外源ALA 缓解梨花器官低温伤害的效应研究*

王鹏飞，赵健霄，李 涛，于春亮，李云峰，贾艳利，张玉星，张海霞，权 畅，许建锋，马 辉

（1 河北农业大学园艺学院，保定071000）（2 河北省梨工程技术研究中心）（3 威县农业农村局）（4 魏县林果开发服务中心）（5 河北省气象科学研究所）

梨是我国三大水果之一，在促进农民增收、推动乡村振兴方面占据重要地位。但是近几年全球气候变暖，梨花期呈现提前趋势，易遭遇早春低温冻害。根据2020—2021 年河北省水果产业形势分析与预测，由于花期冻害全省梨果受灾严重，减产30%～50%[1]。因此，探索如何提高梨花器官抵御低温冻害的能力具有重要生产意义。

5-氨基乙酰丙酸（ALA）是一种新型植物生长调节剂，是合成叶绿素、血红素、卟啉和维生素B12等四吡咯化合物的前体物质，近年来，ALA 在植物研究领域不断深入，ALA 可以促进植物生长，同时在提高植物抗逆能力方面作用突出[2]。前人研究发现，ALA 在植物盐胁迫、干旱胁迫、低温胁迫、金属胁迫等逆境下，能够降低植物受到的损害。如王鹏等[3]发现，干旱胁迫下ALA 处理提高了玉米的抗氧化酶活性，并抑制MDA、H2O2含量增加，进而提高玉米幼苗的抗旱性；王燚[4]研究了低温胁迫下ALA 处理对玉米幼苗的影响，结果表明经过ALA处理可以提高幼苗的发芽率和SOD、POD、CAT 活性，降低MDA 含量，同时增强幼苗叶片的光合作用；张治平等[5]认为，ALA 能够显著提高低温胁迫下油菜抗氧化酶活性；张建婷等[6]研究了ALA 对低温胁迫下桃幼叶的影响，发现ALA 可以提高抗氧化酶活性，积累更多渗透调节溶质，同时可诱导PSⅡ反应中心部分基因上调表达，促进叶片光合作用；田永强等[7]研究发现，经过ALA 处理能够明显缓解低温胁迫对甜樱桃花器官的伤害。

目前，关于ALA 缓解梨花器官低温伤害的研究鲜有报道。本文以新梨7 号、玉露香花器官为试材，对其喷施不同浓度ALA 后，进行低温处理，测定其相关生理指标，分析ALA 对梨花器官低温胁迫下生理特性的影响，由于低温伤害是一种常见的逆境胁迫，通过单一生理指标变化评估ALA 缓解梨花器官低温伤害存在局限性和片面性，故需综合多种指标进行综合评价。本研究利用主成分分析法对不同浓度ALA 缓解梨花器官低温伤害的能力进行了强弱划分，并结合综合得分筛选出最适宜的浓度，以期为合理利用ALA 抵御梨花器官低温伤害提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

本试验在河北农业大学农科试验基地内进行，选取长势相近的8 年生新梨7 号、玉露香作为试验材料，于花蕾期在树冠中部的东、西、南、北4 个方位采集1 年生花枝，混合后带回实验室，于人工气候室内水培至盛花期，对其分别喷施浓度为25、50、75、100 mg/L 的外源5-氨基乙酰丙酸（ALA），以喷清水作对照，每处理设3 次重复，且不少于50个花序。喷施24 h 后，置于-2 ℃低温冰箱中低温处理3 h，再在室温（25 ℃）下恢复3 h，立即摘取花器官进行液氮速冻，并保存至-80 ℃超低温冰箱中，用于生理指标测定。

1.2 指标测定

相对电导率用电导仪测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250 染色法测定，脯氨酸含量采用茚三酮比色法测定[6]，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑（NBT）光还原法[8]测定，过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法测定，过氧化氢酶（CAT）活性采用过氧化氢法测定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法[9]测定。

1.3 数据统计分析

利用Microsoft Excel 软件对原始数据进行统计和处理，用SPSS 25 软件对处理后的数据进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 ALA 处理对花器官形态的影响

