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低温胁迫下4个景天科多肉品种的生理响应及耐寒性评价

花匠小妙招
2024-11-27 21:55

0. 引言

【研究意义】多肉植物（Succulents）原产于北美洲和非洲干旱、半干旱地带，约50科334属，茎叶肥厚，耐旱、耐盐碱。景天科多肉植物（Crassulaceae plants）外形秀美，叶色绮丽变化多端，花期和绿期较长，观赏性强，具食用、药用、生态和景观应用等多重价值，是最受市场欢迎的多肉种类之一。福建省是我国多肉四大产区之一，但商品化栽培起步较晚[1]，产业基础尚未成熟。景天科植物适宜的生长温度为15～28 ℃，福建冬季与多肉原产地气候差异显著，最低气温低于5 ℃，部分山区在0 ℃以下，低于多肉最适生长温度的下限，因此亟需开展多肉耐寒性研究，筛选耐寒优种，降低引种种植的经济损失，对科学引种和繁育推广具有重要意义。【前人研究进展】景天科植物原产于热带、亚热带地区，不耐寒，在低温下易受冷害或冻害，引起膜结构改变、胞质环流缓慢、光合速率降低等生理代谢紊乱，严重影响生长发育[2-3]，因此种质资源耐寒性鉴定一直是多肉植物抗逆性的重要研究领域[4]。前人在景天科植物分类[5]、观赏性评价[6]、繁育栽培技术[7-9]、活性物质提取[10-11]、光合特性和耐旱性[12-14]等方面已有较多报道。景天科植物耐寒性研究较多集中在景天属（Sedum L.）、长生草属（Sempervivum）地被植物。研究表明，‘黄针叶万年草’（Sedum rupestre Angelina）、‘六棱景天’（Sedum sexangulare）的耐寒性强于‘胭脂红景天’（Sedum spurium）；‘观音莲’（Sempervivum tectorum）在−8 ℃低温胁迫后，依然能够恢复正常生长[15-16]，说明不同多肉品种耐寒性存在显著差异。在低温胁迫生理响应方面，研究认为总叶绿素含量、MDA含量、游离脯氨酸（Pro）等生理指标的变化趋势和幅度在一定程度上能够反映多肉抵御低温的能力[17]。【本研究切入点】景天科多肉植物作为新兴的园林景观花卉，品种繁多，品种间耐寒性差异大，仍有大量观赏性强的多肉种质尚未进行低温胁迫生理响应研究和耐寒性鉴定与评价。【拟解决的关键问题】本研究在对景天科多肉植物观测、评价、筛选的基础上，以观赏性强、商品价值高的4个多肉品种为对象，分析其低温胁迫下的生理生化代谢差异，结合主成分分析、隶属函数分析法对其耐寒性进行评定，并通过恢复生长试验来验证评价结果，筛选耐寒性较强的品种，为多肉种质资源推广利用提供参考。

1. 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为‘蓝苹果’（x Sedeveria Blue Elf）、‘火祭’（Crassula Campfire）、‘丸叶松绿’（Sedum lucidum Obesum）和‘筒叶花月’（Crassula oblique Gollum）4个景天科多肉品种，均引种自云南省昆明市。选取健康、长势一致的3年生盆栽植株，种植条件与栽培管理措施一致。

1.2 试验方法

试验在福建省农业科学院作物研究所花卉种苗生理与检测实验室进行。将4个品种盆栽植株置于人工气候培养箱（普朗特LRX-700C-LED）中预处理5 d，昼夜温度15 ℃/12 ℃，光照强度12 000 lx，光周期昼夜12 h/12 h，相对湿度45%。预处理结束后进行低温胁迫处理，光照强度、光周期和湿度同预处理，处理温度梯度为9、6、3、0、−3 ℃，其中9 ℃为对照(CK)，每级温度处理12 h，各处理30盆，每盆4～6株，其中10盆用于形态观察。将经过不同低温处理后的试材立即测定生理指标，设3次重复。观测低温胁迫后植株恢复室温的生长状况和形态变化，统计成活率。

