5份枇杷品种(系)的抗寒性生理评价

章加应,张学英,安海山,蒋 爽,徐芳杰

(上海市农业科学院林木果树研究所,上海市设施园艺技术重点实验室,上海 201403)

枇杷(Eriobotrya japonicaLindl.)属蔷薇科(Rosaceae)枇杷属,为亚热带常绿树种,起源于我国四川西南部大渡河流域,富含大量营养物质,目前已成为我国南方地区重要的经济果树之一[1]。然而,枇杷具有‘秋萌冬花,春实夏熟’的特性,花期和幼果发育期恰逢全年温度最低时期,极易遭受冻害影响[2-4]。据统计,四川枇杷产区2008—2018年因低温造成减产的面积占枇杷栽培总面积的60%以上[5],2008年,我国南方出现大范围持续低温、降雪、冻雨等极端恶劣天气,给全国枇杷生产带来了较大损失[6-7],上海是枇杷适栽区北缘地带,枇杷生产受低温冻害影响严重,常出现枇杷产量低、产量不稳定等现象,严重年份甚至绝产,2018年上海地区连续雨雪天气(最低温达-5.6℃)造成枇杷大面积受灾,当年减产30%—50%,给果农造成较大经济损失。因此,探究现有枇杷品种的抗寒特性和选育抗寒能力强的枇杷新品种是北缘地带(尤其是上海地区)枇杷引种和种植成功的关键。相关研究表明,枇杷花器官受冻害的临界温度为-6℃,幼果为-3℃,叶片抗寒能力最强,其次为花芽,种胚抗寒性最弱[8]。潘翠萍等[9]研究了6份枇杷种质对低温胁迫的生理响应并进行了抗寒性评价,提出半致死温度结合隶属函数是准确评价枇杷品种抗寒性的有效方法,认为半致死温度越低,隶属度越大,其抗寒性越好。但是,前人关于枇杷抗寒性的研究多集中于不同品种相同器官[10-11],以不同品种不同器官为材料进行的研究报道较少。本研究以5份枇杷种质为试材,分析低温对枇杷不同器官抗寒生理特征的影响,并采用隶属函数对各品种不同器官的抗寒性进行综合评价,旨在明确不同品种的抗寒特性,为枇杷抗寒新品种的选育及枇杷抗寒性的改良奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的枇杷种质为4份枇杷品种(‘火炬’‘宁海白’‘大五星’‘白玉’)和1份枇杷优系(28东)。‘火炬’为上海市农业科学院通过杂交选育的大果红肉枇杷品种、‘宁海白’为浙江宁海县实生选育的大果白肉枇杷品种、‘大五星’为四川省成都市龙泉园艺科学研究所通过实生选育而成的大果红肉枇杷品种、‘白玉’为江苏省太湖常绿果树技术推广中心通过实生选育而成的优质白肉枇杷品种、28东为上海市农业科学院通过实生选育而成的大果红肉枇杷优系,所有材料均为5年生果树,生长状态基本一致,定植于上海市农业科学院金山果树试验站。

1.2 试验方法

1.2.1 生理指标的测定

分别于2020年2月10日(10℃,低温前期),2020年2月17日(-5℃,低温期)和2020年2月27日(11℃,低温恢复期)选取无病虫害、无机械损伤的枇杷不同器官(叶片、茎、轴和幼果)作为试验材料。放于冰盒中带回实验室,液氮速冻后,-80℃保存,备用。

丙二醛(MDA)和可溶性糖含量的测定采用硫代巴比妥酸法[12];叶绿素含量参照Guo等[13]的方法并稍作改良(95%的乙醇改为80%的丙酮;采用酶标仪测定吸光度)后进行测定;脯氨酸含量的测定采用磺基水杨酸法,参照《植物生理实验》中方法进行操作[14];超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性的测定采用相关试剂盒(南京建成生物工程研究所)进行。

1.2.2 抗寒性综合评价

采用隶属函数法综合各项生理指标对枇杷各器官材料进行抗寒性评价[15]。

1.3 数据处理

运用Excel 2013和SPSS 17.0对试验数据进行整理和分析。采用Graphpad prism 8.0软件(Graphpad Software,USA)进行数据统计和图表制作。利用SPSS 17.0软件中单因素方差分析(ANOVA)检测各处理的显著水平(P≤0.05)。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫对丙二醛含量的影响

