5份枇杷品種(系)的抗寒性生理評價

章加應(yīng),張學(xué)英,安海山,蔣 爽,徐芳杰

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院林木果樹研究所,上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點實驗室,上海 201403)

枇杷(Eriobotrya japonicaLindl.)屬薔薇科(Rosaceae)枇杷屬,為亞熱帶常綠樹種,起源于我國四川西南部大渡河流域,富含大量營養(yǎng)物質(zhì),目前已成為我國南方地區(qū)重要的經(jīng)濟果樹之一[1]。然而,枇杷具有‘秋萌冬花,春實夏熟’的特性,花期和幼果發(fā)育期恰逢全年溫度最低時期,極易遭受凍害影響[2-4]。據(jù)統(tǒng)計,四川枇杷產(chǎn)區(qū)2008—2018年因低溫造成減產(chǎn)的面積占枇杷栽培總面積的60%以上[5],2008年,我國南方出現(xiàn)大范圍持續(xù)低溫、降雪、凍雨等極端惡劣天氣,給全國枇杷生產(chǎn)帶來了較大損失[6-7],上海是枇杷適栽區(qū)北緣地帶,枇杷生產(chǎn)受低溫凍害影響嚴(yán)重,常出現(xiàn)枇杷產(chǎn)量低、產(chǎn)量不穩(wěn)定等現(xiàn)象,嚴(yán)重年份甚至絕產(chǎn),2018年上海地區(qū)連續(xù)雨雪天氣(最低溫達(dá)-5.6℃)造成枇杷大面積受災(zāi),當(dāng)年減產(chǎn)30%—50%,給果農(nóng)造成較大經(jīng)濟損失。因此,探究現(xiàn)有枇杷品種的抗寒特性和選育抗寒能力強的枇杷新品種是北緣地帶(尤其是上海地區(qū))枇杷引種和種植成功的關(guān)鍵。相關(guān)研究表明,枇杷花器官受凍害的臨界溫度為-6℃,幼果為-3℃,葉片抗寒能力最強,其次為花芽,種胚抗寒性最弱[8]。潘翠萍等[9]研究了6份枇杷種質(zhì)對低溫脅迫的生理響應(yīng)并進(jìn)行了抗寒性評價,提出半致死溫度結(jié)合隸屬函數(shù)是準(zhǔn)確評價枇杷品種抗寒性的有效方法,認(rèn)為半致死溫度越低,隸屬度越大,其抗寒性越好。但是,前人關(guān)于枇杷抗寒性的研究多集中于不同品種相同器官[10-11],以不同品種不同器官為材料進(jìn)行的研究報道較少。本研究以5份枇杷種質(zhì)為試材,分析低溫對枇杷不同器官抗寒生理特征的影響,并采用隸屬函數(shù)對各品種不同器官的抗寒性進(jìn)行綜合評價,旨在明確不同品種的抗寒特性,為枇杷抗寒新品種的選育及枇杷抗寒性的改良奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的枇杷種質(zhì)為4份枇杷品種(‘火炬’‘寧海白’‘大五星’‘白玉’)和1份枇杷優(yōu)系(28東)。‘火炬’為上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院通過雜交選育的大果紅肉枇杷品種、‘寧海白’為浙江寧海縣實生選育的大果白肉枇杷品種、‘大五星’為四川省成都市龍泉園藝科學(xué)研究所通過實生選育而成的大果紅肉枇杷品種、‘白玉’為江蘇省太湖常綠果樹技術(shù)推廣中心通過實生選育而成的優(yōu)質(zhì)白肉枇杷品種、28東為上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院通過實生選育而成的大果紅肉枇杷優(yōu)系,所有材料均為5年生果樹,生長狀態(tài)基本一致,定植于上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院金山果樹試驗站。

1.2 試驗方法

1.2.1 生理指標(biāo)的測定

分別于2020年2月10日(10℃,低溫前期),2020年2月17日(-5℃,低溫期)和2020年2月27日(11℃,低溫恢復(fù)期)選取無病蟲害、無機械損傷的枇杷不同器官(葉片、莖、軸和幼果)作為試驗材料。放于冰盒中帶回實驗室,液氮速凍后,-80℃保存,備用。

丙二醛(MDA)和可溶性糖含量的測定采用硫代巴比妥酸法[12];葉綠素含量參照Guo等[13]的方法并稍作改良(95%的乙醇改為80%的丙酮;采用酶標(biāo)儀測定吸光度)后進(jìn)行測定;脯氨酸含量的測定采用磺基水楊酸法,參照《植物生理實驗》中方法進(jìn)行操作[14];超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性的測定采用相關(guān)試劑盒(南京建成生物工程研究所)進(jìn)行。

