暖季型草坪草不同營養器官耐寒力的動態變化

王丹,宣繼萍,郭海林,劉建秀

(江蘇省中國科學院植物研究所 南京中山植物園,江蘇 南京 210014)

暖季型草坪草廣泛分布在溫暖濕潤的熱帶及亞熱帶地區,具有耐高溫、養護水平低、耐貧瘠、病蟲害少等優良特性,常被應用于建植運動場草坪、水土保持、庭院草坪及休憩草坪等許多方面。但暖季型草坪草是冷敏感的C4植物,冬季都存在一定的枯黃休眠期,導致其觀賞價值和使用價值降低。長期以來,抗寒性差、在過渡帶地區無法避免冬季枯黃休眠等問題,大大限制了暖季型草坪草的廣泛應用。

近年來,許多學者開展了低溫對暖季型草坪草膜結構、酶活性、蛋白合成、光合和呼吸等生理生化過程的影響[1-3]以及植物生長調節劑與暖季型草坪草抗寒性關系[4-5]等方面研究,表明生物膜結構是細胞感受環境脅迫最敏感的部位,也是低溫傷害尤其是冷害發生的最初場所,膜結構的改變與適應寒冷的過程相關。李亞等[6]、郭海林等[7-8]、王榕楷等[9]、宣繼萍等[10-11]、鄭玉紅等[12]通過測定冷凍處理后葉片或匍匐莖電解質的外滲率分別鑒定了結縷草Zoysia spp.、假儉草Eremochloaophiuroides和狗牙根Cynodon spp.幾種暖季型草坪草的種內抗寒性差異。魏臻武等[13]、杜永吉等[14]分別研究了秋冬季節自然降溫過程中結縷草、草地早熟禾Poa pretensis的葉片、莖或是根莖電解質外滲率的變化。但是前人的研究多集中在一個屬或一個種內的差異研究,并僅以葉片、莖、根莖中的某一種或2種器官為研究對象。本研究在前人工作的基礎上以3種典型的暖季型草坪草蘭引 3號結縷草 Z.japonica Lanyin No.3、陽江狗牙根C.dactylon Yangjiang、假儉草E126為供試材料,通過測定2008年10月-2009年5月自然溫度變化的條件下,葉片、地上莖、地下莖電解質滲透率的月變化,并擬合Logistic方程得到半致死溫度(LT50),并結合田間物候期觀測,比較分析3種暖季型草坪草LT50季節性動態變化以及不同營養器官間的抗寒差異,旨在通過此研究了解3種典型的暖季型草坪草在抗寒鍛煉中的特性,尋求提高暖季型草坪草抗寒性的有效途徑,為改善和提高其抗寒力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區自然概況 試驗材料種植于江蘇省中國科學院植物研究所試驗苗圃地,位于江蘇省南京市紫 金山南麓(北 緯 32°02′,東經118°28′),海拔55 m,屬北亞熱帶季風溫暖濕潤氣候,年均氣溫15.3℃,7月和1月平均氣溫27.7和2.2℃,土壤為砂壤土,pH值 7.70,全氮0.05%,速效磷 12.46 mg/kg,速效鉀 24.78 mg/kg,有機質0.19%。試驗期間日溫度變化見圖1。

圖1 2008年10月-2009年5月田間日氣溫變化

1.2 試驗材料 以3種典型的暖季型草坪草蘭引3號結縷草、陽江狗牙根、假儉草E126為試驗材料,均于2004年種植于江蘇省中國科學院植物研究所草業中心試驗苗圃地。

1.3 試驗方法

1.3.1 電解質滲透率的測定 在2008年10月-2009年5月,每月14日從試驗地中隨機挖取30 cm×30 cm樣方大小的草皮塊,應用改良電導法分別對葉片、地上莖和地下莖的電解質透出率(EL)進行測定,4次重復。