5份枇杷品种(系)茎和果实中丙二醛含量在低温前期、低温期和低温恢复期总体上呈现先上升后向下降的倒“V”型趋势(图1)。低温期的茎、轴和果实中的丙二醛含量相对于低温前期均有不同程度的上升,低温恢复期丙二醛含量均下降,说明各枇杷品种(系)器官受到低温胁迫的伤害较小或趋于消失。低温胁迫后,‘火炬’和‘宁海白’叶片器官的丙二醛含量降低,28东的丙二醛含量显著增加,‘白玉’和‘大五星’无显著变化。轴器官经过低温胁迫后,‘大五星’的丙二醛含量显著增加。各品种(系)茎和果实中的丙二醛含量变化趋势一致,低温胁迫促进丙二醛含量的增加,相比于‘火炬’,‘白玉’、‘宁海白’和28东的丙二醛含量及其增幅较大。

图1 低温胁迫对5份枇杷种质各器官丙二醛含量的影响Fig.1 Effects of cold stress on MDA content in different organs of 5 varieties of loquat

2.2 低温胁迫对脯氨酸含量的影响

低温胁迫下,5个枇杷品种(系)叶片、茎、轴和果实器官的脯氨酸含量变化各有差异(图2)。低温后,各品种(系)叶片的脯氨酸含量下降,恢复期内逐渐提升,‘大五星’脯氨酸含量相较低温前期显著下降;相对于其他品种(系),‘火炬’茎、轴低温胁迫后脯氨酸含量上升且处于较高水平。‘宁海白’和‘大五星’在低温胁迫下茎器官中脯氨酸含量变化幅度较小且含量较低,轴器官中脯氨酸显著增加。低温胁迫后,‘宁海白’、28东和‘大五星’果实中脯氨酸含量降低,‘大五星’显著下降,低温恢复期含量逐渐增加。

图2 低温胁迫对5份枇杷种质各器官脯氨酸含量的影响Fig.2 Effects of cold stress on proline content in different organs of 5 varieties of loquat

2.3 低温胁迫对可溶性糖含量的影响

低温胁迫下,5份枇杷种质各器官可溶性糖含量上升,‘火炬’各器官可溶性糖含量增幅较大且处于较高水平。‘白玉’、‘宁海白’和28东可溶性糖含量在叶片和轴器官中变化幅度较小且含量较低,在茎和果实器官中处于较高水平且增幅较强。‘大五星’可溶性糖含量在叶片和茎器官中增幅不显著,在轴和果实中变化显著且处于较高水平。

图3 低温胁迫对5份枇杷种质各器官可溶性糖含量的影响Fig.3 Effects of cold stress on the content of soluble sugar in different organs of 5 varieties of loquat

2.4 低温胁迫对叶片叶绿素含量的影响

低温胁迫下各枇杷品种(系)叶片中的叶绿素含量增加,低温恢复期叶绿素含量降低到低温前同一水平(图4)。低温胁迫下,‘火炬’和28东叶绿素含量显著增加,含量处于高水平。‘白玉’、‘宁海白’和‘大五星’叶绿素含量增幅不显著,‘白玉’和‘宁海白’叶绿素含量较低。

图4 低温胁迫对5份枇杷种质叶片叶绿素含量的影响Fig.4 Effects of cold stress on the content of chlorophyll in leaves of 5 varieties of loquat

2.5 低温胁迫对抗氧化酶活性的影响

作为植物抗氧化系统中重要的抗氧化保护酶,SOD、POD和CAT之间相互协调,可有效清除环境胁迫诱导产生的活性氧,使生物体内的活性氧维持在稳定和低水平上[10]。如图5所示,低温胁迫促进‘火炬’枇杷各器官中SOD活性的提升。28东和‘大五星’叶片、茎和轴器官的SOD活性在低温胁迫下显著提升,然而在果实器官中其SOD活性受到抑制,SOD活性水平下降。除‘白玉’茎器官外,‘白玉’和‘宁海白’其他各器官中的SOD活性在低温胁迫下均受到抑制,其活性相对于其他品种(系)处于较低水平。

