何雪嬌,余智城,林金水,林智明,盧永春,黃阿鳳

(福建省熱帶作物科學(xué)研究所,福建 漳州 363001)

熱帶花卉是指自然生長(zhǎng)在熱帶和亞熱帶地區(qū)的一些觀賞植物資源。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，花卉的消費(fèi)結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生了變化，傳統(tǒng)的花卉已經(jīng)不能滿足人們對(duì)精神生活品質(zhì)提升的要求，而具備瓶插壽命長(zhǎng)、花色艷麗、花型獨(dú)特高雅等特征的新型熱帶花卉發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]。

近幾年來(lái)熱帶花卉發(fā)展迅速，其研究多集中在品種引進(jìn)[2-3]、栽培技術(shù)[4-7]、繁殖技術(shù)[8-9]、采后保鮮[10-13]、代謝調(diào)控[14-15]等方面，但對(duì)熱帶花卉抗冷性等生理生化方面的研究報(bào)道較少[16-17]，用多個(gè)指標(biāo)對(duì)多個(gè)熱帶花卉植物種質(zhì)資源抗冷性進(jìn)行綜合研究尚未見(jiàn)報(bào)道。植物抗冷性是一個(gè)復(fù)雜的生理生化過(guò)程，常受遺傳基因及環(huán)境因素的制約。王華等[18]研究表明，MDA與抗寒性呈負(fù)相關(guān)，即MDA值越大，抗寒性越弱；王靜[19]認(rèn)為，脯氨酸含量與抗寒性呈正相關(guān)；楊秀娟[20]研究表明，耐寒的苜蓿品種在低溫下維持了較高的SOD、POD活性。但用單一指標(biāo)很難反映種質(zhì)的抗冷本質(zhì)，而綜合幾項(xiàng)主要的生理生化指標(biāo)進(jìn)行抗冷性評(píng)價(jià)，將會(huì)使評(píng)價(jià)結(jié)果更為真實(shí)及全面。目前主成分分析法、隸屬函數(shù)法在植物抗冷性研究上已得到廣泛應(yīng)用，如孔令慧等[21]測(cè)定了紅三葉的MDA、游離脯氨酸、SOD、POD、CAT等指標(biāo)，利用隸屬函數(shù)法對(duì)4個(gè)紅三葉品種抗冷性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出了4個(gè)紅三葉品種的抗冷性順序；許桂芳等[22]測(cè)定了4種珍珠菜屬植物的MDA、SOD、POD、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)含量等生理指標(biāo)，利用隸屬函數(shù)法對(duì)4種珍珠菜屬植物進(jìn)行了抗寒性綜合評(píng)價(jià)，得出其抗寒性強(qiáng)弱順序；鄧菊慶等[23]對(duì)5個(gè)野生薔薇種的脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、MDA含量等進(jìn)行了測(cè)定，并結(jié)合隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)了5個(gè)野生薔薇種的抗寒性，得出了抗寒性強(qiáng)弱順序；劉杜玲等[24]對(duì)早實(shí)核桃品種的可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸、SOD、POD進(jìn)行了測(cè)定，利用主成分分析、隸屬函數(shù)法及聚類分析對(duì)早實(shí)核桃品種的抗寒性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，得出了抗寒性強(qiáng)弱順序。熱帶花卉品種的抗冷性是優(yōu)良切花品種向北方高緯度區(qū)域引種栽培的重要制約因素，低溫也是限制熱帶花卉產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素，因此選育抗寒高產(chǎn)的熱帶花卉品種將是今后產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。

本研究對(duì)引進(jìn)的40份熱帶花卉的可溶性糖、可溶性蛋白、SOD、MDA及脯氨酸進(jìn)行測(cè)定，應(yīng)用主成分分析法[25]和隸屬函數(shù)法，得到綜合評(píng)價(jià)值，根據(jù)綜合評(píng)價(jià)值的大小對(duì)40份熱帶花卉種質(zhì)資源進(jìn)行抗冷性排序，并根據(jù)各種質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行聚類分析，以期為熱帶花卉植物種類選擇、品種的抗寒性選育及其生產(chǎn)區(qū)域的規(guī)劃提供參考依據(jù)，同時(shí)也為其他種質(zhì)的抗冷性綜合評(píng)價(jià)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

