低温胁迫下3种竹柳品系的抗寒性

李艰++周广柱

摘要：以3种竹柳品系3号、5号、7号为试验材料，以垂柳为参照，通过不同人工模拟-20、-25、-30、-33、-35、-38、-40 ℃等低温处理，测定各枝条的相对电导率、可溶性蛋白、SOD、POD、游离脯氨酸及丙二醛含量等抗寒性相关指标，运用Logistic方程计算半致死温度，通过主成分分析法和隶属函数法综合评价各竹柳品系与垂柳的抗寒性。结果表明，不同温度梯度下，各抗寒指标与竹柳品系和垂柳的抗寒性显著相关（P<0.05）；各竹柳品系抗寒性均高于垂柳，相对电导率与抗寒综合指数大小为竹柳5号>竹柳7号>竹柳3号>垂柳；半致死温度与抗寒综合指数极显著负相关（P<0.01）。

关键词：竹柳品系；垂柳；抗寒性；半致死温度；综合评价

中图分类号： Q945.78文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）06-0307-04

收稿日期：2016-02-15

作者简介：李艰（1991—），男，辽宁沈阳人，硕士研究生，主要从事园林植物栽培及应用技术研究。E-mail：516061@qq.com。

通信作者：周广柱，硕士，教授，主要从事园林植物栽培及应用技术研究。E-mail：359860287@qq.com。竹柳（Salix Zhuliu）是美国加州农大与美国几家较大的纸业及种苗公司利用美国寒柳、朝鲜柳（Salix koreensis Anderss）、筐柳（Salix linearistipularis）和毛竹[Phyllostachys heterocycla （Carr.） Mitford cv. Pubescens]经杂交选育而成的优良用材与观赏品系[1]，具有喜光、抗逆性强、生长快等特点。竹柳品系3号生长快、干直，5号抗逆性强，7号观赏价值高。目前，竹柳品系抗盐碱和繁殖技术方面的研究较多[2-3]，抗寒性研究相对较少。张捷等以抗寒性强的旱柳为参照，研究竹柳品系的抗寒性发现，竹柳各品系的抗寒性不如旱柳[4]。本试验选用抗寒性较强的垂柳（Salix babylonica）为参照，研究竹柳品系3号、5号、7号的抗寒性，以期为适栽垂柳的寒冷地区引种竹柳提供技术依据。

1材料与方法

1.1材料采集

竹柳品系3号、5号、7号和垂柳1年生植株共300株，由内蒙古包头市引进。试材采集在秋季落叶后进行，按照李合生的对角线取样法[5]，选取5个样点，每个样点随机选取5株，每株采集5根1年生枝条；将采集的枝条在实验室内剪口蜡封，置于0 ℃条件下储藏，备用。

1.2材料处理

2015年11月上旬，用蒸馏水冲洗干净各供试枝条；选择粗度相对均匀、成熟健壮的枝条分割成段，每段长10 cm，用自来水冲洗数遍，再用蒸馏水冲洗3～4次；待水分晾干，装入聚乙稀袋中贴上标签，分别用纱布包好，放入泡沫盒中并置于0 ℃冰箱中保存，备用；将各品系和垂柳枝条分别在-20、-25、-30、-33、-35、-38、-40 ℃等温度条件下进行低温胁迫处理，以0 ℃处理作为对照，以4 ℃/h的速率降温，持续 12 h；逐步回温至0 ℃，放置8 h，测定相关指标，重复3次。

1.3测定方法

相对电导率采用电导仪法[6]测定；SOD活性、POD活性、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、丙二醛含量分别采用氮蓝四唑（NBT）法、愈创木酚法、考马斯亮蓝法、茚三酮比色法、硫代巴比妥酸法[7]测定。

1.4数据处理与统计分析

利用Logistic方程[8]y=k/（1+ae-bx） 求低温半致死温度LT50，式中，y为电导率，a、b为方程参数，k为最大电解质透出率。以0 ℃的枝条测定值为对照组，以低温处理的各主要抗寒性指标测定值为处理值，计算各抗寒指标的变化率为：变化率=（处理值-对照值）/对照值；对变化率标准化处理，进行主成分分析。采用Microsoft excel 2003、SPSS 19.0软件对数据进行统计分析，采用用Duncans新复极差法进行差异显著性检验[9]。隶属度数值计算公式为：R（Xij）=（Xij-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin）；反隶属函数值计算公式为：R（Xij）=1-（Xij-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin）。式中，R（Xij）表示i种类j指标的抗寒隶属函数值；Xij表示i种类j指标的测定值；Xjmin表示所有种类j指标的最小值；Xjmax表示所有种类j指标的最大值；i表示某个品系；j表示某指标[10]。

