基于隸屬函數(shù)法的3個觀賞樹種抗寒性綜合評價

陳同森，古麗江，張東亞，郭靖，盧明艷

(新疆林業(yè)科學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000)

西伯利亞花楸()、天山花楸()與歐洲莢蒾()均為闊葉小喬木，抗逆性強，樹形美觀，是北方地區(qū)珍稀觀花、觀葉、觀果樹種。其中，西伯利亞花楸與天山花楸均為薔薇科(Rosaceae)花楸屬植物，喜光，半耐陰。西伯利亞花楸主要分布在我國新疆阿爾泰山、俄羅斯西伯利亞及遠東地區(qū)。天山花楸全世界約有80種，我國約有50種，主要分布在東北、西北、西南等地區(qū)，新疆有3個種，主要分布在新疆哈密至伊犁的天山山脈。歐洲莢蒾是忍冬科(Caprifoliaceae)莢蒾屬植物，分枝能力強，葉片色相變化豐富，果實掛枝時間長，具有很好的觀賞性，分布于歐洲和俄羅斯高加索與遠東地區(qū)，中國新疆的西北部。這3個樹種是北方寒冷地區(qū)城市綠化、公園及庭院美化種植的珍貴樹種。本研究針對3個觀賞樹種，研究模擬不同低溫條件下其枝條內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物及保護酶活性的變化特點，分析其與枝條凍害指數(shù)之間的關(guān)系，為這些樹種在高寒地區(qū)栽培推廣提供理論與實踐依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設(shè)計

1.1.1 試驗材料 試驗材料從定植在新疆吉木薩爾縣慶陽湖鄉(xiāng)良種基地的天山花楸與歐洲莢蒾及烏魯木齊縣安寧渠鄉(xiāng)試驗地的西伯利亞花楸苗木上采集。選擇已休眠的生長勢基本一致的各品種單株5株，在樹冠同方向、同部位采取粗度、長度一致，生長健壯、無病蟲害的1年生枝條，采集長度20～30 cm，釆摘后立即用濕紗布包裹，標記好品種、日期，裝入密封袋中速帶回實驗室以備實驗。

1.1.2 試驗設(shè)計與方法 將采集的枝條用自來水沖洗干凈后用吸水紙吸干水分，分別分成3組裝入保鮮袋中，放入低溫冰箱進行冷凍處理。達到處理溫度后維持24 h。低溫處理溫度梯度設(shè)為-15(對照)、-20、-25、-30、-35和-40 ℃。為避免失水，處理后立即將枝條放入液氮中進行固定后取出放入-30 ℃低溫冰箱保存。然后進行各項生理生化指標的測定，每個處理重復(fù)3次。

1.2 測定項目及方法

可溶性糖(SS)含量參照蒽酮比色法測定，可溶性蛋白(SP)含量參照考馬斯亮藍G-250染色法，脯氨酸(Pro)含量參照酸性茚三酮染色法，相對電導(dǎo)率(REC)采用電導(dǎo)儀測定法，丙二醛(MDA)含量參照硫代巴比妥酸(TBA)法，SOD、POD、CAT酶活性參照李合生的試驗方法進行測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

用Excel 2003統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行整理；差異顯著性分析采用SPSS16.0統(tǒng)計軟件中的Duncan氏方法完成；采用隸屬函數(shù)法對3種觀賞樹種的耐低溫特性進行綜合評定。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫下觀賞樹種枝條生理指標的變化

2.1.1 可溶性糖含量的變化 從表1可以看出，隨著低溫脅迫的持續(xù)，3個樹種枝條的可溶性糖含量總體上呈先上后下再上升變化趨勢。其中，西伯利亞花楸枝條可溶性糖含量-40 ℃時最高，為5.704%，高于對照12%，與對照差異顯著(<0.05)；在-25 ℃、-30 ℃2個處理中，其可溶性糖含量比對照提高6%和2%，與對照無顯著差異；在-20 ℃和-35 ℃2個處理中其可溶性糖含量比對照降低32%和16%，均與對照差異極顯著(<0.01)。天山花楸可溶性糖含量在-20℃處理中最高，為5.985%，提高43%，與對照差異極顯著(<0.01)；在-25、-35和-40 ℃3個處理中，其可溶性糖含量分別比對照提高23%、11%和16%，均與對照差異顯著(<0.05)；-30 ℃處理中其可溶性糖含量等于對照，與對照差異不顯著。歐洲莢蒾枝條可溶性糖含量在-25 ℃處理中最高，為4.601%，比對照提高36%，其余-20、-30和-40℃3個處理的可溶性糖含量比對照分別提高8%、27%和16%，只有-35 ℃處理降至5%，但均與對照無顯著差異。西伯利亞花楸、天山花楸和歐洲莢蒾可溶性糖含量均在-40℃處理高于對照。表明，可溶性糖含量的增加，可以加大細胞的原生質(zhì)濃度，增強細胞液的流動性而起到抗脫水的作用，有利于抗冷性的增加，可以緩解低溫對膜系統(tǒng)的傷害。

