低溫脅迫下不同基因型西瓜抗寒性綜合評(píng)價(jià)

李冰 張敬敬 高秀瑞 史宇凡 潘秀清 武彥榮

摘? ? 要： 研究不同材料西瓜幼苗的耐低溫特性，為抗寒種質(zhì)創(chuàng)新及品種選育提供依據(jù)。以7個(gè)不同基因型西瓜為試驗(yàn)材料，經(jīng)人工模擬低溫環(huán)境，測定分析低溫弱光下不同基因型西瓜幼苗的冷害指數(shù)、相對電導(dǎo)率、丙二醛含量、超氧化物歧化酶活性、過氧化物酶活性和過氧化氫酶活性生理指標(biāo)，并采用隸屬函數(shù)法和聚類分析法對西瓜材料的抗寒性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，與田間對照相比，低溫脅迫6 d后電導(dǎo)率、丙二醛和過氧化物酶含量升高，而超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性降低，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明：‘雙星99K相對‘雙星37和‘星研七號(hào)抗寒性最強(qiáng)，‘美佳和‘早佳抗寒性中等，‘901×新和‘美勝抗寒性最弱。

關(guān)鍵詞： 西瓜; 抗寒性; 聚類分析; 綜合評(píng)價(jià)

Comprehensive evaluation of cold resistance of different watermelon under low temperature stress

LI Bing， ZHANG Jingjing， GAO Xiurui， SHI Yufan， PAN Xiuqing， WU Yanrong

（ Institute of Cash Crops， Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Shijiazhuang 050051， Hebei， China）

Abstract： The cold resistance of different watermelon varieties were studied in order to provide an evaluation method for the development of cold resistance watermelon germplasm. Seven watermelon varieties were used as the test materials in artificial simulated low temperature environment. Chilling injury index， relative conductivity， malondialdehyde content， superoxide dismutase activity， peroxidase activity and catalase activity were detected and analyzed. Cold resistance of watermelon was comprehensively evaluated by using membership function and cluster analysis based on cold resistant coefficient of these indices. The results showed that relative conductivity， malondialdehyde， superoxide dismutase and catalase were improved while the peroxidase was declined under six days of low temperature stress comparing with that in the field. The ‘Shuangxing 99K， ‘Shuangxin 37， ‘Xingyan No. 7 formed? high cold resistance group， while ‘Meijia and ‘Zaojia in medium cold resistance group， ‘901×Xin and ‘Meisheng in weak cold resistance group.

Key words： Watermelon; Cold resistance; Cluster analysis; Comprehensive evaluation

西瓜（Citrullus lanatus）原產(chǎn)非洲，是人們喜食的重要瓜類作物之一。它喜溫耐熱，對冷敏感，近年來極端低溫氣候頻繁，給西瓜生產(chǎn)帶來了巨大挑戰(zhàn)。隨著我國反季節(jié)設(shè)施栽培的發(fā)展，西瓜冷害問題日益突出，嚴(yán)重制約了西瓜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。因此，探明西瓜低溫弱光下的生理生化變化特點(diǎn)，培育抗寒性強(qiáng)的西瓜品種尤為重要。

