低溫脅迫下3種竹柳品系的抗寒性

李艱++周廣柱

摘要：以3種竹柳品系3號、5號、7號為試驗材料，以垂柳為參照，通過不同人工模擬-20、-25、-30、-33、-35、-38、-40 ℃等低溫處理，測定各枝條的相對電導率、可溶性蛋白、SOD、POD、游離脯氨酸及丙二醛含量等抗寒性相關指標，運用Logistic方程計算半致死溫度，通過主成分分析法和隸屬函數(shù)法綜合評價各竹柳品系與垂柳的抗寒性。結果表明，不同溫度梯度下，各抗寒指標與竹柳品系和垂柳的抗寒性顯著相關（P<0.05）；各竹柳品系抗寒性均高于垂柳，相對電導率與抗寒綜合指數(shù)大小為竹柳5號>竹柳7號>竹柳3號>垂柳；半致死溫度與抗寒綜合指數(shù)極顯著負相關（P<0.01）。

關鍵詞：竹柳品系；垂柳；抗寒性；半致死溫度；綜合評價

中圖分類號： Q945.78文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0307-04

收稿日期：2016-02-15

作者簡介：李艱（1991—），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，主要從事園林植物栽培及應用技術研究。E-mail：516061@qq.com。

通信作者：周廣柱，碩士，教授，主要從事園林植物栽培及應用技術研究。E-mail：359860287@qq.com。竹柳（Salix Zhuliu）是美國加州農大與美國幾家較大的紙業(yè)及種苗公司利用美國寒柳、朝鮮柳（Salix koreensis Anderss）、筐柳（Salix linearistipularis）和毛竹[Phyllostachys heterocycla （Carr.） Mitford cv. Pubescens]經(jīng)雜交選育而成的優(yōu)良用材與觀賞品系[1]，具有喜光、抗逆性強、生長快等特點。竹柳品系3號生長快、干直，5號抗逆性強，7號觀賞價值高。目前，竹柳品系抗鹽堿和繁殖技術方面的研究較多[2-3]，抗寒性研究相對較少。張捷等以抗寒性強的旱柳為參照，研究竹柳品系的抗寒性發(fā)現(xiàn)，竹柳各品系的抗寒性不如旱柳[4]。本試驗選用抗寒性較強的垂柳（Salix babylonica）為參照，研究竹柳品系3號、5號、7號的抗寒性，以期為適栽垂柳的寒冷地區(qū)引種竹柳提供技術依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料采集

竹柳品系3號、5號、7號和垂柳1年生植株共300株，由內蒙古包頭市引進。試材采集在秋季落葉后進行，按照李合生的對角線取樣法[5]，選取5個樣點，每個樣點隨機選取5株，每株采集5根1年生枝條；將采集的枝條在實驗室內剪口蠟封，置于0 ℃條件下儲藏，備用。

1.2材料處理

2015年11月上旬，用蒸餾水沖洗干凈各供試枝條；選擇粗度相對均勻、成熟健壯的枝條分割成段，每段長10 cm，用自來水沖洗數(shù)遍，再用蒸餾水沖洗3～4次；待水分晾干，裝入聚乙稀袋中貼上標簽，分別用紗布包好，放入泡沫盒中并置于0 ℃冰箱中保存，備用；將各品系和垂柳枝條分別在-20、-25、-30、-33、-35、-38、-40 ℃等溫度條件下進行低溫脅迫處理，以0 ℃處理作為對照，以4 ℃/h的速率降溫，持續(xù) 12 h；逐步回溫至0 ℃，放置8 h，測定相關指標，重復3次。

1.3測定方法

相對電導率采用電導儀法[6]測定；SOD活性、POD活性、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、丙二醛含量分別采用氮藍四唑（NBT）法、愈創(chuàng)木酚法、考馬斯亮藍法、茚三酮比色法、硫代巴比妥酸法[7]測定。

1.4數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

利用Logistic方程[8]y=k/（1+ae-bx） 求低溫半致死溫度LT50，式中，y為電導率，a、b為方程參數(shù)，k為最大電解質透出率。以0 ℃的枝條測定值為對照組，以低溫處理的各主要抗寒性指標測定值為處理值，計算各抗寒指標的變化率為：變化率=（處理值-對照值）/對照值；對變化率標準化處理，進行主成分分析。采用Microsoft excel 2003、SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用用Duncans新復極差法進行差異顯著性檢驗[9]。隸屬度數(shù)值計算公式為：R（Xij）=（Xij-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin）；反隸屬函數(shù)值計算公式為：R（Xij）=1-（Xij-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin）。式中，R（Xij）表示i種類j指標的抗寒隸屬函數(shù)值；Xij表示i種類j指標的測定值；Xjmin表示所有種類j指標的最小值；Xjmax表示所有種類j指標的最大值；i表示某個品系；j表示某指標[10]。