据观察，喷施不同浓度ALA 经低温处理后，梨花器官形态出现变化，喷施清水（对照）的新梨7号柱头和雌蕊出现变褐情况，花瓣萎蔫变褐甚至脱落；25 mg/L ALA 处理的新梨7 号花瓣萎蔫变褐；50、75、100 mg/L ALA 处理的新梨7 号花瓣轻微变褐，柱头、雌蕊无任何受冻表现。喷施清水（对照）和25、75 mg/L ALA 处理的玉露香花瓣萎蔫变褐、脱落，柱头、雌蕊部分变褐；50、100 mg/L ALA 处理的玉露香花器官无任何受冻表现（图版2）。

2.2 ALA 处理对花器官相对电导率和渗透溶质的影响

如图1 所示，新梨7 号花器官喷施不同浓度ALA 经低温处理后，4 个处理的花器官相对电导率均低于对照，分别较对照降低4.80%、7.27%、10.00%、38.00%；相同处理下，玉露香花器官相对电导率呈现先下降后上升的趋势，25、50 mg/L ALA处理的相对电导率分别比对照高51.64%、9.27%，75 mg/L ALA 处理较对照下降23.00%，差异均达显著水平，而100 mg/L ALA 处理的相对电导率与对照差异不显著。新梨7 号花器官的可溶性糖含量随ALA 浓度增加呈上升趋势，玉露香呈波浪式变化，ALA 浓度为50、100 mg/L 时2 个品种的可溶性糖含量均显著高于对照，分别较对照上升59.99%、81.35%和38.00%、41.17%。新梨7 号花器官的可溶性蛋白含量随ALA 浓度增加呈先上升后下降的趋势，其中ALA 浓度为75 mg/L 时达到最大值，较对照提高35.32%，差异达显著水平；而玉露香花器官，除50 mg/L ALA 处理略高于对照外，其余处理均低于对照，分别下降16.50%、28.54%、14.32%。4 个ALA 处理的新梨7 号花器官脯氨酸含量分别较对照提高5.57%、2.94%、11.28%、57.91%，其中100 mg/L ALA 处理与对照差异显著；玉露香花器官脯氨酸含量整体呈上升趋势，25、50 mg/L ALA 处理的脯氨酸含量均显著低于对照，75、100 mg/L ALA处理均显著高于对照，分别提高56.89%、56.11%。

图1 ALA 处理的新梨7 号、玉露香在-2 ℃低温3 h 的相对电导率和可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量

2.3 ALA 处理对花器官抗氧化酶活性及丙二醛含量的影响

由图2 可以看出，50 mg/L ALA 处理的新梨7号花器官SOD 活性与对照无显著差异，不能提高低温胁迫下花器官SOD 活性，25、75、100 mg/L ALA处理后新梨7 号花器官SOD 活性均较对照显著提高，分别提高了32.88%、43.15%、21.23%；4 个ALA 处理的玉露香花器官SOD 活性均显著高于对照，且随ALA 浓度增加呈先上升后下降的趋势，其中50 mg/L ALA 处理最高，较对照提高了47.06%。4 个ALA 处理的2 个梨品种的花器官POD 活性均高于对照，且随ALA 浓度增加均呈整体上升趋势，其中50、75、100 mg/L ALA 处理的新梨7 号花器官POD 活性差异均达显著水平，分别较对照提高了70.48%、81.90%、84.95%，而玉露香花器官只有75、100 mg/L 处理达显著水平，分别提高了56.12%、51.02%。在低温胁迫处理下，不同品种花器官的CAT 活性有较大差异，新梨7 号花器官CAT 活性随ALA 浓度增加呈先下降后上升的趋势，4 个ALA 处理的CAT 活性均高于对照，其中25、100 mg/L ALA处理达显著水平；而4 个ALA 处理的玉露香花器官CAT 活性与对照均无显著差异。以上结果说明，经过ALA 处理可以提高抗氧化酶活性，从而有利于提高花器官抗氧化能力。作为膜脂过氧化最终产物的MDA，虽然其含量随ALA 浓度增加整体呈下降的趋势，但是与对照相比均无显著变化，这说明ALA处理未能有效地降低低温胁迫下梨花器官内MDA的积累。

