-
高温胁迫是主要非生物胁迫之一,也是在整个生命周期中影响植物生长发育的关键环境因素[1-2]。在高温下不仅会对植物外部造成不可逆的机械损伤,还会导致植物体内部干物质含量减少[3]、光合作用减弱[4]、抗氧化酶活性降低[5]。近年来,随着全球气候变暖,极端高温天气频发,高温胁迫对林业发展危害性增大,研究表明,长时间的高温胁迫对木荷(Schima superba Gaertn. et Champ)[6]、香樟(Cinnamomum camphora (L.) Presl)[7]、杨树(Populus L.)[8]和大叶桉(Eucalyptus robusta Smith)[9]等重要用材树种带来了严重的负面影响。
油茶(Camellia oleifera Abel.)是我国特有的优质木本油料树种,属山茶科(Theaceae)山茶属(Camellia)常绿灌木或小乔木,多栽培于南方丘陵地区,极具生产应用价值[10-11];茶油又称为东方橄榄油,具有较高的营养价值和药用价值[12]。我国油茶种植面积和产业产值每年都在增加[13],油茶虽适应性较强,但高温条件仍会对其生长发育造成一定程度的影响[14],尤其是南方夏季的持续高温天气,容易导致新造油茶林死亡[15]。研究表明,高温干旱是影响油茶生长发育的关键因素之一[16],因此,生态型适生油茶品种评价与筛选意义现实而重大。筛选耐热品种是降低高温对植物危害的有效措施,在筛选过程中通常采用主成分分析和隶属函数分析相结合,得到的综合评价值(D值)在评价体系中应用广泛[17-18]。
本研究以我国15个油茶品种的苗木为试验材料,通过调查测定其在高温胁迫下的生理响应,并进行耐热性综合评价,旨在为油茶耐热生理机制研究和耐热品种选用提供理论技术指导。
-
试验区域位于广东省广州市天河区华南农业大学教学试验基地(113°21′26″ E, 23°9′26″ N),属亚热带季风气候,温暖多雨、阳光充足、全年水热同期,年平均气温23.1 ℃,最高温39.1 ℃,最低温-0.9 ℃,最冷月为1月,平均气温13.3 ℃,最热月为8月,平均气温28.8 ℃。年降水量1 800 mm,4—9月的降水量占全年降水量的80%,尤以5—8月最高,占全年降水量的62%,该区域年平均湿度为79%。
-
选择我国各省(区)现行主推15个油茶品种(表1),以各品种3 a生嫁接苗为试验材料。
参试品种
Experimental variety审(认)定品种号
Validated variety No.选育单位
Breeding unit岑软2号 国S-SC-CO-001-2008 广西壮族自治区林业科学研究院 岑软3号 国S-SC-CO-002-2008 广西壮族自治区林业科学研究院 长林4号 国S-SC-CO-006-2008 中国林业科学研究院亚热带林业研究所 长林40号 国S-SC-CO-011-2008 中国林业科学研究院亚热带林业研究所 长林53号 国S-SC-CO-012-2008 中国林业科学研究院亚热带林业研究所 华金 国S-SC-CO-010-2009 中南林业科技大学 华鑫 国S-SC-CO-009-2009 中南林业科技大学 华硕 国S-SC-CO-011-2009 中南林业科技大学 湘林210 国S-SC-CO-015-2006 湖南省林业科学研究院 赣州油1号 国S-SC-CO-014-2008 江西省赣州市林业科学研究所 赣州油7号 国S-SC-CO-017-2008 江西省赣州市林业科学研究所 赣无2 国S-SC-CO-026-2008 江西省林业科学院 赣石83-4 国S-SC-CO-025-2008 江西省林业科学院 粤韶75-2 粤S-SC-CO-019-2009 广东省韶关市林业科学研究所 粤韶77-1 粤S-SC-CO-020-2009 广东省韶关市林业科学研究所 Table 1. Basic information of participating species
-
于2022年7月17日至7月31日开展为期15 d的控制温度处理。试验采用双因素完全随机区组设计,试验设计分别设置两种温度处理,即高温胁迫组(HT)和对照组(CK),每个油茶品种设置5次生物学重复,每个品种各5株,分开摆放,共150株。试验期间高温胁迫处理的实测温度范围是41.0~45.0 ℃,均值为43.4 ℃,对照组温度范围33.3~36.2 ℃,均值为34.7 ℃。具体技术措施是高温胁迫组将参试油茶幼苗分别放置于温室大棚进行覆膜增温处理,通过温湿度记录仪(RC-4HC)实时监测温度,连续处理15 d;对照组不进行覆膜增温处理。除温度控制外,其他按常规苗圃管理。
