月季抗寒性研究進(jìn)展

張曉波

(遼寧省經(jīng)濟(jì)作物研究所,遼寧 遼陽 111000)

月季(Rosachinensis)屬薔薇科薔薇屬植物[1],因花型優(yōu)美、花色絢麗、花香濃郁、花期悠長等優(yōu)點(diǎn),深受人們喜愛,在全世界享有盛名,是我國十大傳統(tǒng)名花之一,也是日常生活中的重要花卉之一[2]。月季用途廣泛,是城市園林建設(shè)中優(yōu)良的綠化素材,盆景栽培、科學(xué)研究中重要的植物材料,在商業(yè)生產(chǎn)中也是價值較高的經(jīng)濟(jì)作物,我國各地均有種植[3]。月季生長適溫為16～25 ℃,氣溫低于 5 ℃ 時會進(jìn)入休眠,氣溫低于-15 ℃時則會發(fā)生凍害[4]。但我國幅員遼闊,南北方氣候差異巨大,北方地區(qū)的寒冷氣候嚴(yán)重制約了月季的推廣范圍及應(yīng)用效果。低溫是作物生長過程中重要的非生物脅迫因子,低溫環(huán)境下,月季植株的光合作用、細(xì)胞膜流動性及基礎(chǔ)代謝被降低,枝條及芽的生長受到抑制,造成新梢、葉片的凍害,甚至整株死亡[5]。為解決低溫脅迫對月季生產(chǎn)的影響,學(xué)者們在形態(tài)觀察、生理生化分析、品種篩選與鑒定評價以及抗寒基因的挖掘等各個層面,對月季耐寒性進(jìn)行大量研究。本文對近年來國內(nèi)外月季抗寒性研究結(jié)論進(jìn)行了梳理與總結(jié),以期為今后月季抗寒機(jī)制的深入研究以及抗寒品種的選育與鑒定提供參考。

1 月季抗寒種質(zhì)資源

早期月季育種專家對月季品種的培育目標(biāo)多集中在株型、花色、花形等觀賞性狀方面。直至上世紀(jì)30年代月季被分為溫室月季和露地月季,育種學(xué)家開始針對于環(huán)境需求選育月季新品種,抗寒月季品種資源相繼問世。1977年美國愛荷華州立大學(xué)的Griffith J. Buck培育出了能耐-38 ℃低溫的聚花月季品種‘Carefree Beauty Rose’。加拿大育出抗寒性很強(qiáng)的聚花月季新品種‘Mor-den Amorettie’和‘Morden Cardinette’[6]。1992年法國育種家培育出即可做大灌木也可作為矮藤本培養(yǎng)的耐寒月季品種Papi Delbard。同年英國的David Austin培育出的,為紀(jì)念英國女王登基40周年而命名月季品種‘Golden Celebration’也表現(xiàn)出優(yōu)異的抗寒特性。20世紀(jì)80年代末,我國學(xué)者黃善武等利用彎刺薔薇為父本,與多個現(xiàn)代月季品種進(jìn)行遠(yuǎn)緣雜交,先后選育出了‘天山之星’、‘天山白雪’、‘天山祥云’等一系列抗寒月季品種[6,7]。由哈爾濱師范大學(xué)劉鳴遠(yuǎn)教授利用自加拿大引進(jìn)的耐寒月季品種,培育出的‘哈錦1號’能耐-31 ℃的極低溫[8]。郭潤華等采用常規(guī)雜交方法,以新疆本地的野生疏花薔薇和國內(nèi)外優(yōu)異月季品種為親本,選育出了抗寒性強(qiáng)、觀賞價值高的月季品種‘94-4’和‘94-8’[9]。新疆石河子園林科研所利用彎刺薔薇、寬刺薔薇與現(xiàn)代月季進(jìn)行雜交,選育出的月季品系表現(xiàn)出極強(qiáng)抗寒性,可在-32 ℃低溫下安全地露地越冬[10,11]。