图2 ALA 处理的新梨7 号、玉露香在-2 ℃低温3 h 的SOD、POD、CAT 活性及丙二醛含量

2.4 ALA 处理缓解新梨7 号花器官低温伤害的综合评价

为构建综合指标精确评价ALA 处理缓解新梨7号花器官低温伤害的能力，使用SPSS 对原始数据进行标准化处理后，进行主成分分析，基于主因子特征值大于1 的原则提取出2 个主成分因子，累计方差贡献率达80.168%，表明这2 个主成分因子能够解释8 个单项指标的绝大部分信息，各主成分因子代表性指标见主成分载荷矩阵（表1）。第1 主成分的方差贡献率为63.800%，反映了原始数据的大部分信息，主要反映相对电导率、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、SOD 活性、POD 活性6 个变量的信息，其中POD 活性贡献最大，载荷值为0.947，其次是脯氨酸含量，载荷值为0.942，相对电导率为负载荷，载荷值为-0.844。第2 主成分的方差贡献率为16.386%，主要反映CAT 活性、MDA 含量2 个变量的信息，均呈正载荷，其中CAT活性的载荷值最大，为0.799，对第2 主成分贡献率最大。因此，第1、2 主成分代表性指标为影响ALA 处理缓解新梨7 号花器官低温伤害的主要指标，分别为POD 活性、脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、CAT 活性。

表1 新梨7 号主成分初始特征值、贡献率及载荷矩阵

计算主成分载荷矩阵数值与对应特征值算术平方根的比值，得出主成分系数矩阵，见式（1）～（3），F1、F2为主成分1、主成分2 得分，以各个主成分相应的相对贡献率为权重，对2 个主成分得分权重进行加和，即得不同浓度ALA 处理缓解新梨7 号花器官低温伤害综合得分（F），得分越大，缓解低温伤害能力越强。

综合得分如表2 所示，不同处理缓解新梨7 号花器官低温冻害能力的强弱顺序为：100 mg/L ALA＞75 mg/L ALA＞50 mg/L ALA＞25 mg/L ALA＞对照。

表2 新梨7 号主成分得分及综合得分

2.5 ALA 处理缓解玉露香花器官低温伤害的综合评价

与2.4 处理方法一致，由表3 可知，前3 个主成分累计方差贡献率达90.475%，表明前3 个主成分因子能够解释ALA 处理缓解玉露香花器官低温伤害8 个指标的绝大部分信息。第1 主成分的方差贡献率为47.325%，主要反映相对电导率、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、POD 活性、CAT 活性5 个变量的信息，相对电导率、可溶性蛋白含量为正载荷，载荷值分别为0.766、0.747，脯氨酸含量、POD活性、CAT 活性为负载荷，载荷值分别为-0.905、-0.789、-0.839。第2 主成分的方差贡献率为30.524%，主要反映可溶性糖含量、SOD 活性、MDA含量3 个变量的信息，其中MDA 含量对第2 主成分的贡献最大，其载荷值为-0.969。第3 主成分的方差贡献率为12.626%，主要反映相对电导率、可溶性蛋白含量2 个变量的信息，相对电导率与之呈正载荷，可溶性蛋白含量与之呈负载荷。

表3 玉露香主成分初始特征值、贡献率及载荷矩阵

根据表3 对3 个主因子构建得分模型，见式（4）～（7），F1、F2、F3为主成分1、主成分2、主成分3 得分，F表示综合得分，得分值越高表示缓解能力越强。

如表4 所示，不同处理缓解玉露香花器官低温伤害能力的强弱顺序为：50 mg/L ALA＞25 mg/L ALA＞100 mg/L ALA＞对照＞75 mg/L ALA。

