電導法配合Logisitic方程比較不同結縷草品系抗寒性的研究

劉 穎,沈益新,顧洪如,丁成龍

(1.南京農業大學 動物科技學院,江蘇 南京 210095;2.江蘇省農業科學院 畜牧研究所,江蘇 南京 210014)

溫度是影響植物生長發育的重要環境因子之一,低溫可限制草坪草的生長和分布。結縷草屬植物(Zoysia)隸屬于禾本科(Gramineae)虎耳草亞科(Chloridoideas),是廣泛分布于熱帶、亞熱帶和暖溫帶地區的暖季型草坪草種,因具有低維護、耐踐踏、抗高溫干旱、耐瘠薄、抗病蟲害和抗鹽堿等優良生物學特性[1-3],被廣泛用于建植運動場草坪、開放休閑廣場草坪及生態環保功能型草坪,并被我國草學會草坪學術委員會列為我國重點開發的3大草坪草種之一[4]。但結縷草對溫度的要求比較高,當氣溫降到10℃以下時,生長緩慢或停止,地上莖、葉開始變紫發黃,大大降低了觀賞價值。在溫帶地區,結縷草的綠期為220 d,甚至不能安全越冬,極大地限制了結縷草的推廣及應用[5]。如何提高抗寒性、縮短枯黃期是結縷草生產上急需解決的問題。結縷草的抗寒性因品種(系)、生育期、器官和組織的不同而存在明顯的差異。李亞[6]等分析比較了結縷草屬內的抗寒性,發現不同種源在抗寒性上有明顯差異。植物的抗寒性是多基因控制的數量性狀,因此,采用具有較好抗寒性的親本進行雜交,將有利于在雜交后代中增加抗寒性的積累,并有可能培育出更抗寒的新品種[7]。試驗以采自日本的結縷草品系室蘭和表山北及其雜交后代為材料,通過田間物候期的觀測結合電導法配合Logisitic方程確定各品系葉片的半致死溫度,比較分析其抗寒性的差異,為選育耐寒型結縷草新品系提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地自然概況

試驗地位于江蘇省農業科學院草坪試驗田,地處長江中下游,N 32°32′、E 118°48′,屬亞熱帶季風溫暖濕潤氣候。年平均氣溫15.7℃,≥10℃年積溫4 800℃,年均降水量1 100 mm,全年無霜期220～240 d,土壤為黃棕壤土,有機質含量1.30%,全N含量0.09%,pH值6.90。

1.2 試驗材料

以原產日本北界北海道(N 43°22′)結縷草品系室蘭與日本南界九州地區(N 30°22′)表山北為親本,進行雜交育種,共得到86份雜交后代,統一種植于試驗田,小區面積1 m×1 m,小區間距1 m。除進行必要的灌溉和病蟲害防治外,不進行其他特殊管理。

2008年以親本室蘭和表山北為對照,測定返青期、均一性、密度、枯黃期等指標對86份雜交后代進行綜合評價,從中選出8份性狀良好的雜交后代為供試材料進行抗寒性評價。

1.3 觀測指標

返青期返青植株占總植株50%的時間;枯萎期枯黃植株占總植株50%的時間青綠期返青至枯黃持續的天數;越冬率越冬后與越冬前草坪覆蓋度的百分比表示。

1.4 低溫處理及電導率測定

試驗于2009年5月進行。采樣參照朱根海等[8]的方法,取健康植株的當年新生葉片,采摘后立即用潮濕紗布包裹,裝入密封的塑料袋,帶回實驗室。用自來水、去離子水各沖洗3次,吸干表面水分。將各品系的葉片分成9份,放入大試管中,置于Poly Science 9610低溫循環儀進行模擬低溫處理。以1℃/h的速度降溫于-5、-6、-7、-8、-9、-10、-11、-12、-13 ℃共9個溫度梯度,到達設定的溫度時停留1.5 h,然后再繼續降溫。將低溫處理后的樣品取出,剪成約0.5 cm長小段,充分混勻后準確稱取0.2 g,3次重復,放入潔凈的刻度試管中,加20 mL去離子水,室溫下放在恒溫振蕩器上震蕩24 h后,用DOS-307型電導儀測其冰凍電導率,然后置沸水浴中10 min,冷卻至室溫后測其煮沸電導率。按下列公式計算其相對電導率:

相對電導率(%)=(冷凍電導率/煮沸電導率)×100。

1.5 數據處理

朱根海等[8]研究報道,低溫脅迫下細胞相對電導率與溫度之間的關系呈現S型曲線,與Logistic方程Y=K/(1+ae-bx)具有較好的擬合度。求該 Logistic方程的二階導數,并令其等于零,即可獲得曲線的拐點,X=ln(1/a)/b,即為半致死溫度(LT50)。在此點,低溫電解質的遞增效應很大。利用莫惠棟[9]的方程回歸統計法對溫度和相對電導率進行 Logistic回歸分析,計算LT50并進行擬合度檢驗,根據莫惠棟的報道,如果Y為累計頻率,則常數K為100%。