2.1.2 可溶性蛋白含量的變化 從表1可以看出，隨著低溫脅迫的持續(xù)，3個樹種的可溶性蛋白含量總體上呈S形變化趨勢。其中，西伯利亞花楸枝條可溶性蛋白含量在-20 ℃處理最高，為8.414 mg·g，比對照提高52%，與對照差異顯著(<0.05)；-40 ℃、-35 ℃處理，比對照分別提高29%和12%，均與對照差異極顯著(<0.01)；-25 ℃、-30 ℃處理的可溶性蛋白含量比對照分別提高22%和27%，-25 ℃與對照差異顯著(<0.05)，-30 ℃與對照無顯著差異。天山花楸枝條可溶性蛋白含量在-30 ℃時最高，為7.995 mg·g，比對照提高10%，與對照差異顯著(<0.05)；-20、-25和-35 ℃3個處理可溶性蛋白含量比對照分別下降20%、31%和33%，均與對照差異極顯著(<0.01)；-40 ℃處理的可溶性蛋白含量雖然低于對照36%，但無顯著差異。歐洲莢蒾枝條的可溶性蛋白含量在-20、-25和-30 ℃3個處理中較高，為7.701、5.623和6.378 mg·g，比對照分別提高64%、51%和57%，均與對照差異極顯著(<0.01)；-35 ℃、-40 ℃2個處理其可溶性蛋白含量比對照分別提高28%和36%，雖然低于前3個處理，但均與對照差異極顯著(<0.01)。西伯利亞花楸和歐洲莢蒾可溶性蛋白在-40 ℃處理高于對照，但天山花楸可溶性蛋白低于對照，表明西伯利亞花楸和歐洲莢蒾體內(nèi)積累的可溶性蛋白具有吸水性強的特點，有助于提高細胞內(nèi)的束縛水，降低冰點，減少原生質(zhì)內(nèi)結(jié)冰而傷害致死的機會。

2.1.3 脯氨酸含量的變化 從表1可以看出，隨著低溫脅迫的增強，3個樹種脯氨酸含量總體上呈先上升后逐漸下降趨勢。其中，西伯利亞花楸的脯氨酸含量在-20 ℃處理時最高，為0.024%，比對照提高62.5%，且與對照差異極顯著(<0.01)；其余-25 ℃、-40 ℃2個處理與對照差異顯著(<0.05)，其中-40 ℃處理脯氨酸含量比對照提高43.75%；-30 ℃和-35 ℃處理與對照無顯著差異。天山花楸脯氨酸含量在-20 ℃處理中最高，為0.026%，比對照提高53.85%，-25 ℃處理比對照下降9.09%，但均與對照差異極顯著(<0.01)；-30、-35和-40 ℃ 3個處理脯氨酸含量均低于對照，與對照差異顯著(<0.05)，其中-40 ℃處理脯氨酸含量出現(xiàn)逐漸上升趨勢，比-35 ℃處理高30%。歐洲莢蒾脯氨酸含量在-25 ℃處理時最高，為0.020%，比對照高50%，且差異極顯著(<0.01)；在-20 ℃、-40 ℃處理中其脯氨酸含量比對照提高41%和23%，且差異顯著(<0.05)；-30 ℃、-35 ℃處理與對照無顯著差異。西伯利亞花楸和歐洲莢蒾脯氨酸含量在-40 ℃處理高于對照，表明積累的游離脯氨酸可以降低質(zhì)膜受凍害的程度，有利于緩解低溫對枝條造成的傷害。

