能力。

表3 蕨类植物的叶绿素含量和最大净光合速率

2.6 蕨类植物的田间观测及物种分布

查阅植物智(http://www.iplant.cn)及中国植物园联盟(https://image.cubg.cn/)网站可知，蕨在国内34 个省级行政区均有分布，是测试的6 种蕨类植物中分布最广的；其次是荚果蕨，在18个省级行政区有分布；粗茎鳞毛蕨有在15个省级行政区有分布，从东北到西南均有分布，中华蹄盖蕨在14 个省级行政区有分布，主要分布在长江以北地区；广布鳞毛蕨主要分布在北京、天津、河北、内蒙古和东三省，最远分布至台湾；球子蕨分布最窄，仅北京和东北有分布。根据李岩等[22]对中国东北地区石松类和蕨类植物区系研究，荚果蕨属为北温带分布，球子蕨属为东亚和北美洲间断分布，蕨属为泛热带分布，鳞毛蕨属、蹄盖蕨属为世界分布型。

结合2021 年和2022 年连续2 年的田间高温实际形态观察情况，6 种蕨类植物在北京最炎热的6—8 月（见图3，2021年6、7、8月最高气温分别为36、38、33℃，2022 年6、7、8 月最高气温分别为38、37、36℃）均未出现叶片焦边、干枯等情况，生长状态良好，能在北京安全越夏。测定结果显示，蕨的耐热能力是最弱的，其次是球子蕨和荚果蕨。而物种实际的分布情况是蕨在国内的分布是最广的，在海南也有分布，从理论上讲，耐热能力比它强的植物在国内大部分地区均可引种栽培，并应用到园林中。目前，北京园林中应用最广的是荚果蕨，蕨也在国家植物园南、北园等地有一定的应用和展示。球子蕨为北京二级保护植物，为球子蕨属单种植物，叶型奇特，叶二形，不育叶一回羽状，能育叶二回羽状，羽片条形，孢子叶裂片反卷形成串珠状结构，成熟时开裂。春季常布满淡红褐色晕，颇具观赏价值，应继续展开研究，建立繁殖技术系统，加以推广应用。

图3 2021—2022年6—8月最高温分布图

3 结论与讨论

3.1 细胞伤害率结合形态学观察确定蕨类植物耐热性

目前，有多种指标可用于评价植物的耐热性。本研究使用的方法是判定植物耐热能力较为科学、快捷的方法之一。结果表明，6 种蕨类的耐热性为粗茎鳞毛蕨＞中华蹄盖蕨＞广布鳞毛蕨＞荚果蕨＞球子蕨＞蕨。此结论与田间观察结果一致，粗茎鳞毛蕨、中华蹄盖蕨等耐热能力强的蕨类基本上无受害情况，耐热性弱的球子蕨，高温损伤明显，不同蕨类间的差异在高温胁迫下差异更为明显。参考高温半致死温度，综合考虑高温胁迫下的田间观察结果，可以用于评价不同蕨类的耐热能力。

3.2 耐热性与形态解剖结构的关系

革质发亮的叶片、密被的绒毛、光滑的蜡质等，均能在一定程度上反射太阳光而降低植物叶片温度，有利于增强物种的耐热性。本研究中，球子蕨叶片草质、较薄，其耐热性不强；与球子蕨相比，耐热性强的粗茎鳞毛蕨、广布鳞毛蕨均具有较厚的叶片、被毛或革质，这与前人的研究结果一致；叶片的组织结构与耐热性有一定的关联，耐热型网状脉植物常年生长在高温的恶劣环境中，依靠自身的自适应热结构，通过叶片的蒸腾作用进行散热，以抵御高温对植物自身的正常生理活动的影响[23]。叶片解剖结构间的差异变化，是植物面对不同环境压力时提高自身生存适应性、协调与生境的合作关系的有效方式[24]。球子蕨的叶脉为网状，正是对高温的一种适应。蕨的叶片上面光滑无毛，下面被疏毛或近无毛，叶片较薄，故耐热性较差。

3.3 耐热性与生理生化指标的关系

本研究测试了6 种蕨类植物的叶绿素含量、最大净光合速率等指标，发现与前人的研究结果不完全一致。有学者对鼠尾草属植物进行了高温半致死温度和叶绿素相对含量的测定，结果表明，各植物的LT50值与SAPD值之间存在显著正相关[25]。笔者研究表明，粗茎鳞毛蕨、荚果蕨和蕨的最大净光合速率与植物的耐热性负相关，中华蹄盖蕨和广布鳞毛蕨的最大净光合速率与植物的耐热性正相关，还需要继续深入研究，以揭示更为科学的规律。

3.4 耐热性培育是蕨类植物推广应用的发展方向之一

有学者进行了13种观赏草耐热性测定的研究，认为环境因素会影响植物的生长发育，植物的生物学特性与生境关系密切，共同决定了其在引种地的适应性[26]。本研究的思路与前人的一致，综合目前的研究成果，对于蕨类耐热品种的筛选及推广应用具有一定的参考意义。

中国北方地区夏季高温多雨，野生蕨类植物在三北地区虽分布较广，但目前仅荚果蕨大量运用到了园林中，其他观赏性状好、耐性强的种类可以加以推广展示，进一步丰富园林绿化种类。但植物的耐热性受多因素影响，因此要从植物的组织细胞、光合器官、形态结构、生理生化等多方面综合考虑[27]，进而科学评价植物的耐热性。