新疆3個鮮食棗品種的抗寒性評價

劉 敏,靳 娟,阿布都卡尤木·阿依麥提,,樊丁宇,,郝 慶,楊 磊,趙曉梅,耿文娟

(1.新疆農業大學園藝學院,烏魯木齊 830052;2. 新疆農業科學院園藝作物研究所/農業部新疆地區果樹科學觀測實驗站,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】棗(ZiziphusJujubaMill.)為鼠李科(Rhamnaceae)棗屬(ZiziphusMill.)植物[1]。新疆晝夜溫差大、日照時間長、積溫高、降雨少,紅棗品質優良[2]。2019年新疆紅棗栽培面積44.52×104hm2(667.84萬畝),產量372.77×104t,是我國最大的優質干棗生產基地[3]。新疆南疆地區冬季低溫凍害時有發生[4]。伏脆蜜、京滄1號分別是優良的早熟、中熟鮮食棗品種,研究其抗寒能力,為應對新疆南疆地區冬季低溫凍害威脅及鮮食棗品種的區域栽培布局有實際意義。【前人研究進展】郭佳歡等[5]對灰棗系列進行抗寒能力研究結果表明,灰實2抗寒能力最強,灰實7抗寒能力最弱。陳燕等[6]對新疆地方棗進行低溫脅迫處理后結果表明,庫爾勒小棗抗寒性比喀什葛爾小棗好,前者可以種植在溫度偏低的區域。高梅秀等[7]利用電導試驗對金絲4號、冬棗等8個棗品種鑒定其抗寒性,抗寒性最強的是金絲4號,其次分別為金絲小棗、冬棗、大王棗、早脆王、金絲3號、陽信大棗、圓豐棗。董夢怡[8]研究了自然越冬與人工低溫處理下冬棗、贊晶棗等8個棗品種的抗寒生理指標變化規律,結果表明,贊晶棗抗寒性最強,灰棗最弱。【本研究切入點】冬棗是晚熟鮮食棗品種,在新疆南疆四地州均有分布,但時有凍害發生。需對新引進的兩個棗品種進行抗寒性鑒定。【擬解決的關鍵問題】伏脆蜜、京滄1號、冬棗是我區棗品種結構調優過程中重點推廣的早、中、晚熟優良鮮食棗品種組合,針對冬季凍害風險,以冬棗為對照。研究不同程度的低溫處理對3個品種枝條的相對電導率、萌芽率、滲透調節物質、丙二醛含量等生理指標的影響,為鮮食棗新品種的推廣應用和防寒措施制定提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗在喀什地區麥蓋提縣央塔克鄉鮮食棗品種示范園內進行(77°28′～79°05′ E,38°25′～39°22′ N)。在棗樹休眠階段2021年1月(環境溫度(-10±1)℃),采集伏脆蜜、京滄1號、冬棗試驗樹中部區域的東南西北4個方位粗度相對一致、無病蟲害的一年生枝條,每品種采集60枝,每枝長度約30 cm,剪口處蠟封后帶回實驗室進行低溫處理、生理指標的測定及恢復生長試驗。

1.2 方 法

1.2.1 低溫處理

把3個品種的枝條平均分成6份并用浸濕的報紙和塑料薄膜封好,放入超低溫冰箱進行低溫處理,在-10～-35℃內每隔5℃設置一個處理,以-10℃(田間溫度)為對照溫度,降溫速度為4℃/h,達到設定溫度后繼續在冰箱放置12 h[9],低溫處理結束后以降溫速率升溫,在冰箱溫度達到0℃時取出枝條。恢復發芽試驗選擇粗度基本一致的枝條并剪去兩端的石蠟封口,其余枝條用來測定生理指標。

1.2.2 恢復生長調查

恢復生長試驗參考石游在蘋果[10]、郭偉珍等[11]在梨上方法。在低溫脅迫處理后,將部分粗度基本一致的枝條放入盛好蒸餾水的燒杯中,水量為剛好浸過枝條約1/3處,置于恒溫室中陽光可以照射處,每3 d換1次水,每天早上觀察有無發芽數并做好記錄,30 d后統計萌芽率。萌芽率=(萌芽數/調查芽眼數)×100%,根據萌芽率判定恢復生長情況。

1.2.3 指標測定

相對電導率的測定參照王長柱等[12]方法;丙二醛含量的測定用硫代巴比妥酸法;可溶性糖含量的測定用蒽酮比色法;脯氨酸含量的測定用磺基水楊酸法測定;可溶性蛋白含量的測定用BCA法測定[13]。

