新疆3個鮮食棗品種的抗寒性評價

劉 敏,靳 娟,阿布都卡尤木·阿依麥提,,樊丁宇,,郝 慶,楊 磊,趙曉梅,耿文娟

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學園藝學院,烏魯木齊 830052;2. 新疆農(nóng)業(yè)科學院園藝作物研究所/農(nóng)業(yè)部新疆地區(qū)果樹科學觀測實驗站,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】棗(ZiziphusJujubaMill.)為鼠李科(Rhamnaceae)棗屬(ZiziphusMill.)植物[1]。新疆晝夜溫差大、日照時間長、積溫高、降雨少,紅棗品質(zhì)優(yōu)良[2]。2019年新疆紅棗栽培面積44.52×104hm2(667.84萬畝),產(chǎn)量372.77×104t,是我國最大的優(yōu)質(zhì)干棗生產(chǎn)基地[3]。新疆南疆地區(qū)冬季低溫凍害時有發(fā)生[4]。伏脆蜜、京滄1號分別是優(yōu)良的早熟、中熟鮮食棗品種,研究其抗寒能力,為應對新疆南疆地區(qū)冬季低溫凍害威脅及鮮食棗品種的區(qū)域栽培布局有實際意義?！厩叭搜芯窟M展】郭佳歡等[5]對灰棗系列進行抗寒能力研究結(jié)果表明,灰實2抗寒能力最強,灰實7抗寒能力最弱。陳燕等[6]對新疆地方棗進行低溫脅迫處理后結(jié)果表明,庫爾勒小棗抗寒性比喀什葛爾小棗好,前者可以種植在溫度偏低的區(qū)域。高梅秀等[7]利用電導試驗對金絲4號、冬棗等8個棗品種鑒定其抗寒性,抗寒性最強的是金絲4號,其次分別為金絲小棗、冬棗、大王棗、早脆王、金絲3號、陽信大棗、圓豐棗。董夢怡[8]研究了自然越冬與人工低溫處理下冬棗、贊晶棗等8個棗品種的抗寒生理指標變化規(guī)律,結(jié)果表明,贊晶棗抗寒性最強,灰棗最弱?！颈狙芯壳腥朦c】冬棗是晚熟鮮食棗品種,在新疆南疆四地州均有分布,但時有凍害發(fā)生。需對新引進的兩個棗品種進行抗寒性鑒定?！緮M解決的關(guān)鍵問題】伏脆蜜、京滄1號、冬棗是我區(qū)棗品種結(jié)構(gòu)調(diào)優(yōu)過程中重點推廣的早、中、晚熟優(yōu)良鮮食棗品種組合,針對冬季凍害風險,以冬棗為對照。研究不同程度的低溫處理對3個品種枝條的相對電導率、萌芽率、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、丙二醛含量等生理指標的影響,為鮮食棗新品種的推廣應用和防寒措施制定提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗在喀什地區(qū)麥蓋提縣央塔克鄉(xiāng)鮮食棗品種示范園內(nèi)進行(77°28′～79°05′ E,38°25′～39°22′ N)。在棗樹休眠階段2021年1月(環(huán)境溫度(-10±1)℃),采集伏脆蜜、京滄1號、冬棗試驗樹中部區(qū)域的東南西北4個方位粗度相對一致、無病蟲害的一年生枝條,每品種采集60枝,每枝長度約30 cm,剪口處蠟封后帶回實驗室進行低溫處理、生理指標的測定及恢復生長試驗。

1.2 方 法

1.2.1 低溫處理

把3個品種的枝條平均分成6份并用浸濕的報紙和塑料薄膜封好,放入超低溫冰箱進行低溫處理,在-10～-35℃內(nèi)每隔5℃設置一個處理,以-10℃(田間溫度)為對照溫度,降溫速度為4℃/h,達到設定溫度后繼續(xù)在冰箱放置12 h[9],低溫處理結(jié)束后以降溫速率升溫,在冰箱溫度達到0℃時取出枝條?；謴桶l(fā)芽試驗選擇粗度基本一致的枝條并剪去兩端的石蠟封口,其余枝條用來測定生理指標。

