12个樱花新品种的耐热性研究

2022-03-12聂超仁高澜涂继红徐慧王青华章晓琴

湖北林业科技 2022年1期

聂超仁高澜涂继红徐慧王青华章晓琴

摘要：櫻花是早春重要的观花植物，在城市园林绿化和美丽乡村建设中具有重要的作用。本研究采用电导率法测定了12个樱花新品种叶片在40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃下细胞伤害率的变化，利用Logistic方程，计算出其高温半致死温度（LT50），结合夏季高温后的热害等级数据，进行聚类分析和耐热性评价。结果表明：12个樱花品种在梯度高温的胁迫处理下，其细胞伤害率呈“S”型曲线增加;其LT50由高到低排序如下：‘八重红大岛’ （63.32 ℃）> ‘御车返’ （63.10 ℃）>‘吉野垂枝’ （62.65 ℃）>‘琉球绯樱’ （61.92 ℃） >‘染井吉野’ （61.49 ℃） >‘松月’ （61.01 ℃） >‘衣通姬’ （60.84 ℃） >‘椿寒樱’ （60.01 ℃） >‘河津樱’ （59.87 ℃）>‘八重红枝垂’ （59.38 ℃） > ‘神代曙’ （57.46 ℃）>‘奖章’（57.08 ℃）;结合夏季高温热害等级数据进行K-means聚类分析，可将12个品种分为如下4类，第Ⅰ类包括：‘吉野垂枝’‘八重红大岛’‘御车返’为强耐热品种，平均LT50为62.36 ℃;第Ⅱ类包括：‘琉球绯樱’‘衣通姬’‘松月’为中等耐热品种，平均LT50为61.27 ℃;第Ⅲ类包括：‘染井吉野’‘八重红枝垂’‘椿寒樱’和‘河津樱’为耐热品种，平均LT50 为60.19 ℃ ;第Ⅳ类包括：‘神代曙’‘奖章’为不耐热品种，平均LT50为57.27 ℃。

关键词：樱花;电导率;高温半致死温度;耐热性

中图分类号：S685.99 文献标识码：A 文章编号：1004-3020（2022）01-0018-06

Study on Heat Tolerance of 12 Flowering Cherry Cultivars

Nie Chaoren（1，2） Gao Lan（2）Tu Jihong（1）Xu Hui（1）Wang Qinghua（3） Zhang Xiaoqin（1）

（1.Wuhan Institute of Landscape Architecture Wuhan 430081;

2.College of Landscape Architecture， Beijing Forestry UniversityBeijing 100083 ;

3.East Lake Scenic Area of Wuhan Wuhan 430074）

Abstract： Flowering Cherry is an important woody plant in early spring， which plays an important role in urban landscaping and beautiful rural construction.In this study， the changes of cell injury rate of 12 Japanese flowering cherry cultivar leaves at 40 ℃， 45 ℃， 50 ℃， 55 ℃， 60 ℃， 65 ℃ and 70 ℃ were measured by conductivity method.The high semi-lethal temperature （LT50） was calculated by logistic equation.With the data of heat injury in Wuhan City in summer， further clustering analysis and accessing the heat tolerance.The results showed that the cell injury rate of 12 cultivars raising in a ‘S’ curve under high gradient temperature stress.According to the LT50， these cultivars was ranked as follows：‘Yaebeni-ohshima’（63.32 ℃）>‘Mikurumakaishi’（63.10 ℃）>‘Yoshino-shidare’（62.65 ℃）>‘Kanhizakura-plena’（61.92 ℃）>‘Somei-yoshino’（61.49 ℃）>‘Albo-rosea’（61.01 ℃）>‘Sotorihime’（60.84 ℃）>‘Introsa’（60.01 ℃）>‘Kawazu-zakura’（59.87 ℃）>‘Plena Rosea’（59.38 ℃）>‘Jindai-akebono’（57.46 ℃）>‘Accolade’（57.08 ℃）.On the base of LT50 and the heat damage grade in summer， These 12 cultivars were divided into 4 groups by K-means cluster analysis.The Ⅰ group included ‘Yoshinochuizh’， ‘Bachonghongdadao’and ‘Yuchehui’， which were strong heat tolerance cultivars， with an average LT50 of 62.36 ℃; the Ⅱ group included ‘Ryukyu-feiying’， ‘Yitongji’ and ‘Songyue’，which were moderately heat tolerance cultivars with an average LT50 of 61.27 ℃; the Ⅲ group included ‘Ranjingjiye’， ‘Bazhongzhichui’ and ‘Chunhanying’ and ‘Hejin’， which were heat tolerance cultivars with an average LT50 of 60.19 ℃; The Ⅳ category includes ‘Shendaishu’ and ‘Jiangzhang’， which were heat tolerance cultivars with an average LT50 of 57.27 ℃.The results of this study can provide a theoretical basis for the introduction and application of flowering cherry.

