20个月季品种的抗寒性综合评价

牟开萍，李维芳，杨文新，李昌霞，王春蕾，廖伟彪

(甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070)

月季(Rosachinensis)为蔷薇科(Rosaceae)蔷薇属(Rosa)花灌木，是我国的传统名花，因具有种类繁多、花色花型丰富、花期长、观赏价值高、适应性强等特点，被认为是当今世界最重要的观赏植物之一。月季在我国南方的城市园林绿化中应用广泛，但北方寒冷地区由于低温条件的限制，月季露地越冬存在一定的困难，这对其新品种的推广和发展有很大的影响。有些月季品种在寒冷、干旱、高盐碱等逆境下虽能勉强存活，但品质却下降许多，因此培育抗逆性强的月季品种具有十分重要的意义。近几年，越来越多的科研工作者开始进行月季的抗寒[1-2]、抗旱[3-4]、耐盐[5-7]等抗逆性研究。

低温是非生物胁迫中的一个关键因子，它会限制植物的生长和地理分布[8-9]。低温胁迫会降低光合作用，使植物体内水分和营养物质的转运速度减慢，另外还会使胞内溶液冻结、细胞膜系统损伤、细胞功能紊乱，对植株造成不可逆转的伤害。目前已有不少学者对月季的抗寒性做了鉴定与比较，但由于其种类繁多、种间差异大，且研究方法和测定手段仍有一定的局限性，对月季响应低温的研究机制一直没有突破性的进展[10-11]。早期人们常以相对电导率作为评价植物抗寒性的指标，然而越来越多的结果发现这种方法不够全面和准确，所以最近几年应用更多的是通过多项指标来进行综合分析，其中用隶属函数法评价植物抗寒能力具有较强的可靠性，因而被普遍应用。此外，灰色关联分析是一种多因素统计的方法，可以真实全面地反映事物的客观特征[12]；主成分分析法可以克服多个指标间的信息重叠，将各原始指标转换成少数彼此独立的综合评价指标，提高评价指标的可靠性[13]。本研究以兰州植物园的20个月季品种一年生枝条为供试材料，对所测指标进行灰色关联分析，以低温胁迫后各指标的相对值作为抗寒性评价指标，通过主成分分析法和隶属函数法对各月季品种的抗寒性作出鉴定和评价，旨在为寒冷地区冬季月季的选育和应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

2019年11月于兰州植物园选取20个月季品种(表1)，取各品种长势均匀、粗度基本相同的一年生枝条作为供试材料，单株样枝充分混合后备用。

表1 供试月季品种

1.2 试验方法

将采回的月季品种一年生枝条用自来水和蒸馏水冲洗干净，取中下部分剪成20 cm长的枝段，剪切口处用封口膜包裹后进行处理。以4 ℃作为对照温度，-10 ℃为低温处理温度，将月季品种在以上两个温度下各处理48 h后测定指标。每个品种在不同温度梯度下各用5个枝段，各试验均设3个重复。

1.3 指标测定

将低温处理后的月季枝段在25 ℃下水培，每天调查发芽枝数和累计发芽数，待发芽数恒定后，计算枝条存活率(SR)和发芽率(GR)，以此作为月季恢复生长能力的指标[2]；相对电导率(RC)的测定采用电导仪法，MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸(TBA)显色法，可溶性糖含量(SS)和可溶性蛋白含量(SP)分别用蒽酮-乙酸乙酯法和考马斯亮蓝法测定[14-15]。

1.4 数据分析

利用各指标的相对值(抗寒系数)对不同品种月季的抗寒性进行评价，所用公式为：抗寒系数(%)=低温胁迫后指标测定值/对照指标测定值×100%[16]；采用主成分分析法将各单项指标的抗寒系数转化为若干个综合指标，并运用隶属函数法对其进一步分析，通过计算隶属函数值、权重和D值来评定各品种的抗寒性强弱，最后对D值进行聚类分析，使用Ward’s method分层聚类法，样本之间的距离为欧式距离平方，得出聚类分析谱系图[17]。