2结果与分析

2.1低温胁迫对竹柳相对电导率的影响及半致死温度的确定

植物细胞电解质的外渗程度可用相对电导率来表示，以反映植物细胞膜系统受低温的伤害程度[11-12]。由图1可见，随温度降低，各竹柳品系的相对电导率上升；-20～-30 ℃时，各品系的相对电导率明显增加，不同品系相对电导率的增加幅度有所不同，竹柳5号相对电导率的变化明显低于其他各品系；低于-35 ℃，各品系的相对电导率变化速率明显下降。因此，-20～-35 ℃相对电导率大小的变化可有效反应各品系的抗寒性强弱。由表1可见，竹柳各品系在人工低温胁迫下的相对电导率经Logistic方程回归，其方程拟合度分别为0.958、0.967、0.966、0.976，拟合结果可靠；竹柳5号的半致死温度相对最低，为-35.16 ℃，这说明竹柳5号的抗寒性相对最好。

2.2低温胁迫对竹柳SOD活性的影响

魏臻武等研究表明，植物体内SOD活性与植物本身的抗寒性具有相关性[13]。由图2可见，温度降低过程中，各品系的SOD含量呈先增高后降低趋势；温度在-20～-33 ℃时，各品系的SOD活性均呈上升趋势，且变化明显；温度达到-35 ℃时，竹柳5号的SOD活性相对最好，这说明其细胞内的保护酶调节作用相对最强，抗寒性最好；温度低于-35 ℃，各品系的SOD活性呈下降趋势，这说明各品系细胞内的保护酶系统可能在低温胁迫中受到伤害。

2.3低温胁迫对竹柳POD活性的影响

缴丽莉等研究表明，植物体受到低温胁迫，体内的POD活性呈先升高后降低的趋势，并认为植物体内POD活性与植物本身的抗寒性具有相关性[14-15]。由图3可见，温度降低过程中，各品系的POD活性呈先增高后降低的趋势；温度在 -20～-35 ℃时，各品系的POD活性均呈上升趋势，且变化明显；温度达到-38 ℃时，竹柳5号的POD活性相对最好，这说明其细胞内的保护酶调节作用最强，抗寒性相对最好；温度低于-35 ℃，除竹柳5号外，其他品系的POD活性呈下降趋势，说明这些品系细胞内的保护酶系统可能在低温胁迫中受到伤害。

2.4低温胁迫对竹柳可溶性蛋白含量的影响

研究表明，经低温处理的植物，其可溶性蛋白质含量变化与抗寒性存在相关性。由图4可见，温度降低过程中，各品系的可溶性蛋白含量呈先增高后降低的趋势；温度在-20～-35 ℃ 时，各品系的可溶性蛋白均呈上升趋势，且变化明显；温度达到-38 ℃时，竹柳5号的可溶性蛋白含量最高；温度低于-35 ℃，各品系的可溶性蛋白含量呈下降趋势，这说明各品系体内的蛋白质代谢受到低温的严重影响，导致细胞内物质代谢发生紊乱。

2.5低温胁迫对竹柳脯氨酸含量的影响

Krishnan等认为，植物体内脯氨酸的积累受低温影响，其含量与植物的抗寒性具有相关性[16]。由图5可见，温度降低过程中，各品系的脯氨酸含量呈先升高后降低的规律性变化，且各品系间的变化幅度存在一定差异；垂柳在高于-33 ℃时呈上升趋势，而竹柳3号、7号在高于-35 ℃时呈上升趋势，竹柳5号在高于38 ℃时呈上升趋势。

2.6低温胁迫对竹柳丙二醛含量的影响

研究表明，丙二醛的含量变化能反映胞质的过氧化程度和植物对低温胁迫的抵御能力。由图6可见，在0～-20 ℃低温胁迫时，各品系的MDA含量呈极缓慢下降趋势；随温度降低，各品系的MDA含量迅速上升；-20～-30 ℃时，垂柳、竹柳3号的MDA含量均呈升高趋势，且变化明显，竹柳5号、7号的变化相对较小，这表明竹柳5号、7号对膜脂过氧化产物的清除能力较强，抗寒能力相对较好；-30 ℃时，竹柳3号、垂柳的丙二醛含量达到最大，这表明该温度时竹柳3号、垂柳的细胞膜脂过氧化程度较高，受冻害严重，温度继续下降，组织会逐渐死亡。

