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油橄榄(Olea europaea L.)是木樨榄属(Olea)常绿乔木,世界四大木本油料作物之一,野生油橄榄起源于小亚细亚,主产区在地中海区域[1],但南、北半球的40多个亚热带国家都有引种栽培,植物油产量居世界第六位[2]。油橄榄与其他亚热带常绿经济林树种一样,冷胁迫一方面影响其地理分布,另一方面造成产量的巨大损失[3],希腊和意大利就曾在2004年和2008年遭遇寒冷天气,导致油橄榄园受灾,鲜果减产[4]。我国西秦岭南坡的油橄榄主产区,位于北亚热带北缘,低温是限制该区域油橄榄地理分布和鲜果减产的重要因素[5],而引种和筛选耐低温品种能一定程度上解决低温对油橄榄栽培带来的不利影响[6]。
植物可以通过在低温条件下激活抗氧化酶系统抵御超氧自由基的毒害[7];通过调节组织中可溶性蛋白、非结构性碳水化合物以及游离脯氨酸含量来提高细胞液渗透势,提高对寒冷的忍耐力[8];低温下植物净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度等指标的变化能够反映植物光合器官受损程度,也与耐寒能力间有一定关系[9]。因此耐寒生理指标、植物光系统在低温下的破坏程度都可以作为耐寒性评价的方法,但由于各生理指标对低温敏感性差、实验数据可重复性低等因素,使植物耐寒能力定量化评价变得尤为复杂。在油橄榄适应性育种工作中,有许多科研人员致力于研发可靠的油橄榄耐寒性评价技术,用于筛选耐低温品种。地中海油橄榄主产区,M.Gómez等人通过对10个油橄榄品种越冬(−10.5 ~ −6.5 ℃)表现进行观测,发现油橄榄嫩枝抗冻性与发芽能力呈线性相关[10],品种间抗冻性存在显著差异,品种‘Cornicabra’和‘Arbequina’低温后嫩枝损伤率低,再生能力强,而‘Empeltre’、‘Frantoio’和‘Hojiblanca’耐寒性差。Cansev等人研究了9个油橄榄品种抗氧化酶的变化规律与耐寒性的关系,发现品种‘Domat’、‘Lecquest’、‘Ascolona’、‘Hojoblanca’和‘Gemlik’的组织通过增加过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和还原型辅酶II(NADPH)等酶的活性来激活抗氧化系统和脱氢酶的表达,增强了低温下细胞膜结构的稳定性,具有较强的耐寒能力[11]。在我国油橄榄作为引进树种,许多研究人员期望通过耐寒性评价来获得适合北亚热带高纬度、高海拔区域发展的品种,来扩大适生区。80年代,在油橄榄适应性研究过程中,就发现叶片节间短、叶片厚而浓绿、叶缘反卷等叶片形态与耐寒性呈正相关[12]。近几年,令凡等人也通过低温胁迫试验,对6个油橄榄品种1年生扦插苗耐寒能力的大小进行了评价,由强到弱依次为:‘Picholine’>‘Pendolino’>‘Leccino’>‘Ascolana’>‘Ez-8’>‘Frantoio’,但是采用油橄榄离体植物叶片进行低温胁迫试验所评价耐寒能力大小与活体样本有所偏差[5]。此外,低温胁迫对光系统破坏与植物耐寒性的关系在甘蔗、油菜等植物中已有研究报道[13-14],低温不耐寒品种的光系统损伤较大,叶绿素荧光参数、叶绿素含量均明显较耐寒品种低,但利用叶绿素荧光参数和气体交换参数结合评价油橄榄耐寒性的研究方法比较少见。试验以活体植株进行冷胁迫,以期揭示不同品种油橄榄幼苗膜系统、渗透调节物质、抗氧化酶系统、光系统对低温胁迫的响应,评价不同油橄榄品种幼苗耐寒性,为筛选耐寒品种提供方法和依据。
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植物材料为2年生油橄榄无性系扦插苗,由油橄榄国家林木种质资源库提供,地点位于甘肃省陇南市武都区两水镇段河坝村,地理坐标(104°47′59″~104°49′02″ E,33°23′45″~33°24′57″ N),属于北亚热带半湿润气候,年平均气温14.9 ℃,绝对最高温40 ℃,极端低温−8.6 ℃,年日照1 911.7 h,无霜期150~270 d,年降水量474~900 mm,年平均湿度61%~71%,供试品种见表1(木质化程度基本一致)。
品种
Cultivar中文译名
Chinese叶长
Leaf length/mm叶宽
Leaf width/mm叶间距
Blade spacing/mm叶厚度
Leaf thickness/mm株高
Plant height/cm茎粗
