持续自然降温对不同甘蔗品种形态及生理指标的影响

材料中抗逆基因的导入，甘蔗种植已从热带地区扩大到亚热带和温带地区[1]。我国近年来气候变化异常，出现极端最低气温，气候变化不稳定性增加，寒冷灾害更加严重，寒害和冷害使甘蔗生产和制糖工业生产受到严重阻碍，每年都会造成不同程度的经济损失[1-6]，低温寒害严重影响甘蔗生产以及制糖工业和其他用糖企业的稳定发展。因此，研究甘蔗抗寒性对提高甘蔗抗寒能力具有重要的意义。

受冻害甘蔗主要表现为心叶先死亡呈黑色，然后是生长点死亡，叶片受害干枯呈灰白色，不能进行光合作用，蔗茎上部嫩芽受冻害后变为黑褐色，受冻害严重的蔗茎，组织全部或部分呈水渍状，节间有红褐色斑，有时节间开裂，蔗糖分逐渐水解，有酸腐味，茎内组织变质由上而下逐渐扩展，严重降低原料蔗品质[7-13]，谭宗琨等将冻害对甘蔗的伤害症状分为重级、中级、轻级和基本正常4个等级[2，14]。

在甘蔗成熟期，比较容易遭受自然低温伤害的一般是在其生长期或成熟期，从而导致蔗茎呈水渍状，严重影响蔗糖生产。因此，研究甘蔗成熟期对低温的忍受能力及机制，针对不同冷敏感型甘蔗抗寒性的差异研究，选择抗寒性差异显著的品种为研究材料，对于寻求甘蔗抗寒育种理论上的突破与创新具有重要意义。本研究对8个不同甘蔗品种在持续自然降温后的形态和生理变化进行比较，再用隶属函数法对其抗寒性的强弱进行评价和排序，为深入研究甘蔗抗寒机制、品种推广以及常遭受寒害侵袭的蔗区选择栽培品种提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区所在地资源县位于广西壮族自治区北部，地处110°13′～110°54′E、25°48′～26°16′N之间，属亚热带季風湿润气候区。由于地形地貌复杂，境内小气候多样，具有明显的山地气候特征。全县年均气温16.4 ℃，年均降水量 1 761.1 mm，年均日照时数1 307.6 h，年均无霜期 300 d，是广西霜、雪、冰期最早、最长的县份之一。试验地位于资源县城附近，土壤为栗钙土，土层深厚，土质肥沃，有灌溉条件。试验采取随机区组设计，3次重复，单行区，行长12 m，行距 1 m，小区面积12 m2。供试甘蔗于2013年3月11日种植，下种量为16芽/m，试验田的管理按照常规措施进行。

1.2 试验材料

共8个甘蔗品种，详见表1。

1.3 取样时间和方法

于2014年2月4日（最低气温为5.2 ℃）采样，每个品种随机选取5个生长一致的甘蔗，取+1叶（甘蔗最高可见肥厚带叶片）。

1.3.1 茎水渍状节数的计算 肉眼看到有水渍状现象的计算为产生水渍状节。

1.3.2 甘蔗茎尖褐变指数的计算 根据茎尖颜色的深浅和组织软硬的程度，将甘蔗茎尖褐变程度用褐变指数表示，分为5级：0级为生长点完好，颜色浅黄色，组织有一定硬度；1级为生长点有轻微褐色，组织还有一定硬度；2级为生长点有较深褐色，组织还有一定硬度；3级为生长点深褐色并扩展到幼叶部位，组织变软；4级为生长点深度褐变并扩展到幼叶和生长点以下幼茎部位，组织变软；5级为生长点及幼叶和生长点以下幼茎深度褐变腐烂。

1.3.3 绿叶数的计算 肉眼观察叶片呈绿色，而且不萎蔫或干枯的部分为绿叶，整张叶片都是以上特征的计算为1张绿叶，有部分枯黄的叶片按绿色叶片占叶全长的比例计算绿叶数。

