電導率法配合田間霜凍鑒定福建省主栽馬鈴薯材料耐寒性

李揚　凌永勝　林金秀

摘要：以17份馬鈴薯材料為試材，研究在低溫馴化前后，馬鈴薯葉片在低溫脅迫下電解質外滲率的變化規律，經Logistic方程擬合分析測定馬鈴薯的低溫半致死溫度（LT50），結合聚類分析和田間自然霜凍鑒定等方法，對試材耐寒性和耐寒類型進行評價，為指導馬鈴薯耐寒栽培及新品種推廣提供理論依據。結果表明，相對電導率與處理溫度呈“S”形曲線變化，與Logistic方程相吻合;田間自然霜凍鑒定結果和室內電導率鑒定均可以有效評價馬鈴薯材料的耐寒性;17份試材無低溫馴化能力或馴化能力較弱，其中桂龍薯1號、泉云4號和V201707表現出較強的耐寒性，可供耐寒性育種親本使用。

關鍵詞：低溫馴化;馬鈴薯;半致死溫度;耐寒性;電導率法

中圖分類號：S532.01文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）04-0045-06

作者簡介：李揚（1990—），女，四川成都人，碩士，研究實習員，[JP3]從事馬鈴薯育種及栽培技術研究。E-mail：liyang201862@qq.com。

通信作者：凌永勝，研究員，從事馬鈴薯等作物育種與栽培技術研究。E-mail：707993289@qq.com。

馬鈴薯（SolariumtuberosumL.）于2015年1月被列為繼水稻、玉米、小麥之后的我國第四大主糧作物，它喜冷涼，但不耐低溫霜凍。當溫度低于7℃時，馬鈴薯停止生長，-0.8℃時遭受冷害，-1.5℃時遭受凍害，-3℃時植株會凍死[1-2]。我國南方秋冬作區馬鈴薯主要分布在福建、廣西、廣東、浙江、四川、云南、貴州、湖南和湖北等省（區）[3]。冬種馬鈴薯具有市場銷售價格高、對環境保護友好等優勢，使得南方冬作區的馬鈴薯種植面積逐年增大[4]。馬鈴薯是福建三大作物之一，[HJ1.8mm]福建省內每年1月中旬至2月中旬常受到強寒流天氣入侵，尤其是2008、2015、2018年的低溫霜凍天氣給省內冬種馬鈴薯生產帶來嚴重的經濟損失。因此，篩選、鑒定和研究耐寒性馬鈴薯材料對于馬鈴薯育種與促進產業的可持續發展具有十分重要的意義。

采用電導法配合Logistic方程推導半致死溫度的方法更能準確反映植物所耐受的低溫極限，是目前鑒定植物耐寒性較為可靠的方法[5]，已被廣泛應用于辣椒[6]、火龍果[7]、馬鈴薯[8-9]等不同的植物上。李華偉等應用電導法配合Logistic方程，測定了17個馬鈴薯品種的半致死溫度[9]。許多植物在一定的非傷害性溫度下低溫鍛煉一段時間（即低溫馴化）后，其耐寒能力可以得到不同程度的提高[10]。目前，利用Logistic方程非線性擬合電導率鑒定馬鈴薯低溫馴化前后耐寒性的研究較少[9，11-22]，將室內人工耐寒鑒定與田間自然鑒定相結合進行馬鈴薯耐寒性研究在南方冬作區尚未見報道。本研究以17份馬鈴薯品種（系）為試材，探究低溫馴化前后馬鈴薯電解質外滲率的變化規律，分析測定馬鈴薯半致死溫度（LT50），并結合田間自然耐寒鑒定結果，探討應用電導法配合Logistic方程快速測定馬鈴薯耐寒性的可行性，評價馬鈴薯材料的耐寒性及低溫馴化能力，為進一步研究馬鈴薯品種的耐寒性及耐寒品種的選育提供理論依據。

1材料與方法

試驗材料共17份：桂龍薯1號、紫花851、費烏瑞它、泉云3號、泉云4號、V201701、V201703、V201706、V201707、V201711、V201719、V201723、V201725、V201810、V201818、V201823和V201831，均為泉州市農業科學研究所保存的品種（系）資源材料。2018年9月在泉州市農業科學研究所試驗基地（118°34′27″E、24°52′50″N）播種，供試材料播種于10cm×10cm的塑料缽內，栽培基質為蛭石，每份材料播6盆，每盆1株。出苗26d后移入冷光源人工氣候培養箱中低溫馴化14d，培養箱設置如下：培養溫度4℃/2℃（晝/夜，下同），光照度100μmol/（m2·s），光照時間14h/d;出苗40d后，取頂端大小一致的葉片稱質量后進行低溫處理及電導率測定。