除了通過雜交手段獲得了諸多抗寒性月季品種外,學(xué)者們根據(jù)田間表現(xiàn)及生理指標(biāo)檢測結(jié)果在現(xiàn)有月季資源中鑒定評價出了一批抗寒能力強(qiáng)的品種。如:劉峰等在最低溫度為-10 ℃條件下對14 種切花月季抗寒性比較與評價,篩選出了抗寒性較強(qiáng)的切花月季品種‘影星’,以及其他10個抗寒性中等的切花品種[12]。李松等通過5 ～-10 ℃ 短暫低溫脅迫下抗寒生理指標(biāo)的變化,鑒定出了150 d季品種抗寒性的強(qiáng)弱依次為:‘卡羅拉’﹥‘法國紅’﹥‘影星’﹥‘坦尼克’﹥‘黑魔術(shù)’[13]。 朱曉非等以6個微型月季品種帶葉枝條為實(shí)驗(yàn)材料,比較篩選出了在上海乃至長三角地區(qū)抗寒性表現(xiàn)較強(qiáng)微型月季品種‘白珂斯特’[14]。通過研究低溫脅迫對地被月季生理特性以及抗氧化酶活性的影響,劉璐等評價出了3個品種地被月季的耐寒性依次為‘巴西諾’>‘紫微星’>‘白米農(nóng)’[15]。車代弟等通過含水量、電導(dǎo)率和可溶性蛋白含量的變化,在16個豐花月季品種中篩選出了7個抗寒性較強(qiáng)的月季品種[16]。張濤等在-10～-30 ℃的不同溫度的冷凍處理下,測定月季枝條電解質(zhì)滲出率、組織活力、枝條失水率、枝條存活率等,鑒定出 5 種藤本月季抗寒性為:‘紅梅朗’﹥‘多特蒙德’﹥‘雞尾酒’﹥‘瓦特大叔’﹥‘金秀娃’[17]。莊得鳳等在自然越冬和半露地越冬條件下進(jìn)行月季資源耐寒性調(diào)查,分別篩選出 20 個適合在遼陽市綠化觀賞應(yīng)用的耐寒月季品種和44個發(fā)枝力強(qiáng),長勢強(qiáng)健,可以嘗試應(yīng)用到北方城市園林綠化中的耐寒月季品種[18,19]。

2 月季抗寒生理機(jī)制研究

2.1 低溫脅迫與生物膜系統(tǒng)

植物細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)是一個生物膜體系,許多生命活動和生理功能都是在生物膜上進(jìn)行或與之密切相關(guān)。低溫脅迫使膜脂由液晶態(tài)變成凝膠態(tài),原生質(zhì)流動停止,通透性增大,膜內(nèi)的可溶性物質(zhì)、電解質(zhì)大量向膜外滲透,破壞了細(xì)胞內(nèi)外的離子平衡,導(dǎo)致植物細(xì)胞嚴(yán)重脫水而受到傷害[20～23],因此質(zhì)膜透性直接反映植物膜系統(tǒng)受傷的程度[24?。此外,低溫脅迫增加植物體內(nèi)活性氧含量,引發(fā)膜脂過氧化反應(yīng),使MDA大量積累,破壞膜的完整性,影響正常代謝[25～27]。低溫脅迫下,月季植株的相對電導(dǎo)率增大。劉璐等研究發(fā)現(xiàn),隨著溫度的降低,月季葉片相對電導(dǎo)率逐漸上升,-10 ℃ 時達(dá)到最大值[15]。孫龍生等在月季抗寒性與相對電導(dǎo)研究中發(fā)現(xiàn)在輕度低溫脅迫下(-10 ℃),供試品種間相對電導(dǎo)率無顯著差異,隨著溫度下降(-15 ℃以下),相對電導(dǎo)率差異顯著,說明電導(dǎo)率的差異在一定程度上反應(yīng)了品種間的抗寒性強(qiáng)弱[28]。車代弟等、朱曉菲等的研究結(jié)果也驗(yàn)證了上述結(jié)論。馬俊麗等研究發(fā)現(xiàn)不同溫度脅迫下供試60 d季品種的丙二醛含量變化均呈現(xiàn)出“先升后降再升”的變化趨勢,且峰值均出現(xiàn)在-5 ℃,之后持續(xù)下降,又分別在-20 ℃和-15 ℃達(dá)到谷值后持續(xù)上升,表明兩種月季均有較強(qiáng)的抗寒能力[14,16,29]。李松等研究了5 ～-10 ℃ 短暫低溫脅迫下月季葉片丙二醛(MDA)與品種抗寒性的關(guān)系發(fā)現(xiàn),低溫前期MDA含量增加,隨著脅迫加劇達(dá)到峰值后,抗寒性強(qiáng)的月季由于細(xì)胞內(nèi)活性氧清除能力較強(qiáng),其持續(xù)的清除作用又會使MDA含量降低,最終達(dá)到一個相對較低的水平,而抗寒性較弱的品種由于喪失了活性氧清除能力,隨著低溫脅迫的加劇其體內(nèi)的 MDA 含量繼續(xù)增加[13]。

2.2 低溫脅迫與抗氧化酶系統(tǒng)