1.2.2 恢復生長調(diào)查

恢復生長試驗參考石游在蘋果[10]、郭偉珍等[11]在梨上方法。在低溫脅迫處理后,將部分粗度基本一致的枝條放入盛好蒸餾水的燒杯中,水量為剛好浸過枝條約1/3處,置于恒溫室中陽光可以照射處,每3 d換1次水,每天早上觀察有無發(fā)芽數(shù)并做好記錄,30 d后統(tǒng)計萌芽率。萌芽率=(萌芽數(shù)/調(diào)查芽眼數(shù))×100%,根據(jù)萌芽率判定恢復生長情況。

1.2.3 指標測定

相對電導率的測定參照王長柱等[12]方法;丙二醛含量的測定用硫代巴比妥酸法;可溶性糖含量的測定用蒽酮比色法;脯氨酸含量的測定用磺基水楊酸法測定;可溶性蛋白含量的測定用BCA法測定[13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

主成分分析和半致死溫度利用SPSS 19.0軟件統(tǒng)計分析。將相對電導率進行擬合Logistic方程回歸分析,利用曲線拐點所對應的溫度作為半致死溫度(LT50)。Logistic方程的表達式為Y=k/(1+ae-bt),y代表低溫處理下的相對電導率(%),t代表處理溫度,k為細胞傷害率的飽和容量,a、b為方程參數(shù),LT50=-(lna/b)[11]。采用隸屬函數(shù)法和主成分分析法對3個棗品種的抗寒能力進行計算排名。其中,隸屬函數(shù)公式為:R(Xij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin),如果某個指標與評價結(jié)果為負相關(guān),則用反隸屬函數(shù)進行定量轉(zhuǎn)換:R(Xij)=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)。R(Xij)是i品種枝條j指標的隸屬函數(shù)值,Xmin、Xmax分別為j指標的最小值和最大值。分別計算出3個棗品種的平均隸屬度。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試品種枝條萌芽率

研究表明,隨著溫度的降低,3個品種枝條的萌芽率均在下降。在-10～-20℃處理下,伏脆蜜的萌芽率最高,其次是冬棗、京滄1號。其中,京滄1號的萌芽率在-10～-15℃第1次急速下降,在-25℃時,出現(xiàn)第2次急速下滑至0;而伏脆蜜、冬棗的枝條萌芽率均在-20～-25℃急降下滑至0,且之后的低溫處理3個品種枝條也都未萌芽,在-25℃的低溫已對3個品種的1年生枝條造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。圖1

圖1 低溫脅迫后不同枝條萌芽率的變化

2.2 供試品種枝條相對電導率

研究表明,隨著溫度的逐漸降低,枝條的相對電導率基本呈現(xiàn)上升趨勢,其中,伏脆蜜、京滄1號、冬棗與各自對照(-10℃)電導率相比分別增加了47.49%、50.56%、53.18%。當相對電導率值超過50%時,此時的溫度接近或已經(jīng)超過其品種本身的半致死溫度(LT50),而伏脆蜜、京滄1號、冬棗相對電導率大于50%的溫度分別為-25～-30℃、-25～-30℃、-20～-25℃。圖2

Logistic 方程擬合3種供試枝條的半致死溫度(LT50)后,其相關(guān)系數(shù)r都大于0.87,3個品種均達顯著水平。其中,抗寒性最強的是伏脆蜜,半致死溫度為-20.44℃,其次是京滄1號和冬棗,半致死溫度分別為-19.91、-19.53℃。表1

圖2 低溫脅迫后不同枝條相對電導率的變化

表1 低溫脅迫下枝條相對電導率Logistic方程和低溫半致死溫度(LT50)