运用Microsoft Excel 2010进行灰色关联分析、抗寒系数、隶属函数等的相关计算，SPSS 22.0软件进行主成分分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫对20个月季品种抗寒性指标的影响及各指标抗寒系数

20个月季品种在受到低温胁迫后，枝条存活率和发芽率平均下降了52.27%和33.57%，表明低温影响了枝条的恢复生长能力；相对电导率较对照平均上升了127.00%，MDA含量变化规律不一致，如‘电子表’‘绯扇’‘摩纳哥公主’平均下降了53.23%、19.45%、17.61%，而‘金凤凰’‘艳丽’‘红双喜’平均上升了124.91%、140.93%、124.67%，体现了各品种月季体内质膜对逆境响应的差异性；可溶性糖含量和可溶性蛋白含量较对照平均下降了54.73%和87.40%，究其原因为低温使得月季枝条细胞内的渗透调节物质遭到了破坏。此外，试验还发现，在-10 ℃低温胁迫后，‘亚克力红’‘金奖章’‘金凤凰’‘荣光’和‘节日礼花’的枝条和叶片受伤害严重，表现为部分枝条死亡，叶片逐渐发黄、萎蔫或干枯；‘艳丽’‘红苁蓉’‘黄和平’‘摩纳哥公主’的叶色变暗、萎蔫变软，部分叶片皱缩，枝条活性降低；‘香魔’‘赞歌’‘阿尔卑斯’‘香妃’‘百老汇’受伤害程度小，叶色基本正常，叶缘失水萎蔫，发芽率较高；其他月季品种也有不同程度的受害表现(表2)。

表2 低温胁迫处理下20个月季品种的抗寒性指标

为了便于分析，利用表2数据计算得到各品种月季单项指标的抗寒系数。不同指标的抗寒系数间差异较大，其中‘赞歌’的枝条存活率抗寒系数最大，为100%，‘香魔’的发芽率抗寒系数最大，为183.33%，表明这两种月季的抗寒性较强，‘亚克力红’的这两项抗寒系数均低于其他品种，说明其抗寒性较差；相对电导率和丙二醛含量抗寒系数最小的品种分别是‘香魔’(101.06%)和‘摩纳哥公主’(17.61%)，反映出这两种月季较强的抗寒性；‘黄和平’(342.86%)和‘百老汇’(127.27%)分别是可溶性糖含量和可溶性蛋白含量抗寒系数最大的品种，二者对低温的耐受性强(表3)。

表3 20个月季品种各项指标的抗寒系数

2.2 低温胁迫下各指标与抗寒性的灰色关联分析

参照刘慧民等[18]、吴晓丽等[19]的方法，以低温胁迫下各月季品种的相对电导率为参考序列(母序列)，记作X0，枝条存活率、发芽率、MDA含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量5项指标为比较序列(子序列)，记作Xi(i=1，2，3，4，5)，建立灰色关联分析系统。由于各指标所含的物理意义不同，需对原始数据进行无量纲化处理(式1)，根据标准化后的数据计算参考序列X0(相对电导率)与比较序列Xi(各指标)之间的关联系数与关联度[19-20](公式2、3)，结果见表4。

(1)

ξi(k)=

(2)

(3)

各月季品种在低温胁迫下的5个指标与抗寒性的关联度从小到大依次为0.67、0.70、0.72、0.73、0.74，均大于0.30，表明各指标与抗寒性均有一定的相关性[21]。从关联序列结果来看，各指标中MDA含量对月季抗寒性的影响最大，其次为发芽率、存活率，可溶性蛋白和可溶性糖含量对抗寒性的影响较小(表4)。

表4 20个月季品种的抗寒性与各指标的关联系数、关联度、关联序

结果同样反映了各指标对低温胁迫的敏感程度[19]，表明供试月季在受到低温为害后膜脂过氧化程度加重，进而表现为枝条发芽率和存活率降低；可溶性蛋白和可溶性糖对细胞膜系统起保护作用，在低温胁迫时可以缓解逆境对植物体的伤害。

2.3 抗寒性指标的主成分分析

将20个月季品种各指标的抗寒系数标准化处理后进行主成分分析，前4个主成分的累积贡献率达到80.254%，包含了大多数的指标信息，可以用来反映不同品种月季的综合抗寒性(表4)。表中特征向量绝对值的大小反映了各指标对主成分的影响程度，负值表示负向影响。根据主成分的特征向量得到4个主成分的得分函数表达式：

F1=-0.004X1-0.113X2+0.576X3-0.480X4-0.032X5+0.651X6

(4)

F2= 0.643X1+0.568X2+0.090X3+0.106X4-0.488X+0.077X6

(5)

F3= 0.248X1+0.373X2-0.435X3-0.499X4+0.590X5+0.113X6

(6)

F4=-0.419X1+0.572X2+0.171X3+0.510X4+0.307X5+0.336X6

(7)

式中：F1～F4表示主成分的综合评价值，X1～X6表示以上6个指标抗寒系数标准化之后得到的数值。由于4个主成分在评价抗寒性时所起的作用不同，因此对各综合指标进一步用隶属函数结合权重法分析。

2.4 隶属函数综合分析

由主成分分析得出4个综合评价值(F1～F4)，按照公式(8)计算其隶属函数值[22]，其中Xj表示第j个指标，Xjmin与Xjmax分别表示j指标的最小值与最大值。对同一综合指标而言，隶属函数值越高的品种抗寒性越强。

μ(Xj)=(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(8)

(9)

(10)

根据各综合指标的贡献率计算其权重(式9)，进而求得综合抗寒能力D值(式10)。其中wj为第j个综合指标所占的权重，pj为各品种在第j各综合指标的贡献率[13,23]，D为各品种在低温胁迫下的抗寒性综合评价值[13]，D值越大则该品种的综合抗寒性越强，对D值排序即为各品种月季的抗寒性排名。

各品种的D值在0.247～0.690，其中‘香魔’‘阿尔卑斯’‘百老汇’的D值最大为0.690、0.687和0.656，是20个月季品种中抗寒性最强的3个品种；‘火和平’和‘绿野’的D值相同，均为0.433；‘节日礼花’(0.339)、‘荣光’(0.290)和‘金凤凰’(0.247)D值最小，即这3个品种的综合抗寒能力最差(表6)。

表5 主成分的特征向量与累积贡献率

表6 各月季品种的综合评价值、权重、μ(Xj)、D值及抗寒性排名

2.5 聚类分析

采用系统聚类法，对20个月季品种抗寒能力的D值进行聚类分析(图1)。各月季品种按抗寒性强弱可划分为5类：

图1 20个月季品种抗寒能力的聚类分析

第1类：抗寒性最强，包括‘香魔’‘香妃’‘百老汇’。

第2类：抗寒性较强，包括‘赞歌’‘阿尔卑斯’‘电子表’。

第3类：抗寒性一般，包括‘艳丽’‘红苁蓉’‘绯扇’‘爱’‘黄和平’。

第4类：抗寒性较差，包括‘摩纳哥公主’‘绿野’‘火和平’‘红双喜’‘亚克力红’‘金奖章’。

第5类：抗寒性最差，包括‘金凤凰’‘荣光’和‘节日礼花’。

各品种月季的抗寒性排序与低温胁迫后的外部形态表现基本一致，表明本研究结果可信度较高，同时也体现了主成分分析和隶属函数综合评价方法的可靠性。

3 讨论

在植物的非生物性胁迫中，低温危害是农林业生产中的主要自然灾害之一，不但影响其品质与产量，严重时还可造成植株死亡，对植物的观赏价值、生态效益、经济价值等都造成很大的损失[24]。如今，抗寒性研究已成为植物抗逆研究中的一个重要组成部分，正确、科学的测定和评价植物的抗寒能力对于物种保护、育种栽培等都具有十分深刻的意义。本研究通过对20个月季品种综合抗寒能力的评定，筛选出了抗寒性较强的6个品种‘香魔’‘香妃’‘百老汇’‘赞歌’‘阿尔卑斯’‘电子表’，为寒冷地区冬季植物的选育和应用提供参考依据。

