基于主成分分析法的5种棕榈科苗木抗寒性评价

(重庆大学城市科技学院， 重庆 402167)

棕榈科(Palmae)又称槟榔科，目前已知有202属，2 800余种。棕榈科植物树形独特、树姿优美，是热带、亚热带森林景观的典型植物，它在我国南方城市园林绿化中具有重要作用[1]。棕榈科植物被引种的历史可追溯到100多年前。在国内，棕榈科植物的引种栽培主要始于20世纪50年代，中科院西双版纳热带植物园、华南植物园、厦门园林植物园和厦门华侨亚热带植物引种园等做了大量的引种工作[2]。与此同时，一些学者开展了棕榈科植物的引种驯化研究。温度对植物某些生长发育过程起着决定性作用，低温寒害不仅会限制树种的栽种范围，还会造成树木死亡，这也是园林绿化引种的一个重要障碍。目前，关于棕榈科植物的研究主要集中在形态习性、繁殖栽培、观赏配植等方面[3]，但在抗寒性定量评价方面鲜有报道。为了科学全面地利用各种指标(如丙二醛含量、过氧化物酶活性、游离脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量等)对植物的抗寒性进行综合评价，通过参考相关研究成果[4-12]，本研究利用主成分分析法定量评价了南昌地区5种棕榈科植物的抗寒性，有利于确定各指标对抗寒性的贡献大小，为今后棕榈科植物的引种选育和园林管理等提供参考。

1 研究区概况

南昌市地处江西中部偏北，赣江、抚河下游，鄱阳湖西岸，位于115°27′～116°11′E，28°09′～29°11′N。全境以平原为主，东南平坦，西北丘陵起伏，南北长约112.1 km，东西宽约107.6 km，总面积7 402.36 km2，平原占35.8%，水域占29.8%，岗地、低丘占34.4%。全市平均海拔25 m，城区地势偏低洼，平均海拔22 m。研究区气候湿润温和，属亚热带季风区，雨量充沛，四季分明。年平均气温17～17.7 ℃，极端最高气温40.9 ℃，极端最低气温-15.2 ℃；年降雨量1 600～1 700 mm，年平均相对湿度为78.5%，年日照时间1 723～1 820 h，日照率为40%；年平均风速2.3 m·s-1，年无霜期251～272 d。

2 材料与方法

2.1 试验方法

以南昌市园林应用范围较广、耐寒性相对较强的华盛顿棕(Washingtoniarobusta)、加拿利海枣(Phoenixcanariensis)、布迪椰子(Butiacapitata)、银海枣(Phoenixsylvestris)、美丽针葵(Phoenixroebelenii)等5种棕榈科植物的成年植株作为试验材料。2017年11月采集生长健康、无病虫害的叶片作为样品，采集植株中上部的叶片，采摘后立即装入密封的塑料袋中，快速带回实验室进行处理。把采集的各种样品叶片置于LRH-250 CA型低温培养箱中进行低温处理，试验处理采用0 ℃、-3 ℃、-6 ℃、-9 ℃、-12 ℃等5个温度梯度，并以15 ℃作为对照(ck)，每2个温度之间降温1 h[3]，控制冰箱降到所需的温度后处理12 h，然后将部分材料取出放置于室温下解冻12 h，进行各种生理指标的测定。剩下的材料继续按温度梯度处理，达到所需温度后，继续进行相关指标的测定，每个处理重复3次，各生理指标测定方法参考相关文献[13-15]。

2.2 数据处理

采用Microsoft Excel 2007、SPSS 19.0统计分析软件进行数据处理，主要包括各指标数据的方差分析、多重比较、主成分分析等。

3 结果与分析

3.1 低温胁迫对细胞膜透性的影响

在低温胁迫下，各植物的相对电导率变化趋势相近，均随温度的降低而增大(图1)。根据相对电导率的变化趋势，应用Logistic方程求出各植物的半致死温度值(LT50)。根据求出的拐点温度可知，不同植物的LT50不同，其中布迪椰子的LT50是所有植物中最低的，可达到-10.4 ℃，加拿利海枣、华盛顿棕、银海枣、美丽针葵的LT50分别为-9.5 ℃、-8.8 ℃、-7.5 ℃、-2.3 ℃。LT50的高低反映了植物耐低温能力，据此可以得到各植物的抗寒性强弱为：布迪椰子>加拿利海枣>华盛顿棕>银海枣>美丽针葵。

图1 低温处理对不同植物相对电导率的影响

3.2 低温胁迫对相对含水量的影响

在低温胁迫下，各植物的相对含水量均出现下降的趋势(图2)。0 ℃时华盛顿棕、加拿利海枣、银海枣、布迪椰子、美丽针葵的相对含水量均比ck略低，其含量分别为81.9%、85.7%、81.6%、84.6%、81.2%。-6 ℃时不同植物的相对含水量变化明显，布迪椰子相对含水量较高，而美丽针葵的相对含水量较低。-12 ℃时华盛顿棕、加拿利海枣、银海枣、布迪椰子、美丽针葵的相对含水量均达到最低，分别比ck值下降了11.9%、8.7%、12.7%、7.1%、14.7%，其水分饱和亏值分别为26.2%、21.9%、27.3%、21.6%、31.5%。

