暖季型草坪草不同营养器官耐寒力的动态变化

王丹,宣继萍,郭海林,刘建秀

(江苏省中国科学院植物研究所 南京中山植物园,江苏 南京 210014)

暖季型草坪草广泛分布在温暖湿润的热带及亚热带地区,具有耐高温、养护水平低、耐贫瘠、病虫害少等优良特性,常被应用于建植运动场草坪、水土保持、庭院草坪及休憩草坪等许多方面。但暖季型草坪草是冷敏感的C4植物,冬季都存在一定的枯黄休眠期,导致其观赏价值和使用价值降低。长期以来,抗寒性差、在过渡带地区无法避免冬季枯黄休眠等问题,大大限制了暖季型草坪草的广泛应用。

近年来,许多学者开展了低温对暖季型草坪草膜结构、酶活性、蛋白合成、光合和呼吸等生理生化过程的影响[1-3]以及植物生长调节剂与暖季型草坪草抗寒性关系[4-5]等方面研究,表明生物膜结构是细胞感受环境胁迫最敏感的部位,也是低温伤害尤其是冷害发生的最初场所,膜结构的改变与适应寒冷的过程相关。李亚等[6]、郭海林等[7-8]、王榕楷等[9]、宣继萍等[10-11]、郑玉红等[12]通过测定冷冻处理后叶片或匍匐茎电解质的外渗率分别鉴定了结缕草Zoysia spp.、假俭草Eremochloaophiuroides和狗牙根Cynodon spp.几种暖季型草坪草的种内抗寒性差异。魏臻武等[13]、杜永吉等[14]分别研究了秋冬季节自然降温过程中结缕草、草地早熟禾Poa pretensis的叶片、茎或是根茎电解质外渗率的变化。但是前人的研究多集中在一个属或一个种内的差异研究,并仅以叶片、茎、根茎中的某一种或2种器官为研究对象。本研究在前人工作的基础上以3种典型的暖季型草坪草兰引 3号结缕草 Z.japonica Lanyin No.3、阳江狗牙根C.dactylon Yangjiang、假俭草E126为供试材料,通过测定2008年10月-2009年5月自然温度变化的条件下,叶片、地上茎、地下茎电解质渗透率的月变化,并拟合Logistic方程得到半致死温度(LT50),并结合田间物候期观测,比较分析3种暖季型草坪草LT50季节性动态变化以及不同营养器官间的抗寒差异,旨在通过此研究了解3种典型的暖季型草坪草在抗寒锻炼中的特性,寻求提高暖季型草坪草抗寒性的有效途径,为改善和提高其抗寒力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区自然概况 试验材料种植于江苏省中国科学院植物研究所试验苗圃地,位于江苏省南京市紫 金山南麓(北 纬 32°02′,东经118°28′),海拔55 m,属北亚热带季风温暖湿润气候,年均气温15.3℃,7月和1月平均气温27.7和2.2℃,土壤为砂壤土,pH值 7.70,全氮0.05%,速效磷 12.46 mg/kg,速效钾 24.78 mg/kg,有机质0.19%。试验期间日温度变化见图1。

图1 2008年10月-2009年5月田间日气温变化

1.2 试验材料 以3种典型的暖季型草坪草兰引3号结缕草、阳江狗牙根、假俭草E126为试验材料,均于2004年种植于江苏省中国科学院植物研究所草业中心试验苗圃地。

1.3 试验方法

1.3.1 电解质渗透率的测定 在2008年10月-2009年5月,每月14日从试验地中随机挖取30 cm×30 cm样方大小的草皮块,应用改良电导法分别对叶片、地上茎和地下茎的电解质透出率(EL)进行测定,4次重复。

