基于隶属函数法的3个观赏树种抗寒性综合评价

陈同森，古丽江，张东亚，郭靖，卢明艳

(新疆林业科学院，新疆 乌鲁木齐 830000)

西伯利亚花楸()、天山花楸()与欧洲荚蒾()均为阔叶小乔木，抗逆性强，树形美观，是北方地区珍稀观花、观叶、观果树种。其中，西伯利亚花楸与天山花楸均为蔷薇科(Rosaceae)花楸属植物，喜光，半耐阴。西伯利亚花楸主要分布在我国新疆阿尔泰山、俄罗斯西伯利亚及远东地区。天山花楸全世界约有80种，我国约有50种，主要分布在东北、西北、西南等地区，新疆有3个种，主要分布在新疆哈密至伊犁的天山山脉。欧洲荚蒾是忍冬科(Caprifoliaceae)荚蒾属植物，分枝能力强，叶片色相变化丰富，果实挂枝时间长，具有很好的观赏性，分布于欧洲和俄罗斯高加索与远东地区，中国新疆的西北部。这3个树种是北方寒冷地区城市绿化、公园及庭院美化种植的珍贵树种。本研究针对3个观赏树种，研究模拟不同低温条件下其枝条内渗透调节物及保护酶活性的变化特点，分析其与枝条冻害指数之间的关系，为这些树种在高寒地区栽培推广提供理论与实践依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

1.1.1 试验材料 试验材料从定植在新疆吉木萨尔县庆阳湖乡良种基地的天山花楸与欧洲荚蒾及乌鲁木齐县安宁渠乡试验地的西伯利亚花楸苗木上采集。选择已休眠的生长势基本一致的各品种单株5株，在树冠同方向、同部位采取粗度、长度一致，生长健壮、无病虫害的1年生枝条，采集长度20～30 cm，釆摘后立即用湿纱布包裹，标记好品种、日期，装入密封袋中速带回实验室以备实验。

1.1.2 试验设计与方法 将采集的枝条用自来水冲洗干净后用吸水纸吸干水分，分别分成3组装入保鲜袋中，放入低温冰箱进行冷冻处理。达到处理温度后维持24 h。低温处理温度梯度设为-15(对照)、-20、-25、-30、-35和-40 ℃。为避免失水，处理后立即将枝条放入液氮中进行固定后取出放入-30 ℃低温冰箱保存。然后进行各项生理生化指标的测定，每个处理重复3次。

1.2 测定项目及方法

可溶性糖(SS)含量参照蒽酮比色法测定，可溶性蛋白(SP)含量参照考马斯亮蓝G-250染色法，脯氨酸(Pro)含量参照酸性茚三酮染色法，相对电导率(REC)采用电导仪测定法，丙二醛(MDA)含量参照硫代巴比妥酸(TBA)法，SOD、POD、CAT酶活性参照李合生的试验方法进行测定。

1.3 数据处理及分析

用Excel 2003统计软件对试验数据进行整理；差异显著性分析采用SPSS16.0统计软件中的Duncan氏方法完成；采用隶属函数法对3种观赏树种的耐低温特性进行综合评定。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫下观赏树种枝条生理指标的变化

2.1.1 可溶性糖含量的变化 从表1可以看出，随着低温胁迫的持续，3个树种枝条的可溶性糖含量总体上呈先上后下再上升变化趋势。其中，西伯利亚花楸枝条可溶性糖含量-40 ℃时最高，为5.704%，高于对照12%，与对照差异显著(<0.05)；在-25 ℃、-30 ℃2个处理中，其可溶性糖含量比对照提高6%和2%，与对照无显著差异；在-20 ℃和-35 ℃2个处理中其可溶性糖含量比对照降低32%和16%，均与对照差异极显著(<0.01)。天山花楸可溶性糖含量在-20℃处理中最高，为5.985%，提高43%，与对照差异极显著(<0.01)；在-25、-35和-40 ℃3个处理中，其可溶性糖含量分别比对照提高23%、11%和16%，均与对照差异显著(<0.05)；-30 ℃处理中其可溶性糖含量等于对照，与对照差异不显著。欧洲荚蒾枝条可溶性糖含量在-25 ℃处理中最高，为4.601%，比对照提高36%，其余-20、-30和-40℃3个处理的可溶性糖含量比对照分别提高8%、27%和16%，只有-35 ℃处理降至5%，但均与对照无显著差异。西伯利亚花楸、天山花楸和欧洲荚蒾可溶性糖含量均在-40℃处理高于对照。表明，可溶性糖含量的增加，可以加大细胞的原生质浓度，增强细胞液的流动性而起到抗脱水的作用，有利于抗冷性的增加，可以缓解低温对膜系统的伤害。