2.1.4 丙二醛含量的變 從表1可以看出，低溫脅迫持續(xù)期間，3個樹種MDA含量總體上呈先下降后逐漸上升趨勢。其中，西伯利亞花楸MDA含量在-20、-25、-30、-35和-40 ℃5個處理均與對照無顯著差異，雖然-40 ℃處理比對照下降61.1%，但比-35 ℃處理提高8.62%。天山花楸MDA含量在-20 ℃處理時最低，為0.004 1 μmol·g，低于對照62.3%，與對照差異極顯著(<0.01)；其次為-30 ℃、-35 ℃2個處理，MDA含量低于對照52.8%和37.0%，-30 ℃與對照差異顯著(<0.05)，-35 ℃與對照無顯著差異；隨著低溫脅迫的加劇，到-40 ℃處理時MDA含量開始逐漸上升至0.008 9 μmol·g，與對照無顯著差異。歐洲莢蒾MDA含量在-20 ℃處理最高，為0.008 μmol·g，與對照差異顯著(<0.05)；其余處理中MDA含量均等于或低于對照，且與對照無顯著差異。3個樹種枝條MDA含量在-40 ℃處理中等于或低于對照，說明，3個樹種對低溫有一定的抗寒性，這種抗寒性差異可能與3個樹種體內(nèi)保護酶活性有一定的關(guān)系。

表1 低溫脅迫對3個觀賞樹種枝條生理指標的影響

2.1.5 相對電導(dǎo)率的變化 從表1可以看出，隨著低溫脅迫的持續(xù)，3個樹種相對電導(dǎo)率總體上呈逐漸上升趨勢。其中，西伯利亞花楸相對電導(dǎo)率-20、-25、-30、-35和-40 ℃5個處理分別高于對照37.7%、28.3%、43.1%、38.5%和49.3%，均與對照差異極顯著(<0.01)。天山花楸相對電導(dǎo)率在-20、-25、-30、-35和-40 ℃5個處理均高于對照，其中，-20、-35和-40 ℃3個處理的相對電導(dǎo)率分別高于38.8%、22.4%和47.4%，且與對照差異極顯著(<0.01)；-25 ℃、-30 ℃2個處理相對電導(dǎo)率分別高于對照7.1%和18.9%，-30 ℃處理與對照差異顯著(<0.05)，-25 ℃處理與對照無顯著差異。歐洲莢蒾的相對電導(dǎo)率在-40 ℃處理達到最高峰，為94.285%，比對照高51.3%，其次為-20 ℃、-25 ℃處理，比對照高32.4%、24.9%，并且均與對照差異極顯著(<0.01)；在-30 ℃處理與對照無顯著差異，-35 ℃處理相對電導(dǎo)率與對照差異顯著(<0.05)。本研究中，歐洲莢蒾枝條電導(dǎo)率在-40 ℃處理最高，說明，相對電導(dǎo)率數(shù)值變大，枝條細胞膜透性越差，遭受傷害相應(yīng)地增大。

2.2 低溫脅迫下3個觀賞樹種枝條酶活性的變化

2.2.1 SOD活性的變化 從表2可得知，隨著低溫脅迫的持續(xù)，3個樹種SOD酶活性總體上呈先下降后上升變化趨勢。西伯利亞花楸SOD酶活性在-20、-25和-30 ℃3個處理分別比對照下降了35.1%、63.6%和36.9%，且均與對照具有極顯著差異(<0.01)；-35 ℃、-40 ℃處理比對照下降9.1%和10.9%，差異不顯著。天山花楸SOD酶活性在-25、-30和-35 ℃3個處理分別比對照下降21.2%、46.5%和17.8%，且均與對照差異極顯著(<0.01)；-40 ℃處理與對照具有顯著差異(<0.05)；-20 ℃處理比對照上升4.8%，且無顯著差異。歐洲莢蒾SOD活性在-35 ℃、-40 ℃處理比對照分別上升188.7%、214.5%，且與對照具有極顯著差異(<0.01)，其余3個處理中-20 ℃與-30 ℃處理比對照提高105.1%、60.4%，其中-20 ℃、-30 ℃與對照差異顯著(<0.05)，-25 ℃處理與對照差異不顯著。說明，隨著低溫脅迫的加劇，到-35 ℃、-40 ℃處理時，3個樹種SOD酶逐漸上升并保持較高的活性，酶活性越高清除活性氧的能力就越強，植物抗性也越強。