Key words： flowering cherry ; conductivity; high semi-lethal Temperature; heat tolerance

樱花是世界著名的观赏树种，隶属于蔷薇科Rosaceae李属Prunus樱亚属[1]，为早春观赏花木，其株型优美、花色艳丽、花期早，深受人们喜爱，在园林上具有极大的应用价值，可广泛应用于公园、学校、街道、庭院等绿地中，在城市园林和美丽乡村建设中具有重要的地位和作用。樱花在世界各地被广泛种植，其主要的分布范围为温带与亚热带地区，在我国十几个省份都有分布。近些年来，全球气温异常，极端高温不断刷新纪录，加之城市热岛效应的影响，城市平均气温上升明显，夏季的高温天气对园林植物的生长和发育产生了显著影响。樱花属于对高温比较敏感的树种，夏季的高温对樱花的生长和开花会产生众多不利的影响。因此，进行樱花耐热性的研究，对于指导樱花引种和应用具有重要意义。

近些年来，一些学者先后用不同的方法开展了樱花的耐热性研究。许学洪等通过对日本晚樱、‘广州’樱、‘中国红’三个樱花品种进行引种栽培试验，发现来自温带的‘关山’樱生长状态较差，对当地气候适应性低，夏季叶片稀疏，总体存活率低;产自我国南方的 ‘广州’樱、‘中国红’两个品种生长状况良好，对当地的整体适应性较高[2]。夏思颖对从台湾引进的4个优良樱花品种进行了高温胁迫实验，在不同的高温胁迫条件下，分析了4个樱花品种的叶绿素含量、丙二醛含量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、抗氧化酶體系等生理指标所表现出的变化，进而对不同樱花品种的高温适应性进行了评价，为台湾优良樱花品种引种和应用奠定了基础[3]。胡娜通过测定不同高温处理后叶片的损伤率和可溶性蛋白含量，测试了我国原生的4种樱花的耐热性，认为华中樱对高温的抵抗力相对较强，而尾叶樱相对较弱[4]。

电导率法可以测定植物的耐热性，是一种迅速、方便的测量方法。电导率指溶液传导电流的能力，通过测定高温胁迫下植物细胞的电解质外渗率，与Logistic曲线方程结合分析，可计算出该植物的高温半致死温度，准确地反映植物对高温的耐受程度，从而评价植物的耐热性强弱[5]。该方法已被广泛应用于多种园林植物对高温的耐性评价，如梅花[6]、杜鹃 Rhododendron simsii [7]、茶花[8]、万寿菊 Tagetes erecta [9]、景天科植物[10]、红山茶[11，12]、观果植物[13]、蕨类植物[14]、观赏草[15]、雀舌黄杨 Buxus bodinieri 和大叶黄杨 Buxus megistophylla [16]等。然而，关于利用电导率法开展樱花耐热性评价的研究还少有发现。叶超宏采用了实地调查和试验研究的方法，对华南地区栽培的樱花品种的耐热性进行了研究，并采用电导率法结合Logistic 方程的方法测定了7个樱花品种的高温半致死温度，结果认为‘广州’樱、‘富贵’樱、‘小乔’樱3种樱花的耐热性较好，适合在华南地区种植[17]。而关于新引种樱花品种的耐热性评价还未见报道，因此本文以12个新引进的樱花品种为试验材料，采用电导率法与Logistic方程结合分析的方法，测定了其叶片在高温下的细胞损伤率，对高温半致死温度进行了计算，并结合田间热害等级数据对其耐热性进行了评价，以期为樱花新品种的引进、栽培和应用提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验中使用的12个樱花品种材料来源于武汉市园林科学研究院国家樱花种质资源库和武汉东湖磨山樱花园，5～10 a生的健康无病虫害的植株。12个品种名称、拉丁学名、花期、花色、花期、花瓣数见表1。