参照朱根海等[15]的方法,取健康植株材料,自来水冲洗干净,去离子水漂洗3次,吸干表面水分,将叶片、地上茎和地下茎剪短(约2 cm 长)分成5份,每份1 g,用纱布包好后置于试管中,在4℃冰箱中过夜,第2天在低温循环仪(Polyscience公司,Model:9610)中进行模拟低温处理。温度梯度为-2、-6、-10、-14和-18 ℃,处理1.5 h,匀速降温1 h,处理后置于4℃的冰箱解冻,第3天将每处理分成4等份(4个重复),置于试管中,加入去离子水20 mL,用抽气泵真空抽气20 min,振荡后室温下过夜浸提。第4天用电导仪(上海雷磁仪器,Model:DDS-307)测定电导率,然后置于沸水浴中15 min,冷却至室温后测其煮沸电导率。

相对电导率按下列公式计算:

相对电导率=(处理的电导率/煮沸电导率)×100%。

1.3.2 返青期和枯萎期观察

返青期:早春草坪绿度达50%的日期;

枯萎期:秋季草坪50%枯萎的日期。

1.4 数据处理和分析 用Microsoft Office Excel 2003对数据进行整理,并对试验期间的气温作图。根据朱根海等[15]的方法,应用南京农业大学王绍华教授编写的统计软件Rcpsys进行数据处理。将电导率拟合Logistic方程并得出模拟曲线:y=k/(1+ae-bx)。求该Logistic方程的二阶导数,并令其等于零,即可获得曲线的拐点,x=-ln(a/b),即为半致死温度(LT50),以对其抗寒性进行评价。

2 结果与分析

2.1 田间物候期观测及气温变化

2.1.1 试验期间田间气温变化 2008年10月-2009年5月,田间气温变化总体趋势呈现出日最低温和最高温伴随季节变化先降低至1月下旬达到最低温(降至-10℃)后又升高的趋势。从图1可以看出,试验期间日最低温度和最高温度出现几次大的波动,在2008年11月上旬、12月上旬及下旬、2009年1月下旬及3月中旬均出现快速大幅降温,而在2009年2月上旬、3月下旬分别出现快速大幅升温。

2.1.2 田间物候期观测 如表1所示,3种暖季型草坪草中,兰引3号结缕草最晚枯黄且最早返青。假俭草E126最早枯黄最晚返青,在11月末达到50%枯萎,次年5月初开始逐渐返青。

表1 田间物候期观测

2.2 抗寒性

2.2.1 低温处理下供试材料不同器官电解质渗出率的变化规律 对3种供试材料的叶片、地上茎和地下茎分别进行5个温度梯度的冷冻处理,结果表明,供试材料不同营养器官的电解质渗出率都随处理温度下降而上升,且呈明显的S型曲线,即温度开始下降时,电解质渗出率较缓慢上升,随着温度继续下降电解质渗出率快速增加,降到一定温度时,电解质渗出率缓慢上升且趋于稳定。根据莫惠栋[16]的计算方法,将电解质渗出率配合Logistic方程拟合的S型曲线拐点温度即为半致死温度。

2.2.2 不同暖季型草坪草LT50季节性变化比较2008年10月-2009年5月,伴随田间气温逐渐下降次年春季又回升的变化趋势,3种暖季型草坪草叶片、地上茎和地下茎LT50(表2)也呈现出先降低又升高的季节变化趋势。结合温度变化曲线(图1)可以看出,经过11月上旬和12月上旬快速大幅降温的低温训练以后,至12月中旬3种暖季型草坪草地上茎、地下茎的抗寒性明显增强(LT50大幅下降),而后在2008年12月中旬-2009年1月末伴随田间气温继续下降,3种暖季型草坪草的越冬器官(兰引3号结缕草地下茎、阳江狗牙根地下茎、假俭草E126地上茎)逐步适应田间低温,其LT50缓慢下降,至2008年12月或2009年1月降至最低值,而2009年3月末4月初伴随气温的明显平稳回升,草坪草开始逐渐返青,3种暖季型草坪草越冬器官的抗寒性明显降低(LT50大幅上升);自然越冬期间,3种暖季型草坪草叶片对低温较为敏感,在11月末或12月初开始枯黄,次年4月末或5月初开始逐步返青,越冬前后LT50变化并不明显。

