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红树林是生长在沿海潮间带的木本植物群落,是陆海生态过渡带特有的湿地生态系统,在维持海湾河口生态系统的稳定和平衡中起着不可替代的作用[1]。大多数红树植物对寒潮、霜冻等低温天气敏感,低温严重影响红树林幼苗在海岸滩涂地的自然定着和存活[2]。秋茄(Kandelia obovata Sheue et al)作为一种抗寒力强的红树植物[3],在我国分布最广,分布纬度最高,其天然分布北界至福建福鼎(27°20′N),人工引种北界至浙江乐清[4]。2008年历史上罕见的持续低温雨雪冰冻天气对我国南方沿海红树林造成不同程度伤害,秋茄却没受到寒害的伤害。前人对秋茄耐寒特性的研究表明,秋茄生长环境最低月均温为12℃,气温低于5℃时产生寒害[5-6]。杨盛昌等[7]研究了秋茄抗寒力与水分、叶绿素、可溶性蛋白质含量及抗氧化酶活性的相关性;陈鹭真等[5]2008年对我国红树植物寒害受损状况的调查表明,进行抗寒锻炼可提高引种植物的抗寒能力;雍石泉等[8]通过监测秋茄、无瓣海桑(Sonneratia apetala Buch-Ham.)和拉关木(Leguncalaria racemosa Gaertn.f.)幼苗叶片相溶性物质含量及活性氧代谢等生理生化指标发现,秋茄可溶性总糖含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性均高于无瓣海桑和拉关木;郑春芳等[9]研究了短期夜间低温对植株碳氮代谢相关酶活性的影响,阐述了秋茄幼苗碳氮代谢对夜间短期低温的响应机制。水分利用率(WUE)对环境(干旱、低温等)胁迫响应的研究热点为WUE对干旱胁迫的响应[10-15], 对低温响应的研究甚少[16],而红树植物WUE对低温胁迫响应的研究目前还未见报道。
植物光合作用过程最易受低温胁迫的伤害[17],光合作用是植物生长发育的基础[18-20],WUE是植物能否适应极限环境条件的关键因子[21]。本研究以2月龄秋茄幼苗为材料,研究连续5 d不同低温胁迫对其叶片光合速率(Pn)等光合指标的影响,并阐明其叶片WUE对不同低温的响应机制, 以期探讨秋茄的生存适应对策,为抗寒性红树植物种的选育、引种提供参考。
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从表 1可看出:5℃与12℃胁迫均对秋茄幼苗生长产生抑制作用,各指标的生长量均低于CK。5℃持续胁迫2 d,幼苗各指标值均低于胁迫1 d的,胁迫3、4、5 d后,幼苗分别在去除胁迫后第33、23、19天后死亡;12℃持续胁迫5 d,虽然对幼苗各指标的生长产生影响,但随着处理时间的持续,影响程度逐渐降低。这说明5℃胁迫累积超过2 d是秋茄幼苗寒害致死的阈值,而12℃低温环境秋茄幼苗能够适应。
处理 Treatments 胁迫后存活率
Surving rate after stress/%120 d后存活率
Surving rate after 120 days/%叶面积
Leaf areas/cm2叶周长
Leaf perimeter/cm叶片数
Leaf numbers/piece高生长
Height/cm整株鲜质量
Whole plant fresh weight/g温度
Temperature/℃时间
Time/d5 1 100 100 11.86a 13.52ab 4a 12.6e 21.45 2 100 100 12.06a 14.35ab 4a 10.75d 19.76 3 100 0 — — — — — 4 100 0 — — — — — 5 100 0 — — — — — 12 1 100 100 15.48b 14.35ab 4c 12.93d 22.19 2 100 100 9.09a 11.95a 2a 11.33a 19.91 3 100 100 10.54ab 12.92ab 5d 11.35a 20.57 4 100 100 14.88b 14.70bc 2a 11.93b 20.70 5 100 100 13.35ab 15.03bc 3b 12.47c 21.59 CK 100 100 16.73 16.91 9 20.55 26.04 注:表中同列不同小写字母表示不同处理间差异显著性(P<0.05)。
Note: Different letters above show significant difference among treatments(P<0.05).Table 1. Morphological indicators and biomass of Kandelia obovata seedlings in low temperature stress
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由图 1A、B看出:随着胁迫时间的延长,2个低温胁迫下,秋茄幼苗叶片的净光合速率(Pn)与气孔导度(Gs)均显著下降,但变化趋势不同。5℃胁迫1、3、5 d的Pn分别为CK的35.84%、20.95%、13.68%,Gs分别为CK的21.63%、20.71%、16.12%,Pn与Gs均呈连续下降趋势;12℃胁迫1、3、5 d的Pn分别为CK的26.06%、23.81%、23.99%,Gs分别为CK的13.61%、12.14%、16.41%,Pn与Gs均表现为先降后升。
Figure 1. Changes in photosynthetic parameters of Kandelia obovata seedlings under different temperature stresses
图 1C显示:2个低温胁迫下,秋茄幼苗的胞间CO2浓度(Ci)均低于CK。5℃胁迫1、3、5 d,Ci分别为CK的60.64%、72.88%、74.50%,差异不显著,变化趋势与Pn的相反;12℃胁迫下,Ci分别为CK的48.36%、46.17%、62.17%,差异显著。5℃胁迫的Ci比12℃胁迫的高, 这说明,随着胁迫时间的累积,5℃胁迫下秋茄幼苗叶片的光合能力逐渐衰减,而12℃胁迫下光合能力逐渐恢复。
图 1D显示:12℃低温胁迫下,秋茄幼苗叶片的水分利用效率(WUE)差异不显著。5℃胁迫1、3、5 d,WUE分别为CK的140.54%、77.96%、69.95%;12℃胁迫1、3、5 d,WUE分别为CK的123.99%、120.75%、112.70%,均高于CK,但增长率减少。这表明,秋茄幼苗叶片在5℃胁迫1 d和12℃持续胁迫5 d下,具有更高的WUE。
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图 2A显示:2个低温胁迫1、3、5 d,秋茄幼苗的初始荧光(Fo)变化率与CK相比均差异不显著。5℃胁迫下的Fo分别为CK的98.30%、111.37%、106.95%;12℃胁迫下的Fo分别为CK的87.17%、82.90、102.10%。
Figure 2. Changes in fluorescence parameters of Kandelia obovata seedlings under different temperature stresses
图 2C显示:2个低温胁迫1、3、5 d,秋茄幼苗的可变荧光(Fv)均低于CK,仅5℃胁迫第5天与CK差异显著。5℃胁迫下的Fv分别为CK的90.19%、81.95%、57.45%,12℃胁迫下的Fv分别为CK的86.36%、83.63%、97.14%。
图 2D显示:5℃胁迫1、3、5 d的最大光能转化速率(Fv/Fm)分别为CK的98.18%、93.24%、84.81%,且胁迫第3、5天与CK差异显著;12℃胁迫1、3、5 d的Fv/Fm分别为CK的99.77%、100.27%、98.62%,差异不显著。5℃胁迫下的Fv/Fm低于12℃胁迫的Fv/Fm,说明5℃下光系统受损程度严重,这与5℃胁迫下的Pn较低有关(图 1A)。