參照朱根海等[15]的方法,取健康植株材料,自來水沖洗干凈,去離子水漂洗3次,吸干表面水分,將葉片、地上莖和地下莖剪短(約2 cm 長)分成5份,每份1 g,用紗布包好后置于試管中,在4℃冰箱中過夜,第2天在低溫循環儀(Polyscience公司,Model:9610)中進行模擬低溫處理。溫度梯度為-2、-6、-10、-14和-18 ℃,處理1.5 h,勻速降溫1 h,處理后置于4℃的冰箱解凍,第3天將每處理分成4等份(4個重復),置于試管中,加入去離子水20 mL,用抽氣泵真空抽氣20 min,振蕩后室溫下過夜浸提。第4天用電導儀(上海雷磁儀器,Model:DDS-307)測定電導率,然后置于沸水浴中15 min,冷卻至室溫后測其煮沸電導率。

相對電導率按下列公式計算:

相對電導率=(處理的電導率/煮沸電導率)×100%。

1.3.2 返青期和枯萎期觀察

返青期:早春草坪綠度達50%的日期;

枯萎期:秋季草坪50%枯萎的日期。

1.4 數據處理和分析 用Microsoft Office Excel 2003對數據進行整理,并對試驗期間的氣溫作圖。根據朱根海等[15]的方法,應用南京農業大學王紹華教授編寫的統計軟件Rcpsys進行數據處理。將電導率擬合Logistic方程并得出模擬曲線:y=k/(1+ae-bx)。求該Logistic方程的二階導數,并令其等于零,即可獲得曲線的拐點,x=-ln(a/b),即為半致死溫度(LT50),以對其抗寒性進行評價。

2 結果與分析

2.1 田間物候期觀測及氣溫變化

2.1.1 試驗期間田間氣溫變化 2008年10月-2009年5月,田間氣溫變化總體趨勢呈現出日最低溫和最高溫伴隨季節變化先降低至1月下旬達到最低溫(降至-10℃)后又升高的趨勢。從圖1可以看出,試驗期間日最低溫度和最高溫度出現幾次大的波動,在2008年11月上旬、12月上旬及下旬、2009年1月下旬及3月中旬均出現快速大幅降溫,而在2009年2月上旬、3月下旬分別出現快速大幅升溫。

2.1.2 田間物候期觀測 如表1所示,3種暖季型草坪草中,蘭引3號結縷草最晚枯黃且最早返青。假儉草E126最早枯黃最晚返青,在11月末達到50%枯萎,次年5月初開始逐漸返青。

表1 田間物候期觀測

2.2 抗寒性

2.2.1 低溫處理下供試材料不同器官電解質滲出率的變化規律 對3種供試材料的葉片、地上莖和地下莖分別進行5個溫度梯度的冷凍處理,結果表明,供試材料不同營養器官的電解質滲出率都隨處理溫度下降而上升,且呈明顯的S型曲線,即溫度開始下降時,電解質滲出率較緩慢上升,隨著溫度繼續下降電解質滲出率快速增加,降到一定溫度時,電解質滲出率緩慢上升且趨于穩定。根據莫惠棟[16]的計算方法,將電解質滲出率配合Logistic方程擬合的S型曲線拐點溫度即為半致死溫度。

2.2.2 不同暖季型草坪草LT50季節性變化比較2008年10月-2009年5月,伴隨田間氣溫逐漸下降次年春季又回升的變化趨勢,3種暖季型草坪草葉片、地上莖和地下莖LT50(表2)也呈現出先降低又升高的季節變化趨勢。結合溫度變化曲線(圖1)可以看出,經過11月上旬和12月上旬快速大幅降溫的低溫訓練以后,至12月中旬3種暖季型草坪草地上莖、地下莖的抗寒性明顯增強(LT50大幅下降),而后在2008年12月中旬-2009年1月末伴隨田間氣溫繼續下降,3種暖季型草坪草的越冬器官(蘭引3號結縷草地下莖、陽江狗牙根地下莖、假儉草E126地上莖)逐步適應田間低溫,其LT50緩慢下降,至2008年12月或2009年1月降至最低值,而2009年3月末4月初伴隨氣溫的明顯平穩回升,草坪草開始逐漸返青,3種暖季型草坪草越冬器官的抗寒性明顯降低(LT50大幅上升);自然越冬期間,3種暖季型草坪草葉片對低溫較為敏感,在11月末或12月初開始枯黃,次年4月末或5月初開始逐步返青,越冬前后LT50變化并不明顯。

