基于主成分分析法的5種棕櫚科苗木抗寒性評價

(重慶大學城市科技學院， 重慶 402167)

棕櫚科(Palmae)又稱檳榔科，目前已知有202屬，2 800余種。棕櫚科植物樹形獨特、樹姿優(yōu)美，是熱帶、亞熱帶森林景觀的典型植物，它在我國南方城市園林綠化中具有重要作用[1]。棕櫚科植物被引種的歷史可追溯到100多年前。在國內(nèi)，棕櫚科植物的引種栽培主要始于20世紀50年代，中科院西雙版納熱帶植物園、華南植物園、廈門園林植物園和廈門華僑亞熱帶植物引種園等做了大量的引種工作[2]。與此同時，一些學者開展了棕櫚科植物的引種馴化研究。溫度對植物某些生長發(fā)育過程起著決定性作用，低溫寒害不僅會限制樹種的栽種范圍，還會造成樹木死亡，這也是園林綠化引種的一個重要障礙。目前，關于棕櫚科植物的研究主要集中在形態(tài)習性、繁殖栽培、觀賞配植等方面[3]，但在抗寒性定量評價方面鮮有報道。為了科學全面地利用各種指標(如丙二醛含量、過氧化物酶活性、游離脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量等)對植物的抗寒性進行綜合評價，通過參考相關研究成果[4-12]，本研究利用主成分分析法定量評價了南昌地區(qū)5種棕櫚科植物的抗寒性，有利于確定各指標對抗寒性的貢獻大小，為今后棕櫚科植物的引種選育和園林管理等提供參考。

1 研究區(qū)概況

南昌市地處江西中部偏北，贛江、撫河下游，鄱陽湖西岸，位于115°27′～116°11′E，28°09′～29°11′N。全境以平原為主，東南平坦，西北丘陵起伏，南北長約112.1 km，東西寬約107.6 km，總面積7 402.36 km2，平原占35.8%，水域占29.8%，崗地、低丘占34.4%。全市平均海拔25 m，城區(qū)地勢偏低洼，平均海拔22 m。研究區(qū)氣候濕潤溫和，屬亞熱帶季風區(qū)，雨量充沛，四季分明。年平均氣溫17～17.7 ℃，極端最高氣溫40.9 ℃，極端最低氣溫-15.2 ℃；年降雨量1 600～1 700 mm，年平均相對濕度為78.5%，年日照時間1 723～1 820 h，日照率為40%；年平均風速2.3 m·s-1，年無霜期251～272 d。

2 材料與方法

2.1 試驗方法

以南昌市園林應用范圍較廣、耐寒性相對較強的華盛頓棕(Washingtoniarobusta)、加拿利海棗(Phoenixcanariensis)、布迪椰子(Butiacapitata)、銀海棗(Phoenixsylvestris)、美麗針葵(Phoenixroebelenii)等5種棕櫚科植物的成年植株作為試驗材料。2017年11月采集生長健康、無病蟲害的葉片作為樣品，采集植株中上部的葉片，采摘后立即裝入密封的塑料袋中，快速帶回實驗室進行處理。把采集的各種樣品葉片置于LRH-250 CA型低溫培養(yǎng)箱中進行低溫處理，試驗處理采用0 ℃、-3 ℃、-6 ℃、-9 ℃、-12 ℃等5個溫度梯度，并以15 ℃作為對照(ck)，每2個溫度之間降溫1 h[3]，控制冰箱降到所需的溫度后處理12 h，然后將部分材料取出放置于室溫下解凍12 h，進行各種生理指標的測定。剩下的材料繼續(xù)按溫度梯度處理，達到所需溫度后，繼續(xù)進行相關指標的測定，每個處理重復3次，各生理指標測定方法參考相關文獻[13-15]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007、SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理，主要包括各指標數(shù)據(jù)的方差分析、多重比較、主成分分析等。

