甘蔗（Saccharum officinarum L.）是典型的C4作物,喜温,对生长环境有一定要求,特别是生长过程中对温度的要求较高[1,2]。近年来,随着温室效应的不断加剧,全球气候变化反常,在我国甘蔗主产区早春或冬季寒害频现,导致甘蔗生产和制糖工业发展受阻,经济受损。因此,开展甘蔗耐寒机理研究,合理评价甘蔗耐寒种质资源,对种质创新及提高甘蔗耐寒性具有重要意义。
植物在低温胁迫下会对自身的形态、生理生化结构进行调整,产生复杂多样的应激机制来维持自身生命活动,以适应环境的改变。已有研究表明,植物抗寒性与形态结构以及体内脯氨酸（Pro）、可溶性蛋白（SP）、可溶性糖（SS）等物质含量与活性氧和抗氧化酶活性密切相关。前人通过对葡萄、竹子的抗寒能力进行比较,发现耐寒性较强的品种的植株存活率、芽萌发率相对较高[3,4];对水稻[5]、高粱[6]、小麦[7]等作物进行低温胁迫研究发现,Pro、SP、SS含量随温度的降低和处理时间的延长逐渐增加,且耐寒品种比冷敏感品种增幅大;低温处理后,玉米[8]、小麦[7]的膜脂过氧化物丙二醛（MDA）含量变化与抗寒性强弱呈负相关;一定低温条件下,植物的活性氧和自由基清除抗氧化酶活性一般呈上升趋势,但不同植物、不同发育期、不同组织器官的抗氧化酶活性反应趋势有不同,如低温胁迫下,砧用南瓜的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性均显著升高[9],黄瓜幼苗的SOD、POD、CAT活性下降[10],小麦叶片的POD与CAT活性则呈先上升后下降的现象[11]。不同研究者也先后开展了甘蔗响应低温胁迫的相关研究,发现甘蔗受低温胁迫后,形态上通常表现出叶片枯萎、生长点受损、侧芽坏死、蔗茎呈水渍状等症状[12];脯氨酸、SP、SS含量增加,耐寒品种比冷敏感品种增加明显[13];SOD、POD、CAT活性在短期内上升,但随着胁迫温度的加强和时间的延长而下降[14,15],且不同品种对低温的抗性和受害程度表现不同[16]。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 供试材料 由云南省农业科学院甘蔗研究所提供6份材料,分别是来自巴布亚新几内亚的28NG16、57NG155、96NG16甘蔗原种,印度哥印拜陀的Co281甘蔗杂交种,澳大利亚的KQ01-139甘蔗杂交品种,以及中国台湾的ROC22甘蔗杂交品种。
1.1.2 材料处理 将供试材料进行桶植（规格为Φ 36 cm×h 33.7 cm）,土壤为赤红壤,每桶种植4个单芽,出苗后定苗3株,进行常规管理。待甘蔗生长至成熟期时,将长势一致的蔗株移入人工智能温室进行低温处理,处理设置为自然温度/-3 ℃（08：00- 20：00/20：00-08：00）,处理均为自然光照,处理期间常规管理;每个处理3盆,3次重复。低温处理3 d后,分别取+1叶和蔗茎上、中、下3个部位的节间用于测定各理化指标。
1.2 方法
1.3 数据处理
使用Microsoft Excel 2010软件、SPSS 18.0软件进行数据统计和分析比较;采用隶属函数法[24]分析评价每个品种耐寒性。隶属函数值计算如下：
隶属函数值计算公式：
A=(H-Hmin)/(Hmax- Hmin)
反隶属函数值计算公式：
A=1-(H-Hmin)/ (Hmax-Hmin)
B=(A1+An)/n
式中,A表示各材料指标的隶属函数值,且A∈[0, 1];Hmin、Hmax表示各参试材料的最小值、最大值;B为材料的模糊隶属函数均值,n为指标数。与耐寒性呈正相关的指标采用隶属函数计算,与耐寒性呈负相关的指标采用反隶属函数计算;隶属函数均值B越大,表明耐寒性越强。
2 结果与分析
2.1 低温胁迫对甘蔗植株的影响
表1 低温胁迫对蔗株的影响Tab. 1 Effect of cold stress on the growth of different sugarcane varieties |