表4 玉露香主成分得分及综合得分

3 讨论与结论

在特定的低温条件下，植物体内渗透调节物质含量会发生一定的变化，以维持植物细胞的渗透平衡，进而提高植物对低温的耐受性[10]。可溶性糖是一种重要的渗透调节物质，在低温胁迫条件下能够作为细胞的保护物质，其含量的增加能够提高植物抗逆性[11]，减轻细胞结冰伤害。本研究结果显示，新梨7号花器官可溶性糖含量随着ALA处理浓度的增加呈上升趋势，且ALA 处理的2 个梨品种的可溶性糖含量均基本高于对照，这与张建婷等[6]、燕飞等[12]对桃幼叶、茶树叶片研究结果一致。有研究表明，低温胁迫下，植物体内可溶性蛋白含量与抗冻性呈正相关[13-14]。本研究结果表明，随着ALA 处理浓度的增加，新梨7 号花器官可溶性蛋白含量呈先上升后下降的趋势，且均高于对照，可见ALA 能提高低温胁迫下梨花器官可溶性蛋白含量从而提高抗冻性；而玉露香的可溶性蛋白含量除50 mg/L ALA 处理略高于对照外，其余处理均低于对照，这可能与品种本身的差异有关。脯氨酸也是植物细胞内重要的渗透调节物质，张治平等[5]、马翠云[15]、刘辉等[16]报道，低温胁迫下，ALA 可促进油菜幼苗、砀山酥梨幼果、茄子幼苗中脯氨酸的积累。本研究结果表明，随着ALA 浓度增加，梨花器官中脯氨酸含量基本呈不断上升趋势，这与张治平等[5]研究结果一致。以上分析表明，ALA 可以调节梨花器官渗透调节能力，进而提高抗冻能力，但是对于不同品种的梨，ALA 缓解低温伤害下的渗透调节能力和作用机制有所差异。

植物细胞受到低温胁迫时，会发生各种膜脂过氧化反应[17]，MDA 是膜脂过氧化的最终分解产物之一[10]，MDA 含量增加通常被认为是膜脂过氧化的标志，而低温胁迫也会使细胞膜透性增大，导致相对电导率升高[18]。有研究表明，经ALA 处理能够显著降低植物细胞的MDA 含量和相对电导率，增加抗冻性[19-20]，因此，可通过测定MDA 含量和相对电导率来衡量梨花器官在低温胁迫下受伤害程度。本研究中，喷施ALA 在一定程度上降低了梨花器官相对电导率，减少了低温胁迫对细胞膜的伤害，而未能有效降低MDA 含量。

在非生物胁迫环境中，植物细胞代谢途径紊乱，导致活性氧的产生和积累，造成氧化损伤，阻碍代谢活动[15,19]。植物抗氧化酶系统中SOD、POD、CAT 可清除植物体内活性氧，并维持其动态平衡以保护细胞免受氧化损伤[21-22]。田永强等[7]对红玛瑙甜樱桃花器官喷施不同浓度ALA 溶液后置于-2 ℃低温条件下处理2 h，发现ALA 可以提高低温胁迫下花器官抗氧化酶活性，增加还原型抗坏血酸和还原型谷胱甘肽含量，减少活性氧含量，降低膜脂过氧化程度。本研究发现，ALA 提高了低温胁迫下新梨7 号、玉露香花器官的SOD、POD 活性和新梨7 号花器官的CAT 活性，与田永强等[7]试验结果一致，说明喷施适宜浓度ALA 能够提高植物低温胁迫下的抗氧化酶活性，有效缓解梨花器官受损程度。

抗逆性是基于基因和环境互作的多种生理指标的综合体现，但由于生理指标较多，各个指标在逆境应激反应中的作用不同，并不是所有的生理指标均能准确代表植物的抗逆性[23]。而主成分分析法可以将多个指标转化成新的个数较少且彼此独立的综合指标，同时根据各自贡献率的大小明确每个综合指标的相对重要性[24]。前人利用主成分分析法对果实品质[25]、植物耐寒性[26]等进行综合评价，避免了人为赋权对最终结果的影响，能够客观地进行评价。本研究将8 个与低温胁迫有关的生理指标进行主成分分析，新梨7 号提取了2 个主成分，反映了所有指标80.168%的信息；玉露香提取了3 个主成分，反映了所有指标90.475%的信息。以各主成分的相对方差贡献率为权重建立综合评价函数，最终得到综合得分（F），根据F值能系统评价不同浓度ALA 处理后缓解梨花器官低温伤害程度。

综上所述，喷施ALA 可缓解梨花器官低温伤害。结合主成分分析，筛选出缓解新梨7 号、玉露香花器官低温伤害最适宜的ALA 浓度分别为100、50 mg/L。