新疆3个鲜食枣品种的抗寒性评价

刘 敏,靳 娟,阿布都卡尤木·阿依麦提,,樊丁宇,,郝 庆,杨 磊,赵晓梅,耿文娟

(1.新疆农业大学园艺学院,乌鲁木齐 830052;2. 新疆农业科学院园艺作物研究所/农业部新疆地区果树科学观测实验站,乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】枣(ZiziphusJujubaMill.)为鼠李科(Rhamnaceae)枣属(ZiziphusMill.)植物[1]。新疆昼夜温差大、日照时间长、积温高、降雨少,红枣品质优良[2]。2019年新疆红枣栽培面积44.52×104hm2(667.84万亩),产量372.77×104t,是我国最大的优质干枣生产基地[3]。新疆南疆地区冬季低温冻害时有发生[4]。伏脆蜜、京沧1号分别是优良的早熟、中熟鲜食枣品种,研究其抗寒能力,为应对新疆南疆地区冬季低温冻害威胁及鲜食枣品种的区域栽培布局有实际意义。【前人研究进展】郭佳欢等[5]对灰枣系列进行抗寒能力研究结果表明,灰实2抗寒能力最强,灰实7抗寒能力最弱。陈燕等[6]对新疆地方枣进行低温胁迫处理后结果表明,库尔勒小枣抗寒性比喀什葛尔小枣好,前者可以种植在温度偏低的区域。高梅秀等[7]利用电导试验对金丝4号、冬枣等8个枣品种鉴定其抗寒性,抗寒性最强的是金丝4号,其次分别为金丝小枣、冬枣、大王枣、早脆王、金丝3号、阳信大枣、圆丰枣。董梦怡[8]研究了自然越冬与人工低温处理下冬枣、赞晶枣等8个枣品种的抗寒生理指标变化规律,结果表明,赞晶枣抗寒性最强,灰枣最弱。【本研究切入点】冬枣是晚熟鲜食枣品种,在新疆南疆四地州均有分布,但时有冻害发生。需对新引进的两个枣品种进行抗寒性鉴定。【拟解决的关键问题】伏脆蜜、京沧1号、冬枣是我区枣品种结构调优过程中重点推广的早、中、晚熟优良鲜食枣品种组合,针对冬季冻害风险,以冬枣为对照。研究不同程度的低温处理对3个品种枝条的相对电导率、萌芽率、渗透调节物质、丙二醛含量等生理指标的影响,为鲜食枣新品种的推广应用和防寒措施制定提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验在喀什地区麦盖提县央塔克乡鲜食枣品种示范园内进行(77°28′～79°05′ E,38°25′～39°22′ N)。在枣树休眠阶段2021年1月(环境温度(-10±1)℃),采集伏脆蜜、京沧1号、冬枣试验树中部区域的东南西北4个方位粗度相对一致、无病虫害的一年生枝条,每品种采集60枝,每枝长度约30 cm,剪口处蜡封后带回实验室进行低温处理、生理指标的测定及恢复生长试验。

1.2 方 法

1.2.1 低温处理

把3个品种的枝条平均分成6份并用浸湿的报纸和塑料薄膜封好,放入超低温冰箱进行低温处理,在-10～-35℃内每隔5℃设置一个处理,以-10℃(田间温度)为对照温度,降温速度为4℃/h,达到设定温度后继续在冰箱放置12 h[9],低温处理结束后以降温速率升温,在冰箱温度达到0℃时取出枝条。恢复发芽试验选择粗度基本一致的枝条并剪去两端的石蜡封口,其余枝条用来测定生理指标。

1.2.2 恢复生长调查

恢复生长试验参考石游在苹果[10]、郭伟珍等[11]在梨上方法。在低温胁迫处理后,将部分粗度基本一致的枝条放入盛好蒸馏水的烧杯中,水量为刚好浸过枝条约1/3处,置于恒温室中阳光可以照射处,每3 d换1次水,每天早上观察有无发芽数并做好记录,30 d后统计萌芽率。萌芽率=(萌芽数/调查芽眼数)×100%,根据萌芽率判定恢复生长情况。

1.2.3 指标测定

相对电导率的测定参照王长柱等[12]方法;丙二醛含量的测定用硫代巴比妥酸法;可溶性糖含量的测定用蒽酮比色法;脯氨酸含量的测定用磺基水杨酸法测定;可溶性蛋白含量的测定用BCA法测定[13]。