2.3 供試品種枝條可溶性糖

研究表明,隨著溫度的逐漸降低,伏脆蜜、京滄1號、冬棗的可溶性糖基本呈現(xiàn)“上升-下降-上升”趨勢。其中,冬棗可溶性糖的變化比較穩(wěn)定,在-10～-15℃、-30～-35℃時該含量上升幅度比較大,-15～-30℃時上升比較緩慢;伏脆蜜可溶性糖含量波動也不明顯,在-10～-20℃時只是小幅度上升,-20～-35℃時,開始起伏明顯;京滄1號整體波動都很大。伏脆蜜、京滄1號、冬棗可溶性糖的峰值出現(xiàn)在-30～-35℃,且依次達到75.45%、86.23%、78.85%。圖3

2.4 供試品種枝條可溶性蛋白

研究表明,隨著溫度的逐漸降低,伏脆蜜、京滄1號、冬棗的可溶性蛋白含量基本呈現(xiàn)“上升-下降-上升”趨勢,波動都較大。其中,伏脆蜜在-15℃時,可溶性蛋白含量達到最大值107.35 mg/g;冬棗在-20℃處理后,可溶性蛋白含量急劇升高達到最大值91.41 mg/g;京滄1號在-35℃時,可溶性蛋白含量達到最大值121.70 mg/g。同時,在-35℃時伏脆蜜、京滄1號、冬棗的可溶性蛋白含量與各自對照(-10℃)相比分別增加了20.86、26.67、26.56 mg/g。圖4

圖3 低溫脅迫后不同枝條可溶性糖的變化

圖4 低溫脅迫后不同枝條可溶性蛋白的變化

2.5 供試品種枝條游離脯氨酸

研究表明,隨著溫度的逐漸降低,3個品種枝條的游離脯氨酸含量基本呈現(xiàn)“上升-下降-上升”的變化趨勢。其中,在-10～-20℃階段內(nèi),伏脆蜜游離脯氨酸含量急劇升高,于-20℃達到最大值3.31 mg/g,之后的低溫處理波動不明顯;京滄1號游離氨基酸含量在-15～-20℃時上升劇烈,達到最大值2.98 mg/g,但在-20～-30℃下降也比較明顯;冬棗在-15～-25℃時上升劇烈,游離脯氨酸含量達到其最大值2.99 mg/g。圖5

圖5 低溫脅迫后不同枝條游離脯氨酸的變化

2.6 供試品種枝條丙二醛

研究表明,隨著溫度的逐漸降低,枝條的丙二醛含量基本呈現(xiàn)上升趨勢。其中,京滄1號初始值較高且變化較穩(wěn)定,只在-25～-30℃有所下滑,在-35℃處理下的此品種枝條丙二醛含量為22.07 nmol/g;而伏脆蜜、冬棗起伏相對較大,丙二醛均在-20℃出現(xiàn)第1次降低,-30℃又出現(xiàn)第2次下滑,且伏脆蜜在-35℃時丙二醛含量超過了京滄1號。伏脆蜜、京滄1號、冬棗與各自對照(-10℃)相比分別增加了5.83、3.68、3.69 nmol/g。圖6

圖6 低溫脅迫后不同枝條丙二醛的變化

2.7 供試品種枝條不同成分間的相關(guān)性

研究表明,可溶性糖含量、相對電導率、丙二醛含量與溫度呈極顯著負相關(guān);相對電導率、丙二醛含量與萌芽率呈極顯著負相關(guān);萌芽率與可溶性糖含量呈顯著負相關(guān);萌芽率與溫度呈極顯著正相關(guān);丙二醛含量與可溶性蛋白含量呈極顯著正相關(guān);可溶性蛋白含量、丙二醛含量、相對電導率與可溶性糖含量呈顯著正相關(guān);丙二醛含量與相對電導率呈顯著正相關(guān)。圖7

注:表中*表示顯著相關(guān)(P<0.05),**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)

2.8 主成分特征值評價

研究表明,根據(jù)主成分特征值大于1的原則,從6個生理指標中得到2個主成分。其中,主成分1中的各個指標總和具有較大特征向量,達到了3.213,貢獻率即解釋方差為53.555%;主成分2中的各個指標特征值為1.058,貢獻率為17.634%,前兩個主成分的累積貢獻率達71.189%。兩個主成分可以代表所有指標71.189%的信息,主要提取前兩個主成分的數(shù)據(jù)進行綜合評價。表2