图2 低温处理对不同植物相对含水量的影响

3.3 低温胁迫对过氧化物酶(POD)活性的影响

在低温胁迫下，各植物的POD活性变化呈先升高后降低或先升高后降低再升高的趋势(图3)。温度降至0 ℃时，华盛顿棕、加拿利海枣、银海枣、布迪椰子、美丽针葵的POD活性分别为ck的1.28倍、1.27倍、1.37倍、1.21倍、1.82倍；-3～-6 ℃时银海枣POD活性增幅较其它植物大，表明POD清除过氧化物自由基能力逐渐增强。-6 ℃时银海枣、华盛顿棕的POD活性最高，分别为63.17 U·g-1、79.66 U·g-1；-9 ℃时布迪椰子与加拿利海枣POD活性也达到最高，分别为91.50 U·g-1、83.11 U·g-1。不同低温处理对各植物POD活性的影响不同，布迪椰子与加拿利海枣的POD水平高，变化幅度小，其次是华盛顿棕，而银海枣与美丽针葵表现较差。

图3 低温处理对不同植物过氧化物酶活性的影响

3.4 低温胁迫对丙二醛(MDA)含量的影响

如图4所示，当温度降至0 ℃时，与ck比华盛顿棕、加拿利海枣、银海枣、布迪椰子、美丽针葵的MDA含量分别上升了21.4%、33.3%、33.3%、15.4%、26.3%。0～-3 ℃时美丽针葵与银海枣的MDA含量较其它植物增幅大；-6 ℃时美丽针葵的MDA含量达到最大值；-9 ℃时华盛顿棕、布迪椰子的MDA含量均达到最大值，与ck比其含量分别由0.14μmol·g-1、0.13μmol·g-1增长到0.32μmol·g-1、0.24μmol·g-1。-12 ℃时一些植物的MDA含量略有下降，美丽针葵、银海枣的变化幅度较大，布迪椰子表现较为稳定。

图4 低温处理对不同植物丙二醛含量的影响

3.5 低温胁迫对游离脯氨酸(Pro)含量的影响

在低温胁迫下，各植物的Pro含量随温度下降总体呈上升趋势，且波动较大，Pro含量由高到低为：加拿利海枣>银海枣>布迪椰子>华盛顿棕>美丽针葵(图5)。其中，加拿利海枣的Pro含量呈现出―双峰型变化趋势，0 ℃时出现第1次峰值，由于低温胁迫使其体内的Pro含量快速上升，以抵御低温带来的侵害。-9 ℃时出现第2次峰值，这说明低温胁迫下抗寒性强的植物能积累到更多的Pro，增强渗透调控能力，提高细胞原生质胶体的稳定性。银海枣的Pro含量随温度降低呈现上升趋势，降温初期变化缓慢，-3～-6 ℃时银海枣快速上升，比ck增长89.28%。美丽针葵、布迪椰子和华盛顿棕的Pro含量均表现出先升后降的趋势，美丽针葵在-6 ℃时出现了峰值，由ck处理的24.15μg·g-1上升为60.67μg·g-1；布迪椰子、华盛顿棕在-9 ℃时出现了峰值，与ck比，其含量分别由32.78μg·g-1、27.78μg·g-1上升为93.48μg·g-1、65.48μg·g-1。

图5 低温处理对不同植物游离脯氨酸含量的影响

3.6 低温胁迫对可溶性糖(SS)含量的影响

在低温胁迫下，各植物SS含量随温度下降呈现上升趋势(图6)。从ck温度(15 ℃)到0 ℃过程中各植物的SS含量都有所上升，这是因为当植物受到低温胁迫时，其体内SS的积累是对低温环境的一种适应，华盛顿棕、加拿利海枣、银海枣、布迪椰子、美丽针葵的SS含量分别由ck的25.59 mg·g-1、41.07 mg·g-1、49.81 mg·g-1、33.02 mg·g-1、37.89 mg·g-1上升至37.11 mg·g-1、46.33 mg·g-1、61.9 mg·g-1、36.03 mg·g-1、41.77 mg·g-1，上升幅度较大的是银海枣、华盛顿棕。0～-3 ℃过程中各植物的SS含量持续积累，加拿利海枣的增幅较大，比ck增长了56.3%。-6 ℃时不同植物之间的SS含量有了明显的变化，银海枣和布迪椰子上升幅度较大，比ck分别增长了77.8%和113.1%。-6～-9 ℃过程中加拿利海枣的SS含量快速上升，比ck增长了128.7%。-12 ℃时各植物SS含量均达到最大值，华盛顿棕、加拿利海枣、银海枣、布迪椰子、美丽针葵的SS含量分别为70.36 mg·g-1、98.96 mg·g-1、96.83 mg·g-1、81.56 mg·g-1、64.85 mg·g-1，分别比ck增长了174.9%、140.9%、94.4%、147.0%、71.2%。