1.3 數據處理

主成分分析和半致死溫度利用SPSS 19.0軟件統計分析。將相對電導率進行擬合Logistic方程回歸分析,利用曲線拐點所對應的溫度作為半致死溫度(LT50)。Logistic方程的表達式為Y=k/(1+ae-bt),y代表低溫處理下的相對電導率(%),t代表處理溫度,k為細胞傷害率的飽和容量,a、b為方程參數,LT50=-(lna/b)[11]。采用隸屬函數法和主成分分析法對3個棗品種的抗寒能力進行計算排名。其中,隸屬函數公式為:R(Xij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin),如果某個指標與評價結果為負相關,則用反隸屬函數進行定量轉換:R(Xij)=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)。R(Xij)是i品種枝條j指標的隸屬函數值,Xmin、Xmax分別為j指標的最小值和最大值。分別計算出3個棗品種的平均隸屬度。

2 結果與分析

2.1 供試品種枝條萌芽率

研究表明,隨著溫度的降低,3個品種枝條的萌芽率均在下降。在-10～-20℃處理下,伏脆蜜的萌芽率最高,其次是冬棗、京滄1號。其中,京滄1號的萌芽率在-10～-15℃第1次急速下降,在-25℃時,出現第2次急速下滑至0;而伏脆蜜、冬棗的枝條萌芽率均在-20～-25℃急降下滑至0,且之后的低溫處理3個品種枝條也都未萌芽,在-25℃的低溫已對3個品種的1年生枝條造成不可逆轉的傷害。圖1

圖1 低溫脅迫后不同枝條萌芽率的變化

2.2 供試品種枝條相對電導率

研究表明,隨著溫度的逐漸降低,枝條的相對電導率基本呈現上升趨勢,其中,伏脆蜜、京滄1號、冬棗與各自對照(-10℃)電導率相比分別增加了47.49%、50.56%、53.18%。當相對電導率值超過50%時,此時的溫度接近或已經超過其品種本身的半致死溫度(LT50),而伏脆蜜、京滄1號、冬棗相對電導率大于50%的溫度分別為-25～-30℃、-25～-30℃、-20～-25℃。圖2

Logistic 方程擬合3種供試枝條的半致死溫度(LT50)后,其相關系數r都大于0.87,3個品種均達顯著水平。其中,抗寒性最強的是伏脆蜜,半致死溫度為-20.44℃,其次是京滄1號和冬棗,半致死溫度分別為-19.91、-19.53℃。表1

圖2 低溫脅迫后不同枝條相對電導率的變化

表1 低溫脅迫下枝條相對電導率Logistic方程和低溫半致死溫度(LT50)

2.3 供試品種枝條可溶性糖

研究表明,隨著溫度的逐漸降低,伏脆蜜、京滄1號、冬棗的可溶性糖基本呈現“上升-下降-上升”趨勢。其中,冬棗可溶性糖的變化比較穩定,在-10～-15℃、-30～-35℃時該含量上升幅度比較大,-15～-30℃時上升比較緩慢;伏脆蜜可溶性糖含量波動也不明顯,在-10～-20℃時只是小幅度上升,-20～-35℃時,開始起伏明顯;京滄1號整體波動都很大。伏脆蜜、京滄1號、冬棗可溶性糖的峰值出現在-30～-35℃,且依次達到75.45%、86.23%、78.85%。圖3

2.4 供試品種枝條可溶性蛋白

研究表明,隨著溫度的逐漸降低,伏脆蜜、京滄1號、冬棗的可溶性蛋白含量基本呈現“上升-下降-上升”趨勢,波動都較大。其中,伏脆蜜在-15℃時,可溶性蛋白含量達到最大值107.35 mg/g;冬棗在-20℃處理后,可溶性蛋白含量急劇升高達到最大值91.41 mg/g;京滄1號在-35℃時,可溶性蛋白含量達到最大值121.70 mg/g。同時,在-35℃時伏脆蜜、京滄1號、冬棗的可溶性蛋白含量與各自對照(-10℃)相比分別增加了20.86、26.67、26.56 mg/g。圖4

圖3 低溫脅迫后不同枝條可溶性糖的變化

圖4 低溫脅迫后不同枝條可溶性蛋白的變化

2.5 供試品種枝條游離脯氨酸

研究表明,隨著溫度的逐漸降低,3個品種枝條的游離脯氨酸含量基本呈現“上升-下降-上升”的變化趨勢。其中,在-10～-20℃階段內,伏脆蜜游離脯氨酸含量急劇升高,于-20℃達到最大值3.31 mg/g,之后的低溫處理波動不明顯;京滄1號游離氨基酸含量在-15～-20℃時上升劇烈,達到最大值2.98 mg/g,但在-20～-30℃下降也比較明顯;冬棗在-15～-25℃時上升劇烈,游離脯氨酸含量達到其最大值2.99 mg/g。圖5

