梁少輝 陳虹 劉書典 蔣捷 馬哈江·唐努爾 張欣怡



摘? ? 要:為了解不同核桃優良單株幼苗間抗旱差異,篩選高抗旱性良種。以新疆阿克蘇地區采集到的8種核桃優良單株幼苗為試驗材料,采用自然干旱法,測定干旱脅迫期間葉片可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量、超氧化物歧化酶活性與過氧化物酶活性等生理指標,研究優良單株幼苗對干旱脅迫的生理響應及抗旱能力。隨著干旱脅迫的持續,各核桃優良單株幼苗的游離脯氨酸含量均呈現增長趨勢,而可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶活性與過氧化物酶則呈現為兩種趨勢,即持續增長趨勢與先升后降趨勢,且同期不同優良單株的生理指標之間存在差異。因此,采用抗旱系數結合隸屬函數法綜合評價其抗旱能力,結果為:YZ-1>YZ-7>YZ-5>YZ-4>YZ-3>YZ-8>YZ-6>YZ-2。進一步對優良單株幼苗進行系統聚類分析,在歐式距離為5.0時,YZ-1歸類為強抗旱品種,YZ-5、YZ-7歸類為中抗旱品種,YZ-2、YZ-3、YZ-4、YZ-6、YZ-8歸類為弱抗旱品種。YZ-1具有較強的抗旱性,可作為核桃砧木使用,適合在西北干旱地區應用。
關鍵詞:優良單株;核桃;抗旱性;綜合評價
中圖分類號:S664.1? ? ? ? ? 文獻標識碼:A? ? ? ? ?DOI 編碼:10.3969/j.issn.1006-6500.2023.06.001
Abstract: This paper aims to learn the drought resistance difference between different varieties of walnut seedling in superior individual plants and provide a high drought resistance varieties for Xinjiang. Eight varieties of walnut seedling in superior individual plants collected in Akesu of Xinjiang were taken as the test materials and natural drought method was used to test soluble sugar content in leaf, soluble protein content, free proline content, superoxide dismutase activity, peroxidase activity and other physiological indexes during drought stress and study the physiological response of walnut seedling in superior individual plants to drought stress and the drought resistance ability of walnut seedling in superior individual plants. As drought stress continued, the free proline contents of all varieties of walnut seedling in superior individual plants showed increased, while soluble sugar content, soluble protein content, superoxide dismutase activity and peroxidase activity showed two trends of continuous increase and decrease after increase, and different indexes had different physiological effects. Therefore, the method of combing drought resistance coefficient with subordinate function was used to comprehensively evaluate the drought resistance ability. The result was YZ-1>YZ-7>YZ-5>YZ-4>YZ-3>YZ-8>YZ-6>YZ-2. A hierarchical cluster analysis was done for the eight varieties of walnut seedling in superior plants. When Euclidean distance was 5.0, YZ-1 was classified as a high drought resistance variety, YZ-5、YZ-7 was classified as a medium drought resistance variety, and YZ-2、YZ-3、YZ-4、YZ-6、YZ-8 was classified as a low drought resistance variety. YZ-1 with strong drought resistance ability can be used as walnut rootstock and be applied in arid area of Xinjiang.