-
试验的第16 d上午8:00~9:00对叶片样品进行采集,每个品种选取5株,每个植株采集中上部完整健康的叶片10枚,各指标进行5次重复测定。
-
(1)叶片相对含水量及干物质含量:将选定的叶片放入密封容器中,然后测定叶面积叶鲜质量(FW)/g;将新鲜叶子放入4 ℃纯净水中浸泡48 h后测量水分饱和状态时的叶片质量(TW)/g;将叶片放入烘箱70 ℃干燥至恒质量测定叶干质量(DW)/g,计算叶片相对含水量(RWC)/%以及叶片干物质含量(DMC)/(g·g−1):
(2)光合色素含量测定:采用乙醇浸提法[19],取洁净新鲜油茶叶片,去除中脉,剪碎成条状,称取0.1 g。将称取的叶片放置于15 mL离心管中,加入10 mL95%的乙醇,混匀,避光处理,浸泡至叶片发白,色素完全被萃取到溶液中。利用紫外分光光度计(UV-2600, 上海恒平)测定提取的溶液在649 nm、665 nm、470 nm下的OD值,并计算叶绿素a含量(Chla)/(mg·g−1)、叶绿素b含量(Chlb)/(mg·g−1)、叶绿素总含量(Chl)/(mg·g−1)、类胡萝卜素含量(Car)/(mg·g−1):
(3)植物渗透调节物质及抗氧化酶活性测定:采集油茶枝稍3~5片1年生正常功能叶,洗净表明浮土和灰尘,擦干后迅速放入液氮罐带回实验室至−80 ℃超低温冰箱保存。测定渗透调节物质及抗氧化酶活性所用试剂盒均购自苏州科铭生物技术有限公司(中国,苏州),采用微量法测定,每组处理设3个重复。丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法;可溶性糖含量采用蒽酮硫酸法;可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法;超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑光还原法;过氧化物歧化酶(POD)活性采用愈创木酚法;过氧化氢酶(CAT)活性采用碘量滴定法[20]。
-
试验数据采用Microsoft Excel 2021进行统计与分析,使用SPSS 26.0软件进行Pearson相关性分析、差异显著性分析(同一品种不同温度处理间采用T检验(p<0.05),同一温度不同品种间采用Duncan法(p<0.05))、主成分分析、隶属函数分析;使用Origin 2018绘制柱状图。
(1)耐热系数。首先将原始数据以相对指标为单位进行无量纲标准化处理,求得各项生理指标的耐热系数,使用耐热系数进行主成分分析,耐热系数(heat tolerance coefficient, HTC)=高温胁迫性状值/对照性状值。
(2)隶属函数分析。隶属函数值的计算方法参照于朱亚迪等[17]的方法。隶属函数值采用以下公式计算:
式中U(Xj)为各油茶品种第j个主成分的隶属函数值,Xj为某综合指标,j=1,2,3,…,n;Xmin和Xmax分别表示所有品种中第j个综合指标的最小值和最大值。
(3)指标权重。权重的计算方法参照于凌瑞等[21],采用以下公式计算:
式中Wj表示第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度(权重),Pj为某综合指标的贡献率。
(4)综合评价。采用主成分分析和隶属函数分析相结合的方法计算高温胁迫下耐热综合评价值(D值)评价油茶耐热性,D值越大,表明品种指标评价的综合得分越高,D值采用以下公式进行计算:
-
高温胁迫引起油茶叶片中相对含水量和干物质含量降低,不同油茶品种降低的程度不同(图1)。相对含水量多重比较结果表明:对照组(CK)内各品种间叶片相对含水量均无显著差异(p>0.05),高温胁迫处理(HT)后品种间,赣州油1号的相对含水量除与赣州油7号无显著差异以外,而与其他各品种之间均存在显著差异(p<0.05),较CK下降了23.13%;赣州油7号分别与15个品种中的7个品种(注:岑软2号、长4号、长林53号、华金、华鑫、赣无2和粤韶77-1)在相对含水量上有显著差异(p<0.05)(图1);粤韶75-2分别与长林53号、华金、赣州油1号和粤韶77-1间也有显著差异(p<0.05)。同一品种下,高温处理与其相应对照处理间存在显著差异的品种有6个,包括长林40号、湘林210、赣州油1号、赣州油7号、赣石83-4和粤韶75-2(p<0.05)。同一品种下叶片干物质含量,华金、华硕、湘林210、赣州油7号和粤韶77-1的高温胁迫后与其相应CK相比均显著降低(p<0.05),其中湘林210降低幅度最大,为15.79%,说明高温对该品种干物质积累和转运的影响较大,而其余9个品种在温度处理间无显著差异(p>0.05),说明这9个品种相对耐高温胁迫;同时,高温胁迫组内或对照组内,叶片干物质含量在品种间均无显著差异(p>0.05)。