1.2 方法

1.2.1 细胞伤害率和高温半致死温度LT50的计算

采样于2020年8月中旬进行。将发育良好、生长健康、无病虫害的1 a生树枝中间的成熟叶片放入密封袋中，带回实验室。用去离子水冲洗干净，用吸水纸搽干表面水分后，避开主脉，用剪刀切成约0.5 cm的小方片。用天秤称取0.5 g，装入50 mL的离心管中，加入20 mL去离子水，放入真空抽滤器30 min，从叶片中抽出空气，在恒温旋涡式摇床中摇动1 h，将叶片全部沉入水中，分别放入30 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃和70 ℃的水浴锅中水浴20 min，取出后自然冷却至室温，测定每个处理下叶片的电导率（ Ta ）。除30 ℃处理后作为对照外，其余全部放入100 ℃的水浴锅中水浴20 min，取出自然冷却至室温，测定电导率（ Tb ）。30 ℃水浴处理的电导率（ TCK ）为对照，对照和处理均设置为3次重复。细胞损伤率的计算公式为：

细胞伤害率=（ Ta -TCK ）/（Tb-TCK ）×100%

R3.6.0软件拟合处理温度与细胞损伤率之间的Logistic方程。Logistic回归方程：

y = k / （1+ ae-bx ）

式中： y 为细胞伤害率， x 为处理温度， k 为细胞伤害率的最大饱和容量消除了背景干扰，因此 k 可取值100。线性化处理方程，以求得 a 和 b 值，则方程 y = k /（l+ ae-bx ）转换为ln[（ k - y ）/ y ]=lna- bx ，设 y =ln[（ k - y ）/ y ]，然后将其转化为细胞损伤率（ y ′）与处理温度（ x ）的直线方程 y′ =lna- bx 。通过线性回归方程和Logistic方程得到拐点温度 x ， x =lna/ b ，即为半致死温度（LT50）。

1.2.2 田间高温热害等级调查

参考叶超宏[17]，杨炜茹[18]的高温伤害等级划分方法，结合武汉地区樱花高温季节的热害表型，将高温伤害等级划分为 5 级：

0级——无热伤害症状，高温季节没有落叶现象;

1级——表现出热损伤症状的叶片少于 1/4，高温季节凋落的树叶量少于1/4，叶片空洞较少;

2级——表现出热损伤症状的叶片为1/4 ～ 1/2;高温季节凋落的树叶量在1/4 ～ 1/2，叶片空洞多;

3级——表现出热损伤症状的叶片为1/2 ～ 3/4;高温季节凋落的树叶量在1/2 ～ 3/4，叶片空洞较多;

4级——表现出热损伤症状的叶片为3/4 以上;高温季节凋落的树叶量在3/4以上，叶片空洞非常多;

5级——植株死亡的情况。

1.2.3 耐热性聚类分析

将试验获得不同温度下的细胞伤害率数据在Excel利用Logistic方程进行高温半致死温度计算，并将12个樱花品种的高温半致死温度和夏季热害等级数据经过转化后采用欧氏距离，用R 3.6.0软件进行离差平方和法K-means聚类分析。

