越冬過程中刺柏屬4樹種葉片生理指標(biāo)變化及適應(yīng)性綜合評價

孫敬爽，賈桂霞，陶霞娟，孫長忠，①

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院華北林業(yè)實驗中心，北京102300;2.北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，北京100083)

常綠針葉樹是中國北方地區(qū)重要的城市綠化森林樹種，通過引進國外觀賞價值高的針葉樹品種，不僅可以增加國內(nèi)針葉樹種質(zhì)資源，而且可以進一步提升中國北方地區(qū)城市冬季綠化的景觀效果、改善城市生態(tài)環(huán)境。

冬末和早春的低溫、干旱及多風(fēng)等逆境是影響中國北方地區(qū)常綠針葉樹安全越冬的最主要生態(tài)因子。據(jù)報道［1］，在北京、大連、沈陽和長春等北方城市的道路綠化中，約有10% ～30%的常綠針葉樹受到生理干旱的傷害。目前，植物抗性研究多以低溫、干旱等單一因素作為逆境因子，但植物在越冬過程中會受到環(huán)境條件的復(fù)雜性和植物對逆境因子的適應(yīng)性等多種因素的影響，因而，通過科學(xué)有效的方法對引進觀賞針葉樹進行抗逆性綜合評價，可為其成功引種與進一步推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

主成分分析法是一種多變量的數(shù)學(xué)分析方法，目前已逐漸應(yīng)用于植物的抗逆性綜合評價［2］。針葉樹的抗逆性較強，但有關(guān)針葉樹抗逆性的研究卻極少，且多采用單一指標(biāo)或多個指標(biāo)直接進行抗逆性評價［3－5］，研究結(jié)果具有一定的局限性。

作者對越冬過程中4個引進的刺柏屬(Juniperus Linn.)觀賞針葉樹品種的9項生理指標(biāo)進行測定，并采用主成分分析法和隸屬函數(shù)法對其越冬適應(yīng)性進行綜合評價，以期為觀賞針葉樹越冬適應(yīng)性的鑒定、評價和預(yù)測提供實驗依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實驗地概況和實驗材料

實驗在華北林業(yè)實驗中心苗圃進行。實驗地位于北京市門頭溝區(qū)，地理坐標(biāo)為北緯39°28'～41°05'、東經(jīng) 115°20'～117°30'。屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫14.0℃，極端最低溫－27.4℃，極端最高溫42℃以上;年均日照總時數(shù)2 671.4 h，全年無霜期190～195 d，年平均降雨量640 mm。土壤為沙壤土－中壤，四周無建筑物遮擋。

供試的4個觀賞樹種為高山檜品種‘藍星’(Juniperus squamata‘Blue Star’)、雜種檜品種‘黃鹿角’(J.×media‘Pfitzeriana Aurea’)、檜品種‘金羽’(J.chinensis‘Plumosa Aurea’)和歐洲檜品種‘金錐’(J.communis‘Gold Cone’)，均 為 觀 賞 矮 生 型 針葉樹。均于2002年引進，苗高為10～15 cm、冠幅為20～30 cm2。經(jīng)過3 a拱棚越冬保護后，于2006年在實驗地露地越冬栽培;各品種15～20株苗木，3次重復(fù)。實驗期間(2006年10月至2007年3月)各月的平均最低溫度和空氣相對濕度見表1。

表1 越冬期間各月平均最低溫度和空氣相對濕度Table 1 Mean minimum temperature and air relative humidity of each month during the overwintering period

1.2 方法

實驗期間于每月的13日至15日，隨機采集各品種供試植株頂端側(cè)枝的成熟葉片，混合后用于各項生理指標(biāo)測定。

膜電解質(zhì)外滲率采用組織液外滲電導(dǎo)法［6］261測定，并略加改進。稱取鮮葉0.2 g，加去離子水20 mL，用循環(huán)真空泵抽氣5次，室溫浸提1.5 h后測定電導(dǎo)值(R);然后置于沸水浴中處理20 min，冷卻后測定電導(dǎo)值(R0)，按照公式“膜電解質(zhì)外滲率=(R/R0)×100%”計算膜電解質(zhì)外滲率。

采用羥胺氧化法［7］測定超氧陰離子自由基(O－·2)產(chǎn)生速率。參照文獻［8］的方法測定可溶性蛋白質(zhì)含量。采用硫代巴比妥酸法［9］測定丙二醛(MDA)含量。采用氮藍四唑(NBT)光化還原法［10］123測定超氧化物歧化酶(SOD)活性，以抑制氮藍四唑光化還原的50%為1個酶活性單位。采用分光光度法［10］121－122測定過氧化氫酶(CAT)活性，以1 min內(nèi)A240變化0.1為1個酶活性單位。采用愈創(chuàng)木酚法［6］164－165測定過氧 化 物 酶(POD)活性，以1 min內(nèi)A470變化0.01為1個酶活性單位。參照Arrigoni［11］的方法測定抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性。谷胱甘肽還原酶(GR)活性參照Knorzer等［12］的方法測定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