熱帶花卉40份種質(zhì)資源取自福建省熱帶作物科學(xué)研究所熱帶切花種質(zhì)資源圃，具體情況詳見(jiàn)表1。

1.2 方 法

1.2.1 田間冷害調(diào)查 在福建省熱帶作物科學(xué)研究所苗圃，對(duì)上述40份熱帶花卉種質(zhì)資源進(jìn)行冷害情況調(diào)查。將冷害分成5級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，計(jì)算各種質(zhì)冷害指數(shù)(F)，具體計(jì)算公式如下：

(1)

式中:F為冷害指數(shù)，bj為受冷害級(jí)數(shù)為j的苗木數(shù)，Qj為受冷害級(jí)數(shù)為j的級(jí)數(shù)，B為每份種質(zhì)調(diào)查總株數(shù)，Qmax為受冷害最嚴(yán)重一級(jí)的級(jí)值。

表1 供試的40份熱帶花卉材料Table 1 Forty tropical flower materials for test

表2 冷害分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grades of frozen injury

1.2.2 材料的收集與處理 取在福建省熱帶作物科學(xué)研究所苗圃生長(zhǎng)2年的成熟種質(zhì)材料，每份種質(zhì)都在10株以上，取各種質(zhì)新梢上相同節(jié)位的葉片(頂部以下第3片葉)，每份種質(zhì)隨機(jī)取成熟、無(wú)病蟲(chóng)害的葉片，共取5份。包于濕紗布中迅速帶回室內(nèi)。用蒸餾水洗凈、擦干，根據(jù)越冬觀察結(jié)合區(qū)域最低溫將種質(zhì)置4 ℃冰箱中低溫處理12 h進(jìn)行抗冷性研究，觀察其形態(tài)特征的變化，測(cè)定可溶性糖、可溶性蛋白、SOD、MDA及脯氨酸5個(gè)理化指標(biāo)，各重復(fù)3次，取其平均值。

1.2.3 測(cè)定指標(biāo)及其方法[26]可溶性蛋白含量測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)法，可溶性糖含量測(cè)定采用蒽酮比色法，SOD活性測(cè)定采用NBT顯色法，MDA含量測(cè)定采用TBA顯色法，脯氨酸含量測(cè)定采用酸性茚三酮顯色法。

1.2.4 抗冷性綜合評(píng)價(jià) 將40份熱帶花卉的5個(gè)理化指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到指標(biāo)之間的相關(guān)性。將理化指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，獲得主成分及其貢獻(xiàn)率，以及主成分下理化指標(biāo)的系數(shù)，根據(jù)理化指標(biāo)的系數(shù)和理化指標(biāo)的矩陣可得出公因子的得分值，根據(jù)貢獻(xiàn)率可得出權(quán)重系數(shù)，根據(jù)公因子可得出隸屬函數(shù)值，根據(jù)隸屬函數(shù)值和權(quán)重系數(shù)可最終得到綜合評(píng)價(jià)值。

(1) 隸屬函數(shù)值。

Uij=(Cij-Cmin)/(Cmax-Cmin),i=1，2，3，…，40;j=1，2。

(2)

式中：Uij表示i種質(zhì)j公因子的隸屬函數(shù)值，Cij表示i種質(zhì)j公因子的得分值，Cmin表示所有種質(zhì)j公因子得分值的最小值，Cmax表示所有種質(zhì)j公因子得分值的最大值。

(2)權(quán)重系數(shù)。

(3)

式中：Wj表示第j個(gè)公因子在所有公因子中的重要程度，即權(quán)重系數(shù);Pj為第j個(gè)公因子的貢獻(xiàn)率。

(3) 綜合評(píng)價(jià)值(D值)。

(4)

式中：Di表示第i個(gè)種質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)值，Uij為第i個(gè)種質(zhì)第j個(gè)公因子的隸屬函數(shù)值，Wj為第j個(gè)公因子的權(quán)重系數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007、DPS 3.01、SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。根據(jù)D值，采用歐氏聚類法對(duì)40份熱帶花卉種質(zhì)資源進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱帶花卉種質(zhì)資源各單項(xiàng)生理指標(biāo)的變化