2 结果与分析

2.1 高温处理不同品种樱花叶片细胞伤害率的变化

从图1可以看出，随着处理温度的升高，各个樱花品种叶片细胞的伤害率不断上升，温度越高，细胞伤害率越大。同时也可以看出12个樱花品种叶片的细胞伤害率都是随温度的升高先缓慢升高，到达某一温度点后迅速上升，最后在某一温度点变缓至基本稳定不变，符合“S”型增长曲线模型。从具体变化特点来看，不同樱花品种有一定的差异，‘琉球绯樱’从45 ℃时，细胞伤害率就稳步上升，在65 ℃达到最高峰，然后保持基本不变，属于细胞伤害率上升较早的品种;‘神代曙’‘八重红枝垂’‘河津樱’‘奖章’4个品种，50～55 ℃是其细胞伤害率上升最快的阶段，然后保持基本不变;其他7个品种基本上是40～50 ℃之间细胞伤害率变化不明显，50～55 ℃之间细胞伤害率急剧上升，从不到10%上升到40%～70%之间，增加4～7倍以上，55～60 ℃之间在缓慢上升，然后基本保持不变，进入高點稳定期。

2.2 Logistic 方程参数和高温半致死温度计算

分析处理温度和细胞损伤率的数据，可以计算出转化细胞的损伤率和处理温度之间的关系（图2）可见，不同处理温度（ t ）和转化细胞的损伤率（ y′ ）趋近于直线性分布，说明细胞伤害率（ y′ ）与处理温度（ t ）之间的关系可以用Logistic方程很好的拟合。高温半致死温度和耐热性呈正相关，使用R软件中的直线回归函数可以求回归直线的参数 a 、 b 和直线相关系数 r2 。从表2可以看出，拟合程度 r2 均存在显著差异，拟合结果可靠，其中‘神代曙’‘河津樱’‘吉野垂枝’‘八重红大岛’4个品种的拟合系数 r2 大于0.9，有极显著的差异，拟合度较高。

高温半致死温度能有效评估植物的耐热性，高温半致死温度越高则说明耐热性越好，越低则说明耐热性越差。由直线回归方程可以计算出高温半致死温度，如表2所示，这12个樱花品种的高温半致死温度在57.09～63.32 ℃之间，由高到低排序如下：‘八重红大岛’>‘御车返’> ‘吉野垂枝’>‘琉球绯樱’>‘染井吉野’> ‘松月’>‘衣通姬’>‘椿寒’>‘河津樱’>‘八重红枝垂’>‘神代曙’ >‘奖章’。

2.3 不同樱花品种耐热性聚类分析

将12个樱花品种的高温半致死温度和夏季热害等级数据经过转化后采用欧氏距离，用离差平方和法进行K-means聚类分析（图3），在欧式距离=3.00处可将12个品种分为4类，第Ⅰ类包括：‘吉野垂枝’‘八重红大岛’‘御车返’为强耐热品种，平均半致死温度为62.36 ℃;第Ⅱ类包括：‘琉球绯樱’‘衣通姬’‘松月’为中等耐热品种，平均半致死温度为61.27 ℃;第 Ⅲ 类包括：‘染井吉野’‘八重红枝垂’和 ‘椿寒樱’‘河津樱’，为耐热品种，平均半致死温度为60.19 ℃;第Ⅳ类包括：‘神代曙’‘奖章’为不耐热品种，平均半致死温度为57.27 ℃。

2.4 不同树龄樱花LT50差异的分析

从图4可以看出，‘椿寒樱’和‘琉球绯樱’这两个品种不同树龄的叶片得到的LT50不同，整体上看看，树龄越大，LT50越大。‘椿寒樱’的LT50的变化范围是56.22 ℃～64.33 ℃，平均值是60.35 ℃，随着树龄增加，LT50逐渐升高，且3 a，10 a，30 a之间在0.01水平上差异显著。‘琉球绯樱花’的LT50变化范围是60.44 ℃～62.01 ℃，平均值是61.49 ℃，除了3 a和10 a之间LT50在0.01水平上有显著性差异外，10 a和30 a树龄的LT50没有显著性差异。这两个品种相比，LT50的平均值相差较小，‘琉球绯樱花’不同树龄之间LT50差异比较小，为1.57 ℃，而‘椿寒樱’不同树龄之间LT50差异比较大，为8.11 ℃。

