用隶属函数值评价库尔勒香梨在越冬期对不同低温的耐性

白茹 *，孙志红 ，鲁晓燕 ，位杰

（1石河子大学农学院/新疆生产建设兵团特色果蔬栽培生理与种质资源利用重点实验室，新疆 石河子 832003；2新疆兵团第二师农业科学所，新疆 库尔勒 841000）

库尔勒香梨作为新疆传统的地方果树品种，是果农重要的经济收入来源之一，但是，2000年以来，低温冻害造成许多果树大面积死亡，给果农造成了严重的经济损失[1]。如何保障香梨安全越冬是目前香梨栽培管理中的重要工作之一，因此，研究库尔勒香梨在越冬期对不同低温的耐性具有重要的理论意义和实践价值。

目前，果树抗寒性的研究多采用将植物样品采摘下来，进行人工模拟低温处理进行[2-3]，这种人工进行模拟低温处理，试验材料除受低温影响外不受其他任何因素的影响。然

而，果树在自然越冬过程中，除受外界环境温度影响外，地域、降雪情况、采样时间等都能对果树越冬期抗寒性造成影响，而且外界环境变化无常，人为无法控制，因此，这2种方法测定的结果必然存在一定的误差。目前，关于植物越冬期的研究报道较多。前人研究结果均表明，植物在越冬过程生理指标会发生不同的变化，对冻害的抵御能力在不同时期也表现出不同的变化。李叶云等[4]在茶树研究中发现，越冬过程中，茶树渗透调节物质和保护酶均呈规律性变化，越冬中期内含物质的含量高于越冬前期和后期。赵树亮[5]研究发现，在越橘自然越冬过程中，可溶性糖含量积累主要发生在越冬前期，脯氨酸含量最大值出现在温度回升初期。吕小军等[6]研究表明，在自然越冬过程中，花椒花芽中SOD活性、POD活性、MDA含量、可溶性蛋白含量与可溶性糖含量呈先升高后降低的趋势，SOD活性、POD活性和可溶性蛋白含量在冬季最为寒冷的时间达到峰值，可溶性糖含量达到峰值的时间较为滞后，而MDA含量在冬季最低温度来临之前已经开始下降。何西风[7]在花椒的自然越冬抗寒性研究中将越冬过程中花椒抗寒性分为4个时期:抗寒锻炼期(11月初至翌年1月初)、强抗寒性期(1月中旬)、抗寒性减弱期(1月中旬至3月初)和抗寒性解除期(3月中旬至以后)。宋吉仁等[8]在小麦越冬中发现：越冬前期，不同小麦品种的可溶性蛋白含量均无差异，但随着越冬时期的深入，不同小麦可溶性蛋白表现出明显差异，表现为随着温度的降低所有品种的蛋白含量不断增高，直到越冬期解除后才逐渐降低，MDA含量也呈类似变化趋势。那么，库尔勒香梨在自然越冬过程中是否也存在这种变化？什么时期是香梨最容易受到冻害威胁的？是值得关注的主要问题。

因此，本研究对库尔勒香梨枝条的细胞膜透性、抗氧化酶活性等生理指标在越冬期不同低温条件下的变化进行研究，探讨库尔勒香梨枝条对不同低温变化的生理适应性，利用隶属函值法对库尔勒香梨枝条在不同月份不同低温条件下对低温的抵御能力进行评价，旨在为香梨冻害机理研究和香梨安全越冬管理提供科学依据和指导。

1 材料与方法

1.1 材料

选择库尔勒地区生长势均衡的30株6年生的香梨树，于2015年11月1日-2016年3月1日，每隔 15 d采样1次，采样时，随机从树体外围东、南、西、北4个方向，选取无病虫害、充分成熟、粗度0.5 cm左右的1年生枝条，每次共采集保留枝条中部4节的120个枝条，立即蜡封剪口，带回实验室测定生理指标。在采样期间利用高低温度计测定和记录采样地每日最高、最低气温，并计算15 d平均最高和最低气温。

1.2 方法

1.2.1 生理指标的测定

参照撒俊逸等[9]的方法测定相对电导率；MDA含量采用硫代巴比妥酸显色反应法测定[10]；SOD、POD、CAT活性参考Bai等[11]的方法，每个指标测定均3次重复 。