圖5 低溫脅迫后不同枝條游離脯氨酸的變化

2.6 供試品種枝條丙二醛

研究表明,隨著溫度的逐漸降低,枝條的丙二醛含量基本呈現上升趨勢。其中,京滄1號初始值較高且變化較穩定,只在-25～-30℃有所下滑,在-35℃處理下的此品種枝條丙二醛含量為22.07 nmol/g;而伏脆蜜、冬棗起伏相對較大,丙二醛均在-20℃出現第1次降低,-30℃又出現第2次下滑,且伏脆蜜在-35℃時丙二醛含量超過了京滄1號。伏脆蜜、京滄1號、冬棗與各自對照(-10℃)相比分別增加了5.83、3.68、3.69 nmol/g。圖6

圖6 低溫脅迫后不同枝條丙二醛的變化

2.7 供試品種枝條不同成分間的相關性

研究表明,可溶性糖含量、相對電導率、丙二醛含量與溫度呈極顯著負相關;相對電導率、丙二醛含量與萌芽率呈極顯著負相關;萌芽率與可溶性糖含量呈顯著負相關;萌芽率與溫度呈極顯著正相關;丙二醛含量與可溶性蛋白含量呈極顯著正相關;可溶性蛋白含量、丙二醛含量、相對電導率與可溶性糖含量呈顯著正相關;丙二醛含量與相對電導率呈顯著正相關。圖7

注:表中*表示顯著相關(P<0.05),**表示極顯著相關(P<0.01)

2.8 主成分特征值評價

研究表明,根據主成分特征值大于1的原則,從6個生理指標中得到2個主成分。其中,主成分1中的各個指標總和具有較大特征向量,達到了3.213,貢獻率即解釋方差為53.555%;主成分2中的各個指標特征值為1.058,貢獻率為17.634%,前兩個主成分的累積貢獻率達71.189%。兩個主成分可以代表所有指標71.189%的信息,主要提取前兩個主成分的數據進行綜合評價。表2

主成分1主要包含可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、相對電導率、丙二醛含量、萌芽率的信息,主成分2包含脯氨酸含量的信息。表3,表4

表2 主成分特征值

表3 主成分初始因子荷載矩陣

各綜合指標得分函數:

F1=0.235X1+0.189X2+0.275X3+0.13X4+0.239X5-0.265X6

F2= - 0.06X1+0.56X2+0.094X3+0.574X4- 0.503X5+0.259X6

綜合評價指數:F=3.213/(3.213+1.058)×F1+1.058/(3.213+1.058)×F2

表4 成分得分系數矩陣及貢獻率

得分的高低可以反映抗寒性強弱,其抗寒能力由大到小為伏脆蜜、冬棗、京滄1號。表5

表5 不同品種主成分的得分

2.9 隸屬函數法評價

研究表明,平均隸屬函數值越高,抗寒能力也就越強,反之抗寒能力越弱。3個品種抗寒性由強到弱依次為:伏脆蜜、冬棗、京滄1號。表6

3 討 論

3.1 恢復生長與抗寒性的關系

恢復生長是植物抗寒能力鑒定中直觀、簡易的方法之一,植物經歷低溫環境后,觀察其形成愈傷組織或恢復生長的能力,來判斷植物的抗寒能力[14-15]。目前,恢復生長已經在蘋果[16]、葡萄[17]、香梨[18]等果樹品種上有大量的應用。試驗結果表明,伏脆蜜萌芽率最高,其次是冬棗、京滄1號,且實地種植萌芽時間的順序也是如此:伏脆蜜最早,接著是冬棗、京滄1號。劉政海等[19]對黃土高原地區的葡萄進行恢復生長測定其抗寒性,研究結果表明,在-10～-15℃處理后,枝條的萌芽率均很高,90%以上,一旦處理溫度在-20～-25℃時,試驗品種的萌芽率又出現較大下滑。與研究3個棗品種在-20～-25℃處理后萌芽率突然降至0相似。

