电导率法及Logistic方程鉴定马铃薯材料的耐寒性

李华伟，林志坚，许泳清，罗文彬，纪荣昌，张 鸿，李国良，刘中华，邱永祥，邱思鑫，汤 浩*

(1.福建省农业科学院作物研究所，福建 福州 350013；2.农业部南方薯类科学观测实验站，福建 福州 350013)



电导率法及Logistic方程鉴定马铃薯材料的耐寒性

李华伟1,2，林志坚1,2，许泳清1,2，罗文彬1,2，纪荣昌1,2，张 鸿1,2，李国良1,2，刘中华1,2，邱永祥1,2，邱思鑫1,2，汤 浩1,2*

(1.福建省农业科学院作物研究所，福建 福州 350013；2.农业部南方薯类科学观测实验站，福建 福州 350013)

为评价马铃薯的抗寒能力，以18份马铃薯资源和47份马铃薯后代品系为材料，采用低温胁迫处理马铃薯离体叶片，测定其相应电导率，经Logistic方程拟合得出其半致死温度(LT50)。结果表明，供试材料LT50介于-3.8～-1.0℃，材料间差异显著，随着处理温度的降低，供试材料相对电导率逐渐升高，均呈“S”曲线变化。根据LT50聚类分析结果表明，供试材料分为低温敏感型、中间型、耐寒性较强 3 类，筛选出耐寒性强的2份资源及4份后代品系可作为耐寒育种材料。

马铃薯；电导率；半致死温度；耐寒

马铃薯SolanumtuberosumL.属喜光、喜阴凉作物，其幼芽的适宜生长温度为10～12℃。在非生物逆境胁迫中，低温是影响马铃薯生长发育的重要因子，在马铃薯生长期间，低温可导致严重减产甚至绝收[1-3]。低温包括冷害和冻害，冷害通常指0～15℃，水分子未结冰对作物造成的伤害，冻害指水分子结冰，0℃以下对作物造成的伤害。研究表明当环境温度在 -0.8～ -0.5℃ 时，马铃薯植株会发生冷害，-1.5℃时会发生冻害，当温度达到-3℃时植株冻死[4-6]。利用冬闲田进行马铃薯生产的南方冬作区常常遇到早霜和晚霜的危害。近年来，我国南方倒春寒天气经常发生，导致马铃薯严重减产，甚至绝收。我国2008年的特大低温霜冻灾害天气，特别是南方马铃薯受到毁灭性的灾害，受灾面积达40.93万hm2，直接经济损失达10亿元，给马铃薯生产造成了严重的经济损失[7]。

福建省是国内最早种植马铃薯的省份之一，其中利用冬闲田种植的冬种马铃薯种植面积占全省马铃薯种植面积的85%(福建省统计年鉴)，是南方冬作马铃薯的主产区。由于生产上具有气候、季节、市场、区位等优势，因此种植效益明显。福建冬作马铃薯的播种至萌发期为10月至翌年1月，马铃薯生长旺盛期为2～3月，正值全年气温最低的季节，在这一时期马铃薯易受到低温冷害和冻害的影响，冷害严重影响马铃薯光合作用而抑制马铃薯植株的生长，严重的冻害甚至造成大面积马铃薯植株冻死，严重影响马铃薯产量[8-10]。由于福建省马铃薯规模种植起步晚，产业基础薄弱，缺乏适宜于福建省低温、弱光逆境生态条件的优良冬作马铃薯品种。因此筛选和鉴定出较为抗寒的马铃薯材料，可为福建马铃薯适栽品种的引种与选育提供参考。

目前评价植物抗寒性方法有电导率鉴定法、形态学鉴定法、自然霜冻鉴定法、叶绿素荧光分析法、同工酶分析法、电阻分析法等[11]。其中电导率测定法配合Logistic方程是目前鉴定植物耐寒性较为可靠的方法，已广泛应用到马铃薯耐寒性鉴定[7,12-14]。本研究采用电导率法鉴定不同马铃薯材料的半致死温度，评价各育成马铃薯品种及后代品系的耐寒性，筛选出较为抗寒的马铃薯品种及后代品系，为福建省马铃薯生产、品种推广提供理论依据，为抗寒育种提供优良亲本。

1 材料与方法

1.1 材料

本实验室保存的品种资源及后代品系，其中引自国内育种单位育成品种及CIP引进资源18份，及后代品系47份。试验材料与2015年1月份种植于福建省农科院作物研究所基地，出苗后生长40 d，取顶端大小一致的叶片进行低温处理及电导率测定，试验材料均未进行低温驯化(低温驯化是指将试验材料放入白天4℃、晚上2℃低温环境下处理数周以提高其耐寒性为目的)处理。