1.3 指标测定

参考《植物生理生化实验原理与技术》中的方法进行测定[18]。取低温胁迫处理后各品种第三轮数的叶片测定相对含水量（RWC）、丙二醛（MDA）、叶绿素a（Chla）、叶绿素b（Chlb）、总叶绿素（TC）、类胡萝卜素（Car）、可溶性糖（SS）和游离脯氨酸（Pro）等生理指标。按照饱和含水量法测定叶片相对含水量，丙酮浸提法（丙酮∶乙醇=2∶1）测定叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量，蒽酮比色法测定可溶性糖含量，硫代巴比妥酸（TBA）法测定丙二醛含量，酸性茚三酮比色法测定游离脯氨酸含量。叶绿素、可溶性糖、丙二醛、Pro等指标的含量均为鲜重的含量。

1.4 数据处理

用Excel 2016对原始数据进行统计整理和制图。用SPSS21.0软件对所有指标进行方差分析、隶属函数计算和主成分分析[19-20]，用Duncan新复极差法对各处理间差异进行显著性分析。

1.4.1 隶属函数分析

采用模糊数学中的隶属函数法，计算8个生理指标的隶属函数，所有数据标准化后再进行分析，计算公式为：

$$ {U_{nij}} = left( {{X_{nij}} - {rm{ }}{X_{min}}} right)left( {{X_{max}} - {rm{ }}{X_{min}}} right) $$ (1) $$ {U_{nij}} = {rm{ }}1 - left( {{X_{nij}} - {rm{ }}{X_{min}}} right)left( {{X_{max}} - {X_{min}}} right) $$ (2)

式中，Xnij表示第n个品种在第i个低温处理下第j项指标的测定值，Xmax、Xmin表示所有供试品种在第i个处理下第j项指标的最大值和最小值，Unij表示第n个品种在第i个处理下第j项指标的隶属函数值。若指标与耐寒性呈正相关，则按公式（1）计算；若与耐寒性呈负相关，则按（2）式计算。

1.4.2 主成分分析

由SPSS.21软件输出各主成分的初始特征值、方差贡献率及主成分因子载荷矩阵，提取特征值λ1≥λ2≥…≥λp≥1前p个主成分。主成分计算公式为：

$$ {Y_i} = displaystylesum e{U_i},;i = 1,;2,; ldots ,;n $$ (3)

式中，e为各成分对应的特征向量；Ui为各品种单项指标的平均隶属函数值。

以主成分的方差贡献率为权重构建耐寒评价模型，权重计算公式为：

$$ {A_i} = {lambda _i}/displaystylesum {lambda _i},;i = 1,;2,; ldots ,;n $$ (4)

式中，λi表示第i主成分的方差贡献率；Ai表示第i主成分在所有主成分中的重要程度。

按公式（5）得出各品种耐寒综合评价值，并根据分值排序筛选优种。

$$ {F_n} = displaystylesum {A_i}{Y_i},;i = 1,;2,; ldots ,;n $$ (5)

2. 结果与分析

2.1 低温胁迫下多肉植物的生理响应 2.1.1 低温胁迫对多肉植物RWC和MDA含量的影响

研究表明，RWC含量在一定程度上体现植物在低温胁迫下的保水能力，相同的低温处理下，耐寒性弱的植物RWC含量上升较快，变化幅度大[16]。低温胁迫处理下，多肉RWC含量总体呈增加趋势，但不同品种间差异显著（P＜0.05）（图1-A）。在−3 ℃时，4个品种RWC含量均高于CK，达到峰值；‘丸叶松绿’RWC变化最小，仅比CK增加8.84%；其次是‘蓝苹果’和‘筒叶花月’，分别比CK增加9.25%和9.84%；‘火祭’RWC变化最大，比CK增加32.50%。4个品种中，‘火祭’基础含水量最低（73.22%），但随胁迫温度降低含水量上升速度快；其他3个品种RWC变化幅度不大，含水量水平较稳定，说明‘火祭’品种水分调控能力较弱。

图 1 低温胁迫对不同多肉品种RWC和MDA含量的影响

注：图中不同小写字母表示差异显著（P＜0.05），图2～3同。

Figure 1. Effect of low-temp stress on relative water content (A) and MDA content (B) of different succulent plants

Note: Data with different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level. Same for Fig. 2-3.

