5种芦竹属菌草的耐寒性分析

李玖荣, 郑 焕, 林 辉, 林占熺

(1.福建农林大学生命科学学院；2.福建农林大学菌草科学与技术研究院/国家菌草工程技术研究中心，福建 福州 350002)

芦竹属菌草是禾本科芦竹属单子叶植物，目前发现的品种有13个，分别命名为绿洲1号、绿洲2号、绿洲3号、绿洲4号、绿洲5号、绿洲6号、绿洲7号、绿洲8号、绿洲9号、绿洲10号、绿洲11号、绿洲12号、绿洲13号[1].这些品种可达5 m，叶子繁多、常绿，分蘖数多，根系发达，在干旱地也可以生长[2].芦竹属菌草可以保持水土，治理荒漠化、崩岗，改良盐碱地，恢复矿山植被；也可以作为食用菌的栽培料，还可以作为动物饲料和板材材料.王旭栋等[3]对绿洲1号、绿洲2号、象草、巨菌草进行了干旱胁迫，其保水能力表现为:绿洲1号≈绿洲2号>巨菌草>象草，表明绿洲1号适合在干旱地种植.张安红等[4]于2018—2019年进行菌草绿洲1号种植试验，结果表明绿洲1号抗逆性强，生长速度快，根系发达.近年来，芦竹属菌草主要用于西北地区的沙漠化治理.通过低温胁迫，绿洲植株会发生一些生理生化反应，体内一些酶的活性会发生变化，酶活性变化反映出植物的抗逆性.活性氧(reactive oxygen species, ROS)是植物在代谢过程中生成的产物，植物正常生长时它在植物体内处于动态平衡状态.一旦植物的外界生长环境改变，即处于胁迫状态时，ROS的动态平衡状态就会被打破，而植物体内ROS增多会损伤植物细胞膜，破环植物细胞的蛋白质和DNA[5].植物有一个抗氧化体系，包含超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化物酶(peroxidase, POD)、过氧化氢酶(catalase, CAT)等[6].丙二醛(malondialdehyde, MDA)是一种膜脂过氧化产物，在植物细胞膜受到损伤时产生，因此它可以作为植物受到低温胁迫时抗寒性鉴定的一项指标[7].本研究通过低温胁迫对菌草绿洲13个品种进行初步筛选，旨在为菌草分子育种和抗寒基因筛选的研究提供依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料

绿洲2号、绿洲3号、绿洲5号、绿洲6号、绿洲7号均来自福建农林大学国家菌草工程技术研究中心菌草种质资源圃.用茎段育苗，取长势一致的幼苗作为试验材料.

1.2 试验方法

1.2.1 冷胁迫处理 用穴盆育苗，待长到20 cm左右移栽到种植盆内，在同一条件下培养1周后进行胁迫处理.挑选绿洲5个品种中长势一致的健康幼苗各36盆，随机选取每个品种各12盆，分别放在4、28 ℃的人工气候室内培养.4 ℃人工气候箱内芦竹属菌草幼苗为处理组，28 ℃人工气候箱内芦竹属菌草幼苗为对照组.培养24 h后，在不同温度下各品种分别随机挑选3盆，自上而下取3片叶，用液氮速冻后储存于-80 ℃冰箱.

1.2.2 生理指标测定 MDA含量测定：采用硫代巴比妥酸法[8].

SOD活性测定：采用NBT光化还原法[9].

CAT活性测定：采用紫外吸收法[10].

POD活性测定：采用愈创木酚比色法[11].

1.2.3 数据处理 用IBM SPSS Statistics 20.0软件对测得的数据进行分析.

2 结果与分析

2.1 芦竹属菌草冷胁迫后的生理生化指标

由表1可知，5个芦竹属菌草品种的POD活性的变异系数均较大，表明其POD活性变化大，其中变化最大的是绿洲3号，变化最小的是绿洲7号.低温胁迫后，绿洲2号、绿洲3号的POD活性都比对照组大，绿洲5号、绿洲6号、绿洲7号的POD活性都比对照组小.其中，绿洲3号的POD活性变化最大，说明绿洲3号产生最多的POD来抵抗ROS对植物造成的伤害.芦竹属菌草低温胁迫后CAT活性的变化最小，其变异系数为19%，而且CAT活性变化率的变异系数仅为16%.冷胁迫后，各个品种的CAT活性都比对照组大.SOD活性的变化也较大，其变异系数与POD活性差不多.低温处理后，大部分品种的SOD活性都比对照组大，绿洲2号、绿洲7号的SOD活性都比对照组小.MDA含量的变化不大，大部分品种的MDA含量都比对照组低.

