自然降溫下4個狗牙根品種(系)的生理指標比較

李秋麗，包滿珠，王文恩

(華中農業大學園藝林學學院，湖北 武漢 430070)

狗牙根(Cynodondactylon)是典型的暖季型草坪草之一，常在冬季不耐寒而枯黃。因此，低溫是限制其推廣應用的主要因素[1-2]。近年來，已有不少有關狗牙根耐寒性的研究報道，主要對人工低溫脅迫下狗牙根的生理生化指標進行比較研究，并取得了一定的進展[3-5]。本研究以華中農業大學通過輻射誘變選育的狗牙根新品系‘矮敗狗牙根’和田間篩選的優良狗牙根無性系‘HN019’為對象，與目前草坪工程中廣泛應用的‘天堂419’和‘公主’作比較，在露地栽培條件下的自然降溫過程中對其抗寒性進行分析和比較，從各品種(系)的相關生理指標對露地栽培下自然降溫過程中的變化來評價其耐寒性，以期篩選出耐寒性較好的品種(系)，為抗寒性暖季型草坪草的選育工作提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1試驗材料 研究對象是華中農業大學通過60Co-γ射線輻射誘變選育出的‘矮敗狗牙根’和田間篩選的優良狗牙根無性系‘HN019’，與目前草坪工程中廣泛應用的狗牙根品種‘天堂419’(Tifway)和‘公主’(Princess)作比較。4種材料均種植在華中農業大學花卉基地草坪品種圃。

1.2試驗方法 2009年10-12月，記錄每天的氣溫變化(圖1)。試驗期間溫度整體呈下降趨勢，其中10月30日的溫度驟然升高，當天的最低溫度為19℃；11月3日的溫度驟然降低，最低溫度為3℃；11月3日以后，最低溫度均在12℃以下，其中12月5日的最低溫度為1℃。試驗期間，每隔10 d從品種圃隨機剪取4個狗牙根品種的嫩葉，分別對各品種葉片的電導率值、丙二醛(MDA)含量、脯氨酸(Fpro)含量、可溶性糖(WSS)含量、可溶性蛋白(SP)含量、葉綠素(Chl)含量和超氧化物歧化酶(SOD)活性進行測定，3次重復。電導率測定采用電導法[6]，MDA含量采用硫代巴比妥酸法[7]，Fpro含量采用酸性茚三酮法[7]，WSS含量采用蒽酮比色法[7]，SP含量采用考馬斯亮藍G-250染色法[7]，Chl含量采用95%乙醇熱浸法[8]，SOD活性采用SOD試劑盒[7](南京建成生物工程研究所生產)。

1.3模糊隸屬函數法 為了全面利用各指標對植物的抗寒性進行綜合評價，采用模糊數學隸屬函數法對各指標測定值進行定量轉換[8]。

如果指標與抗寒性呈正相關：

如果指標與抗寒性呈負相關：

式中，Zij為i品種j指標的抗寒性隸屬函數值，Xij為i品種j指標的測定值，Ximax和Ximin為各品種中指標的最大和最小測定值。

將植物各指標的隸屬函數值累加起來，求其平均值，隸屬函數值越大，該品種的抗寒性就越強。

圖1 試驗期間日均溫變化

1.4數據分析 用Excel 2003和SAS統計分析軟件進行方差分析，用Excel 2003制圖，采用模糊隸屬函數法綜合評價出各品種(系)的耐寒性強弱。

2 結果與分析

2.1電導率的變化 在自然降溫過程中4個狗牙根品種(系)的電導率變化比較一致，呈先升高后降低再升高的趨勢(圖2)。在降溫前期10月至11月初，電導率上升較緩慢，11月15日的電導率值增幅變大，其中‘公主’的電導率值增幅最大，達106.82%，‘矮敗狗牙根’、‘HN019’和‘天堂419’的增幅分別為84.29%、61.06%和67.36%。11月25日電導率值有所下降，在12月15日各品種(系)的電導率值達最高峰，‘公主’的峰值最大，為30.13%，‘矮敗狗牙根’的峰值較小，為25.16%(圖2)。通過對各品種(系)的電導率均值進行差異顯著性比較發現，在整個自然降溫過程中，‘公主’和‘天堂419’的電導率均值顯著高于‘HN019’和‘矮敗狗牙根’(P<0.05)， 其中‘矮敗狗牙根’的電導率值顯著低于其他品種(系)(表1)。