低温在一定程度上会损伤植物的细胞膜系统，提高细胞膜脂过氧化水平，从而释放丙二醛。随着处理温度降低，4个品种丙二醛含量逐渐上升，品种间变化差异显著（P＜0.05）（图1-B）。‘筒叶花月’在9 ～3 ℃、‘火祭’在6 ～3 ℃丙二醛释放量明显增多，说明二者细胞膜已受损。在−3 ℃时，4个品种丙二醛含量均高于CK，‘蓝苹果’和‘丸叶松绿’丙二醛释放量较为平稳，仅比CK增加13.72%和26.83%，表明细胞膜受损程度较轻，而‘筒叶花月’和‘火祭’丙二醛释放量比CK增加64.82%和47.98%，表明二者对低温更敏感，细胞膜脂过氧化程度更高，从而释放出较多的丙二醛。

2.1.2 低温胁迫对多肉植物光合色素的影响

叶绿素和类胡萝卜素是植物的光合色素，其含量可反映低温对植物生长发育的伤害程度。低温胁迫下，4个品种叶绿素含量呈波浪式变化（图2A-D），而类胡萝卜素含量在整个胁迫过程相对稳定。6 ℃处理时4个品种总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均明显下降，与CK比较，‘火祭’和‘丸叶松绿’叶绿素a含量降低25.69%和29.49%、叶绿素b降低68.64%和52.21%，‘火祭’和‘筒叶花月’总叶绿素含量达到最低点，较CK降低36.47%和24.78%，‘筒叶花月’类胡萝卜素含量降幅最大，较CK降低33.10%，说明6 ℃处理对多肉光合色素合成有明显影响。−3 ℃时，‘丸叶松绿’的总叶绿素和类胡萝卜素含量均最低，‘火祭’的变化幅度最大，其总叶绿素含量比CK增加81.57%，类胡萝卜素含量比CK增加137.93%。

图 2 低温胁迫对不同多肉品种光合色素含量的影响

Figure 2. Effect of low-temp stress on photosynthetic pigment content of different succulent plants

随胁迫程度加剧，4个品种光合色素含量的变化特征各不相同。‘蓝苹果’和‘丸叶松绿’的光合色素含量在6 ～0 ℃之间波动最大，0 ℃以下则趋于平稳；‘火祭’的光合色素含量在0 ℃以下变化幅度最大；而‘筒叶花月’的光合色素含量始终保持稳定，说明低温胁迫处理对不同多肉品种光合系统的影响有差异，0 ℃以下低温对‘火祭’光合系统影响最大。

2.1.3 低温胁迫对多肉植物渗透调节物质的影响

低温胁迫下，不同多肉品种可溶性糖含量变化趋势有差异（图3-A）。‘蓝苹果’和‘筒叶花月’的可溶性糖含量先上升，在0 ℃达到峰值后又迅速下降；‘火祭’的可溶性糖含量总体呈下降趋势，仅在3 ℃时小幅度上升；‘丸叶松绿’的可溶性糖含量则始终保持增长。在−3 ℃时，‘丸叶松绿’的可溶性糖含量显著高于其他3个品种（P＜0.05），比CK提高166.42%，积累速度最快；‘火祭’可溶性糖含量降幅最大，比CK降低44.17%。图3-A还表明，‘火祭’的基础可溶性糖含量最高，但随温度降低下降速度快；而‘丸叶松绿’在0 ℃以下仍能大量积累可溶性糖，说明低温胁迫下不同多肉品种积累可溶性糖的能力有差异。

