5份枇杷品種(系)的抗寒性生理評價

章加應,張學英,安海山,蔣 爽,徐芳杰

(上海市農(nóng)業(yè)科學院林木果樹研究所,上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點實驗室,上海 201403)

枇杷(Eriobotrya japonicaLindl.)屬薔薇科(Rosaceae)枇杷屬,為亞熱帶常綠樹種,起源于我國四川西南部大渡河流域,富含大量營養(yǎng)物質(zhì),目前已成為我國南方地區(qū)重要的經(jīng)濟果樹之一[1]。然而,枇杷具有‘秋萌冬花,春實夏熟’的特性,花期和幼果發(fā)育期恰逢全年溫度最低時期,極易遭受凍害影響[2-4]。據(jù)統(tǒng)計,四川枇杷產(chǎn)區(qū)2008—2018年因低溫造成減產(chǎn)的面積占枇杷栽培總面積的60%以上[5],2008年,我國南方出現(xiàn)大范圍持續(xù)低溫、降雪、凍雨等極端惡劣天氣,給全國枇杷生產(chǎn)帶來了較大損失[6-7],上海是枇杷適栽區(qū)北緣地帶,枇杷生產(chǎn)受低溫凍害影響嚴重,常出現(xiàn)枇杷產(chǎn)量低、產(chǎn)量不穩(wěn)定等現(xiàn)象,嚴重年份甚至絕產(chǎn),2018年上海地區(qū)連續(xù)雨雪天氣(最低溫達-5.6℃)造成枇杷大面積受災,當年減產(chǎn)30%—50%,給果農(nóng)造成較大經(jīng)濟損失。因此,探究現(xiàn)有枇杷品種的抗寒特性和選育抗寒能力強的枇杷新品種是北緣地帶(尤其是上海地區(qū))枇杷引種和種植成功的關(guān)鍵。相關(guān)研究表明,枇杷花器官受凍害的臨界溫度為-6℃,幼果為-3℃,葉片抗寒能力最強,其次為花芽,種胚抗寒性最弱[8]。潘翠萍等[9]研究了6份枇杷種質(zhì)對低溫脅迫的生理響應并進行了抗寒性評價,提出半致死溫度結(jié)合隸屬函數(shù)是準確評價枇杷品種抗寒性的有效方法,認為半致死溫度越低,隸屬度越大,其抗寒性越好。但是,前人關(guān)于枇杷抗寒性的研究多集中于不同品種相同器官[10-11],以不同品種不同器官為材料進行的研究報道較少。本研究以5份枇杷種質(zhì)為試材,分析低溫對枇杷不同器官抗寒生理特征的影響,并采用隸屬函數(shù)對各品種不同器官的抗寒性進行綜合評價,旨在明確不同品種的抗寒特性,為枇杷抗寒新品種的選育及枇杷抗寒性的改良奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的枇杷種質(zhì)為4份枇杷品種(‘火炬’‘寧海白’‘大五星’‘白玉’)和1份枇杷優(yōu)系(28東)。‘火炬’為上海市農(nóng)業(yè)科學院通過雜交選育的大果紅肉枇杷品種、‘寧海白’為浙江寧?？h實生選育的大果白肉枇杷品種、‘大五星’為四川省成都市龍泉園藝科學研究所通過實生選育而成的大果紅肉枇杷品種、‘白玉’為江蘇省太湖常綠果樹技術(shù)推廣中心通過實生選育而成的優(yōu)質(zhì)白肉枇杷品種、28東為上海市農(nóng)業(yè)科學院通過實生選育而成的大果紅肉枇杷優(yōu)系,所有材料均為5年生果樹,生長狀態(tài)基本一致,定植于上海市農(nóng)業(yè)科學院金山果樹試驗站。

1.2 試驗方法

1.2.1 生理指標的測定

分別于2020年2月10日(10℃,低溫前期),2020年2月17日(-5℃,低溫期)和2020年2月27日(11℃,低溫恢復期)選取無病蟲害、無機械損傷的枇杷不同器官(葉片、莖、軸和幼果)作為試驗材料。放于冰盒中帶回實驗室,液氮速凍后,-80℃保存,備用。

丙二醛(MDA)和可溶性糖含量的測定采用硫代巴比妥酸法[12];葉綠素含量參照Guo等[13]的方法并稍作改良(95%的乙醇改為80%的丙酮;采用酶標儀測定吸光度)后進行測定;脯氨酸含量的測定采用磺基水楊酸法,參照《植物生理實驗》中方法進行操作[14];超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性的測定采用相關(guān)試劑盒(南京建成生物工程研究所)進行。