圖2 露地栽培下狗牙根相對電導率的變化

表1 狗牙根品種(系)間生理指標比較

2.2丙二醛含量的變化 在自然降溫過程中，4個狗牙根品種(系)的MDA含量總體呈緩慢上升的趨勢(圖3)。在降溫初期10月15日-11月4日，MDA含量上升緩慢，11月15日時MDA含量增幅變大，‘天堂419’和‘矮敗狗牙根’的增幅為47.03%和40.73%，大于‘公主’和‘HN019’的增幅。在11月15日之后，MDA含量出現小的下降然后平緩上升，于12月15日達到最高峰(圖3)。通過對各品種(系)的MDA均值進行差異顯著性比較發現，在整個自然降溫過程中，‘天堂419’、‘矮敗狗牙根’、 ‘公主’三者之間的MDA含量差異不顯著(P>0.05)，‘天堂419’和‘矮敗狗牙根’的MDA含量顯著高于‘HN019’(P<0.05)(表1)。

圖3 露地栽培下狗牙根丙二醛含量的變化

2.3脯氨酸含量的變化 在自然降溫過程中，4個狗牙根品種(系)的Fpro含量變化呈先上升又緩慢下降的趨勢(圖4)。在降溫前期10月-11月初，各品種(系)的Fpro含量增幅較大，11月4日-11月15日Fpro含量變化平緩，11月15日各品種(系)的Fpro含量達到最大值，其中‘公主’的峰值最大，為92.56μg/g, ‘天堂419’、‘矮敗狗牙根’和‘HN019’的峰值分別為90.85、90.11和86.12 μg/g(圖4)。通過對各品種(系)的Fpro均值進行差異顯著性比較發現，在整個自然降溫過程中，‘公主’的Fpro含量顯著高于其他品種(P<0.05)，‘HN019’ 的Fpro含量顯著低于其他品種(P<0.05)，‘天堂419’和‘矮敗狗牙根’的的Fpro含量差異不顯著(P>0.05)(表1)。

圖4 露地栽培下狗牙根脯氨酸含量的變化

2.4可溶性糖含量的變化 在自然降溫過程中，4個狗牙根品種(系)的WSS含量呈現出先緩慢升高又下降再升高再下降的趨勢(圖5)。降溫初期各品種(系)的WSS含量增長較慢，‘天堂419’和‘HN019’的WSS含量在11月4日達到第1個峰值，分別為15.48和17.16 mg/g，‘矮敗狗牙根’和‘公主’在11月15日達到第1個峰值，分別為21.10和18.85 mg/g。隨后WSS含量有一定程度的下降，各品種(系)的WSS含量均在12月5日達到了第2個峰值，隨后逐漸下降。通過對各品種(系)的WSS均值進行差異顯著性比較發現，在整個自然降溫過程中，‘矮敗狗牙根’和‘公主’的WSS含量差異不顯著(P>0.05)，‘天堂419’和‘HN019’的WSS含量差異不顯著(P>0.05)，‘矮敗狗牙根’和‘公主’的WSS含量極顯著高于‘天堂419’和‘HN019’的WSS含量(P<0.01)(表1)。

圖5 露地栽培下狗牙根可溶性糖含量的變化

2.5可溶性蛋白含量的變化 在自然降溫過程中，4個狗牙根品種(系)的SP含量變化呈現出先迅速升高又迅速下降再緩慢升高的趨勢(圖6)。4個狗牙根品種(系)的SP含量均在11月4日時迅速升高并且到達峰值，‘矮敗狗牙根’和‘天堂419’的峰值較大，分別為23.50和23.28 mg/g。11月4日-11月15日各品種(系)的SP含量迅速下降，11月15日-12月15日的降溫期間SP含量又逐漸升高(圖6)。通過對各品種(系)的SP均值進行差異顯著性比較發現，‘矮敗狗牙根’和‘天堂419’ 的SP含量顯著高于 ‘HN019’和‘公主’的SP含量(P<0.05)(表1)。

