不同北美海棠品種對低溫脅迫的生理響應(yīng)

阿地力·衣克木，巴哈爾古麗·阿尤甫，哈爾肯·葉爾江，阿依古麗·鐵木兒

(新疆林業(yè)科學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830063)

【研究意義】海棠(Malusspp.)屬薔薇科蘋果屬(MalusMill.)觀賞樹種，品種眾多，集葉、花、果、樹形共賞。海棠起源于我國，具有品種資源豐富、觀賞價值高、環(huán)境適應(yīng)性強、地里分布廣泛等特性[1-3]。18 世紀以來，歐美等國家的園藝工作者在從中國大量引種和雜交選育的基礎(chǔ)上，培育出一些觀花、觀果的海棠品種，一般稱為北美海棠[4]。該樹種以其優(yōu)美的樹形，豐富多彩的觀賞效果，成為當(dāng)前國內(nèi)各城市綠化的流行樹種?！厩叭搜芯窟M展】2008年以來，新疆也引進了一系列優(yōu)良品種，并開展了北美海棠的引種、馴化[5-6]等工作。不同地區(qū)間引種時，常會遇到對氣候不適應(yīng)的現(xiàn)象。北疆地區(qū)冬天比較寒冷，低溫脅迫是經(jīng)常遇到的一種災(zāi)害，在低溫下植物會產(chǎn)生不同程度的傷害，寒冷作用于機體，所致?lián)p傷或死亡[7]。為了避免北美海棠“南樹北引”過程中出現(xiàn)盲目性?！颈狙芯壳腥朦c】本試驗通過研究不同北美海棠品種對低溫脅迫的生理響應(yīng)，從而了解其抗寒生理特性，評價抗寒能力，篩選抗寒品種?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以期為北美海棠的引種馴化和抗寒育種實踐提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2014年，從遼寧省鐵嶺市西豐縣云竹林場引進北美海棠優(yōu)良品種，高原之火(M.‘Prairifire’)、印度安魔力(M.‘Indian Magic’)、粉手帕(M.‘fenshoupa Begonia’)、亞當(dāng)(M.‘Adams’)、金色海棠(M.‘gold Begonia’)、牡丹海棠(M.‘peony Begonia’)、紅葉海棠(M. ‘micro maluscv’)、絢麗(M.‘Radiant’)、草莓果凍(M.‘Strawberry Parfait’)、紅寶石(M.‘Red Jew elberry’) 等 10 個品種。10個供試材料的均保存于新疆林業(yè)科學(xué)院瑪納斯試驗基地。該基地位于瑪納斯縣，瑪納斯縣位于新疆維吾爾自治區(qū)中北部，昌吉州最西部，總面積1.1×104km2。地理坐標(biāo)為東經(jīng)85°34′～86°43′，北緯43°28′～45°38′，地處內(nèi)陸，遠距海洋，氣候干旱，降雨稀少，屬暖溫帶極端干旱荒漠氣候。降雨量稀少，蒸發(fā)量大，晝夜溫差懸殊。年均氣溫10.01 ℃，極端最高氣溫40.9 ℃，極端最低氣溫-37.4 ℃，太陽輻射年均總量140 kcal /cm2，年均日照2727.2 h，年均降水量65.4 mm，年均蒸發(fā)量2002.2 mm，年均無霜期185 d。全年盛行西風(fēng)，最大風(fēng)力八級，多出現(xiàn)在3-5月，平均大風(fēng)日數(shù)為 32 d，每年春季大風(fēng)多拌有沙塵及寒潮天氣。

1.2 試驗方法

1.2.1 取樣方法 于2017年2月8日取樣，每品種選取生長健壯，樹冠外圍發(fā)育正常、長勢良好、粗細均勻一致的1年生休眠枝條50 條，剪成 30 cm 左右的小段，用報紙包好，帶回實驗室。

