外源鈣對(duì)低溫脅迫下梨生理特性的影響

潘 琪，武建強(qiáng)，賈 慧，寧 芳，張文菲，張熠可，韓愛謙，袁嘉瑋

（1.太原市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，山西 太原 030027；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 棉花研究所，山西 運(yùn)城 044000）

我國(guó)是梨屬植物的主要原產(chǎn)地，梨樹種植面積及產(chǎn)量均位居世界第一。目前，我國(guó)北方梨樹種植區(qū)飽受春季花期凍害的困擾，當(dāng)梨盛花期溫度低于-2.0 ℃時(shí)以及梨始花期溫度低于-3.9 ℃，將會(huì)發(fā)生明顯凍害[1]。因此，短時(shí)間內(nèi)冷空氣的突襲會(huì)使梨樹花器官、葉片遭受凍害，導(dǎo)致果樹減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)，損失嚴(yán)重。目前，花期凍害成為限制梨產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素之一[2]。

丙二醛（MAD）含量是評(píng)價(jià)植物膜系統(tǒng)在非生物脅迫下受損程度的重要指標(biāo)[3]。超氧化物歧化酶（SOD）是抵抗活性氧的第一道門檻，其作用主要是清除引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能破壞的生物體內(nèi)特異超氧陰離子自由基，SOD水平與生物體的衰老和死亡直接相關(guān)。過氧化氫酶（CAT）與過氧化物酶（POD）可將逆境脅迫下細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的過氧化氫和超氧陰離子自由基轉(zhuǎn)換成水和氧氣，從而減少逆境對(duì)膜系統(tǒng)的破壞，通常情況下抗逆性強(qiáng)的品種在逆境條件下CAT 和POD 的活性較強(qiáng)[4]。光合作用是植物獲取能量及合成有機(jī)物的重要生理生化過程，凈光合速率（Pn）、胞間二氧化碳濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）可反映逆境對(duì)植物光合作用的影響[5-6]。因此，利用MAD、SOD、POD、CAT 等植物抗逆性指標(biāo)和 Pn、Ci、Tr、Gs 等植物光合作用的生理指標(biāo)，結(jié)合隸屬函數(shù)分析進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可反映不同鈣處理下梨花器官及葉片的抗寒性差異[7]。

鈣在調(diào)控植物逆境生理及生長(zhǎng)發(fā)育上發(fā)揮著重要作用[8]。植物體在低溫脅迫條件下通過激活鈣通道調(diào)控鈣庫(kù)的釋放，以提高Ca2+水平來誘導(dǎo)抗冷相關(guān)基因的表達(dá)，從而提高植物體的抗寒性[9]。MONROY 等[10]研究表明，通過化學(xué)處理阻斷Ca2+通道，拮抗鈣調(diào)素作用或是抑制蛋白激酶，可使植株的抗寒性顯著降低。在低溫脅迫下施加一定濃度Ca2+可顯著提高植株抗寒性，目前在降香黃檀（Dalbergia odoriferaT. Chen）[11]、尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E. grandis）[12]、豆梨（Pyrus calleryana）[13]等中都有一定研究。有關(guān)梨的研究，張超等[14]研究發(fā)現(xiàn)，相同低溫處理時(shí)間對(duì)不同梨品種花器官損傷不同；肖坤等[15]研究發(fā)現(xiàn)，葉面噴施15 mmol/LCaCl2可提高枝條中的脯氨酸和可溶性糖含量以提升植物抗寒性；周君等[16-17]研究發(fā)現(xiàn)，葉面噴施不同鈣肥可提升梨葉片光合生理特性。但針對(duì)通過外源施加Ca2+能否降低花器官的凍害率以及不同濃度、不同種類的Ca2+對(duì)提高梨樹抗寒性是否有差異尚未見報(bào)道。

本研究以山西省主栽梨樹品種玉露香梨為試材，分析施用外源鈣對(duì)低溫脅迫處理下梨花器官、葉片抗寒生理及光合生理的影響，以期提高梨抗寒性，為梨逆境耐受性研究及品質(zhì)改良和高產(chǎn)栽培研究提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試玉露香梨采集于運(yùn)城市鹽湖區(qū)泓芝驛鎮(zhèn)，選擇長(zhǎng)勢(shì)整齊一致、生長(zhǎng)健壯、無(wú)病蟲害的15年生樹 30 株，于 2020 年 3 月 20 日從樹冠 4 個(gè)方向采集1 年生 10 cm 花枝，于 2020 年 4 月 20 日從樹冠外圍采集長(zhǎng)勢(shì)一致的生長(zhǎng)枝。