1.2試驗方法

1.2.1離體葉片低溫處理采用魏亮的測定方法[11]（略改動）對試驗材料的離體葉片進行低溫處理，處理過程如下：用蒸餾水沖洗離體葉片3～5次，吸干水分后立即放入試管底部，每支試管放入1張葉片（共24支）封口;將試管放入低溫循環水浴鍋中（冷凍液為50%乙二醇），初始溫度設為0℃，保持30min，降到-0.5℃，保持30min;-0.5℃降到-1℃，保持1h，在-1℃下保持30min時在每支試管中加入一小塊冰塊，再保持30min后取樣;-1℃降到-1.5℃，保持1h，然后降到-2℃，保持30min后取樣;-2℃降到-3℃，保持30min后取樣;以此類推，直至溫度降到-7℃，分別取樣，每次取樣3支，將取樣試管放在4℃冰箱中解凍過夜。

1.2.2電導率的測定將解凍后的葉片剪成小塊后立即裝入試管，并加入20mL蒸餾水;用真空泵抽氣6min，在振蕩器上振蕩1h（轉速為220r/min）;靜置15min，測電導率，重復3次，取平均值為R1;將試管放入沸水浴30min后，測電導率，重復3次，取平均值為R2。

電解質外滲率=R1/R2×100%。

1.2.3Logistic擬合方程及半致死溫度分析將每個溫度對應的電導率平均值與Logistic方程進行非線性擬合分析，方程拐點即為試材的半致死溫度（LT50），即材料的抗寒能力。Logistic擬合方程：y=k/（1+ae-bt），式中：y為相對電導率;k為細胞傷害率的飽和容量即y的最大極限值，%;a、b為方程參數;t為冷凍溫度，℃。

1.2.4田間自然耐寒性鑒定2018年10月10日于福建省德化縣美湖鎮美湖村（地理位置118°4′14″E、25°36′49″N）播種，海拔672m，沙質紅壤，地勢平坦，前茬作物水稻，11月8日出苗。試驗采用隨機區組排列，種植畦寬（含溝）1.2m，雙行畦植，株距28cm，每份供試材料的小區面積6.67m2，3次重復。2018年12月18日，德化縣發布霜凍藍色預警，地表最低溫度為-1℃，12月9日對試驗材料的田間自然寒害損傷等級進行評分。損傷等級評分標準參照Vega等的方法[12-13]（表1），并對每份材料的評分結果進行統計分析。

2結果與分析

2.1不同低溫的電導率變化

由圖1可知，隨著處理溫度的降低，各品種的相對電導率不斷升高，但上升的速度并不均勻，呈現出“慢—快—慢”的趨勢，大體呈“S”形曲線。當處理溫度在0～-1℃時，各品種的相對電導率略有增加，平均上升7.2百分點，說明葉片細胞膜透性緩慢增大;處理溫度在-1～-5℃時，各品種相對電導率急驟上升，平均上升63.4百分點，說明葉片細胞膜受到嚴重傷害;處理溫度在-5～-7℃時，相對電導率變化較小，平均僅提高2.1百分點，說明葉片細胞膜已失去基本功能。

不同的馬鈴薯品種在低溫處理下葉片相對電導率的增加速率不同。處理溫度在-1～-3℃時，桂龍薯1號、泉云3號及泉云4號的相對電導率均低于50%，表現出較強的耐寒性;處理溫度在-3～-5℃時，各品種的電導率均超過80%，表明葉片電解質滲出十分嚴重，細胞膜受到的不可逆損傷加劇。從測定結果來看，紫花851和費烏瑞它耐寒力相對較弱，桂龍薯1號、泉云3號和泉云4號耐寒力較強。

2.2低溫馴化前后電導率配合Logistic方程求LT50

低溫使膜透性呈可逆性增加時，可能是葉片[HJ2mm]細胞對低溫刺激的一種適應性反應;當它呈半可逆增加時，則是細胞遭受傷害的標志;當它呈不可逆增加時，則是細胞因低溫寒害致死的結果。通過Logistic方程y=k/（1+ae-bx）對相對電導率（y）和溫度（x）進行擬合，能夠較好地反映兩者之間的關系，當電解質滲透為50%時的溫度即為半致死溫度（LT50）。

對17份馬鈴薯材料的相對電導率配合Logistic方程，所得方程和LT50見表2。低溫馴化前各Logistic方程的擬合度R2在0.961～0.991范圍內（P<0.01），表明擬合結果精確可靠，低溫脅迫下電解質外滲率遵循Logistic方程的變化規律。

從表2可以看出，低溫馴化前17份馬鈴薯材料的LT50在-1.2～-3.6℃之間，平均LT50為-2.5℃。LT50可以區別耐寒性差異，LT50低的材料耐寒性較強。以耐寒性較強的品種桂龍薯1號為對照，V201707的耐寒性最強，泉云4號其次，二者的LT50均低于對照的-3.4℃;V201703的耐寒性最弱（LT50為-1.2℃）。

如表3、表4所示，經低溫馴化后，大部分材料的LT50均高于-4℃，僅有V201707的LT50最低，為-4.0℃;各材料馴化前后的LT50變化不大，其中V201711、V201810和V201823的LT50幾乎沒有改變（<0.1℃），其他的LT50均有所降低，其中費烏瑞它的LT50降幅最大，降低了0.6℃，說明供試材料冷馴化能力較弱。

由圖2可知，經人工氣候培養箱低溫馴化7d后顯示，部分材料的葉片出現卷曲、萎蔫、葉片邊緣變褐及植株長高緩慢的現象，且隨著馴化時間的延長，癥狀越來越嚴重。這進一步表明供試的17份材料馴化能力較弱。

2.3低溫馴化前LT50的聚類分析

低溫馴化前，17份材料的LT50聚類分析結果見圖3，在歐氏距離4.8處可將供試材料劃分為3類：第1類為寒害敏感型，包括V201701、V201703、V201719、V201725共4份材料，占供試材料的23.5%。這些材料在低溫馴化前的LT50在-1.2～-1.9℃之間，表現對寒害敏感。第2類為耐寒力較弱型，包括紫花851、費烏瑞它、泉云3號及V201706等共10份材料，占供試材料的58.8%。各材料的LT50都在-2.1～-2.9℃范圍內。第3類為耐寒型材料，共3份，分別是桂龍薯1號（對照）、泉云4號和V201707材料，占供試材料的17.6%。這些材料在低溫馴化前的LT50介于-3.4～-3.6℃之間，說明低溫馴化前的耐寒力強。

2.4田間自然寒害鑒定

2018年12月18日德化縣美湖鄉試驗基地的地表最低溫度為-1℃，12月9日對試驗材料進行自然寒害損傷等級評分（表5）。田間自然寒害損傷評分值低于2的有桂龍薯1號、泉云3號、泉云4號和V201831共4份材料，表現為耐寒性強;田間自然寒害損傷評分值在2～4的有紫花851、費烏瑞它、V201706、V201707、V201711、V201719、V201723、V201725、V201810、V201818和V201823共11份材料，表現為耐寒性弱;田間自然寒害損傷評分值超過4的V20170和V201703，表現對寒害敏感。

將低溫馴化前后的室內電導率結果分別與田間自然霜凍鑒定結果進行相關性分析，結果（圖4、圖5）顯示，室內鑒定的LT50與田間自然霜凍損傷結果均極顯著相關，相關系數分別為0.846和0.853，表明室內低溫鑒定結果是真實可靠的，能夠有效評價馬鈴薯材料在田間低溫霜凍環境下的存活情況，且田間霜凍損傷評價結果與低溫馴化后的LT50相關性更強。

3討論與結論

植物耐寒性的鑒定方法主要有電導率鑒定法、形態學鑒定法、田間霜凍鑒定法、葉綠素熒光分析法、同工酶分析法、電阻分析法等[14]。目前，評價馬鈴薯耐寒性的方法主要有室內電導率法和田間自然霜凍鑒定法，其中田間自然鑒定法簡單、快捷，適合大批材料的鑒定，Vega等對2600多份馬鈴薯材料進行了田間自然霜凍評價，并建立了馬鈴薯田間自然霜凍評價標準[12]，但該方法容易受田間氣候的影響，具有一定的局限性;植物的生物膜系統在冷害脅迫下膜脂產生相變，導致細胞膜透性增大以及次生的其他生理生化反應[15]，室內電導率法基于此原理來推測細胞膜的受傷程度，當電解質滲透率為50%時的溫度即半致死溫度（LT50），可以用來準確地反映馬鈴薯耐寒性，該方法適合小樣本的測定。

本研究將室內電導率法和田間自然霜凍鑒定法相結合，研究發現相對電導率與處理溫度呈“S”形曲線變化，與Logistic方程相吻合，并且隨著溫度的降低，葉片受到的傷害愈發嚴重，電解質滲透率增加，葉片的相對電導率上升，這與葛亞英等的研究結果[16]相一致。將田間自然霜凍鑒定結果與室內電導率鑒定結果進行相關性分析，相關性達極顯著水平，表明室內電導率鑒定結果真實可信，能夠評價馬鈴薯材料在田間低溫霜凍環境下的存活情況，可以作為馬鈴薯田間自然霜凍損傷程度的預測方式，與魏亮等的研究結果[11，14，17]一致。低溫馴化前，本研究分析的17份馬鈴薯材料的LT50介于-1.2～-3.6℃，絕大多數材料（82.4%）不耐低溫霜凍，可能在我國馬鈴薯育種中，傳統育種是主要的育種方式，審定品種的遺傳背景差異較小;低溫馴化后，各材料的LT50沒有顯著的變化，說明我國栽培品種無馴化能力或馴化能力很弱，與前人研究結果[11，14，18-22]吻合。在本試驗條件下，共篩選出3份耐寒性較強的材料，分別是桂龍薯1號、泉云4號和V201707，可為耐寒育種提供種質材料;此外，V201831在室內試驗中電導率表現一般，經聚類分析，屬耐寒力較弱型，但在田間自然霜凍鑒定中，該材料表現出較強的耐寒力，尚待進一步研究。

本研究應用電導率法配合Logistic方程測定了低溫馴化前后17份馬鈴薯材料的LT50，并結合田間自然霜凍鑒定結果。結果表明：應用電導法配合Logistic方程可以對馬鈴薯材料的耐寒性進行快速鑒定，能夠準確評價馬鈴薯材料的田間耐寒情況，并且我國選育的栽培品種（系）的低溫馴化能力普遍較弱。

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