Stemdia meter/mmArbequina 豆果 51.077 ± 2.729 bc 11.783 ± 1.021 ab 23.553 ± 2.362 ab 0.470 ± 0.036 a 27.367 ± 1.198 a 3.413 ± 0.263 a EZ-8 鄂植8号 50.920 ± 1.506 bc 11.043 ± 0.582 a 25.813 ± 4.445 ab 0.483 ± 0.035 a 30.767 ± 1.453 ab 3.577 ± 0.212 a Frantoio 佛奥 44.043 ± 1.975 a 10.840 ± 0.135 a 28.757 ± 5.191 b 0.467 ± 0.012 a 30.167 ± 4.253 ab 3.730 ± 0.433 a Leccino 莱星 47.233 ± 0.994 ab 11.057 ± 0.734 a 26.393 ± 2.620 ab 0.483 ± 0.032 a 35.233 ± 2.904 b 3.443 ± 0.437 a Koroneiki 柯基 53.810 ± 3.337 c 13.100 ± 0.894 b 22.613 ± 2.121 a 0.567 ± 0.021 b 33.700 ± 1.955 ab 3.500 ± 0.360 a Picual 皮瓜尔 52.523 ± 3.496 bc 11.933 ± 1.708 ab 27.270 ± 1.259 ab 0.563 ± 0.047 b 31.933 ± 0.689 ab 3.743 ± 0.064 a Coratina 科拉蒂 52.507 ± 2.381 bc 10.563 ± 0.108 a 25.207 ± 0.454 ab 0.577 ± 0.031 b 33.700 ± 1.457 ab 3.650 ± 0.437 a Arbosana 阿尔波萨纳 51.250 ± 4.280 bc 10.917 ± 1.042 a 26.097 ± 1.931 ab 0.617 ± 0.021 b 33.200 ± 1.305 ab 3.893 ± 0.072 a 注:表中数值为平均值 ± 标准误(n=3),不同小写字母表示同一品种不同处理间在0.05水平上差异显著(P<0.05)
Notes: The values in the table are the mean ± standard error (n=3), and the different lowercase letters indicate the significant differences in the 0.05 level between the different treatments of the same variety (P <0.05)Table 1. Information of the test materials of olive seedlings
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2021年3月,每个供试品种挑选健壮且长势基本一致的30株2年生无性系扦插苗,盆栽于3 L容器中(肥水条件一致),至11月中旬大田温度降至20 ℃左右时,参照Ben-Ari[15]、Davide Guerra[16]等人冷胁迫方法,每个品种挑选21株置于人工气候室中,在22 ℃/18 ℃条件下适应14 d(光照时间为8:00—18:00,光照强度800 μmol·m−2·s−1、湿度50%~60%,温度控制误差为 ± 0.5 ℃),3株作为对照(CK),其余18株保持与之前相同的光强和光周期,以1 ℃·h−1降温速度进行低温处理,分别在达到16、12、8、4、0、−4 ℃时维持24 h,在各温度胁迫结束前3 h进行采样和测试。
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胁迫结束前3 h每个品种随机选取3株,每株选取枝条顶端至基部方向第2~4对叶片中叶形、大小较为一致的3片叶,进行光合和荧光参数测定。随机摘取枝条顶端至基部方向第2~4对叶片中5~6片,根据李玲等[13]人的方法进行叶绿素含量(Chl)、可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)、脯氨酸(Pro)、丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等指标参数测定。
光合参数测定利用LI-6400便携式光合作用分析系统;叶绿素荧光参数测定采用CF-imager叶绿素荧光图像分析仪进行离体测定;电导率用DDS-11A 型电导率仪测定。
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采用Excel 2010整理数据和SPSS 23.0进行数据处理,用Duncan多重比较检验不同处理间的差异显著性(ɑ=0.05),用origin2019作图。
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如图1a所示,温度从22 ℃降到0 ℃时,所有供试品种相对电导率逐渐增高,说明细胞膜透性缓慢增加,电解质在缓慢渗出。当温度降低至−4 ℃时,‘柯基’、‘佛奥’、‘阿尔波萨纳’和‘鄂植8号’叶片相对电导率分别升高至76.63%、72.50%、73.27%和73.00%,说明其叶片细胞膜受损严重,而‘豆果’、‘皮瓜尔’、‘科拉蒂’和‘莱星’相对电导率均小于70%,细胞膜受到伤害较小。通过Logistic方程对各品种不同处理温度和叶片相对电导率进行拟合,确定了LT50。发现8个油橄榄品种叶片相对电导率与半致死温度间呈较强正相关,供试品种的LT50介于−16.359~−9.715 ℃之间表2,耐寒性排序如下:‘豆果’>‘皮瓜尔’>‘科拉蒂’>‘莱星’>‘佛奥’>‘鄂植8号’>‘阿尔波萨纳’>‘柯基’。