對各指標(biāo)的原始測定數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化，然后采用Varimax方法［13］旋轉(zhuǎn)后得到各指標(biāo)的載荷因子矩陣，建立主成分方程;參照文獻［14］計算綜合指標(biāo)值CI(x)，參照文獻［15］計算各品種各綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值U(x)和權(quán)重以及各品種越冬適應(yīng)性的綜合評價值(D)。

采用SPSS 13.0和Excel 2007統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理、相關(guān)性分析、主成分分析以及隸屬函數(shù)的計算。

2 結(jié)果和分析

2.1 越冬期間4樹種葉片生理指標(biāo)的變化

越冬期間4種觀賞針葉樹葉片部分生理指標(biāo)的測定結(jié)果見表2，葉片中5種抗氧化酶活性的測定結(jié)果見表3。

由表2可以看出:在4個指標(biāo)中，葉片膜電解質(zhì)外滲率變化幅度均較小。4樹種葉片O－·2產(chǎn)生速率隨時間延長均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，其中高山檜‘藍星’、雜種檜‘黃鹿角’和檜‘金羽’O－·2產(chǎn)生速率的峰值在次年1月份(2007年1月)或2月份(2007年2月);而歐洲檜‘金錐’的產(chǎn)生速率峰值提前至12月份(2006年12月)且明顯高于其他樹種，說明在越冬過程中供試4樹種葉片中的產(chǎn)生和清除系統(tǒng)平衡遭到破壞，使產(chǎn)生速率明顯提高［16］。越冬過程中4種觀賞針葉樹葉片的可溶性蛋白質(zhì)含量均逐漸增加，說明逆境脅迫誘發(fā)了可溶性蛋白質(zhì)的合成以維持正常的生理功能。與10月份(2006年10月)相比，高山檜‘藍星’、雜種檜‘黃鹿角’和檜‘金羽’3樹種葉片的MDA含量在11月份(2006年11月)至次年3月份(2007年3月)期間明顯降低，說明在越冬過程中其葉片細胞膜結(jié)構(gòu)和膜脂含量可能發(fā)生變化，阻止了膜脂過氧化的發(fā)生;而歐洲檜‘金錐’葉片MDA含量在次年1月份達到峰值，明顯高于10月份，說明該樹種細胞膜受到一定的傷害。

表2 越冬期間刺柏屬4種觀賞針葉樹種葉片部分生理指標(biāo)的測定結(jié)果(±SD)1)Table 2 Determination result of some physiological indexes of leaves of four ornamental conifers of Juniperus Linn.during the overwintering period(±SD)1)

表2 越冬期間刺柏屬4種觀賞針葉樹種葉片部分生理指標(biāo)的測定結(jié)果(±SD)1)Table 2 Determination result of some physiological indexes of leaves of four ornamental conifers of Juniperus Linn.during the overwintering period(±SD)1)

?

續(xù)表2 Table 2(Continued)

表3 越冬期間刺柏屬4種觀賞針葉樹種葉片5種抗氧化酶活性的測定結(jié)果(±SD)1)Table 3 Determination result of activity of five antioxidant enzymes of leaves of four ornamental conifers of Juniperus Linn.during the overwintering period(±SD)1)

表3 越冬期間刺柏屬4種觀賞針葉樹種葉片5種抗氧化酶活性的測定結(jié)果(±SD)1)Table 3 Determination result of activity of five antioxidant enzymes of leaves of four ornamental conifers of Juniperus Linn.during the overwintering period(±SD)1)

1)－:因苗木死亡，無測定數(shù)據(jù)Without determination datum because of seedling dead.

?