图5 低温胁迫对5份枇杷种质各器官SOD活性的影响Fig.5 Effects of cold stress on the activity of SOD in different organs of 5 varieties of loquat

POD是清除活性氧的重要酶类,能防止膜质氧化,与植物的生长发育和抗逆性密切相关。由图6可以看出,低温胁迫促进‘火炬’、‘白玉’茎和果实中POD活性的提升,其他品种(系)各器官中的POD活性均受到不同程度的抑制。‘宁海白’茎和轴器官中POD活性下降幅度较其他品种(系)更为显著。28东叶片和轴器官中POD活性在低温胁迫前期和低温期维持相同水平,低温期茎和果实中POD活性均有不同程度的降低。‘大五星’各器官中POD活性受到低温胁迫的抑制且均有不同程度的下降,轴器官中下降幅度最大;在低温恢复期其活性得到一定程度的提升,轴器官和果实器官中增幅明显。

图6 低温胁迫对5份枇杷种质各器官POD活性的影响Fig.6 Effects of cold stress on the activity of POD in different organs of 5 varieties of loquat

CAT作为植物抗氧化系统中一种重要的抗氧化酶,在保护植物免受低温伤害过程中发挥关键作用。低温胁迫诱导枇杷叶片和茎器官中CAT活性的提高(图7),其中,‘火炬’CAT活性增幅最大。‘宁海白’CAT活性在叶片器官中增幅明显,其他器官中无显著变化。低温胁迫下,轴和果实器官中‘火炬’CAT活性受到抑制,但其活性仍处于较高水平。其他品种(系)轴和果实器官中CAT活性提升效果不显著。低温恢复期,各枇杷器官CAT活性基本恢复到最初水平或略有下降。

图7 低温胁迫对5份枇杷种质各器官CAT活性的影响Fig.7 Effects of cold stress on the activity of CAT in different organs of 5 varieties of loquat

2.6 枇杷各品种(系)及器官抗寒性综合评价

隶属函数法是综合评价植物抗寒性的科学方法,隶属函数值越大,排序越靠前,抗寒性越强;反之,抗寒性越弱。如表1所示,叶片器官中,‘大五星’的平均隶属度最高(0.55)。在茎、轴和果实器官中,平均隶属度数值最高的分别为:‘大五星’、28东和‘火炬’。对各器官抗寒能力进行综合排序,结果为:‘火炬’>‘大五星’>28东>‘白玉’>‘宁海白’。

表1 5份枇杷种质抗寒性的综合评价值Table 1 Comprehensive evaluation of cold resistance of 5 loquat varieties

不同器官响应低温胁迫的能力因品种(系)而异(表2),对‘火炬’和28东而言,轴的隶属度最高,其抗寒性较好;‘大五星’叶片的隶属度最高,响应低温胁迫的适应性最强,‘宁海白’隶属度最低,其抗寒能力最弱;而茎在‘大五星’中具有最高的隶属度。叶片、茎、轴和果实器官在不同品种(系)中的平均隶属度分别为0.502、0.496、0.506、0.456,低温胁迫下4个器官的抗寒能力大小依次为:轴>叶片>茎>果实。

表2 5份枇杷不同器官抗寒性的综合评价Table 2 Comprehensive evaluation of cold resistance of different organs in 5 loquat varieties

3 讨论

低温是影响植物生长发育,限制其地理分布的非生物胁迫之一。在长期进化过程中,植物形成了一系列复杂的机制以响应和适应各种恶劣条件[16]。丙二醛、脯氨酸、可溶性糖以及叶绿素含量等是评价植物抗逆性的重要指标[17-20]。其中,丙二醛含量高低可用于反映植物细胞膜伤害程度及抵御逆境能力的强弱[21-22]。研究表明,植物在低温胁迫下其抗寒性与体内丙二醛含量呈负相关,即抗寒性越强的植物丙二醛含量变化越小。本研究中,枇杷各器官中的丙二醛含量总体上呈现倒“V”型趋势,低温胁迫导致丙二醛含量上升,膜质过氧化程度加剧,与张淑文等[23]在杨梅上的研究结果基本一致。‘火炬’各器官丙二醛含量及其增幅较小,表明其在低温条件下过氧化程度弱,抗寒能力较强。低温胁迫下,28东、‘宁海白’和‘大五星’分别在叶片、果实和轴中的丙二醛含量显著增加,表明其抗寒能力较弱。