| 品种 Variety | 侧芽受损率 Lateral bud damage rate/% | 节间受损率 Internode damage rate/% | 蔗茎“上水”率 Water boiling symptom rate of stem/% | 生长点受损率 Growth point damage rate/% |
|---|---|---|---|---|
| ROC22 | 85.19±25.66 | 100.00±0.00 | 58.50±6.90 | 100.00±0.00 |
| Co281 | 100.00±0.00 | 100.00±0.00 | 62.77±9.91 | 100.00±0.00 |
| KQ01-1390 | 63.13±11.91 | 100.00±0.00 | 69.70±16.59 | 100.00±0.00 |
| 57NG155 | 51.50±19.80 | 100.00±0.00 | 100.00±0.00 | 100.00±0.00 |
| 28NG16 | 36.94±16.87 | 100.00±0.00 | 62.10±8.41 | 100.00±0.00 |
| 96NG16 | 60.88±20.00 | 100.00±0.00 | 66.23±2.52 | 100.00±0.00 |
2.2 低温胁迫对蔗叶电导率的影响
叶片相对电导率是衡量植物低温受害程度的重要生理指标。经低温处理后,6个供试品种叶片相对电导率均显著上升,其中96NG16的相对电导率变化幅度最大,为319.09%,与KQ01-1390的相对电导率存在显著差异,与其余品种差异不显著;28NG16变化幅度相对较小,为135.29%,与96NG16的电导率差异不显著,与其余品种存在显著差异（图2）。
2.3 低温胁迫对蔗茎MDA含量的影响
植物MDA含量变化是评价质膜损伤程度的重要标志。经低温处理后,6个供试品种蔗茎的MDA含量均增加,其中ROC22增幅达显著水平,为22.28%,与Co281、KQ01-1390、28NG16、96NG16的MDA含量存在显著差异,与57NG155差异不显著;而28NG16增幅较小,仅为1.91%,与ROC22、KQ01-1390的MDA含量存在显著差异,与其余品种差异不显著（图3）。
2.4 低温胁迫对蔗茎Pro含量的影响
Pro作为渗透调节物质,可在低温胁迫条件下提高植物渗透压,增强保水力,减轻质膜受损程度。经低温处理后,6个供试品种蔗茎的Pro含量总体呈增加趋势,其中Co281、KQ01-1390的增幅显著,分别为143.81%、60.99%,Co281与96NG16的Pro含量存在显著差异,与其余品种差异不显著;28NG16的增幅最小,为11.52%,与96NG16的Pro含量存在显著差异,与其余品种差异不显著（图4）。
2.5 低温胁迫对蔗茎抗氧化酶活性的影响
SOD、CAT、POD是植物体内的保护酶系统,在植物逆境代谢中起着重要的保护作用。经低温处理后,6个甘蔗品种蔗茎的SOD活性均下降,其中ROC22、57NG155、28NG16、96NG16的降幅显著,分别为37.44%、68.42%、39.64%、80.07%,KQ01-1390的降幅最小,为17.79%;96NG16与ROC22的SOD活性存在显著差异,但与其余品种差异不显著。蔗茎的CAT活性均升高,其中KQ01-1390、57NG155的增幅显著,分别为21.21%、33.33%,57NG155与其余4个品种的CAT活性差异显著,而KQ01-1390与其余4个品种的CAT活性差异不显著;Co281的CAT活性增幅最小,仅为2.94%,与ROC22、KQ01-1390、28NG16、96NG16的CAT活性差异不显著。蔗茎的POD活性均下降,其中Co281、28NG16的降幅显著,分别为41.67%、40.00%,且二者POD活性差异显著;57NG155的POD活性降幅最小,为14.29%,与28NG16的POD活性差异显著,与其余品种差异不显著（图5）。
2.6 耐寒性综合评价
运用隶属函数法对各品种甘蔗耐低温评价指标进行综合评价,6个甘蔗品种的耐低温能力顺序依次为：KQ01-1390>Co281>ROC22>28NG16> 57NG155>96NG16（表2）。根据排序可知供试甘蔗材料中杂交品种耐低温能力强于甘蔗原种,其中KQ01-1390最耐寒。