1.2 方法

1.2.1 电导率测定 马铃薯耐寒性鉴定方法参照李飞等的方法[7]。将供试离体叶片进行低温处理，首先取成熟叶片用加冰的蒸馏水冲洗后，将叶片放入带盖的试管(25 mm×150 mm)底部，每管放1片叶片(每个样品24管)并盖盖密封，(每个样品24管)。对照试管立即放入冰中，其余试管放入冷循环低温水浴锅中(水浴锅中的媒介为50%乙二醇)。水浴锅的初始温度设为0℃，保持30 min降到-0.5℃再保持30 min，降温速度为0.5℃/30 min。温度从-0.5℃降到-1℃保持1 h，-1℃保持30 min时在每个试管中加入一小块冰，再保持30 min，第1次取样，取样后温度降到-1.5℃，-1.5℃保持1 h后温度降到-2℃保持30 min后第2次取样，每次去3管。温度从-2℃降到-7℃，每降1℃保持30 min后分别取样，取样后将试管插入冰中，4℃条件下解冻过夜。将解冻后的叶片剪成小块放入试管中，每个试管加入25 mL蒸馏水。用真空泵以0.1 MPa的真空抽气5 min，在恒温摇床上以220 r·min-1的速率震动1 h，静置后15 min后测其电导率R1。将测定好的试管放入高压灭菌锅中121℃处理20 min，冷却至室温后测电脑率R2。电解质渗出率(%)=R1/R2×100%。

1.2.2 半致死温度 将每个温度对应的3次电导率的平均值与Logistic方程进行非线性拟合，方程拐点即为材料的半致死温度点(LT50)，即材料的抗寒能力。Logistic方程y=1/(l+eB(C-x))其中，y代表相对电导率；x代表处理的温度；B代表方程在拐点的斜率，C代表LT50值[7]。

1.3 数据处理

抗寒性分析及聚类分析采用统计软件SPSS17.0软件，作图采用 Sigmaplot 10.0 进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫下马铃薯电导率的变化

以09173074和郑薯6号的离体叶片为试验材料，经低温胁迫处理后对应的电导率拟合Logistic方程为代表，电导率达到50%对应的温度就为该材料的LT50，即为该材料的抗寒能力，根据拟合曲线可知09173074经低温处理到 -2℃ 时，电解质渗透率显著的增加，电解质渗透率达到了68.08%(表1)，分析得LT50值为-1.0℃，09173074表现出对低温敏感，抗寒性较低。分析各个水平观测值与 Logistic 拟合方程为y=88.965/[1+e(0.959-1.173x)]，相关系数R2较大为0.989，达极显著水平。

郑薯6号经低温处理到-3℃时，电解质渗出率为43.59%(表1)，分析可知其LT50值为-3.8℃，郑薯6号表现出比09173074较强的抗低温能力，其抗寒性在所有材料中最强，分析观测值与Logistic 拟合方程为y=100.944/[1+e(3.167-0.835x)]，相关系数R2较大为0.987，达极显著水平。

表1 09328145和郑薯6号电解质渗出率平均值

Table 1 Average electrolyte leaching rates of detached leaves fromNo. 09328145 and Zheng-shu No. 6 at low temperatures (n=3)

(单位/%)

2.2 马铃薯品种电导率Logistic 回归模型的建立及LT50的确定

以抗寒能力较强的郑薯6号及抗寒能力较弱的品系09173074为对照，分析47份后代材料和18份品种资源在不同低温胁迫处理后的电导率求得的Logistic方程、相关系数及半致死温度LT50(图1、表2)。结果表明，47份材料LT50介于 -3.2～-1.0℃，其中有4份材料0712801、09178056、D540和0719017 的LT50<-3.0℃，抗寒能力较强，占47份供试材料的8.5%，其中09173074、09328145、09365324、09173074的LT50只有-1.0℃，抗寒能力最差，占47份供试材料的8.5%，39份后代材料介于-3.0～-1.0℃，占47份供试材料的83%。18份品种资源LT50介于-3.8℃和-1.3℃(表3)，郑薯6号的抗寒性最强，LT50达-3.8℃，郑薯6号和桂农薯1号的LT50<-3.0℃，占18份供试材料的11.1%。在供试材料中抗寒能力较强的材料的电导率与Logistic方程的拟合度均达极显著水平，抗寒能力较弱的材料离体叶片经不同低温处理后叶片变黑、萎蔫。

表2 47 份马铃薯后代品系未驯化电导率的Logistic 回归方程及半致死温度LT50

(续上表)