由表3可以看出:在越冬過程中4樹種葉片中5種抗氧化酶活性的變幅有較大差異，其中SOD、CAT以及GR活性的變化無明顯規(guī)律，而10月份至次年2月份POD和APX活性則總體上呈增加的趨勢。

由此可見，在越冬過程中，由于受多種逆境因子的綜合影響，供試4樹種葉片的各項生理指標(biāo)變幅明顯不同，因此不能采用單一指標(biāo)評價供試4樹種的越冬適應(yīng)能力。

2.2 越冬期間4樹種葉片生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

越冬過程中4種觀賞針葉樹葉片9項生理指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)見表4。由表4可以看出:MDA含量與膜電解質(zhì)外滲率、O－·2產(chǎn)生速率、可溶性蛋白質(zhì)含量、CAT活性和POD活性均有顯著或極顯著的相關(guān)性;APX活性與O－·2產(chǎn)生速率、可溶性蛋白質(zhì)含量、SOD活性和POD活性均有顯著或極顯著的相關(guān)性。O－·2產(chǎn)生速率與膜電解質(zhì)外滲率、可溶性蛋白質(zhì)含量呈顯著負相關(guān);SOD活性與膜電解質(zhì)外滲率和CAT活性分別呈極顯著正相關(guān)和顯著負相關(guān);POD活性與可溶性蛋白質(zhì)含量和CAT活性均呈極顯著正相關(guān)。由于這些指標(biāo)間具有較為顯著的相關(guān)性，使其所提供的信息重疊，直接利用這些指標(biāo)難以準(zhǔn)確評價4樹種越冬適應(yīng)性的強弱。

表4 越冬過程中刺柏屬4種觀賞針葉樹葉片生理指標(biāo)的相關(guān)性分析1)Table 4 Correlation analysis of physiological indexes of leaves of four ornamental conifers of Juniperus Linn.during the overwintering period1)

2.3 越冬期間4樹種葉片生理指標(biāo)的主成分分析

越冬過程中供試4種觀賞針葉樹葉片9項生理指標(biāo)的主成分分析結(jié)果見表5。由表5可見:9項生理指標(biāo)可轉(zhuǎn)化為4項綜合指標(biāo)，即第1、第2、第3和第4 主成分，貢獻率分別為 29.66%、19.93%、16.61%和11.62%，累計貢獻率達到77.82%。根據(jù)9項指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值和綜合指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化特征向量分別得到第1、第2、第3和第4主成分的回歸方程:CI(1)=－0.010x1+0.559x2－ 0.797x3+0.672x4+0.425x5－0.448x6－ 0.624x7+0.704x8－ 0.068x9;CI(2)=－0.748x1+0.633x2+0.191x3+0.308x4－ 0.424x5+0.278x6+0.454x7+0.282x8+0.399x9;CI(3)=0.515x1+0.280x2－ 0.202x3－ 0.524x4+0.226x5+0.637x6+0.229x7+0.546x8+0.174x9;CI(4)=0.003x1+0.280x2+0.218x3+0.241x4+0.372x5+0.187x6+0.321x7－0.100x8－0.759x9。

主成分特征向量代表了各變量對相應(yīng)主成分的作用權(quán)數(shù)，即各單項指標(biāo)對綜合指標(biāo)的貢獻大?。?7］。由表5還可以看出:在第1主成分中特征向量較大的指標(biāo)是可溶性蛋白質(zhì)含量，其次是APX活性和MDA含量。植物在低溫和干旱等逆境脅迫下會誘導(dǎo)產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)以維持植物細胞較低的滲透勢;而MDA是膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，其含量常作為細胞膜損傷程度的判定指標(biāo)，反映細胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件反應(yīng)的強弱［18］，因而，第1主成分可以定義為生物膜功能因子。第2主成分中特征向量較大的是膜電解質(zhì)外滲率，其次是產(chǎn)生速率。由于膜電解質(zhì)外滲率可以反映膜系統(tǒng)的完整性，而作為活性氧自由基之一對細胞膜有明顯的毒害作用［19］，因此第2主成分可以定義為膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定因子。在第3主成分中特征向量較大的是CAT活性，其次是APX活性;在第4主成分中特征向量較大的是GR活性，其次是SOD和POD活性。在逆境脅迫中，植物主要通過抗氧化酶系統(tǒng)和抗氧化劑來清除活性氧，因此，第3和第4主成分可定義為清除活性氧因子。

表5 越冬過程中刺柏屬4種觀賞針葉樹葉片生理指標(biāo)的主成分分析結(jié)果1)Table 5 Result of principal component analysis of physiological indexes of leaves of four ornamental conifers of Juniperus Linn.during the overwintering period1)

2.4 越冬期間4樹種越冬適應(yīng)性的綜合評價

根據(jù)公式［15］計算供試4種觀賞針葉樹越冬適應(yīng)性的各項評價指標(biāo)，結(jié)果見表6。

2.4.1 隸屬函數(shù)分析 由表6可見:對于同一綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，如CI(1)而言，高山檜‘藍星’在11月份(2006年11月)的 U(1)最大(為1.000)，表明高山檜‘藍星’在CI(1)這一綜合指標(biāo)上表現(xiàn)為越冬適應(yīng)性最強;歐洲檜‘金錐’在次年1月份(2007年1月)的U(1)最小(為0.000)，表明歐洲檜‘金錐’在CI(1)這一綜合指標(biāo)上越冬適應(yīng)能力最差。