1.2.2 抗寒性綜合評價

采用隸屬函數(shù)法綜合各項生理指標(biāo)對枇杷各器官材料進(jìn)行抗寒性評價[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2013和SPSS 17.0對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。采用Graphpad prism 8.0軟件(Graphpad Software,USA)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和圖表制作。利用SPSS 17.0軟件中單因素方差分析(ANOVA)檢測各處理的顯著水平(P≤0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對丙二醛含量的影響

5份枇杷品種(系)莖和果實中丙二醛含量在低溫前期、低溫期和低溫恢復(fù)期總體上呈現(xiàn)先上升后向下降的倒“V”型趨勢(圖1)。低溫期的莖、軸和果實中的丙二醛含量相對于低溫前期均有不同程度的上升,低溫恢復(fù)期丙二醛含量均下降,說明各枇杷品種(系)器官受到低溫脅迫的傷害較小或趨于消失。低溫脅迫后,‘火炬’和‘寧海白’葉片器官的丙二醛含量降低,28東的丙二醛含量顯著增加,‘白玉’和‘大五星’無顯著變化。軸器官經(jīng)過低溫脅迫后,‘大五星’的丙二醛含量顯著增加。各品種(系)莖和果實中的丙二醛含量變化趨勢一致,低溫脅迫促進(jìn)丙二醛含量的增加,相比于‘火炬’,‘白玉’、‘寧海白’和28東的丙二醛含量及其增幅較大。

圖1 低溫脅迫對5份枇杷種質(zhì)各器官丙二醛含量的影響Fig.1 Effects of cold stress on MDA content in different organs of 5 varieties of loquat

2.2 低溫脅迫對脯氨酸含量的影響

低溫脅迫下,5個枇杷品種(系)葉片、莖、軸和果實器官的脯氨酸含量變化各有差異(圖2)。低溫后,各品種(系)葉片的脯氨酸含量下降,恢復(fù)期內(nèi)逐漸提升,‘大五星’脯氨酸含量相較低溫前期顯著下降;相對于其他品種(系),‘火炬’莖、軸低溫脅迫后脯氨酸含量上升且處于較高水平。‘寧海白’和‘大五星’在低溫脅迫下莖器官中脯氨酸含量變化幅度較小且含量較低,軸器官中脯氨酸顯著增加。低溫脅迫后,‘寧海白’、28東和‘大五星’果實中脯氨酸含量降低,‘大五星’顯著下降,低溫恢復(fù)期含量逐漸增加。

圖2 低溫脅迫對5份枇杷種質(zhì)各器官脯氨酸含量的影響Fig.2 Effects of cold stress on proline content in different organs of 5 varieties of loquat

2.3 低溫脅迫對可溶性糖含量的影響

低溫脅迫下,5份枇杷種質(zhì)各器官可溶性糖含量上升,‘火炬’各器官可溶性糖含量增幅較大且處于較高水平。‘白玉’、‘寧海白’和28東可溶性糖含量在葉片和軸器官中變化幅度較小且含量較低,在莖和果實器官中處于較高水平且增幅較強。‘大五星’可溶性糖含量在葉片和莖器官中增幅不顯著,在軸和果實中變化顯著且處于較高水平。

圖3 低溫脅迫對5份枇杷種質(zhì)各器官可溶性糖含量的影響Fig.3 Effects of cold stress on the content of soluble sugar in different organs of 5 varieties of loquat

2.4 低溫脅迫對葉片葉綠素含量的影響

低溫脅迫下各枇杷品種(系)葉片中的葉綠素含量增加,低溫恢復(fù)期葉綠素含量降低到低溫前同一水平(圖4)。低溫脅迫下,‘火炬’和28東葉綠素含量顯著增加,含量處于高水平。‘白玉’、‘寧海白’和‘大五星’葉綠素含量增幅不顯著,‘白玉’和‘寧海白’葉綠素含量較低。

圖4 低溫脅迫對5份枇杷種質(zhì)葉片葉綠素含量的影響Fig.4 Effects of cold stress on the content of chlorophyll in leaves of 5 varieties of loquat

2.5 低溫脅迫對抗氧化酶活性的影響

作為植物抗氧化系統(tǒng)中重要的抗氧化保護(hù)酶,SOD、POD和CAT之間相互協(xié)調(diào),可有效清除環(huán)境脅迫誘導(dǎo)產(chǎn)生的活性氧,使生物體內(nèi)的活性氧維持在穩(wěn)定和低水平上[10]。如圖5所示,低溫脅迫促進(jìn)‘火炬’枇杷各器官中SOD活性的提升。28東和‘大五星’葉片、莖和軸器官的SOD活性在低溫脅迫下顯著提升,然而在果實器官中其SOD活性受到抑制,SOD活性水平下降。除‘白玉’莖器官外,‘白玉’和‘寧海白’其他各器官中的SOD活性在低溫脅迫下均受到抑制,其活性相對于其他品種(系)處于較低水平。