1.2.2 低溫脅迫處理 將選取好的枝條洗凈后剪成長短相對一致(長30 cm 左右)的短枝，先用自來水沖洗干凈，然后用去離子水沖洗 2 遍，用吸水紙吸干水分，然后將每種枝條粗細均勻一致地分成5份，包上報紙，打濕后用塑料膜包裹，放在0 ℃冰箱里備用。將其中4份分別在-25、-30、-35和-40 ℃的低溫冰箱進行24 h 低溫處理。對照為在室外自然越冬的枝條，試驗地當(dāng)時最低溫度為-20 ℃。低溫處理后在室內(nèi)進行各指標(biāo)的測定，重復(fù) 3 次。

1.2.3 相關(guān)指標(biāo)的測定方法 ①參照電導(dǎo)率法[8]。將低溫冷凍處理后的枝條剪成2～3 mm 的小段，然后稱取 2 g 試樣放入三角瓶，并加入50 mL 蒸餾水，浸泡24 h 后，測定浸出液的電導(dǎo)率(重復(fù)3次)。然后放在水浴鍋中煮沸1 h，靜止冷卻后測定其電導(dǎo)度。相對電導(dǎo)率Y( %)=初電導(dǎo)值/終電導(dǎo)值×100。②生理指標(biāo)的測定。可溶性蛋白測定參照考馬斯亮藍G-250染色法[9]，可溶性糖測定參照蒽酮比色法[9]，丙二醛(MDA)含量測定參照硫代巴比妥酸(TBA)法[10]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用統(tǒng)計軟件SPSS16.0和Excel2003進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

不同北美海棠品種抗寒性綜合評價。應(yīng)用隸屬函數(shù)法對不同北美海棠品種抗寒性進行綜合評判。①與抗寒性呈正相關(guān)的參數(shù)以下公式計算:U(X)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)。②與抗寒性呈負相關(guān)的參數(shù)以下公式計算:U(X)=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)，公式中：U(X)為抗寒指標(biāo)的隸屬度，且U(X)∈[0,1]；Xij為各指標(biāo)的測定值；Xmax、Xmin為各指標(biāo)的最大值和最小值。以每一種各項指標(biāo)隸屬度的平均值作為品種抗寒能力綜合評判標(biāo)準，進行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對不同北美海棠品種相對電導(dǎo)率的影響

由表1可以看出，隨著處理溫度的降低，不同北美海棠品種枝條相對電導(dǎo)率均呈現(xiàn)“S”型上升趨勢。其中，印度安魔力枝條相對電導(dǎo)率上升最快，為82.572 %，比對照(-20 ℃)上升了20.808 %，并與對照(-20 ℃)呈極顯著差異(P≤0.01)。高原之火、亞當(dāng)、牡丹海棠、絢麗、草莓果凍、紅寶石枝條相對電導(dǎo)率上升較快，分別為86.624 %、84.439 %、79.818 %、82.333 %、86.206 %、83.026 %，比對照(-20 ℃)上升了17.789 %、18.484 %、16.504 %、18.273 %、18.586 %、19.258 %，并與對照(-20 ℃)呈極顯著差異(P≤0.01) 粉手帕、金色海棠、紅葉海棠枝條相對電導(dǎo)率上升較緩慢。為81.542 %、80.957 %、79.122 %，比對照(-20 ℃)上升了14.613 %、14.950 %、11.826 %，并與對照(-20 ℃)呈極顯著差異(P≤0.01)。