1.2.2 抗寒性綜合評價

采用隸屬函數(shù)法綜合各項生理指標對枇杷各器官材料進行抗寒性評價[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2013和SPSS 17.0對試驗數(shù)據(jù)進行整理和分析。采用Graphpad prism 8.0軟件(Graphpad Software,USA)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和圖表制作。利用SPSS 17.0軟件中單因素方差分析(ANOVA)檢測各處理的顯著水平(P≤0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對丙二醛含量的影響

5份枇杷品種(系)莖和果實中丙二醛含量在低溫前期、低溫期和低溫恢復期總體上呈現(xiàn)先上升后向下降的倒“V”型趨勢(圖1)。低溫期的莖、軸和果實中的丙二醛含量相對于低溫前期均有不同程度的上升,低溫恢復期丙二醛含量均下降,說明各枇杷品種(系)器官受到低溫脅迫的傷害較小或趨于消失。低溫脅迫后,‘火炬’和‘寧海白’葉片器官的丙二醛含量降低,28東的丙二醛含量顯著增加,‘白玉’和‘大五星’無顯著變化。軸器官經(jīng)過低溫脅迫后,‘大五星’的丙二醛含量顯著增加。各品種(系)莖和果實中的丙二醛含量變化趨勢一致,低溫脅迫促進丙二醛含量的增加,相比于‘火炬’,‘白玉’、‘寧海白’和28東的丙二醛含量及其增幅較大。

圖1 低溫脅迫對5份枇杷種質(zhì)各器官丙二醛含量的影響Fig.1 Effects of cold stress on MDA content in different organs of 5 varieties of loquat

2.2 低溫脅迫對脯氨酸含量的影響

低溫脅迫下,5個枇杷品種(系)葉片、莖、軸和果實器官的脯氨酸含量變化各有差異(圖2)。低溫后,各品種(系)葉片的脯氨酸含量下降,恢復期內(nèi)逐漸提升,‘大五星’脯氨酸含量相較低溫前期顯著下降;相對于其他品種(系),‘火炬’莖、軸低溫脅迫后脯氨酸含量上升且處于較高水平。‘寧海白’和‘大五星’在低溫脅迫下莖器官中脯氨酸含量變化幅度較小且含量較低,軸器官中脯氨酸顯著增加。低溫脅迫后,‘寧海白’、28東和‘大五星’果實中脯氨酸含量降低,‘大五星’顯著下降,低溫恢復期含量逐漸增加。

圖2 低溫脅迫對5份枇杷種質(zhì)各器官脯氨酸含量的影響Fig.2 Effects of cold stress on proline content in different organs of 5 varieties of loquat

2.3 低溫脅迫對可溶性糖含量的影響

低溫脅迫下,5份枇杷種質(zhì)各器官可溶性糖含量上升,‘火炬’各器官可溶性糖含量增幅較大且處于較高水平?！子瘛?、‘寧海白’和28東可溶性糖含量在葉片和軸器官中變化幅度較小且含量較低,在莖和果實器官中處于較高水平且增幅較強。‘大五星’可溶性糖含量在葉片和莖器官中增幅不顯著,在軸和果實中變化顯著且處于較高水平。

圖3 低溫脅迫對5份枇杷種質(zhì)各器官可溶性糖含量的影響Fig.3 Effects of cold stress on the content of soluble sugar in different organs of 5 varieties of loquat

2.4 低溫脅迫對葉片葉綠素含量的影響

低溫脅迫下各枇杷品種(系)葉片中的葉綠素含量增加,低溫恢復期葉綠素含量降低到低溫前同一水平(圖4)。低溫脅迫下,‘火炬’和28東葉綠素含量顯著增加,含量處于高水平?！子瘛?、‘寧海白’和‘大五星’葉綠素含量增幅不顯著,‘白玉’和‘寧海白’葉綠素含量較低。

圖4 低溫脅迫對5份枇杷種質(zhì)葉片葉綠素含量的影響Fig.4 Effects of cold stress on the content of chlorophyll in leaves of 5 varieties of loquat

2.5 低溫脅迫對抗氧化酶活性的影響

作為植物抗氧化系統(tǒng)中重要的抗氧化保護酶,SOD、POD和CAT之間相互協(xié)調(diào),可有效清除環(huán)境脅迫誘導產(chǎn)生的活性氧,使生物體內(nèi)的活性氧維持在穩(wěn)定和低水平上[10]。如圖5所示,低溫脅迫促進‘火炬’枇杷各器官中SOD活性的提升。28東和‘大五星’葉片、莖和軸器官的SOD活性在低溫脅迫下顯著提升,然而在果實器官中其SOD活性受到抑制,SOD活性水平下降。除‘白玉’莖器官外,‘白玉’和‘寧海白’其他各器官中的SOD活性在低溫脅迫下均受到抑制,其活性相對于其他品種(系)處于較低水平。