3 讨论

高温胁迫是影响园林植物生长发育的关键因子之一，植物经受高温逆境胁迫后，细胞膜系统结构受到破坏，选择透过性的能力降低，细胞液大量外渗，导致电导率升高[18]。所以，细胞膜系统高温胁迫下的稳定性，决定了植物的耐热性。相对电导率是反映植物细胞受高温胁迫后膜透性受损程度的重要指标，细胞膜伤害率能反映植物细胞膜所受伤害的程度，二者是间接评价植物耐热性的有效方法。细胞膜系统受损越严重，外渗细胞液越多，电导率越大，细胞膜受伤害程度越大，植物耐热性越弱，反之则耐热性越强。用梯度高温处理植物离体叶片，通过电导率法测定植物的细胞伤害率[19]，利用Logistic方程拟合处理温度与细胞伤害率的关系，通过计算“S”型曲线拐点温度，作为植物高温半致死温度，可以比较准确的反应植物耐热性的差异，该方法方便、快捷、灵敏，已经应用在多个植物耐热性评价中。

梯度高温处理叶片，细胞伤害率并非稳步增加，电导率在增加的基础上有变缓和急剧增加情况[11]。本研究中有7个品种樱花，40～45 ℃时，其细胞伤害率值有稍微下降趋势，是植物在逆境胁迫初期，启动的自身保护系统起作用的结果，此阶段细胞膜受到的伤害是可逆的，通过调整主动运输，稳定细胞液的外渗量，从而产生电导率上升缓慢或者下降的趋势。但是这种自我保护能力，因品种不同而有差异，与不同品种的细胞对高温的应激反应的不同有关[20]。与张文娟[9]等对景天植物的耐热性的研究以及石永红[14]等对黑麦草的耐热性的研究中一致。本研究中试验得到樱花品种的高温半致死温度范围57.08～63.32 ℃，平均值60.68 ℃，与叶超宏的结果41～61 ℃，平均值为47.61 ℃[16]相比，各个品种之间的差距更小，高温半致死温度更高。

当温度超过一定范围时，细胞自身的保护系统已经不能进行自我调节，细胞膜产生了不可修复的损伤，细胞液大量外渗，从而导致电导率急剧增加。且不同品种的樱花细胞伤害率急剧增加的转折点均不同[21]，而温度在超过60 ℃和70 ℃后，细胞伤害率均呈现缓慢增加或保持不变的趋势，说明此时质膜已经遭到破坏，主动运输功能完全丧失，电导值不再增加。

李俊才等认为在自然条件，植物的抗性相对高于室内离体状态[22]，蒋媛等研究认为，半致死温度结合田间表型更能反应植物品种的抗性[23]。因此，为了能够准确反映樱花耐热性强弱，本研究将12个樱花品种的高温半致死温度和夏季热害等级数据经过转化后采用欧氏距离，用离差平方和法进行K-means聚类分析，得到12个品种耐热性关系，并分为如下4类，第Ⅰ类群包括：‘八重红大岛’‘御车返’‘吉野垂枝’为耐热性较好品种;第Ⅱ类包括：‘琉球绯樱’‘衣通姬’‘松月’为中等耐热性好品种;第Ⅲ类包括：‘染井吉野’‘八重红枝垂’‘椿寒樱’和‘河津樱’为一般耐热品种。第Ⅳ类包括：‘神代曙’‘奖章’为不耐热品种。由于田间热害表型会受到树龄、树木生长小环境、气候条件等因素影响，与实验测定的高温半致死温度等级会有不一致的情况，本研究中虽然将高温半致死温度和田间热害表型相结合，并进行了耐热性等级的分类，与品种的真实的耐热性还有不一致的地方，还需要进一步结合热胁迫条件下植物生理生化指标等方面的数据进一步深入分析和验证。

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