1.2 試驗(yàn)方法

供試材料采集后立即放入人工氣候室進(jìn)行外源鈣噴施處理，共設(shè)置CK（不噴鈣）、T1（14 mmol/L CaCl2）、T2（21 mmol/L CaCl2）、T3（28 mmol/L CaCl2）、T4（14 mmol/L Ca（NO3）2）、T5（21 mmol/L Ca（NO3）2）、T6（28 mmol/L Ca（NO3）2）7 個(gè)處理。各處理均為每2 d噴施一次，噴至花器官、葉片完全濕潤(rùn)，培養(yǎng)6 d后進(jìn)行低溫脅迫處理，-2 ℃條件下脅迫3 h。采集低溫處理后的花器官、葉片待測(cè)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

MDA 含量和SOD、POD、CAT 活性測(cè)定參考史樹德等[18]的方法進(jìn)行；Pn、Ci、Tr、Gs 等光合指標(biāo)采用英國(guó)ADC 公司生產(chǎn)的LCpro T 光合儀進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

隸屬函數(shù)分析參考文獻(xiàn)[19-20]的方法進(jìn)行；利用Office 2019和SAS 8.2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

從表1、2可以看出，不同處理的變異系數(shù)存在著較大差異，其中，花器官SOD活性、POD活性及葉片SOD 活性、POD 活性、氣孔導(dǎo)度的變異系數(shù)比較大 ，分 別 是 19.48%、29.78%、16.67%、22.59%、26.10%，屬于中等強(qiáng)度變異，其余指標(biāo)的變異系數(shù)比較低。表明SOD 活性、POD 活性、氣孔導(dǎo)度這3 個(gè)性狀指標(biāo)數(shù)據(jù)存在較大差異，受低溫脅迫處理的影響明顯。

表1 低溫處理下梨花器官抗寒生理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析Tab.1 Statistical analysis of cold-resistant physiological indexes of pear flower under low temperature treatment

表2 低溫處理下梨葉片生理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析Tab.2 Statistical analysis of physiological indexes of pear leaves under low temperature treatment

2.2 不同外源鈣對(duì)低溫脅迫下梨花器官抗寒生理指標(biāo)的影響

由表3可知，不同外源鈣各濃度處理均降低了低溫脅迫下梨花器官的MDA 含量，提高了POD 活性及 CAT 活性。MDA 含量除 T1、T3 處理外，其他處理均與CK 間呈顯著性差異（P＜0.05），其中，T2處理較 CK 降低了9.9%，硝酸鈣T4、T5、T6 處理與CK 相比MDA 含量分別降低了14.9%、32.7%、18.8%；氯化鈣與硝酸鈣各濃度處理均在21 mmol/L處理時(shí)最低，其中T5 處理達(dá)最低。除T4、T6 處理外，各外源鈣處理與CK 相比均顯著提升了SOD 活性（P＜0.05），其中氯化鈣T1、T2、T3處理分別提高了13.4%、24.7%、38.0%，T5處理提高了41.1%；隨氯化鈣各處理隨濃度升高，SOD 活性相應(yīng)升高，表明施用CaCl2提高梨花器官SOD活性的最適濃度不在設(shè)置的濃度梯度范圍內(nèi)。各外源鈣處理與CK相比均顯著提升了POD 活性（P＜0.05），其中氯化鈣T1、T2、T3 處理分別是CK 的3.44、3.94、4.00 倍，硝酸鈣T4、T5、T6 處理分別是 CK 的 3.89、4.22、3.61 倍；與SOD 活性結(jié)果類似，CaCl2處理的POD 活性未達(dá)到峰值，其最適濃度不在設(shè)置的濃度梯度范圍內(nèi)，T5處理POD 活性最高，但與T2、T3、T4 處理間無(wú)顯著性差異。除T1、T4處理CAT活性與CK間無(wú)顯著差異外，其余處理與CK 相比均存在顯著性差異（P＜0.05），其中，氯化鈣T1、T2、T3 處理CAT 活性較CK分別提高1.6%、14.5%、11.3%，硝酸鈣T4、T5、T6 處理CAT 活性較CK 分別提高4.8%、17.7%、14.5%。CaCl2、Ca（NO3）2處理 CAT 活性均在 21 mmol/L 時(shí)最高，其中21 mmol/L Ca（NO3）2處理達(dá)最高。

表3 不同外源鈣對(duì)低溫脅迫下梨花器官抗寒生理指標(biāo)的影響Tab.3 Effects of different exogenous calcium on cold-resistant physiological indexes of pear flower under low temperature stress