3 結果與分析

3.1 低溫脅迫對細胞膜透性的影響

在低溫脅迫下，各植物的相對電導率變化趨勢相近，均隨溫度的降低而增大(圖1)。根據(jù)相對電導率的變化趨勢，應用Logistic方程求出各植物的半致死溫度值(LT50)。根據(jù)求出的拐點溫度可知，不同植物的LT50不同，其中布迪椰子的LT50是所有植物中最低的，可達到-10.4 ℃，加拿利海棗、華盛頓棕、銀海棗、美麗針葵的LT50分別為-9.5 ℃、-8.8 ℃、-7.5 ℃、-2.3 ℃。LT50的高低反映了植物耐低溫能力，據(jù)此可以得到各植物的抗寒性強弱為：布迪椰子>加拿利海棗>華盛頓棕>銀海棗>美麗針葵。

圖1 低溫處理對不同植物相對電導率的影響

3.2 低溫脅迫對相對含水量的影響

在低溫脅迫下，各植物的相對含水量均出現(xiàn)下降的趨勢(圖2)。0 ℃時華盛頓棕、加拿利海棗、銀海棗、布迪椰子、美麗針葵的相對含水量均比ck略低，其含量分別為81.9%、85.7%、81.6%、84.6%、81.2%。-6 ℃時不同植物的相對含水量變化明顯，布迪椰子相對含水量較高，而美麗針葵的相對含水量較低。-12 ℃時華盛頓棕、加拿利海棗、銀海棗、布迪椰子、美麗針葵的相對含水量均達到最低，分別比ck值下降了11.9%、8.7%、12.7%、7.1%、14.7%，其水分飽和虧值分別為26.2%、21.9%、27.3%、21.6%、31.5%。

圖2 低溫處理對不同植物相對含水量的影響

3.3 低溫脅迫對過氧化物酶(POD)活性的影響

在低溫脅迫下，各植物的POD活性變化呈先升高后降低或先升高后降低再升高的趨勢(圖3)。溫度降至0 ℃時，華盛頓棕、加拿利海棗、銀海棗、布迪椰子、美麗針葵的POD活性分別為ck的1.28倍、1.27倍、1.37倍、1.21倍、1.82倍；-3～-6 ℃時銀海棗POD活性增幅較其它植物大，表明POD清除過氧化物自由基能力逐漸增強。-6 ℃時銀海棗、華盛頓棕的POD活性最高，分別為63.17 U·g-1、79.66 U·g-1；-9 ℃時布迪椰子與加拿利海棗POD活性也達到最高，分別為91.50 U·g-1、83.11 U·g-1。不同低溫處理對各植物POD活性的影響不同，布迪椰子與加拿利海棗的POD水平高，變化幅度小，其次是華盛頓棕，而銀海棗與美麗針葵表現(xiàn)較差。

圖3 低溫處理對不同植物過氧化物酶活性的影響

3.4 低溫脅迫對丙二醛(MDA)含量的影響

如圖4所示，當溫度降至0 ℃時，與ck比華盛頓棕、加拿利海棗、銀海棗、布迪椰子、美麗針葵的MDA含量分別上升了21.4%、33.3%、33.3%、15.4%、26.3%。0～-3 ℃時美麗針葵與銀海棗的MDA含量較其它植物增幅大；-6 ℃時美麗針葵的MDA含量達到最大值；-9 ℃時華盛頓棕、布迪椰子的MDA含量均達到最大值，與ck比其含量分別由0.14μmol·g-1、0.13μmol·g-1增長到0.32μmol·g-1、0.24μmol·g-1。-12 ℃時一些植物的MDA含量略有下降，美麗針葵、銀海棗的變化幅度較大，布迪椰子表現(xiàn)較為穩(wěn)定。