2.1.2 可溶性蛋白含量的变化 从表1可以看出，随着低温胁迫的持续，3个树种的可溶性蛋白含量总体上呈S形变化趋势。其中，西伯利亚花楸枝条可溶性蛋白含量在-20 ℃处理最高，为8.414 mg·g，比对照提高52%，与对照差异显著(<0.05)；-40 ℃、-35 ℃处理，比对照分别提高29%和12%，均与对照差异极显著(<0.01)；-25 ℃、-30 ℃处理的可溶性蛋白含量比对照分别提高22%和27%，-25 ℃与对照差异显著(<0.05)，-30 ℃与对照无显著差异。天山花楸枝条可溶性蛋白含量在-30 ℃时最高，为7.995 mg·g，比对照提高10%，与对照差异显著(<0.05)；-20、-25和-35 ℃3个处理可溶性蛋白含量比对照分别下降20%、31%和33%，均与对照差异极显著(<0.01)；-40 ℃处理的可溶性蛋白含量虽然低于对照36%，但无显著差异。欧洲荚蒾枝条的可溶性蛋白含量在-20、-25和-30 ℃3个处理中较高，为7.701、5.623和6.378 mg·g，比对照分别提高64%、51%和57%，均与对照差异极显著(<0.01)；-35 ℃、-40 ℃2个处理其可溶性蛋白含量比对照分别提高28%和36%，虽然低于前3个处理，但均与对照差异极显著(<0.01)。西伯利亚花楸和欧洲荚蒾可溶性蛋白在-40 ℃处理高于对照，但天山花楸可溶性蛋白低于对照，表明西伯利亚花楸和欧洲荚蒾体内积累的可溶性蛋白具有吸水性强的特点，有助于提高细胞内的束缚水，降低冰点，减少原生质内结冰而伤害致死的机会。

2.1.3 脯氨酸含量的变化 从表1可以看出，随着低温胁迫的增强，3个树种脯氨酸含量总体上呈先上升后逐渐下降趋势。其中，西伯利亚花楸的脯氨酸含量在-20 ℃处理时最高，为0.024%，比对照提高62.5%，且与对照差异极显著(<0.01)；其余-25 ℃、-40 ℃2个处理与对照差异显著(<0.05)，其中-40 ℃处理脯氨酸含量比对照提高43.75%；-30 ℃和-35 ℃处理与对照无显著差异。天山花楸脯氨酸含量在-20 ℃处理中最高，为0.026%，比对照提高53.85%，-25 ℃处理比对照下降9.09%，但均与对照差异极显著(<0.01)；-30、-35和-40 ℃ 3个处理脯氨酸含量均低于对照，与对照差异显著(<0.05)，其中-40 ℃处理脯氨酸含量出现逐渐上升趋势，比-35 ℃处理高30%。欧洲荚蒾脯氨酸含量在-25 ℃处理时最高，为0.020%，比对照高50%，且差异极显著(<0.01)；在-20 ℃、-40 ℃处理中其脯氨酸含量比对照提高41%和23%，且差异显著(<0.05)；-30 ℃、-35 ℃处理与对照无显著差异。西伯利亚花楸和欧洲荚蒾脯氨酸含量在-40 ℃处理高于对照，表明积累的游离脯氨酸可以降低质膜受冻害的程度，有利于缓解低温对枝条造成的伤害。