1.3.4 叶绿素含量的测定 用SPAD-502叶绿素测定仪测每个品种叶片中部叶绿素相对含量（SPAD值）（SPADL）。

1.3.5 蔗汁锤度和甘蔗糖分含量的测定 按张笃思的方法[15]测定：蔗汁锤度用比重计法，甘蔗糖分含量用二次旋光法。

1.4 数据处理与分析

采用Excel和SPSS统计软件统计分析试验数据，参照张文娥等的方法[16-19]，计算隶属函数值、平均隶属度，分析评价品种抗寒性。隶属函数公式如下：

隶属函数=（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）。

（1）

式中：Xi为指标测定值，Xmin、Xmax分别为所有参试材料某一指标的最小值、最大值。如果某一指标与抗寒性呈负相关，则用反隶属函数进行转换：

反隶属函数=1-（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）。

（2）

2 结果与分析

2.1 资源县气象资料和甘蔗田间生长情况

资源县相关气象资料显示，从2013年11月中旬开始降温，11月17日受较强冷空气影响，出现雨夹雪天气，降温幅度较大，12月中下旬又出现低温。2014年1月初再次出现寒潮天气，一直持续低温，出现当年日最低温度-3 ℃（图1）。降温前，甘蔗生长状况良好，叶片油绿（图1-a），随着降温时间延长，甘蔗寒害程度加深，叶片枯黄（图1-b～图1-d），其中2014年2月4日甘蔗严重受害，大部分叶片枯黄（图1-d）。

2.2 不同甘蔗品种的形态表现

在2014年2月，广西资源县已达到当地的最低气温 -3 ℃，在种植的8个试验品种中，发现大部分甘蔗品种已严重受冷害，从图2可以看出，不同甘蔗品种的抗寒能力存在明显差异，受害较轻的品种，绿叶数多，茎无水渍状，茎尖无褐变现象；相反，受害较严重的品种，叶片枯黄，茎水渍状严重，茎尖褐变也严重。

2.3 不同甘蔗品种水渍状的差异

低温会导致甘蔗细胞结冰，细胞胀破死亡产生组织水渍状现象[20]。从图3可以看出，不同甘蔗品种在降温后期茎组织产生水渍状现象的严重程度有明显差异，本试验中不同甘蔗品种中产生水渍状现象的严重程度依次为GT28

2.4 不同甘蔗品种茎尖褐变指数的差异

低温下发生的组织褐变是由于冰晶的增大使细胞膜结构破坏而打破了细胞内酚-酚酶区域化分布后，酚、酚酶和氧相互接触，发生氧化褐变[21-23]。从图4可以看出，不同甘蔗品种在持续降温后期茎尖组织产生的褐变现象有明显差异，供试品种中产生水渍状现象的严重程度依次为GT28

2.5 不同甘蔗品种绿叶数的差异

叶片主要进行光合和蒸腾作用，绿叶数越多，光合能力就越强[24]，绿叶数是鉴定植物抗寒性的重要指标之一[25]。从图5可以看出，降温后期品种间绿叶数达明显差异，供试品种绿叶数按多少排序依次为GT28>GT21>GAN18>FN15>ROC22>TT98>YL8>YL6。由图6可以看出，+1绿叶占全叶的比例按高低排序依次为GT28>GAN18>ROC22>TT98>GT21>FN15>YL8>YL6，其中GT28绿叶数最多，有5张，+1叶绿叶完整；而YL6最严重，无1张完整绿叶，+1叶也几乎全部枯黄。

2.6 不同甘蔗品种叶绿素含量的差异

叶绿素含量是反映植物光合作用能力的间接指标，低温会导致叶绿素含量降低[26-27]。从图7可以看出，不同甘蔗品种在降温后期叶绿素含量有明显差异， 供试品种中叶绿素含量按高低排序依次为GT28>GT21>GAN18>FN15>ROC22>TT98>YL8>YL6，其中GT28叶绿素含量最高，而YL6叶绿素含量最低。

2.7 不同甘蔗品种蔗汁锤度的差异

锤度是指可溶性固形物含量的百分比，植物中可溶性固形物含量高能增强细胞渗透势，降低细胞溶液的冰点[28]。从图8可以看出，不同的甘蔗品种在降温后期蔗汁锤度下降程度有明显差异，供试品种中锤度降低严重程度依次为GT28