主成分1主要包含可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、相對電導率、丙二醛含量、萌芽率的信息,主成分2包含脯氨酸含量的信息。表3,表4

表2 主成分特征值

表3 主成分初始因子荷載矩陣

各綜合指標得分函數(shù):

F1=0.235X1+0.189X2+0.275X3+0.13X4+0.239X5-0.265X6

F2= - 0.06X1+0.56X2+0.094X3+0.574X4- 0.503X5+0.259X6

綜合評價指數(shù):F=3.213/(3.213+1.058)×F1+1.058/(3.213+1.058)×F2

表4 成分得分系數(shù)矩陣及貢獻率

得分的高低可以反映抗寒性強弱,其抗寒能力由大到小為伏脆蜜、冬棗、京滄1號。表5

表5 不同品種主成分的得分

2.9 隸屬函數(shù)法評價

研究表明,平均隸屬函數(shù)值越高,抗寒能力也就越強,反之抗寒能力越弱。3個品種抗寒性由強到弱依次為:伏脆蜜、冬棗、京滄1號。表6

3 討 論

3.1 恢復生長與抗寒性的關(guān)系

恢復生長是植物抗寒能力鑒定中直觀、簡易的方法之一,植物經(jīng)歷低溫環(huán)境后,觀察其形成愈傷組織或恢復生長的能力,來判斷植物的抗寒能力[14-15]。目前,恢復生長已經(jīng)在蘋果[16]、葡萄[17]、香梨[18]等果樹品種上有大量的應用。試驗結(jié)果表明,伏脆蜜萌芽率最高,其次是冬棗、京滄1號,且實地種植萌芽時間的順序也是如此:伏脆蜜最早,接著是冬棗、京滄1號。劉政海等[19]對黃土高原地區(qū)的葡萄進行恢復生長測定其抗寒性,研究結(jié)果表明,在-10～-15℃處理后,枝條的萌芽率均很高,90%以上,一旦處理溫度在-20～-25℃時,試驗品種的萌芽率又出現(xiàn)較大下滑。與研究3個棗品種在-20～-25℃處理后萌芽率突然降至0相似。

3.2 相對電導率、半致死溫度與抗寒性的關(guān)系

植物凍害發(fā)生的主要部位是原生質(zhì)膜系統(tǒng)[20]。對植物進行低溫脅迫處理后,細胞內(nèi)外凝固結(jié)冰,由此功能蛋白(酶)活性喪失,一系列生理、代謝功能發(fā)生紊亂,且膜系統(tǒng)遭到破壞;膜脂物相由介晶相變成凝膠相,膜結(jié)構(gòu)破壞、通透性變強[21]。電導法測定植物的抗寒能力就是由相對電導率值進行判斷,其值越小,細胞膜通透性越弱,受傷程度越輕,抗寒能力也就越強[22]。本試驗結(jié)果表明,伏脆蜜、京滄1號、冬棗的相對電導率隨著溫度的下降,均為緩慢上升,但是在-15～-20℃時,京滄1號、伏脆蜜的相對電導率有所下滑,與王江波等[23]、董夢怡等[8]在紅棗品種的抗寒性研究結(jié)果大致相同。而電導率結(jié)果表明,冬棗電導率上升幅度最大,其次是京滄1號、伏脆蜜,這與各個生理指標的數(shù)據(jù)綜合分析后得到的抗寒能力強弱基本一致。而通過相對電導率結(jié)合Logistic方程計算的半致死溫度,發(fā)現(xiàn)其大小與綜合分析得出的抗寒能力強弱不太一致,與范宗民等[17]在葡萄上的抗寒性研究結(jié)果相似。

3.3 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、丙二醛含量與抗寒性關(guān)系

當植物所處的環(huán)境溫度下降到一定程度時,體內(nèi)與滲透調(diào)節(jié)有關(guān)的基因?qū)⑦M行表達,滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量將得到提升,植物將具有與之相關(guān)的滲透調(diào)節(jié)能力,故抗寒能力加強[15]。細胞內(nèi)可溶性糖含量可以影響自由水和束縛水的比例,當其含量高時,可以增加植物細胞液的濃度,從而降低植物細胞內(nèi)的水勢,提高該植株的保水能力,且膠化程度降低,還可以避免體內(nèi)蛋白質(zhì)受低溫脅迫從而引起的凝固?？扇苄缘鞍缀涂扇苄蕴亲饔妙愃?均可提高植物細胞的保水能力,還可以讓植物的冰點下降。游離脯氨酸在植物體內(nèi),可作為溶劑較好得溶解有機物,在大多植物遭受冷脅迫時,它能促進蛋白質(zhì)水合作用。丙二醛對植物有不良作用,主要破壞細胞膜系統(tǒng),植物處于逆境環(huán)境且這種環(huán)境持續(xù)時間較長時,其含量會升高。丙二醛可通過其含量高低來反映膜脂過氧化的程度,間接測定細胞膜系統(tǒng)損傷的程度以及反映植物在逆境情況下的抗逆性強弱[17]。試驗中,可溶性糖含量隨著低溫的進一步加劇,值均在上漲,該結(jié)果與張旭等[24]對蘋果進行抗寒性研究的結(jié)果類似,與吳碩等[25]對核桃進行低溫處理研究結(jié)果不同,可能是因為果樹品種、氣候不同等原因所致;可溶性蛋白含量隨著低溫的進一步加劇呈“上升-下降-上升”的變化趨勢,與陳燕等[6]在新疆對地方棗種質(zhì)枝條進行抗寒性研究的結(jié)果類似;游離脯氨酸含量隨著低溫的進一步加劇呈“上升-下降-上升”的變化趨勢,與郭佳歡等[5]對灰棗優(yōu)系品種進行抗寒性研究的結(jié)果類似;丙二醛含量隨著溫度的進一步加劇,總體來說呈上升的變化趨勢,與張旭等[24]在蘋果、楊燕君等[26]在杏、郭佳歡等[5]在灰棗的研究上結(jié)果相似。

3.4 抗寒指標的相關(guān)性、主成分分析和隸屬函數(shù)的綜合評價

研究根據(jù)枝條不同抗寒指標間相關(guān)系數(shù)可知,可溶性糖、丙二醛、相對電導率與溫度,丙二醛、相對電導率與萌芽率的相關(guān)系數(shù)均較高,為負相關(guān);萌芽率與溫度,丙二醛與可溶性蛋白的相關(guān)系數(shù)也較高,為正相關(guān)。該分析結(jié)果與曹曉敏等[16]在蘋果、李鵬程等[27]在葡萄上的研究結(jié)果相似。主成分分析因其可以計算抗寒性得分已被廣泛應用于蘋果[16]、葡萄[17]等植物的抗寒性評價研究。試驗對3個供試品種枝條的抗寒性生理指標通過SPSS主成分分析后得到的的抗寒性強弱與結(jié)合相對電導率值擬合Logistic方程后半致死溫度的排名不太一致,與楊鳳翔等[28]在草莓品種抗寒性上的試驗結(jié)果不相似,可能是由于品種、栽培管理方式不同等原因造成。而通過隸屬函數(shù)法得到的結(jié)果與主成分分析的結(jié)果一致,且這一結(jié)果與生產(chǎn)實踐中3個品種的抗寒性表現(xiàn)也是一致的,主成分分析、隸屬函數(shù)分析得到的抗寒能力大小是比較可靠的。

4 結(jié) 論

伏脆蜜、京滄1號、冬棗3個品種一年生枝條的半致死溫度在-19～-21℃,分別為-20.44、-19.91、-19.53℃。一年生枝條抗寒能力由強到弱依次為伏脆蜜>冬棗>京滄1號。在新疆南疆種植冬棗的區(qū)域,可選擇抗寒性強的伏脆蜜,而京滄1號抗寒性相對較弱,需要在冬季及時做好防凍保護措施。