表1 芦竹属菌草各品种的单项生理指标及其变化率1)Table 1 Physiological indices of Arundo JUNCAO varieties and change rates

2.2 芦竹属菌草生理生化指标的主成分分析

对测得的各指标数据进行降维后，通过Pearson双尾检验得到各单项生理指标的相关系数矩阵(表2).从表2可知，SOD活性、POD活性、MDA含量、CAT活性存在一定的相关性，MDA含量的变化率与SOD、POD活性呈负相关；SOD活性与CAT活性呈显著正相关.说明这些指标虽然在植物体内所起的作用不同，但它们提供的抗寒信息有重叠，因此仅对单个指标进行评价不够全面[12]，应该通过综合评价来提高数据的准确性.

为了探讨各个指标值对结果评判的准确性，对测得的数据进行主成分分析[13-15].由表3可知，第1个和第2个成分的方差贡献率较高，分别为65.975%、21.449%，因此可选择这两个指标对芦竹属菌草5个品种的抗寒性进行综合评价. 从表4可知:在第1个成分中，SOD活性变化率的系数最大，故第1个成分代表SOD活性变化率；在第2个成分中，POD活性变化率的系数最大，故第2个成分代表POD活性的变化率[2].

表2 各项生理指标的相关系数矩阵1)Table 2 Correlation coefficient matrix of various physiological indices

表3 解释的总方差Table 3 Total variance explained

表4 主成分分析因子载荷矩阵及线性组合中的系数1)Table 4 Load matrix of principal components and coefficients of linear combination

F1、F2[11]表示如下：

F1=0.244X1+0.392X2+0.254X3-0.183X4-0.031X5+0.093X6+0.068X7-0.235X8

(1)

F2=-0.029X1-0.232X2-0.023X3+0.382X4+0.263X5-0.304X6+0.168X7-0.011X8

(2)

(3)

(4)

式中：λi表示第i个主成分的特征根；X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8分别表示P1、RC(P1)、P2、RC(P2)、P3、RC(P3)、P4、RC(P4)8个指标的标准化数据，其中P1、P2、P3和 P4分别表示SOD活性(U·g-1)、POD活性(U·g-1)、MDA含量(nmol·g-1)、CAT活性(U·g-1)，RC(P1)、RC(P2)、RC(P3)、RC(P4)分别表示P1、P2、P3和P4的变化率.

根据式(4)，计算出的两个主成分的权重分别是0.75和0.25，得到芦竹属菌草各个品种的抗寒性综合评分模型，即Y=0.75×F1+0.25×F2.通过各主成分的线性组合计算出两个主成分的综合评价值，从而对各个芦竹属菌草品种的抗寒性进行综合评价.由表5可知，Y值最大的是绿洲3号(为0.94)，其次是绿洲6号(为0.75).Y值越大，抗寒性越强[4]，由此可知，芦竹属菌草各个品种抗寒性大小表现为：绿洲3号>绿洲6号>绿洲5号>绿洲2号>绿洲7号.

表5 芦竹属菌草品种的各主成分组合得分、综合得分及排序Table 5 Score of combined components, comprehensive score and rank of different Arundo JUNCAO varieties

3 小结

本研究通过对低温胁迫下芦竹属菌草5个品种(绿洲2号、绿洲3号、绿洲5号、绿洲6号、绿洲7号)的SOD活性、POD活性、MAD含量、CAT活性进行主成分、相关性、线性组合分析，得出这4个指标是相关的.由此可知，对植物抗寒性要进行综合评价.通过对多个单项指标的主成分分析，可以将原有的大量指标转化为较少且独立的综合指标，而综合指标的评价值反映菌草品种的耐低温性[16].吴文景等[17]也采用这一方法对不同杉木品种的根系觅磷能力进行综合评价.主成分分析中，SOD、POD活性变化率的测定值很高，有一定的参考价值，故综合评价是基于这两个指标的.最后通过各主成分的线性组合[18]对5个品种的抗寒性大小进行排序，抗寒性大小表现为：绿洲3号>绿洲6号>绿洲5号>绿洲2号>绿洲7号.由此可知，这5个品种中抗寒性最好的是绿洲3号.