-
图2为15个油茶品种在CK和高温处理条件下叶片中光合色素含量的变化情况,不同品种在高温胁迫下叶片中光合色素含量均有不同程度的降低。同一品种下,除长林53号、华鑫、华硕和赣无2以外,其他11个品种叶片中叶绿素a含量较CK显著降低(p<0.05),高温胁迫处理(HT)后品种间,赣石83-4的叶绿素a含量除与华金无显著差异外(p>0.05),和其他品种均有显著差异(p<0.05),较CK降低了33.58%,相较于其他品种为降幅最大,说明其叶绿素a含量受到高温影响较大;华金与除长林40号、赣石83-4和粤韶75-2外的11个品种之间存在显著差异(p<0.05)。叶绿素b含量除华金、华鑫、华硕、湘林210和粤韶75-2外其他品种在高温胁迫处理和CK处理之间差异显著(p<0.05),高温胁迫处理(HT)下,华硕的叶绿素b含量与长林4号无显著差异(p>0.05),但与其余的13个品种差异显著(p<0.05)。叶绿素总含量除长林53号和华硕外其他品种在高温胁迫处理和CK处理之间均存在显著差异(p<0.05),高温胁迫下赣石83-4与华金无显著差异( p >0.05),而与其他品种均有显著差异(p<0.05)。高温胁迫降低了类胡萝卜素含量,在高温条件下,赣石83-4的类胡萝卜素含量与其他品种之间存在显著差异(p<0.05),较CK相比降低了41.48%,而除赣石83-4外,长林40号与除华金外其他品种间也有显著差异(p<0.05)。
-
在高温胁迫下不同油茶品种的MDA含量均增加(图3),高温胁迫处理与CK处理相比,除岑软2号、岑软3号、华鑫和粤韶77-1外,其他品种均显著增加(p<0.05)。高温胁迫下,长林4号的MDA含量与其他各品种间存在显著差异(p<0.05),与CK相比增加了89.33%,为增幅最大,说明在高温胁迫下其膜脂过氧化程度较高;赣无2与岑软2号、湘林210之间无显著差异(p>0.05),但与其余品种存在显著差异(p<0.05),增幅为38.13%。除岑软2号、岑软3号、华金、赣州油7号外,其余品种可溶性糖含量在高温胁迫组和CK组之间均有显著差异(p<0.05),其中赣石83-4在高温处理后可溶性糖含量显著低于CK处理,降低幅度为20.16%;高温胁迫后华鑫的可溶性糖含量与除长林40号、湘林210号和赣州油1号外的11个品种之间有显著差异(p<0.05),增幅为31.54%。高温胁迫下各油茶品种的可溶性蛋白含量与CK相比均显著升高(p<0.05),不同品种间,赣无2与其他品种差异显著(p<0.05),增幅为321.26%,表明赣无2可以通过调节可溶性蛋白含量来应对高温胁迫,此外,赣州油7号与除岑软3号、粤韶75-2和粤韶77-1外的11个品种也有显著差异(p<0.05)。
-
由图4可知,高温胁迫下,不同油茶品种的SOD活性升高,多重比较的结果表明,除岑软2号和华鑫外,高温处理与CK处理均有显著差异(p<0.05),在高温条件下,岑软3号、赣州油1号和赣州油7号的SOD活性与其他品种之间差异显著(p<0.05);此外,赣无2与除岑软2号、赣石83-4、粤韶75-2和粤韶77-1外的10个品种存在显著差异(p<0.05)。高温胁迫下不同油茶品种的POD活性全都显著高于CK(p<0.05),在高温条件下,长林4号、长林40号、长林53号、华金和华硕的POD活性显著高于其他10个品种的POD活性(p<0.05),且这10个品种间POD活性均无显著差异(p>0.05)。高温胁迫下不同油茶品种的CAT活性与CK相比均显著升高(p<0.05),高温胁迫后粤韶75-2的CAT活性与其他品种差异显著(p<0.05),增幅为249.90%;同时,高温胁迫后的CAT活性,岑软3号和粤韶77-1间无显著差异(p>0.05),但这两个品种与其余品种间存在显著差异(p<0.05)。
-
对高温胁迫下油茶各项生理指标的耐热系数进行相关性分析,结果如表2。由表2可知,干物质含量与叶绿素b含量存在显著负相关关系(p<0.05),叶绿素a含量和叶绿素总含量之间存在极显著相关关系(p<0.01),与叶绿素b含量和类胡萝卜素含量存在显著相关关系(p<0.05);叶绿素b含量与叶绿素总含量存在极显著相关关系(p<0.01),与可溶性糖含量、SOD活性存在显著相关关系(p<0.05);叶绿素总含量与类胡萝卜素含量存在显著正相关关系,与SOD活性存在显著负相关关系(p<0.05);类胡萝卜素含量与SOD活性存在显著负相关关系(p<0.05)。各指标间存在不同程度的相关性,由此可见,植物的耐旱性是一个复杂的综合性状,其耐热性还需要通过多个指标进行判断。