图 3 低温胁迫对不同多肉品种可溶性糖（A）和游离脯氨酸（B）含量的影响

Figure 3. Effect of low-temp stress on contents of soluble sugar (A) and proline (B) of different succulent plants

由图3-B可知，低温处理下多肉脯氨酸含量不断增加，温度越低，增幅越大。在9 ～6 ℃4个品种脯氨酸含量均较低，且品种间差异不显著。在0 ℃时，4个品种积累脯氨酸的速度明显加快，‘丸叶松绿’脯氨酸含量增幅最大，是CK的4.79倍，增幅较小的是‘蓝苹果’，是CK的2.25倍。−3 ℃时，4个品种仍在大量积累脯氨酸，其含量显著高于CK。‘丸叶松绿’的脯氨酸积累最多，达70.29 μg.g−1，是CK的5.91倍；其次是‘蓝苹果’和‘火祭’，二者无显著差异；脯氨酸积累最少的是‘筒叶花月’，显著低于其他3个品种（P＜0.05）。

2.2 多肉耐寒性综合评价

对8个生理指标的数据标准化后进行主成分分析，提取各主成分的载荷系数、特征向量和方差贡献率，结果表明，前2个主成分的累积方差贡献率达90.59%（表1）。以主成分累积贡献率应≥85%的标准[21]，即可认为前2个主成分可表达原8个指标的主要信息，可作为评价多肉品种耐寒性的综合指标。

表 1 低温胁迫下多肉生理指标的主成分分析

Table 1. Principal component analysis on physiological indices of succulent plants under low-temp stress

主成分
Principal
component相对含
水量
RWC可溶
性糖
SS丙二醛
MDA游离脯
氨酸
Pro总叶绿素
TC类胡萝
卜素
Car叶绿素a
Chla叶绿素b
Chlb特征值
Eigenvalue方差贡献率
Variance
contribution
rate/%累积方差贡献率
Cumulative variance
contribution rate/% PC1 0.287 0.391 0.215 0.482 −0.400 0.286 −0.485 −0.094 4.048 50.604 50.604 PC2 0.456 −0.258 0.394 −0.058 0.326 0.446 0.074 0.505 3.199 39.983 90.587

主成分特征向量绝对值可反映各单项指标对综合指标的贡献程度。由表1可知，第1主成分的方差贡献率为50.60%，其中可溶性糖、游离脯氨酸、总叶绿素和叶绿素a的贡献度较大；第2主成分的方差贡献率为39.98%，其中相对含水量、丙二醛、类胡萝卜素和叶绿素b的贡献度较大。以各指标的特征向量为系数，构建综合指标与8个单项指标对应的线性方程。即，

Y1=0.287X1+0.391X2+0.215X3+0.482X4−0.400X5+0.286X6−0.485X7−0.094X8

Y2=0.456X1−0.258X2+0.394X3−0.058X4+0.326X5+0.446X6+0.074X7+0.505X8

以综合指标的方差贡献率为权重，将各单项指标的平均隶属函数值，代入评价模型Fn =ΣAiYi，F值越大即代表耐寒能力越强。根据综合评价值（表2）得出4个多肉品种耐寒性强弱顺序为‘丸叶松绿’＞‘蓝苹果’＞‘筒叶花月’＞‘火祭’。

