低温条件下四种观赏鸢尾抗寒生理机制及抗寒性综合评价研究

张 鑫，许 娟，王 可

（安徽林业职业技术学院资源与环境系，安徽合肥 230031）

0 引言

生态文明城市建设不断推进，观赏植物成为生态环境优化的主力军.而由于全国各地生长条件差异，植物种植收效差异显著，因为植物组织遭受逆境后，会自动基于代谢反应阻止逆境造成的损伤使其保持正常的生理活动[1].在一些冬季气温较低的城市，植物越冬的抗寒力浮动较大，为抵抗低温胁迫环境，植物机体将发生复杂、深刻变化才能积累强大的抗寒能力.鸢尾是具有一定抗旱能力的宿根花卉，鸢尾具有观赏性强、花色明艳动人、造型个性美观等优点，受到北方地区城市的青睐.鸢尾属(Iris L.)植物属于单子叶宿根草本植物，具有较高观赏价值与药用价值，广泛分布于北温带.

低温条件下植物生长一般存在两个弊端：一方面会减少其植物产量，另一方面可能造成植株的死亡[2].所以，研究低温条件下观赏鸢尾抗寒特性及生理机制，具有重要的理论意义和实际价值.

本研究选取德国鸢尾(Iris germanica L.)、溪荪鸢尾(Iris sanguinea)、野鸢尾(Iris dichotoma Pall.)和蓝蝴蝶鸢尾(Iris tectorum)等4种常见的观赏陆生鸢尾植物作为试验对象，在不同低温环境下观察植物的叶绿素、酶活性等生理响应情况.目前关于鸢尾抗寒特性的研究多集中在水生鸢尾抗寒性研究、鸢尾与其他宿根植物的抗寒性对比研究[3,4]、鸢尾植物多种抗逆性的综合研究等层面[5]，较少见对于陆生观赏鸢尾的抗寒特性进行专门研究.本研究将观赏鸢尾的抗寒特性作为重点，结合已有的植物生理指标测定方法与抗寒性综合评价方式，探究低温条件下4种观赏鸢尾的抗寒生理机制，为观赏鸢尾在逆境中生存提供参考依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

将德国鸢尾、溪荪鸢尾、野鸢尾、蓝蝴蝶鸢尾4种鸢尾植物叶片作为试验材料测定观赏鸢尾的抗寒性指标，试验于2022 年8 月在安徽林业职业技术学院园艺基地展开.将4个观赏鸢尾品种栽植于口径30 cm、高40 cm 的塑料容器内，每个品种各种植5 盆.于早晨7：00 选择栽培条件、长势良好且一致的植株进行采集，取样部位为离心叶最近的2片叶片，用塑料袋包装带至实验室，依次使用自来水、蒸馏水冲洗植物叶片，然后使用滤纸吸浄表面水分，密闭贮存于保鲜袋内.

人工打造观赏鸢尾叶片的低温处理条件：将5℃、0℃、－5℃、－10℃、－15℃、－20℃、－25℃作为温度梯度.在低温恒温槽内进行降温处理，在10℃环境内低温预冷12 h，依次对全部叶片进行降温处理，每组供试叶片达到指定温度后需保持该温度4 h 再取出，随后开展生理指标测定，每个叶片重复处理3 次.

1.2 指标测定

测定方法：采用相对电导率法测定REC；基于NBT 光化还原法测定SOD 活性[6]；采用硫代巴比妥酸法测定MDA 含量[7]；游离脯氨酸含量通过酸性茚三酮法测定；可溶性糖含量通过蒽酮显色法测定[8].

成活率计算：通过计算叶片成活面积计算各品种叶片的成活率.

1.3 数据统计

采用SPSS 软件进行统计分析，利用visio 软件制作曲线图.基于隶属函数值法综合评价植物抗寒性，结合林榕燕等人的研究进行隶属度计算[9]，得到隶属函数值计算公式.当植物生理指标和抗寒性为正相关关系时，隶属函数值运算方法如下式：

当植物生理指标和抗寒性为负相关关系时，隶属函数运算方法如下式，即求取反隶属函数值：

其中，抗寒性指标的测定值用Xi表示，某个抗寒性指标的上限值与下限值分别描述为Xmax和Xmin.可溶性糖含量、游离脯氨酸含量的计算均基于反隶属函数.

2 结果与分析

2.1 抗寒生理指标变化

2.1.1 低温条件对四种观赏鸢尾相对电导率REC 的影响

植物的相对电导率增加速度慢、幅度小则植物的抗寒性较强，相对电导率增加速度急剧、幅度较大则植物的抗寒性较弱.采用5 个阶梯温度对观赏鸢尾进行低温处理后，测定4 个品种的叶片REC，图1 为测定结果统计分析图.