觀察發(fā)現(xiàn)，4 ℃低溫脅迫12 h后，除紫色橡皮樹(shù)和橙色龍船花以外，其他熱帶花卉種質(zhì)均出現(xiàn)了不同程度的萎焉、失水變褐等情況。40份熱帶花卉種質(zhì)資源葉片的可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、SOD活性、MDA含量及脯氨酸含量5個(gè)生理指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，花葉一葉蘭、一葉蘭、大葉常春藤、斑春蘭、斑葉蘭、紫色橡皮樹(shù)、蘆筍草、粉鳥(niǎo)赫蕉8個(gè)種質(zhì)的可溶性蛋白含量較高，均在0.5 mg/g以上，新昌蒲、蓬萊松、梔子花、白雪公主姜荷花、黃苞赫蕉、中國(guó)龍船花6個(gè)種質(zhì)的可溶性蛋白含量較低，在0.07～0.17 mg/g；大葉常春藤、花葉常春藤、斑春蘭、一葉蘭、蘆筍草、云龍柳、茉莉花7個(gè)種質(zhì)的可溶性糖含量較高，均在29.57 μg/g以上，龍文蘭、新昌蒲、紫色橡皮樹(shù)、白姜花、清邁粉姜荷花、黃苞赫蕉、火紅鳥(niǎo)7個(gè)種質(zhì)的可溶性糖含量較低，在8.11～10.79 μg/g；大葉常春藤、花葉常春藤、斑春蘭、露兜草(不帶刺)、鳶尾蘭、斑葉蘭、花葉一葉蘭、一葉蘭、茉莉花、粉鳥(niǎo)赫蕉10個(gè)種質(zhì)的SOD活性較高，均在405.25 U/g以上，斑草蘭、龍文蘭、新昌蒲、白姜花、黃苞赫蕉、火紅鳥(niǎo)6個(gè)種質(zhì)的SOD活性較低，在109.18～157.60 U/g；露兜草(帶刺)、鳶尾、春蘭、斑春蘭、龍文蘭、山菅蘭、一葉蘭、蘆筍草、米柳、茉莉花、白姜花、白雪公主姜荷花、地涌金蓮、黃苞赫蕉、中國(guó)龍船花、大王龍船花16個(gè)種質(zhì)的MDA含量較高，均在3 mmol/g以上，露兜草(不帶刺)、花葉常春藤、觀音竹、蓬萊松、橙色龍船花5個(gè)種質(zhì)MDA含量較低，在2 mmol/g以下；大葉常春藤、花葉常春藤、觀音竹、云龍柳、米柳、茉莉花、地涌金蓮、大紅鳥(niǎo)8個(gè)種質(zhì)的脯氨酸含量較高，均在35.64 μg/g以上，斑草蘭、山菅蘭、新昌蒲、蓬萊松、紫色橡皮樹(shù)、高山羊齒、白姜花、清邁粉姜荷花、黃苞赫蕉、火紅鳥(niǎo)10個(gè)種質(zhì)的脯氨酸含量較低，在10.20～18.71 μg/g?？梢?jiàn)，在低溫脅迫下，部分熱帶花卉種質(zhì)在某些單項(xiàng)生理指標(biāo)的含量較高的同時(shí)，另一些生理指標(biāo)的含量則較低。因此，用單一指標(biāo)難以準(zhǔn)確評(píng)判一個(gè)種質(zhì)的抗寒性強(qiáng)弱。

表3 熱帶花卉種質(zhì)資源的5個(gè)生理指標(biāo)測(cè)定結(jié)果Table 3 Test result of five physiological indexes of tropical flower germplasm resources

注：種質(zhì)序號(hào)代表的品種名稱同表1。表7和圖1同。

Note：The serial numbers of germplasm are the same as in Table 1.The same for Table 7 and Figure 1.

2.2 熱帶花卉種質(zhì)資源5個(gè)生理指標(biāo)的相關(guān)性

對(duì)40份熱帶花卉種質(zhì)資源的各項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，可溶性蛋白含量與可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān)；SOD活性與可溶性蛋白含量、可溶性糖含量都呈極顯著正相關(guān)；脯氨酸含量與可溶性糖含量、SOD活性都呈極顯著正相關(guān)，與可溶性蛋白含量呈顯著正相關(guān)。這5個(gè)理化指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性，表明各生理指標(biāo)間表征的信息有一定重疊，且熱帶花卉種質(zhì)的各單項(xiàng)生理指標(biāo)的變化幅度不同，所起的作用也不相同，說(shuō)明植物的抗冷性受多重因素的影響，用單一指標(biāo)來(lái)評(píng)判植物的抗冷性勢(shì)必會(huì)有所偏差。因此，必須用多個(gè)指標(biāo)對(duì)植物抗冷性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

表4 熱帶花卉種質(zhì)資源5個(gè)生理指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients of 5 physiological indexes of tropical flower germplasm resources

注：*表示在P<0.05水平顯著相關(guān); **表示在P<0.01水平顯著相關(guān)。

Note：*.Significant correlation inP<0.05 level;**.Significant correlation inP<0.01 level.