低溫脅迫會使植物體內(nèi)活性氧(AOS)大量積累,活性氧增多加劇膜脂過氧化反應(yīng),引起膜蛋白變性,導(dǎo)致植物受到傷害甚至死亡[30,31]。月季植株體內(nèi)的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶系統(tǒng)通過清除有害活性氧來保護(hù)植株,減輕低溫對植株的損害。馬俊麗等設(shè)置6種不同低溫處理,測定分析低溫脅迫下月季葉片POD活性變化呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢;SOD活性一直處于較高的狀態(tài),表明在溫度較低的情況下,兩種酶發(fā)揮著清除活性氧的作用[29]。李楠研究發(fā)現(xiàn),低溫鍛煉初期,月季自身保護(hù)功能啟動,植株SOD、POD活性略有下降;隨著溫度的繼續(xù)降低,兩種酶活性升高以應(yīng)對低溫脅迫的影響;但當(dāng)溫度降低到一定程度后,植物細(xì)胞受到不可逆的傷害,兩種酶活性下降[32]。唐麗等研究表明,低溫脅迫下大花樹狀月季枝條中SOD、POD、CAT酶活性的變化均與氣溫變化呈相反趨勢,其中SOD、POD含量呈現(xiàn)先升后降的趨勢,CAT酶活性隨著溫度的降低而升高,在溫度達(dá)到最低時,各處理的CAT活性都達(dá)到最大值[33]。劉璐等低溫處理3種地被月季結(jié)果表明,隨著低溫脅迫強(qiáng)度的增加,月季葉片POD和SOD酶活性均會顯著增大。隨溫度降低,POD 酶活性增加幅度要大于SOD,說明在地被月季受低溫脅迫時POD酶清除細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基起到主要作用,SOD酶對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能起輔助保護(hù)作用[15]。

2.3 低溫脅迫與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸是植物體內(nèi)主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),低溫脅迫下這些物質(zhì)的積累可為植物抵抗逆境生理生化反應(yīng)提供底物和能量,進(jìn)而提高植物抗寒性[34]。朱曉菲等發(fā)現(xiàn),隨著處理溫度的降低,月季葉片可溶性糖含量增加,在相同條件下耐寒月季體內(nèi)可溶性糖含量明顯高于不耐寒月季[14]。李楠在對150 d季品種進(jìn)行抗寒性比較中發(fā)現(xiàn),隨著溫度的逐漸降低,植株可溶性蛋白的含量呈上升趨勢,蛋白質(zhì)含量對提高細(xì)胞液濃度和維持細(xì)胞在低溫下的正常功能起重要作用[32]。唐麗等對大花樹狀月季抗寒指標(biāo)進(jìn)行測定,發(fā)現(xiàn)各處理在經(jīng)過冬季低溫后,可溶性糖與游離脯氨酸含量隨著溫度的降低而升高,二者含量的高低與月季抗寒性呈正相關(guān),其中游離脯氨酸含量與抗寒性間呈極顯著正相關(guān)[33]。劉璐等在地被月季低溫脅迫的生理相應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn),隨著溫度降低地被月季可溶性蛋白質(zhì)含量逐漸上升,游離脯氨酸含量變化趨勢與可溶性蛋白質(zhì)變化趨勢基本一致,均隨溫度降低呈現(xiàn)出小幅度上升趨勢[15],它們的積累能提高細(xì)胞保水力,增強(qiáng)抗氧化能力,保護(hù)生物膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性[35]。

3 月季抗寒分子機(jī)制研究

植物抗寒性是由微效多基因控制的數(shù)量性狀,抗寒基因主要分為與抗寒直接相關(guān)的功能基因,以及調(diào)控抗寒基因表達(dá)和信號傳導(dǎo)的調(diào)控基因[36～39]。功能基因包括冷誘導(dǎo)基因、脂肪酸去飽和酶基因和抗氧化酶基因等對細(xì)胞膜起保護(hù)作用的基因[40～42],目前在月季抗寒研究中鮮有報道。隨著植物逆境信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子生物學(xué)研究的深入,調(diào)控基因中的轉(zhuǎn)錄因子( Transcription factor,TF) 在植物抗寒過程中的作用越來越受到重視[43],學(xué)者們分離鑒定出了與植物抗寒相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子,如AP2 /EREBP、WRKY、 MYB、bZIP、NAC 和 Zinc-finger 等[44～46]。低溫脅迫誘導(dǎo)這類轉(zhuǎn)錄因子大量表達(dá),提高植物的抗寒性[47]。Chen等利用擬南芥rd29A 啟動子驅(qū)動蒺藜苜蓿Mt-DREB1C基因在月季中過表達(dá)發(fā)現(xiàn),獲得具有低溫抗性的月季[48]。王法微從抗寒月季‘哈錦4號’中分離并克隆了一個新的CBF基因[49]。翟俊峰等通過對月季CBF轉(zhuǎn)錄因子基因的克隆及表達(dá)分析,結(jié)果顯示低溫可以誘導(dǎo)RhCBF的表達(dá)[50]。Liu等基于基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)在月季中發(fā)現(xiàn)56 個WRKY 轉(zhuǎn)錄因子[51]。目前,月季轉(zhuǎn)錄因子的研究多集中在生長發(fā)育的各個環(huán)節(jié),在非生物脅迫特別是耐低溫的分子機(jī)制方面研究較少,今后一段時間關(guān)于月季逆境信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子生物學(xué)以及解析不同轉(zhuǎn)錄因子之間的交互作用,或?qū)⒊蔀樵录究购I(lǐng)域研究的關(guān)鍵。