Figure 1. The change characteristics of physiological indices in eight olive seedlings under low-temperature stress
品种
CultivarLogistic方程
Logistic equationR2 LT50 / ℃ 阿尔波萨纳
ArbosanaY=100/(1 + 8.123e−0.190x) 0.964 9** −11.019 ± 1.031 bc 豆果
ArbequinaY=100/(1 + 11.333e−0.148x) 0.982 5** −16.359 ± 1.225 a 鄂植8
Ezhi8Y=100/(1 + 7.478e−0.175x) 0.972 4** −11.517 ± 0.879 bc 佛奥
FrantoioY=100/(1 + 7.622e−0.176x) 0.964 4** −11.534 ± 0.586 bc 莱星
LeccinoY=100/(1 + 9.335e−0.166x) 0.965 2** −13.481 ± 1.125 b 科拉蒂
CoratinaY=100/(1 + 8.575e−0.155x) 0.932 8* −13.836 ± 1.111 b 皮瓜尔
PicualY=100/(1 + 9.441e−0.156x) 0.925 5* −14.410 ± 1.263 ab 柯基
KoroneikiY=100/(1 + 7.766e−0.211x) 0.932 8* −9.715 ± 0.774 c 注:*和**表示相关系数达显著和极显著水平。同一列中的不同小写字母表示差异显著(p<0.05)
Notes: *means significant difference at p<0.05;**means significant difference at p<0.01. Values within a column followed by different letters are significantly different at p<0.05. The same belowTable 2. Semi-lethal temperature of tested varieties
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8个油橄榄品种叶片叶绿素含量随温度的下降而减少。从22 ℃降至−4 ℃,‘豆果’和‘皮瓜尔’的叶片叶绿素含量降幅较小,分别为18.31%和18.21%,而‘佛奥’和‘柯基’降幅最大,分别为26.88%和41.37%(图1b)。
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‘豆果’、‘皮瓜尔’、‘科拉蒂’和‘莱星’叶片丙二醛(MDA)含量总体低于其他品种,在低温胁迫加剧的过程中呈先升高后降低的趋势,都在0 ℃达到高峰。0 ℃降低至−4 ℃的过程中,‘柯基’和‘佛奥’降幅度最大,为20.60%和22.61%(图1c)。
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供试品种叶片脯氨酸含量随着低温胁迫加剧总体呈升高的趋势,在−4 ℃均达到峰值,与0 ℃相比,‘皮瓜尔’增幅较大,为7.58%,而‘柯基’和‘佛奥’增幅较小,分别为0.46%和1.05%(图1d)。
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叶片可溶性糖含量随着胁迫加剧总体呈升高趋势,在−4 ℃达到峰值,‘豆果’可溶性糖含量显著高于其他品种。在0~−4 ℃,‘柯基’和‘佛奥’的可溶性糖含量均有所下降,‘柯基’降幅明显(图1e)。
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‘豆果’可溶性蛋白含量显著高于其他品种,叶片可溶性蛋白含量随温度降低而升高。−4 ℃胁迫下,‘皮瓜尔’的增幅最大,为54.14%,‘豆果’次之,而‘柯基’的增幅仅为1.67%,说明其受低温影响较大(图1f)。
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随着处理温度的降低,各油橄榄品种叶片的SOD活性总体呈先升高后降低的趋势,同一品种在不同低温胁迫下均存在显著差异(P<0.05)。在0 ℃均达到峰值,其中‘豆果’的SOD活性最高,为235.19 U·g−1,‘科拉蒂’次之。与室温CK相比,−4 ℃时,‘莱星’和‘科拉蒂’的增幅最大,‘豆果’次之,而‘柯基’和‘佛奥’增幅最小,分别为197.46%和193.70%(图1g)。
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8个油橄榄品种叶片的POD活性随着处理温度的降低总体呈先升高后降低的趋势。除‘鄂植8号’在 −4 ℃达到峰值,而其余品种均在0 ℃达到峰值,0~−4 ℃活性降低,其中‘豆果’的POD活性总体高于其他品种,而‘柯基’最小(图1h)。
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随着处理温度的降低,‘豆果’、‘皮瓜尔’、‘科拉蒂’和‘莱星’的CAT活性均呈上升趋势,在−4 ℃达到峰值,而‘鄂植8号’、‘阿尔波萨纳’、‘佛奥’和‘柯基’均呈先升高后降低的趋势,在0 ℃达到峰值(图1i)。
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以相对电导率、叶绿素含量、可溶性糖含量和可溶性蛋白质含量等9个参数,计算各参数的平均隶属函数值,并进行耐寒能力综合评价,‘豆果’、‘皮瓜尔’、‘科拉蒂’和‘莱星’的平均隶属函数值差异不显著,但与其它品种之间存在显著差异(P<0.05)。8个品种油橄榄耐寒性由强到弱见表3,依次为:‘豆果’>‘皮瓜尔’>‘科拉蒂’>‘莱星’>‘鄂植8号’>‘阿尔波萨纳’>‘佛奥’>‘柯基’。
指标
Indexes品种 Cultivar 阿尔波萨纳
Arbosana豆果
Arbequina鄂植8号
Ezhi 8佛奥
Frantoio莱星
Leccino科拉蒂
Coratina皮瓜尔
Picual柯基
Koroneiki相对电导率 Relative electric conductivity 0.52 0.54 0.69 0.00 0.66 0.83 0.99 1.00 叶绿素 Chlorophyll content 0.70 1.00 0.89 0.50 0.92 0.93 0.97 0.00 可溶性糖 Soluble sugar 0.16 1.00 0.29 0.03 0.36 0.43 0.82 0.00 可溶性蛋白 Soluble protein 0.25 1.00 0.26 0.04 0.35 0.52 0.43 0.00 脯氨酸 Proline content 0.24 0.84 0.20 0.04 0.36 0.35 1.00 0.00 丙二醛含量 MDA content 0.70 0.00 0.69 0.89 0.49 0.39 0.17 1.00 SOD活性 SOD activity 0.34 0.96 0.64 0.00 0.94 0.94 1.00 0.02 POD活性 POD activity 0.86 1.00 0.88 0.82 0.90 0.91 0.93 0.00 CAT活性 CAT activity 0.37 1.00 0.53 0.11 0.62 0.66 0.76 0.00 平均隶属度 Average degree of membership 0.46 0.82 0.56 0.27 0.62 0.66 0.78 0.22 耐寒排序 Order of cold resistance 6 1 5 7 4 3 2 8 Table 3. Membership function values of the eight olive seedlings under low-temperature stress
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参试油橄榄品种在室温下(22 ℃),各光合参数就有所差异(图2)。随着低温胁迫加剧,参试油橄榄品种叶片净光合速率(Pn)整体呈下降趋势,-4 ℃与对照(CK,22 ℃)相比,‘皮瓜尔’降幅最小为84.79%,其他品种降幅都在90%以上。低温胁迫过程中,气孔导度(Gs)在4 ℃前整体呈下降趋势,4 ℃与CK相比,‘皮瓜尔’和‘科拉蒂’的降幅最小,分别较CK下降了49.57%和78.37%;‘阿尔波萨纳’降幅最大,达到96.02%。胞间CO2浓度(Ci)在8个品种中呈现出不同的变化规律,-4 ℃时‘阿尔波萨纳’和‘柯基’较CK降低了5.36%和12.33%,其他品种都有所上升,其中‘佛奥’增幅最大为119.35%。随着低温胁迫的加剧,蒸腾速率(Tr)在−4 ℃出现明显下降,相较于CK各品种降幅基本一致,介于93.76%~96.80%。低温加剧过程中气孔限制值(Ls) 呈现先升后降再升的趋势,增加时峰值集中出现在16 ℃和12 ℃, ‘皮瓜尔’和‘阿尔波萨纳’增幅最大,分别为153.49%和137.04%(12 ℃)。水分利用效率( WUE )呈现先升后降再升的趋势,再次上升的拐点温度出现在4℃,相比对照‘阿尔波萨纳’降幅最大为56.04%。
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由图3可见,在低温胁迫下,8个供试油橄榄品种的最大光化学效率(Fv/Fm)整体呈下降趋势。−4 ℃时,‘鄂植8号’较CK降幅较小为33.26%,而‘柯基’较CK降幅最大为50.55%。从16 ℃到4 ℃胁迫过程中,‘佛奥’和‘莱星’变化趋势一致且较为缓和。