指标
Indicators相关系数 Correlation coefficient RWC DMC Chla Chlb Chl Car MDA SS SP SOD POD DMC 0.414 Chla 0.387 −0.169 Chlb 0.022 −0.622* 0.601* Chl 0.339 −0.273 0.984** 0.728** Car 0.208 −0.015 0.556* 0.397 0.582* MDA −0.161 −0.368 0.109 0.126 0.119 0.308 SS −0.113 −0.158 0.171 0.525* 0.254 0.277 −0.126 SP 0.452 −0.090 0.363 0.360 0.400 0.147 0.304 −0.188 SOD −0.166 0.010 −0.491 −0.540* −0.548* −0.825* −0.020 −0.370 −0.055 POD −0.279 −0.298 −0.310 −0.022 −0.283 −0.400 0.188 −0.261 0.226 0.490 CAT −0.263 −0.086 −0.121 −0.056 −0.128 0.099 −0.205 −0.105 −0.259 −0.322 0.136 注:基于各品种同一生理指标在HT和CK下的测定值求得的耐热系数进行相关性分析 ,*表示显著相关(p<0.05),**表示极显著相关(p<0.01)。RWC:相对含水量;DMC:干物质含量;Chla:叶绿素a含量;Chlb:叶绿素b含量;Chl:叶绿素总含量;Car:类胡萝卜素含量;MDA:丙二醛含量;SS:可溶性糖含量;SP:可溶性蛋白含量,SOD:SOD活性;POD:POD活性;CAT:CAT活性,下同
Notes: * indicates significant correlation (p < 0.05), ** indicates highly significant correlation (p < 0.01). RWC: relative water content; DMC: dry matter content; Chla: chlorophyll a content; Chlb: chlorophyll b content; Chl: total chlorophyll content; Car: carotenoid content; MDA: malondialdehyde content; SS: soluble sugar content; SP: soluble protein content, SOD: SOD activity; POD: POD activity; CAT: CAT activity, the same belowTable 2. Correlation analysis of various physiological indicators of Camellia oleifera seedlings
-
对叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总含量等9个生理指标的耐热系数进行主成分分析(表3),提取出4个主成分,累积贡献率为87.042%,具有较强的代表性。油茶耐热性评价主成分1中叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总含量、类胡萝卜素含量和SOD活性的载荷较大,可反映原始数据的43.918%;主成分2中可溶性蛋白含量的载荷最大,可反映原始数据的18.716%;决定主成分3的主要是CAT活性,可反映原始数据信息中的13.134%;决定主成分4的主要是可溶性糖含量,可反映出原始数据中的11.274%。
指标
Indicators主成分1
Principal component 1主成分2
Principal component 2主成分3
Principal component 3主成分4