编号品系回归方程相关系数致死温度/℃16201211002y=94.986/[1+e(1.529-0.693x)]0.971**-2.417201221013y=94.986/[1+e(1.529-0.693x)]0.986**-2.418201209270y=129.445/[1+e(1.540-0.462x)]0.966**-2.319201212024y=96.236/[1+e(1.529-0.693x)]0.971**-2.3202011-47027y=96.980/[1+e(1.236-0.583x)]0.977**-2.221201207004y=108.290/[1+e(1.166-0.469x)]0.973**-2.222D576y=120.378/[1+e(1101-0.365x)]0.956**-2.123D549y=110.533/[1+e(1.000-0.390x)]0.979**-2.12409319320y=192.029/[1+e(1.56-0.250x)]0.949**-2.12517514y=88.890/[1+e(0.912-0.579x)]0.971**-2.02617549y=100.11/[1+e(1.001-0.507x)]0.972**-2.0272014-4y=139.213/[1+e(1.457-0.46x)]0.981**-1.92820121008y=119.117/[1+e(1.432-0.602x)]0.939**-1.829201209031y=94.576/[1+e(0.642-0.414x)]0.995**-1.830NFJ55y=106.441/[1+e(1.029-0.516+x)]0.971**-1.8312011-46087y=374.338/[1+e(2.391-0.628x)]0.981**-1.7322014-1y=86.68/[1+e(0.918-0.730x)]0.92*-1.733201205032y=87.700/[1+e(1.710-1.356x)]0.997**-1.4342011-47015y=95.837/[1+e(0.845-0.652x)]0.977**-1.435201201013y=96.117/[1+e(0.632-0.502x)]0.979**-1.4362011-46026y=91.277/[1+e(1.443-1.172x)]0.941*-1.437108-1y=98.693/[1+e(1.453-1.028x)]0.935*-1.43809407078y=151.77/[1+e(0.979-0.965x)]0.971**-1.339201207008y=181.127/[1+e(0.410-0.696x)]0.983**-1.340D508y=80.906/[1+e(0.710-0.950x)]0.97**-1.34120122018y=104.891/[1+e(1.014-0.762x)]0.979**-1.2422011-47063y=90.354/[1+e(0.661-0.725x)]0.983**-1.24309365417y=82.66/[1+e(1.098-1.403x)]0.986**-1.14409173074y=74.610/[1+e(0.424-1.086x)]0.853-1.04509365324y=83.057/[1+e1.324-1.684x)]0.994**-1.04609328145y=88.965/[1+e(0.959-1.173x)]0.989**-1.04709330143y=90.1215/[1+e(0.831-1.023x)]0.993**-1.0

表3 18 份马铃薯品种资源未驯化电导率的Logistic 回归方程及半致死温度LT50

(续上表)

编号品系回归方程相关系数致死温度/℃13KW-25y=100.341/[1+e(1.954-0.863x)]0.967**-2.314郑薯1号y=191.9/[1+e(1.834-00.364x)]0.998**-2.215紫花851y=108.290/[1+e(1.166-0.469x)]0.986**-2.116中薯3号y=95.711/[1+e(1.197-0.611x)]0.956**-2.117紫云1号y=98.693/[1+e(0.453-1.028x)]0.829-1.418闽薯1号y=90.962/[1+e(1.491-1.33x)]0.948**-1.3

2.3 马铃薯材料LT50聚类分析

根据表 2 各个材料的半致死温度进行聚类分析，结果表明(图2)，47份后代品系中，在平均距离为 0.12 时 将 47份材料分为 3 类：第一类对低温较为敏感，LT50范围在-1.0～1.5℃，包括09330143、09365324、09173074、20122018等15份材料，占供试材料的 31.9%；第二类 的LT50范围在-2.5～-1.6℃，包括0711103、2011-47056、201207008、201207004等24份材料，占供试材料的51.1%；第三类材料LT50在-3.2～-2.7℃，有0719017、09178056、07128012 等8份材料，占供试材料的 17.0%。聚类结果表明，所测定的材料中有 91.5% 的LT50>-3.0℃，属于不耐低温型，只有4份后代材料LT50<-3.0℃，表现为抗寒能力较强。

18份品种资源聚类分析结果表明(图3)，在平均距离为 0.55 可将 18份材料种分为 3 类：第1类对低温较为敏感，LT50范围在高于-1.5℃，包含闽薯1号和紫云1号2份材料，占供试材料的 11.1%；第2类的LT50范围在-2.1～-2.7℃，包含紫花851、中薯3号、克新1号、中薯19号和费乌瑞它等14份材料， 占供试材料的 77.8%；第3类材料LT50在-3.4～-3.8℃，包含桂农薯1号、郑薯6号2 份材料，占供试材料的 11.1%。聚类结果表明，引进育成品种耐寒性均较差，鉴定材料中有 88.9%的材料LT50>-3.0℃，属于不耐低温品种。从18份材料中筛选出桂农薯1号和郑薯6号较为耐寒品种。