1.2.2 枝条对不同低温的耐性评价

采用隶属函数值法[12]对库尔勒香梨不同月份枝条对低温的耐性进行评价。对各项指标的测定值采用模糊数学隶属度公式进行定量转换，对所测的生理指标用下式求出各个时期被测指标隶属度。

（1）与抗寒性呈负相关的相对电导率、MDA含量按以下公式计算：

（2）与抗寒性呈正相关的保护酶活性按以下公式计算：

其中，n为测定的指标总数；Ui为第i个测定指标；U(Xi)∈[0，1]；△为不同采样期各项指标测定的综合评定结果。Ximiax，Ximin为不同采样期第i项指标的最大值和最小值。

1.3 数据处理

采用Excel 2003和SPSS17.0软件对所得数据进行统计和分析。

2 结果与分析

2.1 采样地环境温度的变化

由表1可见，采样地温度从2015年11月1日开始逐渐降低，到2016年2月1日温度降到最低，半月平均最低温度为-14.75℃，之后，温度开始逐渐上升。

表1 采样期每半月平均最低和最高温度Tab.1 The average minimum and maximum temperature per half month of samples

2.2 越冬期香梨枝条相对电导率的变化

越冬期香梨枝条相对电导率的变化见图1。

图1 越冬过程中香梨枝条相对电导率的变化Fig.1 Changes of relative electric conductivity of branches during natural overwinter

由图1可见，从2015年11月到翌年3月，香梨枝条的相对电导率总体呈现先升高后降低的趋势，11月初到翌年1月初上升缓慢，1月15日后随着温度的急剧下降，相对电导率的上升幅度增大，在最寒冷的2月初，其含量由越冬初期的38.93%上升到55.82%，之后，随着温度的回升，相对电导率出现下降。

2.3 越冬期香梨枝条MDA含量的变化

由图2可见，从2015年11月至翌年3月，香梨枝条的MDA含量总体呈现先升高后降低的趋势，11月初到12月底上升缓慢，翌年1月后随着温度的急剧下降，MDA含量的上升幅度增大，在最寒冷的2月初，其含量较越冬初期的11月份上升了112.45%，之后，随着温度的回升，MDA含量开始下降。

图2 越冬过程中香梨枝条MDA含量的变化Fig.2 Changes of MDA content of branches during natural overwinter

2.4 越冬过程中香梨枝条保护酶活性的变化

由图3可见，整个越冬期，香梨枝条POD酶活性呈现不规律小幅上升或下降趋势，虽然在温度最低的1月和2月，其活性最低，但与其它越冬期相比，差异并不显著。香梨枝条SOD酶和CAT酶活性均呈现出先升高后降低的趋势，2015年11月初至12初，SOD和CAT酶活性随着外界环境温度的降低而渐渐升高，至12月1日，达到全年最高，分别为392.32 U/g和 4.58 μmol/g·min；之后，随着环境温度的降低，二者的酶活性开始下降，到2016年3月初，SOD活性降到全年最低86.6 U/g，CAT酶活性到2016年2月中旬，其活性降到全年最低2.46 μmol/g·min。

图3 越冬过程中香梨枝条SOD、POD、CAT活性的变化Fig.3 Changes of SOD，POD and CAT activity of branches during natural overwinter

2.5 越冬期库尔勒香梨不同月份枝条耐受低温的能力评价

库尔勒香梨枝条在不同月份耐受低温的能力采用隶属函数法进行综合评价，由表 2可见，库尔勒香梨在自然越冬期，枝条对不同温度的耐受能力存在较大差异，在气温开始下降的11月至12月，枝条的平均隶属值出现上升，12月 1日达到最大，为0.79，枝条对低温的耐受能力开始增强，之后的1月至2月中旬，随着气温的急剧下降，香梨平均隶属值也开始下降，2月1日达到最小，为0.05，此时，枝条抵御低温的能力降到最低，随着气温的回升，平均隶属值又开始上升，枝条开始逐渐恢复对低温的抵御能力。

表2 各生理指标隶属度及枝条耐受低温的能力评定Tab.2 The value of each index and cold resistance comprehensive assessment