2.7抗寒指标的相关性分析

研究表明，各品系相对电导率、可溶性蛋白含量、SOD活性、POD活性、游离脯氨酸含量、丙二醛含量与抗寒性的相关性系数分别为0.986、-0.971、-0.984、-0.963、-0.977、0.954，相对电导率、丙二醛含量与抗寒性呈显著正相关，可溶性蛋白含量、SOD活性、POD活性、游离脯氨酸含量与抗寒性呈显著负相关。因此，选取相对电导率、可溶性蛋白含量、

SOD活性、POD活性、游离脯氨酸含量、丙二醛含量作为衡量竹柳抗寒性的主要指标。但相关抗寒指标不能完全解释各品系抗寒的实质，各品系的抗寒性可结合隶属函数法进行综合评价。对表2、表3数据进行处理，由表4可见，第1、2主成分的特征根均大于1，综合贡献率达到96.790%，可以反映大部分信息。因此，提取第1、2主成分对竹柳的抗寒性进行综合评价。

通过第1、2主成分中各指标的负荷量F与贡献值Y，计算各抗寒性指标对竹柳抗寒性的作用大小，确定相对电导率、SOD活性、POD活性、可溶性蛋白含量、游离脯氨酸含量、丙二醛含量6个抗寒指标的权重Wi分别为0.124 323、0.258 517、0.177 813、0.055 131、0.132 496、0.251 719。由于各指标的单位、性质、数量不同，采用隶属度函数法进行标准数量化，根据主成分因子负荷量的正负确定隶属函数的升降顺序，从而以确保各指标变化的连续性。根据各指标隶属度值与权重，得到各品系抗寒性的综合指数Y，计算公式为：

Y=Wij×R（Xij）

。

式中：Wij为各指标权重，R（Xij）为各指标隶属度值。由表5可见，不同品系抗寒性强弱的顺序为竹柳5号>竹柳7号>竹柳3号>垂柳。抗寒综合指数与半致死温度LT50的相关性分析结果表明，抗寒性综合指数与半致死温度的相关系数为 -0.995，有极显著负相关关系。

3结论与讨论

试验结果表明，在低温胁迫过程中，随着温度降低，竹柳各试材的相对电导率呈逐渐升高的趋势，这与何云等研究结论[17-19]相符；垂柳的半致死温度相对最高，为-28.18 ℃，竹柳5号的半致死温度相对最低，为-35.16 ℃；竹柳各试材的SOD活性与POD活性随温度降低，均呈先升高后降低的变化规律，这与王玲丽等结论[20-22]相符；可溶性蛋白含量随温度降低呈先升高后降低的趋势，竹柳5号可溶性蛋白含量始终高于其他品系，可溶性蛋白含量可以简单反应试材抗寒性的强弱，与马迪的研究结果[23]相符，但与司剑华等的研究结果[24]有些不同，这可能是由不同植物的抗寒机理存在一定差异所致；在达到半致死温度前，各试材脯氨酸、丙二醛含量处于上升状态，达到半致死温度后逐渐降低，这可能是由于低温环境导致植物体内细胞受到严重损伤，从而导致膜质过氧化作用的减弱，这与苏李维等的研究结论[9]相符，但与司剑华等研究结果[24]不符。

植物是一个有机整体，受到逆境胁迫引起植物生理指标变化的因素错综复杂[25]。通过抗寒各指标与试材半致死温度的相关性分析可知，相对电导率、可溶性蛋白含量、SOD活性、POD活性、游离脯氨酸含量、丙二醛含量与抗寒性有着密切的关系，但不能直接判断品系间抗寒性的强弱[26-27]。将竹柳各抗寒性指标的变化率通过主成分分析，并转化为综合的主成分，确定各个抗寒性指标在抗寒作用中的权重，通过隶属度函数分析法计算出综合抗寒指数，结果表明，供试材料的抗寒性依次为竹柳5号>竹柳7号>竹柳3号>垂柳。

半致死温度是表征植物抗寒性的主要生态因子[28]。试验结果表明，半致死温度的高低不仅与供试材料的抗寒性强弱结果一致，而且与抗寒性综合指数呈极显著负相关。不同生境下竹柳的各个生理指标可能会发生变化，单一指标很难反映植物的抗寒性，也不能解释植物抗寒性的生理生化机理[29-30]，运用隶属函数分析更具有科学性和可靠性[31-32]。

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