表2 3種草坪草葉片、地上莖和地下莖LT50的季節性變化

從不同供試材料來看,蘭引3號結縷草葉片LT50從10月的-6.02℃下降到11月的-6.98℃,到次年5月回升到-6.22℃;地上莖LT50從10月的-3.89℃下降到12月的-16.15℃,次年5月回升到-6.90℃;地下莖 LT50從-6.78℃下降到-16.10℃,次年5月回升到-8.97℃。

陽江狗牙根葉片LT5010月為-1.40℃,到了11月下降到 -2.77℃,次年 5月回升到-1.49℃;地上莖 LT5010月為-2.70℃,到 12月下降為-3.32℃,次年5月回升到-3.39℃,地下莖LT50從最初10月-4.62℃下降到-6.21℃,次年5月回升到-4.67℃。從抗寒鍛煉期間陽江狗牙根各器官LT50的季節性變化結合田間日氣溫變化(圖1)可以看出,這份材料對外界氣溫變化較為敏感,空氣溫度突然下降,使 LT50迅速降低,期間天氣回暖又會使其較快的脫鍛煉,LT50升高。這可能是其適應低溫的一種表現。

假儉草E126葉片LT50從10月的-1.85℃下降到11月的-3.96℃,到次年5月又回升到-2.62℃;而地上莖 LT50從-3.70℃下降到-10.16℃,次年5月回升到-4.30℃。

分析LT50的測定結果,結合田間物候期觀測可以看出,3種暖季型草坪草中蘭引3號結縷草抗寒性最強,假儉草E126次之,陽江狗牙根最差。

2.2.3 不同暖季型草坪草不同營養器官LT50變化比較 除了種間存在抗寒性差異外,不同營養器官間抗寒性也存在差異。如表2所示,3種暖季型草坪草不同營養器官間抗寒性不同,蘭引3號結縷草表現為地下莖＞葉片＞地上莖,陽江狗牙根各營養器官的抗寒性呈現出地下莖＞地上莖＞葉片,而假儉草E126表現為地上莖＞葉片。

3 討論與結論

隨著田間氣溫季節性變化,3種暖季型草坪草的葉片、地上莖和地下莖的LT50發生季節性動態變化,呈現出先降低后升高的趨勢,在1月前后南京氣溫降到最低值(圖1),3種暖季型草坪草的地上莖或地下莖的 LT50也降至最低值。這與國內外很多學者的結論相一致。Rogers等[17]發現結縷草Mayer初冬季抗寒性明顯增加,其LT50由9月的-5.6℃降到次年1月的-11.1℃。狗牙根的LT50亦從9月的-2.2℃降到來年2月的-8.1℃[18]。普通狗牙根11月初時的 LT50為-5～-7℃,而到隆冬時則達到了-11℃[19]。Cai等[20]在假儉草上也得到相同的結論。魏臻武等[13]在草地早熟禾和溝葉結縷草中也發現經過自然降溫鍛煉后2種草LT50明顯降低。

草坪草的不同營養器官具有不同的抗寒性。Dunn等[21]發現狗牙根根狀莖的抗寒性較匍匐莖差,而Rogers等[16]的結果指出結縷草Mayer的匍匐莖和根狀莖的抗寒性相當。魏臻武等[13]對草地早熟禾和溝葉結縷草,杜永吉等[14]對3份結縷草的研究結果均顯示供試草坪草根莖或莖在低溫處理下電解質透出率的變化趨勢同葉片的變化趨勢大致相同,但是根莖或莖電解質透出率變化較緩慢。本試驗結果表明3種暖季型草坪草蘭引3號結縷草、陽江狗牙根和假儉草E126均在其越冬器官(蘭引3號結縷草地下莖、陽江狗牙根地下莖、假儉草E126地上莖)表現出較強的耐受低溫的能力。

2008年10-2009年5月伴隨田間自然溫度變化過程,3種暖季型草坪草蘭引3號結縷草、陽江狗牙根和假儉草E126的LT50均發生規律性變化,結合田間物候期觀測,可以得出3種暖季型草坪草中蘭引3號結縷草抗寒性最強,其次為假儉草E126,陽江狗牙根最差。研究中每個種僅選用了1份具有代表性的材料,因此所得結論并不能應用于種間的評價,而只能作為評價這3種暖季型草坪草抗寒性差別的依據。

[1] 李西,毛凱,熊曦,等.暖季型草坪草抗寒性研究進展[J].中國草地,2000,2(4):53-58.