表2 3种草坪草叶片、地上茎和地下茎LT50的季节性变化

从不同供试材料来看,兰引3号结缕草叶片LT50从10月的-6.02℃下降到11月的-6.98℃,到次年5月回升到-6.22℃;地上茎LT50从10月的-3.89℃下降到12月的-16.15℃,次年5月回升到-6.90℃;地下茎 LT50从-6.78℃下降到-16.10℃,次年5月回升到-8.97℃。

阳江狗牙根叶片LT5010月为-1.40℃,到了11月下降到 -2.77℃,次年 5月回升到-1.49℃;地上茎 LT5010月为-2.70℃,到 12月下降为-3.32℃,次年5月回升到-3.39℃,地下茎LT50从最初10月-4.62℃下降到-6.21℃,次年5月回升到-4.67℃。从抗寒锻炼期间阳江狗牙根各器官LT50的季节性变化结合田间日气温变化(图1)可以看出,这份材料对外界气温变化较为敏感,空气温度突然下降,使 LT50迅速降低,期间天气回暖又会使其较快的脱锻炼,LT50升高。这可能是其适应低温的一种表现。

假俭草E126叶片LT50从10月的-1.85℃下降到11月的-3.96℃,到次年5月又回升到-2.62℃;而地上茎 LT50从-3.70℃下降到-10.16℃,次年5月回升到-4.30℃。

分析LT50的测定结果,结合田间物候期观测可以看出,3种暖季型草坪草中兰引3号结缕草抗寒性最强,假俭草E126次之,阳江狗牙根最差。

2.2.3 不同暖季型草坪草不同营养器官LT50变化比较 除了种间存在抗寒性差异外,不同营养器官间抗寒性也存在差异。如表2所示,3种暖季型草坪草不同营养器官间抗寒性不同,兰引3号结缕草表现为地下茎＞叶片＞地上茎,阳江狗牙根各营养器官的抗寒性呈现出地下茎＞地上茎＞叶片,而假俭草E126表现为地上茎＞叶片。

3 讨论与结论

随着田间气温季节性变化,3种暖季型草坪草的叶片、地上茎和地下茎的LT50发生季节性动态变化,呈现出先降低后升高的趋势,在1月前后南京气温降到最低值(图1),3种暖季型草坪草的地上茎或地下茎的 LT50也降至最低值。这与国内外很多学者的结论相一致。Rogers等[17]发现结缕草Mayer初冬季抗寒性明显增加,其LT50由9月的-5.6℃降到次年1月的-11.1℃。狗牙根的LT50亦从9月的-2.2℃降到来年2月的-8.1℃[18]。普通狗牙根11月初时的 LT50为-5～-7℃,而到隆冬时则达到了-11℃[19]。Cai等[20]在假俭草上也得到相同的结论。魏臻武等[13]在草地早熟禾和沟叶结缕草中也发现经过自然降温锻炼后2种草LT50明显降低。

草坪草的不同营养器官具有不同的抗寒性。Dunn等[21]发现狗牙根根状茎的抗寒性较匍匐茎差,而Rogers等[16]的结果指出结缕草Mayer的匍匐茎和根状茎的抗寒性相当。魏臻武等[13]对草地早熟禾和沟叶结缕草,杜永吉等[14]对3份结缕草的研究结果均显示供试草坪草根茎或茎在低温处理下电解质透出率的变化趋势同叶片的变化趋势大致相同,但是根茎或茎电解质透出率变化较缓慢。本试验结果表明3种暖季型草坪草兰引3号结缕草、阳江狗牙根和假俭草E126均在其越冬器官(兰引3号结缕草地下茎、阳江狗牙根地下茎、假俭草E126地上茎)表现出较强的耐受低温的能力。

2008年10-2009年5月伴随田间自然温度变化过程,3种暖季型草坪草兰引3号结缕草、阳江狗牙根和假俭草E126的LT50均发生规律性变化,结合田间物候期观测,可以得出3种暖季型草坪草中兰引3号结缕草抗寒性最强,其次为假俭草E126,阳江狗牙根最差。研究中每个种仅选用了1份具有代表性的材料,因此所得结论并不能应用于种间的评价,而只能作为评价这3种暖季型草坪草抗寒性差别的依据。

[1] 李西,毛凯,熊曦,等.暖季型草坪草抗寒性研究进展[J].中国草地,2000,2(4):53-58.

