电导法配合Logisitic方程比较不同结缕草品系抗寒性的研究

刘 颖,沈益新,顾洪如,丁成龙

(1.南京农业大学 动物科技学院,江苏 南京 210095;2.江苏省农业科学院 畜牧研究所,江苏 南京 210014)

温度是影响植物生长发育的重要环境因子之一,低温可限制草坪草的生长和分布。结缕草属植物(Zoysia)隶属于禾本科(Gramineae)虎耳草亚科(Chloridoideas),是广泛分布于热带、亚热带和暖温带地区的暖季型草坪草种,因具有低维护、耐践踏、抗高温干旱、耐瘠薄、抗病虫害和抗盐碱等优良生物学特性[1-3],被广泛用于建植运动场草坪、开放休闲广场草坪及生态环保功能型草坪,并被我国草学会草坪学术委员会列为我国重点开发的3大草坪草种之一[4]。但结缕草对温度的要求比较高,当气温降到10℃以下时,生长缓慢或停止,地上茎、叶开始变紫发黄,大大降低了观赏价值。在温带地区,结缕草的绿期为220 d,甚至不能安全越冬,极大地限制了结缕草的推广及应用[5]。如何提高抗寒性、缩短枯黄期是结缕草生产上急需解决的问题。结缕草的抗寒性因品种(系)、生育期、器官和组织的不同而存在明显的差异。李亚[6]等分析比较了结缕草属内的抗寒性,发现不同种源在抗寒性上有明显差异。植物的抗寒性是多基因控制的数量性状,因此,采用具有较好抗寒性的亲本进行杂交,将有利于在杂交后代中增加抗寒性的积累,并有可能培育出更抗寒的新品种[7]。试验以采自日本的结缕草品系室兰和表山北及其杂交后代为材料,通过田间物候期的观测结合电导法配合Logisitic方程确定各品系叶片的半致死温度,比较分析其抗寒性的差异,为选育耐寒型结缕草新品系提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验地自然概况

试验地位于江苏省农业科学院草坪试验田,地处长江中下游,N 32°32′、E 118°48′,属亚热带季风温暖湿润气候。年平均气温15.7℃,≥10℃年积温4 800℃,年均降水量1 100 mm,全年无霜期220～240 d,土壤为黄棕壤土,有机质含量1.30%,全N含量0.09%,pH值6.90。

1.2 试验材料

以原产日本北界北海道(N 43°22′)结缕草品系室兰与日本南界九州地区(N 30°22′)表山北为亲本,进行杂交育种,共得到86份杂交后代,统一种植于试验田,小区面积1 m×1 m,小区间距1 m。除进行必要的灌溉和病虫害防治外,不进行其他特殊管理。

2008年以亲本室兰和表山北为对照,测定返青期、均一性、密度、枯黄期等指标对86份杂交后代进行综合评价,从中选出8份性状良好的杂交后代为供试材料进行抗寒性评价。

1.3 观测指标

返青期返青植株占总植株50%的时间;枯萎期枯黄植株占总植株50%的时间青绿期返青至枯黄持续的天数;越冬率越冬后与越冬前草坪覆盖度的百分比表示。

1.4 低温处理及电导率测定

试验于2009年5月进行。采样参照朱根海等[8]的方法,取健康植株的当年新生叶片,采摘后立即用潮湿纱布包裹,装入密封的塑料袋,带回实验室。用自来水、去离子水各冲洗3次,吸干表面水分。将各品系的叶片分成9份,放入大试管中,置于Poly Science 9610低温循环仪进行模拟低温处理。以1℃/h的速度降温于-5、-6、-7、-8、-9、-10、-11、-12、-13 ℃共9个温度梯度,到达设定的温度时停留1.5 h,然后再继续降温。将低温处理后的样品取出,剪成约0.5 cm长小段,充分混匀后准确称取0.2 g,3次重复,放入洁净的刻度试管中,加20 mL去离子水,室温下放在恒温振荡器上震荡24 h后,用DOS-307型电导仪测其冰冻电导率,然后置沸水浴中10 min,冷却至室温后测其煮沸电导率。按下列公式计算其相对电导率:

相对电导率(%)=(冷冻电导率/煮沸电导率)×100。

1.5 数据处理

朱根海等[8]研究报道,低温胁迫下细胞相对电导率与温度之间的关系呈现S型曲线,与Logistic方程Y=K/(1+ae-bx)具有较好的拟合度。求该 Logistic方程的二阶导数,并令其等于零,即可获得曲线的拐点,X=ln(1/a)/b,即为半致死温度(LT50)。在此点,低温电解质的递增效应很大。利用莫惠栋[9]的方程回归统计法对温度和相对电导率进行 Logistic回归分析,计算LT50并进行拟合度检验,根据莫惠栋的报道,如果Y为累计频率,则常数K为100%。

