果樹抗寒性研究進展

倪志華　陳團顯　朱　博等

我國果樹種質資源豐富,栽培面積廣闊,周期性的低溫凍害給果樹的生產帶來了嚴重的損失。國內外許多學者已在果樹抗寒機理、抗寒生理、抗寒性鑒定及抗寒資源評價等領域做了大量研究工作并取得了良好的進展。筆者綜述了果樹凍害特征、抗寒研究內容、抗寒性評價方法,并展望果樹抗寒性今后的研究方向。

1果樹凍害癥狀

1.1 枝條凍害

枝條褐變是果樹常見的凍害癥狀。枝條中各組織的抗寒性有差異,不同年齡枝條對低溫的忍受程度也不一致。呂仕洪[1]等研究認為,未成熟的枝條和嫩梢受害后很快萎蔫,而老熟的枝條則由綠色逐漸變成淺黃褐色至紫色或黑色,受害愈重顏色愈深;表皮較易剝離,木質部及髓心由淺黃色至淺褐色。宋洪偉[2]鑒定蘋果種質資源抗寒性觀察到,不同低溫凍害當年生枝條的組織抗寒力有差異。髓及髓射線最先發生凍害,依次為原生木質部、后生木質部、皮層、形成層。

1.2 根系凍害

果樹根系生長在地下,凍害不易察覺,然而根系凍害對地上部的影響非常明顯。根系受凍,外表表現為皮部變褐,皮部與木質部分離,甚至完全脫落。栽培品種根系抗寒力較弱,因而果樹常嫁接繁殖,因為砧木的抗寒力比栽培品種強。

1.3 花芽凍害

花芽凍害,有時全部花芽枯萎,有時局部枯萎,呈畸形花;有時柱頭變褐,失去授粉能力。趙習平[3]研究杏樹發現,萌動的芽遭受霜凍后,外觀變褐色或黑色、鱗片松散、不萌發,隨后干枯脫落;花蕾期和花期遇霜凍,由于雌蕊不耐寒,輕霜即可凍壞雌蕊,而花朵照常開放,稍重時可凍壞雄蕊,嚴重時花瓣變色脫落。郭長城(1983)調查梨樹花芽凍害指出,低溫過后,化凍時期,遇到回寒,花軸維管束受凍變褐,阻礙了水分、養分的輸導,使花器官枯萎;有時花軸的髓部受凍變褐,只要花軸維管束未受凍,花芽還可以恢復生長、開花。

2果樹抗寒性研究的主要測定指標

2.1 形態特征

抗寒性不同的樹種,其形態特征上有一定的差異。郭守華[4]等研究指出,與“早鳳王”和其它品種相比,“麗紅”桃越冬枝條的表面具有一層明顯的蠟質薄膜,對于保存體內水分具有重要作用,這無疑是休眠期抗寒性較強的結構基礎。

2.2 組織結構特征

很多研究發現,葉片組織緊密度(CTR值)與其種類的抗寒性密切相關;疏松海綿組織的百分比與抗寒性呈負相關。彭偉秀[5,6]等研究認為,杏品種抗寒性與葉片組織緊密度成正相關,與疏松海綿組織厚度的指數(SR值)成負相關;木質部所占比例越大,皮層所占比例越小,品種的抗寒性越強,反之則品種的抗寒性越弱,因此,可以把木質部和皮層在莖的結構中所占比率作為杏樹抗寒性的一個組織結構指標。吳國良[7]等認為在核桃實生選種中,對實生幼樹測定其葉片細胞結構緊密度值或測其葉細胞膜透性值(CMP),均可直觀地反映出樹體抗寒性強弱。王麗雪[8]等(1994)以顯微化學觀察表明,抗寒強的葡萄種類(如山葡萄、貝達) 其枝條木栓層厚,細胞層數多,木栓化程度高。應用切片技術和電鏡技術對葡萄根系的組織結構觀察表明, 抗寒種類、品種組織比較緊密、導管小而密度低;射線發達,木質部比例高。吳林[9]等根據對越橘葉片解剖結構的觀察及參數測定結果和田間觀察結果,初步推斷越橘的柵欄組織/ 海綿組織厚度之比越大、疏松海綿組織厚度與葉片厚度的比值越小的品種抗寒性越強。

