电导率法配合田间霜冻鉴定福建省主栽马铃薯材料耐寒性

李扬　凌永胜　林金秀

摘要：以17份马铃薯材料为试材，研究在低温驯化前后，马铃薯叶片在低温胁迫下电解质外渗率的变化规律，经Logistic方程拟合分析测定马铃薯的低温半致死温度（LT50），结合聚类分析和田间自然霜冻鉴定等方法，对试材耐寒性和耐寒类型进行评价，为指导马铃薯耐寒栽培及新品种推广提供理论依据。结果表明，相对电导率与处理温度呈“S”形曲线变化，与Logistic方程相吻合;田间自然霜冻鉴定结果和室内电导率鉴定均可以有效评价马铃薯材料的耐寒性;17份试材无低温驯化能力或驯化能力较弱，其中桂龙薯1号、泉云4号和V201707表现出较强的耐寒性，可供耐寒性育种亲本使用。

关键词：低温驯化;马铃薯;半致死温度;耐寒性;电导率法

中图分类号：S532.01文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2021）04-0045-06

作者简介：李扬（1990—），女，四川成都人，硕士，研究实习员，[JP3]从事马铃薯育种及栽培技术研究。E-mail：liyang201862@qq.com。

通信作者：凌永胜，研究员，从事马铃薯等作物育种与栽培技术研究。E-mail：707993289@qq.com。

马铃薯（SolariumtuberosumL.）于2015年1月被列为继水稻、玉米、小麦之后的我国第四大主粮作物，它喜冷凉，但不耐低温霜冻。当温度低于7℃时，马铃薯停止生长，-0.8℃时遭受冷害，-1.5℃时遭受冻害，-3℃时植株会冻死[1-2]。我国南方秋冬作区马铃薯主要分布在福建、广西、广东、浙江、四川、云南、贵州、湖南和湖北等省（区）[3]。冬种马铃薯具有市场销售价格高、对环境保护友好等优势，使得南方冬作区的马铃薯种植面积逐年增大[4]。马铃薯是福建三大作物之一，[HJ1.8mm]福建省内每年1月中旬至2月中旬常受到强寒流天气入侵，尤其是2008、2015、2018年的低温霜冻天气给省内冬种马铃薯生产带来严重的经济损失。因此，筛选、鉴定和研究耐寒性马铃薯材料对于马铃薯育种与促进产业的可持续发展具有十分重要的意义。

采用电导法配合Logistic方程推导半致死温度的方法更能准确反映植物所耐受的低温极限，是目前鉴定植物耐寒性较为可靠的方法[5]，已被广泛应用于辣椒[6]、火龙果[7]、马铃薯[8-9]等不同的植物上。李华伟等应用电导法配合Logistic方程，测定了17个马铃薯品种的半致死温度[9]。许多植物在一定的非伤害性温度下低温锻炼一段时间（即低温驯化）后，其耐寒能力可以得到不同程度的提高[10]。目前，利用Logistic方程非线性拟合电导率鉴定马铃薯低温驯化前后耐寒性的研究较少[9，11-22]，将室内人工耐寒鉴定与田间自然鉴定相结合进行马铃薯耐寒性研究在南方冬作区尚未见报道。本研究以17份马铃薯品种（系）为试材，探究低温驯化前后马铃薯电解质外渗率的变化规律，分析测定马铃薯半致死温度（LT50），并结合田间自然耐寒鉴定结果，探讨应用电导法配合Logistic方程快速测定马铃薯耐寒性的可行性，评价马铃薯材料的耐寒性及低温驯化能力，为进一步研究马铃薯品种的耐寒性及耐寒品種的选育提供理论依据。

1材料与方法

试验材料共17份：桂龙薯1号、紫花851、费乌瑞它、泉云3号、泉云4号、V201701、V201703、V201706、V201707、V201711、V201719、V201723、V201725、V201810、V201818、V201823和V201831，均为泉州市农业科学研究所保存的品种（系）资源材料。2018年9月在泉州市农业科学研究所试验基地（118°34′27″E、24°52′50″N）播种，供试材料播种于10cm×10cm的塑料钵内，栽培基质为蛭石，每份材料播6盆，每盆1株。出苗26d后移入冷光源人工气候培养箱中低温驯化14d，培养箱设置如下：培养温度4℃/2℃（昼/夜，下同），光照度100μmol/（m2·s），光照时间14h/d;出苗40d后，取顶端大小一致的叶片称质量后进行低温处理及电导率测定。

