劉勝元 張春梅 許平 王華田 劉秀梅
摘要:為評價不同花椒品種枝條的抗寒性,通過低溫脅迫模擬試驗,測定6個不同花椒品種枝條導水率,闡明導水性指標在低溫脅迫下的變化,探討不同花椒品種枝條的抗寒能力。結果表明,隨著溫度降低,各花椒品種枝條導水性能均有不同程度下降。運用Logistic曲線方程計算得到各花椒品種枝條的木質部半栓塞溫度LT50為-5.35! -33.47℃,其中‘獅子頭’的LT50最低,‘黃蓋’的LT50最高。隸屬函數(shù)評價結果表明,6個花椒品種枝條的抗寒能力為‘獅子頭’>‘西農無刺’>‘少刺大紅袍’>‘黃蓋’>‘無刺椒’>‘仡勞無刺’。因此,花椒種植可根據(jù)枝條的抗寒情況合理布局品種。
關鍵詞:花椒;低溫脅迫;抗寒性;導水率;Logistic方程;隸屬函數(shù)評價
中圖分類號:S573.01 文獻標識號:A 文章編號:1001-4942(2021)12-0058-06
花椒(ZanthoxylumbungeanumMax.)為蕓香科花椒屬落葉小喬木,原產于中國,有悠久的食藥歷史。具有根系淺、須根多、側根發(fā)達、耐干旱瘠薄、生長迅速且結果早等特點,已成為許多農民發(fā)家致富的支柱性產業(yè),同時也是水土保持和醫(yī)療藥用的先鋒樹種之一[1]。
木質部栓塞是木本植物中由水分脅迫、低溫等逆境因子誘發(fā)的一種普遍現(xiàn)象,最常見的是水分不足引起的干旱栓塞,低溫引起的凍融栓塞在中高緯度地區(qū)或高山植物中常見,均能造成木質部導水率降低,影響植物體內水分運輸,從而影響植物的生長發(fā)育和生產能力[2,3]。一般情況下,氣溫越低,木質部栓塞程度越高[2]。負壓充水作為一種新型的洗脫處理技術,可以通過壓力使木質部導管內部充分充水,使植物插穗在扦插時處于水分飽和狀態(tài),可顯著提高插穗的成活率[4,5]。
目前對花椒抗寒性的研究大多集中在嫩梢枝葉的生理生化指標,常忽視對枝條生長狀況的評價,而花椒枝條在逆境下易發(fā)生水分虧缺,造成木質部栓塞,因木質部枝條失水導致的枯死現(xiàn)象頻發(fā)[3,6];而且前人進行的木質部栓塞試驗,多利用苗圃幼苗、盆栽幼苗作為研究材料,少有對大田自然狀態(tài)下多年生花椒進行試驗的,以花椒枝條為試驗材料的研究報道也較少[7,8]。因此,有必要對不同低溫條件下大田花椒枝條栓塞程度進行研究,以了解外部低溫脅迫對枝條導水能力的影響。
由于植物抗性評價存在多因素影響的復雜性,僅用單一指標難以全面評價其抗寒能力,在實際研究中常利用模糊隸屬函數(shù)法基于多個生理生態(tài)指標進行綜合評價[9,10]。目前該方法已廣泛應用到如蘋果[11]、胡枝子屬(Lespdisza)[12]等植物的抗性評價中。本研究基于不同花椒枝條在低溫脅迫后的木質部栓塞程度,通過分析未充水導水量、充水飽和導水量、未充水導水率、充水飽和導水率等特征,獲得不同品種花椒在低溫脅迫后的導水情況,并采用隸屬函數(shù)法評價6個花椒品種的抗寒能力,以期為花椒枝條抗寒性評判及篩選抗寒性強的品種提供一定的參考。
1 材料與方法
1.1 試驗地概況與試驗材料
試驗地位于山東省鄒城市現(xiàn)代林果科技研究院(E117°12′,N35°42′),海拔150m,屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。市域東西氣溫差異明顯,東部山地丘陵區(qū)氣溫偏低,低溫可達-16℃,寒潮現(xiàn)象頻發(fā)。
6個花椒品種分別為山東農業(yè)大學選育的‘少刺大紅袍’、陜西韓城市的‘無刺椒’和農家品種‘黃蓋’、陜西省林業(yè)技術推廣站與陜西韓城市花椒研究所選育的‘獅子頭’、西北農林科技大學選育的‘西農無刺’和‘仡勞無刺’。試驗材料均來自大田三年生花椒樹。