2.8 不同甘蔗品种蔗糖含量的差异

低温胁迫下细胞蔗糖的积累有和锤度相同的生理功能，蔗糖含量是植物抗寒性研究中普遍采用的抗寒性指标之一[29-30]。从图9可以看出，不同甘蔗品种在降温后期糖分含量下降程度有明显差异，不同甘蔗品种间差异明显，供试品种中蔗糖含量降低严重程度依次为GT28

2.9 不同抗寒指标的相关性

自然降温后不同甘蔗品种茎水渍状节数、茎尖褐变指数、绿叶数、+1叶绿叶占全叶比例、叶绿素含量、锤度下降比例、蔗糖分下降比例等农艺性状均表现出不同程度的差异，不同指标之间的相关性见表2。

从表2可以看出，茎水渍状节数与茎尖褐变指数、锤度下降比例、蔗糖下降比例呈极显著正相关，与绿叶数、+1叶绿叶占全叶比例、叶绿素含量呈显著、极显著负相关；茎尖褐变指数与甘蔗锤度下降比例、蔗糖下降比例均呈显著正相关，与绿叶数、+1叶绿叶占全叶比例、叶绿素含量呈极显著负相关。绿叶数与+1叶绿叶比例、叶绿素含量呈正相关，与锤度下降比例、蔗糖下降比例呈极显著负相关；叶绿素含量与锤度下降比例、蔗糖下降比例呈负相关，锤度下降比例与蔗糖分下降比例呈极显著正相关。茎水渍状节数是衡量低温伤害的比较直接的鉴定指标[5]，分析结果表明，茎水渍状节数与其他指标呈负相关，起负面效应，该指标越高，抗寒性越低。叶绿素含量、绿叶数、+1叶绿叶占全叶比例对甘蔗抗寒起正向作用，含量越高，甘蔗越抗寒；而茎尖褐变指数、锤度下降比例、蔗糖下降比例和茎水渍状节数之间呈明显正相关性。以上结果表明，低温胁迫对甘蔗的影响是多方面的，茎水渍状节数、茎尖褐变指数、绿叶数、+1叶绿叶占全叶比例、叶绿素含量、锤度下降比例、蔗糖下降比例可作为不同甘蔗品种抗寒性鉴定的重要指标。

2.10 利用隶属函数评价甘蔗抗寒性

采用模糊数学中隶属函数法，以水渍状节数、茎尖褐变指数、绿叶数、+1叶绿叶占全叶比例、叶绿素含量、锤度下降比例、蔗糖下降比例等7个农艺性状指标对8个甘蔗品种抗寒性进行综合评价，不同甘蔗品种的平均隶属度见表3。参照前人研究方法[16-18]结合大田实际情况，按照平均隶属度将抗寒性分为3级，Ⅰ级：0.60～1.00，为高抗寒品种；Ⅱ级：0.30～0.59，为中抗寒品种；Ⅲ级：0～0.29，为低抗寒品种。8个品种的耐寒能力大小依次为：GT28>GT21>FN15>GAN18>YL8>TT98/0432>ROC22>YL6，其中桂糖28号最耐寒，园林6号最不耐寒。

3 讨论与结论

温度是植物生长发育过程中十分重要的生态因子，在低温环境中，植物形态和生理等方面都发生不同程度的改变[31-32]。本研究结果表明，持续自然降温后甘蔗形态和生理等发生很大变化，不同甘蔗品种茎的水渍状节数、茎尖褐变指数、绿叶数、叶绿素含量、锤度和蔗糖在冷害前和冷害后的差值均有明显差异，表明不同甘蔗品种受冷害的程度不一样，甘蔗抗寒能力存在品种间的差异。

组织呈水渍状的原因是由于温度低到冻结状态时细胞间隙的水分结冰，使细胞原生质的水分析出，冰块逐渐加大致使细胞脱水，或使细胞解离死亡而造成的[20，33]。组织水渍状的程度是鉴定植物抗寒性的重要指标之一[5]。本研究结果显示，自然降温后抗寒性较强的甘蔗品种桂糖28号、桂糖21号组织水渍状节数较少，其次为中抗品种叶片；而抗寒性较弱的甘蔗品种ROC22、园林8号，园林6号水渍状严重。表明桂糖28号最耐寒，而园林6号最不耐寒。