1.3 数据处理

主成分分析和半致死温度利用SPSS 19.0软件统计分析。将相对电导率进行拟合Logistic方程回归分析,利用曲线拐点所对应的温度作为半致死温度(LT50)。Logistic方程的表达式为Y=k/(1+ae-bt),y代表低温处理下的相对电导率(%),t代表处理温度,k为细胞伤害率的饱和容量,a、b为方程参数,LT50=-(lna/b)[11]。采用隶属函数法和主成分分析法对3个枣品种的抗寒能力进行计算排名。其中,隶属函数公式为:R(Xij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin),如果某个指标与评价结果为负相关,则用反隶属函数进行定量转换:R(Xij)=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)。R(Xij)是i品种枝条j指标的隶属函数值,Xmin、Xmax分别为j指标的最小值和最大值。分别计算出3个枣品种的平均隶属度。

2 结果与分析

2.1 供试品种枝条萌芽率

研究表明,随着温度的降低,3个品种枝条的萌芽率均在下降。在-10～-20℃处理下,伏脆蜜的萌芽率最高,其次是冬枣、京沧1号。其中,京沧1号的萌芽率在-10～-15℃第1次急速下降,在-25℃时,出现第2次急速下滑至0;而伏脆蜜、冬枣的枝条萌芽率均在-20～-25℃急降下滑至0,且之后的低温处理3个品种枝条也都未萌芽,在-25℃的低温已对3个品种的1年生枝条造成不可逆转的伤害。图1

图1 低温胁迫后不同枝条萌芽率的变化

2.2 供试品种枝条相对电导率

研究表明,随着温度的逐渐降低,枝条的相对电导率基本呈现上升趋势,其中,伏脆蜜、京沧1号、冬枣与各自对照(-10℃)电导率相比分别增加了47.49%、50.56%、53.18%。当相对电导率值超过50%时,此时的温度接近或已经超过其品种本身的半致死温度(LT50),而伏脆蜜、京沧1号、冬枣相对电导率大于50%的温度分别为-25～-30℃、-25～-30℃、-20～-25℃。图2

Logistic 方程拟合3种供试枝条的半致死温度(LT50)后,其相关系数r都大于0.87,3个品种均达显著水平。其中,抗寒性最强的是伏脆蜜,半致死温度为-20.44℃,其次是京沧1号和冬枣,半致死温度分别为-19.91、-19.53℃。表1

图2 低温胁迫后不同枝条相对电导率的变化

表1 低温胁迫下枝条相对电导率Logistic方程和低温半致死温度(LT50)

2.3 供试品种枝条可溶性糖

研究表明,随着温度的逐渐降低,伏脆蜜、京沧1号、冬枣的可溶性糖基本呈现“上升-下降-上升”趋势。其中,冬枣可溶性糖的变化比较稳定,在-10～-15℃、-30～-35℃时该含量上升幅度比较大,-15～-30℃时上升比较缓慢;伏脆蜜可溶性糖含量波动也不明显,在-10～-20℃时只是小幅度上升,-20～-35℃时,开始起伏明显;京沧1号整体波动都很大。伏脆蜜、京沧1号、冬枣可溶性糖的峰值出现在-30～-35℃,且依次达到75.45%、86.23%、78.85%。图3

2.4 供试品种枝条可溶性蛋白

研究表明,随着温度的逐渐降低,伏脆蜜、京沧1号、冬枣的可溶性蛋白含量基本呈现“上升-下降-上升”趋势,波动都较大。其中,伏脆蜜在-15℃时,可溶性蛋白含量达到最大值107.35 mg/g;冬枣在-20℃处理后,可溶性蛋白含量急剧升高达到最大值91.41 mg/g;京沧1号在-35℃时,可溶性蛋白含量达到最大值121.70 mg/g。同时,在-35℃时伏脆蜜、京沧1号、冬枣的可溶性蛋白含量与各自对照(-10℃)相比分别增加了20.86、26.67、26.56 mg/g。图4

图3 低温胁迫后不同枝条可溶性糖的变化

图4 低温胁迫后不同枝条可溶性蛋白的变化

2.5 供试品种枝条游离脯氨酸

研究表明,随着温度的逐渐降低,3个品种枝条的游离脯氨酸含量基本呈现“上升-下降-上升”的变化趋势。其中,在-10～-20℃阶段内,伏脆蜜游离脯氨酸含量急剧升高,于-20℃达到最大值3.31 mg/g,之后的低温处理波动不明显;京沧1号游离氨基酸含量在-15～-20℃时上升剧烈,达到最大值2.98 mg/g,但在-20～-30℃下降也比较明显;冬枣在-15～-25℃时上升剧烈,游离脯氨酸含量达到其最大值2.99 mg/g。图5

图5 低温胁迫后不同枝条游离脯氨酸的变化

2.6 供试品种枝条丙二醛

研究表明,随着温度的逐渐降低,枝条的丙二醛含量基本呈现上升趋势。其中,京沧1号初始值较高且变化较稳定,只在-25～-30℃有所下滑,在-35℃处理下的此品种枝条丙二醛含量为22.07 nmol/g;而伏脆蜜、冬枣起伏相对较大,丙二醛均在-20℃出现第1次降低,-30℃又出现第2次下滑,且伏脆蜜在-35℃时丙二醛含量超过了京沧1号。伏脆蜜、京沧1号、冬枣与各自对照(-10℃)相比分别增加了5.83、3.68、3.69 nmol/g。图6

图6 低温胁迫后不同枝条丙二醛的变化

2.7 供试品种枝条不同成分间的相关性

研究表明,可溶性糖含量、相对电导率、丙二醛含量与温度呈极显著负相关;相对电导率、丙二醛含量与萌芽率呈极显著负相关;萌芽率与可溶性糖含量呈显著负相关;萌芽率与温度呈极显著正相关;丙二醛含量与可溶性蛋白含量呈极显著正相关;可溶性蛋白含量、丙二醛含量、相对电导率与可溶性糖含量呈显著正相关;丙二醛含量与相对电导率呈显著正相关。图7

注:表中*表示显著相关(P<0.05),**表示极显著相关(P<0.01)

2.8 主成分特征值评价

研究表明,根据主成分特征值大于1的原则,从6个生理指标中得到2个主成分。其中,主成分1中的各个指标总和具有较大特征向量,达到了3.213,贡献率即解释方差为53.555%;主成分2中的各个指标特征值为1.058,贡献率为17.634%,前两个主成分的累积贡献率达71.189%。两个主成分可以代表所有指标71.189%的信息,主要提取前两个主成分的数据进行综合评价。表2

主成分1主要包含可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、相对电导率、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 主成分初始因子荷载矩阵

各综合指标得分函数:

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

综合评价指数:F=3.213/(3.213+1.058)×F1+1.058/(3.213+1.058)×F2

表4 成分得分系数矩阵及贡献率

得分的高低可以反映抗寒性强弱,其抗寒能力由大到小为伏脆蜜、冬枣、京沧1号。表5

表5 不同品种主成分的得分

2.9 隶属函数法评价

研究表明,平均隶属函数值越高,抗寒能力也就越强,反之抗寒能力越弱。3个品种抗寒性由强到弱依次为:伏脆蜜、冬枣、京沧1号。表6

3 讨 论

3.1 恢复生长与抗寒性的关系

恢复生长是植物抗寒能力鉴定中直观、简易的方法之一,植物经历低温环境后,观察其形成愈伤组织或恢复生长的能力,来判断植物的抗寒能力[14-15]。目前,恢复生长已经在苹果[16]、葡萄[17]、香梨[18]等果树品种上有大量的应用。试验结果表明,伏脆蜜萌芽率最高,其次是冬枣、京沧1号,且实地种植萌芽时间的顺序也是如此:伏脆蜜最早,接着是冬枣、京沧1号。刘政海等[19]对黄土高原地区的葡萄进行恢复生长测定其抗寒性,研究结果表明,在-10～-15℃处理后,枝条的萌芽率均很高,90%以上,一旦处理温度在-20～-25℃时,试验品种的萌芽率又出现较大下滑。与研究3个枣品种在-20～-25℃处理后萌芽率突然降至0相似。

3.2 相对电导率、半致死温度与抗寒性的关系

植物冻害发生的主要部位是原生质膜系统[20]。对植物进行低温胁迫处理后,细胞内外凝固结冰,由此功能蛋白(酶)活性丧失,一系列生理、代谢功能发生紊乱,且膜系统遭到破坏;膜脂物相由介晶相变成凝胶相,膜结构破坏、通透性变强[21]。电导法测定植物的抗寒能力就是由相对电导率值进行判断,其值越小,细胞膜通透性越弱,受伤程度越轻,抗寒能力也就越强[22]。本试验结果表明,伏脆蜜、京沧1号、冬枣的相对电导率随着温度的下降,均为缓慢上升,但是在-15～-20℃时,京沧1号、伏脆蜜的相对电导率有所下滑,与王江波等[23]、董梦怡等[8]在红枣品种的抗寒性研究结果大致相同。而电导率结果表明,冬枣电导率上升幅度最大,其次是京沧1号、伏脆蜜,这与各个生理指标的数据综合分析后得到的抗寒能力强弱基本一致。而通过相对电导率结合Logistic方程计算的半致死温度,发现其大小与综合分析得出的抗寒能力强弱不太一致,与范宗民等[17]在葡萄上的抗寒性研究结果相似。

3.3 渗透调节物质、丙二醛含量与抗寒性关系

当植物所处的环境温度下降到一定程度时,体内与渗透调节有关的基因将进行表达,渗透调节物质的含量将得到提升,植物将具有与之相关的渗透调节能力,故抗寒能力加强[15]。细胞内可溶性糖含量可以影响自由水和束缚水的比例,当其含量高时,可以增加植物细胞液的浓度,从而降低植物细胞内的水势,提高该植株的保水能力,且胶化程度降低,还可以避免体内蛋白质受低温胁迫从而引起的凝固。可溶性蛋白和可溶性糖作用类似,均可提高植物细胞的保水能力,还可以让植物的冰点下降。游离脯氨酸在植物体内,可作为溶剂较好得溶解有机物,在大多植物遭受冷胁迫时,它能促进蛋白质水合作用。丙二醛对植物有不良作用,主要破坏细胞膜系统,植物处于逆境环境且这种环境持续时间较长时,其含量会升高。丙二醛可通过其含量高低来反映膜脂过氧化的程度,间接测定细胞膜系统损伤的程度以及反映植物在逆境情况下的抗逆性强弱[17]。试验中,可溶性糖含量随着低温的进一步加剧,值均在上涨,该结果与张旭等[24]对苹果进行抗寒性研究的结果类似,与吴硕等[25]对核桃进行低温处理研究结果不同,可能是因为果树品种、气候不同等原因所致;可溶性蛋白含量随着低温的进一步加剧呈“上升-下降-上升”的变化趋势,与陈燕等[6]在新疆对地方枣种质枝条进行抗寒性研究的结果类似;游离脯氨酸含量随着低温的进一步加剧呈“上升-下降-上升”的变化趋势,与郭佳欢等[5]对灰枣优系品种进行抗寒性研究的结果类似;丙二醛含量随着温度的进一步加剧,总体来说呈上升的变化趋势,与张旭等[24]在苹果、杨燕君等[26]在杏、郭佳欢等[5]在灰枣的研究上结果相似。

3.4 抗寒指标的相关性、主成分分析和隶属函数的综合评价

研究根据枝条不同抗寒指标间相关系数可知,可溶性糖、丙二醛、相对电导率与温度,丙二醛、相对电导率与萌芽率的相关系数均较高,为负相关;萌芽率与温度,丙二醛与可溶性蛋白的相关系数也较高,为正相关。该分析结果与曹晓敏等[16]在苹果、李鹏程等[27]在葡萄上的研究结果相似。主成分分析因其可以计算抗寒性得分已被广泛应用于苹果[16]、葡萄[17]等植物的抗寒性评价研究。试验对3个供试品种枝条的抗寒性生理指标通过SPSS主成分分析后得到的的抗寒性强弱与结合相对电导率值拟合Logistic方程后半致死温度的排名不太一致,与杨凤翔等[28]在草莓品种抗寒性上的试验结果不相似,可能是由于品种、栽培管理方式不同等原因造成。而通过隶属函数法得到的结果与主成分分析的结果一致,且这一结果与生产实践中3个品种的抗寒性表现也是一致的,主成分分析、隶属函数分析得到的抗寒能力大小是比较可靠的。

4 结 论

伏脆蜜、京沧1号、冬枣3个品种一年生枝条的半致死温度在-19～-21℃,分别为-20.44、-19.91、-19.53℃。一年生枝条抗寒能力由强到弱依次为伏脆蜜>冬枣>京沧1号。在新疆南疆种植冬枣的区域,可选择抗寒性强的伏脆蜜,而京沧1号抗寒性相对较弱,需要在冬季及时做好防冻保护措施。