不同甘蔗品種對低溫脅迫的生理響應(yīng)及耐寒性綜合評價

全怡吉 樊仙 李如丹 楊紹林 鄧軍

摘 ?要：本研究以甘蔗的3個雜交品種（ROC22、Co281、KQ01-1390）和3個原種（28NG16、57NG155、96NG16）為供試材料，研究低溫脅迫對成熟期蔗株的形態(tài)、葉片的質(zhì)膜相對透性、蔗莖的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及抗氧化酶活性等指標(biāo)的影響，并對6個品種甘蔗耐寒性進(jìn)行評價。結(jié)果表明：經(jīng)?3?℃夜間低溫處理3 d后，甘蔗植株均出現(xiàn)葉片干枯、卷曲，生長點(diǎn)損傷或壞死變黑，蔗莖側(cè)芽發(fā)黑、變軟等癥狀，縱剖蔗莖可明顯看到莖內(nèi)組織呈水煮狀，蔗葉相對電導(dǎo)率上升，蔗莖丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）含量和過氧化氫酶（CAT）活性均上升，蔗莖超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活性下降。通過隸屬函數(shù)法綜合評價，6個甘蔗品種耐寒能力依次為：KQ01-1390>Co281>ROC22> 28NG16>57NG155>96NG16，可見供試材料中的甘蔗原種對低溫脅迫反應(yīng)敏感，耐寒性比雜交品種弱。

關(guān)鍵詞：甘蔗;品種;低溫脅迫;生理特性中圖分類號：S566.1??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Integrative Assessments on Physiological Response and Cold Tolerance of Different Sugarcane Varieties to Low Temperature

QUAN Yiji， FAN Xian^*， LI Rudan， YANG Shaolin， DENG Jun^**

Sugarcane Research Institute， Yunnan Academy of Agricultural Sciences， Kaiyuan， Yunnan 661600， China

Abstract：Three sugarcane hybrid varieties （ROC22， Co281， KQ01-1390） and three?original breeding?varieties?（28NG16， 57NG155， 96NG16） were used to assess the ability of cold tolerance through investigating the effects of low temperature on mature sugarcane appearance， relative permeability of leave plasma， contents of osmotic adjustment substances and activities of antioxidant enzymes in sugarcane stems. Treated at ?3?℃?for three days at nigh， symptoms such as withered and curly leaves， broken and black growth point， black and soft lateral bud appeared. Moreover， water boiling symptom in inner stem tissues was observed after ripping sugarcane stem. The relative electrical conductivity of the leaves increased， the contents of malonaldehyde （MAD） and proline （Pro）， and the activities of catalase （CAT） increased， but the activity of superoxide dismutase （SOD） and peroxidase （POD） decreased in sugarcane stems under cold stress. Membership function method was used to assess the ability of cold tolerance， the results showed the order of cold tolerance was KQ01-1390>Co281>ROC22>28NG16>57NG155>96NG16， indicating that the original breeding were more sensitive to low temperature and showed weaker ability of cold tolerance than the hybrid varieties.

Keywords：sugarcane; variety; low temperature stress; physiological character

DOI：10.3969/j.issn.1000-2561.2020.01.009

甘蔗（Saccharum officinarumL.）是典型的C₄作物，喜溫，對生長環(huán)境有一定要求，特別是生長過程中對溫度的要求較高^[1-2]。近年來，隨著溫室效應(yīng)的不斷加劇，全球氣候變化反常，在我國甘蔗主產(chǎn)區(qū)早春或冬季寒害頻現(xiàn)，導(dǎo)致甘蔗生產(chǎn)和制糖工業(yè)發(fā)展受阻，經(jīng)濟(jì)受損。因此，開展甘蔗耐寒機(jī)理研究，合理評價甘蔗耐寒種質(zhì)資源，對種質(zhì)創(chuàng)新及提高甘蔗耐寒性具有重要意義。