3.2 相對電導率、半致死溫度與抗寒性的關系

植物凍害發生的主要部位是原生質膜系統[20]。對植物進行低溫脅迫處理后,細胞內外凝固結冰,由此功能蛋白(酶)活性喪失,一系列生理、代謝功能發生紊亂,且膜系統遭到破壞;膜脂物相由介晶相變成凝膠相,膜結構破壞、通透性變強[21]。電導法測定植物的抗寒能力就是由相對電導率值進行判斷,其值越小,細胞膜通透性越弱,受傷程度越輕,抗寒能力也就越強[22]。本試驗結果表明,伏脆蜜、京滄1號、冬棗的相對電導率隨著溫度的下降,均為緩慢上升,但是在-15～-20℃時,京滄1號、伏脆蜜的相對電導率有所下滑,與王江波等[23]、董夢怡等[8]在紅棗品種的抗寒性研究結果大致相同。而電導率結果表明,冬棗電導率上升幅度最大,其次是京滄1號、伏脆蜜,這與各個生理指標的數據綜合分析后得到的抗寒能力強弱基本一致。而通過相對電導率結合Logistic方程計算的半致死溫度,發現其大小與綜合分析得出的抗寒能力強弱不太一致,與范宗民等[17]在葡萄上的抗寒性研究結果相似。

3.3 滲透調節物質、丙二醛含量與抗寒性關系

當植物所處的環境溫度下降到一定程度時,體內與滲透調節有關的基因將進行表達,滲透調節物質的含量將得到提升,植物將具有與之相關的滲透調節能力,故抗寒能力加強[15]。細胞內可溶性糖含量可以影響自由水和束縛水的比例,當其含量高時,可以增加植物細胞液的濃度,從而降低植物細胞內的水勢,提高該植株的保水能力,且膠化程度降低,還可以避免體內蛋白質受低溫脅迫從而引起的凝固。可溶性蛋白和可溶性糖作用類似,均可提高植物細胞的保水能力,還可以讓植物的冰點下降。游離脯氨酸在植物體內,可作為溶劑較好得溶解有機物,在大多植物遭受冷脅迫時,它能促進蛋白質水合作用。丙二醛對植物有不良作用,主要破壞細胞膜系統,植物處于逆境環境且這種環境持續時間較長時,其含量會升高。丙二醛可通過其含量高低來反映膜脂過氧化的程度,間接測定細胞膜系統損傷的程度以及反映植物在逆境情況下的抗逆性強弱[17]。試驗中,可溶性糖含量隨著低溫的進一步加劇,值均在上漲,該結果與張旭等[24]對蘋果進行抗寒性研究的結果類似,與吳碩等[25]對核桃進行低溫處理研究結果不同,可能是因為果樹品種、氣候不同等原因所致;可溶性蛋白含量隨著低溫的進一步加劇呈“上升-下降-上升”的變化趨勢,與陳燕等[6]在新疆對地方棗種質枝條進行抗寒性研究的結果類似;游離脯氨酸含量隨著低溫的進一步加劇呈“上升-下降-上升”的變化趨勢,與郭佳歡等[5]對灰棗優系品種進行抗寒性研究的結果類似;丙二醛含量隨著溫度的進一步加劇,總體來說呈上升的變化趨勢,與張旭等[24]在蘋果、楊燕君等[26]在杏、郭佳歡等[5]在灰棗的研究上結果相似。

3.4 抗寒指標的相關性、主成分分析和隸屬函數的綜合評價

研究根據枝條不同抗寒指標間相關系數可知,可溶性糖、丙二醛、相對電導率與溫度,丙二醛、相對電導率與萌芽率的相關系數均較高,為負相關;萌芽率與溫度,丙二醛與可溶性蛋白的相關系數也較高,為正相關。該分析結果與曹曉敏等[16]在蘋果、李鵬程等[27]在葡萄上的研究結果相似。主成分分析因其可以計算抗寒性得分已被廣泛應用于蘋果[16]、葡萄[17]等植物的抗寒性評價研究。試驗對3個供試品種枝條的抗寒性生理指標通過SPSS主成分分析后得到的的抗寒性強弱與結合相對電導率值擬合Logistic方程后半致死溫度的排名不太一致,與楊鳳翔等[28]在草莓品種抗寒性上的試驗結果不相似,可能是由于品種、栽培管理方式不同等原因造成。而通過隸屬函數法得到的結果與主成分分析的結果一致,且這一結果與生產實踐中3個品種的抗寒性表現也是一致的,主成分分析、隸屬函數分析得到的抗寒能力大小是比較可靠的。

4 結 論

伏脆蜜、京滄1號、冬棗3個品種一年生枝條的半致死溫度在-19～-21℃,分別為-20.44、-19.91、-19.53℃。一年生枝條抗寒能力由強到弱依次為伏脆蜜>冬棗>京滄1號。在新疆南疆種植冬棗的區域,可選擇抗寒性強的伏脆蜜,而京滄1號抗寒性相對較弱,需要在冬季及時做好防凍保護措施。