圖5 低溫脅迫對5份枇杷種質(zhì)各器官SOD活性的影響Fig.5 Effects of cold stress on the activity of SOD in different organs of 5 varieties of loquat

POD是清除活性氧的重要酶類,能防止膜質(zhì)氧化,與植物的生長發(fā)育和抗逆性密切相關(guān)。由圖6可以看出,低溫脅迫促進‘火炬’、‘白玉’莖和果實中POD活性的提升,其他品種(系)各器官中的POD活性均受到不同程度的抑制?！畬幒０住o和軸器官中POD活性下降幅度較其他品種(系)更為顯著。28東葉片和軸器官中POD活性在低溫脅迫前期和低溫期維持相同水平,低溫期莖和果實中POD活性均有不同程度的降低。‘大五星’各器官中POD活性受到低溫脅迫的抑制且均有不同程度的下降,軸器官中下降幅度最大;在低溫恢復期其活性得到一定程度的提升,軸器官和果實器官中增幅明顯。

圖6 低溫脅迫對5份枇杷種質(zhì)各器官POD活性的影響Fig.6 Effects of cold stress on the activity of POD in different organs of 5 varieties of loquat

CAT作為植物抗氧化系統(tǒng)中一種重要的抗氧化酶,在保護植物免受低溫傷害過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。低溫脅迫誘導枇杷葉片和莖器官中CAT活性的提高(圖7),其中,‘火炬’CAT活性增幅最大?！畬幒０住疌AT活性在葉片器官中增幅明顯,其他器官中無顯著變化。低溫脅迫下,軸和果實器官中‘火炬’CAT活性受到抑制,但其活性仍處于較高水平。其他品種(系)軸和果實器官中CAT活性提升效果不顯著。低溫恢復期,各枇杷器官CAT活性基本恢復到最初水平或略有下降。

圖7 低溫脅迫對5份枇杷種質(zhì)各器官CAT活性的影響Fig.7 Effects of cold stress on the activity of CAT in different organs of 5 varieties of loquat

2.6 枇杷各品種(系)及器官抗寒性綜合評價

隸屬函數(shù)法是綜合評價植物抗寒性的科學方法,隸屬函數(shù)值越大,排序越靠前,抗寒性越強;反之,抗寒性越弱。如表1所示,葉片器官中,‘大五星’的平均隸屬度最高(0.55)。在莖、軸和果實器官中,平均隸屬度數(shù)值最高的分別為:‘大五星’、28東和‘火炬’。對各器官抗寒能力進行綜合排序,結(jié)果為:‘火炬’>‘大五星’>28東>‘白玉’>‘寧海白’。

表1 5份枇杷種質(zhì)抗寒性的綜合評價值Table 1 Comprehensive evaluation of cold resistance of 5 loquat varieties

不同器官響應低溫脅迫的能力因品種(系)而異(表2),對‘火炬’和28東而言,軸的隸屬度最高,其抗寒性較好;‘大五星’葉片的隸屬度最高,響應低溫脅迫的適應性最強,‘寧海白’隸屬度最低,其抗寒能力最弱;而莖在‘大五星’中具有最高的隸屬度。葉片、莖、軸和果實器官在不同品種(系)中的平均隸屬度分別為0.502、0.496、0.506、0.456,低溫脅迫下4個器官的抗寒能力大小依次為:軸>葉片>莖>果實。

表2 5份枇杷不同器官抗寒性的綜合評價Table 2 Comprehensive evaluation of cold resistance of different organs in 5 loquat varieties

3 討論

低溫是影響植物生長發(fā)育,限制其地理分布的非生物脅迫之一。在長期進化過程中,植物形成了一系列復雜的機制以響應和適應各種惡劣條件[16]。丙二醛、脯氨酸、可溶性糖以及葉綠素含量等是評價植物抗逆性的重要指標[17-20]。其中,丙二醛含量高低可用于反映植物細胞膜傷害程度及抵御逆境能力的強弱[21-22]。研究表明,植物在低溫脅迫下其抗寒性與體內(nèi)丙二醛含量呈負相關(guān),即抗寒性越強的植物丙二醛含量變化越小。本研究中,枇杷各器官中的丙二醛含量總體上呈現(xiàn)倒“V”型趨勢,低溫脅迫導致丙二醛含量上升,膜質(zhì)過氧化程度加劇,與張淑文等[23]在楊梅上的研究結(jié)果基本一致?！鹁妗髌鞴俦┖考捌湓龇^小,表明其在低溫條件下過氧化程度弱,抗寒能力較強。低溫脅迫下,28東、‘寧海白’和‘大五星’分別在葉片、果實和軸中的丙二醛含量顯著增加,表明其抗寒能力較弱。