图6 低温处理对不同植物可溶性糖含量的影响

3.7 低温胁迫对可溶性蛋白(SP)含量的影响

在低温胁迫下，各植物SP含量随温度下降呈上升趋势(图7)。降温初期，SP含量随温度变化表现为2种类型：第1种是呈增长趋势的加拿利海枣、布迪椰子、银海枣，与ck比分别增长了3.9%、10.6%、8.9%；第2种是SP含量略有下降趋势的华盛顿棕、美丽针葵，与ck比分别下降了0.17 mg·g-1、0.49 mg·g-1。0～-3 ℃时各植物的SP含量开始大幅上升，-3 ℃时华盛顿棕、加拿利海枣、银海枣、布迪椰子、美丽针葵的SP含量分别为8.03 mg·g-1、10.39 mg·g-1、8.96 mg·g-1、10.46 mg·g-1、6.76 mg·g-1，分别比ck增加了9.1%、2.2%、14.6%、33.53%、36.55%。-6 ℃时华盛顿棕的SP含量达到最大值，比ck增加了38.86%。-12 ℃时华盛顿棕、加拿利海枣、银海枣、布迪椰子、美丽针葵的SP含量均高于ck处理，分别增加了31.1%、45.4%、53.7%、60.6%和11.9%。从整个降温过程来看，加拿利海枣、布迪椰子、银海枣的SP含量相对较高，一直保持着较高的水平，而美丽针葵的SP含量相对较低且增长幅度较慢。

图7 低温处理对不同植物可溶性蛋白含量的影响

3.8 基于主成分分析法的抗寒性综合评价

选取相对电导率、叶片含水量、POD、MDA、SS、SP、Pro等7个生理指标进行主成分分析，前2个主成分的贡献率分别为63.8%、24.1%，累积贡献率达到87.9%，说明前2个主成分已经把5种植物抗寒性的大部分信息反映出来。其中，第一主成分的特征值为4.317，贡献率为63.8%，绝对值大小为：丙二醛含量(MDA)>相对电导率>过氧化物酶活性(POD)>可溶性蛋白(SP)>相对含水量，第一主成分反映了多个生理抗寒指标与各植物抗寒性的关系。在低温处理过程中，参试植物通过增加渗透调节物质(可溶性蛋白含量)、改善叶片水分状况(相对含水量)，提高保护酶活性(POD活性)来降低细胞膜脂过氧化程度(MDA含量)以及维持细胞膜的稳定性(相对电导率)，从而提高其抗寒性。因此，第一主成分主要反映了细胞质膜透性、保护酶活性以及渗透调节物质与植物抗寒性之间的关系；第二主成分的特征值为1.652，贡献率为24.1%，绝对值大小为：可溶性糖含量(SS)>游离脯氨酸含量(Pro)，第二主成分主要反映了渗透调节物质与植物抗寒性之间的关系，植物主要通过增加SS、Pro等渗透调节物质来提高其抗寒性。综合分析可知，在低温胁迫下5种植物抗寒性的各生理指标贡献率不同，其中丙二醛含量、过氧化物酶活性、相对电导率在两个主成分中贡献较大，这些指标含量的大小与抗寒性强弱关系显著，对5种植物进行综合评价并确定其抗寒性强弱为：布迪椰子>加拿利海枣>华盛顿棕>银海枣>美丽针葵。

4 讨论与结论

已有研究表明，不同品种的棕榈科植物在上海极端低温情况下表现出的冻害程度存在差异，其中棕榈、布迪椰子抵御低温能力最强，华盛顿棕榈次之，加拿利海枣、银海枣抵御低温能力较弱，本研究结果与之基本一致，仅加拿利海枣存在一定的差异性，这可能与两地区的气候条件和土壤水分有关[16]。本试验采用的是离体叶片，并在人工设置降温梯度环境下进行，在试验过程中，供试材料采样部位、样品大小以及低温处理过程中的降温速度、解冻快慢等均会影响到材料受冻程度[17]。因此，室内模拟自然降温方法不能完全反映出自然条件下的真实冻害情况，对于导致抗寒生理生化改变的分子机制、通过转基因技术彻底提高抗寒性的相关研究仍是今后重点研究方向。通过本研究可知：5种植物的生理指标变化趋势具有较强的规律性，相对电导率、丙二醛含量、游离脯氨酸含量、可溶性糖含量呈上升趋势；相对含水量呈下降趋势；过氧化物酶活性、可溶性蛋白含量呈先升高后降低的趋势。细胞质膜透性、保护酶活性和渗透调节物质含量与其抗寒性密切相关。基于主成分分析法得到5种植物的抗寒性强弱为：布迪椰子>加拿利海枣>华盛顿棕>银海枣>美丽针葵。