2結果與分析

2.1低溫脅迫對竹柳相對電導率的影響及半致死溫度的確定

植物細胞電解質的外滲程度可用相對電導率來表示，以反映植物細胞膜系統(tǒng)受低溫的傷害程度[11-12]。由圖1可見，隨溫度降低，各竹柳品系的相對電導率上升；-20～-30 ℃時，各品系的相對電導率明顯增加，不同品系相對電導率的增加幅度有所不同，竹柳5號相對電導率的變化明顯低于其他各品系；低于-35 ℃，各品系的相對電導率變化速率明顯下降。因此，-20～-35 ℃相對電導率大小的變化可有效反應各品系的抗寒性強弱。由表1可見，竹柳各品系在人工低溫脅迫下的相對電導率經(jīng)Logistic方程回歸，其方程擬合度分別為0.958、0.967、0.966、0.976，擬合結果可靠；竹柳5號的半致死溫度相對最低，為-35.16 ℃，這說明竹柳5號的抗寒性相對最好。

2.2低溫脅迫對竹柳SOD活性的影響

魏臻武等研究表明，植物體內SOD活性與植物本身的抗寒性具有相關性[13]。由圖2可見，溫度降低過程中，各品系的SOD含量呈先增高后降低趨勢；溫度在-20～-33 ℃時，各品系的SOD活性均呈上升趨勢，且變化明顯；溫度達到-35 ℃時，竹柳5號的SOD活性相對最好，這說明其細胞內的保護酶調節(jié)作用相對最強，抗寒性最好；溫度低于-35 ℃，各品系的SOD活性呈下降趨勢，這說明各品系細胞內的保護酶系統(tǒng)可能在低溫脅迫中受到傷害。

2.3低溫脅迫對竹柳POD活性的影響

繳麗莉等研究表明，植物體受到低溫脅迫，體內的POD活性呈先升高后降低的趨勢，并認為植物體內POD活性與植物本身的抗寒性具有相關性[14-15]。由圖3可見，溫度降低過程中，各品系的POD活性呈先增高后降低的趨勢；溫度在 -20～-35 ℃時，各品系的POD活性均呈上升趨勢，且變化明顯；溫度達到-38 ℃時，竹柳5號的POD活性相對最好，這說明其細胞內的保護酶調節(jié)作用最強，抗寒性相對最好；溫度低于-35 ℃，除竹柳5號外，其他品系的POD活性呈下降趨勢，說明這些品系細胞內的保護酶系統(tǒng)可能在低溫脅迫中受到傷害。

2.4低溫脅迫對竹柳可溶性蛋白含量的影響

研究表明，經(jīng)低溫處理的植物，其可溶性蛋白質含量變化與抗寒性存在相關性。由圖4可見，溫度降低過程中，各品系的可溶性蛋白含量呈先增高后降低的趨勢；溫度在-20～-35 ℃ 時，各品系的可溶性蛋白均呈上升趨勢，且變化明顯；溫度達到-38 ℃時，竹柳5號的可溶性蛋白含量最高；溫度低于-35 ℃，各品系的可溶性蛋白含量呈下降趨勢，這說明各品系體內的蛋白質代謝受到低溫的嚴重影響，導致細胞內物質代謝發(fā)生紊亂。

2.5低溫脅迫對竹柳脯氨酸含量的影響

Krishnan等認為，植物體內脯氨酸的積累受低溫影響，其含量與植物的抗寒性具有相關性[16]。由圖5可見，溫度降低過程中，各品系的脯氨酸含量呈先升高后降低的規(guī)律性變化，且各品系間的變化幅度存在一定差異；垂柳在高于-33 ℃時呈上升趨勢，而竹柳3號、7號在高于-35 ℃時呈上升趨勢，竹柳5號在高于38 ℃時呈上升趨勢。

2.6低溫脅迫對竹柳丙二醛含量的影響

研究表明，丙二醛的含量變化能反映胞質的過氧化程度和植物對低溫脅迫的抵御能力。由圖6可見，在0～-20 ℃低溫脅迫時，各品系的MDA含量呈極緩慢下降趨勢；隨溫度降低，各品系的MDA含量迅速上升；-20～-30 ℃時，垂柳、竹柳3號的MDA含量均呈升高趨勢，且變化明顯，竹柳5號、7號的變化相對較小，這表明竹柳5號、7號對膜脂過氧化產物的清除能力較強，抗寒能力相對較好；-30 ℃時，竹柳3號、垂柳的丙二醛含量達到最大，這表明該溫度時竹柳3號、垂柳的細胞膜脂過氧化程度較高，受凍害嚴重，溫度繼續(xù)下降，組織會逐漸死亡。