图1 低温条件下四种观赏鸢尾的相对电导率变化

由图1 可知，4 个品种的鸢尾相对电导率差异不明显，伴随处理温度持续下降，各阶梯温度下鸢尾叶片REC 快速上升，各品种间上升速度与幅度存在较大差距；当低温条件达到最顶端值－12℃时，4 个品种的REC 也达到峰值.其中溪荪鸢尾上升速度最快，折线发展趋势最为陡峭，尤其0℃处理后急剧增加；在0℃处理后，德国鸢尾相对电导率增加几乎呈直线趋势；野鸢尾上升趋势相对缓慢，同样是在0℃处理条件后开始呈现较快的上升趋势，但是上升幅度低于德国鸢尾，－10℃后上升幅度降低；相比之下，蓝蝴蝶鸢尾REC 折线上升最为缓慢，温度设定到－8℃时才开始急剧增加.

基于REC 折线变化趋势能够看出，观赏鸢尾各品种随着处理温度的降低REC 逐渐增加，此时细胞膜透性也逐渐增大，所以差异性低温处理条件下REC 差异显著(P<0.01).由此评估4 个品种观赏鸢尾抗寒性大小：溪荪鸢尾最强，德国鸢尾次之，野鸢尾再次，蓝蝴蝶鸢尾最弱.这一结果是通过对比分析各品种鸢尾相对电导率上升幅度得出.

2.1.2 低温条件对四种观赏鸢尾可溶性糖的影响

可溶性糖含量一定程度上决定了植物的抗寒性强弱，当生存环境温度降低时，植物通过增加体内可溶性糖以调节细胞的渗透势.部分研究显示，温度下降时植物呼吸减弱，可溶性糖的消耗量下降，与此同时植物体内淀粉会少量转化为可溶性糖，目的是抵抗降温.表1 为各品种观赏鸢尾叶片的可溶性糖测定结果统计分析.

表1 四种观赏鸢尾叶片的可溶性糖测定含量统计分析

表1结果显示，低温条件下观赏鸢尾可溶性糖含量伴随温度降低呈现先增加后降低的趋势.具体而言，－15℃条件下德国鸢尾、溪荪鸢尾体内可溶性糖达到最高，比5℃时分别高出44.11 mg·g-1、53.88 mg·g-1；野鸢尾在-10℃时可溶性糖含量达到峰值，蓝蝴蝶鸢尾在－5℃时达到最高，蓝蝴蝶鸢尾全程增加幅度最小，可溶性糖峰值仅为38.12 mg·g-1.对观赏鸢尾可溶性糖含量进行方差计算显示，低温条件为－10～－15 ℃时各品种观赏鸢尾可溶性糖含量均具有显著差异(P<0.01).

2.1.3 低温条件对四种观赏鸢尾丙二醛MDA 的影响

逆境条件下，诸如低温胁迫环境中，植物器官通过膜脂过氧化作用产生MDA，而MDA 直接干扰酶活性，不符合正常水平的大量MDA 会打破代谢平衡，伤害植物无细胞，因此MDA成为植物抗寒性评价的重要指标之一.图2 为各品种鸢尾叶片的MDA测定结果统计分析图.

图2 低温条件下四种观赏鸢尾的丙二醛变化

图2 数据结果显示，低温条件下观赏鸢尾MDA 含量变化趋势均为下降再上升的趋势，0℃为MDA 含量值变化节点，0℃后MDA 含量纷纷上升.当MDA 含量处于最低点时开始不断增加.其中，MDA 含量增长幅度最大的是溪荪鸢尾，－5℃和0℃相比增加约22.8 μmol·mg-1，MDA 含量增长幅度最小的是蓝蝴蝶鸢尾，在整个降温过程中呈现不明显的上升和下降趋势，增减幅度均较小，与0℃相比MDA 含量－5℃时仅增加14.2 μmol·mg-1.德国鸢尾、野鸢尾折线明显介于上述两者之间.

2.1.4 低温条件对观赏鸢尾游离脯氨酸的影响

植物体内的游离脯氨酸含量通常较低，会在低温条件下出现游离脯氨酸的含量增加现象，以保护植物细胞.各品种观赏鸢尾叶片的游离脯氨酸统计分析如表2所示.

表2 四种观赏鸢尾叶片的可溶性糖测定含量统计分析

表2 数据表明，4 个品种的游离脯氨酸含量均呈现随着低温胁迫不断上升的趋势，随后又开始下降.德国鸢尾、溪荪鸢尾在－20℃时达到最大值，和5℃相比，二者游离脯氨酸含量分别增加了47.61 mg·g-1、43.38 mg·g-1；差异性低温条件下变化幅度有所不同.野鸢尾游离脯氨酸含量出现在－15℃，相比5℃条件增幅仅为14.72 mg·g-1，相对较低.蓝蝴蝶鸢尾最早出现游离脯氨酸含量峰值，－10℃时已达到最大值，相比5℃温度条件仅增加12.40 mg·g-1，不同低温条件下游离脯氨酸含量变化幅度有所差异.对观赏鸢尾游离脯氨酸含量进行方差计算显示，相同低温条件下不同鸢尾叶片内的游离脯氨酸含量具有一定的差异，随着温度持续降低，蓝蝴蝶鸢尾同其他品种存在显著性差异，抗寒性最弱(P<0.01).