Key words: superior individual plant; Walnut; drought resistance; comprehensive evaluation
基金項目:國家自然科學基金(31960325);自治區自然科學基金(2022D01A180); 自治區級大學生創新創業項目(S202210758048)
作者簡介:梁少輝(2000—),男,河南南陽人,在讀本科生,主要從事林學研究。
通訊作者簡介:陳虹(1981—),女,四川南充人,副教授,博士,主要從事林木栽培與生理研究。
核桃(Juglans regia L.)又名胡桃、羌桃、萬歲子,為胡桃科(Juglandaceae)胡桃屬(Juglans)落葉喬木,與扁桃、腰果、榛子并稱為“全球四大干果”[1]。因其具有良好的社會效益、經濟效益和生態效益,現已是新疆栽培面積最大的經濟樹種[2]。而新疆處于干旱、半干旱地區,降水稀少,水資源嚴重匱乏[3]。灌溉農業中,植物的生長發育主要受灌溉次數和灌溉量的影響。研究表明,當核桃生理需水難以滿足時,會造成樹體生長緩慢、枝葉焦枯,嚴重影響核桃的產量與品質[4-6]。進行優良砧木、品種的選擇,不僅可提高植株的抗逆能力[7-8],而且對于果實品質改善具有一定幫助[9],是優質豐產的重要保障與前提[10]。因此,進行核桃優株幼苗的抗旱性評價研究,對于提高核桃的經濟效益具有重要意義。
植物通過啟動滲透調節、抗氧化酶系統等[11-13]生理過程以適應干旱環境。因此,各類滲透調節物質和抗氧化酶常作為植物抗旱能力的生理評價指標[14-16]。研究表明,不同砧木品種處于干旱脅迫時其滲透調節物質的積累程度不一,抗旱能力較強的品種在受到干旱脅迫時能積累大量可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸,以維持組織正常進行各項生理活動[17]。并且砧木體內的超氧化物歧化酶與過氧化物酶的活性與砧木的抗旱能力密切相關,通常抗旱能力強的品種具有較強的抗氧化能力[18-19]。李劍威等[20]進行1年薄殼山核桃幼苗盆栽控水試驗后發現,隨著干旱脅迫程度的加劇,1年薄殼山核桃幼苗葉片的可溶性糖含量、游離脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性均顯著上升。5種1年美國山核桃幼苗處于干旱脅迫時,可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量、超氧化物歧化酶活性與過氧化物酶活性均與抗旱能力呈正相關,且抗旱能力最強品種‘紹興的各項酶活性和物質含量均相對較高[21]。韓冷[22]通過12種類型的新疆野核桃和4個品種的栽培核桃的抗旱研究發現,隨著干旱脅迫時間的持續,核桃的游離脯氨酸含量均呈上升趨勢,部分品種的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶活性與過氧化物酶活性呈先上升后下降的變化趨勢,且抗旱能力較強的品種擁有相對較高的滲透調節能力與抗氧化能力。有關核桃砧木選育多以野核桃[23-24]、栽培品種[25-27]為主,新疆不僅是核桃的主栽區,且種質資源非常豐富,進行新疆核桃種質資源的抗旱生理評價,以篩選應用高抗旱能力的核桃砧木,是進一步實現新疆核桃高質量發展水平的重要途經之一[28]。因此,本研究采用自然干旱法模擬持續干旱脅迫,研究核桃優良單株幼苗對干旱脅迫的生理生化響應,并通過模糊數學的隸屬函數法不同核桃優良單株幼苗抗旱能力進行綜合評價,以期為干旱半干旱區的核桃生產提供優良抗旱砧木及良種改良與推廣應用提供科學依據。
1 材料與方法
1.1 研究地概況
研究地點位于新疆阿克蘇地區紅旗坡農場新疆農業大學實習基地,阿克蘇地區位于天山中段南麓與塔里木盆地北部邊緣,地理坐標位于北緯39°30'~42°41'、東經78°03'~84°07'之間。地勢西北高東南低,屬于典型的大陸性氣候,四季分明,降水量稀少,蒸發量大,晝夜溫差較大。年平均日照時數為2 900 h,年均無霜期210 d,年均氣溫10 ℃,年均降水量75 mm,年均蒸發量1 350 mm,降水多集中于夏季,冬季稀少。
1.2 試驗材料
試驗苗木為新疆阿克蘇地區紅旗坡片區新疆農業大學實習基地內栽培的生長健壯且一致的1年核桃優良單株實生苗,種質資源來源及母樹性狀特征見表1。單株栽植于28 cm×21 cm×28 cm(外口直徑×內口直徑×高)的育苗袋中,填裝當地田間土進行培養至8月進行自然干旱處理。
1.3試驗方法
