不同品種觀賞海棠抗寒性的研究

摘要：為探究不同觀賞海棠品種對低溫脅迫的相應(yīng)性差異，綜合評價(jià)其抗寒能力，為我國北方寒冷地區(qū)的觀賞海棠栽植提供參考。以6個(gè)觀賞海棠品種的一年生枝條為材料，設(shè)置了0 ℃低溫脅迫，測定電導(dǎo)率、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、脯氨酸含量及SOD、POD和CAT活性等7個(gè)生理指標(biāo)，并運(yùn)用主成分分析和聚類分析進(jìn)行綜合評價(jià)，比較不同品種的抗寒能力。結(jié)果表明，電導(dǎo)率、可溶性蛋白質(zhì)含量，SOD活性等7個(gè)生理指標(biāo)在6個(gè)觀賞海棠品種之間存在明顯的差異性；相關(guān)性分析表明，電導(dǎo)率、可溶性蛋白質(zhì)與可溶性糖、脯氨酸、SOD、POD和CAT之間均存在不顯著的負(fù)相關(guān)性，SOD與POD、CAT之間呈正相關(guān)性。應(yīng)用主成分分析，提取到3個(gè)主成分，其特征值分別為2.739、1.841和1.405，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85.489 %，影響抗寒性的主要指標(biāo)為可溶性糖含量、脯氨酸含量、SOD、POD和CAT活性。6個(gè)觀賞海棠品種的抗寒性依次為：‘雞心果’gt;‘紅葉’gt;‘王族’gt;‘大葉北美’gt;‘牡丹’gt;‘紅寶石’。聚類分析表明，6個(gè)觀賞海棠品種的抗寒性可分為4類，分別為很強(qiáng)、強(qiáng)、弱、較弱。綜合評價(jià)說明，‘雞心果’、‘王族’的抗寒性很強(qiáng)，‘紅葉’的抗寒性強(qiáng)，‘大葉北美’的抗寒性弱，‘牡丹’、‘紅寶石’的抗寒性較弱。

關(guān)鍵詞：觀賞海棠；低溫脅迫；抗寒性；主成分分析；聚類分析

Study on cold resistance of different varieties of Ornamental Crabapple

Zhang Peng-ju1， Zhou De-feng1， ZhangZhi-bin1， Cao Xiao-dong1， Han Duo-hong2

（1. "Hexi University，College of life sciences and engineering，Zhangye "734000，China；2. "Forest Farm of Xichengyi，Zhangye "734000， China ）

Abstract： In order to explore the corresponding differences of different ornamental crabapple varieties under low temperature stress， and comprehensively evaluate their cold resistance， it provides reference for ornamental crabapple planting in cold areas in northern China. The annual branches of 6 cultivars were subjected to 0℃low temperature stress， and 7 physiological indexes such as electrical conductivity， soluble protein， soluble sugar， proline content and SOD， POD and CAT activities were determined. Principal component analysis and cluster analysis were used for comprehensive evaluation to compare the cold resistance of different cultivars. The results showed that electrical conductivity， soluble protein content and SOD activity were significantly different among the 6 cultivars. Correlation analysis showed that conductivity， soluble protein and soluble sugar， proline， SOD， POD and CAT were not significantly negatively correlated， while SOD was positively correlated with POD and CAT. Three principal components were extracted by principal component analysis， and their eigenvalues were 2.739， 1.841 and 1.405， respectively. The cumulative variance contribution rate reached 85.489%. The main indexes affecting cold resistance were soluble sugar content， proline content， SOD， POD and CAT activity. Six varieties of ornamental crabapple hardiness in the order： 'Ji xin guo' gt; 'Hong ye' gt; 'Wang zu' gt; 'Da ye bei mei' gt; 'Mu dan' gt; 'Hong bao shi'. The cluster analysis showed that the cold resistance of 6 ornamental begonia varieties could be divided into 4 categories， which were strong， strong， weak and weak respectively. The comprehensive evaluation shows that the cold resistance of 'Ji xin guo' and 'Wang zu' is very strong， the cold resistance of 'Hong ye' is strong， the cold resistance of 'Da ye bei mei' is weak， and the cold resistance of 'Mu dan' and 'Hong bao shi' is weak.

Key words：Ornamental Crabapple；low temperature stress；cold resistance；principal component analysis；Cluster analysis

海棠（Malus spp.）為薔薇科（Rosaceae）蘋果屬（Malus Mill.）落葉灌木或小喬木，為我國著名觀賞樹種[1]。我國海棠資源豐富，種植歷史達(dá)千余年之久，因其花朵艷麗，果實(shí)鮮甜、營養(yǎng)價(jià)值高，具有較強(qiáng)的抗逆性和環(huán)境適應(yīng)性，如耐貧瘠、耐寒、耐旱等，廣受大眾喜愛并在城鄉(xiāng)綠化和各種園林景觀中得到了廣泛應(yīng)用[2-4]。

低溫脅迫是影響植物生長的地理分布情況、生長發(fā)育情況及其產(chǎn)量的一種較為常見的非生物脅迫[5]。在嚴(yán)重低溫脅迫下會導(dǎo)致植物無法正常生長發(fā)育甚至造成死亡，故研究植物抗寒性對地域植株配植具有非常重要的意義[6]。目前，我國有關(guān)海棠的研究多集中于引種栽培、觀賞性等方面[7-10]，但對其抗性，特別是抗寒性的研究比較缺乏。為研究不同品種海棠抗寒性之間的差異及其在河西走廊的適應(yīng)性，以本地區(qū)栽培的6個(gè)觀賞海棠品種為材料，通過模擬低溫脅迫，測定其7個(gè)與抗寒性相關(guān)的生理指標(biāo)，采用相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析法，對6個(gè)觀賞海棠品種的抗寒性進(jìn)行綜合評價(jià)，旨在為觀賞海棠的品種選育、引種及栽培防寒等提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

在張掖市甘州區(qū)西城驛林場中，選擇長勢旺盛，8年生健康植株進(jìn)行材料采集，6個(gè)觀賞海棠品種分別為‘紅葉’、‘牡丹’、‘王族’、‘紅寶石’、‘雞心果’和‘大葉北美’。于10月采集莖粗一致，長度一致（12 cm）的1年生半木質(zhì)化枝條，于0 ℃下低溫處理24 h后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測定。

1.2指標(biāo)測定與方法

將采集的6個(gè)品種觀賞海棠枝條進(jìn)行整理并編號，對其0 ℃低溫脅迫處理24 h，然后測定各枝條生理指標(biāo)。愈創(chuàng)木酚法測定其過氧化物酶（POD）的活性，氮藍(lán)四唑光化還原法測定其超氧化物歧化酶（SOD）的活性，紫外吸收光法測定其過氧化氫酶（CAT）的活性[11]；蒽酮比色法測定其可溶性糖的含量，茚三酮比色法測定其脯氨酸的含量，考馬斯亮藍(lán)法測定其可溶性蛋白的含量，電導(dǎo)儀測定其電導(dǎo)率[12]。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行處理，用SPSS 26.0進(jìn)行方差分析、聚類分析和主成分分析，統(tǒng)計(jì)分析采用單因素ANOVA的LSD比較處理間差異顯著性（α=0.05），Pearson法進(jìn)行相關(guān)性分析，用Origin 23.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫下不同觀賞海棠品種電導(dǎo)率、可溶性糖等生理指標(biāo)分析

電導(dǎo)率能反映植物受到低溫脅迫時(shí)細(xì)胞膜的受損程度，可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖和脯氨酸的含量均是植物抗逆境研究中的重要生理指標(biāo)，當(dāng)植物受到低溫逆境脅迫時(shí)，這些物質(zhì)作為植物細(xì)胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可提高植物體內(nèi)束縛水含量防止植物細(xì)胞過度脫水并降低冰點(diǎn)，從而增強(qiáng)植物的抗寒性。由表1可知，在低溫脅迫下，6個(gè)觀賞海棠品種枝條的電導(dǎo)率在11.82～26.91%之間，其中‘紅寶石’的電導(dǎo)率最大，而‘紅葉’和‘牡丹’的電導(dǎo)率較小，且二者間無顯著性差異（P＞0.05）；‘王族’和‘紅葉’中的可溶性蛋白質(zhì)均低于4.50mg·g-1，二者間無顯著性差異（P＞0.05），其余品種的可溶性蛋白質(zhì)均較高，在7.31～8.16mg·g-1之間，但各品種間不存在顯著性差異（P＞0.05）；‘紅葉’、‘大葉北美’、‘雞心果’和‘王族’中的可溶性糖含量均較高，在33.41～36.92μg·g-1之間，‘牡丹’和‘紅寶石’的可溶性糖含量均低于30.00μg·g-1；‘雞心果’和‘王族’中的脯氨酸較高，其中‘雞心果’的最高（10.23μg·g-1），‘紅寶石’的最低（3.65μg·g-1），其余品種在6.89～8.43μg·g-1之間。

由表1可知，在低溫脅迫下，不同觀賞海棠品種中的SOD活性在76.37～99.70U·g -1之間，POD活性在91.73～418.13U·g -1之間，CAT活性在14.72～19.86U·g -1之間，說明各品種之間的保護(hù)酶活性存在差異性，導(dǎo)致了各品種的抗寒性不同。6個(gè)品種的SOD、CAT活性差異性較小，SOD活性最大品種‘紅寶石’為最小品種‘大葉北美’的1.31倍，CAT活性最大品種‘雞心果’為最小品種‘大葉北美’的1.28倍；但POD活性差異性較大，最大品種‘紅葉’為最小品種‘雞心果’的4.56倍。

2.2 低溫脅迫下不同觀賞海棠品種電導(dǎo)率、可溶性糖等生理指標(biāo)的相關(guān)性

由表2所做的相關(guān)性分析可知，觀賞海棠枝條中的電導(dǎo)率、可溶性蛋白質(zhì)與可溶性糖、脯氨酸、SOD、POD和CAT之間均存在負(fù)相關(guān)性，電導(dǎo)率與可溶性蛋白質(zhì)之間呈正相關(guān)性，但相關(guān)性均不顯著（P＞0.05）；脯氨酸與SOD、POD和CAT之間均呈負(fù)相關(guān)性，但相關(guān)性均不顯著（P＞0.05）；SOD與POD、CAT之間呈正相關(guān)性，說明保護(hù)酶之間可以相互促進(jìn)，協(xié)同發(fā)揮作用。

2.3 低溫脅迫下不同觀賞海棠品種生理指標(biāo)的主成分分析

對低溫脅迫下不同觀賞海棠的抗寒性進(jìn)行主成分分析，將7個(gè)生理相關(guān)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，對負(fù)相關(guān)指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行1-X處理，進(jìn)行主成分分析。由表3可知，前3個(gè)PC的累積貢獻(xiàn)率為85.489%，且特征值均大于1，故提取得到3個(gè)主成分（PC1～PC3），其特征值分別為2.739、1.841和1.405。PC1方差貢獻(xiàn)率為39.130%，PC2方差貢獻(xiàn)率為26.293%，PC3方差貢獻(xiàn)率為20.066%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85.489 %，符合分析要求。由表4可知，與PC1呈正載荷的各代表性指標(biāo)中可溶性糖貢獻(xiàn)率最大，其載荷值為0.930，其次為脯氨酸含量，其載荷值為0.842；與PC2呈正載荷的各代表性指標(biāo)中POD貢獻(xiàn)率最大，其載荷值為0.531，其次為CAT，其載荷值為0.473，在次為SOD，其載荷值為0.436；與PC3呈正載荷的各代表性指標(biāo)中CAT貢獻(xiàn)率最大，其載荷值為0.678，其次為脯氨酸，其載荷值為0.512；由主成分載荷矩陣結(jié)果可得出，影響觀賞海棠抗寒性的主要指標(biāo)為可溶性糖含量、脯氨酸含量、SOD活性、POD活性和CAT活性。

對3個(gè)PC構(gòu)建得分模型，分別計(jì)算各PC得分，以各PC的相對方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，對3個(gè)PC得分權(quán)重進(jìn)行加和，建立綜合評價(jià)模型：F＝0.458F1+0.308F2+0.235F3，F(xiàn)1=-0.137ZX1-0.145ZX2+0.562ZX3+0.509ZX4-0.543ZX5+0.075ZX6-0.293ZX7，

F2=-0.512X1-0.587X2+0.091ZX3+0.081ZX4+0.321ZX5+0.391ZX6+0.349ZX7，

F3=0.039X1-0.069X2+0.029ZX3+0.432ZX4+0.039ZX5-0.691ZX6+0.572ZX7，

其中ZX1～ZX7均為歸一化之后處理的數(shù)據(jù)。F1～F3表示不同觀賞海棠抗寒性PC1～PC3的得分，F(xiàn)表示不同品種綜合得分（見表5）。綜合得分反映各觀賞海棠品種抗寒性的優(yōu)劣，對F值進(jìn)行降序排名，表明不同觀賞海棠品種的抗寒性依次為：‘雞心果’gt;‘紅葉’gt;‘王族’gt;‘大葉北美’gt;‘牡丹’gt;‘紅寶石’。

2.4 低溫脅迫下不同觀賞海棠品種抗寒性的聚類分析

對6個(gè)觀賞海棠品種的7個(gè)抗寒性相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，將抗寒能力相近的海棠品種聚為一類。根據(jù)結(jié)果顯示（見圖1），其可分為4類，第1類有‘王族’、‘雞心果’，其抗寒性最強(qiáng)；第2類有‘大葉北美’，獨(dú)為一類，其抗寒性較弱；第3類有‘紅葉’，也獨(dú)為一類，但其抗寒性強(qiáng)，抗寒性綜合排名第2；第4類有‘牡丹’、‘紅寶石’，其抗寒性最弱。

3 討論

在植物細(xì)胞抗寒性研究當(dāng)中，相對電導(dǎo)率的變化是一項(xiàng)重要的生理指標(biāo)。在對結(jié)縷草及香蕉幼苗等植物低溫脅迫的研究中，均表明在低溫脅迫下相對電導(dǎo)率越大，植物的抗寒性就越弱[13-14]。在一定程度低溫脅迫下植物體內(nèi)可溶性蛋白、可溶性糖、游離脯氨酸的含量越高，植物的抗寒性就越強(qiáng)[15]。本研究表明，6個(gè)觀賞海棠品種中，電導(dǎo)率、可溶性蛋白質(zhì)含量等指標(biāo)存在品種之間的差異性；其中，‘紅葉’的電導(dǎo)率、可溶性蛋白質(zhì)含量較低，可溶性糖含量較高；‘王族’的可溶性蛋白質(zhì)含量較低，可溶性糖和脯氨酸含量較高；‘雞心果’的可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖和脯氨酸含量均較高；‘紅寶石’的電導(dǎo)率最大，脯氨酸含量最低，可溶性糖含量也較低。綜合比較，說明‘紅寶石’的抗寒性較差，‘雞心果’的抗寒性較好。

SOD、POD、CAT是植物細(xì)胞受到低溫脅迫時(shí)主要的抗氧化酶，其加強(qiáng)植物抗氧化能力進(jìn)而提高植物體的抗逆性，在一定程度內(nèi)其活性越高，植物體抗寒性越強(qiáng)。本研究中，在低溫脅迫下不同觀賞海棠品種的SOD等保護(hù)酶活性存在差異性，可能導(dǎo)致了各品種的抗寒性不同。其中，6個(gè)品種的SOD、CAT活性差異性較小，但POD活性差異性較大。相關(guān)性分析表明，電導(dǎo)率、可溶性蛋白質(zhì)與可溶性糖、脯氨酸、SOD、POD和CAT之間均存在負(fù)相關(guān)性，但相關(guān)性均不顯著（P＞0.05）；SOD與POD、CAT之間呈正相關(guān)性，說明保護(hù)酶之間可以相互促進(jìn)，協(xié)同發(fā)揮作用。

主成分分析表明，觀賞海棠的7個(gè)生理相關(guān)指標(biāo)中，可提取得到3個(gè)主成分（PC1～PC3），其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85.489 %，影響抗寒性的主要指標(biāo)為可溶性糖含量、脯氨酸含量、SOD活性、POD活性和CAT活性。6個(gè)觀賞海棠品種的抗寒性依次為：‘雞心果’gt;‘紅葉’gt;‘王族’gt;‘大葉北美’gt;‘牡丹’gt;‘紅寶石’。聚類分析表明，6個(gè)觀賞海棠品種的抗寒性有明顯的差異性，可分為4類，分別為很強(qiáng)、強(qiáng)、弱、較弱。

4 結(jié)論

6個(gè)觀賞海棠品種的抗寒性存在明顯的差異性，‘雞心果’的抗寒性最強(qiáng)，‘紅寶石’的抗寒性最弱。‘雞心果’、‘王族’的抗寒性很強(qiáng)，‘紅葉’的抗寒性強(qiáng)，‘大葉北美’的抗寒性弱，‘牡丹’、‘紅寶石’的抗寒性較弱。

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