Principal component 4叶绿素a含量 Chla 0.858 0.270 0.022 −0.195 叶绿素b含量 Chlb 0.777 0.226 0.007 0.500 叶绿素总含量 Chl 0.910 0.280 0.017 −0.078 类胡萝卜素含量 Car 0.789 −0.264 0.173 −0.201 可溶性糖含量 SS 0.461 −0.326 −0.475 0.623 可溶性蛋白含量 SP 0.318 0.781 0.215 −0.084 SOD活性 SOD −0.807 0.434 −0.246 0.027 POD活性 POD −0.442 0.501 0.437 0.505 CAT活性 CAT −0.040 −0.507 0.793 0.173 特征值 3.953 1.684 1.182 1.015 方差贡献率/% 43.918 18.716 13.134 11.274 累积贡献率/% 43.918 62.634 75.768 87.042 Table 3. Factor loadings and contributions of principal components on each indicator
为进一步明确4个综合指标(主成分)对不同油茶品种的贡献度,根据公式(7)、(8)、(9)计算得到各品种在不同综合指标下的隶属函数值、权重和综合评价值(表4),并通过综合评价值(D值)来判断油茶耐热性的强弱。耐热性强弱顺序为华金>赣州油1号>华硕>岑软2号>湘林210>赣无2>长林53号>粤韶75-2>粤韶77-1>长林4号>岑软3号>华鑫>长林40号>赣州油7号>赣石83-4。由表4可知,华金的D值最大,为0.844,表明其在高温下具有较强的耐受性,而赣石83-4的D值最小,为0.174 ,说明其对高温胁迫较为敏感。
品种
IndicatorsU(X1) U(X2) U(X3) U(X4) D值
D-value排序
Order岑软2号 0.735 0.179 0.204 0.493 0.504 4 岑软3号 0.302 0.209 0.255 1.000 0.365 11 长林4号 0.434 0.316 0.253 0.522 0.393 10 长林40号 0.190 0.658 0.344 0.000 0.289 13 长林53号 0.822 0.212 0.137 0.057 0.488 7 华金 1.000 1.000 0.132 0.808 0.844 1 华鑫 0.419 0.247 0.430 0.235 0.360 12 华硕 0.742 0.318 0.423 0.207 0.533 3 湘林210 0.414 0.471 1.000 0.329 0.503 5 赣州油1号 0.487 0.534 0.532 0.788 0.543 2 赣州油7号 0.242 0.000 0.060 0.688 0.220 14 赣无2 0.704 0.209 0.474 0.160 0.492 6 赣石83-4 0.000 0.765 0.000 0.073 0.174 15 粤韶75-2 0.296 0.500 0.530 0.866 0.449 8 粤韶77-1 0.346 0.379 0.373 0.713 0.404 9 权重/ % 50.46 21.50 15.09 12.95 注:U(X1):隶属函数值1;U(X2):隶属函数值2;U(X3):隶属函数值3;U(X4):隶属函数值4;D值:综合评价值
Notes: U(X1): affiliation function value 1; U(X2): affiliation function value 2; U(X3): affiliation function value 3; U(X4): affiliation function value 4; D-value: comprehensive evaluation valueTable 4. Affiliation function values and D-value ranking of different Camellia oleifera species under high temperature stress
Evaluation of the Physiological Response and Heat Tolerance of Seedlings of Different Camellia oleifera Cultivars to High Temperature Stress
- Received Date: 2023-07-10
- Accepted Date: 2023-08-14
- Available Online: 2024-04-27
Abstract: