月季抗寒性研究进展

张晓波

(辽宁省经济作物研究所,辽宁 辽阳 111000)

月季(Rosachinensis)属蔷薇科蔷薇属植物[1],因花型优美、花色绚丽、花香浓郁、花期悠长等优点,深受人们喜爱,在全世界享有盛名,是我国十大传统名花之一,也是日常生活中的重要花卉之一[2]。月季用途广泛,是城市园林建设中优良的绿化素材,盆景栽培、科学研究中重要的植物材料,在商业生产中也是价值较高的经济作物,我国各地均有种植[3]。月季生长适温为16～25 ℃,气温低于 5 ℃ 时会进入休眠,气温低于-15 ℃时则会发生冻害[4]。但我国幅员辽阔,南北方气候差异巨大,北方地区的寒冷气候严重制约了月季的推广范围及应用效果。低温是作物生长过程中重要的非生物胁迫因子,低温环境下,月季植株的光合作用、细胞膜流动性及基础代谢被降低,枝条及芽的生长受到抑制,造成新梢、叶片的冻害,甚至整株死亡[5]。为解决低温胁迫对月季生产的影响,学者们在形态观察、生理生化分析、品种筛选与鉴定评价以及抗寒基因的挖掘等各个层面,对月季耐寒性进行大量研究。本文对近年来国内外月季抗寒性研究结论进行了梳理与总结,以期为今后月季抗寒机制的深入研究以及抗寒品种的选育与鉴定提供参考。

1 月季抗寒种质资源

早期月季育种专家对月季品种的培育目标多集中在株型、花色、花形等观赏性状方面。直至上世纪30年代月季被分为温室月季和露地月季,育种学家开始针对于环境需求选育月季新品种,抗寒月季品种资源相继问世。1977年美国爱荷华州立大学的Griffith J. Buck培育出了能耐-38 ℃低温的聚花月季品种‘Carefree Beauty Rose’。加拿大育出抗寒性很强的聚花月季新品种‘Mor-den Amorettie’和‘Morden Cardinette’[6]。1992年法国育种家培育出即可做大灌木也可作为矮藤本培养的耐寒月季品种Papi Delbard。同年英国的David Austin培育出的,为纪念英国女王登基40周年而命名月季品种‘Golden Celebration’也表现出优异的抗寒特性。20世纪80年代末,我国学者黄善武等利用弯刺蔷薇为父本,与多个现代月季品种进行远缘杂交,先后选育出了‘天山之星’、‘天山白雪’、‘天山祥云’等一系列抗寒月季品种[6,7]。由哈尔滨师范大学刘鸣远教授利用自加拿大引进的耐寒月季品种,培育出的‘哈锦1号’能耐-31 ℃的极低温[8]。郭润华等采用常规杂交方法,以新疆本地的野生疏花蔷薇和国内外优异月季品种为亲本,选育出了抗寒性强、观赏价值高的月季品种‘94-4’和‘94-8’[9]。新疆石河子园林科研所利用弯刺蔷薇、宽刺蔷薇与现代月季进行杂交,选育出的月季品系表现出极强抗寒性,可在-32 ℃低温下安全地露地越冬[10,11]。

除了通过杂交手段获得了诸多抗寒性月季品种外,学者们根据田间表现及生理指标检测结果在现有月季资源中鉴定评价出了一批抗寒能力强的品种。如:刘峰等在最低温度为-10 ℃条件下对14 种切花月季抗寒性比较与评价,筛选出了抗寒性较强的切花月季品种‘影星’,以及其他10个抗寒性中等的切花品种[12]。李松等通过5 ～-10 ℃ 短暂低温胁迫下抗寒生理指标的变化,鉴定出了150 d季品种抗寒性的强弱依次为:‘卡罗拉’﹥‘法国红’﹥‘影星’﹥‘坦尼克’﹥‘黑魔术’[13]。 朱晓非等以6个微型月季品种带叶枝条为实验材料,比较筛选出了在上海乃至长三角地区抗寒性表现较强微型月季品种‘白珂斯特’[14]。通过研究低温胁迫对地被月季生理特性以及抗氧化酶活性的影响,刘璐等评价出了3个品种地被月季的耐寒性依次为‘巴西诺’>‘紫微星’>‘白米农’[15]。车代弟等通过含水量、电导率和可溶性蛋白含量的变化,在16个丰花月季品种中筛选出了7个抗寒性较强的月季品种[16]。张涛等在-10～-30 ℃的不同温度的冷冻处理下,测定月季枝条电解质渗出率、组织活力、枝条失水率、枝条存活率等,鉴定出 5 种藤本月季抗寒性为:‘红梅朗’﹥‘多特蒙德’﹥‘鸡尾酒’﹥‘瓦特大叔’﹥‘金秀娃’[17]。庄得凤等在自然越冬和半露地越冬条件下进行月季资源耐寒性调查,分别筛选出 20 个适合在辽阳市绿化观赏应用的耐寒月季品种和44个发枝力强,长势强健,可以尝试应用到北方城市园林绿化中的耐寒月季品种[18,19]。

2 月季抗寒生理机制研究

2.1 低温胁迫与生物膜系统

植物细胞的基本结构是一个生物膜体系,许多生命活动和生理功能都是在生物膜上进行或与之密切相关。低温胁迫使膜脂由液晶态变成凝胶态,原生质流动停止,通透性增大,膜内的可溶性物质、电解质大量向膜外渗透,破坏了细胞内外的离子平衡,导致植物细胞严重脱水而受到伤害[20～23],因此质膜透性直接反映植物膜系统受伤的程度[24〛。此外,低温胁迫增加植物体内活性氧含量,引发膜脂过氧化反应,使MDA大量积累,破坏膜的完整性,影响正常代谢[25～27]。低温胁迫下,月季植株的相对电导率增大。刘璐等研究发现,随着温度的降低,月季叶片相对电导率逐渐上升,-10 ℃ 时达到最大值[15]。孙龙生等在月季抗寒性与相对电导研究中发现在轻度低温胁迫下(-10 ℃),供试品种间相对电导率无显著差异,随着温度下降(-15 ℃以下),相对电导率差异显著,说明电导率的差异在一定程度上反应了品种间的抗寒性强弱[28]。车代弟等、朱晓菲等的研究结果也验证了上述结论。马俊丽等研究发现不同温度胁迫下供试60 d季品种的丙二醛含量变化均呈现出“先升后降再升”的变化趋势,且峰值均出现在-5 ℃,之后持续下降,又分别在-20 ℃和-15 ℃达到谷值后持续上升,表明两种月季均有较强的抗寒能力[14,16,29]。李松等研究了5 ～-10 ℃ 短暂低温胁迫下月季叶片丙二醛(MDA)与品种抗寒性的关系发现,低温前期MDA含量增加,随着胁迫加剧达到峰值后,抗寒性强的月季由于细胞内活性氧清除能力较强,其持续的清除作用又会使MDA含量降低,最终达到一个相对较低的水平,而抗寒性较弱的品种由于丧失了活性氧清除能力,随着低温胁迫的加剧其体内的 MDA 含量继续增加[13]。

2.2 低温胁迫与抗氧化酶系统

低温胁迫会使植物体内活性氧(AOS)大量积累,活性氧增多加剧膜脂过氧化反应,引起膜蛋白变性,导致植物受到伤害甚至死亡[30,31]。月季植株体内的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶系统通过清除有害活性氧来保护植株,减轻低温对植株的损害。马俊丽等设置6种不同低温处理,测定分析低温胁迫下月季叶片POD活性变化呈现先上升后下降的变化趋势;SOD活性一直处于较高的状态,表明在温度较低的情况下,两种酶发挥着清除活性氧的作用[29]。李楠研究发现,低温锻炼初期,月季自身保护功能启动,植株SOD、POD活性略有下降;随着温度的继续降低,两种酶活性升高以应对低温胁迫的影响;但当温度降低到一定程度后,植物细胞受到不可逆的伤害,两种酶活性下降[32]。唐丽等研究表明,低温胁迫下大花树状月季枝条中SOD、POD、CAT酶活性的变化均与气温变化呈相反趋势,其中SOD、POD含量呈现先升后降的趋势,CAT酶活性随着温度的降低而升高,在温度达到最低时,各处理的CAT活性都达到最大值[33]。刘璐等低温处理3种地被月季结果表明,随着低温胁迫强度的增加,月季叶片POD和SOD酶活性均会显著增大。随温度降低,POD 酶活性增加幅度要大于SOD,说明在地被月季受低温胁迫时POD酶清除细胞内活性氧自由基起到主要作用,SOD酶对细胞膜结构与功能起辅助保护作用[15]。

2.3 低温胁迫与渗透调节物质

可溶性糖、可溶性蛋白和游离脯氨酸是植物体内主要渗透调节物质,低温胁迫下这些物质的积累可为植物抵抗逆境生理生化反应提供底物和能量,进而提高植物抗寒性[34]。朱晓菲等发现,随着处理温度的降低,月季叶片可溶性糖含量增加,在相同条件下耐寒月季体内可溶性糖含量明显高于不耐寒月季[14]。李楠在对150 d季品种进行抗寒性比较中发现,随着温度的逐渐降低,植株可溶性蛋白的含量呈上升趋势,蛋白质含量对提高细胞液浓度和维持细胞在低温下的正常功能起重要作用[32]。唐丽等对大花树状月季抗寒指标进行测定,发现各处理在经过冬季低温后,可溶性糖与游离脯氨酸含量随着温度的降低而升高,二者含量的高低与月季抗寒性呈正相关,其中游离脯氨酸含量与抗寒性间呈极显著正相关[33]。刘璐等在地被月季低温胁迫的生理相应研究中发现,随着温度降低地被月季可溶性蛋白质含量逐渐上升,游离脯氨酸含量变化趋势与可溶性蛋白质变化趋势基本一致,均随温度降低呈现出小幅度上升趋势[15],它们的积累能提高细胞保水力,增强抗氧化能力,保护生物膜系统的稳定性[35]。

3 月季抗寒分子机制研究

植物抗寒性是由微效多基因控制的数量性状,抗寒基因主要分为与抗寒直接相关的功能基因,以及调控抗寒基因表达和信号传导的调控基因[36～39]。功能基因包括冷诱导基因、脂肪酸去饱和酶基因和抗氧化酶基因等对细胞膜起保护作用的基因[40～42],目前在月季抗寒研究中鲜有报道。随着植物逆境信号转导分子生物学研究的深入,调控基因中的转录因子( Transcription factor,TF) 在植物抗寒过程中的作用越来越受到重视[43],学者们分离鉴定出了与植物抗寒相关的转录因子,如AP2 /EREBP、WRKY、 MYB、bZIP、NAC 和 Zinc-finger 等[44～46]。低温胁迫诱导这类转录因子大量表达,提高植物的抗寒性[47]。Chen等利用拟南芥rd29A 启动子驱动蒺藜苜蓿Mt-DREB1C基因在月季中过表达发现,获得具有低温抗性的月季[48]。王法微从抗寒月季‘哈锦4号’中分离并克隆了一个新的CBF基因[49]。翟俊峰等通过对月季CBF转录因子基因的克隆及表达分析,结果显示低温可以诱导RhCBF的表达[50]。Liu等基于基因组和转录组数据在月季中发现56 个WRKY 转录因子[51]。目前,月季转录因子的研究多集中在生长发育的各个环节,在非生物胁迫特别是耐低温的分子机制方面研究较少,今后一段时间关于月季逆境信号转导分子生物学以及解析不同转录因子之间的交互作用,或将成为月季抗寒领域研究的关键。

4 月季抗寒栽培技术研究

月季主要抗寒栽培措施有埋土覆盖、整枝修剪、肥水管理、药剂处理等,适宜的栽培措施能够有效提升月季对低温胁迫的耐受能力,减轻自然低温对其造成的伤害。郭伟等进行了丰花月季在沈阳地区防寒越冬的试验研究,结果表明加有机质垫层玉米秆3～4层,覆土10 cm密合缝隙可使丰花月季在沈阳地区安全越冬[52]。于新海等在长春地区现代月季露地越冬的方法研究中发现,浇灌冻水是月季越冬的核心内容之一,湿润土层深度在30～40 cm,月季安全越冬效果良好。此外在湿润土层上进行埋土防寒处理,每增加10 cm 防寒土厚度,温度可提高1 ℃[53]。张延歌通过对越冬后月季叶芽特征、花朵质量和生长势观察发现,施用磷钾肥的处理防寒越冬效果较好[54]。于新海的研究中也得出同样的结论,说明养分回流是月季抗寒栽培的关键,越冬前控氮促磷钾的施肥措施,在一定程度上抑制了秋梢徒长,同时保证植株养分储备,提高月季抗寒能力。月季抗寒整枝修剪技术同样要遵循促进枝条养分充分回流树体的基本原则,过早或过晚均对越冬不利,修剪应在接近休眠而尚未休眠前进行。在剪枝方法上学者们的观点略有差异。于海鹰等认为月季植株的老枝仅留一个芽,齐基剪除弱枝、枯枝、病枝及过密枝,不易遭受冻害[55]。唐丽等研究发现,在月季二次花后对枝叶进行重度修剪2/3,枯叶期前后补充修剪,结合施肥与冬灌的抗寒栽培措施,月季越冬效果良好[35]。郭伟等试验表明,保留丰花月季地上部分15 cm进行修剪,防止上部枝条水分抽干,可使其在沈阳地区露地安全越冬[52]。于新海等研究表明,不同种类月季的修剪方式各有不同,1～2年生、微型和地被月季类,重剪2/3,地上部枝条保留5 cm左右,留3～4 个主枝,剪除枯枝、细弱枝;多年生、树状和藤本月季轻剪1/4左右,保留主干和树冠,剪除多余的横生、细弱、枯死和受病枝条,使主干和树冠比例协调[55]。除上述物理方法对月季抗寒能力的提高外,外源物质可以通过直接和间接作用,提高植物的耐寒性[36,56～57]。孙佩佩利用丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)接种月季,发现AMF通过增加渗透调节物质和氮磷钾含量,降低膜透性和MDA含量,提高抗氧化系统清除活性氧的能力,从而增强切花月季对低温胁迫的耐受能力[58]。

5 结语

月季基因型的高度杂合性,使其遗传基础非常复杂,加之抗寒是由微效多基因控制的数量性状,使得月季抗寒性研究面临巨大挑战。目前,月季抗寒机制的研究多集中在生理层面,随着现代生物学技术的发展,抗寒分子机制研究进一步加强,月季抗寒基因遗传位点的挖掘及抗寒基因的应用将成为新的研究热点。通过分子设计育种手段更加高效地进行抗寒性月季新品种的培育,也将使抗寒月季遗传基础更加丰富。结合抗寒新技术、新材料的开发与应用,月季抗寒性研究将会取得突破性进展。