植物的低溫脅迫反應(yīng)是高度復(fù)雜的事件，改變細(xì)胞的生化組成，以保護(hù)植物免受低溫傷害[2]。前人研究表明，可以通過細(xì)胞膜相變、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、膜脂過氧化程度和保護(hù)酶活性等來鑒定植物受寒害程度[3]。但單一的評(píng)價(jià)指標(biāo)不能全面準(zhǔn)確反映植株抗寒性的強(qiáng)弱，需要結(jié)合多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[4]。本研究參照許勇等[5]方法對不同基因型西瓜材料進(jìn)行耐寒性鑒定，測定了低溫脅迫前后西瓜幼苗主要生理生化指標(biāo)，采用隸屬函數(shù)和聚類分析方法對各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，評(píng)價(jià)材料的抗寒性，為西瓜抗寒性早期鑒定和抗寒育種提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以‘901×新‘美佳‘早佳‘美勝（河北省農(nóng)林科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供）和‘雙星99K‘雙星37‘星研七號(hào)（河北雙星種業(yè)股份有限公司提供）為試驗(yàn)材料，2018年在河北省農(nóng)林科學(xué)院試驗(yàn)田和生理生化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。2018年2月5日溫室播種，營養(yǎng)缽育苗，當(dāng)植株長到3葉1心時(shí)，選擇生長一致的幼苗置于人工氣候室中，在溫度10 ℃，光照100 μmol·m-2·s-1，光照時(shí)間12 h/12 h（白天/夜間）條件下處理6 d，每個(gè)材料選取10株進(jìn)行冷害指數(shù)調(diào)查，并選取第2～第3片真葉進(jìn)行生理生化指標(biāo)測定，以溫室正常生長的植株為對照，3次重復(fù)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 冷害指數(shù)調(diào)查 根據(jù)西瓜種質(zhì)資源描述規(guī)范[6]，植株受冷害情況分為6級(jí)。0級(jí)：無任何癥狀;1級(jí)：老葉邊緣黃化或皺縮，花葉，變形;2級(jí)：少數(shù)功能葉邊緣黃化或皺縮花葉，變形，其它部分完好;3級(jí)：功能葉緣以至全部皺縮或失綠，心葉完好;4級(jí)：功能葉完全變黃，失綠，萎蔫，心葉受傷害;5級(jí)：心葉受害嚴(yán)重，植株受冷害而全部萎蔫或死亡。冷害指數(shù)=（級(jí)數(shù)×株數(shù)）/（最高級(jí)數(shù)×總株數(shù)）。

1.2.2 生理生化指標(biāo)測定 電解質(zhì)滲透率（El）采用電導(dǎo)法測定;丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）反應(yīng)法測定;過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚氧化法測定;超氧化物歧化酶（SOD）活性采用NBT還原法測定;過氧化氫酶（CAT）活性采用過氧化氫法測定[7]。

1.2.3 抗寒性綜合評(píng)價(jià) 應(yīng)用Fuzzy隸屬函數(shù)法[4]對西瓜抗寒性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。為避免參試材料間基礎(chǔ)性狀不同對結(jié)果造成的影響，采用各指標(biāo)的相對變化率進(jìn)行評(píng)價(jià)和隸屬函數(shù)值計(jì)算[8]。相對變化率=（測定值-對照測定值）/對照測定值×100%。當(dāng)測定指標(biāo)的變化率與抗寒性呈正相關(guān)，則采用Xu=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）;當(dāng)測定指標(biāo)的變化率與抗寒性呈負(fù)相關(guān)，則采用Xu=1-（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）來計(jì)算隸屬函數(shù)值。式中：Xu表示某一測定指標(biāo)的變化率;Xmin表示7個(gè)基因型中測定指標(biāo)最小的變化率;Xmax表示7個(gè)基因型中測定指標(biāo)最大的變化率。最后以所有指標(biāo)變化率的平均隸屬函數(shù)值作為抗寒性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。按照平均隸屬度將抗寒性分為3級(jí)，I級(jí)：0.60～1.00，為高抗寒品種;II級(jí)：0.30～0.59，為中抗寒品種;III級(jí)：0～0.29，為低抗寒品種[9]。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析 采用Microsoft Excel 2010和SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫下植株冷害指數(shù)與生理生化變化分析

由表1可知，CAT在試驗(yàn)材料中的相對變化率從2.23%～51.86%，變化幅度最大。除SOD外，‘美勝的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值均最高;而‘雙星99K‘雙星37和‘星研七號(hào)的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值均極顯著低于其他材料，表明受冷害后細(xì)胞傷害程度較輕，抗性較強(qiáng)。

2.2 低溫脅迫下植株冷害指數(shù)與生理指標(biāo)間相關(guān)性分析

由表2可以看出，各項(xiàng)指標(biāo)間存在相關(guān)性。其中POD和CAT之間相關(guān)性最強(qiáng)達(dá)0.986，MDA與POD和CAT之間的相關(guān)性較強(qiáng)分別為0.973和0.959，冷害指數(shù)與POD和CAT之間的相關(guān)性分別為0.955和0.943。而MDA和SOD之間的相關(guān)性僅為0.346，為弱相關(guān)。