3 讨论与结论

马铃薯耐寒性鉴定通常采用室内电导率法和田间自然鉴定法，田间自然鉴定法简单、快捷，适合大批材料的鉴定，Vega等对2600多份不同种的马铃薯材料进行了田间自然霜冻评价，建立了田间马铃薯自然霜冻评价标准，此后该方法广泛应用于马铃薯耐寒性鉴定[15-18]，但由于田间自然鉴定法依赖于室外环境的温度，该方法应用受到一定的限制。室内电导率鉴定方法是根据细胞外渗液导电性的差异确定膜透性的大小推测膜的受伤程度和对寒冷的抗性强弱，Sukumaran等在研究马铃薯耐寒性时提出以电解质50%的温度作为半致死温度，此后的研究表明电导率结合Logistic方程计算出植物的半致死温度更能准确地反映植物的耐寒性，研究结果表明，相对电导率与处理温度呈“S”曲线变化，可以直观反映植物的耐寒能力，目前已被广泛应用于植物耐寒性鉴定[19]。本研究以18份马铃薯资源和47份马铃薯后代品系为材料，经过低温胁迫马铃薯离体叶片，测定其导率变化情况，并结合Logistic方程分析了马铃薯材料的耐寒性，结果表明，随着处理温度的降低，马铃薯的相对电导率升高，呈典型的“S”曲线，与前人结果一致，初步确定不同马铃薯材料的耐寒性性，为马铃薯耐寒性评价提供依据。

马铃薯分为野生种和栽培种，研究表明马铃薯野生种耐低温，能适应低温霜冻条件，栽培种对低温较为敏感，不能适应低温霜冻条件,李飞研究野生马铃薯耐寒性结果表明野生马铃薯较常规栽培种有较强的耐寒性，魏亮对我国马铃薯主栽品种进行了研究，结果表明绝大多数品种(85.3%)都不耐低温霜冻，品种间抗寒性差异很小，可能是因为我国马铃薯育种以常规育种为主，审定品种遗传组成差异小。本试验所鉴定的马铃薯材料均属马铃薯栽培种，其LT50最高为-1℃，最低为-3.8℃，绝大多数属不耐寒品种(品系)，聚类分析将供试材料分为低温敏感型、中间型、耐寒性较强 3 类。试验筛选出耐寒性强的2份资源桂农薯1号和郑薯6号及4份后代品系(0712801、09178056、D540、0719017)，为抗寒育种提供优良亲本。

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(责任编辑：柯文辉)

Predicting Cold Tolerance of Potato Plants by Electric Conductivity Measurements on Leavesunder Low-temperature Stress

LI Hua-wei1,2, LIN Zhi-jian, XU Yong-qing1,2, LUO Wen-bin1,2, JI Rong-chang1,2, ZHANG Hong1,2,LI Guo-liang1,2, LIU Zhong-hua1,2, QIU Yong-xiang1,2, QIU Si-xin1,2, TANG Hao1,2*

(1.CropInstituteResearchCentre，FujianAcademyofAgriculturalSciences，Fuzhou,Fujian350013,China, 2.ScientificObservingandRxperimentalStationofTuberandRootCropsinSouthChina，Fuzhou,Fujian350013,China)

Eighteen potato cultivars and forty-seven strains were tested for their abilites to tolerate frost and freezing temperatures. Leaves freshly detached from the potato plants were exposed to low temperatures for electric conductivity measurement to derive the medium lethal temperatures,LT50, on each sample. As temperature was lowered, the relative electric conductivity of the potato leaves responded in a typical S function in a logistic equation. TheLT50obtained from the regression equation varied from -3.8℃ to -1℃. They significantly differed among different cultivars and stains. Based onLT50, cold resistances of the various potato cultivars and strains were predicted and clustered into 3 categories, sensitive, medium, and tolerant to freezing. Among them, the two cultivars and 4 strains most tolerant to freezing were preserved for breeding low-temperature resistant varieties in the future.

potato; relative electric conductivity;LT50; cold tolerance

2016-01-05初稿；2016-05-04修改稿

李华伟(1982-)，男，助理研究员，主要从事马铃薯病害防控技术研究(E-mail：hwlpoto@126.com)

*通讯作者：汤浩(1968-)，男，研究员，主要从事马铃薯育种栽培研究(E-mail：tanghao918@sohu.com)

十二五国家科技支撑计划项目(2012BAD02B05)；福建省科技计划项目——省属公益类科研院所基本科研专项(2014R1101010-13)

S 532

A

1008-0384(2016)08-810-06

李华伟，林志坚，许泳清，等.电导率法及Logistic方程鉴定马铃薯材料的耐寒性[J].福建农业学报，2016，31(8)：810-815.

LI H-W，LIN Z-J，XU Y-Q，et al.Predicting Cold Tolerance of Potato Plants by Electric Conductivity Measurements on Leavesunder Low-temperature Stress[J].FujianJournalofAgriculturalSciences，2016，31(8)：810-815.