20個月季品種的抗寒性綜合評價

牟開萍，李維芳，楊文新，李昌霞，王春蕾，廖偉彪

(甘肅農業大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070)

月季(Rosachinensis)為薔薇科(Rosaceae)薔薇屬(Rosa)花灌木，是我國的傳統名花，因具有種類繁多、花色花型豐富、花期長、觀賞價值高、適應性強等特點，被認為是當今世界最重要的觀賞植物之一。月季在我國南方的城市園林綠化中應用廣泛，但北方寒冷地區由于低溫條件的限制，月季露地越冬存在一定的困難，這對其新品種的推廣和發展有很大的影響。有些月季品種在寒冷、干旱、高鹽堿等逆境下雖能勉強存活，但品質卻下降許多，因此培育抗逆性強的月季品種具有十分重要的意義。近幾年，越來越多的科研工作者開始進行月季的抗寒[1-2]、抗旱[3-4]、耐鹽[5-7]等抗逆性研究。

低溫是非生物脅迫中的一個關鍵因子，它會限制植物的生長和地理分布[8-9]。低溫脅迫會降低光合作用，使植物體內水分和營養物質的轉運速度減慢，另外還會使胞內溶液凍結、細胞膜系統損傷、細胞功能紊亂，對植株造成不可逆轉的傷害。目前已有不少學者對月季的抗寒性做了鑒定與比較，但由于其種類繁多、種間差異大，且研究方法和測定手段仍有一定的局限性，對月季響應低溫的研究機制一直沒有突破性的進展[10-11]。早期人們常以相對電導率作為評價植物抗寒性的指標，然而越來越多的結果發現這種方法不夠全面和準確，所以最近幾年應用更多的是通過多項指標來進行綜合分析，其中用隸屬函數法評價植物抗寒能力具有較強的可靠性，因而被普遍應用。此外，灰色關聯分析是一種多因素統計的方法，可以真實全面地反映事物的客觀特征[12]；主成分分析法可以克服多個指標間的信息重疊，將各原始指標轉換成少數彼此獨立的綜合評價指標，提高評價指標的可靠性[13]。本研究以蘭州植物園的20個月季品種一年生枝條為供試材料，對所測指標進行灰色關聯分析，以低溫脅迫后各指標的相對值作為抗寒性評價指標，通過主成分分析法和隸屬函數法對各月季品種的抗寒性作出鑒定和評價，旨在為寒冷地區冬季月季的選育和應用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

2019年11月于蘭州植物園選取20個月季品種(表1)，取各品種長勢均勻、粗度基本相同的一年生枝條作為供試材料，單株樣枝充分混合后備用。

表1 供試月季品種

1.2 試驗方法

將采回的月季品種一年生枝條用自來水和蒸餾水沖洗干凈，取中下部分剪成20 cm長的枝段，剪切口處用封口膜包裹后進行處理。以4 ℃作為對照溫度，-10 ℃為低溫處理溫度，將月季品種在以上兩個溫度下各處理48 h后測定指標。每個品種在不同溫度梯度下各用5個枝段，各試驗均設3個重復。

1.3 指標測定

將低溫處理后的月季枝段在25 ℃下水培，每天調查發芽枝數和累計發芽數，待發芽數恒定后，計算枝條存活率(SR)和發芽率(GR)，以此作為月季恢復生長能力的指標[2]；相對電導率(RC)的測定采用電導儀法，MDA含量的測定采用硫代巴比妥酸(TBA)顯色法，可溶性糖含量(SS)和可溶性蛋白含量(SP)分別用蒽酮-乙酸乙酯法和考馬斯亮藍法測定[14-15]。