2.4.2 權(quán)重的確定 根據(jù)4項綜合指標(biāo)的貢獻率(表5)確定4項綜合指標(biāo)的權(quán)重分別為0.381、0.256、0.213 和 0.149。

2.4.3 越冬適應(yīng)性綜合評價 根據(jù)4項綜合指標(biāo)的U(x)與權(quán)重，獲得4種觀賞針葉樹在越冬過程中的不同月份的綜合評價值(D)，D值大小反映了其越冬適應(yīng)性的強弱。由表6可以看出:同一樹種綜合評價值在不同月份變化規(guī)律不一致。隨著逆境脅迫時間的延長，高山檜‘藍星’和檜‘金羽’分別在次年1月份和2月份(2007年2月)D值較高，分別為0.768和0.520;雜種檜‘黃鹿角’和歐洲檜‘金錐’在10月份(2006年10月)D值最高，分別為0.639和0.483。

在10月份至次年2月份，同一月份4樹種的D值由大到小均依次排序為:高山檜‘藍星’、雜種檜‘黃鹿角’、檜‘金羽’、歐洲檜‘金錐’。因此，在越冬過程中4樹種的越冬適應(yīng)性由高到低依次為:高山檜‘藍星’、雜種檜‘黃鹿角’、檜‘金羽’、歐洲檜‘金錐’。

3 討 論

植物的越冬適應(yīng)性是一個復(fù)雜的綜合性狀，受長期低溫、干旱、多風(fēng)等多種自然因素的交叉影響;且植物的抗逆性是受多基因控制的數(shù)量性狀，用單一指標(biāo)難以真實、準(zhǔn)確地反映植物越冬適應(yīng)性的強弱，而采用多種指標(biāo)進行綜合評價則較為科學(xué)和準(zhǔn)確。本研究結(jié)果表明:在越冬過程中供試4樹種多項生理指標(biāo)(除GR活性外)存在一定的相關(guān)性，造成信息重疊及交叉等現(xiàn)象，因此不能直接用多項生理指標(biāo)進行越冬適應(yīng)性的綜合評價。

利用主成分分析法將原來數(shù)量較多且彼此相關(guān)的指標(biāo)轉(zhuǎn)化成數(shù)量較少且相互獨立的綜合指標(biāo)，克服了信息的重疊性和指標(biāo)之間的相關(guān)性，從而使評價結(jié)果更為科學(xué)合理。主成分分析結(jié)果表明:在越冬過程中，供試4樹種9項生理指標(biāo)的測定結(jié)果可以轉(zhuǎn)化成4項綜合指標(biāo)，累計貢獻率達到77.82%。根據(jù)生物學(xué)功能定位可分為生物膜功能因子(可溶性蛋白質(zhì)含量和MDA含量)、膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定因子(膜電解質(zhì)外滲率和產(chǎn)生速率)和清除活性氧因子(CAT、APX、GR、SOD和POD活性)，可作為供試4樹種越冬適應(yīng)性的鑒定指標(biāo)，這與陳銀萍等［20］和江萍等［21］的觀點基本一致。

由于單一綜合指標(biāo)的大小不能完全決定某一植物越冬適應(yīng)性的強弱，因此，根據(jù)4項綜合指標(biāo)的貢獻率獲得相應(yīng)的隸屬函數(shù)值，并根據(jù)各綜合指標(biāo)的相對重要性(權(quán)重)進行加權(quán)，得到4樹種越冬適應(yīng)性的綜合評價值(D)，從而使各樹種間越冬適應(yīng)性的差異具有可比性。根據(jù)D值確定供試4樹種在北京地區(qū)的適應(yīng)性:高山檜‘藍星’在北方地區(qū)越冬適應(yīng)性最強，雜種檜‘黃鹿角’和檜‘金羽’次之，歐洲檜‘金錐’的越冬適應(yīng)性最差，這一結(jié)果與4樹種在北京地區(qū)田間的越冬表現(xiàn)［22］存在一定差異，推測主要與冬季復(fù)雜的自然因素有關(guān)。針葉樹在越冬過程中除受到低溫和干旱等因素影響外，光抑制和光氧化等現(xiàn)象也非常嚴重［23］。因此，在樹種的越冬適應(yīng)性研究中，應(yīng)采用更多的生物學(xué)指標(biāo)才能更為客觀、準(zhǔn)確地評價針葉樹的越冬適應(yīng)性，使其抗逆性鑒定更有預(yù)見性。

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