圖5 低溫脅迫對5份枇杷種質(zhì)各器官SOD活性的影響Fig.5 Effects of cold stress on the activity of SOD in different organs of 5 varieties of loquat

POD是清除活性氧的重要酶類,能防止膜質(zhì)氧化,與植物的生長發(fā)育和抗逆性密切相關(guān)。由圖6可以看出,低溫脅迫促進(jìn)‘火炬’、‘白玉’莖和果實中POD活性的提升,其他品種(系)各器官中的POD活性均受到不同程度的抑制。‘寧海白’莖和軸器官中POD活性下降幅度較其他品種(系)更為顯著。28東葉片和軸器官中POD活性在低溫脅迫前期和低溫期維持相同水平,低溫期莖和果實中POD活性均有不同程度的降低。‘大五星’各器官中POD活性受到低溫脅迫的抑制且均有不同程度的下降,軸器官中下降幅度最大;在低溫恢復(fù)期其活性得到一定程度的提升,軸器官和果實器官中增幅明顯。

圖6 低溫脅迫對5份枇杷種質(zhì)各器官POD活性的影響Fig.6 Effects of cold stress on the activity of POD in different organs of 5 varieties of loquat

CAT作為植物抗氧化系統(tǒng)中一種重要的抗氧化酶,在保護(hù)植物免受低溫傷害過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。低溫脅迫誘導(dǎo)枇杷葉片和莖器官中CAT活性的提高(圖7),其中,‘火炬’CAT活性增幅最大。‘寧海白’CAT活性在葉片器官中增幅明顯,其他器官中無顯著變化。低溫脅迫下,軸和果實器官中‘火炬’CAT活性受到抑制,但其活性仍處于較高水平。其他品種(系)軸和果實器官中CAT活性提升效果不顯著。低溫恢復(fù)期,各枇杷器官CAT活性基本恢復(fù)到最初水平或略有下降。

圖7 低溫脅迫對5份枇杷種質(zhì)各器官CAT活性的影響Fig.7 Effects of cold stress on the activity of CAT in different organs of 5 varieties of loquat

2.6 枇杷各品種(系)及器官抗寒性綜合評價

隸屬函數(shù)法是綜合評價植物抗寒性的科學(xué)方法,隸屬函數(shù)值越大,排序越靠前,抗寒性越強;反之,抗寒性越弱。如表1所示,葉片器官中,‘大五星’的平均隸屬度最高(0.55)。在莖、軸和果實器官中,平均隸屬度數(shù)值最高的分別為:‘大五星’、28東和‘火炬’。對各器官抗寒能力進(jìn)行綜合排序,結(jié)果為:‘火炬’>‘大五星’>28東>‘白玉’>‘寧海白’。

表1 5份枇杷種質(zhì)抗寒性的綜合評價值Table 1 Comprehensive evaluation of cold resistance of 5 loquat varieties

不同器官響應(yīng)低溫脅迫的能力因品種(系)而異(表2),對‘火炬’和28東而言,軸的隸屬度最高,其抗寒性較好;‘大五星’葉片的隸屬度最高,響應(yīng)低溫脅迫的適應(yīng)性最強,‘寧海白’隸屬度最低,其抗寒能力最弱;而莖在‘大五星’中具有最高的隸屬度。葉片、莖、軸和果實器官在不同品種(系)中的平均隸屬度分別為0.502、0.496、0.506、0.456,低溫脅迫下4個器官的抗寒能力大小依次為:軸>葉片>莖>果實。

表2 5份枇杷不同器官抗寒性的綜合評價Table 2 Comprehensive evaluation of cold resistance of different organs in 5 loquat varieties

3 討論

低溫是影響植物生長發(fā)育,限制其地理分布的非生物脅迫之一。在長期進(jìn)化過程中,植物形成了一系列復(fù)雜的機制以響應(yīng)和適應(yīng)各種惡劣條件[16]。丙二醛、脯氨酸、可溶性糖以及葉綠素含量等是評價植物抗逆性的重要指標(biāo)[17-20]。其中,丙二醛含量高低可用于反映植物細(xì)胞膜傷害程度及抵御逆境能力的強弱[21-22]。研究表明,植物在低溫脅迫下其抗寒性與體內(nèi)丙二醛含量呈負(fù)相關(guān),即抗寒性越強的植物丙二醛含量變化越小。本研究中,枇杷各器官中的丙二醛含量總體上呈現(xiàn)倒“V”型趨勢,低溫脅迫導(dǎo)致丙二醛含量上升,膜質(zhì)過氧化程度加劇,與張淑文等[23]在楊梅上的研究結(jié)果基本一致。‘火炬’各器官丙二醛含量及其增幅較小,表明其在低溫條件下過氧化程度弱,抗寒能力較強。低溫脅迫下,28東、‘寧海白’和‘大五星’分別在葉片、果實和軸中的丙二醛含量顯著增加,表明其抗寒能力較弱。