2.3 熱帶花卉種質(zhì)資源抗冷性的綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 主成分分析 對(duì)40份熱帶花卉種質(zhì)資源的5個(gè)生理指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見(jiàn)表5和表6。由表5和表6可見(jiàn)，第1主成分主要受可溶性糖含量、脯氨酸含量和SOD活性3個(gè)生理指標(biāo)影響，其貢獻(xiàn)率達(dá)到了59.52%，第2主成分主要受MDA影響，其貢獻(xiàn)率達(dá)到了20.36%。由于前2個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到 79.88%，因此只選擇前2個(gè)主成分即可基本代表5個(gè)生理指標(biāo)的變量信息。

表5 熱帶花卉種質(zhì)資源抗冷性綜合評(píng)價(jià)的主成分貢獻(xiàn)率 %

表6 熱帶花卉種質(zhì)資源抗冷性綜合評(píng)價(jià)2個(gè)主成分生理指標(biāo)系數(shù)Table 6 Physiological index matrix of two principal components for the comprehensive evaluation of cold resistance of tropical flower germplasm resources

2.3.2 綜合評(píng)價(jià) 根據(jù)主成分分析中各指標(biāo)的系數(shù)，可得到公因子的分值，再根據(jù)式(2)求出對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)值。根據(jù)式(3)可得出前2個(gè)主成分的權(quán)重系數(shù)分別為0.745 1和0.254 9，然后依據(jù)隸屬函數(shù)值和權(quán)重系數(shù)，求出40份熱帶花卉種質(zhì)資源抗冷性的綜合評(píng)價(jià)值D，結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知，橙色龍船花D值最大，為0.955，說(shuō)明該品種抗冷性最強(qiáng)；其次為火紅鳥(niǎo)，D值為0.818；D值最小的品種為斑春蘭，僅為0.144，表明其抗冷性最差。根據(jù)各熱帶花卉種質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)值D,對(duì)各種質(zhì)資源抗冷性由強(qiáng)到弱排序?yàn)槌壬埓?、火紅鳥(niǎo)、紫色橡皮樹(shù)、清邁粉姜荷花、新昌蒲、觀音竹、龍文蘭、杏黃龍船花、蓬萊松、斑草蘭、紅黃赫蕉、宮粉龍船花、粉鳥(niǎo)赫蕉、大王龍船花、睡蓮、大黃龍船花、白姜花、黃苞赫蕉、高山羊齒、露兜草(不帶刺)、大紅鳥(niǎo)、花葉一葉蘭、白雪公主姜荷花、斑葉蘭、露兜草(帶刺)、鳶尾、花葉常春藤、山菅蘭、春蘭、米柳、云龍柳、中國(guó)龍船花、地涌金蓮、鳶尾蘭、茉莉花、一葉蘭、大葉常春藤、梔子花、蘆筍草、斑春蘭。田間觀察結(jié)果用冷害指數(shù)F表示，冷害指數(shù)越低，抗冷性越好。橙色龍船花、紫色橡皮樹(shù)、新昌蒲的冷害指數(shù)均較低，表明其抗冷性較好；而大葉長(zhǎng)春藤、蘆筍草、斑春蘭的冷害指數(shù)均較高，表明其抗冷性較弱。赫蕉屬、姜荷花屬及地涌金蓮屬植物到冬季會(huì)休眠，其本身也是抗冷的一種方式，但到了來(lái)年也有很強(qiáng)的分蘗能力。其他種質(zhì)資源的田間觀察結(jié)果與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果大致相同。

表7 40份熱帶花卉種質(zhì)資源的公因子的得分值(C(x))、隸屬函數(shù)值(U(x))和綜合評(píng)價(jià)值(D)Table 7 Common factor score value C(x),membership function U(x) and comprehensive evaluation value D of forty tropical flower germplasm resources