4 月季抗寒栽培技術(shù)研究

月季主要抗寒栽培措施有埋土覆蓋、整枝修剪、肥水管理、藥劑處理等,適宜的栽培措施能夠有效提升月季對低溫脅迫的耐受能力,減輕自然低溫對其造成的傷害。郭偉等進(jìn)行了豐花月季在沈陽地區(qū)防寒越冬的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明加有機(jī)質(zhì)墊層玉米稈3～4層,覆土10 cm密合縫隙可使豐花月季在沈陽地區(qū)安全越冬[52]。于新海等在長春地區(qū)現(xiàn)代月季露地越冬的方法研究中發(fā)現(xiàn),澆灌凍水是月季越冬的核心內(nèi)容之一,濕潤土層深度在30～40 cm,月季安全越冬效果良好。此外在濕潤土層上進(jìn)行埋土防寒處理,每增加10 cm 防寒土厚度,溫度可提高1 ℃[53]。張延歌通過對越冬后月季葉芽特征、花朵質(zhì)量和生長勢觀察發(fā)現(xiàn),施用磷鉀肥的處理防寒越冬效果較好[54]。于新海的研究中也得出同樣的結(jié)論,說明養(yǎng)分回流是月季抗寒栽培的關(guān)鍵,越冬前控氮促磷鉀的施肥措施,在一定程度上抑制了秋梢徒長,同時保證植株養(yǎng)分儲備,提高月季抗寒能力。月季抗寒整枝修剪技術(shù)同樣要遵循促進(jìn)枝條養(yǎng)分充分回流樹體的基本原則,過早或過晚均對越冬不利,修剪應(yīng)在接近休眠而尚未休眠前進(jìn)行。在剪枝方法上學(xué)者們的觀點(diǎn)略有差異。于海鷹等認(rèn)為月季植株的老枝僅留一個芽,齊基剪除弱枝、枯枝、病枝及過密枝,不易遭受凍害[55]。唐麗等研究發(fā)現(xiàn),在月季二次花后對枝葉進(jìn)行重度修剪2/3,枯葉期前后補(bǔ)充修剪,結(jié)合施肥與冬灌的抗寒栽培措施,月季越冬效果良好[35]。郭偉等試驗(yàn)表明,保留豐花月季地上部分15 cm進(jìn)行修剪,防止上部枝條水分抽干,可使其在沈陽地區(qū)露地安全越冬[52]。于新海等研究表明,不同種類月季的修剪方式各有不同,1～2年生、微型和地被月季類,重剪2/3,地上部枝條保留5 cm左右,留3～4 個主枝,剪除枯枝、細(xì)弱枝;多年生、樹狀和藤本月季輕剪1/4左右,保留主干和樹冠,剪除多余的橫生、細(xì)弱、枯死和受病枝條,使主干和樹冠比例協(xié)調(diào)[55]。除上述物理方法對月季抗寒能力的提高外,外源物質(zhì)可以通過直接和間接作用,提高植物的耐寒性[36,56～57]。孫佩佩利用叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)接種月季,發(fā)現(xiàn)AMF通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和氮磷鉀含量,降低膜透性和MDA含量,提高抗氧化系統(tǒng)清除活性氧的能力,從而增強(qiáng)切花月季對低溫脅迫的耐受能力[58]。

5 結(jié)語

月季基因型的高度雜合性,使其遺傳基礎(chǔ)非常復(fù)雜,加之抗寒是由微效多基因控制的數(shù)量性狀,使得月季抗寒性研究面臨巨大挑戰(zhàn)。目前,月季抗寒機(jī)制的研究多集中在生理層面,隨著現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展,抗寒分子機(jī)制研究進(jìn)一步加強(qiáng),月季抗寒基因遺傳位點(diǎn)的挖掘及抗寒基因的應(yīng)用將成為新的研究熱點(diǎn)。通過分子設(shè)計育種手段更加高效地進(jìn)行抗寒性月季新品種的培育,也將使抗寒月季遺傳基礎(chǔ)更加豐富。結(jié)合抗寒新技術(shù)、新材料的開發(fā)與應(yīng)用,月季抗寒性研究將會取得突破性進(jìn)展。