1.4 數據分析

利用各指標的相對值(抗寒系數)對不同品種月季的抗寒性進行評價，所用公式為：抗寒系數(%)=低溫脅迫后指標測定值/對照指標測定值×100%[16]；采用主成分分析法將各單項指標的抗寒系數轉化為若干個綜合指標，并運用隸屬函數法對其進一步分析，通過計算隸屬函數值、權重和D值來評定各品種的抗寒性強弱，最后對D值進行聚類分析，使用Ward’s method分層聚類法，樣本之間的距離為歐式距離平方，得出聚類分析譜系圖[17]。

運用Microsoft Excel 2010進行灰色關聯分析、抗寒系數、隸屬函數等的相關計算，SPSS 22.0軟件進行主成分分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 低溫脅迫對20個月季品種抗寒性指標的影響及各指標抗寒系數

20個月季品種在受到低溫脅迫后，枝條存活率和發芽率平均下降了52.27%和33.57%，表明低溫影響了枝條的恢復生長能力；相對電導率較對照平均上升了127.00%，MDA含量變化規律不一致，如‘電子表’‘緋扇’‘摩納哥公主’平均下降了53.23%、19.45%、17.61%，而‘金鳳凰’‘艷麗’‘紅雙喜’平均上升了124.91%、140.93%、124.67%，體現了各品種月季體內質膜對逆境響應的差異性；可溶性糖含量和可溶性蛋白含量較對照平均下降了54.73%和87.40%，究其原因為低溫使得月季枝條細胞內的滲透調節物質遭到了破壞。此外，試驗還發現，在-10 ℃低溫脅迫后，‘亞克力紅’‘金獎章’‘金鳳凰’‘榮光’和‘節日禮花’的枝條和葉片受傷害嚴重，表現為部分枝條死亡，葉片逐漸發黃、萎蔫或干枯；‘艷麗’‘紅蓯蓉’‘黃和平’‘摩納哥公主’的葉色變暗、萎蔫變軟，部分葉片皺縮，枝條活性降低；‘香魔’‘贊歌’‘阿爾卑斯’‘香妃’‘百老匯’受傷害程度小，葉色基本正常，葉緣失水萎蔫，發芽率較高；其他月季品種也有不同程度的受害表現(表2)。

表2 低溫脅迫處理下20個月季品種的抗寒性指標

為了便于分析，利用表2數據計算得到各品種月季單項指標的抗寒系數。不同指標的抗寒系數間差異較大，其中‘贊歌’的枝條存活率抗寒系數最大，為100%，‘香魔’的發芽率抗寒系數最大，為183.33%，表明這兩種月季的抗寒性較強，‘亞克力紅’的這兩項抗寒系數均低于其他品種，說明其抗寒性較差；相對電導率和丙二醛含量抗寒系數最小的品種分別是‘香魔’(101.06%)和‘摩納哥公主’(17.61%)，反映出這兩種月季較強的抗寒性；‘黃和平’(342.86%)和‘百老匯’(127.27%)分別是可溶性糖含量和可溶性蛋白含量抗寒系數最大的品種，二者對低溫的耐受性強(表3)。

表3 20個月季品種各項指標的抗寒系數

2.2 低溫脅迫下各指標與抗寒性的灰色關聯分析

參照劉慧民等[18]、吳曉麗等[19]的方法，以低溫脅迫下各月季品種的相對電導率為參考序列(母序列)，記作X0，枝條存活率、發芽率、MDA含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量5項指標為比較序列(子序列)，記作Xi(i=1，2，3，4，5)，建立灰色關聯分析系統。由于各指標所含的物理意義不同，需對原始數據進行無量綱化處理(式1)，根據標準化后的數據計算參考序列X0(相對電導率)與比較序列Xi(各指標)之間的關聯系數與關聯度[19-20](公式2、3)，結果見表4。

(1)

ξi(k)=

(2)

(3)

各月季品種在低溫脅迫下的5個指標與抗寒性的關聯度從小到大依次為0.67、0.70、0.72、0.73、0.74，均大于0.30，表明各指標與抗寒性均有一定的相關性[21]。從關聯序列結果來看，各指標中MDA含量對月季抗寒性的影響最大，其次為發芽率、存活率，可溶性蛋白和可溶性糖含量對抗寒性的影響較小(表4)。

表4 20個月季品種的抗寒性與各指標的關聯系數、關聯度、關聯序

結果同樣反映了各指標對低溫脅迫的敏感程度[19]，表明供試月季在受到低溫為害后膜脂過氧化程度加重，進而表現為枝條發芽率和存活率降低；可溶性蛋白和可溶性糖對細胞膜系統起保護作用，在低溫脅迫時可以緩解逆境對植物體的傷害。

2.3 抗寒性指標的主成分分析

將20個月季品種各指標的抗寒系數標準化處理后進行主成分分析，前4個主成分的累積貢獻率達到80.254%，包含了大多數的指標信息，可以用來反映不同品種月季的綜合抗寒性(表4)。表中特征向量絕對值的大小反映了各指標對主成分的影響程度，負值表示負向影響。根據主成分的特征向量得到4個主成分的得分函數表達式：

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表示主成分的綜合評價值，X1～X6表示以上6個指標抗寒系數標準化之后得到的數值。由于4個主成分在評價抗寒性時所起的作用不同，因此對各綜合指標進一步用隸屬函數結合權重法分析。

2.4 隸屬函數綜合分析

由主成分分析得出4個綜合評價值(F1～F4)，按照公式(8)計算其隸屬函數值[22]，其中Xj表示第j個指標，Xjmin與Xjmax分別表示j指標的最小值與最大值。對同一綜合指標而言，隸屬函數值越高的品種抗寒性越強。

μ(Xj)=(Xj-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(8)

(9)

(10)

根據各綜合指標的貢獻率計算其權重(式9)，進而求得綜合抗寒能力D值(式10)。其中wj為第j個綜合指標所占的權重，pj為各品種在第j各綜合指標的貢獻率[13,23]，D為各品種在低溫脅迫下的抗寒性綜合評價值[13]，D值越大則該品種的綜合抗寒性越強，對D值排序即為各品種月季的抗寒性排名。

各品種的D值在0.247～0.690，其中‘香魔’‘阿爾卑斯’‘百老匯’的D值最大為0.690、0.687和0.656，是20個月季品種中抗寒性最強的3個品種；‘火和平’和‘綠野’的D值相同，均為0.433；‘節日禮花’(0.339)、‘榮光’(0.290)和‘金鳳凰’(0.247)D值最小，即這3個品種的綜合抗寒能力最差(表6)。

表5 主成分的特征向量與累積貢獻率

表6 各月季品種的綜合評價值、權重、μ(Xj)、D值及抗寒性排名

2.5 聚類分析

采用系統聚類法，對20個月季品種抗寒能力的D值進行聚類分析(圖1)。各月季品種按抗寒性強弱可劃分為5類：

圖1 20個月季品種抗寒能力的聚類分析

第1類：抗寒性最強，包括‘香魔’‘香妃’‘百老匯’。

第2類：抗寒性較強，包括‘贊歌’‘阿爾卑斯’‘電子表’。

第3類：抗寒性一般，包括‘艷麗’‘紅蓯蓉’‘緋扇’‘愛’‘黃和平’。

第4類：抗寒性較差，包括‘摩納哥公主’‘綠野’‘火和平’‘紅雙喜’‘亞克力紅’‘金獎章’。

第5類：抗寒性最差，包括‘金鳳凰’‘榮光’和‘節日禮花’。

各品種月季的抗寒性排序與低溫脅迫后的外部形態表現基本一致，表明本研究結果可信度較高，同時也體現了主成分分析和隸屬函數綜合評價方法的可靠性。

3 討論

在植物的非生物性脅迫中，低溫危害是農林業生產中的主要自然災害之一，不但影響其品質與產量，嚴重時還可造成植株死亡，對植物的觀賞價值、生態效益、經濟價值等都造成很大的損失[24]。如今，抗寒性研究已成為植物抗逆研究中的一個重要組成部分，正確、科學的測定和評價植物的抗寒能力對于物種保護、育種栽培等都具有十分深刻的意義。本研究通過對20個月季品種綜合抗寒能力的評定，篩選出了抗寒性較強的6個品種‘香魔’‘香妃’‘百老匯’‘贊歌’‘阿爾卑斯’‘電子表’，為寒冷地區冬季植物的選育和應用提供參考依據。