鉴定植物抗寒性的指标有很多，本研究选取了最有代表性的6项进行研究，其中枝条存活率和发芽率是评价植物受害程度或能否继续生存的最直观方法[2,25-26]。相对电导率和MDA含量可以直接反映出植物细胞膜透性及膜脂过氧化程度，进而反映出植物的抗寒性；可溶性糖和可溶性蛋白是与植物抗逆性密切相关的两种渗透调节物质，可以在低温时避免其原生质受到脱水伤害[27]。此前张双群等[2]、张涛等[25]在藤本月季抗寒性的研究中发现，随着温度的降低，各月季品种枝条受到不同程度的伤害，枝条存活率和发芽率逐渐降低，可溶性蛋白含量逐渐升高，这与本研究的结论一致。刘璐等[28]的研究表明，低温胁迫下地被月季的相对电导率和MDA含量逐渐上升，且在-10 ℃下达到最大值，而本研究结果发现部分月季品种在低温下这两个参数值不升反降，笔者认为造成差异的原因可能是植株类型、品种及处理方法的不同所致，对此也有类似的报道，如高福元等[29]得出了不同树种在低温下丙二醛变化规律不同的结论。焦美玲等[30]对4种丰花月季的根系抗寒性做出比较，结果表明可溶性糖含量会随温度的降低而升高，朱晓非等[31]在微型月季的研究中也得出了同样的结论，为我们的结果提供了有力的支撑。本研究通过灰色关联分析和主成分分析，发现MDA含量、枝条存活率与发芽率对月季抗寒性的影响较大。

在植物的低温胁迫试验中往往会设置不同的温度梯度，通过将对照与处理温度下各性状的变化做比较，对其抗寒性作出评价。本研究选择4 ℃为对照温度，此前已有学者在藤本月季[2]、枣树[32]、杏树[33]、大叶铁线莲[34]等植物的抗寒性评价中都以此温度为对照，这也是相关人员根据北方寒冷地区冬季室外温度的观察和总结得出的普遍结果。另外在抗寒性研究中应用较多的是以室温为对照，研究人员可根据具体植物的生理特性及试验目的、环境条件选择合适的对照温度。本研究结合主成分分析、隶属函数综合分析及聚类分析，将6个抗寒性指标的抗寒系数转化为4个独立的综合指标，按照综合评价值D值的大小对20个月季品种的抗寒性做了评定与分类，评价结果与形态观测结果基本一致，较为准确地筛选了适合寒冷地区冬季栽培的月季品种。具体结果还应结合实地条件综合考虑，在生产实践中进一步验证。

4 结论

通过对兰州地区20个月季品种进行抗寒性比较与综合评价，将其按照抗寒性强弱分为5类，其中‘香魔’‘香妃’‘百老汇’抗寒性最强，‘赞歌’‘阿尔卑斯’‘电子表’次之，这些品种适宜在寒冷地区选育栽培；‘艳丽’‘红苁蓉’‘绯扇’‘爱’‘黄和平’抗寒性一般，可在越冬时做适当的防寒措施。‘摩纳哥公主’‘绿野’‘火和平’‘红双喜’‘亚克力红’‘金奖章’抗寒性较差，不宜在寒冷地区露地越冬；‘金凤凰’‘荣光’和‘节日礼花’抗寒性最差，应培育在较为温暖的地区。