脯氨酸、可溶性糖是植物细胞内主要的渗透调节物质,其含量的高低可反映植物抗寒能力的大小。Kumar等[19]和Ding等[24]研究表明,脯氨酸和可溶性糖含量均随着胁迫温度的降低而逐渐增加。本试验中,相对于其他品种(系),‘火炬’各器官脯氨酸含量在低温条件下增幅较大且始终处于较高水平,说明其抗低温能力较强。‘宁海白’和‘大五星’脯氨酸含量增幅效果不显著,含量处于较低水平,抗低温胁迫能力较弱。随着温度的降低,植物器官中贮藏的淀粉等大分子物质降解加速,导致可溶性糖含量持续上升,细胞液浓度提高,器官冰点降低,因此,其含量与植物抗低温能力呈正相关关系[25]。本研究中,5份枇杷种质在低温胁迫后各器官可溶性糖含量总体上呈现先上升后向下降的倒“V”型趋势,这与柑桔[26]、草莓[27]、葡萄[28]、火龙果[29]等果树上的研究结果一致。低温胁迫下,‘火炬’和‘大五星’可溶性糖含量在叶片、轴和果实中均处于较高水平,说明其抗寒能力强于其他品种(系)。‘白玉’和‘宁海白’可溶性糖含量较低,其抗低温胁迫能力偏弱。

叶绿素是植物光合作用中捕获光能的主要物质,对植物的生长发育具有极其重要的作用[20]。时丽冉等[30]研究发现,抗寒能力强的小麦品种(系)具有较高的叶绿素含量和叶绿素荧光动力,其光合作用较强。本研究中,‘火炬’和28东叶绿素含量均处于较高水平,与可溶性糖含量变化趋势一致,有助于提高其光合能力,进而提升品种抗寒性。

低温胁迫可导致植物体内活性氧产量增加、细胞膜脂过氧化作用加剧,严重时导致植物细胞受损或植株死亡。植物抗氧化酶系统在清除活性氧过程中发挥重要作用,SOD、POD和CAT作为系统中最重要的蛋白酶,其活性越高植物的耐低温胁迫能力越强。本研究中,SOD、POD和CAT酶活性总体上表现为先上升后下降的趋势,与之前在核桃[31]、杏仁[32]和橡胶树[33]上的研究结果基本一致。低温胁迫下,枇杷品种‘火炬’的SOD、POD和CAT酶活性均处于较高水平,表明‘火炬’抗寒性强于其他品种(系)。

植物抗寒性是由多因素控制的综合性数量性状,依据单一的生理指标难以准确评估植物抗寒性的强弱,因此,利用多种生理指标结合隶属函数对植物抗逆性进行综合评价能比较准确地反映植物间的抗逆能力差异[34],该方法已在夹竹桃[35]、苹果[36]、核桃[37]等的抗逆性评估中得到广泛应用。本研究利用隶属函数法对5份枇杷种质各器官的7项生理指标进行抗寒性综合评估,各品种(系)抗寒性强弱顺序为:‘火炬’>‘大五星’>28东>‘白玉’>‘宁海白’,这与利用生理指标进行抗寒性评价结果基本一致。同时,各器官在不同品种(系)中的平均隶属度大小顺序为:轴>叶片>茎>果实,表明轴对低温胁迫的适应性强于其他器官。

4 结论

5份参试枇杷种质对低温的生理响应差异显著,各品种(系)不同器官的抗寒相关生理指标总体呈现先升高后降低的倒“V”型变化趋势;‘火炬’对低温具有较强的适应性,抗寒性强;‘宁海白’低温适应性较差,抗低温胁迫能力较弱。不同器官响应低温胁迫的能力存在显著差异,轴对低温具有较强的耐受性,抗寒性强;果实响应低温胁迫的适应性较差,耐寒性较弱。本研究结果不仅可为上海地区枇杷响应低温胁迫的生理基础研究及其抗寒能力评价提供参考,而且有助于枇杷抗寒新品种(系)的选育。