植物在低溫脅迫下會對自身的形態(tài)、生理生化結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)生復(fù)雜多樣的應(yīng)激機(jī)制來維持自身生命活動，以適應(yīng)環(huán)境的改變。已有研究表明，植物抗寒性與形態(tài)結(jié)構(gòu)以及體內(nèi)脯氨酸（Pro）、可溶性蛋白（SP）、可溶性糖（SS）等物質(zhì)含量與活性氧和抗氧化酶活性密切相關(guān)。前人通過對葡萄、竹子的抗寒能力進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)耐寒性較強(qiáng)的品種的植株存活率、芽萌發(fā)率相對較高^[3-4];對水稻^[5]、高粱^[6]、小麥^[7]等作物進(jìn)行低溫脅迫研究發(fā)現(xiàn)，Pro、SP、SS含量隨溫度的降低和處理時間的延長逐漸增加，且耐寒品種比冷敏感品種增幅大;低溫處理后，玉米^[8]、小麥^[7]的膜脂過氧化物丙二醛（MDA）含量變化與抗寒性強(qiáng)弱呈負(fù)相關(guān);一定低溫條件下，植物的活性氧和自由基清除抗氧化酶活性一般呈上升趨勢，但不同植物、不同發(fā)育期、不同組織器官的抗氧化酶活性反應(yīng)趨勢有不同，如低溫脅迫下，砧用南瓜的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性均顯著升高^[9]，黃瓜幼苗的SOD、POD、CAT活性下降^[10]，小麥葉片的POD與CAT活性則呈先上升后下降的現(xiàn)象^[11]。不同研究者也先后開展了甘蔗響應(yīng)低溫脅迫的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)甘蔗受低溫脅迫后，形態(tài)上通常表現(xiàn)出葉片枯萎、生長點(diǎn)受損、側(cè)芽壞死、蔗莖呈水漬狀等癥狀^[12];脯氨酸、SP、SS含量增加，耐寒品種比冷敏感品種增加明顯^[13];SOD、POD、CAT活性在短期內(nèi)上升，但隨著脅迫溫度的加強(qiáng)和時間的延長而下降^[14-15]，且不同品種對低溫的抗性和受害程度表現(xiàn)不同^[16]。

目前，關(guān)于甘蔗抗寒性的研究已有較多報道，已從研究生理生化響應(yīng)發(fā)展到研究響應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制及生存、進(jìn)化、適應(yīng)等方面，一些簡單易行的抗寒性評價指標(biāo)也被篩選出，并且培育出許多抗寒性優(yōu)良的甘蔗品種^[17-21]。然而，關(guān)于甘蔗原種與雜交品種間抗寒性差異比較的報道較少。為探索甘蔗不同品種間的耐寒能力，本研究以3個甘蔗原種和3個甘蔗雜交種為材料，通過低溫處理，研究不同甘蔗品種對低溫脅迫的生理響應(yīng)，以期為甘蔗栽培及抗寒育種中材料的篩選、研究提供理論參考。

1??材料與方法

1.1材料

1.1.1 ?供試材料??由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所提供6份材料，分別是來自巴布亞新幾內(nèi)亞的28NG16、57NG155、96NG16甘蔗原種，印度哥印拜陀的Co281甘蔗雜交種，澳大利亞的KQ01-139甘蔗雜交品種，以及中國臺灣的ROC22甘蔗雜交品種。

1.1.2 ?材料處理??將供試材料進(jìn)行桶植（規(guī)格為Φ 36?cm×h 33.7?cm），土壤為赤紅壤，每桶種植4個單芽，出苗后定苗3株，進(jìn)行常規(guī)管理。待甘蔗生長至成熟期時，將長勢一致的蔗株移入人工智能溫室進(jìn)行低溫處理，處理設(shè)置為自然溫度/?3?℃（08：00–?20：00/20：00–08：00），處理均為自然光照，處理期間常規(guī)管理;每個處理3盆，3次重復(fù)。低溫處理3 d后，分別取+1葉和蔗莖上、中、下3個部位的節(jié)間用于測定各理化指標(biāo)。

1.2方法

參照梁強(qiáng)等^[22]的方法，測定蔗株的生長點(diǎn)好壞、莖長受損率、節(jié)間受損率、蔗芽受損率;參照李合生^[23]的方法，采用電導(dǎo)儀法測定細(xì)胞膜破壞程度;采用北京索萊寶科技有限公司生產(chǎn)的試劑盒（常量法）測定蔗莖的超氧化物歧化酶（supe ro xide dismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）活性以及脯氨酸（proline，Pro）和丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量。

1.3數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2010軟件、SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析比較;采用隸屬函數(shù)法^[24]分析評價每個品種耐寒性。隸屬函數(shù)值計算如下：

隸屬函數(shù)值計算公式：

A=（H?H_min）/（H_max?H_min）

反隸屬函數(shù)值計算公式：

A=1?（H?H_min）/ （H_max?H_min）

B=（A₁+A_n）/n

式中，A表示各材料指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，且A∈[0， 1];H_min、H_max表示各參試材料的最小值、最大值;B為材料的模糊隸屬函數(shù)均值，n為指標(biāo)數(shù)。與耐寒性呈正相關(guān)的指標(biāo)采用隸屬函數(shù)計算，與耐寒性呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo)采用反隸屬函數(shù)計算;隸屬函數(shù)均值B越大，表明耐寒性越強(qiáng)。

2??結(jié)果與分析

2.1低溫脅迫對甘蔗植株的影響

低溫處理3?d后，供試品種蔗株均出現(xiàn)葉片干枯、卷曲，生長點(diǎn)損傷或壞死變黑，蔗莖側(cè)芽發(fā)黑、變軟等癥狀;縱剖蔗莖可明顯看到莖內(nèi)組織呈水煮狀。其中，6個品種的節(jié)間和生長點(diǎn)受損率均達(dá)100%;側(cè)芽受損率最高的是Co281;蔗莖“上水”率最高的是57NG155（表1，圖1）。說明低溫會影響甘蔗的正常生長，但不同品種所表現(xiàn)的冷害損傷程度不同。

2.2 低溫脅迫對蔗葉電導(dǎo)率的影響

葉片相對電導(dǎo)率是衡量植物低溫受害程度的重要生理指標(biāo)。經(jīng)低溫處理后，6個供試品種葉片相對電導(dǎo)率均顯著上升，其中96NG16的相對電導(dǎo)率變化幅度最大，為319.09%，與KQ01-1390的相對電導(dǎo)率存在顯著差異，與其余品種差異不顯著;28NG16變化幅度相對較小，為135.29%，與96NG16的電導(dǎo)率差異不顯著，與其余品種存在顯著差異（圖2）。

2.3 低溫脅迫對蔗莖MDA含量的影響

植物MDA含量變化是評價質(zhì)膜損傷程度的重要標(biāo)志。經(jīng)低溫處理后，6個供試品種蔗莖的

MDA含量均增加，其中ROC22增幅達(dá)顯著水平，為22.28%，與Co281、KQ01-1390、28NG16、96NG16的MDA含量存在顯著差異，與57NG155差異不顯著;而28NG16增幅較小，僅為1.91%，與ROC22、KQ01-1390的MDA含量存在顯著差異，與其余品種差異不顯著（圖3）。

2.4低溫脅迫對蔗莖Pro含量的影響

Pro作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可在低溫脅迫條件下提高植物滲透壓，增強(qiáng)保水力，減輕質(zhì)膜受損程度。經(jīng)低溫處理后，6個供試品種蔗莖的Pro含量總體呈增加趨勢，其中Co281、KQ01-1390的增幅顯著，分別為143.81%、60.99%，Co281與96NG16的Pro含量存在顯著差異，與其余品種差異不顯著;28NG16的增幅最小，為11.52%，與96NG16的Pro含量存在顯著差異，與其余品種差異不顯著（圖4）。

2.5低溫脅迫對蔗莖抗氧化酶活性的影響

SOD、CAT、POD是植物體內(nèi)的保護(hù)酶系統(tǒng)，在植物逆境代謝中起著重要的保護(hù)作用。經(jīng)低溫處理后，6個甘蔗品種蔗莖的SOD活性均下降，其中ROC22、57NG155、28NG16、96NG16的降幅顯著，分別為37.44%、68.42%、39.64%、80.07%，KQ01-1390的降幅最小，為17.79%;96NG16與ROC22的SOD活性存在顯著差異，但與其余品種差異不顯著。蔗莖的CAT活性均升高，其中KQ01-1390、57NG155的增幅顯著，分別為21.21%、33.33%，57NG155與其余4個品種的CAT活性差異顯著，而KQ01-1390與其余4個品種的CAT活性差異不顯著;Co281的CAT活性增幅最小，僅為2.94%，與ROC22、KQ01-1390、28NG16、96NG16的CAT活性差異不顯著。蔗莖的POD活性均下降，其中Co281、28NG16的降幅顯著，分別為41.67%、40.00%，且二者POD活性差異顯著;57NG155的POD活性降幅最小，為14.29%，與28NG16的POD活性差異顯著，與其余品種差異不顯著（圖5）。

2.6耐寒性綜合評價

運(yùn)用隸屬函數(shù)法對各品種甘蔗耐低溫評價指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，6個甘蔗品種的耐低溫能力順序依次為：KQ01-1390>Co281>ROC22>28NG16> 57NG155>96NG16（表2）。根據(jù)排序可知供試甘蔗材料中雜交品種耐低溫能力強(qiáng)于甘蔗原種，其中KQ01-1390最耐寒。

3??討論

冷害脅迫會對甘蔗產(chǎn)業(yè)帶來不利影響，尤其是在成熟期。本研究表明各供試品種經(jīng)低溫處理后形態(tài)和生理指標(biāo)均發(fā)生顯著變化，對低溫的抵抗性差別很大。溫度是植物生長發(fā)育過程中一個非常重要的環(huán)境因子，低溫處理后各甘蔗品種的蔗葉、生長點(diǎn)、側(cè)芽、蔗莖均不同程度受損，莖內(nèi)組織呈水煮狀等癥狀。膜脂過氧化產(chǎn)物MDA是鑒定植物膜受低溫危害程度的重要指標(biāo)之一，低溫處理后各品種的蔗葉相對電導(dǎo)率上升，蔗莖MDA含量也相對增加，與孫富等^[25]研究中低溫脅迫對蔗葉膜生理影響結(jié)果一致，說明溫度過低甘蔗體內(nèi)的活性氧平衡被打破，蔗葉的細(xì)胞膜系統(tǒng)受到傷害，其膜脂過氧化程度加深。Pro具有較強(qiáng)的水合能力，各品種蔗莖Pro含量在低溫處理后不斷累積，與張保清^[26]對生長后期甘蔗低溫處理后發(fā)現(xiàn)其體內(nèi)Pro含量增加結(jié)果一致，說明溫度過低甘蔗會相應(yīng)增加體內(nèi)的Pro來提高滲透調(diào)節(jié)能力，進(jìn)行自我保護(hù)。SOD、CAT、POD是植物體內(nèi)清除活性氧自由基的重要抗氧化保護(hù)酶，低溫處理后各品種蔗莖的SOD和POD活性下降，CAT活性上升，與陸思思等^[14]發(fā)現(xiàn)的不同抗寒甘蔗品種低溫脅迫下節(jié)間SOD、POD活性隨處理時間的延長下降結(jié)果一致，與陳榮發(fā)等^[15]發(fā)現(xiàn)甘蔗在低溫脅迫下體內(nèi)CAT活性先升后降再上升結(jié)果不一致，可能是由于供試材料與處理方法不同，蔗株對逆境的響應(yīng)不同造成的，但說明了這些抗氧化酶活性與甘蔗的耐低溫脅迫性有一定的相關(guān)性，溫度過低甘蔗會改變自身的抗氧化酶活性來清除體內(nèi)過多的超氧自由基，保護(hù)自身免受低溫傷害。甘蔗耐寒機(jī)制受多種因素影響，單一耐寒指標(biāo)不足以判定甘蔗對逆境的適應(yīng)能力，通過隸屬函數(shù)法綜合多個抗性指標(biāo)，比較分析發(fā)現(xiàn)供試材料KQ01-1390耐寒性最強(qiáng)，而96NG16耐寒性弱，且3個雜交品種的耐寒性均優(yōu)于3個原種;馬翎健等^[27]、張新等^[28]分別對