圖6 露地栽培下狗牙根可溶性蛋白含量的變化

2.6葉綠素含量的變化 在自然降溫過程中，4個狗牙根品種(系)的Chl含量變化表現一致，總體呈現出曲折下降的趨勢(圖7)。在降溫初期10月15日-11月4日，各品種(系)的Chl含量先上升后下降，11月15日隨著溫度的回升Chl含量也有一定的增加，11月15日之后隨著低溫的加劇Chl含量呈現逐步下降的趨勢。可以看出，在整個自然降溫過程中，‘天堂419’的Chl含量相對處于較高水平，‘矮敗狗牙根’的Chl含量一直較低，‘HN019’和‘公主’的Chl含量處于中間水平(圖7)。通過對各品種(系)的Chl均值進行差異顯著性比較發現，‘天堂419’和‘公主’的Chl含量高于‘HN019’和‘矮敗狗牙根’，但前兩者與‘HN019’差異不顯著(P>0.05)，與‘矮敗狗牙根’差異顯著(P<0.05)(表1)。

圖7 露地栽培下狗牙根葉綠素含量的變化

2.7超氧化物歧化酶活性的變化 在自然降溫的過程中，4個狗牙根品種(系)的SOD活性變化呈現出先上升后下降的趨勢(圖8)。10月15日-11月4日的降溫過程中，各品種(系)的SOD活性急速上升，11月4日-11月15日隨著溫度的回升SOD活性又急速下降，隨后SOD活性隨著低溫的加劇而緩慢下降。各品種(系)的SOD活性于11月4日達到最高峰值，‘矮敗狗牙根’和‘天堂419’的峰值最大，分別為51.86和51.08 U/g，‘公主’和‘HN019’的峰值分別為38.11和39.34 U/g。可以看出，在整個自然降溫過程中‘矮敗狗牙根’的SOD活性一直處于較高水平，11月4日之后‘HN019’的SOD活性也隨著低溫加劇而保持較高水平，‘天堂419’(除11月4日外)和‘公主’的SOD活性在整個降溫過程中相對較低(圖8)。通過對各品種(系)的SOD活性均值進行差異顯著性比較發現，在整個自然降溫過程中，‘矮敗狗牙根’和‘HN019’的SOD活性顯著高于‘天堂419’和‘公主’(P<0.05)(表1)。

圖8 露地栽培下狗牙根SOD活性的變化

2.8模糊隸屬函數法綜合評價 ‘矮敗狗牙根’的隸屬度平均值最大，為0.645 7，其次為‘公主’和‘天堂419’，隸屬度分別為0.477 8和0.407 4，‘HN019’的隸屬度較小，為0.379 2(表2)。由此可以得出4個狗牙根品種(系)的耐寒性強弱順序為‘矮敗狗牙根’>‘公主’>‘天堂419’>‘HN019’。

3 討論與結論

細胞膜是細胞與外界環境發生物質交換、能量轉換、信號傳遞等生命活動的重要場所和媒介，也是細胞感受環境脅迫最敏感的部位[9]。植物受到低溫脅迫時，細胞質膜透性會有不同程度增大，電解質會不同程度外滲，導致電導率升高[10]。丙二醛是細胞膜脂過氧化產物之一，能與細胞內部各種成分發生強烈的反應而引起酶和膜的嚴重損傷，導致結構和生理完整性的破壞，是膜系統受傷害的重要指標[11-12]。

表2 露地栽培條件下各狗牙根材料耐寒性綜合評價

本研究通過對電導率和丙二醛含量的測定，發現4個狗牙根品種(系)的電導率隨著溫度的降低整體呈現出增大趨勢，丙二醛含量隨著溫度的降低總體呈現上升后下降趨勢，耐寒性強的的品種(系)電導率較小，丙二醛含量較低，表明其細胞受損程度較小。在11月15日溫度回升期，各狗牙根品種電導率出現緩慢下降，可能是溫度回升使植株對低溫有了一定的適應。但隨著12月低溫的到來，電導率值出現了迅速增高的現象，表明此時植物隨著低溫的加強受到的傷害加劇。丙二醛含量出現小的下降然后平緩上升，這與電導率表現一致，說明植物體內丙二醛對溫度的變化反應敏感，并隨著溫度的下降含量逐漸增高。