[2] 劉琳,毛凱,干友民,等.暖地型草坪草抗寒性的研究概況[J].草原與草坪,2004(1):53-58.

[3] 柳后起,周守標,謝傳俊.假儉草種質資源研究進展[J].草業科學,2008,25(1):59-65.

[4] 曾艷英,邵玲,梁廣堅.暖地型草坪綠葉生長劑對細葉結縷草抗寒性的影響[J].草業科學,2007,24(4):103-106.

[5] 朱曉花,孫吉雄,梁慧敏,等.低溫預處理與植物生長調節劑對結縷草愈傷組織誘導的影響[J].草業科學,2009,26(4):121-126.

[6] 李亞,謝曉金,宣繼萍,等.中國結縷草屬(Zoysia spp.)植物抗寒性評價[J].草地學報,2003,11(3):240-245.

[7] 郭海林,劉建秀,朱雪花,等.結縷草屬雜交后代抗寒性評價[J].草地學報,2006,14(1):24-28.

[8] 郭海林,高雅丹,薛丹丹,等.結縷草屬植物抗寒性的遺傳分析[J].草業學報,2009,18(3):53-58.

[9] 王榕楷,丁小球,胡玉佳.三種草坪草的耐寒性及其與超氧化物歧化酶作用關系初步研究[J].中國草地,2001,23(1):46-50.

[10] 宣繼萍,劉建秀.坪用狗牙根(Cynodon spp.)優良品種(選系)的抗寒性初步鑒定[J].植物資源與環境學報,2003,12(2):28-32.

[11] 宣繼萍,郭海林,劉建秀,等.中國假儉草種質資源抗寒性初步鑒定[J].草業學報,2003,12(6):110-114.

[12] 鄭玉紅,劉建秀,陳樹元.中國狗牙根[Cynodon dactylon(L.)Pers.]耐寒性及其變化規律[J].植物資源與環境學報,2002,11(2):48-52.

[13] 魏臻武,范占煉,王槐三.不同類型草坪草的抗寒鍛煉[J].草業科學,1997,14(3):60-65.

[14] 杜永吉,于磊,孫吉雄,等.自然降溫過程中不同結縷草品種電解質滲透率的動態變化[J].草業科學,2008,25(8):121-125.

[15] 朱根海,朱培仁.小麥抗凍性的季節變化及溫度對脫鍛煉的效應[J].南京農學院學報,1984,7(2):9-16.

[16] 莫惠棟.Logistic方程及其應用[J].江蘇農學院學報,1983,4(2):53-57.

[17] Rogers R A,Dunn J H,Nelson C J.Cold hardening and carbohydrate composition of Meyer Zoysia[J].Agron.J.,1975,67:836-838.

[18] Davis D L,Huxter T J.Root growth and carbohydrate in soluble protein fractions of bermudagrass[J].Crop Science,1970(10):7-9.

[19] Anderson J A,Taliaferro C M.Laboratory freeze tolereance of field-grown forage bermudagrass cultivars[J].Agronomy Journal,1995,87(5):1017-1020.

[20] Cai Q,Wang S,Cui Z,et al.Changesin freezing tolerance and its relationship with the contents of carbohydrates and proline in overwintering centipedegrass(Eremochloa ophiurpides(Munro)Hack.)[J].Plant Prod.Sci,2004,7(4):421-426.

[21] Dunn J H,Nelson C J.Chemical changes occurring in three bermudagrass turf cultivars in relationship to cold hardiness[J].Agron.J.,1974,66:28-31.