鑒定植物抗寒性的指標有很多，本研究選取了最有代表性的6項進行研究，其中枝條存活率和發芽率是評價植物受害程度或能否繼續生存的最直觀方法[2,25-26]。相對電導率和MDA含量可以直接反映出植物細胞膜透性及膜脂過氧化程度，進而反映出植物的抗寒性；可溶性糖和可溶性蛋白是與植物抗逆性密切相關的兩種滲透調節物質，可以在低溫時避免其原生質受到脫水傷害[27]。此前張雙群等[2]、張濤等[25]在藤本月季抗寒性的研究中發現，隨著溫度的降低，各月季品種枝條受到不同程度的傷害，枝條存活率和發芽率逐漸降低，可溶性蛋白含量逐漸升高，這與本研究的結論一致。劉璐等[28]的研究表明，低溫脅迫下地被月季的相對電導率和MDA含量逐漸上升，且在-10 ℃下達到最大值，而本研究結果發現部分月季品種在低溫下這兩個參數值不升反降，筆者認為造成差異的原因可能是植株類型、品種及處理方法的不同所致，對此也有類似的報道，如高福元等[29]得出了不同樹種在低溫下丙二醛變化規律不同的結論。焦美玲等[30]對4種豐花月季的根系抗寒性做出比較，結果表明可溶性糖含量會隨溫度的降低而升高，朱曉非等[31]在微型月季的研究中也得出了同樣的結論，為我們的結果提供了有力的支撐。本研究通過灰色關聯分析和主成分分析，發現MDA含量、枝條存活率與發芽率對月季抗寒性的影響較大。

在植物的低溫脅迫試驗中往往會設置不同的溫度梯度，通過將對照與處理溫度下各性狀的變化做比較，對其抗寒性作出評價。本研究選擇4 ℃為對照溫度，此前已有學者在藤本月季[2]、棗樹[32]、杏樹[33]、大葉鐵線蓮[34]等植物的抗寒性評價中都以此溫度為對照，這也是相關人員根據北方寒冷地區冬季室外溫度的觀察和總結得出的普遍結果。另外在抗寒性研究中應用較多的是以室溫為對照，研究人員可根據具體植物的生理特性及試驗目的、環境條件選擇合適的對照溫度。本研究結合主成分分析、隸屬函數綜合分析及聚類分析，將6個抗寒性指標的抗寒系數轉化為4個獨立的綜合指標，按照綜合評價值D值的大小對20個月季品種的抗寒性做了評定與分類，評價結果與形態觀測結果基本一致，較為準確地篩選了適合寒冷地區冬季栽培的月季品種。具體結果還應結合實地條件綜合考慮，在生產實踐中進一步驗證。

4 結論

通過對蘭州地區20個月季品種進行抗寒性比較與綜合評價，將其按照抗寒性強弱分為5類，其中‘香魔’‘香妃’‘百老匯’抗寒性最強，‘贊歌’‘阿爾卑斯’‘電子表’次之，這些品種適宜在寒冷地區選育栽培；‘艷麗’‘紅蓯蓉’‘緋扇’‘愛’‘黃和平’抗寒性一般，可在越冬時做適當的防寒措施。‘摩納哥公主’‘綠野’‘火和平’‘紅雙喜’‘亞克力紅’‘金獎章’抗寒性較差，不宜在寒冷地區露地越冬；‘金鳳凰’‘榮光’和‘節日禮花’抗寒性最差，應培育在較為溫暖的地區。