一般認為脯氨酸在植物抵抗低溫脅迫時起到平衡細胞代謝的作用，以保持細胞環境的相對穩定，其含量的增加有利于提高抗寒性[13]。低溫脅迫下脯氨酸含量逐漸增加，可以降低細胞水勢，以此避免凍害的發生[14-15]。可溶性糖能夠增加細胞液濃度，降低冰點，并與水結合，會使細胞內束縛水含量增高，增強細胞液的流動性，原生質粘性增強，細胞耐結冰脫水能力和耐凍性增強[16]。可溶性糖含量越高，植物組織細胞液濃度也越高，植物耐寒能力越強[17]。本研究表明，脯氨酸含量隨著低溫的到來呈現先上升后下降的趨勢，可溶性糖含量隨著低溫的到來呈現整體上升又下降的趨勢，耐寒性強的品種，脯氨酸和可溶性糖含量較大。11月4日-11月15日的溫度回升期，各品種(系)的可溶性蛋白含量迅速下降，11月15日-12月15日的降溫期間可溶性蛋白含量又開始升高，表明植物體內可溶性蛋白對溫度的變化反應敏感。各品種(系)的可溶性蛋白含量在11月4日和12月15日的低溫期出現兩次峰值，說明植物體內可溶性蛋白隨著溫度的變化做出了適應。

低溫對葉綠素影響有兩個方面，一是葉綠素的生物合成過程絕大部分有酶參與，低溫影響酶的活性，進而影響葉綠素的合成；二是低溫作用于植物，使植物本身形成水分逆境，因組織缺水引起氣孔關閉，葉綠體受傷，與光合作用有關的酶失活或變性[18-19]。因此在植物耐寒生理研究中，葉綠素含量常作為反映低溫脅迫對植物造成傷害程度的生理指標。本研究表明，在自然降溫過程中，葉綠素含量隨著溫度的降低總體呈現下降的趨勢，耐寒性強的品種，葉綠素含量較高。

超氧化物歧化酶是防御細胞膜系統受活性氧損害的保護酶之一[20]，能以超氧陰離子為基質進行歧化反應，進而清除植物組織和細胞內的超氧陰離子自由基，同時產生歧化物H2O2，從而減緩超氧化物自由基對細胞膜的傷害。低溫下植物體內SOD酶活性的變化與其抗寒性密切相關，超氧化物歧化酶是植物抗氧化系統的第一道防線，是酶促清除系統中的核心酶[21-22]。本研究表明，超氧化物歧化酶活性隨著溫度的降低呈先上升又下降的趨勢，耐寒性強的品種，超氧化物歧化酶活性相對較高。在降溫初期各品種(系)的超氧化物歧化酶活性急速上升，溫度回升期又急速下降，隨后超氧化物歧化酶活性隨著低溫的加劇而緩慢下降，表明植物內超氧化物歧化酶對低溫反應敏感，各品種(系)在11月4日達到最高峰，表明11月4日的低溫已是植物體內超氧化物歧化酶能適應的極限溫度。

在整個自然降溫過程中，4個狗牙根品種(系)的生理生化指標變化趨勢比較一致，通過差異顯著性分析可以看出品種上各生理指標存在顯著差異。綜合來看，‘矮敗狗牙根’的電導率值最小，可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和超氧化物歧化酶活性最大，‘公主’的脯氨酸、可溶性糖和葉綠素含量較大，‘天堂419’的丙二醛含量和葉綠素含量較大。‘HN019’的電導率值較大，脯氨酸和可溶性糖含量較小。在時間上可以看出各品種(系)在12月受低溫傷害最嚴重。通過模糊隸屬函數法綜合評價得出，4個狗牙根品種(系)的耐寒性強弱順序為‘矮敗狗牙根’>‘公主’>‘天堂419’>‘HN019’。

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