2 結果與分析

2.1 田間物候期及越冬率觀測

越冬率可反映植株在同一田間條件下抗寒能力的強弱,綠期是草坪坪用價值的重要指標。由表1可知,Z93越冬率最高,為72.6%,綠期也最長,達257 d;Z46最差,越冬率為46.6%,綠期只有223 d。

2.2 低溫下結縷草各品系相對電導率動態變化規律

低溫處理條件下各品系相對電導率的變化表明,供試的10個結縷草品系的相對電導率隨溫度下降而上升,且均呈明顯的S型曲線。以親本室蘭、表山北為例(圖1),溫度開始下降時,相對電導率緩慢上升;在-7～-9℃,隨著溫度的下降,相對電導率有一急劇升高的過程,是膜透性遭受傷害的敏感區域,當降到一定溫度時,相對電導率又表現為上升緩慢且趨于平穩,隨著處理溫度的持續降低,葉片的原生質膜透性增大,相對電導率升高,直至接近100%,質膜被完全破壞。

表1 結縷草各品系田間物候期觀測Table 1 Observation of phenophase of different lines of Zoysia in field

圖1 結縷草葉片相對電導率與溫度變化的關系Fig.1 Relationship between temperature change and relative electolyte leakage of Zoysia

2.3 半致死溫度比較

根據各品系在不同低溫處理下的相對電導率所求得的Logistic方程、LT50及擬合度列于表2,材料次序以半致死溫度升序排列。各品系Logistic方程的擬合度均達到顯著(P＜0.05)或極顯著水平(P＜0.01)。

供試材料LT50的變化為-6.68～-9.72℃,其中抗寒性最差的為Z46(-6.68℃),抗寒性最強的為Z93(-9.72℃),與李亞等[6]結縷草抗寒試驗結果LT50的變化為-2.72～-9.72℃相比,本試驗各結縷草品系的葉片抗寒性均較強。

表2 結縷草Logistic方程及LT50Table 2 The Logistic equation and LT50of Zoysia

與雙親相比,雜交后代Z93、Z9、Z138和 Z144的LT50均低于親本,表明葉片的抗寒性較強,其中,以Z93最強,半致死溫度較室蘭低1.16℃,較表山北低1.80 ℃,其次為Z9、Z138和Z144;Z33和Z56的 LT50介于雙親之間,比室蘭的LT50高、比表山北的 LT50低,抗寒性介于室蘭和表山北;Z82和Z46的LT50高于雙親,Z82比表山北、室蘭分別高0.95℃和1.59℃,Z46則分別比親本高1.24℃和1.88℃,所以抗寒性低于室蘭、表山北,且Z82的葉片抗寒性略高于最不抗寒的Z46。從半致死溫度來看,不同結縷草材料的抗寒性強弱順序為Z93＞Z9＞Z138＞=Z144＞室蘭＞Z33＞Z56＞表山北＞Z82＞Z46。

3 討論

(1)細胞膜是生物體與環境之間的界面結構,對維持生物體正常的生理生化過程有重要的作用。細胞膜是細胞感受環境脅迫最敏感的部位[10],也是低溫傷害的原初部位[11]。Lyons[12],認為冷敏感植物在遭受低溫脅迫時,生物膜首先發生物相改變,由液晶相變為凝膠相,生物膜的透性發生不同程度的增大,細胞內的電解質外滲,引起導電性的變化,根據細胞導電性的差異,確定膜透性大小,從而推測膜的受傷程度和對寒冷的抗性強弱。植物細胞電解質的外滲程度可用相對電導率來表示,其大小可反映植物細胞膜系統的低溫傷害程度。電解質外滲法(電導法)就是依據此原理檢測植物抗寒性[13],以相對電導率擬合Logistic方程求得的LT50可反映植物在低溫下保持膜系統穩定性和完整性的能力,比較植物抗寒能力的差異。

(2)由于遺傳背景的不同,結縷草屬植物的抗寒性存在明顯的種及品種間差異,且結縷草屬植物種間、品系間互交可育,使得選育抗寒性強的優良草坪品種(系)有了相應的遺傳基礎[6]。試驗結果表明,10個結縷草品系的相對電導率隨著溫度的變化而呈明顯的S型曲線。從S型曲線可以看出,在-11～-13℃葉片相對電導率達到最大值。抗寒性試驗結果表明,據葉片相對電導率模擬Logistic方程所求得的LT50變化為-6.68～-9.72℃,說明供試的10個結縷草品系的葉片抗寒性均較強。10個結縷草品系葉片的半致死溫度由低到高,即葉片的抗寒性由強到弱順序依次為:Z93＞Z9＞Z138＞=Z144＞室蘭＞Z33＞Z56＞表山北＞Z82＞Z46,與田間物候期和越冬率的觀測結果一致。

(3)本試驗只進行了一個時期的葉片電導率測定,而沒有考慮不同季節及低溫鍛煉對結縷草各品系半致死溫度的影響,因此,所得到的葉片LT50只是判別抗寒性差別的依據之一,要準確判斷各品系的抗寒性,還需結合相關抗寒生理指標的測定。

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