2.3 生理生化指標

2.3.1束縛水和自由水與抗寒性關系。自由水和束縛水在植物體內含量的比例,經常隨外界條件的變化而發生改變。紀忠雄(1983)在柑桔抗寒性的生理生化指標研究中指出,在整個越冬期間根據不同品種束縛水的含量隨著溫度的升降而發生變化,但抗寒性強的品種變化不大,變異系數小,為1.92%,表現出相對穩定;抗寒性弱的品種變化幅度大,變異系數大,為8.38%,且變化規律不明顯,然而在整個越冬期間無論溫度高低,束縛水/自由水的比例與抗寒性強弱有明顯的關系,比例大的抗寒性強。束縛水是細胞內親水性大分子物質強烈結合的水,它保證原生質膠體的穩定性具有重要作用。因此通過對植物組織自由水和束縛水的測定,可以間接地了解植物對低溫的適應能力。

無論是枝條還是休眠芽,“早鳳王”的總含水量均稍高于“麗紅” ;但從束縛水含量來看,“麗紅”硬枝條為81% ,休眠芽為97.2%;“早鳳王”硬枝條為73.6% ,休眠芽為84.1%;“麗紅”均明顯高于“早鳳王”。尤其是休眠芽的束縛水含量,“麗紅”比“早鳳王”高出13.1% , 這無疑使其在抗低溫能力上獲得了極大優勢[4]。黃永紅[10]等對紅豐、駱駝黃及凱特杏3個品種樹體中上部的1年生枝條內的自由水與束縛水比值進行研究,結果表明:不同品種的束縛水與自由水比值差異較大,該比值的大小是衡量植物抗性的重要指標,束縛水與自由水比值大的表明束縛水含量較多,其抗性較強。

2.3.2電解質滲出率與抗寒性研究。當果樹受到低溫影響時,細胞的質膜透性會變大,引起電解質的外滲。李勃[11](2006年)等表明供試的櫻桃砧木枝條電解質滲出率隨著溫度的降低總體呈上升趨勢, 其中Gisela5、Gisela6 和山櫻桃的電解質滲出率變化明顯呈S形曲線。溫度開始下降時電解質滲出率緩慢增大, 隨著溫度的繼續下降, 電解質滲出率增加很快, 到-35℃以后, 電解質滲出率上升又趨于平緩。王勇[12]等對核桃抗寒性差異比較時認為,可以-25℃處理時的枝條電解質滲出率作為參考;不同核桃品種枝條電解質滲出率隨處理溫度降低而增加,但增加幅度在不同處理溫度下品種間有一定差異;品種間和處理溫度間均存在極顯著差異,不同樹齡間存在顯著差異,但沒有達到極顯著水平。王文舉[13]等應用電導法分析7個鮮食葡萄品種在不同低溫條件下的電導率變化,結果表明,低溫處理下,鮮食葡萄組織電解質滲出率增加呈S形曲線增長,在-25~-15℃之間隨著溫度的下降,葡萄組織電解質滲出率有一急劇升高的敏感區域;葡萄低溫半致死溫度(LT50)在-19.72~- 13.9℃之間;京秀、矢富羅莎抗凍性最強,美人指抗凍性最弱。

郝麗娟[14]在對不同杏品種的抗寒性研究時指出,相對電導率越大,受損程度越大,即表明該品種的抵抗外界傷害的能力越弱,因此也就越容易受到寒害的影響;相對電導率越小,表明杏的抗寒能力越強。杏幼果經不同低溫處理后,其電解質滲出率隨處理溫度的降低呈上升趨勢,利用電解質滲出率配合Logistic方程確定了供試杏幼果的低溫半致死溫度(LT50),LT50越低抗寒性越強[15]。曲柏宏[16]等研究認為,蘋果一年生枝條在低溫處理梯度范圍內,電解質滲出率與傷害率和溫度均呈顯著的負相關,相關系數(r)> 0.90。電解質滲出率與傷害率越大,說明細胞膜在受到低溫損害后的電解質外滲越多,果樹受到低溫傷害就越嚴重。

2.3.3保護酶系統的活性與抗寒性關系。植物體內存在著活性氧和自由基的清除劑保護酶系統,如過氧化物酶( POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)等,能消除這種毒害,維持細胞膜穩定。POD是植物細胞的保護性酶,在維持膜系統穩定性方面有持久的作用。SOD作為清除超氧物陰離子自由基(O2-) 的重要酶類,其活性的大小可以反映細胞對逆境的適應能力。

對葡萄不同種類品種,不同季節及人工鍛煉后過氧化物酶(POD)活性及同功酶譜研究表明,在抗寒鍛煉過程中,隨著秋季溫度的降低,POD活性逐漸提高[17]。同時發現POD同功酶具有典型的多態性,深冬時抗寒品種比不抗寒品種多1~2條同功酶帶[18]。對9種抗寒力不同的葡萄研究表明,超氧化物歧化酶(SOD) 普遍存在于葡萄中,在生長季節各種類品種間SOD同功酶譜帶基本相同,隨著秋季氣溫降低和日照時數縮短,酶活性增強,抗寒種類品種譜帶數增加較多[19]。

郭守華[4]等,對經過低溫處理的桃花剝取雌蕊, 測定“麗紅”與“早鳳王”桃花雌蕊SOD、POD活性,結果表明: 兩品種低溫下的SOD、POD活性均明顯高于室溫,隨著低溫脅迫時間的延長,SOD、 POD活性均開始下降,且“麗紅”SOD、POD活性經低溫處理后均高于“早鳳王”。

2.3.4可溶性蛋白和游離脯氨酸與抗寒性關系。研究發現低溫脅迫會引起植物細胞中可溶性蛋白質含量發生變化, 并有特異蛋白的產生,且與植物的抗寒性密切相關[20]?？购詮姷男悠贩N可溶性蛋白含量從12月到1月急劇增加,增加趨勢非常明顯。在北方最寒冷的1月份,抗寒性強的杏樹品種可溶性蛋白含量明顯優于抗寒性弱,且抗寒性強的品種蛋白含量始終高于抗寒性弱的品種[21]。黃永紅等對紅豐、駱駝黃及凱特杏3個品種樹體中上部的1年生枝條內的可溶性蛋白質進行研究,結果表明:杏品種的可溶性蛋白含量在-35℃以前變化趨勢比較平緩,-35℃以下蛋白含量開始急劇增加,其中抗寒性強的紅豐杏的可溶性蛋白質含量增加趨勢非常明顯。并且抗寒性強的品種的蛋白含量始終高于其它品種[10]。對葡萄枝條的研究表明,當秋季溫度降低時,開始形成蛋白質,越冬期間蛋白質進一步增多,嚴冬時達到最大值,早春含量開始下降;同時,抗寒種類蛋白質形成早,各期含量均高于不抗寒種類,早春蛋白質降解遲且幅度小[17]。

植物體內游離脯氨酸作為細胞質的滲透調節物,在低溫逆境下平衡細胞的代謝,保持細胞內環境的相對穩定,降低質膜受凍害的程度。對梨和葡萄的研究表明,低溫脅迫會引起組織中脯氨酸含量的改變,但脯氨酸與兩種果樹抗寒性相關性較小。不同梨品種間脯氨酸含量差異性較小,大香水、秋子梨枝條中脯氨酸含量較高,分別為74.50μg·g-1和54.75μg·g-1;南果梨、早酥梨、小香水的含量居中;謝花甜、蘋果梨的含量較低,僅為34.12 μg·g-1 和31.78μg·g-1。表明游離脯氨酸作為滲透調節劑和冰凍保護劑,與不同梨品種的抗寒性的關系不密切[22]。結果表明, 葡萄葉片,枝條組織中游離脯氨酸含量隨秋季低溫降臨而升高。但不同種類游離脯氨酸含量及其變化與不同種類的抗寒性強弱關系較小,而與其抗寒鍛煉過程相關[23]。李勃[24]在對櫻桃砧木抗寒性研究發現,不同砧木枝條脯氨酸的累積與櫻桃砧木的抗寒性無相關關系。游離脯氨酸作為衡量果樹抗寒性指標可信度并不高。

3 果樹抗寒性評價方法

3.1單因子評價方法

電導率法 植物在低溫脅迫下,細胞膜透性增大,胞內電解質外滲量相應增加,且不同植物細胞受傷害程度不同,電解質外滲量變化也不同。曲柏宏[16]、王勇[12]、王文舉[13] 都用電解質滲出率作指標可較好地反映出蘋果、核桃、葡萄的抗寒性。

酶活力變化:低溫使膜上的酶系統受到破壞,酶活性下降。利用酶的活力作為植物抗寒性鑒定指標能推測到植物在低溫下代謝功能的變化情況。石雪暉等研究柑桔發現抗寒性強的興津同工酶譜帶數目及同工酶活性具有明顯優勢且多一條特征酶帶。李連國[18]發現POD同功酶具有典型的多態性,深冬時抗寒品種比不抗寒品種多1~2條同功酶帶。

恢復生長法:通過恢復生長法對不同葡萄砧木品種的生根率和成苗率進行統計,表明葡萄砧木抗寒性間有差異[25]。

凍害指數法依據組織的褐變程度,人為的將凍害程度進行分級,但不同的樹種、不同的研究者分類的標準上并不統一。除了用凍害級別表示外,還可根據調查總株數、各凍害級別的株數及其級數求出凍害指數,凍害指數越高凍害越重。 呂仕洪[26]等根據油梨的凍害指數鑒定其抗寒性差異,計算公式為:

凍害指數=凍害指數(%)= ∑(凍害級株數×凍害級值)/(調查總株數×凍害最高級值)× 100;

凍株率(%)=受凍株數/ 調查株數×100

3.2 綜合因子評定法

模糊數學隸屬函數法張文娥[27]等應用不同指標的平均隸屬度對葡萄抗寒性進行綜合評價, 獲得葡萄不同株系抗寒性差異。

主成分分析法:張軍科[28]等根據公式∑λi?滋j(K:主成分貢獻率, 杏品種主成分值, j:1～6), 可求出36個杏品種的抗寒性大小及抗寒力順序。

模糊聚類法:萬琳琛[29]等采用Hierarchical聚類分析法對體細胞雜種無性系獼猴桃的可溶性蛋白質水平、超氧物歧化酶和過氧化物酶活性的平均值進行了聚類分析,獲得有差異的獼猴桃無性系抗寒性類群。

4 果樹抗寒性研究展望

自1980年以來,我國對果樹抗寒性的研究比較多,積累了不少經驗和方法,為進一步研究果樹抗寒性創造了有利條件。今后的果樹抗寒性研究工作應當注意以下幾個方面:

①加強對果樹抗寒性鑒定指標的篩選,科學合理評價果樹的抗寒性。

②研究植株體內的核酸、蛋白質等大分子物質和代謝生理變化與果樹抗寒性關系。

③應用基因工程來改造果樹的抗寒能力,獲得轉基因植株,是今后果樹抗寒性研究的目標。

④加快選育適合我國地方氣候特點的抗寒果樹矮化砧木的進程。

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