表 2 低温胁迫下不同多肉品种耐寒性的综合分析

Table 2. Cold tolerance of succulent plants under low-temp stress

品种
Varieties相对含水量
RWC可溶性糖
SS丙二醛
MDA游离脯氨酸
Pro总叶绿素
TC类胡萝卜素
Car叶绿素a
Chla叶绿素b
Chlb综合指标1
Y1综合指标2
Y2综合评价值
F Value排序
Ranking ‘蓝苹果’x Sedeveria Blue Elf 0.714 0.000 1.000 0.479 0.584 0.612 0.896 0.422 0.118 1.435 0.699 2 ‘火祭’Crassula Campfire 0.000 0.552 0.000 0.273 0.311 0.000 0.815 0.000 −0.173 0.004 −0.095 4 ‘丸叶松绿’Sedum lucidum Obesum 1.000 1.000 0.741 1.000 0.000 1.000 0.000 0.413 1.567 1.086 1.355 1 ‘筒叶花月’Crassula oblique Gollum 0.768 0.130 0.462 0.000 1.000 0.795 1.000 1.000 −0.381 1.758 0.563 3 2.3 低温胁迫后多肉恢复生长情况

‘蓝苹果’等4个多肉品种经低温胁迫处理后恢复室温生长情况如表3所示，品种间形态变化和长势差异明显。3 ℃以上低温基本能够正常生长，成活率达100.0%，且长势良好。0 ℃低温对‘丸叶松绿’和‘蓝苹果’影响不大，恢复室温后可100.0%成活，而‘火祭’和‘筒叶花月’的成活率有所降低，分别为87.5%和90.5%，形态观察可见叶色变淡、长势缓等现象。‘丸叶松绿’经−3 ℃低温处理后成活率达85.5%，在4个品种中最高，但低温对其他3个品种影响较大，‘火祭’成活率仅为25.5%，叶片化水、整株死亡（图4）。由此可见，多肉在0 ℃以上成活率可达87.5%以上，而−3 ℃则成活率大幅度降低，表明多肉植物半致死温度在−3 ～0 ℃之间，需进一步试验探讨。

表 3 低温胁迫后多肉恢复室温生长的成活率

Table 3. Survival rates of succulent plants at room temperature after low-temp stress

品种
Varieties9 ℃（CK）6 ℃3 ℃0 ℃−3 ℃ 成活率
Survival rate/%生长情况
Growth status/%成活率
Survival rate/%生长情况
Growth status/%成活率
Survival rate/%生长情况
Growth status/%成活率
Survival rate/%生长情况
Growth
status/%成活率
Survival rate/%生长情况
Growth status/% ‘蓝苹果’
x Sedeveria
Blue Elf 100.0 正常
Normal 100.0 正常
Normal 100.0 正常
Normal 100.0 正常
Normal 65.5 叶色淡,叶片皱缩、变软
Shrunk and softened leaf with light color ‘火祭’
Crassula Campfire 100.0 正常
Normal 100.0 正常
Normal 100.0 正常
Normal 87.5 叶色变淡、
叶片发软
Softened leaf with light color 25.5 叶片失绿、株型松散
Leaf chlorosis and loose plant type ‘丸叶松绿’
Sedum lucidum Obesum 100.0 正常
Normal 100.0 正常
Normal 100.0 正常
Normal 100.0 正常
Normal 85.5 叶色较淡、长势正常
Light leaf color,better growth ‘筒叶花月’
Crassula oblique Gollum 100.0 正常
Normal 100.0 正常
Normal 100.0 正常
Normal 90.5 叶色变淡
Leaf color faded 51.5 叶片失绿、茎干变软
Leaf chlorosis and softened stem

图 4 低温胁迫后不同多肉品种的形态变化

注：A～E分别代表9、6、3、0、−3 ℃低温处理；1～4的品种分别为‘蓝苹果’、‘火祭’、‘丸叶松绿’和‘筒叶花月’。

Figure 4. Morphological changes on succulent plants treated by low-temp stress

Note: A-E represent low temperature treatments at 9, 6, 3, 0 and −3 ℃, respectively. Varieties 1-4 are x Sedeveria Blue Elf, C. Campfire, S. lucidum Obesum, and C. oblique Gollum, respectively.

