前人研究(Literature Review) - 聖誕紅品種耐熱性評估與提升耐熱性之方法

一. 聖誕紅之栽培條件

聖誕紅為短日植物，臨界日長自然花期約為11 月到隔年 3 月。生長適溫為日溫24-28℃，夜溫 21-23℃，在高溫逆境下聖誕紅易發生插穗產量減少、根系病害、

植株生長停滯、盲芽、停心及狹葉化等生理障礙(楊，2015)。夜溫高於 23℃時會延遲開花(Ecke, 2004)。水分需求方面，介質含水量宜保持在中等水勢(-5 kPa)與高水勢(-1 kPa)，若長時間處於低水勢(-50 kPa)後再灌溉，其生長品質易下降；營養生長期對土壤水勢的敏感度高於生殖生長期，受到低水勢逆境後對生長品質的影響較大(Nowak and Strojny, 1998)。吳(2015)指出聖誕紅栽培介質含水量不宜低於 30%VWC，否則容易落葉，造成品質下降。

肥料需求方面，聖誕紅為高需肥植物，於營養生長期需大量肥料，施用不足時嚴重影響觀賞品質(Ku and Hershey, 1997)。巨量元素建議施用濃度為氮(300-600 mg·L^-1)、磷(50-200 mg·L^-1)及鉀(200-400 mg·L^-1)(Ecke et al.,2004)。聖誕紅缺鈣時枝條軟弱(Lawton et al., 1989)或葉片與苞片皺縮扭曲造成邊緣壞疽，苞葉或葉片壞疽的部分鈣濃度含量較低(Jacques et al., 1991)。吳(2015)指出聖誕紅苗期肥料施用時機，以扦插後 14 天開始施用液肥表現最佳，幼苗期高氮處理組(30N-4.6P-8.3K)，

在各生長階段皆有最佳表現。

株高控制方面，聖誕紅移植後至摘心之前通常不使用矮化劑或僅噴施 1000

mg·L^-1克美素(chlormequat, CCC)即可；摘心後至花芽分化用 1500 mg·L^-1CCC 或 10-25 mg·L^-1巴克素(paclobutrazol, PP-333)；花芽分化後應避免使用太高濃度矮化劑以免影響苞片伸展及延遲開花(傅等，2010)。

二. 高溫對花卉作物生長之影響

高溫會造成許多作物生長形態改變、葉片老化及脫落、地上部及地下部生長受

抑制、以及降低產量和品質等(Ismail and Hall, 1999)。金魚草(Antirrhinum majus L.‘Rohet Rose’)、龍頭花 (Mimulus ×hybridus L.)生長於 32℃之花苞數和花徑皆較 生長於 20 ℃者低(Warner and Erwin, 2005)。高溫使聖誕紅耐熱或不耐熱品種之乾重、株高及莖徑等生長測值下降，使不耐熱品種 ‘Red Velvet’和‘Ice Punch’之淨光合作用、氣孔導度及細胞間隙CO2濃度等生理指標降低(吳，2015)。高溫逆境破壞細胞膜穩定性，使細胞質滲漏，也會造成脂質過氧化，產生活性氧族(reactive oxygen species, ROS)。抗氧化系統(antioxidant system)可清除 ROS，防止其對植物之破壞 (Zhang et al., 2011)，過氧化氫酶(catalase, CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(Ascorbate peroxidase, APOX)是植物體內的抗氧化酵素，具有清除自由基的功能(Dinakar et al., 2012)。日日春(Catharanthus roseus)相較於香豌豆(Lathyrus odoratus)具有比較高的 耐熱性，於高溫下香豌豆的電解質滲漏率隨著溫度快速上升，表示其細胞膜較容易

受到高溫傷害；香豌豆的 CAT、APOX 的活性於高溫下快速的下降，使其清除自

由基的能力較日日春差(Anderson and Padhye, 2004)。高溫會破壞光系統Ⅱ，抑制電子傳遞鏈進行，使植物需以螢光之方式消散多餘能量(Lin et al., 2007)。菊花 (Dendranthema grandiflorum (Ramat.) Kitamura)於 35℃以上其葉綠素螢光基值(Fo) 隨著溫度增加而上升，使得Fv/Fm 下降(Janka et al., 2013)。

三. 快速評估耐熱性之方法

篩選耐熱的品種將有利於抵抗高溫逆境，傳統耐熱育種流程中，田間篩選目標性狀所耗費之時間及勞力成本多，若有生理指標與植株耐熱程度及田間生育表現呈高度相關性，則可作為快速篩選耐熱品種之生理指標。快速、非破壞性篩選耐熱品種的指標有細胞膜熱穩定性(cell membrane thermo stability, CMT)、葉綠素螢光 (陳，2012)及葉片溫度。高溫會破壞細胞膜的穩定性，使得細胞質滲漏，因此 CMT 常作為植物耐逆境的指標。高溫也會抑制電子傳遞鏈進行，使植物必須以熱和螢光之方式消散多餘能量，故葉片溫度以及葉綠素螢光也可以做為評估耐熱性之指標