1.2试验方法

1.2.1离体叶片低温处理采用魏亮的测定方法[11]（略改动）对试验材料的离体叶片进行低温处理，处理过程如下：用蒸馏水冲洗离体叶片3～5次，吸干水分后立即放入试管底部，每支试管放入1张叶片（共24支）封口;将试管放入低温循环水浴锅中（冷冻液为50%乙二醇），初始温度设为0℃，保持30min，降到-0.5℃，保持30min;-0.5℃降到-1℃，保持1h，在-1℃下保持30min时在每支试管中加入一小块冰块，再保持30min后取样;-1℃降到-1.5℃，保持1h，然后降到-2℃，保持30min后取样;-2℃降到-3℃，保持30min后取样;以此类推，直至温度降到-7℃，分别取样，每次取样3支，将取样试管放在4℃冰箱中解冻过夜。

1.2.2电导率的测定将解冻后的叶片剪成小块后立即装入试管，并加入20mL蒸馏水;用真空泵抽气6min，在振荡器上振荡1h（转速为220r/min）;静置15min，测电导率，重复3次，取平均值为R1;将试管放入沸水浴30min后，测电导率，重复3次，取平均值为R2。

电解质外渗率=R1/R2×100%。

1.2.3Logistic拟合方程及半致死温度分析将每个温度对应的电导率平均值与Logistic方程进行非线性拟合分析，方程拐点即为试材的半致死温度（LT50），即材料的抗寒能力。Logistic拟合方程：y=k/（1+ae-bt），式中：y为相对电导率;k为细胞伤害率的饱和容量即y的最大极限值，%;a、b为方程参数;t为冷冻温度，℃。

1.2.4田间自然耐寒性鉴定2018年10月10日于福建省德化县美湖镇美湖村（地理位置118°4′14″E、25°36′49″N）播种，海拔672m，沙质红壤，地势平坦，前茬作物水稻，11月8日出苗。试验采用随机区组排列，种植畦宽（含沟）1.2m，双行畦植，株距28cm，每份供试材料的小区面积6.67m2，3次重复。2018年12月18日，德化县发布霜冻蓝色预警，地表最低温度为-1℃，12月9日对试验材料的田间自然寒害损伤等级进行评分。损伤等级评分标准参照Vega等的方法[12-13]（表1），并对每份材料的评分结果进行统计分析。

2结果与分析

2.1不同低温的电导率变化

由图1可知，随着处理温度的降低，各品种的相对电导率不断升高，但上升的速度并不均匀，呈现出“慢—快—慢”的趋势，大体呈“S”形曲线。当处理温度在0～-1℃时，各品种的相对电导率略有增加，平均上升7.2百分点，说明叶片细胞膜透性缓慢增大;处理温度在-1～-5℃时，各品种相对电导率急骤上升，平均上升63.4百分点，说明叶片细胞膜受到严重伤害;处理温度在-5～-7℃时，相对电导率变化较小，平均仅提高2.1百分点，说明叶片细胞膜已失去基本功能。

不同的马铃薯品种在低温处理下叶片相对电导率的增加速率不同。处理温度在-1～-3℃时，桂龙薯1号、泉云3号及泉云4号的相对电导率均低于50%，表现出较强的耐寒性;处理温度在-3～-5℃时，各品种的电导率均超过80%，表明叶片电解质渗出十分严重，细胞膜受到的不可逆损伤加剧。从测定结果来看，紫花851和費乌瑞它耐寒力相对较弱，桂龙薯1号、泉云3号和泉云4号耐寒力较强。

2.2低温驯化前后电导率配合Logistic方程求LT50

低温使膜透性呈可逆性增加时，可能是叶片[HJ2mm]细胞对低温刺激的一种适应性反应;当它呈半可逆增加时，则是细胞遭受伤害的标志;当它呈不可逆增加时，则是细胞因低温寒害致死的结果。通过Logistic方程y=k/（1+ae-bx）对相对电导率（y）和温度（x）进行拟合，能够较好地反映两者之间的关系，当电解质渗透为50%时的温度即为半致死温度（LT50）。

对17份马铃薯材料的相对电导率配合Logistic方程，所得方程和LT50见表2。低温驯化前各Logistic方程的拟合度R2在0.961～0.991范围内（P<0.01），表明拟合结果精确可靠，低温胁迫下电解质外渗率遵循Logistic方程的变化规律。