2.1.4 丙二醛含量的变 从表1可以看出，低温胁迫持续期间，3个树种MDA含量总体上呈先下降后逐渐上升趋势。其中，西伯利亚花楸MDA含量在-20、-25、-30、-35和-40 ℃5个处理均与对照无显著差异，虽然-40 ℃处理比对照下降61.1%，但比-35 ℃处理提高8.62%。天山花楸MDA含量在-20 ℃处理时最低，为0.004 1 μmol·g，低于对照62.3%，与对照差异极显著(<0.01)；其次为-30 ℃、-35 ℃2个处理，MDA含量低于对照52.8%和37.0%，-30 ℃与对照差异显著(<0.05)，-35 ℃与对照无显著差异；随着低温胁迫的加剧，到-40 ℃处理时MDA含量开始逐渐上升至0.008 9 μmol·g，与对照无显著差异。欧洲荚蒾MDA含量在-20 ℃处理最高，为0.008 μmol·g，与对照差异显著(<0.05)；其余处理中MDA含量均等于或低于对照，且与对照无显著差异。3个树种枝条MDA含量在-40 ℃处理中等于或低于对照，说明，3个树种对低温有一定的抗寒性，这种抗寒性差异可能与3个树种体内保护酶活性有一定的关系。

表1 低温胁迫对3个观赏树种枝条生理指标的影响

2.1.5 相对电导率的变化 从表1可以看出，随着低温胁迫的持续，3个树种相对电导率总体上呈逐渐上升趋势。其中，西伯利亚花楸相对电导率-20、-25、-30、-35和-40 ℃5个处理分别高于对照37.7%、28.3%、43.1%、38.5%和49.3%，均与对照差异极显著(<0.01)。天山花楸相对电导率在-20、-25、-30、-35和-40 ℃5个处理均高于对照，其中，-20、-35和-40 ℃3个处理的相对电导率分别高于38.8%、22.4%和47.4%，且与对照差异极显著(<0.01)；-25 ℃、-30 ℃2个处理相对电导率分别高于对照7.1%和18.9%，-30 ℃处理与对照差异显著(<0.05)，-25 ℃处理与对照无显著差异。欧洲荚蒾的相对电导率在-40 ℃处理达到最高峰，为94.285%，比对照高51.3%，其次为-20 ℃、-25 ℃处理，比对照高32.4%、24.9%，并且均与对照差异极显著(<0.01)；在-30 ℃处理与对照无显著差异，-35 ℃处理相对电导率与对照差异显著(<0.05)。本研究中，欧洲荚蒾枝条电导率在-40 ℃处理最高，说明，相对电导率数值变大，枝条细胞膜透性越差，遭受伤害相应地增大。

2.2 低温胁迫下3个观赏树种枝条酶活性的变化

2.2.1 SOD活性的变化 从表2可得知，随着低温胁迫的持续，3个树种SOD酶活性总体上呈先下降后上升变化趋势。西伯利亚花楸SOD酶活性在-20、-25和-30 ℃3个处理分别比对照下降了35.1%、63.6%和36.9%，且均与对照具有极显著差异(<0.01)；-35 ℃、-40 ℃处理比对照下降9.1%和10.9%，差异不显著。天山花楸SOD酶活性在-25、-30和-35 ℃3个处理分别比对照下降21.2%、46.5%和17.8%，且均与对照差异极显著(<0.01)；-40 ℃处理与对照具有显著差异(<0.05)；-20 ℃处理比对照上升4.8%，且无显著差异。欧洲荚蒾SOD活性在-35 ℃、-40 ℃处理比对照分别上升188.7%、214.5%，且与对照具有极显著差异(<0.01)，其余3个处理中-20 ℃与-30 ℃处理比对照提高105.1%、60.4%，其中-20 ℃、-30 ℃与对照差异显著(<0.05)，-25 ℃处理与对照差异不显著。说明，随着低温胁迫的加剧，到-35 ℃、-40 ℃处理时，3个树种SOD酶逐渐上升并保持较高的活性，酶活性越高清除活性氧的能力就越强，植物抗性也越强。

表2 低温胁迫对3个观赏树种枝条酶活性的影响

2.2.2 POD活性的变化 从表2可得知，随着低温胁迫的持续，3个树种POD酶活性总体上呈S形变化趋势。其中西伯利亚花楸POD活性迅速下降，在-20、-25、-30、-35和-40 ℃5个处理中比对照下降89.7%、53.5%、89.2%、92.2%和60.7%，且均与对照差异极显著(<0.01)；天山花楸POD活性缓慢下降后迅速上升到-40 ℃处理的209.86 μg·g，比对照提高270.9%，与对照差异极显著(<0.01)；其余，-20、-25、-30和-35 ℃4个处理比对照下降12.6%、14.9%、36.6%和10.8%，且与对照无显著差异。欧洲荚蒾POD活性在-25 ℃和-40 ℃处理达到最高峰，比对照提高335.8%、278.1%，且与对照具有差异极显著(<0.01)；-20、-30和-35 ℃3个处理中欧洲荚蒾POD活性比对照上升12.5%、46.4%和111.5%，其中-20 ℃、-30 ℃与对照差异不显著，-35 ℃与对照差异显著(<0.05)。随着低温胁迫的加剧3个树种-40 ℃处理中POD活性分别达到192.23、209.86和102.36 μg·g，比-35 ℃处理的POD活性分别提高5.0、4.2和1.8倍。说明酶活性越高，就越能有效地起作用，植物也就越能抵抗逆境胁迫。

2.2.3 CAT活性的变化 从表2可得知，随着低温胁迫的持续，3个树种CAT酶活性呈先下降再缓慢上升变化趋势。西伯利亚花楸CAT活性在-40 ℃处理比对照提高1.48%，与对照无显著差异；-20、-25、-30和-35 ℃4个处理比对照分别下降95.9%、95.6%、31.1%和5.9%，其中-20、-25和-30 ℃与对照差异极显著(<0.01)，-35 ℃与对照无显著差异。天山花楸CAT活性在-20、-25、-35和-40 ℃4个处理比对照分别下降83.1%、85.5%、57.8%和61.5%，且与对照差异极显著(<0.01)，-30 ℃处理比对照下降2.4%，无显著差异。欧洲荚蒾CAT活性在-20、-25、-30、-35和-40 ℃5个处理比对照分别下降88.3%、87.0%、67.5%、54.6%和90.9%，其中-25 ℃、-40 ℃2个处理与对照无显著差异，其余3个处理差异极显著(<0.01)。西伯利亚花楸CAT活性在-40 ℃处理均高于对照及其余2个树种，说明，CAT降低西伯利亚花楸枝条内活性氧的积累,分解有害过氧化物，使其表现出更强的耐寒性。

2.3 抗寒性综合评价

单一的抗寒性指标难以全面反映植物对抗寒性的综合能力。采用隶属函数的平均值，既可以消除个别指标带来的片面性，又由于平均值是[0,1]区间上的纯数，使各物种抗寒差异性具有可比性， 因此，用多个指标综合评价其抗寒性比单一指标评价较为可靠。平均隶属度越高，抗寒性越高；平均隶属度越低，抗寒性越低。根据综合评判结果(表3)，3个树种的平均隶属度在0.410～0.500，抗寒性排序为西伯利亚花楸>天山花楸>欧洲荚蒾。其中西伯利亚花楸平均隶属值为0.500，为抗寒性较强树种，其次为天山花楸和欧洲荚蒾，平均隶属值分别为0.446和0.410。

表3 3个观赏树种枝条抗寒性的综合评判

3 讨论与结论

植物叶片、枝条和根等器官能清晰地反映低温对植物生长发育的影响，国内外学者在这方面做了大量研究。植物在生长发育的整个过程中往往遭受不同土壤气候因子的胁迫，如干旱、低温、高温、高热及盐碱等胁迫。其中，干旱、低温、盐碱是我国西部地区植物生存环境中遇到的主要逆境因子。当植物处于上述不利环境时，通常会通过代谢反应来阻止、降低或修复逆境造成的损伤，一些渗透调节物质如游离脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量以及MDA含量、抗氧化酶(SOD，POD，CAT)活性等会发生适应性变化。