圖4 低溫處理對不同植物丙二醛含量的影響

3.5 低溫脅迫對游離脯氨酸(Pro)含量的影響

在低溫脅迫下，各植物的Pro含量隨溫度下降總體呈上升趨勢，且波動較大，Pro含量由高到低為：加拿利海棗>銀海棗>布迪椰子>華盛頓棕>美麗針葵(圖5)。其中，加拿利海棗的Pro含量呈現(xiàn)出―雙峰型變化趨勢，0 ℃時出現(xiàn)第1次峰值，由于低溫脅迫使其體內(nèi)的Pro含量快速上升，以抵御低溫帶來的侵害。-9 ℃時出現(xiàn)第2次峰值，這說明低溫脅迫下抗寒性強的植物能積累到更多的Pro，增強滲透調(diào)控能力，提高細胞原生質(zhì)膠體的穩(wěn)定性。銀海棗的Pro含量隨溫度降低呈現(xiàn)上升趨勢，降溫初期變化緩慢，-3～-6 ℃時銀海棗快速上升，比ck增長89.28%。美麗針葵、布迪椰子和華盛頓棕的Pro含量均表現(xiàn)出先升后降的趨勢，美麗針葵在-6 ℃時出現(xiàn)了峰值，由ck處理的24.15μg·g-1上升為60.67μg·g-1；布迪椰子、華盛頓棕在-9 ℃時出現(xiàn)了峰值，與ck比，其含量分別由32.78μg·g-1、27.78μg·g-1上升為93.48μg·g-1、65.48μg·g-1。

圖5 低溫處理對不同植物游離脯氨酸含量的影響

3.6 低溫脅迫對可溶性糖(SS)含量的影響

在低溫脅迫下，各植物SS含量隨溫度下降呈現(xiàn)上升趨勢(圖6)。從ck溫度(15 ℃)到0 ℃過程中各植物的SS含量都有所上升，這是因為當植物受到低溫脅迫時，其體內(nèi)SS的積累是對低溫環(huán)境的一種適應，華盛頓棕、加拿利海棗、銀海棗、布迪椰子、美麗針葵的SS含量分別由ck的25.59 mg·g-1、41.07 mg·g-1、49.81 mg·g-1、33.02 mg·g-1、37.89 mg·g-1上升至37.11 mg·g-1、46.33 mg·g-1、61.9 mg·g-1、36.03 mg·g-1、41.77 mg·g-1，上升幅度較大的是銀海棗、華盛頓棕。0～-3 ℃過程中各植物的SS含量持續(xù)積累，加拿利海棗的增幅較大，比ck增長了56.3%。-6 ℃時不同植物之間的SS含量有了明顯的變化，銀海棗和布迪椰子上升幅度較大，比ck分別增長了77.8%和113.1%。-6～-9 ℃過程中加拿利海棗的SS含量快速上升，比ck增長了128.7%。-12 ℃時各植物SS含量均達到最大值，華盛頓棕、加拿利海棗、銀海棗、布迪椰子、美麗針葵的SS含量分別為70.36 mg·g-1、98.96 mg·g-1、96.83 mg·g-1、81.56 mg·g-1、64.85 mg·g-1，分別比ck增長了174.9%、140.9%、94.4%、147.0%、71.2%。

圖6 低溫處理對不同植物可溶性糖含量的影響

3.7 低溫脅迫對可溶性蛋白(SP)含量的影響

在低溫脅迫下，各植物SP含量隨溫度下降呈上升趨勢(圖7)。降溫初期，SP含量隨溫度變化表現(xiàn)為2種類型：第1種是呈增長趨勢的加拿利海棗、布迪椰子、銀海棗，與ck比分別增長了3.9%、10.6%、8.9%；第2種是SP含量略有下降趨勢的華盛頓棕、美麗針葵，與ck比分別下降了0.17 mg·g-1、0.49 mg·g-1。0～-3 ℃時各植物的SP含量開始大幅上升，-3 ℃時華盛頓棕、加拿利海棗、銀海棗、布迪椰子、美麗針葵的SP含量分別為8.03 mg·g-1、10.39 mg·g-1、8.96 mg·g-1、10.46 mg·g-1、6.76 mg·g-1，分別比ck增加了9.1%、2.2%、14.6%、33.53%、36.55%。-6 ℃時華盛頓棕的SP含量達到最大值，比ck增加了38.86%。-12 ℃時華盛頓棕、加拿利海棗、銀海棗、布迪椰子、美麗針葵的SP含量均高于ck處理，分別增加了31.1%、45.4%、53.7%、60.6%和11.9%。從整個降溫過程來看，加拿利海棗、布迪椰子、銀海棗的SP含量相對較高，一直保持著較高的水平，而美麗針葵的SP含量相對較低且增長幅度較慢。