2.7抗寒指標的相關性分析

研究表明，各品系相對電導率、可溶性蛋白含量、SOD活性、POD活性、游離脯氨酸含量、丙二醛含量與抗寒性的相關性系數(shù)分別為0.986、-0.971、-0.984、-0.963、-0.977、0.954，相對電導率、丙二醛含量與抗寒性呈顯著正相關，可溶性蛋白含量、SOD活性、POD活性、游離脯氨酸含量與抗寒性呈顯著負相關。因此，選取相對電導率、可溶性蛋白含量、

SOD活性、POD活性、游離脯氨酸含量、丙二醛含量作為衡量竹柳抗寒性的主要指標。但相關抗寒指標不能完全解釋各品系抗寒的實質，各品系的抗寒性可結合隸屬函數(shù)法進行綜合評價。對表2、表3數(shù)據(jù)進行處理，由表4可見，第1、2主成分的特征根均大于1，綜合貢獻率達到96.790%，可以反映大部分信息。因此，提取第1、2主成分對竹柳的抗寒性進行綜合評價。

通過第1、2主成分中各指標的負荷量F與貢獻值Y，計算各抗寒性指標對竹柳抗寒性的作用大小，確定相對電導率、SOD活性、POD活性、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量、丙二醛含量6個抗寒指標的權重Wi分別為0.124 323、0.258 517、0.177 813、0.055 131、0.132 496、0.251 719。由于各指標的單位、性質、數(shù)量不同，采用隸屬度函數(shù)法進行標準數(shù)量化，根據(jù)主成分因子負荷量的正負確定隸屬函數(shù)的升降順序，從而以確保各指標變化的連續(xù)性。根據(jù)各指標隸屬度值與權重，得到各品系抗寒性的綜合指數(shù)Y，計算公式為：

Y=Wij×R（Xij）

。

式中：Wij為各指標權重，R（Xij）為各指標隸屬度值。由表5可見，不同品系抗寒性強弱的順序為竹柳5號>竹柳7號>竹柳3號>垂柳?？购C合指數(shù)與半致死溫度LT50的相關性分析結果表明，抗寒性綜合指數(shù)與半致死溫度的相關系數(shù)為 -0.995，有極顯著負相關關系。

3結論與討論

試驗結果表明，在低溫脅迫過程中，隨著溫度降低，竹柳各試材的相對電導率呈逐漸升高的趨勢，這與何云等研究結論[17-19]相符；垂柳的半致死溫度相對最高，為-28.18 ℃，竹柳5號的半致死溫度相對最低，為-35.16 ℃；竹柳各試材的SOD活性與POD活性隨溫度降低，均呈先升高后降低的變化規(guī)律，這與王玲麗等結論[20-22]相符；可溶性蛋白含量隨溫度降低呈先升高后降低的趨勢，竹柳5號可溶性蛋白含量始終高于其他品系，可溶性蛋白含量可以簡單反應試材抗寒性的強弱，與馬迪的研究結果[23]相符，但與司劍華等的研究結果[24]有些不同，這可能是由不同植物的抗寒機理存在一定差異所致；在達到半致死溫度前，各試材脯氨酸、丙二醛含量處于上升狀態(tài)，達到半致死溫度后逐漸降低，這可能是由于低溫環(huán)境導致植物體內細胞受到嚴重損傷，從而導致膜質過氧化作用的減弱，這與蘇李維等的研究結論[9]相符，但與司劍華等研究結果[24]不符。

植物是一個有機整體，受到逆境脅迫引起植物生理指標變化的因素錯綜復雜[25]。通過抗寒各指標與試材半致死溫度的相關性分析可知，相對電導率、可溶性蛋白含量、SOD活性、POD活性、游離脯氨酸含量、丙二醛含量與抗寒性有著密切的關系，但不能直接判斷品系間抗寒性的強弱[26-27]。將竹柳各抗寒性指標的變化率通過主成分分析，并轉化為綜合的主成分，確定各個抗寒性指標在抗寒作用中的權重，通過隸屬度函數(shù)分析法計算出綜合抗寒指數(shù)，結果表明，供試材料的抗寒性依次為竹柳5號>竹柳7號>竹柳3號>垂柳。

半致死溫度是表征植物抗寒性的主要生態(tài)因子[28]。試驗結果表明，半致死溫度的高低不僅與供試材料的抗寒性強弱結果一致，而且與抗寒性綜合指數(shù)呈極顯著負相關。不同生境下竹柳的各個生理指標可能會發(fā)生變化，單一指標很難反映植物的抗寒性，也不能解釋植物抗寒性的生理生化機理[29-30]，運用隸屬函數(shù)分析更具有科學性和可靠性[31-32]。

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