1.2 試驗設計與方法
于2021年1月中下旬,選擇生長健壯且長勢一致、無病蟲害、管理條件一致的花椒母樹,采集其上部外圍當年生健壯、粗度相近且均勻完整的3個枝條,從中部截取20cm枝條并在兩端做封蠟處理防止失水,4℃保存并帶回實驗室備用。
將枝條裝入自封袋后置于高低溫濕熱恒溫培養(yǎng)箱(BAGW-100,無錫博奧試驗設備有限公司)進行模擬低溫脅迫處理,處理溫度分別為4℃(CK)及0、-5、-10、-15、-20℃。每個溫度處理分別進行,處理時間均為12h,重復3次。為避免瞬時降溫過多導致植物應激性強烈,試驗以4℃·h-1降溫速率梯度降低至設定溫度,恒定12h后再以相同速率升至室溫。
低溫脅迫完成后去掉兩端的封蠟,剪取部位相同的枝段10cm,將底部插入蒸餾水中平衡1h,然后放置在負壓沖洗器(V-0.12/8,萊蕪恒銳農林科技有限公司)中洗脫處理,洗脫壓強為0.08MPa,洗脫液為0.01mol·L-1的檸檬酸溶液,洗脫10min后使枝條充分水飽和。將枝條生長上端剪為平切口,下端剪為馬耳形切口,留下均勻的木質化部分。將馬耳形一端插入導水率測定儀(40S,無錫市洛社萬鑫設備廠)的橡膠管中,用螺紋絲箍緊密閉;平切口一端插入已知重量的50mL離心管中,以0.01mol·L-1檸檬酸溶液為沖洗液,導水率儀壓強設為0.08MPa,導水時間10min,測定未充水導水率及充水后的最大導水率。
1.3 評價指標
1.3.1 導水率損失百分數(shù) 以導水率損失百分數(shù)(%)來衡量木質部栓塞程度,計算公式如下:
1.4 數(shù)據(jù)處理與分析
采用MicrosoftExcel2010和IBMSPSSStatistics22進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析(ANOVA顯著性檢驗)。
2 結果與分析
2.1 低溫脅迫對不同品種花椒枝條木質部導水率的影響
木質部栓塞程度可用于衡量植物耐受低溫脅迫的程度,栓塞程度越低,導水率越高,植物受低溫脅迫的影響越小[2]。結果(表1)顯示,各花椒品種在低溫脅迫后的未充水導水率、充水飽和后導水率均隨著溫度的降低而下降,除-5℃和-10℃間未充水導水率差異不顯著外,各低溫處理間兩種導水率均差異顯著。4℃低溫脅迫下各花椒品種間比較,未充水導水率最高的是‘少刺大紅袍’(0.103g·cm-2 ·s-1),‘無刺椒’(0.051g·cm-2·s-1)最低;-20℃脅迫時,‘獅子頭’和“西農無刺”的未充水導水率較高,達到0.025g·cm-2 ·s-1,‘仡勞無刺’和“少刺大紅袍”的最低,為0.014g·cm-2 ·s-1。充水飽和后導水率在4℃時以‘黃蓋’最高(0.214g·cm-2 ·s-1),‘無刺椒’最低(0.115g·cm-2 ·s-1);在-20℃時以‘獅子頭’最高(0.028g·cm-2 ·s-1),‘仡勞無刺’最低(0.019g·cm-2·s-1)。
枝條木質部導水率損失百分數(shù)與低溫歷時和導管輸水能力有關。6個花椒品種的導水率損失百分數(shù)總體來說有隨溫度降低而降低的趨勢;4℃時導水率損失百分數(shù)在43.01% ~70.88%之間,表現(xiàn)為‘黃蓋’>‘仡勞無刺’>‘西農無刺’>‘無刺椒’>‘少刺大紅袍’>‘獅子頭’;-20℃時,導水率損失百分數(shù)在4.68% ~45.46%之間,表現(xiàn)為‘少刺大紅袍’>‘仡勞無刺’>‘無刺椒’>‘獅子頭’>‘西農無刺’>‘黃蓋’。表明溫度越低導管輸水能力越差,導水率損失減小。
2.2 低溫脅迫下不同花椒品種枝條的半栓塞溫度
