三種觀枝干植物的抗寒性評(píng)價(jià)

姚迎麗，李春友，彭偉秀，馬長(zhǎng)明，李 丹

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與旅游學(xué)院，河北 保定 071000）

隨著中國(guó)園林綠化理念的不斷完善，植物配置開始由綠化到美化轉(zhuǎn)變，基于中國(guó)北方地區(qū)冬季寒冷的特點(diǎn)，在植物配置中冬季的觀賞對(duì)象多以常綠針葉樹為主，但因其夏季遮陰納涼和冬季采光效果不如落葉喬灌木，所以落葉喬灌木在北方的植物配置中占比較大，在華北中北部地區(qū)，每年11 月到次年2 月，落葉喬木進(jìn)入休眠期，因此落葉喬木在冬季的觀賞價(jià)值大大降低，為了彌補(bǔ)華北地區(qū)冬季可觀賞植物種類的單調(diào)性、色彩缺乏等問題［1，2］，一些彩色枝條落葉樹種的耐寒性成為了城市園林植物選擇的重要參考因素。

四季玫瑰（Rosa davurica × rugosaThunb.），又稱紫枝玫瑰，它是玫瑰（Rosa rugosaThunb.）和山刺玫（Rosa davuricaPall.）雜交得到的一個(gè)新品種，具有枝紫、葉綠、花紅等觀賞特點(diǎn)；粉稈絲棉木（Euonymus maackiiRupr.）是絲棉木無性繁殖的一個(gè)變種，因其一年生莖稈在冬天為粉紅色而得名；火炬柳（Salix albaL.）是白柳無性繁殖的品系，其枝條的顏色隨著溫度的降低從黃色逐漸變成紅色，隨著溫度的上升從紅色逐漸變成黃色。為了探索四季玫瑰、粉稈絲棉木、火炬柳在北方園林應(yīng)用的適應(yīng)性，尤其是抗寒性，以這3 種植物為試驗(yàn)材料，測(cè)定低溫處理下各樹種一年生枝條的相對(duì)電導(dǎo)率、LT50、含水量、吸水量、可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、脯氨酸（Pro）含量、丙二醛（MDA）含量和超氧化物歧化酶（SOD）活性，利用主成分分析法和隸屬函數(shù)法對(duì)3種觀枝干植物的抗寒性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為四季玫瑰、粉稈絲棉木、火炬柳在北方的運(yùn)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以定植于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)三分場(chǎng)的四季玫瑰、粉稈絲棉木和火炬柳為試驗(yàn)材料。取樣時(shí)間為2019年12 月15 日，隨機(jī)選取生長(zhǎng)勢(shì)基本一致的一年生休眠枝條，放入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

1.2 低溫處理

試驗(yàn)設(shè)置的溫度處理梯度為4、-10、-15、-20、-25、-30、-35、-40 ℃，以 4 ℃處理的為對(duì)照（CK）。將試驗(yàn)材料先用清水洗干凈，再用去離子水清洗3遍，用濾紙吸干水分，然后將每種枝條隨機(jī)均勻分成8 份分裝于自封袋中，將其中7 份放入數(shù)字控溫冰箱內(nèi)分別于各低溫處理24 h，冰箱降溫速率為3 ℃/h，將處理好的樣品拿出置于4 ℃的冰箱解凍12 h。對(duì)照樣品直接進(jìn)行各相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定，3 次重復(fù)。

1.3 生理指標(biāo)的測(cè)定

1.3.1 相對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)定 取不同低溫處理下的枝條2 g 剪碎，浸泡于20 mL 的去離子水中，24 h 后用電導(dǎo)儀測(cè)定外滲電導(dǎo)率R1，用保鮮膜封口后放入水浴鍋中，沸水浴40 min，冷卻至室溫，測(cè)定電導(dǎo)率R2，另測(cè)去離子水的電導(dǎo)率R0。

相對(duì)電導(dǎo)率＝（R1-R0）/（R2-R0）×100%

對(duì)植物枝條組織在不同低溫下相對(duì)電導(dǎo)率隨著溫度的變化用Logistic 方程進(jìn)行回歸分析，回歸模型：

式中，y為低溫處理下的相對(duì)電導(dǎo)率，x為處理溫度，k為常數(shù)，a表示曲線對(duì)原點(diǎn)的相對(duì)位置，b表示x與y之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，求出拐點(diǎn)溫度，即為組織的半致死溫度［3，4］。

