皂莢枝條對(duì)低溫脅迫的生理響應(yīng)及抗寒性評(píng)價(jià)

陳思，韓麗君，郝向春，周帥,，張峻塵

（1山西省林業(yè)和草原科學(xué)研究院，太原 030012；2山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷 030800）

0 引言

皂莢(GleditsiasinensisLam.)為豆科皂莢屬的落葉喬木，是山西省新興發(fā)展的特色經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種，在醫(yī)藥、食品和日用化工等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，并且是一種耐干旱、耐鹽堿、適應(yīng)能力強(qiáng)的深根性鄉(xiāng)土闊葉樹(shù)種，在園林綠化和生態(tài)防護(hù)等方面具有重要作用[1-3]。目前，皂莢已選育出‘帥丁’、‘帥莢1號(hào)’、‘帥莢2號(hào)’等多個(gè)良種，被廣泛栽培。近年來(lái)，由于全球溫室氣體排放量增加導(dǎo)致極端氣候頻發(fā)，植物經(jīng)常遭遇連續(xù)低溫寒潮天氣，而皂莢對(duì)生境溫度較為敏感，氣溫突變易引發(fā)凍害抽梢、坐果率低、產(chǎn)量下降等問(wèn)題，甚至造成不可逆的傷害，制約了皂莢產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展?？购允橇帜玖挤N選育過(guò)程中一個(gè)重要的性狀指標(biāo)，直接影響其生長(zhǎng)分布及推廣栽培范圍，在選育高經(jīng)濟(jì)附加值的皂莢品種基礎(chǔ)上進(jìn)行植物的抗性生理研究，是良種選育的必然趨勢(shì)。因此，對(duì)皂莢進(jìn)行抗寒性評(píng)價(jià)顯得尤為重要和迫切。

關(guān)于植物抗寒性的研究，普遍認(rèn)為丙二醛(malondialdehyde，MDA)的含量是抗寒生理研究中的一個(gè)重要指標(biāo)，MDA含量隨著溫度的逐漸降低呈現(xiàn)升高或者“降-升-降”的趨勢(shì)[4-6]。陸新華等[7]研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫會(huì)破壞植物細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能，引起MDA的大量積累和外滲。低溫傷害也會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)保護(hù)酶等發(fā)生一系列生理生化反應(yīng)，以抵御氣候條件的變化[8]。吳青霞[9]在試驗(yàn)春季低溫脅迫對(duì)小麥的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，小麥葉片MDA 含量、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性等均有不同程度的升高。眾多學(xué)者以相對(duì)電導(dǎo)率(Relative electrical conductivity，REC)來(lái)反映植物的抗寒能力。史清華等[10]用電導(dǎo)法和原子吸收分光光度法對(duì)5個(gè)楊樹(shù)無(wú)性系抗寒性進(jìn)行了測(cè)定與評(píng)價(jià)，得出-30℃是鑒定楊樹(shù)無(wú)性系抗寒性的關(guān)鍵溫度。于立洋等[11]采用電導(dǎo)法和電阻抗圖譜法對(duì)新疆野蘋果(Malussieversii)進(jìn)行了無(wú)性系抗寒性研究，篩選出了抗寒表現(xiàn)較好的無(wú)性系3 個(gè)無(wú)性系。在受到脅迫時(shí)，植物體內(nèi)色素含量及生理生化狀況會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致植物反射光譜特性發(fā)生變化[12-14]。利用反射光譜儀進(jìn)行光譜分析，可以評(píng)估植物的受脅迫程度及生長(zhǎng)狀況，分析低溫脅迫條件下反射光譜各參數(shù)與溫度變化的相互關(guān)系，探究其響應(yīng)機(jī)制。

目前，皂莢主要依靠嫁接手段進(jìn)行擴(kuò)繁，但在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)皂莢不同無(wú)性系間的抗寒能力存在差異，但其差異產(chǎn)生機(jī)制尚不清晰。本研究以11 個(gè)皂莢無(wú)性系的1 年生枝條為試材，采用連續(xù)測(cè)定與控制試驗(yàn)的方法，評(píng)估不同低溫環(huán)境中皂莢枝條的細(xì)胞膜完整性、保護(hù)酶活性和反射光譜，同時(shí)測(cè)量枝條橫截面結(jié)構(gòu)比例，以比較11個(gè)皂莢無(wú)性系枝條的抗寒能力，并分析不同無(wú)性系間抗寒能力差異的原因，為皂莢抗寒無(wú)性系的評(píng)價(jià)篩選及良種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于山西省臨汾市襄汾縣，屬于溫帶季風(fēng)氣候。年平均氣溫12.6℃，1 月為-4.5℃，7 月為26℃。年降水量約550 mm 左右，主要集中在7、8 月，無(wú)霜期約185 d。試驗(yàn)地的土壤為淡褐土，平均土層厚度1.0 m，pH 7.8。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用砧木為2020 年播種的同一種源皂莢實(shí)生苗，定植于山西省林業(yè)和草原科學(xué)研究院襄汾試驗(yàn)基地，接穗來(lái)自項(xiàng)目組前期收集篩選的11個(gè)皂莢優(yōu)良無(wú)性系，分別為‘帥莢三號(hào)’、‘西賈二號(hào)’、‘羊角皂’、‘LKHD5’、‘牛家峪’、‘LKHD4’、‘河林一號(hào)’、‘302’、‘澗頭村’、‘LKSD’、‘北山底’，無(wú)性系詳細(xì)信息見(jiàn)表1。2022 年3 月，采集各無(wú)性系粗度基本一致、無(wú)病蟲(chóng)害、芽飽滿的1年生枝條制成接穗，于4月進(jìn)行嫁接，每個(gè)無(wú)性系至少嫁接100 株，采用完全隨機(jī)區(qū)組排列。2022年11月，選取11個(gè)無(wú)性系嫁接苗長(zhǎng)勢(shì)良好的1年生枝條，處理成長(zhǎng)約10 cm、粗度相似的短截，用蒸餾水沖洗兩遍，干凈紗布擦干后，石蠟封閉兩端剪口，低溫保濕儲(chǔ)藏帶回實(shí)驗(yàn)室。

表1 皂莢無(wú)性系材料及來(lái)源

1.3 低溫處理

將每個(gè)無(wú)性系的枝條均分成8 組，其中一組置于人工氣候箱，環(huán)境參數(shù)為光照強(qiáng)度0 μmol/(m2·s)，環(huán)境溫度為25°C，空氣濕度為(50±10) %，作為對(duì)照(CK)。其余枝條裝入聚乙烯自封袋內(nèi)，置于低溫冰箱（BCD-225SDPC，青島海爾股份有限公司，中國(guó)）進(jìn)行低溫脅迫，設(shè)置5 ℃、0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃等7 個(gè)低溫梯度。各處理在目標(biāo)溫度處理12 h 后，在對(duì)照環(huán)境下解凍10 min，之后再放置12 h 后測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。處理時(shí)溫度下降速率和解凍時(shí)溫度回升速率均為5 ℃/h。每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)處理10根枝條。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 反射光譜測(cè)定使用反射光譜儀（RP410-UVIS，Photon Systems Instruments，捷克）測(cè)定枝條表皮的反射光譜。光譜測(cè)量范圍380～790 nm。每個(gè)溫度處理下，每個(gè)無(wú)性系測(cè)量9根枝條，每條測(cè)定1次，記為9次重復(fù)。試驗(yàn)采用的反射光譜參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 反射光譜參數(shù)

1.4.2 相對(duì)電導(dǎo)率測(cè)定將低溫處理后的枝條避開(kāi)芽眼剪成2～3 mm 左右的薄片，稱取2.0 g，用冷凍研磨機(jī)（Scientz-48L，寧波新芝生物，中國(guó)）粉碎后倒入30 mL具塞試管內(nèi)，加入20 mL 去離子水。用搖床（WD-9405DN，中國(guó)）震蕩30 min再靜置30 min，然后用電導(dǎo)率儀（DDSJ-308F，中國(guó)）測(cè)定待測(cè)液的電導(dǎo)率E1。試管封口放入沸水中水浴30 min，冷卻至室溫，測(cè)定電導(dǎo)率E2，并測(cè)定去離子水的電導(dǎo)率Lck。

每個(gè)溫度處理下，每個(gè)無(wú)性系測(cè)量3次，記為3次重復(fù)。

1.4.3 MDA、SOD 含量的測(cè)定稱取0.2 g 低溫脅迫處理的一年生枝條，用冷凍研磨機(jī)（Scientz-48L，寧波新芝生物，中國(guó)）粉碎后，使用南京建成生物工程研究所生產(chǎn)的試劑盒進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)溫度處理下，每個(gè)無(wú)性系測(cè)量3次，記為3次重復(fù)。

1.4.4 枝條橫截面測(cè)定在每個(gè)無(wú)性系隨機(jī)選擇5根枝條，切片機(jī)切片，利用顯微鏡（BX43F，Olympus，日本）對(duì)枝條橫截面進(jìn)行拍照，并利用儀器配套軟件測(cè)量枝條橫截面的皮層厚度、韌皮部厚度、木質(zhì)部厚度、髓心半徑。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 22，采用Origin 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合、Heatmap 聚類分析和制圖。在分析前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了正態(tài)性和同質(zhì)性測(cè)試，必要時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，以滿足分析需要。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫對(duì)相對(duì)電導(dǎo)率的影響

皂莢各無(wú)性系室溫和不同低溫處理?xiàng)l件下的平均REC（相對(duì)電導(dǎo)率）見(jiàn)表3。由表3可知，低溫脅迫下各無(wú)性系REC總體均值為0.42，為室溫條件下(0.31) 的1.35倍；在低溫脅迫下，REC最大的無(wú)性系為Z10，其值為0.47，比總體平均值高11.90%，比最小值Z3(0.38)高23.68%；可以看出皂莢各無(wú)性系枝條REC在-15 ℃時(shí)出現(xiàn)第1個(gè)峰值，均值為0.49，在-25℃時(shí)出現(xiàn)第2個(gè)峰值，均值為0.51。在同一溫度不同無(wú)性系間，5℃時(shí)，最大值Z11比最小值Z5高出45.16%(P＜0.05)；0℃時(shí)，最大值Z10比最小值Z2高出21.21%(P＞0.05)；-5℃時(shí)，最大值Z2比最小值Z1高出45.16%(P＜0.05)；-10℃時(shí)，最大值Z6比最小值Z5高出54.55%(P＜0.05)；-15℃時(shí)，最大值Z10比最小值Z2高出46.34%(P＜0.05)；-20℃時(shí)，最大值Z10比最小值Z4高出34.29%(P＜0.05)；-25℃時(shí)，最大值Z10比最小值Z4高出35.71%(P＜0.05)。

表3 皂莢各無(wú)性系枝條在室溫及不同低溫條件下REC均值

經(jīng)過(guò)低溫處理后，植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，胞內(nèi)電解質(zhì)外滲，電導(dǎo)率升高。REC越高，表明細(xì)胞膜的透性越強(qiáng)，受傷害程度越大，抗寒性越低[21-22]。由表3 可知，對(duì)11個(gè)皂莢無(wú)性系進(jìn)行室溫(25℃)和低溫脅迫后，皂莢枝條REC對(duì)低溫的響應(yīng)大體上隨著溫度的降低呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但不同無(wú)性系變化趨勢(shì)有所不同，在一定范圍內(nèi)存在波動(dòng)性，說(shuō)明皂莢不同無(wú)性系枝條對(duì)低溫的應(yīng)答反應(yīng)不同。整體上Z1、Z2、Z3、Z6、Z8、Z9無(wú)性系枝條REC隨著溫度的降低呈逐漸升高的趨勢(shì)，Z4、Z5、Z7、Z10、Z11無(wú)性系枝條REC隨著溫度的降低呈“升-降-升”的趨勢(shì)，尤其在-15℃～-25℃溫度區(qū)間呈現(xiàn)顯著的先下降后升高的趨勢(shì)(P＜0.05)，說(shuō)明隨著溫度的下降，皂莢對(duì)低溫表現(xiàn)出一定的適應(yīng)性，抗寒能力增強(qiáng)，REC出現(xiàn)短暫的下降，隨著溫度的繼續(xù)降低植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，REC升高，抗寒能力減弱。

2.2 主成分分析

為進(jìn)一步比較皂莢各無(wú)性系在不同溫度下的綜合表現(xiàn)，基于相對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行主成分分析。結(jié)果顯示，在提取前4 個(gè)公因子(PC1、PC2、PC3、PC4)后，解釋的累計(jì)方差達(dá)88.11%，可用前4 個(gè)公因子作為評(píng)價(jià)不同皂莢無(wú)性系枝條抗寒性的綜合指標(biāo)。其中PC1公因子涵蓋-20℃、-10℃、25℃，PC2 公因子涵蓋-25℃，PC3 公因子涵蓋-5℃、5℃，PC4公因子涵蓋-15℃、0℃（圖1）。

圖1 旋轉(zhuǎn)后的公因子載荷散點(diǎn)圖

根據(jù)各公因子所對(duì)應(yīng)的特征值計(jì)算出11個(gè)皂莢無(wú)性系枝條REC相應(yīng)的綜合得分，并對(duì)其按照綜合得分進(jìn)行排序（表4）。因REC越低抗寒性越強(qiáng)，Z3綜合得分值最低，故Z3抗寒能力最強(qiáng)，各無(wú)性系抗寒能力排序?yàn)椋篫3＞Z4＞Z11＞Z1＞Z5＞Z8＞Z7＞Z9＞Z2＞Z6＞Z10。

表4 各公因子得分表

2.3 聚類分析

以相對(duì)電導(dǎo)率為基礎(chǔ)對(duì)皂莢各無(wú)性系進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如圖2所示?？蓪⒐┰嚨?1個(gè)皂莢無(wú)性系枝條分為3 大類，其中Ⅰ類包括Z1、Z8、Z3、Z5、Z7無(wú)性系、Ⅱ類包括Z2、Z9、Z4、Z11無(wú)性系、Ⅲ類包括Z6、Z10無(wú)性系；以溫度為基礎(chǔ)可分為A、B、C 三組，其中A 組為-25℃和-15℃、B 組為-20℃和-10℃、C 組為-5℃、0℃、5℃、25℃。根據(jù)聚類分析結(jié)果，每一類中選取一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行抗寒性差異原因分析，無(wú)性系選擇Z3、Z2、Z10，溫度選擇25℃、-10℃、-25℃。

圖2 不同溫度處理下參數(shù)的Heatmap分析圖

2.4 皂莢不同無(wú)性系枝條抗寒性差異分析

2.4.1 枝條結(jié)構(gòu)與抗寒性的關(guān)系由圖3可知，在3個(gè)無(wú)性系中，皮百分比、韌百分比均以Z10為最高，Z2次之，Z3最低，且各無(wú)性系間基本達(dá)到差異顯著；木/韌以Z3為最高，且與Z10差異顯著，但與Z2差異不顯著；木百分比為Z3＞Z2＞Z10，但各無(wú)性系間差異不顯著。由此分析可以初步得出，皂莢枝條抗寒性強(qiáng)弱和皮層厚度、韌皮部厚度以及木質(zhì)部厚度與韌皮部厚度的比值存在一定的相關(guān)性，皮層和韌皮部比率越小，木質(zhì)部/韌皮部比值越大，品種抗寒性越強(qiáng)。這反映了皂莢抗寒性在遺傳上的結(jié)構(gòu)特征。

圖3 不同低溫條件下皂莢無(wú)性系枝條主要參數(shù)對(duì)比

2.4.2 反射光譜參數(shù)與抗寒性的關(guān)系隨著低溫脅迫的加深，皂莢枝條的反射光譜參數(shù)在不同低溫處理下的表現(xiàn)有所差異。從圖3 可以看出，在-10℃、-25℃低溫條件下，Z3無(wú)性系枝條的NDVI、ARI2、SIPI 要高于Z2和Z10(P＜0.05)，而其NPCI、CTR2 要低于Z2和Z10(P＜0.05)，說(shuō)明NDVI、ARI2、SIPI 參數(shù)與皂莢枝條的抗寒性成正比，NPCI、CTR2參數(shù)與皂莢枝條的抗寒性成反比。而CRI2 在-10℃時(shí)排序?yàn)閆2＞Z3＞Z10(P＜0.05)，當(dāng)溫度下降到-25℃時(shí)，Z3枝條CRI2含量升高，Z2和Z10枝條CRI2含量下降，說(shuō)明抗寒性強(qiáng)的無(wú)性系在低溫脅迫時(shí)，會(huì)加速合成類胡蘿卜素來(lái)抵御溫度變化，而抗寒性較弱的無(wú)性系在低溫環(huán)境下CRI2 合成受到阻礙。在25℃條件下，SRPI 排序?yàn)閆3＞Z2＞Z10(P＜0.05)，說(shuō)明色素含量與皂莢枝條抗寒性有一定關(guān)系，室溫條件下，抗寒性強(qiáng)的無(wú)性系枝條色素含量高，隨著溫度不斷下降，不同無(wú)性系SRPI 含量差異不顯著，這可能意味著低溫脅迫影響了枝條色素的合成。

2.4.3 酶活性與抗寒性的關(guān)系MDA、SOD含量均能反映植物抗寒能力的強(qiáng)弱[23-24]。由圖3可知，在25℃常溫條件下，不同皂莢無(wú)性系枝條MDA 含量排序?yàn)閆10＞Z2＞Z3(P＜0.05)；在-10℃低溫條件下，不同皂莢無(wú)性系枝條MDA 含量排序?yàn)閆10＞Z2＞Z3(P＜0.05)；在-25℃低溫條件下為Z10＞Z2＞Z3(P＜0.05)。對(duì)比3個(gè)皂莢無(wú)性系抗寒能力，說(shuō)明低溫條件下，皂莢枝條MDA含量越高，抗寒能力越弱，受脅迫程度越深，且隨著溫度的不斷降低，有害物質(zhì)MDA有不斷積累的趨勢(shì)。

在25℃常溫條件下，不同皂莢無(wú)性系枝條SOD含量排序?yàn)閆3＞Z2＞Z10(P＜0.05)；在-10℃低溫條件下，不同皂莢無(wú)性系枝條SOD 含量排序?yàn)閆3＞Z2＞Z10(P＜0.05)；在-25℃低溫條件下為Z3＞Z2＞Z10(P＜0.05)?？梢钥闯觯购栽綇?qiáng)，皂莢無(wú)性系枝條SOD含量越高，Z3枝條內(nèi)SOD含量隨著溫度的降低呈現(xiàn)不斷升高的趨勢(shì)，而Z2、Z10枝條內(nèi)SOD 含量隨溫度降低呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。

3 討論

3.1 低溫脅迫與相對(duì)電導(dǎo)率(REC)的關(guān)系

細(xì)胞膜系統(tǒng)是植物受到低溫脅迫時(shí)的原發(fā)部位[25]，會(huì)發(fā)生一系列生理生化變化，導(dǎo)致滲透性改變，而REC的變化能反映植物遭受低溫傷害后細(xì)胞膜透性的改變，常作為植物抗寒性強(qiáng)弱的重要測(cè)定指標(biāo)[26]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下，植物REC越高，膜系統(tǒng)穩(wěn)定性越差，抗寒性越弱；反之，REC較小的植物膜系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，抗寒性較強(qiáng)[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，皂莢枝條REC總體呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，部分無(wú)性系枝條REC表現(xiàn)出“升—降—升”的變化趨勢(shì)，這與鄭密等[28]對(duì)長(zhǎng)白落葉松(Larixolgensis)和王洋[29]等對(duì)羊蹄甲(Bauhiniapurpurea)、洋紫荊(Bauhinia variegata)的研究一致。皂莢各無(wú)性系枝條REC在-15℃時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)峰值，均值為0.49，在-25℃時(shí)出現(xiàn)第二個(gè)峰值，均值為0.51。當(dāng)溫度為-20℃時(shí)，部分無(wú)性系如Z4、Z5、Z7、Z10、Z11的枝條REC呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可能是這些無(wú)性系在溫度下降過(guò)程中，對(duì)低溫表現(xiàn)出一定的適應(yīng)性或者防御性，細(xì)胞膜得到一定的修復(fù)，具體生理代謝機(jī)制有待進(jìn)一步研究。本試驗(yàn)中，平均REC最大的無(wú)性系為Z10，抗寒性最弱，平均REC最小的為Z3，抗寒性最強(qiáng)。

3.2 低溫脅迫與枝條結(jié)構(gòu)的關(guān)系

低溫除了影響植物內(nèi)部的生理生化活動(dòng)，還會(huì)對(duì)其自身組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，抗寒性是植物長(zhǎng)期適應(yīng)寒冷環(huán)境而形成的一種遺傳特性，因此，在研究植物抗寒性時(shí)，其組織解剖結(jié)構(gòu)也常作為重要的參考指標(biāo)[30]。有研究發(fā)現(xiàn)，植物的不同器官及不同組織結(jié)構(gòu)，其抗寒性存在很大差異，抗寒性強(qiáng)的品種枝條木栓層厚，細(xì)胞層數(shù)多，木栓化程度高[31-33]；木質(zhì)部占比與品質(zhì)抗寒性成正相關(guān)，皮層占比與抗寒性呈負(fù)相關(guān)[34]。皮層在越冬時(shí)期活細(xì)胞數(shù)較多，休眠期較淺，低溫環(huán)境下細(xì)胞膜系統(tǒng)易破損，對(duì)低溫脅迫較敏感，抗寒性較差[35]。木質(zhì)部細(xì)胞的細(xì)胞壁多數(shù)已木質(zhì)化，在低溫脅迫時(shí)能起到一定的支撐和保護(hù)作用。因此，枝條的組織結(jié)構(gòu)可以作為皂莢無(wú)性系抗寒性研究的評(píng)價(jià)依據(jù)。本研究對(duì)Z2、Z3、Z10無(wú)性系枝條組織結(jié)構(gòu)觀察和測(cè)量發(fā)現(xiàn)，與其他2 個(gè)無(wú)性系相比，Z3枝條的木質(zhì)部厚度與韌皮部厚度的比值較大，皮層和韌皮部所占比例較小，抗寒性相對(duì)較強(qiáng)。在臘梅(Chimonanthuspraecox)[36]、杏(Prunus armeniaca)[37]、花椒(Zanthoxylumbungeanum)[38]等植物的抗寒性研究上都得出過(guò)類似的結(jié)論。對(duì)于低溫條件下皂莢枝條結(jié)構(gòu)是否發(fā)生顯著變化，需在今后進(jìn)一步深入研究。

3.3 低溫脅迫與反射光譜參數(shù)的關(guān)系

不同物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的電磁波的吸收和反射不同，對(duì)于不同波段光譜的響應(yīng)特征產(chǎn)生不同的光譜特性[39]。植物的反射光譜受自身顏色和結(jié)構(gòu)、發(fā)育階段、水熱狀況、脅迫程度等多種因素的影響。因此，通過(guò)光譜分析，可以對(duì)植物的生理、生化變化進(jìn)行分析研究。前人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物在受到低溫脅迫時(shí)，其色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與光譜反射率有顯著的相關(guān)性[40]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同無(wú)性系皂莢枝條的反射光譜參數(shù)在不同低溫處理下的表現(xiàn)有所差異。低溫脅迫下，抗寒性較強(qiáng)的無(wú)性系枝條NDVI、ARI2、SIPI 參數(shù)值較高，NPCI、CTR2參數(shù)值較低，NDVI、ARI2、SIPI參數(shù)與皂莢枝條的抗寒性成正比，NPCI、CTR2參數(shù)與皂莢枝條的抗寒性成反比。隨著溫度的降低，抗寒性較強(qiáng)的無(wú)性系枝條CRI2含量出現(xiàn)升高趨勢(shì)，而抗寒性較弱的無(wú)性系枝條CRI2含量下降，說(shuō)明低溫脅迫促使抗寒性強(qiáng)的無(wú)性系加速合成CRI2來(lái)抵御溫度變化，而抗寒性較弱的無(wú)性系在低溫環(huán)境下CRI2 合成可能受到一定的阻礙，同時(shí)猜測(cè)由于細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞，酶活性的降低，加速了類胡蘿卜素的降解。在25℃條件下，SRPI含量與皂莢無(wú)性系枝條抗寒性強(qiáng)弱成正比，推測(cè)色素含量與皂莢枝條抗寒性有一定關(guān)系，室溫條件下，抗寒性強(qiáng)的無(wú)性系枝條色素含量高，但是隨著脅迫程度的加深，不同無(wú)性系枝條SRPI 含量差異不顯著，可能枝條色素合成受阻。

3.4 低溫脅迫與酶活性的關(guān)系

在逆境條件下，植物細(xì)胞膜脂往往發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng)，丙二醛MDA是膜脂過(guò)氧化的主要產(chǎn)物，其細(xì)胞毒性會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷生物膜，降低膜的流動(dòng)性，最終導(dǎo)致其死亡，因而常用MDA 作為判斷膜系統(tǒng)損傷程度和抗逆性的重要指標(biāo)之一[41-42]。本研究發(fā)現(xiàn)，在低溫脅迫下，抗寒性強(qiáng)的Z3無(wú)性系，其MDA質(zhì)量摩爾濃度低，抗寒性較弱的Z2、Z10，MDA 濃度維持在較高水平；且MAD含量隨溫度的降低有不斷升高的趨勢(shì)，說(shuō)明細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度隨溫度降低而逐漸加深。這與范宗民等[43]對(duì)‘赤霞珠’葡萄(CabernetSauvignon)枝條、歐歡[44]等對(duì)扁桃(AmygdalusCommunis)枝條的抗寒性研究結(jié)果一致。

在逆境脅迫下，植物體細(xì)胞加重膜脂過(guò)氧化作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生超氧化物歧化酶SOD等保護(hù)酶來(lái)清除過(guò)氧化物來(lái)抵御傷害，從而對(duì)機(jī)體起到保護(hù)作用，一般認(rèn)為，SOD 活性與植物抗寒性有一定相關(guān)性[45-46]。本研究中，Z3無(wú)性系枝條SOD活性表現(xiàn)高于Z2、Z10，即抗寒性越強(qiáng)的品種在受到低溫脅迫時(shí)，SOD 活性越高，在張學(xué)財(cái)?shù)萚47]對(duì)劍麻(Agavesisalana)、楊豫等[24]對(duì)葡萄的研究中也發(fā)現(xiàn)相似的規(guī)律。本研究還發(fā)現(xiàn)，Z2、Z10無(wú)性系枝條SOD 活性隨脅迫溫度降低呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，這可能是由于溫度的驟降，細(xì)胞內(nèi)自由基濃度超過(guò)了保護(hù)酶清除作用的閾值，高濃度的過(guò)氧化物破壞了蛋白結(jié)構(gòu)，從而致使SOD活性的喪失[48]。郭祥泉[46]認(rèn)為隨著溫度的降低，SOD 酶活性存在一個(gè)溫度拐點(diǎn)，而本試驗(yàn)Z3枝條SOD活性隨溫度降低而不斷上升，即推測(cè)-25℃還未到達(dá)其低溫承受極限。

本研究采集離體的枝條進(jìn)行低溫處理，該方法也常用于楊樹(shù)[10]、落葉松[28]、蘋果[41]、棗樹(shù)[48]等枝條的抗寒性研究中。同時(shí)，植物越冬過(guò)程中，除了受到低溫脅迫，生理干旱也是影響因素之一，對(duì)于皂莢在越冬過(guò)程中出現(xiàn)的抽梢、凍害等問(wèn)題，有待在今后的試驗(yàn)中結(jié)合環(huán)境、形態(tài)、生理、生化等指標(biāo)進(jìn)一步深入研究。此外，植物的抗寒機(jī)制是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的生理過(guò)程，各皂莢無(wú)性系的抗寒性與田間栽培表現(xiàn)是否一致，有待下一步通過(guò)調(diào)查研究進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本研究利用不同低溫脅迫條件處理11 個(gè)皂莢無(wú)性系枝條，并基于相對(duì)電導(dǎo)率對(duì)其抗寒性進(jìn)行了主成分分析，得出各皂莢無(wú)性系枝條抗寒性強(qiáng)弱依次為：Z3＞Z4＞Z11＞Z1＞Z5＞Z8＞Z7＞Z9＞Z2＞Z6＞Z10，即‘羊角皂’＞‘LKHD5’＞‘北山底’＞‘帥莢三號(hào)’＞‘牛家峪’＞‘302’＞‘河林一號(hào)’＞‘澗頭村’＞‘西賈二號(hào)’＞‘LKHD4’＞‘LKSD’。本研究根據(jù)各無(wú)性系在不同溫度條件下的相對(duì)電導(dǎo)率，運(yùn)用聚類分析法，將各無(wú)性系聚為3類，其中‘帥莢三號(hào)’、‘302’、‘羊角皂’、‘牛家峪’、‘河林一號(hào)’的抗寒性較強(qiáng)，‘西賈二號(hào)’、‘澗頭村’、‘LKHD5’、‘北山底’抗寒性中等，‘LKHD4’、‘LKSD’抗寒性較弱。研究還進(jìn)一步對(duì)抗寒性差異明顯的Z2、Z3、Z10（‘西賈二號(hào)’、‘羊角皂’、‘LKSD’）進(jìn)行分析，得出‘羊角皂’枝條的木質(zhì)部/韌皮部比例較大，皮層和韌皮部所占比例較小，低溫條件下相對(duì)電導(dǎo)率較小，NDVI、ARI2、SIPI、CRI2 參數(shù)較高，MDA 含量低而SOD 酶活性高，所以相較于其他無(wú)性系其抗寒性最強(qiáng)，可以嘗試在山西偏北部地區(qū)推廣種植；另外，可考慮將抗寒性較強(qiáng)的品種作為嫁接砧木或者雜交親本，以期培育出抗性更強(qiáng)的新無(wú)性系。