2.3 不同外源鈣對(duì)低溫脅迫下梨葉片抗寒生理指標(biāo)的影響

由表4可知，不同外源鈣各濃度處理均降低了低溫脅迫下梨葉片的MDA含量，提高了SOD活性、POD活性及CAT活性。MDA含量除T3處理外其余處理均與CK間呈顯著性差異（P＜0.05），其中硝酸鈣各濃度處理整體表現(xiàn)優(yōu)于氯化鈣處理，硝酸鈣T4、T5、T6 處理較 CK 分別降低了 20.8%、25.4%、20.0%。各外源鈣處理SOD活性均顯著高于CK（P＜0.05），其中T2 處理顯著高于其余處理（P＜0.05），較CK 提高了59.5%；T1 處理顯著高于除T2 處理外的其余處理（P＜0.05），較CK提高了48.8%；硝酸鈣各濃度處理間無(wú)顯著性差異，T4、T5、T6 處理較CK分別提高了22.2%、25.5%、25.2%。與SOD相似，各外源鈣處理POD活性均顯著高于CK，其中T2處理顯著高于其他處理，較CK 提高了122.0%。硝酸鈣各濃度處理間無(wú)顯著性差異，T4、T5、T6 處理較CK分別提高了66.5%、78.9%、76.8%。除T4 處理外其余處理CAT 活性均顯著高于CK（P＜0.05），T2處理顯著高于除T3 處理外的其余處理（P＜0.05），T2、T3處理CAT活性較CK分別提高46.1%、34.8%；硝酸鈣各濃度處理間無(wú)顯著性差異，T4、T5、T6 處理較CK分別提高了13.5%、23.6%、21.3%。

表4 不同外源鈣對(duì)低溫脅迫下梨葉片抗寒生理指標(biāo)的影響Tab.4 Effects of different exogenous calcium on cold-resistant physiological indexes of pear leaves under low temperature stress

2.4 不同外源鈣對(duì)低溫脅迫下梨葉片光合生理指標(biāo)的影響

從表5可以看出，不同外源鈣各濃度處理均提高了低溫脅迫下梨葉片的凈光合速率和蒸騰速率，且不同外源鈣的凈光合速率、蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度3 個(gè)光合生理指標(biāo)值均隨濃度的增加而升高，表明施用外源鈣處理提高梨葉片凈光合速率、蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度3 個(gè)光合生理指標(biāo)值的最適濃度不在設(shè)置的濃度梯度范圍內(nèi)。除T4、T5 處理外其余外源鈣處理凈光合速率均顯著高于CK（P＜0.05），其中，T3處理顯著高于除T6處理外的其余處理（P＜0.05），T3、T6 處理分別較CK提升了48.8%、39.0%。與凈光合速率相似，除T4、T5處理外其余外源鈣處理蒸騰速率均顯著高于CK（P＜0.05），其中，T3 處理蒸騰速率最高，T6 處理蒸騰速率次之，二者分別較CK提升了50.0%、37.1%。胞間二氧化碳濃度除T3 處理顯著高于CK、T1、T4處理外（P＜0.05），其余處理間無(wú)顯著性差異，T3處理胞間二氧化碳濃度較CK 提高了18.7%。T2、T3處理氣孔導(dǎo)度顯著高于除T6 處理外的其余處理（P＜0.05），T2、T3、T6 處理氣孔導(dǎo)度分別較CK 提高了71.4%、71.4%、42.9%。

表5 不同外源鈣對(duì)低溫脅迫下梨葉片光合生理指標(biāo)的影響Tab.5 Effects of different exogenous calcium on photosynthetic physiological indexes of pear leaves under low temperature stress

2.5 葉片抗寒生理與光合生理相關(guān)性分析

如表6所示，在對(duì)低溫脅迫下各外源鈣濃度處理的梨葉片抗寒生理指標(biāo)和光合生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，POD活性、CAT活性、Gs互呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），其中POD 活性與CAT 活性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；Pn、Tr、Ci 互呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），其中Pn與Tr呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；POD活性、Pn、Gs、Tr互呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。表明外源鈣可以通過調(diào)控光合性能促進(jìn)植株抗寒能力的提升。

表6 葉片抗寒生理與光合生理相關(guān)性分析Tab.6 Correlation analysis of leaf cold-resistant physiology and photosynthetic physiology

2.6 隸屬函數(shù)分析

鑒于不同指標(biāo)測(cè)定的最適宜濃度并非完全相同，因此利用平均隸屬函數(shù)分析進(jìn)行梨花器官4個(gè)抗寒性指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明（表7），不同處理梨花器官抗寒性強(qiáng)弱表現(xiàn)為21 mmol/LCa（NO3）2＞21 mmol/L CaCl2＞28 mmol/L CaCl2＞28 mmol/L Ca（NO3）2＞14 mmol/L Ca（NO3）2＞14 mmol/L CaCl2；利用平均隸屬函數(shù)分析進(jìn)行梨葉片的抗寒及光合指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明（表8），不同處理梨葉片生理特性強(qiáng)弱表現(xiàn)為21 mmol/LCaCl2＞28 mmol/L CaCl2＞28 mmol/L Ca（NO3）2＞14 mmol/L CaCl2＞21 mmol/LCa（NO3）2＞14 mmol/L Ca（NO3）2。 由 此可知，不同濃度下的 CaCl2、Ca（NO3）2處理均可提高梨花器官的抗寒性及葉片的生理特性，其中，在21 mmol/L Ca（NO3）2處理后梨花器官抗寒性最強(qiáng)，在21 mmol/L CaCl2處理后梨葉片抗寒性及光合性能最強(qiáng)。