2 结果与分析

2.1 田间物候期及越冬率观测

越冬率可反映植株在同一田间条件下抗寒能力的强弱,绿期是草坪坪用价值的重要指标。由表1可知,Z93越冬率最高,为72.6%,绿期也最长,达257 d;Z46最差,越冬率为46.6%,绿期只有223 d。

2.2 低温下结缕草各品系相对电导率动态变化规律

低温处理条件下各品系相对电导率的变化表明,供试的10个结缕草品系的相对电导率随温度下降而上升,且均呈明显的S型曲线。以亲本室兰、表山北为例(图1),温度开始下降时,相对电导率缓慢上升;在-7～-9℃,随着温度的下降,相对电导率有一急剧升高的过程,是膜透性遭受伤害的敏感区域,当降到一定温度时,相对电导率又表现为上升缓慢且趋于平稳,随着处理温度的持续降低,叶片的原生质膜透性增大,相对电导率升高,直至接近100%,质膜被完全破坏。

表1 结缕草各品系田间物候期观测Table 1 Observation of phenophase of different lines of Zoysia in field

图1 结缕草叶片相对电导率与温度变化的关系Fig.1 Relationship between temperature change and relative electolyte leakage of Zoysia

2.3 半致死温度比较

根据各品系在不同低温处理下的相对电导率所求得的Logistic方程、LT50及拟合度列于表2,材料次序以半致死温度升序排列。各品系Logistic方程的拟合度均达到显著(P＜0.05)或极显著水平(P＜0.01)。

供试材料LT50的变化为-6.68～-9.72℃,其中抗寒性最差的为Z46(-6.68℃),抗寒性最强的为Z93(-9.72℃),与李亚等[6]结缕草抗寒试验结果LT50的变化为-2.72～-9.72℃相比,本试验各结缕草品系的叶片抗寒性均较强。

表2 结缕草Logistic方程及LT50Table 2 The Logistic equation and LT50of Zoysia

与双亲相比,杂交后代Z93、Z9、Z138和 Z144的LT50均低于亲本,表明叶片的抗寒性较强,其中,以Z93最强,半致死温度较室兰低1.16℃,较表山北低1.80 ℃,其次为Z9、Z138和Z144;Z33和Z56的 LT50介于双亲之间,比室兰的LT50高、比表山北的 LT50低,抗寒性介于室兰和表山北;Z82和Z46的LT50高于双亲,Z82比表山北、室兰分别高0.95℃和1.59℃,Z46则分别比亲本高1.24℃和1.88℃,所以抗寒性低于室兰、表山北,且Z82的叶片抗寒性略高于最不抗寒的Z46。从半致死温度来看,不同结缕草材料的抗寒性强弱顺序为Z93＞Z9＞Z138＞=Z144＞室兰＞Z33＞Z56＞表山北＞Z82＞Z46。

3 讨论

(1)细胞膜是生物体与环境之间的界面结构,对维持生物体正常的生理生化过程有重要的作用。细胞膜是细胞感受环境胁迫最敏感的部位[10],也是低温伤害的原初部位[11]。Lyons[12],认为冷敏感植物在遭受低温胁迫时,生物膜首先发生物相改变,由液晶相变为凝胶相,生物膜的透性发生不同程度的增大,细胞内的电解质外渗,引起导电性的变化,根据细胞导电性的差异,确定膜透性大小,从而推测膜的受伤程度和对寒冷的抗性强弱。植物细胞电解质的外渗程度可用相对电导率来表示,其大小可反映植物细胞膜系统的低温伤害程度。电解质外渗法(电导法)就是依据此原理检测植物抗寒性[13],以相对电导率拟合Logistic方程求得的LT50可反映植物在低温下保持膜系统稳定性和完整性的能力,比较植物抗寒能力的差异。

(2)由于遗传背景的不同,结缕草属植物的抗寒性存在明显的种及品种间差异,且结缕草属植物种间、品系间互交可育,使得选育抗寒性强的优良草坪品种(系)有了相应的遗传基础[6]。试验结果表明,10个结缕草品系的相对电导率随着温度的变化而呈明显的S型曲线。从S型曲线可以看出,在-11～-13℃叶片相对电导率达到最大值。抗寒性试验结果表明,据叶片相对电导率模拟Logistic方程所求得的LT50变化为-6.68～-9.72℃,说明供试的10个结缕草品系的叶片抗寒性均较强。10个结缕草品系叶片的半致死温度由低到高,即叶片的抗寒性由强到弱顺序依次为:Z93＞Z9＞Z138＞=Z144＞室兰＞Z33＞Z56＞表山北＞Z82＞Z46,与田间物候期和越冬率的观测结果一致。

(3)本试验只进行了一个时期的叶片电导率测定,而没有考虑不同季节及低温锻炼对结缕草各品系半致死温度的影响,因此,所得到的叶片LT50只是判别抗寒性差别的依据之一,要准确判断各品系的抗寒性,还需结合相关抗寒生理指标的测定。

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