组织褐变是植物细胞酚、酚酶、氧接触后产生的现象[21-23，34]。低温环境下，一方面超氧化物歧化酶（SOD）等一些清除自由基的酶活性下降，体内自由基产生和清除平衡受破坏，导致丙二醛的积累，破坏膜的结构[35]；另一方面由于霜冻导致组织结冰，对细胞组织产生伤害，膜结构的破坏酚、酚酶和氧相互接触，发生氧化褐变[21，36]。组织褐变是细胞膜受伤的产物，其褐变程度是鉴定植物抗寒性的重要指标之一[37]。本研究结果显示，自然降温后抗寒性较强的甘蔗品种桂糖28号、桂糖21号组织褐变最少，其次为福农15号、赣蔗18号的叶片，而抗寒性较弱的甘蔗品种如园林8号，园林6号叶片组织褐变严重。

叶片是植物进行光合和蒸腾作用的器官。正常植物叶肉细胞中的叶绿体膜上分布着叶绿素a和叶绿素b，所以叶片呈绿色。绿叶数越多，光合能力就越强。低温环境下，叶绿体膜受破坏，叶绿体解体，叶绿素被分解，叶片变黄，不能行使其正常的功能。植物中绿叶数是鉴定植物抗寒性的重要指标之一[25]。本研究结果显示，自然降温后抗寒性最强的甘蔗品种桂糖28绿叶数最多，其次是桂糖21号、福农15号和赣蔗18号；而抗寒性较弱的甘蔗品种如ROC22、台糖98/0432和园林8号、园林6号绿叶数较少，其中园林6号的绿叶数最少。

叶绿素含量是反映植物光合作用能力的一个间接指标，叶绿体是植物体内冷敏感性很强的细胞器，长期低温会导致叶绿素的分解加快，叶绿素含量降低[38-41]。相关报道显示，叶片叶绿素含量是鉴定作物抗寒性的指标之一[26，42]。在本研究中，自然降温后期抗寒性较强的甘蔗品种桂糖28号、桂糖21的叶绿素含量较高；而抗寒性较弱的甘蔗品种如ROC22、台糖98/0432和园林8号、园林6号含量较低。其中叶绿素含量最高的是桂糖28号，最低的是园林6号。

锤度是指可溶性固形物含量的比例，植物中可溶性固形物含量高能增强细胞渗透势，降低细胞溶液的冰点，还可缓冲细胞质过度脱水，从而减少逆境胁迫对细胞的伤害[28]。糖还能清除羟自由基，抵抗逆境的伤害，可溶性糖在低温胁迫下积累是各种植物的抗寒性研究中普遍采用的抗寒性指标[29-30]。本研究表明，甘蔗在自然降温后期，锤度和糖分含量大部分都降低，但不同的品种降低的幅度不一样，桂糖28号、桂糖21、福农15和赣蔗18糖分含量降低幅度明显低于新台糖22、台糖98/0432和园林8号、园林6号，其中降幅最低是桂糖28号，降幅最高的是园林6号。

低温对甘蔗的影响是复杂的，不仅表现在形态上，同时也表现在生理生化过程中。由于供试品种不同，蔗株对低温的适应能力各异。因此，在进行甘蔗品种抗寒性鉴定时，不能使用单一的指标，而应以多个指标综合评价。隶属函数法已经成功应用于葡萄[16]、玉米[17]、小麦[43]、苜蓿[18]、月季[19]、甘薯[44]等其他作物的抗逆性评价，并证明其对抗性筛选的可靠性。本研究综合前人的经验，将隶属函数分析法应用于自然低温条件下的大田甘蔗抗寒性研究，应用多个形态和生理指标对不同甘蔗品种进行综合抗寒性评价，提高了评价的准确性，在理论和实践中都有一定的指导作用。

不同甘蔗品种对长时间持续低温的反应各异，本研究根据7个相关性状指标，运用隶属函数法的分析方法对供试的8个甘蔗品种成熟期的抗寒性进行综合评价，划分为3级，其中Ⅰ级高抗寒型品种2个，Ⅱ级抗寒型品种2个，Ⅲ级低抗寒型品种4个，其中桂糖28号抗寒性最强，园林6号抗寒性最弱。

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