表2 不同甘蔗品种隶属函数值Tab. 2 The values generated by membership function method for different sugarcane varieties |
| 品种 Variety | 相对电导率 Relative conductivity | MDA | Pro | SOD | CAT | POD | 平均隶属度 Average membership |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ROC22 | 0.190 | 0.000 | 0.055 | 0.219 | 0.024 | 0.054 | 0.090 |
| Co281 | 0.139 | 0.030 | 0.250 | 0.243 | 0.000 | 0.000 | 0.110 |
| KQ01-1390 | 0.094 | 0.019 | 0.093 | 0.320 | 0.048 | 0.099 | 0.112 |
| 57NG155 | 0.133 | 0.019 | 0.013 | 0.060 | 0.080 | 0.120 | 0.071 |
| 28NG16 | 0.171 | 0.050 | 0.000 | 0.208 | 0.007 | 0.007 | 0.074 |
| 96NG16 | 0.000 | 0.010 | 0.004 | 0.000 | 0.007 | 0.037 | 0.009 |
3 讨论
冷害胁迫会对甘蔗产业带来不利影响,尤其是在成熟期。本研究表明各供试品种经低温处理后形态和生理指标均发生显著变化,对低温的抵抗性差别很大。温度是植物生长发育过程中一个非常重要的环境因子,低温处理后各甘蔗品种的蔗叶、生长点、侧芽、蔗茎均不同程度受损,茎内组织呈水煮状等症状。膜脂过氧化产物MDA是鉴定植物膜受低温危害程度的重要指标之一,低温处理后各品种的蔗叶相对电导率上升,蔗茎MDA含量也相对增加,与孙富等[25]研究中低温胁迫对蔗叶膜生理影响结果一致,说明温度过低甘蔗体内的活性氧平衡被打破,蔗叶的细胞膜系统受到伤害,其膜脂过氧化程度加深。Pro具有较强的水合能力,各品种蔗茎Pro含量在低温处理后不断累积,与张保清[26]对生长后期甘蔗低温处理后发现其体内Pro含量增加结果一致,说明温度过低甘蔗会相应增加体内的Pro来提高渗透调节能力,进行自我保护。SOD、CAT、POD是植物体内清除活性氧自由基的重要抗氧化保护酶,低温处理后各品种蔗茎的SOD和POD活性下降,CAT活性上升,与陆思思等[14]发现的不同抗寒甘蔗品种低温胁迫下节间SOD、POD活性随处理时间的延长下降结果一致,与陈荣发等[15]发现甘蔗在低温胁迫下体内CAT活性先升后降再上升结果不一致,可能是由于供试材料与处理方法不同,蔗株对逆境的响应不同造成的,但说明了这些抗氧化酶活性与甘蔗的耐低温胁迫性有一定的相关性,温度过低甘蔗会改变自身的抗氧化酶活性来清除体内过多的超氧自由基,保护自身免受低温伤害。甘蔗耐寒机制受多种因素影响,单一耐寒指标不足以判定甘蔗对逆境的适应能力,通过隶属函数法综合多个抗性指标,比较分析发现供试材料KQ01-1390耐寒性最强,而96NG16耐寒性弱,且3个杂交品种的耐寒性均优于3个原种;马翎健等[27]、张新等[28]分别对
小麦、宿生棉的耐冷性杂种优势进行研究,认为其杂种具有抗寒性杂种优势,且耐寒性强的亲本在杂种耐寒性强弱中起主导作用,由此可知,甘蔗杂交品种耐寒能力强于原种这可能是受杂种优势的影响。目前,在我国滇西南甘蔗优势产区,由于受竞争作物和竞争产业的影响,甘蔗发展区域不断向高海拔边缘蔗区推进,随着海拔的升高,低温、霜冻危害时有发生,因此,因地制宜的做好甘蔗品种区域配置尤为重要。综上所述,可知杂交品种在耐寒性方面存在着优势,所以关于甘蔗耐寒性研究可进一步从品种及其亲本间的演进关系探究,明确杂交甘蔗耐寒性优势将有助于甘蔗抗寒品种的选育和我国高海拔蔗区生产实际应用。