1.3.2 超氧化物歧化酶（SOD）活性的測(cè)定 SOD 活性采用氮藍(lán)四唑（NBT）光還原法測(cè)定［5］。

1.3.3 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的測(cè)定 可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定，可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定，游離脯氨酸含量采用茚三酮法測(cè)定［5］。

1.3.4 丙二醛含量的測(cè)定 丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定［5］。

1.3.5 含水量和吸水量的測(cè)定 取不同低溫處理下的枝條，每個(gè)樣品隨機(jī)剪取5 cm 長(zhǎng)枝條中部，3 次重復(fù)，根據(jù)荊家海［6］的方法進(jìn)行改良，將剪好的樣品先稱取鮮重W1，然后用去離子水浸泡12 h，再稱取飽和鮮重W2，最后在105℃下烘干12 h 稱取干重W3。

相對(duì)含水量=（W1-W3）/W1

相對(duì)吸水量=（W2-W1）/W1

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用WPS 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，利用SPSS 26.0 進(jìn)行主成分分析和Logistic 方程擬合。

1）主成分的確定。不同指標(biāo)對(duì)植物抗寒能力的影響不同，因此對(duì)試驗(yàn)所測(cè)的生理指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，得到了特征值和貢獻(xiàn)率，以特征值λ＞1 為標(biāo)準(zhǔn)確定主成分個(gè)數(shù)［7］。

2）權(quán)重。

式中，i為第i個(gè)指標(biāo)，j為第j種樹種，Di為i指標(biāo)對(duì)抗寒的作用大小，F(xiàn)ij為i指標(biāo)在j主成分的負(fù)荷量，Yij為第j主成分的貢獻(xiàn)率，Wi為各指標(biāo)的權(quán)重［8］。

當(dāng)某指標(biāo)與抗寒性呈正相關(guān)時(shí)，

當(dāng)某指標(biāo)與抗寒性呈負(fù)相關(guān)時(shí)，

累加求平均值

式中，Zij為i樹種j指標(biāo)抗寒性的隸屬值，Xij為樹種j指標(biāo)的測(cè)定值，Ximax、Ximin為測(cè)定指標(biāo)的最大值和最小值［8］。

4）抗寒性綜合指數(shù)。根據(jù)各指標(biāo)的隸屬值與權(quán)重，通過加乘法計(jì)算出抗寒性綜合指數(shù)，依據(jù)綜合指數(shù)的大小確定植物抗寒性強(qiáng)弱［8］。

式中，I為抗寒性綜合指數(shù)，Wij為權(quán)重，Zij為隸屬值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同低溫處理下3 種觀枝干植物枝條電導(dǎo)率的變化及LT50

由圖1 可知，在遭受不同低溫脅迫后，不同植物的相對(duì)電導(dǎo)率均呈上升趨勢(shì)，說明溫度下降時(shí)，植物通過調(diào)節(jié)體內(nèi)的滲透物質(zhì)來維持細(xì)胞膜系統(tǒng)的穩(wěn)定。隨著低溫脅迫加劇，已經(jīng)超出了植物的自身調(diào)節(jié)能力，電解質(zhì)大量外滲，在整個(gè)過程中電導(dǎo)率增加的幅度和速率各不相同，但其增加的趨勢(shì)大體相同。在4 ℃到-15 ℃時(shí)，四季玫瑰、粉稈絲棉木和火炬柳3 種植物的電導(dǎo)率迅速上升，和對(duì)照相比分別增加了104%、120.3%、115%。在-20 ℃到-35 ℃時(shí)，四季玫瑰和火炬柳的電導(dǎo)率緩慢上升，在-35 ℃到-40 ℃趨于平穩(wěn)。而粉稈絲棉木在-20 ℃至-35 ℃時(shí)上升趨勢(shì)緩慢，當(dāng)溫度降到-40 ℃時(shí)，電導(dǎo)率增加的趨勢(shì)有所降低。

圖1 不同低溫處理對(duì)3 種觀枝干植物相對(duì)電導(dǎo)率的影響

根據(jù)以上3 種觀枝干植物相對(duì)電導(dǎo)率的變化范圍，運(yùn)用Logistic 方程求出了3 種植物的半致死溫度（LT50），如表1 所示。由表1 可以看出，粉稈絲棉木的相對(duì)電導(dǎo)率與Logistic 函數(shù)吻合最高，其次是四季玫瑰，最后是火炬柳。根據(jù)Logistic 方程計(jì)算出四季玫瑰、粉稈絲棉木和火炬柳的半致死溫度分別為-19.8、-28.7、-22.3 ℃。

表1 不同低溫處理下3 種觀枝干植物枝條電導(dǎo)率影響的Logistic 方程

2.2 3 種觀枝干植物抗寒指標(biāo)的確定

3 種觀枝干植物的生理指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見表2。從表2 可以看出，3 種觀枝干植物的各項(xiàng)生理指標(biāo)存在較大差異，其中含水量、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)和脯氨酸含量差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01）；四季玫瑰與火炬柳的相對(duì)電導(dǎo)率差異達(dá)顯著水平（P＜0.05），粉稈絲棉木的相對(duì)電導(dǎo)率與四季玫瑰和火炬柳的相對(duì)電導(dǎo)率無顯著差異?；鹁媪奈颗c四季玫瑰和粉稈絲棉木的吸水量差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01），粉稈絲棉木的吸水量與四季玫瑰的吸水量無顯著差異。四季玫瑰的SOD 活性與火炬柳和粉稈絲棉木的SOD 活性差異達(dá)極顯著水平（P＜0.01），粉稈絲棉木的SOD 活性與火炬柳的SOD 活性無顯著差異。四季玫瑰的丙二醛含量與火炬柳和粉稈絲棉木的丙二醛含量無顯著差異。

由表2 中數(shù)據(jù)可知3 種觀枝干植物在不同生理指標(biāo)下抗寒性大小的排序也不相同。表明植物的抗寒能力是多種因素相互作用的結(jié)果，孤立的某一個(gè)指標(biāo)很難反映植物的抗寒能力，也不能揭示植物抗寒的本質(zhì)，多個(gè)抗寒指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)可以彌補(bǔ)單一指標(biāo)評(píng)價(jià)的不足［9，10］。

表2 3 種觀枝干植物抗寒生理指標(biāo)

2.3 3 種觀枝干植物抗寒綜合評(píng)價(jià)體系的建立

2.3.1 抗寒性指標(biāo)相關(guān)性分析 對(duì)低溫脅迫下3 種觀枝干植物的各項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到相關(guān)矩陣如表3 所示。從表3 可以看出，3 種觀枝干植物在低溫處理下的各項(xiàng)生理指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性，含水量與脯氨酸、可溶性糖、SOD 活性呈極顯著負(fù)相關(guān)；相對(duì)電導(dǎo)率與丙二醛含量呈極顯著正相關(guān)，與可溶性糖含量呈顯著負(fù)相關(guān)；可溶性蛋白質(zhì)含量與SOD 活性呈極顯著正相關(guān)，證明它們之間所提供的信息發(fā)生了重疊；有些指標(biāo)雖然相關(guān)性不顯著，但是各個(gè)指標(biāo)之間仍存在一定的相關(guān)性，同時(shí)各指標(biāo)在抗寒性中所起的作用也不相同，因此需要計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)在植物抗寒性中所占的權(quán)重。

表3 3 種觀枝干植物各生理指標(biāo)相關(guān)性分析

2.3.2 主成分分析及權(quán)重的確定 對(duì)低溫處理下3種觀枝干植物一年生枝條的8 個(gè)生理指標(biāo)抗寒系數(shù)進(jìn)行主成分分析，得到其特征值和貢獻(xiàn)率如表4 所示。主成分的特征值和貢獻(xiàn)率是選擇主成分的依據(jù)，一般以1 為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，提取了3 個(gè)主成分，3 個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到95.773%，表明3個(gè)主成分已經(jīng)把3 種觀枝干植物抗寒性95.773%的信息反映出來了，因此可以選擇前3 個(gè)主成分作為3種觀枝干植物抗寒性評(píng)價(jià)的綜合指標(biāo)。

表4 3 種觀枝干植物各主成分的特征值和貢獻(xiàn)率

根據(jù)式（1）和式（2），確定3 種觀枝干植物一年生枝條的8 個(gè)生理指標(biāo)抗寒系數(shù)的權(quán)重Wi，如表5所示。從表5 可以看出，第1 主成分主要反映含水量、SOD、脯氨酸、丙二醛和可溶性蛋白質(zhì)與抗寒性的關(guān)系，第2 主成分主要反映相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛和可溶性糖與抗寒性的關(guān)系，第3 主成分主要反映吸水量、相對(duì)電導(dǎo)率和可溶性蛋白質(zhì)與抗寒性的關(guān)系。根據(jù)抗寒性權(quán)重指標(biāo)大小，與3 種觀枝干植物抗寒性大小關(guān)系指標(biāo)依次為丙二醛、SOD、相對(duì)電導(dǎo)率、含水量、脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)、吸水量和可溶性糖。

表5 3 種觀枝干植物抗寒指標(biāo)的負(fù)荷量和權(quán)重

2.3.3 抗寒性指標(biāo)的隸屬度 由于各指標(biāo)的性質(zhì)、數(shù)量和單位不同，因此需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，對(duì)低溫處理下3 種觀枝干植物一年生枝條的8 個(gè)生理指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)值的計(jì)算，相關(guān)性分析中可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)、SOD、脯氨酸和吸水量與抗寒性呈正相關(guān)，采用公式（3）計(jì)算；相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛和含水量與抗寒性呈負(fù)相關(guān)，采用公式（4）計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表6 所示。

表6 3 種觀枝干植物生理指標(biāo)的隸屬函數(shù)值

2.3.4 抗寒性綜合指數(shù) 植物材料的抗寒性綜合指數(shù)反映植物抗寒能力的大小，其值越大，抗寒能力越強(qiáng)。根據(jù)公式（5）求出3 種觀枝干植物抗寒性綜合指數(shù)，并對(duì)其抗寒性強(qiáng)弱進(jìn)行排序，結(jié)果如表7 所示。從表7 可以看出，四季玫瑰、粉稈絲棉木和火炬柳的抗寒綜合指數(shù)分別為0.585、0.652、0.627，3 種觀枝干植物抗寒能力強(qiáng)弱為：粉稈絲棉木＞火炬柳＞四季玫瑰。

表7 3 種觀枝干植物抗寒性綜合指數(shù)

3 小結(jié)與討論

植物在遭到低溫冷害時(shí)，細(xì)胞膜最先感受到外界的變化，細(xì)胞膜會(huì)發(fā)生裂痕或者空隙，選擇透過性增加，電解質(zhì)大量外滲。電導(dǎo)率越大，表明植物在低溫下受到的傷害越大，抗寒性越弱［11］。運(yùn)用電導(dǎo)法并結(jié)合Logistic 方程計(jì)算低溫半致死溫度，可以快速鑒定植物的抗寒性［12］。試驗(yàn)結(jié)果表明，3 種植物的相對(duì)電導(dǎo)率隨著溫度的降低呈遞增趨勢(shì)，應(yīng)用Logistic 方程對(duì)相對(duì)電導(dǎo)率建立回歸模型，推斷出四季玫瑰、粉稈絲棉木、火炬柳的半致死溫度分別為-19.8、-28.7、-22.3 ℃，其抗寒性依次為：粉稈絲棉木＞火炬柳＞四季玫瑰。

植物的抗寒性是由多因素聯(lián)合控制的綜合性數(shù)量性狀，為了準(zhǔn)確利用各種指標(biāo)對(duì)植物的抗寒性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，應(yīng)采用科學(xué)系統(tǒng)的分析方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和排序，目前對(duì)植物抗寒性綜合評(píng)價(jià)的最常用的方法是主成分分析法和隸屬函數(shù)法［13］，許桂芳等［14］利用主成分分析法和隸屬函數(shù)分析法，對(duì)4 種珍珠菜屬植物進(jìn)行了抗寒性評(píng)價(jià)和排序。本文通過對(duì)3 種觀枝干植物在不同低溫處理下的各抗寒指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)3 種觀枝干植物在低溫處理下的各項(xiàng)生理指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性，且相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛和含水量與植物抗寒性呈負(fù)相關(guān)；可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)、脯氨酸、SOD 及吸水量與植物抗寒性呈正相關(guān)，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致［15，16］。最后利用主成分分析法和隸屬函數(shù)法得出抗寒性綜合指數(shù)，綜合評(píng)價(jià)出3 種觀枝干植物抗寒能力為：粉稈絲棉木＞火炬柳＞四季玫瑰，與應(yīng)用電導(dǎo)法配合Logistic 方程求出半致死溫度的抗寒性排序一致，表明半致死溫度可以準(zhǔn)確反映植物的抗寒性。將半致死溫度與綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的結(jié)果相結(jié)合進(jìn)行分析，可以判定粉稈絲棉木的抗寒性最強(qiáng)，其次是火炬柳，四季玫瑰的抗寒性最弱，因此粉稈絲棉木和火炬柳可以在中國(guó)華北大部分地區(qū)陸地越冬，四季玫瑰需要在冬天提供一定的防寒措施。