2.2 低溫脅迫對不同北美海棠品種枝條可溶性糖含量的影響

由表2可以看出，隨著處理溫度的降低，不同北美海棠品種枝條可溶性糖含量均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，并在-20～-35 ℃范圍內(nèi)可溶性糖含量的變化一定程度上體現(xiàn)了各品種抗寒能力，其中，粉手帕、亞當(dāng)、金色海棠、絢麗、紅寶石可溶性糖含量在-30℃的敏感性較高，其中粉手帕和亞當(dāng)與-35 ℃不存在差異，與其它處理呈極顯著差異(P≤0.01)；金色海棠、絢麗、紅寶石呈極顯著差異(P≤0.01)。高原之火、印度安魔力、牡丹海棠、紅葉海棠、草莓果凍可溶性糖含量在-35 ℃的敏感性較高，其中高原之火、印度安魔力、牡丹海棠、紅葉海棠與其它處理呈極顯著差異(P≤0.01)；草莓果凍與-30 ℃不存在差異，與其它處理呈極顯著差異(P≤0.01)。

表1 低溫脅迫對不同北美海棠品種相對電導(dǎo)率的影響

注：同行不同小寫字母表示(P≤0.05)差異顯著性；同行不同大寫字母表示(P≤0.01)差異極顯著性。下同。

Note: The small letter means a significant difference at 0.05 level; The capital means a significant difference at 0.01 level. The same as below.

表2 低溫脅迫對不同北美海棠品種枝條可溶性糖含量的影響

表3 低溫脅迫對不同北美海棠品種可溶性蛋白含量的影響

2.3 低溫脅迫對不同北美海棠品種枝條可溶性蛋白的影響

由表3可以看出，隨著處理溫度的降低，不同北美海棠品種枝條可溶性蛋白含量均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。在-20～-30 ℃范圍內(nèi)可溶性蛋白的變化較準確的體現(xiàn)了各品種抗寒性，并在-30 ℃可溶性蛋白的敏感性較高，并與其它處理呈極顯著差異(P≤0.01)。

2.4 低溫脅迫對不同北美海棠品種枝條丙二醛的影響

由表4可以看出，隨著處理溫度的降低，不同北美海棠品種枝條丙二醛含量呈先上升后下降趨勢。高原之火和亞當(dāng)在-30～-35 ℃，其它品種都在-20～-35 ℃范圍內(nèi)丙二醛的變化一定程度上體現(xiàn)了各品種抗寒能力。其中，牡丹海棠和紅葉海棠在-25 ℃的敏感度較高并與其他處理呈極顯著差異(P≤0.01)；粉手帕、絢麗、紅寶石在-30 ℃的敏感度較高，其中粉手帕與對照(-20 ℃)呈極顯著差異(P≤0.01)，與其他處理不存在差異；絢麗和紅寶石與-25 ℃不存在差異，其他處理呈極顯著差異(P≤0.01)。高原之火、印度安魔力、亞當(dāng)、金色海棠、草莓果凍在-35 ℃的敏感度較高，其中，高原之火與對照(-20 ℃)呈顯著差異(P≤0.05)，與-25 ℃不存在差異，與-30和-40 ℃呈極顯著差異(P≤0.01)；印度安魔力和粉手帕與對照(-20 ℃)呈極顯著差異(P≤0.01)，與-25、-30 ℃不存在差異，印度安魔力在-40 ℃呈極顯著差異(P≤0.01)，粉手帕在-40 ℃不存在差異；亞當(dāng)與-20、-25 ℃之間不存在差異，與-30、-40 ℃之間存在極顯著差異(P≤0.01)；金色海棠與對照(-20 ℃)呈極顯著差異(P≤0.01)，與-25 ℃之間不存在差異，與-30、-40 ℃之間存在顯著差異(P≤0.05)；草莓果凍與對照(-20 ℃)、-25 ℃之間存在極顯著差異(P≤0.01)，與-30 ℃之間存在顯著差異(P≤0.05)，與-40 ℃之間不存在差異。

2.5 不同北美海棠品種抗寒性的綜合評判

由表5可以看出，不同北美海棠品種的平均隸屬度0.441～0.564，紅葉海棠的平均隸屬度為最高，為0.564，粉手帕的平均隸屬度最低，為0.441。平均隸屬度顯示，不同北美海棠品種的抗寒性排序為：紅葉海棠>金色海棠>絢麗>紅寶石>高原之火>印度安魔力>牡丹海棠>亞當(dāng)>草莓果凍>粉手帕。