(Hackl et al., 2012)。

(一) 葉綠素螢光(chlorophyll fluorescence)與光合作用

高溫逆境會傷害光合系統之細胞膜使其失去活性，光合器官之葉綠素螢光對溫度引起之變化較其他器官敏感(Camejo et al., 2005)。高溫會破壞光系統Ⅱ，抑制電子傳遞鏈進行，使植物被迫以螢光之方式消散多餘能量(Lin et al., 2007)。葉綠素螢光能夠反應光合作用系統中，電子被激發後能量釋放的狀態。藉由調查葉綠素螢光可得知光系統利用光能的效率，在植物受到逆境傷害初期、外觀尚未有明顯變化時即可偵測出光系統是否受到抑制(Butler, 1978)。利用 Fo、Fm、Fv/Fm 及 Y(II)(光照下 PSII 的實際光量子產量，同 Yield)，可得知光系統 II(photosynthesis system II, PSII)中的電子傳遞鏈受阻情形。職務在正常狀況下之葉綠素螢光值為 0.832 ± 0.004(Long et al. 1993)。菊花(Dendranthema grandiflorum (Ramat.) Kitamura)於 35℃

以上其葉綠素螢光基值(Fo)隨著溫度增加而上升，使得 Fv/Fm 下降(Janka et al., 2013)。李(2010)指出萵苣耐熱和不耐熱品種之葉綠素螢光於高溫逆境下具有顯著

差異。不耐熱品種之葉片於高溫逆境48 小時後，其電子傳遞速率持續下降；而耐

熱品種葉片之電子傳遞速率開始回升，表示耐熱品種於高溫逆境48 小時後開始適

應高溫環境，而不耐熱品種對高溫適應和恢復的能力較差。

(二) 細胞膜熱穩定性(cell membrane thermostability, CMT)

熱逆境會破壞膜系統之穩定性與滲透性，其中以類囊體膜熱穩定性最差，為熱逆境下最先受害的位置(Wise et al., 2004)。高溫容易造成細胞膜層結構破裂，引起細胞質滲漏(Xu et al., 2005)。菊花(D. grandiflorum (Ramat.) Kitamura)葉圓片於短暫 (20-30 分鐘)高溫處理後之滲漏率變化，可計算出葉片之相對傷害值(relative injury, RI)，判別細胞膜熱穩定性(cell membrane thermostability, CMT)(王和葉，2013)。

利用CMT 可快速精準地評估作物種類與品種之耐熱性(Wahid et al., 2007)。於高溫下香豌豆(L. odoratus)的 RI 值隨著溫度升高而快速上升，表示其細胞膜較容易

受到高溫傷害(Anderson and Padhye, 2004)。Xu 等(2005)研究指出，兩種冬季草於熱逆境下其MDA 含量和 RI 值上升且基粒類囊體與基粒片層類囊體受損傷，而上升和損傷程度隨溫度上升而增加。RI 值經公式計算呈 S 曲線變化，利用電解質滲漏率S 曲線之轉折中點、RI 值達 50%之熱致死溫度(lethal temperature)以及熱致死時間(lethal time)可區別物種或品種間對熱之生長反應差異，作為耐熱性的指標 (Chen 等，1982；Hao et al., 2009；Yeh and Lin, 2003；Yeh and Hsu, 2004)。吳(2015) 以CMT 選拔聖誕紅耐熱品種，結果顯示‘Noel’、‘Jacobson Peterstar’、‘Jubilee Red’、

‘Winter Rose’、 ‘Novia’、‘Marbella’、‘Luv U Pink’、‘Premier Red’及‘Shimmer Surprise’

等9 個品種為耐熱品種，且耐熱品種之淨光合作用、氣孔導度及細胞間隙 CO2 濃度等生理指標於高溫或室溫下栽培並沒有顯著的差異；而不耐熱品種則於高溫下

各項生理指標顯著的較低，證實了CMT 篩選的結果與高溫下栽培觀察到的結果符

合，表示55℃水浴 15 分鐘之 RI 值可適用於聖誕紅耐熱品種之初步評估。

(三)葉片溫度

葉片溫度是影響植物生長的重要因素，輻射較強的環境會加速葉片溫度升高的速度，若葉片溫度過高，葉片會受到灼傷(van Herk, 1998)。火鶴花(Anthurium andraeanum Lind.)在葉片溫度 18-28℃時有較高的光合作用效率，若葉片溫度超過

30℃則開始下降(黃，2008)。Berry and Bjorkman(1980)指出 C3型植物若葉片溫度大於生長溫度時，rubisco 氧化酶活性會增加，導致淨光合作用下降。林(2016)以葉片溫度和RI 值篩選薰衣草(Lavandula officinalis L.)耐熱品種，兩種篩選方式之結果相 似，並且和外觀生長品質一致。