表7 低溫脅迫下梨花器官抗寒性綜合評(píng)價(jià)Tab.7 Comprehensive evaluation of cold resistance of pear flower organs under low temperature stress

表8 低溫脅迫下梨葉片抗寒性綜合評(píng)價(jià)Tab.8 Comprehensive evaluation of cold resistance of pear leaves under low temperature stress

3 結(jié)論與討論

MDA 是植物細(xì)胞質(zhì)膜受到損傷后的過氧化物產(chǎn)物，因此其可作為反映植物受損程度的量化指標(biāo)[21-22]。本研究表明，不同濃度的 CaCl2、Ca（NO3）2處理均可不同程度降低低溫脅迫下梨花、葉片MDA 的含量，說明外源鈣處理可降低低溫脅迫下梨花、葉的損傷程度。同時(shí)，研究表明，過高的Ca2+也會(huì)降低其對(duì)于植物損傷的緩解效果，這與王小媚等[23]的研究結(jié)果一致。

POD、SOD、CAT 均是評(píng)價(jià)植物體衰老、萎蔫程度的重要生理指標(biāo)[24]。本研究中，CaCl2處理的SOD活性、POD 活性僅呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，表明其峰值不在本研究濃度梯度設(shè)置范圍內(nèi)。但由于在該濃度范圍下，CaCl2處理 MDA 含量、CAT 活性均呈現(xiàn)峰值，且Ca（NO3）2處理各指標(biāo)也均遵循該趨勢(shì)規(guī)律，因此本研究濃度梯度范圍設(shè)置合理。然而，本研究發(fā)現(xiàn)，不同指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果中最適宜濃度并不相同，說明不能依據(jù)單一指標(biāo)判斷不同外源鈣各濃度處理對(duì)于梨花器官的抗寒性能，這與周福平等[25]針對(duì)低溫脅迫下高粱幼苗生理特性變化的研究結(jié)論相一致。Pn、Ci、Tr、Gs是評(píng)價(jià)植物光合作用能力的重要生理指標(biāo)[26]。本研究表明，適宜的外源鈣種類及濃度可顯著提升低溫脅迫下梨葉片的光合作用能力，并通過調(diào)控光合性能促進(jìn)植株抗寒能力的提升。宋俏博[27]研究認(rèn)為，外源Ca2+可以通過有效激發(fā)植物生長(zhǎng)發(fā)育和光化學(xué)活性，維持葉片中非結(jié)構(gòu)型碳水化合物有效外運(yùn)，降低碳水化合物和ROS 過度積累，從而緩解低溫下植株的光抑制現(xiàn)象，與本研究結(jié)果一致。本研究通過隸屬函數(shù)分析進(jìn)行抗寒性指標(biāo)及光合指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，21 mmol/LCa（NO3）2處理后梨花器官抗寒性最強(qiáng)，21 mmol/L CaCl2處理后梨葉片抗寒性及光合性能最強(qiáng)。本研究中，相同濃度的CaCl2、Ca（NO3）2處理對(duì)指標(biāo)的影響存在差異，而其本身Ca2+濃度是相同的，其原因可能是由于氯離子相較硝酸根離子與鈣離子結(jié)合更緊密，有助于提升植株細(xì)胞吸收鈣的效率,提高抗逆性，其機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

本研究結(jié)果表明，在響應(yīng)低溫脅迫的抗寒生理指標(biāo)和光合生理指標(biāo)中，SOD、POD、Gs生理指標(biāo)更易進(jìn)行人為調(diào)控。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，POD 活性、CAT 活性、Gs 互呈顯著正相關(guān)關(guān)系，Pn、Tr、Ci 互呈顯著正相關(guān)關(guān)系，POD 活性、Pn、Gs、Tr 互呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明外源鈣可通過調(diào)控光合性能促進(jìn)植株抗寒能力的提升。在梨花器官、葉片上噴施適宜外源鈣濃度可顯著抑制MDA 的生成，提升SOD、POD、CAT 等抗氧化相關(guān)酶的活性，提高梨葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度等光合性能指標(biāo)，進(jìn)而提升梨產(chǎn)量及品質(zhì)。研究結(jié)果表明，Ca（NO3）2為梨樹花期噴施鈣肥的最適種類，21 mmol/L 為Ca（NO3）2最適濃度；CaCl2為梨樹果實(shí)膨大期噴施鈣肥的最適種類，21 mmol/L為CaCl2最適濃度。