[2] 刘琳,毛凯,干友民,等.暖地型草坪草抗寒性的研究概况[J].草原与草坪,2004(1):53-58.

[3] 柳后起,周守标,谢传俊.假俭草种质资源研究进展[J].草业科学,2008,25(1):59-65.

[4] 曾艳英,邵玲,梁广坚.暖地型草坪绿叶生长剂对细叶结缕草抗寒性的影响[J].草业科学,2007,24(4):103-106.

[5] 朱晓花,孙吉雄,梁慧敏,等.低温预处理与植物生长调节剂对结缕草愈伤组织诱导的影响[J].草业科学,2009,26(4):121-126.

[6] 李亚,谢晓金,宣继萍,等.中国结缕草属(Zoysia spp.)植物抗寒性评价[J].草地学报,2003,11(3):240-245.

[7] 郭海林,刘建秀,朱雪花,等.结缕草属杂交后代抗寒性评价[J].草地学报,2006,14(1):24-28.

[8] 郭海林,高雅丹,薛丹丹,等.结缕草属植物抗寒性的遗传分析[J].草业学报,2009,18(3):53-58.

[9] 王榕楷,丁小球,胡玉佳.三种草坪草的耐寒性及其与超氧化物歧化酶作用关系初步研究[J].中国草地,2001,23(1):46-50.

[10] 宣继萍,刘建秀.坪用狗牙根(Cynodon spp.)优良品种(选系)的抗寒性初步鉴定[J].植物资源与环境学报,2003,12(2):28-32.

[11] 宣继萍,郭海林,刘建秀,等.中国假俭草种质资源抗寒性初步鉴定[J].草业学报,2003,12(6):110-114.

[12] 郑玉红,刘建秀,陈树元.中国狗牙根[Cynodon dactylon(L.)Pers.]耐寒性及其变化规律[J].植物资源与环境学报,2002,11(2):48-52.

[13] 魏臻武,范占炼,王槐三.不同类型草坪草的抗寒锻炼[J].草业科学,1997,14(3):60-65.

[14] 杜永吉,于磊,孙吉雄,等.自然降温过程中不同结缕草品种电解质渗透率的动态变化[J].草业科学,2008,25(8):121-125.

[15] 朱根海,朱培仁.小麦抗冻性的季节变化及温度对脱锻炼的效应[J].南京农学院学报,1984,7(2):9-16.

[16] 莫惠栋.Logistic方程及其应用[J].江苏农学院学报,1983,4(2):53-57.

[17] Rogers R A,Dunn J H,Nelson C J.Cold hardening and carbohydrate composition of Meyer Zoysia[J].Agron.J.,1975,67:836-838.

[18] Davis D L,Huxter T J.Root growth and carbohydrate in soluble protein fractions of bermudagrass[J].Crop Science,1970(10):7-9.

[19] Anderson J A,Taliaferro C M.Laboratory freeze tolereance of field-grown forage bermudagrass cultivars[J].Agronomy Journal,1995,87(5):1017-1020.

[20] Cai Q,Wang S,Cui Z,et al.Changesin freezing tolerance and its relationship with the contents of carbohydrates and proline in overwintering centipedegrass(Eremochloa ophiurpides(Munro)Hack.)[J].Plant Prod.Sci,2004,7(4):421-426.

[21] Dunn J H,Nelson C J.Chemical changes occurring in three bermudagrass turf cultivars in relationship to cold hardiness[J].Agron.J.,1974,66:28-31.