以溫度為自變量、充水飽和后導水量為因變量對低溫脅迫下花椒枝條的木質部栓塞程度進行Logistic擬合,結果(表2)顯示,各花椒品種的擬合方程的R2均在0.9000左右,達到極顯著水平,說明用Logistic方程可以很好地擬合其木質部栓塞情況。隨著溫度的降低,導水量逐漸變小,木質部栓塞逐漸加重。試驗過程中,在低溫脅迫初期導水量大幅下降,木質部急劇退化;在低溫脅迫末期,木質部導管栓塞達到一定的耐受閾值后,導水量下降幅度有所放緩。不同花椒品種間木質部栓塞程度有明顯差異,半栓塞溫度(LT50)表現(xiàn)為‘黃蓋’>‘少刺大紅袍’>‘仡勞無刺’>‘西農無刺’>‘無刺椒’>‘獅子頭’。這表明以半栓塞溫度為主要參數(shù),‘獅子頭’‘無刺椒’枝條抗低溫凍害能力較強,‘西農無刺’‘仡勞無刺’枝條抗凍害能力中等,‘少刺大紅袍’‘黃蓋’枝條抗凍害能力較弱。
2.3 導水相關指標與溫度、品種間的相關性分析
采用SPSS22.0中雙變量相關性分析對導水指標與溫度、品種間的相關性進行分析,結果(表3)表明,未充水導水量、充水飽和導水量、未充水導水率、充水飽和導水率均與溫度呈極顯著正相關(P<0.01),但與品種之間相關不顯著。說明溫度是影響花椒導水能力的主要因素,因此主要在溫度方面評價花椒枝條的抗寒性。
2.4 不同花椒品種的抗寒性評價
采用隸屬函數(shù)法對6個花椒品種的抗寒能力進行綜合評價,結果(表4)顯示,‘獅子頭’的綜合評價值最高,為0.930,抗寒能力最強;其余品種的抗寒能力依次為‘西農無刺’> ‘少刺大紅袍’>‘黃蓋’>‘無刺椒’>‘仡勞無刺’。
3 討論與結論
溫度會影響植物的生長發(fā)育,低溫嚴重時可導致植物生長停滯甚至死亡[16,17]。有研究表明,植物木質部導水能力與木質部導管有關,導管的輸水效率與溫度密切相關[18,19]。正常情況下木質部幾乎沒有栓塞,輸水能力強,其初導水率及飽和導水率高[20]。根據(jù)內部應力學說,正常情況下植物木質部導管水分保持在一定的負壓環(huán)境下,當外部脅迫增強時,木質部導管張力增大,當張力大于木質部導管原有壓力時就會產生空穴栓塞[21]。低溫脅迫可破壞植物枝條細胞中原生質體,導致水分流失,并使導管失水栓塞[22]。木質部栓塞會直接導致枝條輸水能力降低,從而影響植物上部供水,進一步影響植物正常的生理生長,嚴重時可導致植物死亡[23]。因此,溫度、品種等因子對木質部栓塞程度有重要影響[24]。本試驗結果表明,不同程度低溫脅迫均對各花椒品種的枝條導水性能產生抑制作用,低溫脅迫越重,枝條導水率越低;在相同低溫脅迫下,不同品種間導水率存在差異;但溫度是導致花椒木質部栓塞的主要因素。
試驗中采用的“沖洗法”可在一定程度上反映木質部輸水結構的差異,具有優(yōu)良抗逆性的品種在逆境脅迫改善后,木質部內可以分化產生新的輸水分子,更能恢復到較好水平,從而保障植物體次年生長的需水要求[25,26]。本研究采用隸屬函數(shù)法對6個花椒品種的抗寒能力進行了評價,結果表明‘獅子頭’的抗寒能力最強,其次為‘西農無刺’,‘少刺大紅袍’‘黃蓋’‘無刺椒’的抗寒能力居中,‘仡勞無刺’最低。
本試驗采用枝條木質部負壓充水方法對低溫脅迫后花椒木質部栓塞情況進行研究,模擬反映了枝條在低溫情況下的導水情況,相比于傳統(tǒng)的植物生理測定方式,該方法處理時間短,結果可信度較高。在實際生產中,本試驗方法可為不同氣候區(qū)的花椒品種及椒園管理提供輔助驗證,以采取合理的預防應對策略。在低溫試驗中,發(fā)現(xiàn)‘獅子頭’和‘西農無刺’的抗寒能力較強,在山東省秋冬降溫劇烈地區(qū),這或許是良好的抗低溫優(yōu)質花椒品種。另外,還可從導水效率和導管分布特征及導管間壁紋孔數(shù)量分析解讀花椒枝條的生態(tài)氣候適應性,綜合考慮多種因素影響來評價花椒枝條抗低溫能力。