(四)隸屬度(membership function value, MFV)

侯和呂(1995)指出植物對乾旱的耐受性是一種綜合的性狀表現，這種作用是微效的，必須由大量的因素綜合才容易表現，其中每一項因素都對抗乾旱能力有一定

的作用，但各項要素作用的機制跟趨勢並不完全相同，甚至可能彼此有出入，因此評估抗旱性應該綜合各項生理指標，才會和實際真實情況較接近。MFV 可綜合各項耐熱指標之結果，已經應用於許多作物評估逆境耐受性的研究中。Chen 等(2012) 利用MFV 整理小麥(Triticum aestivum L.）之葉綠素讀值(SPAD-value)、氣孔導度、

細胞間隙CO2濃度等14 項性狀，並以平均隸屬度篩選耐旱品種；齊等(2011)亦利用MFV 整理 RI 值、發芽率等性狀藉以篩選胡瓜(Cucumis sativus L.)之耐寒性。

四. 提升耐熱性的方法

(一)水楊酸(salicylic acid，SA)和鈣(calcium，Ca) 1. 水楊酸和鈣之簡介

水楊酸(鄰羥基苯甲酸，分子式 C6H4(OH)COOH)為一種簡單酚類化合物，最早發現於柳樹(Salix babylonica L.)的葉片和樹皮中，之後發現廣泛存在於植物中 (Hayat and Ahmad, 2007)，目前已經在多種植物的再生組織和葉片中鑑定出 SA 的存在，尤以天南星科植物的花序或植物受病原物感染的組織含量為高(Hayat et al., 2007; Raskin, 1992)。鈣為二價離子，於植物體中為不易移動之元素，其主要生理功能為參與細胞分裂、調節酵素活性，穩定細胞壁結構，細胞壁中膠層(middle lamella) 即是由果膠酸鈣組成；此外鈣在質膜的表面亦扮演著調節膜通透性的作用。

2. 水楊酸和鈣之生理作用

水楊酸可促進植物種子發芽和營養生長、調節氣孔開閉、促進醣酵解 (glycolysis)、增進膜通透性、使澱粉沉積、抑制磷酸鹽和鉀離子的吸收(Hayat et al., 2007)，並提高葉綠素及胡蘿蔔素含量和光合速率、影響光合磷酸化和氧化磷酸化 (Klessig and Malamy, 1994)，也能夠誘導開花、影響胡瓜性別分化(Raskin, 1992)，

干擾乙烯和離層酸及細胞分裂素的生合成及作用、逆轉離層酸對葉片脫落的作用 (Srivastava and Dwivedi, 2000)。

鈣在細胞質中一般都維持在低濃度，細胞會靠著鈣離子幫浦主動的將鈣移到細胞外或是內質網或粒腺體內的空腔。鈣於植物體中具有二級訊息傳遞者的功能，

當逆境發生時，細胞質中鈣濃度的升高會引起細胞內的化學反應(Sung et al., 2003)。

細胞內鈣離子感應蛋白如鈣調素或鈣離子蛋白激酶可辨識訊息並與鈣鍵結，經一連串的訊息傳遞而改變細胞的溶質傳送、酵素活性、蛋白質磷酸化作用及基因表現，

最終達到對逆境適應性反應。

當植物遭遇環境逆境時，會發生脂質過氧化，產生活性氧族(reactive oxygen species, ROS)，ROS 對植物細胞而言是一種逆境之訊號，細胞接收到此訊號後會產生一連串之訊息傳遞，並做出適當的反應來抵禦逆境。於植物細胞中，鈣調蛋白激酶(calcium dependent protein kinase, CDPK)首先接收 ROS 的訊息，接者 CDPK 和鈣

離子結合而活化，並放大ROS 的訊息，使和逆境相關的蛋白磷酸化，產生一系列

的保護反應。SA 於逆境訊息的傳導過程中屬於較下游的接收者，SA 接受到來自 CDPK 的訊號後會將此訊息傳達給細胞核，增加耐熱基因的表現，促使植物合成熱

休克蛋白和其他抗氧化酵素。因此，鈣離子和SA 於逆境訊息傳導的過程均扮演重

要的角色(Gilroy, 2014；Mitter et al., 2011)。

3. 水楊酸和氯化鈣應用實例：

Dat 等(1998)指出噴施 SA 可提高芥菜苗的耐熱性；Shi 等(2006)指出噴施 SA 可增加胡瓜(Cucumis sativa L.)於高溫下超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD) 和過氧化氫酶(catalase, CAT)的活性，並降低之 RI 值和過氧化氫(hydrogen peroxide, H2O2)含量。Gong (1997)指出施用 10 mM CaCl2、鈣離子通道抑制劑及鈣調素拮抗作用抑制劑，可提升抗氧化酵素(SOD、APX 及 CAT)之活性，且 CaCl2處理於高

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