3 討 論

低溫脅迫是影響植物生長、發(fā)育和地理分布的重要環(huán)境限制因素之一。低溫脅迫對植物的影響主要體現(xiàn)在酶活性、膜系統(tǒng)、細胞失水等，導(dǎo)致細胞代謝紊亂，甚至是細胞死亡[11]。溫度的改變則引起植物的各種生理生化指標(biāo)的改變來抵抗環(huán)境溫度的脅迫。主要抗寒性指標(biāo)有相對電導(dǎo)率、可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、丙二醛、酶活性等，這些指標(biāo)雖然不能直接判斷品種間抗寒性強弱，但都與抗寒性有密切的關(guān)系[12-13]。植物受低溫傷害時，膜的選擇透性減弱，膜內(nèi)大量溶質(zhì)外滲，可引發(fā)植物代謝失調(diào)。具體反映在植物浸出液的電導(dǎo)率增加[14-15]。植物在低溫鍛煉的過程中，淀粉水解為可溶性糖，這是細胞原生質(zhì)的重要保護物質(zhì)。由于糖含量的增加，冰點降低，緩解原生質(zhì)的脫水過程，保護了原生質(zhì)膠體免于凝聚[16]?？扇苄缘鞍缀侩S低溫鍛煉過程抗寒性的提高而增加，可溶性蛋白質(zhì)含量的增加，可顯著加強細胞的保水力，同時增加細胞內(nèi)束縛水的含量，對發(fā)展高水平的抗凍性有重要作用[17-18]。人們發(fā)現(xiàn)植物在逆境下遭受傷害時，往往發(fā)生膜脂過氧化作用，丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，對質(zhì)膜有毒害作用，丙二醛的積累可能對膜和細胞造成一定的傷害[19]。其含量可以反映植物遭受逆境傷害的程度。

表4 低溫脅迫對不同北美海棠品種丙二醛含量的影響

表5 不同北美海棠品種抗寒性的綜合評判

本試驗通過測定各低溫處理后相對電導(dǎo)率、可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛含量等4個相關(guān)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，在-20～-30 ℃范圍內(nèi)可溶性蛋白的變化，在-20～-35 ℃范圍內(nèi)可溶性糖和MDA的變化一定程度上體現(xiàn)了各品種抗寒能力。隨著低溫脅迫的加劇，相對電導(dǎo)率逐漸增大，在-30～-40 ℃范圍內(nèi)相對電導(dǎo)率的變化量較準確的反應(yīng)北美海棠的抗寒性，根據(jù)相對電導(dǎo)率在-30～-40 ℃范圍內(nèi)的變化量，可知北美海棠各品種抗寒性的強弱為紅葉海棠>金色海棠>牡丹海棠>紅寶石>絢麗>粉手帕>印度安魔力>亞當(dāng)>草莓果凍>高原之火。

果樹是多年生木本植物，其受到的逆境脅迫而引起植物生理生化指標(biāo)變化的因素是錯綜復(fù)雜的[20]，因此，運用單一抗寒指標(biāo)難于判斷果樹對寒冷的綜合適應(yīng)能力，也不能充分揭示抗寒的本質(zhì)，為了全面準確的鑒定北美海棠的抗寒性，克服單一指標(biāo)在北美海棠抗寒鑒定中的不足，本文通過研究低溫處理后各項抗寒性生理指標(biāo)的變化，在多個指標(biāo)測定的基礎(chǔ)上，運用隸屬函數(shù)法進行綜合評價。不同北美海棠品種抗寒能力的強弱排序為：紅葉海棠>金色海棠>絢麗>紅寶石>高原之火>印度安魔力>牡丹海棠>亞當(dāng)>草莓果凍>粉手帕，該排序結(jié)果與相對電導(dǎo)率的排序結(jié)果基本一致。本研究結(jié)果為今后北美海棠的抗寒性選育和生產(chǎn)發(fā)展提供了理論依據(jù)。但樹齡、采集時間的不同，北美海棠的各個生理指標(biāo)可能發(fā)生變化，因此，進行抗寒評價時，需要建立新的綜合評價方法進行評價。植物體抗寒機制非常復(fù)雜，影響其抗寒性的因素較多，因此今后還需要不斷地深入研究北美海棠抗寒性機理，并同時結(jié)合田間觀察，才能使結(jié)果更加準確、科學(xué)。