2.2 抗寒性综合评价

2.2.1 低温条件下四种观赏鸢尾成活率分析

不同低温条件下观赏鸢尾叶片的成活率统计如表3所示.

表3 四种观赏鸢尾叶片的成活率统计

表3 数据显示，随着低温条件逐渐加强，观赏鸢尾成活率逐渐降低，降低幅度有所不同.0℃和5℃条件下，4 种鸢尾成活率基本为100%，只有蓝蝴蝶鸢尾出现一定程度的死亡损伤，并且蓝蝴蝶鸢尾在－20℃条件下成活率已经为0，说明其抗寒性在4个品种中较差.德国鸢尾和野鸢尾的成活率相对突出，－5℃条件下分别有96.1%、90.8%成活率，溪荪鸢尾次之.

2.2.2 四种观赏鸢尾抗寒性综合评价

植物的抗寒性是一个变化复杂的生理过程，生理指标之间相互影响、作用，产生的强大的抗寒生理机制.表4为观赏鸢尾的抗寒性综合评价结果.

表4 四种观赏鸢尾的抗寒性综合评价

表4 中，德国鸢尾隶属度值为0.4571，排名第一；溪荪鸢尾次之，隶属度值为0.4405；野鸢尾和蓝蝴蝶鸢尾分别排名第三、第四，隶属度值分别为0.4206、0.4087.可见，通过对4 个品种观赏鸢尾4 个生理指标的综合评价，能够得出得出几种鸢尾的抗寒性排名：德国鸢尾>溪荪鸢尾>野鸢尾>蓝蝴蝶鸢尾.

3 讨论与结论

3.1 四种观赏鸢尾抗寒特性讨论

（1）相对电导率.相对电导率是辨别植物抗寒性的重要指标之一，植物在低温条件下生存，其膜系统会受到伤害，低温对膜的伤害可导致电解质渗透率增加，电导率大小与组织受寒害的程度呈正相关.REC 增加速度缓慢、幅度较小则植物的抗寒性较强，REC 增加速度急剧、幅度较大则植物的抗寒性较弱[10].本次研究结果与这一生理表现吻合，随着处理温度的下降，蓝蝴蝶鸢尾的REC 折线上升幅度最大、速度最快；相比之下，抗寒性强的德国鸢尾因为受低温伤害程度低，所以相对电导率变化幅度缓慢.

（2）丙二醛.植物体内酶活性的变化可以表达低温条件下植物的受伤程度.试验结果显示，在5℃与0℃环境下，各品种鸢尾的MDA 含量为下降趋势，一定程度上是因为细胞受到低温环境突变的伤害进而增强自身保护酶活性，抑制膜脂过氧化作用；当低温水平加强的情况下，MDA 含量转变为上升趋势，说明低温环境削弱了保护酶活性，膜脂过氧化作用得到加强，此时鸢尾植物遭受到不同程度的伤害.

（3）可溶性糖.可溶性糖作是一种关键的渗透调节物质，当植物处于低温逆境时可溶性糖积累能够提高细胞液的浓度，降低渗透势从而提升了保水能力，冰点随之下降，令植物叶片中的细胞遇冷不凝固，从而增强了植物自身抗寒能力.本研究中观赏鸢尾叶片的可溶性糖含量均随温度的降低呈现先升高后降低趋势，低温条件为－10～－15 ℃时各品种观赏鸢尾可溶性糖含量均具有显著差异(P<0.01)，较高的可溶性糖抵御寒冷的能力更强，抗寒性更强，可证明野鸢尾和德国鸢尾的抗寒性更强，溪荪鸢尾和蓝蝴蝶鸢尾的抗寒性相对稍弱.

（4）游离脯氨酸.已有研究中游离脯氨酸表征植物抗寒性的结果不一致.本次研究中，随着温度的降低，抗寒性较强的鸢尾游离脯氨酸积累较大，抗寒性较弱的鸢尾游离脯氨酸积累较小.

3.2 结论

结合植物成活率客观全面分析植物的抗寒性以及低温极限关系，本研究表3 结果表明，低温条件为0℃时，蓝蝴蝶鸢尾已经开始出现死亡现象，而其他三个品种的鸢尾成活率均为100%；低温条件为－15℃时，德国鸢尾、溪荪鸢尾、野鸢尾、蓝蝴蝶鸢尾成活率分别为48.9%、38.4%、20.4%、2.8%.

蓝蝴蝶鸢尾MDA 增幅最大、溪荪鸢尾MDA增幅最小，可见，蓝蝴蝶鸢尾在低温条件下的膜脂过氧化程度相对于德国鸢尾更高植物受的伤害更大、抗性更弱.此结果与张京等人在4 种常绿水生鸢尾抗寒性研究中的结果基本一致[11].

本次试验通过对上述两个生理指标和可溶性糖、游离脯氨酸两个生理指标进行隶属度函数分析，得出4 个品种观赏鸢尾抗寒性排序：德国鸢尾>溪荪鸢尾>野鸢尾>蓝蝴蝶鸢尾.德国鸢尾展现了良好的抗寒性，此结果与几种宿根花卉抗寒特性的研究吻合[12].