5種蘆竹屬菌草的耐寒性分析

李玖榮, 鄭 煥, 林 輝, 林占熺

(1.福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院；2.福建農(nóng)林大學(xué)菌草科學(xué)與技術(shù)研究院/國家菌草工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002)

蘆竹屬菌草是禾本科蘆竹屬單子葉植物，目前發(fā)現(xiàn)的品種有13個(gè)，分別命名為綠洲1號、綠洲2號、綠洲3號、綠洲4號、綠洲5號、綠洲6號、綠洲7號、綠洲8號、綠洲9號、綠洲10號、綠洲11號、綠洲12號、綠洲13號[1].這些品種可達(dá)5 m，葉子繁多、常綠，分蘗數(shù)多，根系發(fā)達(dá)，在干旱地也可以生長[2].蘆竹屬菌草可以保持水土，治理荒漠化、崩崗，改良鹽堿地，恢復(fù)礦山植被；也可以作為食用菌的栽培料，還可以作為動(dòng)物飼料和板材材料.王旭棟等[3]對綠洲1號、綠洲2號、象草、巨菌草進(jìn)行了干旱脅迫，其保水能力表現(xiàn)為:綠洲1號≈綠洲2號>巨菌草>象草，表明綠洲1號適合在干旱地種植.張安紅等[4]于2018—2019年進(jìn)行菌草綠洲1號種植試驗(yàn)，結(jié)果表明綠洲1號抗逆性強(qiáng)，生長速度快，根系發(fā)達(dá).近年來，蘆竹屬菌草主要用于西北地區(qū)的沙漠化治理.通過低溫脅迫，綠洲植株會(huì)發(fā)生一些生理生化反應(yīng)，體內(nèi)一些酶的活性會(huì)發(fā)生變化，酶活性變化反映出植物的抗逆性.活性氧(reactive oxygen species, ROS)是植物在代謝過程中生成的產(chǎn)物，植物正常生長時(shí)它在植物體內(nèi)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài).一旦植物的外界生長環(huán)境改變，即處于脅迫狀態(tài)時(shí)，ROS的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)就會(huì)被打破，而植物體內(nèi)ROS增多會(huì)損傷植物細(xì)胞膜，破環(huán)植物細(xì)胞的蛋白質(zhì)和DNA[5].植物有一個(gè)抗氧化體系，包含超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、過氧化物酶(peroxidase, POD)、過氧化氫酶(catalase, CAT)等[6].丙二醛(malondialdehyde, MDA)是一種膜脂過氧化產(chǎn)物，在植物細(xì)胞膜受到損傷時(shí)產(chǎn)生，因此它可以作為植物受到低溫脅迫時(shí)抗寒性鑒定的一項(xiàng)指標(biāo)[7].本研究通過低溫脅迫對菌草綠洲13個(gè)品種進(jìn)行初步篩選，旨在為菌草分子育種和抗寒基因篩選的研究提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

綠洲2號、綠洲3號、綠洲5號、綠洲6號、綠洲7號均來自福建農(nóng)林大學(xué)國家菌草工程技術(shù)研究中心菌草種質(zhì)資源圃.用莖段育苗，取長勢一致的幼苗作為試驗(yàn)材料.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 冷脅迫處理 用穴盆育苗，待長到20 cm左右移栽到種植盆內(nèi)，在同一條件下培養(yǎng)1周后進(jìn)行脅迫處理.挑選綠洲5個(gè)品種中長勢一致的健康幼苗各36盆，隨機(jī)選取每個(gè)品種各12盆，分別放在4、28 ℃的人工氣候室內(nèi)培養(yǎng).4 ℃人工氣候箱內(nèi)蘆竹屬菌草幼苗為處理組，28 ℃人工氣候箱內(nèi)蘆竹屬菌草幼苗為對照組.培養(yǎng)24 h后，在不同溫度下各品種分別隨機(jī)挑選3盆，自上而下取3片葉，用液氮速凍后儲(chǔ)存于-80 ℃冰箱.

1.2.2 生理指標(biāo)測定 MDA含量測定：采用硫代巴比妥酸法[8].

SOD活性測定：采用NBT光化還原法[9].

CAT活性測定：采用紫外吸收法[10].

POD活性測定：采用愈創(chuàng)木酚比色法[11].

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 用IBM SPSS Statistics 20.0軟件對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 蘆竹屬菌草冷脅迫后的生理生化指標(biāo)

由表1可知，5個(gè)蘆竹屬菌草品種的POD活性的變異系數(shù)均較大，表明其POD活性變化大，其中變化最大的是綠洲3號，變化最小的是綠洲7號.低溫脅迫后，綠洲2號、綠洲3號的POD活性都比對照組大，綠洲5號、綠洲6號、綠洲7號的POD活性都比對照組小.其中，綠洲3號的POD活性變化最大，說明綠洲3號產(chǎn)生最多的POD來抵抗ROS對植物造成的傷害.蘆竹屬菌草低溫脅迫后CAT活性的變化最小，其變異系數(shù)為19%，而且CAT活性變化率的變異系數(shù)僅為16%.冷脅迫后，各個(gè)品種的CAT活性都比對照組大.SOD活性的變化也較大，其變異系數(shù)與POD活性差不多.低溫處理后，大部分品種的SOD活性都比對照組大，綠洲2號、綠洲7號的SOD活性都比對照組小.MDA含量的變化不大，大部分品種的MDA含量都比對照組低.

表1 蘆竹屬菌草各品種的單項(xiàng)生理指標(biāo)及其變化率1)Table 1 Physiological indices of Arundo JUNCAO varieties and change rates

2.2 蘆竹屬菌草生理生化指標(biāo)的主成分分析

對測得的各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維后，通過Pearson雙尾檢驗(yàn)得到各單項(xiàng)生理指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣(表2).從表2可知，SOD活性、POD活性、MDA含量、CAT活性存在一定的相關(guān)性，MDA含量的變化率與SOD、POD活性呈負(fù)相關(guān)；SOD活性與CAT活性呈顯著正相關(guān).說明這些指標(biāo)雖然在植物體內(nèi)所起的作用不同，但它們提供的抗寒信息有重疊，因此僅對單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)不夠全面[12]，應(yīng)該通過綜合評價(jià)來提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

為了探討各個(gè)指標(biāo)值對結(jié)果評判的準(zhǔn)確性，對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析[13-15].由表3可知，第1個(gè)和第2個(gè)成分的方差貢獻(xiàn)率較高，分別為65.975%、21.449%，因此可選擇這兩個(gè)指標(biāo)對蘆竹屬菌草5個(gè)品種的抗寒性進(jìn)行綜合評價(jià). 從表4可知:在第1個(gè)成分中，SOD活性變化率的系數(shù)最大，故第1個(gè)成分代表SOD活性變化率；在第2個(gè)成分中，POD活性變化率的系數(shù)最大，故第2個(gè)成分代表POD活性的變化率[2].

表2 各項(xiàng)生理指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣1)Table 2 Correlation coefficient matrix of various physiological indices

表3 解釋的總方差Table 3 Total variance explained

表4 主成分分析因子載荷矩陣及線性組合中的系數(shù)1)Table 4 Load matrix of principal components and coefficients of linear combination

F1、F2[11]表示如下：

F1=0.244X1+0.392X2+0.254X3-0.183X4-0.031X5+0.093X6+0.068X7-0.235X8

(1)

F2=-0.029X1-0.232X2-0.023X3+0.382X4+0.263X5-0.304X6+0.168X7-0.011X8

(2)

(3)

(4)

式中：λi表示第i個(gè)主成分的特征根；X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8分別表示P1、RC(P1)、P2、RC(P2)、P3、RC(P3)、P4、RC(P4)8個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，其中P1、P2、P3和 P4分別表示SOD活性(U·g-1)、POD活性(U·g-1)、MDA含量(nmol·g-1)、CAT活性(U·g-1)，RC(P1)、RC(P2)、RC(P3)、RC(P4)分別表示P1、P2、P3和P4的變化率.

根據(jù)式(4)，計(jì)算出的兩個(gè)主成分的權(quán)重分別是0.75和0.25，得到蘆竹屬菌草各個(gè)品種的抗寒性綜合評分模型，即Y=0.75×F1+0.25×F2.通過各主成分的線性組合計(jì)算出兩個(gè)主成分的綜合評價(jià)值，從而對各個(gè)蘆竹屬菌草品種的抗寒性進(jìn)行綜合評價(jià).由表5可知，Y值最大的是綠洲3號(為0.94)，其次是綠洲6號(為0.75).Y值越大，抗寒性越強(qiáng)[4]，由此可知，蘆竹屬菌草各個(gè)品種抗寒性大小表現(xiàn)為：綠洲3號>綠洲6號>綠洲5號>綠洲2號>綠洲7號.

表5 蘆竹屬菌草品種的各主成分組合得分、綜合得分及排序Table 5 Score of combined components, comprehensive score and rank of different Arundo JUNCAO varieties

3 小結(jié)

本研究通過對低溫脅迫下蘆竹屬菌草5個(gè)品種(綠洲2號、綠洲3號、綠洲5號、綠洲6號、綠洲7號)的SOD活性、POD活性、MAD含量、CAT活性進(jìn)行主成分、相關(guān)性、線性組合分析，得出這4個(gè)指標(biāo)是相關(guān)的.由此可知，對植物抗寒性要進(jìn)行綜合評價(jià).通過對多個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的主成分分析，可以將原有的大量指標(biāo)轉(zhuǎn)化為較少且獨(dú)立的綜合指標(biāo)，而綜合指標(biāo)的評價(jià)值反映菌草品種的耐低溫性[16].吳文景等[17]也采用這一方法對不同杉木品種的根系覓磷能力進(jìn)行綜合評價(jià).主成分分析中，SOD、POD活性變化率的測定值很高，有一定的參考價(jià)值，故綜合評價(jià)是基于這兩個(gè)指標(biāo)的.最后通過各主成分的線性組合[18]對5個(gè)品種的抗寒性大小進(jìn)行排序，抗寒性大小表現(xiàn)為：綠洲3號>綠洲6號>綠洲5號>綠洲2號>綠洲7號.由此可知，這5個(gè)品種中抗寒性最好的是綠洲3號.