3 讨论

3.1 自然越冬过程中香梨枝条相关生理指标的变化

1995年，Ishikaw等[13]提出“生物氧毒害理论”，其认为植物在遭受低温后，体内活性氧清除系统平衡被破坏和自由基大量积累，使植物受到毒害作用。一般而言，植物在进行正常生命活动所产的活性氧和自由基并不能对植物造成威胁，这完全归功于植物的抗氧化系统，因为它能够清除活性氧和自由基，SOD、POD、CAT等属于酶促防御系统[14]。当植物处于低温逆境胁迫时，细胞自由基产生和清除的平衡遭到破坏而积累大量的活性氧，在冷驯化过程中植物体内的抗氧化酶系统加强，从而提高了植物对活性氧的抵抗力[15]。虽然这些保护酶系统不能直接判断植物的抗寒性强弱，但均与抗寒性有密切的关系[16-17]。Low等[18]研究发现，自然休眠解除过程中，保护酶活性上升。庞发虎等[19]对休眠期内温室杏树和大田杏树的抗氧化酶系统活性测定发现：随着低温时间延长，SOD活性呈先升高后降低再升高的变化趋势，休眠解除后，温室内杏树枝芽SOD活性有所降低；随着休眠的不断深入，温室和大田的POD活性均不断升高，解除休眠后，大田杏树枝芽POD活性降低，CAT活性则迅速升高；直到自然休眠结束后，CAT活性才迅速降低。本研究发现，越冬期香梨枝条SOD、POD、CAT活性随着温度的降低，它们的变化规律相似，在冷空气来袭前其活性均出现了大幅提高，之后随着外界温度的继续下降，其活性开始降低，这可能是由于温度的降低加重了细胞膜的受害程度，高浓度的自由基超过伤害阀值，导致酶蛋白分子的破坏，从而降低了其活性[20]。通常情况下，植物受低温胁迫时，其细胞膜膜相结构发生变化，膜透性增加，细胞内电解质外渗，因电解质渗透率测定方法便捷，已成为目前植物抗寒性评价运用最广泛的生理指标之一[21-22]。MDA是细胞膜质的过氧化产物，其与其细胞内的各种成分发生反应，引起对细胞膜和酶的严重损伤，可在一定程度上反映植物受低温危害的程度。相对电导率和MDA含量均可反映细胞质膜受损程度，而且二者含量越高，抗寒性越差。张吉立等[23]在4种彩叶植物上验证了这一点，MDA含量的变化与外界环境温度变化一致，当环境温度降低时，MDA含量升高，温度升高时，MDA含量迅速降低。本研究发现，2015年11月至2016年3月的自然降温过程中，香梨枝条相对电导率和MDA含量随着天气的变冷而升高，它们在一定程度上反映了枝条细胞膜系统的受损害程度。在温度下降至-11.63℃以下之前，枝条的相对电导率和MDA含量上升缓慢，可能是由于在冷空气来袭前的这段时间，香梨枝条的SOD、POD、CAT活性开始升高，从而降低了细胞膜系统的受损程度。然而，12月15日之后，外界温度快速下降，保护酶活性开始降低，致使枝条的相对电导率和MDA含量开始迅速上升。整个越冬期，3种保护酶之间通过相互协调配合，保持了细胞的渗透平衡，并通过调整各自活性的变化来适应低温变化，从而保护香梨枝条的安全越冬。

3.2 越冬期库尔勒香梨枝条对低温的耐受能力评价

隶属函数法可以在多个指标测定的基础上，对植物的抗寒性进行较为综合、全面的评价，评价结果较为科学、可靠，在植物抗寒性评价中应用广泛[24-25]。因此，本研究在测定香梨枝条相关生理指标变化的基础上，利用隶属函数法对库尔勒香梨不同月份枝条抵御冻害的能力进行综合评价，结果表明，香梨枝条抵御冻害的能力在自然越冬过程中出现了动态变化，在全年气温最低的2月份，香梨枝条各生理指标的平均隶属值最小，此时香梨枝条抵御冻害的能力最弱，这与撒俊逸等[9]研究分析的2014-2015年越冬期香梨枝条具有抵御冻害能力的结论一致。

4 结论

由越冬期温度的降低而导致的香梨枝条细胞膜破坏是枝条冻害发生的重要原因之一，保护酶活性的动态变化在一定程度上可降低膜系统的受损程度，保护枝条安全越冬。用隶属函数值综合评价香梨在越冬期对不同低温的耐性，结果表明，在温度最低的2月香梨枝条对低温的耐受能力最弱，此时最容易受冻，因此，在此期间应积极采取防寒措施，防止降温给香梨带来的冻害。

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