Figure 3. The change characteristics of chlorophyll fluorescence parameters in eight olive seedlings under low-temperature stress
经低温胁迫,实际光化学效率(ΦPSⅡ)在0 ℃前变化趋势较为缓和,0 ℃至−4 ℃出现明显下降,‘阿尔波萨纳’、‘豆果’、‘鄂植8号’、‘佛奥’、‘莱星’和‘科拉蒂’、‘皮瓜尔’和‘柯基’降幅分别为63.20%、60.81%、56.70%、55.01%、62.15%、64.32%、60.35%、64.56%。
各参试品种的化学淬灭系数(qP)整体呈“W形”趋势,最低值出现在8 ℃和0 ℃,4 ℃时有上升趋势,在−4 ℃时骤升出现峰值。‘阿尔波萨纳’、‘豆果’、‘鄂植8号’、‘佛奥’、‘莱星’和‘科拉蒂’、‘皮瓜尔’和‘柯基’增幅分别为24.35%、24.09%、24.35%、13.41%、29.77%、28.69%、23.24%、30.11%。
随温度胁迫的加剧,各供试油橄榄品种的非化学淬灭系数(NPQ)值在22 ℃至0 ℃变幅度不大,介于1.558~3.118,0 ℃至−4 ℃出现急剧下降,降低至0.05左右。
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采用隶属函数法对8个供试品种光合和叶绿素荧光参数的10个指标进行耐寒性综合评价。由表4可知,8个油橄榄品种的平均隶属度在0.41~0.71之间,从隶属函数综合评价值可得出耐寒性依次为‘科拉蒂’>‘豆果’>‘柯基’>‘鄂植8号’=‘佛奥’=‘莱星’>‘皮瓜尔’>‘阿尔波萨纳’。‘科拉蒂’的综合评价值高达0.71,耐寒性最强;‘阿尔波萨纳’的综合评价值仅为0.41,耐寒性最差。
测定指标
Determination index品种 Cultivar 阿尔波萨纳
Arbosana豆果
Arbequina鄂植8号
Ezhi 8佛奥
Frantoio莱星
Leccino科拉蒂
Coratina皮瓜尔
Picual柯基
Koroneiki净光合速率 (Pn)Net photosynthetic rate 0.36 0.94 0.38 0.52 0.48 0.63 0.63 0.36 气孔导度(Gs)Stomatal conductance 0.36 0.44 0.45 0.42 0.51 0.55 0.37 0.56 胞间二氧化碳浓度(Ci)Intercellular CO2 concentration 0.41 0.66 0.50 0.58 0.60 0.42 0.52 0.45 蒸腾速率(Tr)Transpiration rate 0.39 0.45 0.43 0.42 0.54 0.53 0.38 0.52 气孔限制值(Ls)Stomatal limit 0.65 0.34 0.59 0.58 0.41 0.40 0.49 0.47 水分利用效率(WUE)Water use efficiency 0.50 0.34 0.56 0.55 0.45 2.52 0.47 0.60 最大光能转化效率(Fv/Fm)Maximum light energy conversion efficiency 0.39 0.44 0.47 0.46 0.44 0.38 0.39 0.38 有效光化学量子产量(ΦPSⅡ )Effective photochemical quantum yield 0.33 0.50 0.50 0.50 0.50 0.50 0.33 0.56 光化学淬灭系数(qP)Photochemical quenching coefficients 0.62 0.49 0.41 0.41 0.51 0.63 0.62 0.64 非光化学淬灭系数(NPQ)Non-photochemical quenching coefficient 0.11 0.52 0.58 0.44 0.50 0.50 0.58 0.50 平均值 Average 0.41 0.51 0.49 0.49 0.49 0.71 0.48 0.50 耐寒性排序 Order 6 2 4 4 4 1 5 3 Table 4. Membership function values of the eight olive seedlings under low-temperature stress (photosynthetic parameters)
Evaluation of Cold Tolerance of Eight Olive Varieties in Cuttage Seedlings
- Received Date: 2022-11-10
- Accepted Date: 2023-03-31
- Available Online: 2023-12-20
Abstract: