果树抗寒性研究进展

倪志华　陈团显　朱　博等

我国果树种质资源丰富,栽培面积广阔,周期性的低温冻害给果树的生产带来了严重的损失。国内外许多学者已在果树抗寒机理、抗寒生理、抗寒性鉴定及抗寒资源评价等领域做了大量研究工作并取得了良好的进展。笔者综述了果树冻害特征、抗寒研究内容、抗寒性评价方法,并展望果树抗寒性今后的研究方向。

1果树冻害症状

1.1 枝条冻害

枝条褐变是果树常见的冻害症状。枝条中各组织的抗寒性有差异,不同年龄枝条对低温的忍受程度也不一致。吕仕洪[1]等研究认为,未成熟的枝条和嫩梢受害后很快萎蔫,而老熟的枝条则由绿色逐渐变成浅黄褐色至紫色或黑色,受害愈重颜色愈深;表皮较易剥离,木质部及髓心由浅黄色至浅褐色。宋洪伟[2]鉴定苹果种质资源抗寒性观察到,不同低温冻害当年生枝条的组织抗寒力有差异。髓及髓射线最先发生冻害,依次为原生木质部、后生木质部、皮层、形成层。

1.2 根系冻害

果树根系生长在地下,冻害不易察觉,然而根系冻害对地上部的影响非常明显。根系受冻,外表表现为皮部变褐,皮部与木质部分离,甚至完全脱落。栽培品种根系抗寒力较弱,因而果树常嫁接繁殖,因为砧木的抗寒力比栽培品种强。

1.3 花芽冻害

花芽冻害,有时全部花芽枯萎,有时局部枯萎,呈畸形花;有时柱头变褐,失去授粉能力。赵习平[3]研究杏树发现,萌动的芽遭受霜冻后,外观变褐色或黑色、鳞片松散、不萌发,随后干枯脱落;花蕾期和花期遇霜冻,由于雌蕊不耐寒,轻霜即可冻坏雌蕊,而花朵照常开放,稍重时可冻坏雄蕊,严重时花瓣变色脱落。郭长城(1983)调查梨树花芽冻害指出,低温过后,化冻时期,遇到回寒,花轴维管束受冻变褐,阻碍了水分、养分的输导,使花器官枯萎;有时花轴的髓部受冻变褐,只要花轴维管束未受冻,花芽还可以恢复生长、开花。

2果树抗寒性研究的主要测定指标

2.1 形态特征

抗寒性不同的树种,其形态特征上有一定的差异。郭守华[4]等研究指出,与“早凤王”和其它品种相比,“丽红”桃越冬枝条的表面具有一层明显的蜡质薄膜,对于保存体内水分具有重要作用,这无疑是休眠期抗寒性较强的结构基础。

2.2 组织结构特征

很多研究发现,叶片组织紧密度(CTR值)与其种类的抗寒性密切相关;疏松海绵组织的百分比与抗寒性呈负相关。彭伟秀[5,6]等研究认为,杏品种抗寒性与叶片组织紧密度成正相关,与疏松海绵组织厚度的指数(SR值)成负相关;木质部所占比例越大,皮层所占比例越小,品种的抗寒性越强,反之则品种的抗寒性越弱,因此,可以把木质部和皮层在茎的结构中所占比率作为杏树抗寒性的一个组织结构指标。吴国良[7]等认为在核桃实生选种中,对实生幼树测定其叶片细胞结构紧密度值或测其叶细胞膜透性值(CMP),均可直观地反映出树体抗寒性强弱。王丽雪[8]等(1994)以显微化学观察表明,抗寒强的葡萄种类(如山葡萄、贝达) 其枝条木栓层厚,细胞层数多,木栓化程度高。应用切片技术和电镜技术对葡萄根系的组织结构观察表明, 抗寒种类、品种组织比较紧密、导管小而密度低;射线发达,木质部比例高。吴林[9]等根据对越橘叶片解剖结构的观察及参数测定结果和田间观察结果,初步推断越橘的栅栏组织/ 海绵组织厚度之比越大、疏松海绵组织厚度与叶片厚度的比值越小的品种抗寒性越强。

2.3 生理生化指标

2.3.1束缚水和自由水与抗寒性关系。自由水和束缚水在植物体内含量的比例,经常随外界条件的变化而发生改变。纪忠雄(1983)在柑桔抗寒性的生理生化指标研究中指出,在整个越冬期间根据不同品种束缚水的含量随着温度的升降而发生变化,但抗寒性强的品种变化不大,变异系数小,为1.92%,表现出相对稳定;抗寒性弱的品种变化幅度大,变异系数大,为8.38%,且变化规律不明显,然而在整个越冬期间无论温度高低,束缚水/自由水的比例与抗寒性强弱有明显的关系,比例大的抗寒性强。束缚水是细胞内亲水性大分子物质强烈结合的水,它保证原生质胶体的稳定性具有重要作用。因此通过对植物组织自由水和束缚水的测定,可以间接地了解植物对低温的适应能力。

无论是枝条还是休眠芽,“早凤王”的总含水量均稍高于“丽红” ;但从束缚水含量来看,“丽红”硬枝条为81% ,休眠芽为97.2%;“早凤王”硬枝条为73.6% ,休眠芽为84.1%;“丽红”均明显高于“早凤王”。尤其是休眠芽的束缚水含量,“丽红”比“早凤王”高出13.1% , 这无疑使其在抗低温能力上获得了极大优势[4]。黄永红[10]等对红丰、骆驼黄及凯特杏3个品种树体中上部的1年生枝条内的自由水与束缚水比值进行研究,结果表明:不同品种的束缚水与自由水比值差异较大,该比值的大小是衡量植物抗性的重要指标,束缚水与自由水比值大的表明束缚水含量较多,其抗性较强。

2.3.2电解质渗出率与抗寒性研究。当果树受到低温影响时,细胞的质膜透性会变大,引起电解质的外渗。李勃[11](2006年)等表明供试的樱桃砧木枝条电解质渗出率随着温度的降低总体呈上升趋势, 其中Gisela5、Gisela6 和山樱桃的电解质渗出率变化明显呈S形曲线。温度开始下降时电解质渗出率缓慢增大, 随着温度的继续下降, 电解质渗出率增加很快, 到-35℃以后, 电解质渗出率上升又趋于平缓。王勇[12]等对核桃抗寒性差异比较时认为,可以-25℃处理时的枝条电解质渗出率作为参考;不同核桃品种枝条电解质渗出率随处理温度降低而增加,但增加幅度在不同处理温度下品种间有一定差异;品种间和处理温度间均存在极显著差异,不同树龄间存在显著差异,但没有达到极显著水平。王文举[13]等应用电导法分析7个鲜食葡萄品种在不同低温条件下的电导率变化,结果表明,低温处理下,鲜食葡萄组织电解质渗出率增加呈S形曲线增长,在-25~-15℃之间随着温度的下降,葡萄组织电解质渗出率有一急剧升高的敏感区域;葡萄低温半致死温度(LT50)在-19.72~- 13.9℃之间;京秀、矢富罗莎抗冻性最强,美人指抗冻性最弱。

郝丽娟[14]在对不同杏品种的抗寒性研究时指出,相对电导率越大,受损程度越大,即表明该品种的抵抗外界伤害的能力越弱,因此也就越容易受到寒害的影响;相对电导率越小,表明杏的抗寒能力越强。杏幼果经不同低温处理后,其电解质渗出率随处理温度的降低呈上升趋势,利用电解质渗出率配合Logistic方程确定了供试杏幼果的低温半致死温度(LT50),LT50越低抗寒性越强[15]。曲柏宏[16]等研究认为,苹果一年生枝条在低温处理梯度范围内,电解质渗出率与伤害率和温度均呈显著的负相关,相关系数(r)> 0.90。电解质渗出率与伤害率越大,说明细胞膜在受到低温损害后的电解质外渗越多,果树受到低温伤害就越严重。

2.3.3保护酶系统的活性与抗寒性关系。植物体内存在着活性氧和自由基的清除剂保护酶系统,如过氧化物酶( POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)等,能消除这种毒害,维持细胞膜稳定。POD是植物细胞的保护性酶,在维持膜系统稳定性方面有持久的作用。SOD作为清除超氧物阴离子自由基(O2-) 的重要酶类,其活性的大小可以反映细胞对逆境的适应能力。

对葡萄不同种类品种,不同季节及人工锻炼后过氧化物酶(POD)活性及同功酶谱研究表明,在抗寒锻炼过程中,随着秋季温度的降低,POD活性逐渐提高[17]。同时发现POD同功酶具有典型的多态性,深冬时抗寒品种比不抗寒品种多1~2条同功酶带[18]。对9种抗寒力不同的葡萄研究表明,超氧化物歧化酶(SOD) 普遍存在于葡萄中,在生长季节各种类品种间SOD同功酶谱带基本相同,随着秋季气温降低和日照时数缩短,酶活性增强,抗寒种类品种谱带数增加较多[19]。

郭守华[4]等,对经过低温处理的桃花剥取雌蕊, 测定“丽红”与“早凤王”桃花雌蕊SOD、POD活性,结果表明: 两品种低温下的SOD、POD活性均明显高于室温,随着低温胁迫时间的延长,SOD、 POD活性均开始下降,且“丽红”SOD、POD活性经低温处理后均高于“早凤王”。

2.3.4可溶性蛋白和游离脯氨酸与抗寒性关系。研究发现低温胁迫会引起植物细胞中可溶性蛋白质含量发生变化, 并有特异蛋白的产生,且与植物的抗寒性密切相关[20]。抗寒性强的杏品种可溶性蛋白含量从12月到1月急剧增加,增加趋势非常明显。在北方最寒冷的1月份,抗寒性强的杏树品种可溶性蛋白含量明显优于抗寒性弱,且抗寒性强的品种蛋白含量始终高于抗寒性弱的品种[21]。黄永红等对红丰、骆驼黄及凯特杏3个品种树体中上部的1年生枝条内的可溶性蛋白质进行研究,结果表明:杏品种的可溶性蛋白含量在-35℃以前变化趋势比较平缓,-35℃以下蛋白含量开始急剧增加,其中抗寒性强的红丰杏的可溶性蛋白质含量增加趋势非常明显。并且抗寒性强的品种的蛋白含量始终高于其它品种[10]。对葡萄枝条的研究表明,当秋季温度降低时,开始形成蛋白质,越冬期间蛋白质进一步增多,严冬时达到最大值,早春含量开始下降;同时,抗寒种类蛋白质形成早,各期含量均高于不抗寒种类,早春蛋白质降解迟且幅度小[17]。

植物体内游离脯氨酸作为细胞质的渗透调节物,在低温逆境下平衡细胞的代谢,保持细胞内环境的相对稳定,降低质膜受冻害的程度。对梨和葡萄的研究表明,低温胁迫会引起组织中脯氨酸含量的改变,但脯氨酸与两种果树抗寒性相关性较小。不同梨品种间脯氨酸含量差异性较小,大香水、秋子梨枝条中脯氨酸含量较高,分别为74.50μg·g-1和54.75μg·g-1;南果梨、早酥梨、小香水的含量居中;谢花甜、苹果梨的含量较低,仅为34.12 μg·g-1 和31.78μg·g-1。表明游离脯氨酸作为渗透调节剂和冰冻保护剂,与不同梨品种的抗寒性的关系不密切[22]。结果表明, 葡萄叶片,枝条组织中游离脯氨酸含量随秋季低温降临而升高。但不同种类游离脯氨酸含量及其变化与不同种类的抗寒性强弱关系较小,而与其抗寒锻炼过程相关[23]。李勃[24]在对樱桃砧木抗寒性研究发现,不同砧木枝条脯氨酸的累积与樱桃砧木的抗寒性无相关关系。游离脯氨酸作为衡量果树抗寒性指标可信度并不高。

3 果树抗寒性评价方法

3.1单因子评价方法

电导率法 植物在低温胁迫下,细胞膜透性增大,胞内电解质外渗量相应增加,且不同植物细胞受伤害程度不同,电解质外渗量变化也不同。曲柏宏[16]、王勇[12]、王文举[13] 都用电解质渗出率作指标可较好地反映出苹果、核桃、葡萄的抗寒性。

酶活力变化:低温使膜上的酶系统受到破坏,酶活性下降。利用酶的活力作为植物抗寒性鉴定指标能推测到植物在低温下代谢功能的变化情况。石雪晖等研究柑桔发现抗寒性强的兴津同工酶谱带数目及同工酶活性具有明显优势且多一条特征酶带。李连国[18]发现POD同功酶具有典型的多态性,深冬时抗寒品种比不抗寒品种多1~2条同功酶带。

恢复生长法:通过恢复生长法对不同葡萄砧木品种的生根率和成苗率进行统计,表明葡萄砧木抗寒性间有差异[25]。

冻害指数法依据组织的褐变程度,人为的将冻害程度进行分级,但不同的树种、不同的研究者分类的标准上并不统一。除了用冻害级别表示外,还可根据调查总株数、各冻害级别的株数及其级数求出冻害指数,冻害指数越高冻害越重。 吕仕洪[26]等根据油梨的冻害指数鉴定其抗寒性差异,计算公式为:

冻害指数=冻害指数(%)= ∑(冻害级株数×冻害级值)/(调查总株数×冻害最高级值)× 100;

冻株率(%)=受冻株数/ 调查株数×100

3.2 综合因子评定法

模糊数学隶属函数法张文娥[27]等应用不同指标的平均隶属度对葡萄抗寒性进行综合评价, 获得葡萄不同株系抗寒性差异。

主成分分析法:张军科[28]等根据公式∑λi?滋j(K:主成分贡献率, 杏品种主成分值, j:1～6), 可求出36个杏品种的抗寒性大小及抗寒力顺序。

模糊聚类法:万琳琛[29]等采用Hierarchical聚类分析法对体细胞杂种无性系猕猴桃的可溶性蛋白质水平、超氧物歧化酶和过氧化物酶活性的平均值进行了聚类分析,获得有差异的猕猴桃无性系抗寒性类群。

4 果树抗寒性研究展望

自1980年以来,我国对果树抗寒性的研究比较多,积累了不少经验和方法,为进一步研究果树抗寒性创造了有利条件。今后的果树抗寒性研究工作应当注意以下几个方面:

①加强对果树抗寒性鉴定指标的筛选,科学合理评价果树的抗寒性。

②研究植株体内的核酸、蛋白质等大分子物质和代谢生理变化与果树抗寒性关系。

③应用基因工程来改造果树的抗寒能力,获得转基因植株,是今后果树抗寒性研究的目标。

④加快选育适合我国地方气候特点的抗寒果树矮化砧木的进程。

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