表2 低溫脅迫對3個觀賞樹種枝條酶活性的影響

2.2.2 POD活性的變化 從表2可得知，隨著低溫脅迫的持續(xù)，3個樹種POD酶活性總體上呈S形變化趨勢。其中西伯利亞花楸POD活性迅速下降，在-20、-25、-30、-35和-40 ℃5個處理中比對照下降89.7%、53.5%、89.2%、92.2%和60.7%，且均與對照差異極顯著(<0.01)；天山花楸POD活性緩慢下降后迅速上升到-40 ℃處理的209.86 μg·g，比對照提高270.9%，與對照差異極顯著(<0.01)；其余，-20、-25、-30和-35 ℃4個處理比對照下降12.6%、14.9%、36.6%和10.8%，且與對照無顯著差異。歐洲莢蒾POD活性在-25 ℃和-40 ℃處理達到最高峰，比對照提高335.8%、278.1%，且與對照具有差異極顯著(<0.01)；-20、-30和-35 ℃3個處理中歐洲莢蒾POD活性比對照上升12.5%、46.4%和111.5%，其中-20 ℃、-30 ℃與對照差異不顯著，-35 ℃與對照差異顯著(<0.05)。隨著低溫脅迫的加劇3個樹種-40 ℃處理中POD活性分別達到192.23、209.86和102.36 μg·g，比-35 ℃處理的POD活性分別提高5.0、4.2和1.8倍。說明酶活性越高，就越能有效地起作用，植物也就越能抵抗逆境脅迫。

2.2.3 CAT活性的變化 從表2可得知，隨著低溫脅迫的持續(xù)，3個樹種CAT酶活性呈先下降再緩慢上升變化趨勢。西伯利亞花楸CAT活性在-40 ℃處理比對照提高1.48%，與對照無顯著差異；-20、-25、-30和-35 ℃4個處理比對照分別下降95.9%、95.6%、31.1%和5.9%，其中-20、-25和-30 ℃與對照差異極顯著(<0.01)，-35 ℃與對照無顯著差異。天山花楸CAT活性在-20、-25、-35和-40 ℃4個處理比對照分別下降83.1%、85.5%、57.8%和61.5%，且與對照差異極顯著(<0.01)，-30 ℃處理比對照下降2.4%，無顯著差異。歐洲莢蒾CAT活性在-20、-25、-30、-35和-40 ℃5個處理比對照分別下降88.3%、87.0%、67.5%、54.6%和90.9%，其中-25 ℃、-40 ℃2個處理與對照無顯著差異，其余3個處理差異極顯著(<0.01)。西伯利亞花楸CAT活性在-40 ℃處理均高于對照及其余2個樹種，說明，CAT降低西伯利亞花楸枝條內(nèi)活性氧的積累,分解有害過氧化物，使其表現(xiàn)出更強的耐寒性。

2.3 抗寒性綜合評價

單一的抗寒性指標難以全面反映植物對抗寒性的綜合能力。采用隸屬函數(shù)的平均值，既可以消除個別指標帶來的片面性，又由于平均值是[0,1]區(qū)間上的純數(shù)，使各物種抗寒差異性具有可比性， 因此，用多個指標綜合評價其抗寒性比單一指標評價較為可靠。平均隸屬度越高，抗寒性越高；平均隸屬度越低，抗寒性越低。根據(jù)綜合評判結(jié)果(表3)，3個樹種的平均隸屬度在0.410～0.500，抗寒性排序為西伯利亞花楸>天山花楸>歐洲莢蒾。其中西伯利亞花楸平均隸屬值為0.500，為抗寒性較強樹種，其次為天山花楸和歐洲莢蒾，平均隸屬值分別為0.446和0.410。

表3 3個觀賞樹種枝條抗寒性的綜合評判

3 討論與結(jié)論

植物葉片、枝條和根等器官能清晰地反映低溫對植物生長發(fā)育的影響，國內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量研究。植物在生長發(fā)育的整個過程中往往遭受不同土壤氣候因子的脅迫，如干旱、低溫、高溫、高熱及鹽堿等脅迫。其中，干旱、低溫、鹽堿是我國西部地區(qū)植物生存環(huán)境中遇到的主要逆境因子。當植物處于上述不利環(huán)境時，通常會通過代謝反應(yīng)來阻止、降低或修復(fù)逆境造成的損傷，一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如游離脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量以及MDA含量、抗氧化酶(SOD，POD，CAT)活性等會發(fā)生適應(yīng)性變化。