圖7 低溫處理對不同植物可溶性蛋白含量的影響

3.8 基于主成分分析法的抗寒性綜合評價

選取相對電導率、葉片含水量、POD、MDA、SS、SP、Pro等7個生理指標進行主成分分析，前2個主成分的貢獻率分別為63.8%、24.1%，累積貢獻率達到87.9%，說明前2個主成分已經(jīng)把5種植物抗寒性的大部分信息反映出來。其中，第一主成分的特征值為4.317，貢獻率為63.8%，絕對值大小為：丙二醛含量(MDA)>相對電導率>過氧化物酶活性(POD)>可溶性蛋白(SP)>相對含水量，第一主成分反映了多個生理抗寒指標與各植物抗寒性的關系。在低溫處理過程中，參試植物通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(可溶性蛋白含量)、改善葉片水分狀況(相對含水量)，提高保護酶活性(POD活性)來降低細胞膜脂過氧化程度(MDA含量)以及維持細胞膜的穩(wěn)定性(相對電導率)，從而提高其抗寒性。因此，第一主成分主要反映了細胞質(zhì)膜透性、保護酶活性以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與植物抗寒性之間的關系；第二主成分的特征值為1.652，貢獻率為24.1%，絕對值大小為：可溶性糖含量(SS)>游離脯氨酸含量(Pro)，第二主成分主要反映了滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與植物抗寒性之間的關系，植物主要通過增加SS、Pro等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來提高其抗寒性。綜合分析可知，在低溫脅迫下5種植物抗寒性的各生理指標貢獻率不同，其中丙二醛含量、過氧化物酶活性、相對電導率在兩個主成分中貢獻較大，這些指標含量的大小與抗寒性強弱關系顯著，對5種植物進行綜合評價并確定其抗寒性強弱為：布迪椰子>加拿利海棗>華盛頓棕>銀海棗>美麗針葵。

4 討論與結論

已有研究表明，不同品種的棕櫚科植物在上海極端低溫情況下表現(xiàn)出的凍害程度存在差異，其中棕櫚、布迪椰子抵御低溫能力最強，華盛頓棕櫚次之，加拿利海棗、銀海棗抵御低溫能力較弱，本研究結果與之基本一致，僅加拿利海棗存在一定的差異性，這可能與兩地區(qū)的氣候條件和土壤水分有關[16]。本試驗采用的是離體葉片，并在人工設置降溫梯度環(huán)境下進行，在試驗過程中，供試材料采樣部位、樣品大小以及低溫處理過程中的降溫速度、解凍快慢等均會影響到材料受凍程度[17]。因此，室內(nèi)模擬自然降溫方法不能完全反映出自然條件下的真實凍害情況，對于導致抗寒生理生化改變的分子機制、通過轉(zhuǎn)基因技術徹底提高抗寒性的相關研究仍是今后重點研究方向。通過本研究可知：5種植物的生理指標變化趨勢具有較強的規(guī)律性，相對電導率、丙二醛含量、游離脯氨酸含量、可溶性糖含量呈上升趨勢；相對含水量呈下降趨勢；過氧化物酶活性、可溶性蛋白含量呈先升高后降低的趨勢。細胞質(zhì)膜透性、保護酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量與其抗寒性密切相關?；谥鞒煞址治龇ǖ玫?種植物的抗寒性強弱為：布迪椰子>加拿利海棗>華盛頓棕>銀海棗>美麗針葵。