4 結(jié) 論

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著低溫脅迫的加劇，不同北美海棠枝條的相對電導(dǎo)率均呈現(xiàn)上升趨勢?？扇苄蕴恰⒖扇苄缘鞍?、丙二醛含量呈先上升后降低趨勢。綜合評價顯示，不同北美海棠品種抗寒性的強弱排序為：紅葉海棠>金色海棠>絢麗>紅寶石>高原之火>印度安魔力>牡丹海棠>亞當(dāng)>草莓果凍>粉手帕。

參考文獻：

[1]劉志強，湯庚國. 海棠在園林中的應(yīng)用研究[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(工程技術(shù)版)，2004，17(3)：75-80.

[2]李 鵬，王志忠，沈紅香. 風(fēng)景園林中的瑰寶一觀賞海棠[J]. 中國花卉園藝，2006(12)：44-46.

[3]林 娜，姜衛(wèi)兵，翁忙玲. 海棠樹種資源的園林特性及其開發(fā)利用[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2006，22(10)：242-247.

[4]鄭 楊，曲曉玲，郭 翎，等. 觀賞海棠資源譜系分析及育種研究進展[J]. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2008,39(1)：152-160.

[5]李 偉，楊 彬. 北美海棠系列在昌吉地區(qū)的引種栽培試驗[J].新疆林業(yè)，2012(1)：21-24.

[6]徐基平，李艷紅，胡秀琴. 克拉瑪依地區(qū)北美海棠的引種栽培及推廣應(yīng)用研究[J].園藝與種苗，2011(1)：51-53.

[7]沈賢輝，劉 剛. 植物抗寒生理研究進展[J]. 長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2014(17)：40-42.

[8]沈德緒. 果樹育種實驗技術(shù)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1992.

[9]鄒 琦. 植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2004.

[10]劉家堯. 植物生理學(xué)實驗教程[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[11]潘瑞熾. 植物生理學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2008.

[12]謝麗芬. 葡萄砧木抗寒性鑒定及抗寒機理的研究[D]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[13]楊鳳翔，金 芳，顏 霞．不同草莓品種抗寒性綜合評價[J]. 果樹學(xué)報，2010，27(3)：368-372.

[14]李合生. 現(xiàn)代植物生理學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2002.

[15]LYONS J M. Chilling injury in plants[J]. Ann Rev Plant Physical, 1975, 24: 445-446.

[16]孟繁靜. 植物生理學(xué)[M]. 北京：華中理工大學(xué)出版社，2000.

[17]Mohapatra S S, Poole R J, Dhindsa R S. Cold acclimation freezing resistance and protein synthesis in alfalfa[J]. Exp. Bot,1987,38(10): 1697-1703.

[18]潘 杰，簡令成，錢迎倩. 小麥抗寒力誘導(dǎo)過程中特異性蛋白質(zhì)的合成[J]. 植物學(xué)集刊，1994(7)：144-157.

[19]曾超西，王以柔，劉鴻先. 低溫下黃瓜幼苗子葉硫氯基(SH)含量變化與膜脂過氧化[J]. 植物學(xué)報，1991，33(1)：50-54.

[20]王麗華，李 西，劉 尉，等. 四種暖季型草坪草對SO2的抗性及凈化能力的比較[J]. 草業(yè)學(xué)報，2013，22(1)：225-233.