脯氨酸、可溶性糖是植物細胞內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),其含量的高低可反映植物抗寒能力的大小。Kumar等[19]和Ding等[24]研究表明,脯氨酸和可溶性糖含量均隨著脅迫溫度的降低而逐漸增加。本試驗中,相對于其他品種(系),‘火炬’各器官脯氨酸含量在低溫條件下增幅較大且始終處于較高水平,說明其抗低溫能力較強?！畬幒０住汀笪逍恰彼岷吭龇Ч伙@著,含量處于較低水平,抗低溫脅迫能力較弱。隨著溫度的降低,植物器官中貯藏的淀粉等大分子物質(zhì)降解加速,導致可溶性糖含量持續(xù)上升,細胞液濃度提高,器官冰點降低,因此,其含量與植物抗低溫能力呈正相關(guān)關(guān)系[25]。本研究中,5份枇杷種質(zhì)在低溫脅迫后各器官可溶性糖含量總體上呈現(xiàn)先上升后向下降的倒“V”型趨勢,這與柑桔[26]、草莓[27]、葡萄[28]、火龍果[29]等果樹上的研究結(jié)果一致。低溫脅迫下,‘火炬’和‘大五星’可溶性糖含量在葉片、軸和果實中均處于較高水平,說明其抗寒能力強于其他品種(系)。‘白玉’和‘寧海白’可溶性糖含量較低,其抗低溫脅迫能力偏弱。

葉綠素是植物光合作用中捕獲光能的主要物質(zhì),對植物的生長發(fā)育具有極其重要的作用[20]。時麗冉等[30]研究發(fā)現(xiàn),抗寒能力強的小麥品種(系)具有較高的葉綠素含量和葉綠素熒光動力,其光合作用較強。本研究中,‘火炬’和28東葉綠素含量均處于較高水平,與可溶性糖含量變化趨勢一致,有助于提高其光合能力,進而提升品種抗寒性。

低溫脅迫可導致植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)量增加、細胞膜脂過氧化作用加劇,嚴重時導致植物細胞受損或植株死亡。植物抗氧化酶系統(tǒng)在清除活性氧過程中發(fā)揮重要作用,SOD、POD和CAT作為系統(tǒng)中最重要的蛋白酶,其活性越高植物的耐低溫脅迫能力越強。本研究中,SOD、POD和CAT酶活性總體上表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢,與之前在核桃[31]、杏仁[32]和橡膠樹[33]上的研究結(jié)果基本一致。低溫脅迫下,枇杷品種‘火炬’的SOD、POD和CAT酶活性均處于較高水平,表明‘火炬’抗寒性強于其他品種(系)。

植物抗寒性是由多因素控制的綜合性數(shù)量性狀,依據(jù)單一的生理指標難以準確評估植物抗寒性的強弱,因此,利用多種生理指標結(jié)合隸屬函數(shù)對植物抗逆性進行綜合評價能比較準確地反映植物間的抗逆能力差異[34],該方法已在夾竹桃[35]、蘋果[36]、核桃[37]等的抗逆性評估中得到廣泛應用。本研究利用隸屬函數(shù)法對5份枇杷種質(zhì)各器官的7項生理指標進行抗寒性綜合評估,各品種(系)抗寒性強弱順序為:‘火炬’>‘大五星’>28東>‘白玉’>‘寧海白’,這與利用生理指標進行抗寒性評價結(jié)果基本一致。同時,各器官在不同品種(系)中的平均隸屬度大小順序為:軸>葉片>莖>果實,表明軸對低溫脅迫的適應性強于其他器官。

4 結(jié)論

5份參試枇杷種質(zhì)對低溫的生理響應差異顯著,各品種(系)不同器官的抗寒相關(guān)生理指標總體呈現(xiàn)先升高后降低的倒“V”型變化趨勢;‘火炬’對低溫具有較強的適應性,抗寒性強;‘寧海白’低溫適應性較差,抗低溫脅迫能力較弱。不同器官響應低溫脅迫的能力存在顯著差異,軸對低溫具有較強的耐受性,抗寒性強;果實響應低溫脅迫的適應性較差,耐寒性較弱。本研究結(jié)果不僅可為上海地區(qū)枇杷響應低溫脅迫的生理基礎(chǔ)研究及其抗寒能力評價提供參考,而且有助于枇杷抗寒新品種(系)的選育。