3. 结论与讨论

低温冷害或冻害是限制亚热带植物生长的重要非生物因子。耐寒性强的种质在遭受低温胁迫时能迅速启动抵御低温的生理机制，诱导渗透调节基因表达[22]，调控相关的代谢途径，以减轻或消除胁迫的伤害。试验结果表明，不同景天科多肉植物对低温胁迫的生理应答规律不同，抵御低温能力有显著差异；8项生理指标综合为2个主成分，累积贡献率达90.59%，生物学意义显著；综合评价得出耐寒性强弱顺序为‘丸叶松绿’>‘蓝苹果’>‘筒叶花月’>‘火祭’。

MDA含量是反映细胞膜受损程度的重要生理指标，耐寒性强的种质在低温下MDA积累量与外渗率均较小。低温胁迫后‘丸叶松绿’和‘蓝苹果’丙二醛积累较少，细胞膜功能相对稳定；而‘火祭’和‘筒叶花月’丙二醛释放量较高，说明低温加剧二者细胞膜脂过氧化程度，导致生物膜受损较严重。耐寒性强的种质在低温胁迫下能维持更稳定的水分代谢水平，‘火祭’的相对含水量增幅最快，胁迫解除后叶片失水无缓解，保水能力弱；‘丸叶松绿’相对含水量变化幅度较小，叶片肉质饱满，保水能力强。

低温处理会抑制景天科植物叶绿素合成中的酶促反应，降低净光合速率（Pn） [23]，限制植株生长。低温胁迫后4个品种叶绿素含量均下降，叶绿素b降幅明显大于叶绿素a，说明低温主要限制多肉叶绿素b的合成，从而影响光合作用。−3 ℃时叶绿素含量上升可能是因为在此温度下多肉进入濒死状态，叶绿素大量析出导致，其他物种也有类似的变化规律[24]。‘丸叶松绿’−3 ℃时叶绿素含量最低，但综合评价值表明其耐寒性最强，可能因为叶绿素一定程度降解有利于保护光合器官以减轻低温损伤[25-26]，因此应结合多项生理指标综合判定多肉耐寒性。低温处理后类胡萝卜素含量低的种质耐寒性更强[20]，0 ℃以下‘丸叶松绿’的类胡萝卜素含量显著低于其他3个品种，耐寒性最强。

可溶性糖和Pro是植物应对低温胁迫重要的渗透调节物质。耐寒性强的种质在低温下能迅速积累可溶性糖和Pro，以提高细胞液浓度、降低冰点温度，保持细胞不至于遇冷凝固[27]。植物可溶性糖含量与耐寒性总体上呈正相关关系，而Pro含量与耐寒性的关系尚无统一定论[28]。多肉的可溶性糖和Pro含量在0 ℃以下积累迅速，说明0 ℃是多肉启动低温防御机制，积累渗透调节物质的关键点。−3 ℃时，‘丸叶松绿’的可溶性糖与Pro含量较对照分别增加166.42%和491.17%，增幅最大，耐寒性最强；‘火祭’与‘筒叶花月’Pro积累较少，综合评价值也表明其较不耐寒，因此低温处理后叶片中Pro积累程度也可作为耐寒性评定的参考指标，在火龙果耐寒试验中也有此类结论[28]。

植物的耐寒性由许多数量或质量遗传基因综合决定[29]，构建数学评价模型对多肉耐寒性进行综合评价，较单一的生理指标更能全面、系统反映多肉植物的耐寒性，评价结果与恢复室温生长试验观测结果基本一致。‘丸叶松绿’经−3 ℃低温胁迫后仍保持85.5%的成活率，形态性状稳定，与‘冰花果’（C. edulis）等耐寒型多肉在低温下的生理和形态表现类似[30]，可繁育推广；‘火祭’耐寒能力低于其他3个品种，且胁迫解除后对其生长影响不可逆。在此评价基础上，可选择耐寒多肉种质作为育种亲本材料；还应发掘与多肉耐寒性密切关联的关键基因，在分子水平深层次分析多肉耐寒机理。