可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)及脯氨酸是植物低溫脅迫下重要的滲透調(diào)劑物質(zhì)，它能在低溫脅迫下提高植物的適應(yīng)性，以提高植物的抗寒性。本研究中，西伯利亞花楸可溶性糖含量峰值出現(xiàn)在-40 ℃處理，而天山花楸和歐洲莢蒾的峰值出現(xiàn)較早，分別在-20 ℃和-25 ℃處理，說明可溶性糖含量與多數(shù)植物的抗寒性呈正相關(guān)，峰值出現(xiàn)較晚，抗寒性較強。這與郁萬文對銀杏抗寒機理研究中隨著溫度持續(xù)降低，淀粉水解加劇，使細胞內(nèi)可溶性糖(如葡萄糖、蔗糖等)含量增加，提高細胞液的濃度，使冰點降低，減輕細胞的過度脫水的研究結(jié)果相一致。在-40 ℃處理中西伯利亞花楸與歐洲莢蒾可溶性蛋白含量分別高于對照11%、27%，這與姚勝蕊等對桃、王淑杰等對葡萄、周碧燕等對香蕉研究中抗寒性強的品種可溶性蛋白質(zhì)含量高,抗寒鍛煉中呈增加趨勢,抗寒性強的品種增加幅度大于抗寒性差的品種的研究結(jié)果相似。

大量的試驗證據(jù)表明,林木體內(nèi)脯氨酸的積累有多種生理意義,一是作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),用來保持原生質(zhì)體與環(huán)境的滲透平衡，二是穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu)、保持膜結(jié)構(gòu)的完整性。本研究中，西伯利亞花楸和天山花楸枝條脯氨酸含量第1個高值出現(xiàn)在-20 ℃處理，歐洲莢蒾枝條的脯氨酸含量高值出現(xiàn)在-25 ℃處理。持續(xù)低溫下3個樹種第2個高值均出現(xiàn)在-40 ℃處理中，其中脯氨酸含量最高為西伯利亞花楸，為0.016%；其次為歐洲莢蒾和天山花楸分別為0.013%和0.010%。表明西伯利亞花楸和歐洲莢蒾枝條受低溫脅迫的危害小于天山花楸，這與郁萬文對銀杏研究結(jié)果相似。

低溫脅迫下，膜脂中不飽和脂肪酸發(fā)生一系列自由基反應(yīng)，最終產(chǎn)物為MDA，而MDA 的過度累積，會促進自由基反應(yīng)，從而加重膜脂損害程度。本研究中，-40 ℃處理的天山花楸枝條的MDA含量較高，為0.089 μmol·g，說明其受低溫傷害程度較重；其次為西伯利亞花楸和歐洲莢蒾枝條，為0.005 8 μmol·g、0.004 0 μmol·g，表明歐洲莢蒾抗寒性強于其余2個樹種。這與張俊龍對蘭州地區(qū)5個杏品種抗寒性研究中抗寒性強的品種MDA的含量始終低于抗寒性弱的品種的研究結(jié)果相一致。

相對電導(dǎo)率是鑒定植物抗逆性強弱的重要指標，能夠反映細胞膜受損程度。本研究中，-40 ℃處理中西伯利亞花楸、天山花楸和歐洲莢蒾枝條相對電導(dǎo)率逐漸升高，導(dǎo)致枝條內(nèi)生理生化代謝紊亂，電解質(zhì)外滲。其中西伯利亞花楸枝條相對電導(dǎo)率較低，抗寒性較強。這與徐舒等在相同的脅迫環(huán)境下，甘薯薯苗受冷害程度小，相對電導(dǎo)率值就小，甘薯品種耐冷性較強的研究結(jié)果相一致。

綜上所述，本研究探討了西伯利亞花楸、天山花楸枝條和歐洲莢蒾等3個樹種8個相關(guān)生理生化指標在低溫脅迫下的變化特征，并采用隸屬函數(shù)法對其抗低溫能力進行了綜合評價，較為準確地比較了所選樹種抗低溫能力的大小。結(jié)果表明，3個樹種的平均隸屬度在0.410～0.500，抗低溫排序為西伯利亞花楸>天山花楸>歐洲莢蒾。