2.3 不同基因型西瓜材料抗寒性的綜合評(píng)價(jià)

為了較全面地反映試驗(yàn)材料的抗寒性，通過平均隸屬度來評(píng)價(jià)確定材料的抗寒性。由表3可以看出，試驗(yàn)材料可以分為3類，‘雙星99K‘雙星37和‘星研七號(hào)為高抗寒材料;‘早佳和‘美佳為中抗寒材料，‘901×新和‘美勝為低抗寒材料。

2.4 不同基因型西瓜材料抗寒性聚類分析

基于相對變化率，采用Ward離差平方和法對7個(gè)西瓜材料進(jìn)行抗寒性聚類分析。由圖1可以看出，將試驗(yàn)材料聚為3類：‘雙星99K‘星研七號(hào)和‘雙星37為強(qiáng)抗寒性材料，‘美佳和‘早佳為中等抗寒性材料，‘901×新和‘美勝為弱抗寒性材料。

3 討 論

低溫脅迫下，細(xì)胞脫水導(dǎo)致膜脂過氧化，植物體內(nèi)活性氧代謝失衡，細(xì)胞膜受害，植株萎蔫。MDA作為膜脂過氧化的重要產(chǎn)物，是衡量細(xì)胞膜受損害程度的重要指標(biāo)。SOD和CAT作為植物體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)的主要保護(hù)酶，能夠高效清除細(xì)胞內(nèi)的H2O2和O2-，減輕細(xì)胞傷害。POD具有雙重作用，在低溫脅迫初期對植物具有保護(hù)作用，但在脅迫后期參與活性氧的生成，對植物具有傷害作用[10]。許勇等[11]對不同品種西瓜幼苗進(jìn)行耐冷機(jī)制研究，發(fā)現(xiàn)低溫條件下葉片內(nèi)SOD和CAT活性下降，野生耐冷材料‘PI 482322比冷敏感品種‘97103的下降幅度小，是野生材料耐冷性強(qiáng)的主要生理原因。王微微等[1]研究表明，低溫下西瓜幼苗MDA含量上升，變化幅度與品種耐冷性相關(guān)，可作為西瓜耐低溫品種篩選的鑒定指標(biāo)。為消除試驗(yàn)材料間遺傳背景的差異，本研究中各指標(biāo)采用相對變化率來表示。研究結(jié)果顯示，低溫脅迫6 d后西瓜幼苗葉片MDA含量升高，SOD和CAT活性降低，POD活性升高，抗寒性強(qiáng)材料變化幅度較小，與前人研究結(jié)果一致，可作為西瓜抗寒品種篩選的鑒定指標(biāo)。

植物的抗寒性是其生理生化特征綜合作用的體現(xiàn)，因此單一抗寒指標(biāo)很難全面準(zhǔn)確判斷植物對寒冷的綜合適應(yīng)能力。前人采用隸屬函數(shù)法對西瓜[8]、核桃[9]、馬鈴薯[12]等作物進(jìn)行抗寒性評(píng)價(jià)，本試驗(yàn)選取7份試驗(yàn)材料，采用冷害指數(shù)、El、MDA、SOD、POD和CAT生理指標(biāo)對西瓜進(jìn)行綜合抗寒性評(píng)價(jià)，并采用隸屬函數(shù)和聚類分析方法對材料進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)隸屬函數(shù)值的大小和聚類結(jié)果對試驗(yàn)材料的抗寒性差異進(jìn)行分析，2種方法評(píng)價(jià)結(jié)果一致，結(jié)果表明試驗(yàn)材料抗寒性分為3類：‘雙星99K‘星研七號(hào)和‘雙星37為一類，‘美佳和‘早佳為一類，‘901×新和‘美勝為一類。苗期抗性指標(biāo)的測定為西瓜抗寒性的早期鑒定奠定了基礎(chǔ)，但具體評(píng)價(jià)西瓜材料抗寒性時(shí)，還應(yīng)結(jié)合田間觀察綜合考慮，才能使結(jié)果更加科學(xué)、準(zhǔn)確。

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