分別于第0天、第7天和第14天進行取樣,其中第0天為對照組,土壤相對含水量為74.84%,第7天土壤相對含水量為44.73%,第14天土壤相對含水量為22.65%。隨機選取3盆植株進行取樣,按照上、中、下3層進行葉片取樣,并對樣品進行混合,按四分法進行混樣的抽取,用于葉片生理指標的測定。
采用試劑盒法(北京索萊寶科技有限公司)進行核桃葉片可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量、超氧化物歧化酶活性、過氧化物酶活性的測定,每個指標測定3次重復。
1.4 數據處理
使用Microsoft Excel 2019對數據進行整理以及制表,利用SPASS 25.0統計軟件進行系統聚類分析及單因素方差分析(One-way ANOVA)。
采用模糊數學中的隸屬函數法,評價抗旱能力。
(1)計算抗旱系數:
抗旱系數=處理測定值/對照測定值(1)
(2)計算個指標的抗旱系數隸屬函數值:
式中,U(Xij)表示j種類i個指標的隸屬函數值;Xij表示j種類i個指標的抗旱系數;Ximax表示所有優株幼苗第i個指標抗旱系數的最大值;Ximin表示所有優株幼苗第i個指標抗旱系數的最小值。
(3)計算綜合評價D值:
2 結果與分析
2.1 核桃優良單株幼苗葉片滲透調節物質對干旱脅迫的響應
當植物遭遇逆境脅迫時,會通過主動積累可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸等滲透調節物質,提高植物的抗逆性。由圖1和圖2可知,隨著干旱脅迫程度的加劇,供試核桃優良單株幼苗葉片可溶性糖含量和可溶性蛋白含量呈現為不同變化趨勢,其中YZ-2、YZ-5、YZ-6、YZ-7的葉片可溶性糖含量隨著脅迫天數的增加,呈現逐漸升高趨勢,而YZ-1、YZ-3、YZ-4、YZ-8的葉片可溶性糖含量呈現出先升高后降低的趨勢;YZ-1、YZ-3、YZ-5、YZ-6的葉片可溶性蛋白含量隨脅迫天數的增加,呈現逐漸升高趨勢,而YZ-2、YZ-4、YZ-7、YZ-8的可溶性蛋白含量呈現為先升高后降低的趨勢。
干旱脅迫第7天時,YZ-8的可溶性糖含量最高,為369.89 mg·g-1,顯著高于其他供試優株(P<0.05),YZ-5最低,為253.21 mg·g-1;與對照組相比,YZ-1的可溶性糖含量上升幅度最大,是對照組的94.79%,而YZ-6最低,是對照組的8.20%。第14天時,YZ-2的可溶性糖含量最高,為364.23 mg·g-1,顯著高于其他供試優株(P<0.05),YZ-5最低,為292.21 mg·g-1;與對照組相比,YZ-1的可溶性糖含量上升幅度最大,是對照組的87.91%,YZ-8最小,為對照組的2.35%。
干旱脅迫第7天時,YZ-7的可溶性蛋白含量最高,為11.11 mg·g-1,顯著高于其他優株(P<0.05),YZ-1最低,為7.55 mg·g-1;第14天時,YZ-5的可溶性蛋白含量最高,為11.10 mg·g-1,顯著高于其他供試優株(P<0.05),YZ-8最低,為7.55 mg·g-1。與對照組相比,第7天與第14天時,YZ-7可溶性蛋白含量上升幅度均為最大,分別是對照組的121.31%與100.20%;YZ-4均為最小,分別是對照組的30.26%與19.04%。
由圖3可知,隨著干旱脅迫程度的加劇,供試核桃優良單株幼苗葉片的游離脯氨酸含量均呈現為逐漸升高的趨勢。其中在第7天和第14天 時,YZ-4的游離脯氨酸含量始終最高分別為289.47、403.31 μg·g-1,顯著高于其他供試優株(P<0.05),第7天時YZ-7含量最低,為170.76 μg·g-1;與對照組相比,YZ-2的游離脯氨酸含量上升幅度最大,是對照組的120.39%,YZ-8最小,是對照組的20.50%,第14天時YZ-2含量最低,為247.11 μg·g-1;與對照組相比,YZ-4的游離脯氨酸含量上升幅度最大,是對照組的187.69%,而YZ-5最小,是對照組的52.93%。
2.2 核桃優良單株幼苗葉片保護酶活性對干旱脅迫的響應
當植物遭遇逆境脅迫時,會調動超氧化物歧化酶、過氧化物酶等保護酶,清除逆境下產生的活性氧與自由基,避免或降低因逆境所產生的損害。如圖4和圖5可知,隨著干旱脅迫程度的加劇,供試核桃優良單株幼苗葉片超氧化物歧化酶與過氧化物酶活性呈現為不同變化趨勢,YZ-2、YZ-3、YZ-6、YZ-7、YZ-8呈升高趨勢,而YZ-1、YZ-4、YZ-5呈現為升高后降低的變化趨勢。