可溶性糖、可溶性蛋白质及脯氨酸是植物低温胁迫下重要的渗透调剂物质，它能在低温胁迫下提高植物的适应性，以提高植物的抗寒性。本研究中，西伯利亚花楸可溶性糖含量峰值出现在-40 ℃处理，而天山花楸和欧洲荚蒾的峰值出现较早，分别在-20 ℃和-25 ℃处理，说明可溶性糖含量与多数植物的抗寒性呈正相关，峰值出现较晚，抗寒性较强。这与郁万文对银杏抗寒机理研究中随着温度持续降低，淀粉水解加剧，使细胞内可溶性糖(如葡萄糖、蔗糖等)含量增加，提高细胞液的浓度，使冰点降低，减轻细胞的过度脱水的研究结果相一致。在-40 ℃处理中西伯利亚花楸与欧洲荚蒾可溶性蛋白含量分别高于对照11%、27%，这与姚胜蕊等对桃、王淑杰等对葡萄、周碧燕等对香蕉研究中抗寒性强的品种可溶性蛋白质含量高,抗寒锻炼中呈增加趋势,抗寒性强的品种增加幅度大于抗寒性差的品种的研究结果相似。

大量的试验证据表明,林木体内脯氨酸的积累有多种生理意义,一是作为渗透调节物质,用来保持原生质体与环境的渗透平衡，二是稳定生物大分子结构、保持膜结构的完整性。本研究中，西伯利亚花楸和天山花楸枝条脯氨酸含量第1个高值出现在-20 ℃处理，欧洲荚蒾枝条的脯氨酸含量高值出现在-25 ℃处理。持续低温下3个树种第2个高值均出现在-40 ℃处理中，其中脯氨酸含量最高为西伯利亚花楸，为0.016%；其次为欧洲荚蒾和天山花楸分别为0.013%和0.010%。表明西伯利亚花楸和欧洲荚蒾枝条受低温胁迫的危害小于天山花楸，这与郁万文对银杏研究结果相似。

低温胁迫下，膜脂中不饱和脂肪酸发生一系列自由基反应，最终产物为MDA，而MDA 的过度累积，会促进自由基反应，从而加重膜脂损害程度。本研究中，-40 ℃处理的天山花楸枝条的MDA含量较高，为0.089 μmol·g，说明其受低温伤害程度较重；其次为西伯利亚花楸和欧洲荚蒾枝条，为0.005 8 μmol·g、0.004 0 μmol·g，表明欧洲荚蒾抗寒性强于其余2个树种。这与张俊龙对兰州地区5个杏品种抗寒性研究中抗寒性强的品种MDA的含量始终低于抗寒性弱的品种的研究结果相一致。

相对电导率是鉴定植物抗逆性强弱的重要指标，能够反映细胞膜受损程度。本研究中，-40 ℃处理中西伯利亚花楸、天山花楸和欧洲荚蒾枝条相对电导率逐渐升高，导致枝条内生理生化代谢紊乱，电解质外渗。其中西伯利亚花楸枝条相对电导率较低，抗寒性较强。这与徐舒等在相同的胁迫环境下，甘薯薯苗受冷害程度小，相对电导率值就小，甘薯品种耐冷性较强的研究结果相一致。

综上所述，本研究探讨了西伯利亚花楸、天山花楸枝条和欧洲荚蒾等3个树种8个相关生理生化指标在低温胁迫下的变化特征，并采用隶属函数法对其抗低温能力进行了综合评价，较为准确地比较了所选树种抗低温能力的大小。结果表明，3个树种的平均隶属度在0.410～0.500，抗低温排序为西伯利亚花楸>天山花楸>欧洲荚蒾。