2.4 熱帶花卉種質(zhì)資源抗冷性的聚類結(jié)果

對(duì)熱帶花卉種質(zhì)資源抗冷性綜合評(píng)價(jià)值(D)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，當(dāng)歐氏距離為10時(shí)，可將40份熱帶花卉種質(zhì)抗冷性分為3類：橙色龍船花、火紅鳥(niǎo)、紫色橡皮樹(shù)為一類，屬于強(qiáng)抗冷性類型；龍文蘭、觀音竹、新昌蒲、清邁粉姜荷花、露兜草(不帶刺)、大紅鳥(niǎo)、白姜花、黃苞赫蕉、睡蓮、大黃龍船花、大王龍船花、高山羊齒、紅黃赫蕉、宮粉龍船花、粉鳥(niǎo)赫蕉、斑草蘭、蓬萊松、杏黃龍船花為一類，屬于較強(qiáng)抗冷性類型；一葉蘭、茉莉花、云龍柳、地涌金蓮、斑葉蘭、鳶尾蘭、米柳、花葉一葉蘭、斑春蘭、蘆筍草、梔子花、春蘭、鳶尾、山菅蘭、露兜草(帶刺)、花葉長(zhǎng)春藤、大葉長(zhǎng)春藤、中國(guó)龍船花、白雪公主姜荷花為一類，屬于弱抗冷性類型。

圖1 基于綜合評(píng)價(jià)值(D)構(gòu)建的的40份熱帶花卉種質(zhì)資源抗冷性聚類分析結(jié)果Fig.1 Average linkage dendrogram of comprehensive evaluation value D

3 結(jié)論與討論

當(dāng)植物受到低溫影響時(shí)，植物體本身會(huì)有一定的應(yīng)激反應(yīng)來(lái)抵御逆境的侵襲，必將影響SOD活性以及可溶性蛋白、可溶性糖、MDA和脯氨酸含量5個(gè)生理指標(biāo)的變化。本研究結(jié)果表明，SOD活性以及可溶性蛋白、可溶性糖、MDA和脯氨酸含量5個(gè)指標(biāo)中，某些指標(biāo)含量較高時(shí)，另一些指標(biāo)含量則較低，各單項(xiàng)生理指標(biāo)的變化幅度不同，且5個(gè)指標(biāo)之間有一定的相關(guān)性。這是因?yàn)镸DA是膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物，MDA含量越高，代表細(xì)胞受損越強(qiáng)，故MDA值越小，代表植物抗冷性越強(qiáng)。植物對(duì)低溫有一定的適應(yīng)過(guò)程，在此過(guò)程中植物體內(nèi)的淀粉不斷分解為可溶性糖，而體內(nèi)也會(huì)不斷聚集小分子的蛋白質(zhì)和可溶性蛋白，用來(lái)保護(hù)植物體免受低溫的侵害。在低溫情況下植物體內(nèi)會(huì)積累大量的活性氧自由基，引起膜脂過(guò)氧化而導(dǎo)致植物受到冷害，SOD是具有清除活性氧自由基的保護(hù)酶，SOD活性越高，其抵御低溫的能力就越強(qiáng)。脯氨酸是有機(jī)滲透的調(diào)節(jié)物質(zhì)，其在低溫情況下大量聚集可增加細(xì)胞液的濃度，降低細(xì)胞結(jié)冰點(diǎn)。因此，采用單一指標(biāo)對(duì)植物進(jìn)行抗冷性研究具有很強(qiáng)的片面性和差異性，也無(wú)法從本質(zhì)上揭示植物的抗冷性[27-29]。只有將這些具有代表性的指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，其結(jié)果才具有一定的可借鑒性和說(shuō)服力[30-31]。

主成分分析法可將重復(fù)的變量刪去，所形成的新變量是不相關(guān)的，但同時(shí)又保持了原有的信息，在減少工作量的同時(shí)又有全面可行的優(yōu)點(diǎn)。本研究通過(guò)對(duì)5個(gè)生理指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取了2個(gè)主成分，而這2個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了79.88%，表明這2個(gè)主成分代表了原來(lái)5個(gè)生理指標(biāo)所示信息的79.88%，排除了指標(biāo)之間的信息重疊，使結(jié)果更為可信。隸屬函數(shù)法在植物抗性研究中應(yīng)用比較廣泛，也取得了一定的成果[32-34]。有研究表明，抗冷性的綜合評(píng)價(jià)值(D值)越大表明種質(zhì)抗冷性就越強(qiáng)[28]。本研究結(jié)果表明，40份熱帶花卉種質(zhì)的抗冷性可分成強(qiáng)抗冷性、較強(qiáng)抗冷性和弱抗冷性3類。同時(shí)，通過(guò)對(duì)其田間情況進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)，結(jié)果表明，根據(jù)D值得到的評(píng)價(jià)結(jié)果與田間觀測(cè)結(jié)果大致相同，這從另一個(gè)方面表明此法在植物抗冷性評(píng)價(jià)中具有一定可行性和準(zhǔn)確性。