干旱脅迫第7天 時,YZ-5 的超氧化物歧化酶活性最高,為1 015.99 U·g-1·FW·h-1,顯著高于其他供試優株(P<0.05),YZ-2最低,為572.63 U·g-1·FW·h-1;與對照組相比,YZ-5的超氧化物歧化酶活性上升幅度最高,是對照組的110.38%,而YZ-2 最低,是對照組的8.07%。第14天時,YZ-8的超氧化物歧化酶活性最高,為906.06 U·g-1·FW·h-1,顯著高于其他供試優株(P<0.05),YZ-1最低,為686.12 U·g-1·FW·h-1,與對照組相比,YZ-8的超氧化物歧化酶活性最高上升幅度最高,是對照組的85.51%,YZ-2最低,為對照組的42.47%。
干旱脅迫第7天時,YZ-5 的過氧化物酶活性最高,為744.56 U·g-1·min-1,顯著高于其他供試優株(P<0.05),YZ-8最低,為331.67 U·g-1·min-1;與對照組相比,YZ-1的過氧化物酶活性上升幅度最高,是對照組的228.26%,而YZ-2最低,是對照組的 50.30%。第14天時,YZ-5的過氧化物酶活性最高,為695.49 U·g-1·min-1,顯著高于其他供試優株(P<0.05),YZ-1最低,為506.53 U·g-1·min-1,與對照組相比,YZ-6的過氧化物酶活性上升幅度最高,是對照組的330.8%,YZ-7最低,為對照組的112.09%。2.3 不同核桃優良單株抗旱能力綜合評價
由于單一生理指標的生理作用不同且反映出的抗旱能力不同。因此,結合抗旱系數并利用模糊數學中的隸屬函數法對優良單株幼苗抗旱能力進行綜合評價。結果如表2所示,依據其綜合評價值,從高到低依次排列:YZ-1>YZ-7>YZ-5>YZ-4>YZ-3>YZ-8>YZ-6>YZ-2。
根據綜合評價D值,采用平方歐式距離進行系統聚類分析,如圖6所示。在歐式距離為5.0時,將8種核桃優良單株幼苗劃分為強抗旱品種、中抗旱品種、弱抗旱品種3個類型。第1類強抗旱品種,為YZ-1,綜合評價D值3.483。第2類中抗旱品種,為YZ-5、YZ-7,綜合評價D值2.646~2.999。第3類弱抗旱品種,為YZ-2、YZ-3、YZ-4、YZ-6、YZ-8,綜合評價D值1.649~2.263。
3 討論與結論
為適應外界環境,植物能夠通過調整自身的生理過程,以避免或減少逆境產生的傷害[29]。研究表明,植物遭遇干旱脅迫時,會積累大量滲透調節物質,降低組織細胞滲透勢,以維持細胞膨壓與細胞膜的穩定性,保證其生理過程的進行[30-31],且滲透調節物質的積累量與植物所受的脅迫程度呈正相關[32]。本研究中,8種核桃優良單株幼苗葉片的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和游離脯氨酸含量均高于對照組,其中YZ-1、YZ-2、YZ-7在干旱持續期間滲透調節物質含量升高幅度相對較大,說明其能通過代謝合成大量的滲透調節物質,增強植物忍耐干旱的能力,使其在干旱脅迫下依舊保有較強的吸水能力,這與韓冷等[33]和張國輝等[34]的研究一致。
當植物遭受逆境時,其體內的活性氧自由基產生與清除受到影響,活性氧自由基不斷累積,從而使細胞膜受損,植物可通過提升抗氧化酶活性,減少或緩解活性氧自由基對細胞膜的損傷,以保持正常的生理過程進行[35-36]。植物組織細胞的超氧化物歧化酶活性與過氧化物酶活性常被視為體現其抗旱能力的一項重要指標。本研究中,YZ-1、YZ-4、YZ-5這3種核桃優良單株幼苗葉片的超氧化物歧化酶活性與過氧化物酶活性呈現為先上升后降低的趨勢,于7 d達到峰值時超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性分別為對照組的180.98%~210.38%與258.16%~328.26%,并且在14 d時下降幅度僅為6.59%~11.84%和2.57%~17.40%,表明其抗氧化酶系統具有相對較快響應速度且變化穩定,在初期抵抗干旱脅迫發揮了重要的作用,這與劉碩等[13]的研究一致。
目前有關抗逆評價的數學方法有模糊數學中的隸屬函數法[37]、主成分分析法[38]、抗旱系數法[39]、灰色關聯度法[40]和聚類分析法[41]等,本研究采用模糊數學中的隸屬函數法和抗旱系數法結合系統聚類分析進行核桃優良單株幼苗的生理特性的綜合評價,結果表明核桃優良單株幼苗抗旱能力為:YZ-1>YZ-7>YZ-5>YZ-4>YZ-3>YZ-8>YZ-6>YZ-2。YZ-1為強抗旱品種,具有較大的綜合評價值,在實際生產實踐中可以將YZ-1作為優良抗旱品種或砧木進行改良和推廣應用。
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