脯氨酸、可溶性糖是植物細(xì)胞內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),其含量的高低可反映植物抗寒能力的大小。Kumar等[19]和Ding等[24]研究表明,脯氨酸和可溶性糖含量均隨著脅迫溫度的降低而逐漸增加。本試驗中,相對于其他品種(系),‘火炬’各器官脯氨酸含量在低溫條件下增幅較大且始終處于較高水平,說明其抗低溫能力較強。‘寧海白’和‘大五星’脯氨酸含量增幅效果不顯著,含量處于較低水平,抗低溫脅迫能力較弱。隨著溫度的降低,植物器官中貯藏的淀粉等大分子物質(zhì)降解加速,導(dǎo)致可溶性糖含量持續(xù)上升,細(xì)胞液濃度提高,器官冰點降低,因此,其含量與植物抗低溫能力呈正相關(guān)關(guān)系[25]。本研究中,5份枇杷種質(zhì)在低溫脅迫后各器官可溶性糖含量總體上呈現(xiàn)先上升后向下降的倒“V”型趨勢,這與柑桔[26]、草莓[27]、葡萄[28]、火龍果[29]等果樹上的研究結(jié)果一致。低溫脅迫下,‘火炬’和‘大五星’可溶性糖含量在葉片、軸和果實中均處于較高水平,說明其抗寒能力強于其他品種(系)。‘白玉’和‘寧海白’可溶性糖含量較低,其抗低溫脅迫能力偏弱。

葉綠素是植物光合作用中捕獲光能的主要物質(zhì),對植物的生長發(fā)育具有極其重要的作用[20]。時麗冉等[30]研究發(fā)現(xiàn),抗寒能力強的小麥品種(系)具有較高的葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈩恿?其光合作用較強。本研究中,‘火炬’和28東葉綠素含量均處于較高水平,與可溶性糖含量變化趨勢一致,有助于提高其光合能力,進(jìn)而提升品種抗寒性。

低溫脅迫可導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)量增加、細(xì)胞膜脂過氧化作用加劇,嚴(yán)重時導(dǎo)致植物細(xì)胞受損或植株死亡。植物抗氧化酶系統(tǒng)在清除活性氧過程中發(fā)揮重要作用,SOD、POD和CAT作為系統(tǒng)中最重要的蛋白酶,其活性越高植物的耐低溫脅迫能力越強。本研究中,SOD、POD和CAT酶活性總體上表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢,與之前在核桃[31]、杏仁[32]和橡膠樹[33]上的研究結(jié)果基本一致。低溫脅迫下,枇杷品種‘火炬’的SOD、POD和CAT酶活性均處于較高水平,表明‘火炬’抗寒性強于其他品種(系)。

植物抗寒性是由多因素控制的綜合性數(shù)量性狀,依據(jù)單一的生理指標(biāo)難以準(zhǔn)確評估植物抗寒性的強弱,因此,利用多種生理指標(biāo)結(jié)合隸屬函數(shù)對植物抗逆性進(jìn)行綜合評價能比較準(zhǔn)確地反映植物間的抗逆能力差異[34],該方法已在夾竹桃[35]、蘋果[36]、核桃[37]等的抗逆性評估中得到廣泛應(yīng)用。本研究利用隸屬函數(shù)法對5份枇杷種質(zhì)各器官的7項生理指標(biāo)進(jìn)行抗寒性綜合評估,各品種(系)抗寒性強弱順序為:‘火炬’>‘大五星’>28東>‘白玉’>‘寧海白’,這與利用生理指標(biāo)進(jìn)行抗寒性評價結(jié)果基本一致。同時,各器官在不同品種(系)中的平均隸屬度大小順序為:軸>葉片>莖>果實,表明軸對低溫脅迫的適應(yīng)性強于其他器官。

4 結(jié)論

5份參試枇杷種質(zhì)對低溫的生理響應(yīng)差異顯著,各品種(系)不同器官的抗寒相關(guān)生理指標(biāo)總體呈現(xiàn)先升高后降低的倒“V”型變化趨勢;‘火炬’對低溫具有較強的適應(yīng)性,抗寒性強;‘寧海白’低溫適應(yīng)性較差,抗低溫脅迫能力較弱。不同器官響應(yīng)低溫脅迫的能力存在顯著差異,軸對低溫具有較強的耐受性,抗寒性強;果實響應(yīng)低溫脅迫的適應(yīng)性較差,耐寒性較弱。本研究結(jié)果不僅可為上海地區(qū)枇杷響應(yīng)低溫脅迫的生理基礎(chǔ)研究及其抗寒能力評價提供參考,而且有助于枇杷抗寒新品種(系)的選育。