从表2可以看出，低温驯化前17份马铃薯材料的LT50在-1.2～-3.6℃之间，平均LT50为-2.5℃。LT50可以区别耐寒性差异，LT50低的材料耐寒性较强。以耐寒性较强的品种桂龙薯1号为对照，V201707的耐寒性最强，泉云4号其次，二者的LT50均低于对照的-3.4℃;V201703的耐寒性最弱（LT50为-1.2℃）。

如表3、表4所示，经低温驯化后，大部分材料的LT50均高于-4℃，仅有V201707的LT50最低，为-4.0℃;各材料驯化前后的LT50变化不大，其中V201711、V201810和V201823的LT50几乎没有改变（<0.1℃），其他的LT50均有所降低，其中费乌瑞它的LT50降幅最大，降低了0.6℃，说明供试材料冷驯化能力较弱。

由图2可知，经人工气候培养箱低温驯化7d后显示，部分材料的叶片出现卷曲、萎蔫、叶片边缘变褐及植株长高缓慢的现象，且随着驯化时间的延长，症状越来越严重。这进一步表明供试的17份材料驯化能力较弱。

2.3低温驯化前LT50的聚类分析

低温驯化前，17份材料的LT50聚类分析结果见图3，在欧氏距离4.8处可将供试材料划分为3类：第1类为寒害敏感型，包括V201701、V201703、V201719、V201725共4份材料，占供试材料的23.5%。这些材料在低温驯化前的LT50在-1.2～-1.9℃之间，表现对寒害敏感。第2类为耐寒力较弱型，包括紫花851、费乌瑞它、泉云3号及V201706等共10份材料，占供试材料的58.8%。各材料的LT50都在-2.1～-2.9℃范围内。第3类为耐寒型材料，共3份，分别是桂龙薯1号（对照）、泉云4号和V201707材料，占供试材料的17.6%。这些材料在低温驯化前的LT50介于-3.4～-3.6℃之间，说明低温驯化前的耐寒力强。

2.4田间自然寒害鉴定

2018年12月18日德化县美湖乡试验基地的地表最低温度为-1℃，12月9日对试验材料进行自然寒害损伤等级评分（表5）。田间自然寒害损伤评分值低于2的有桂龙薯1号、泉云3号、泉云4号和V201831共4份材料，表现为耐寒性强;田间自然寒害损伤评分值在2～4的有紫花851、费乌瑞它、V201706、V201707、V201711、V201719、V201723、V201725、V201810、V201818和V201823共11份材料，表现为耐寒性弱;田间自然寒害损伤评分值超过4的V20170和V201703，表现对寒害敏感。

将低温驯化前后的室内电导率结果分别与田间自然霜冻鉴定结果进行相关性分析，结果（图4、图5）显示，室内鉴定的LT50与田间自然霜冻损伤结果均极显著相关，相关系数分别为0.846和0.853，表明室内低温鉴定结果是真实可靠的，能够有效评价马铃薯材料在田间低温霜冻环境下的存活情况，且田间霜冻损伤评价结果与低温驯化后的LT50相关性更强。

3讨论与结论

植物耐寒性的鉴定方法主要有电导率鉴定法、形态学鉴定法、田间霜冻鉴定法、叶绿素荧光分析法、同工酶分析法、电阻分析法等[14]。目前，评价马铃薯耐寒性的方法主要有室内电导率法和田间自然霜冻鉴定法，其中田间自然鉴定法简单、快捷，适合大批材料的鉴定，Vega等对2600多份马铃薯材料进行了田间自然霜冻评价，并建立了马铃薯田间自然霜冻评价标准[12]，但该方法容易受田间气候的影响，具有一定的局限性;植物的生物膜系统在冷害胁迫下膜脂产生相变，导致细胞膜透性增大以及次生的其他生理生化反应[15]，室内电导率法基于此原理来推测细胞膜的受伤程度，当电解质渗透率为50%时的温度即半致死温度（LT50），可以用来准确地反映马铃薯耐寒性，该方法适合小样本的测定。

本研究将室内电导率法和田间自然霜冻鉴定法相结合，研究发现相对电导率与处理温度呈“S”形曲线变化，与Logistic方程相吻合，并且随着温度的降低，叶片受到的伤害愈发严重，电解质渗透率增加，叶片的相对电导率上升，这与葛亚英等的研究结果[16]相一致。将田间自然霜冻鉴定结果与室内电导率鉴定结果进行相关性分析，相关性达极显著水平，表明室内电导率鉴定结果真实可信，能够评价马铃薯材料在田间低温霜冻环境下的存活情况，可以作为马铃薯田间自然霜冻损伤程度的预测方式，与魏亮等的研究结果[11，14，17]一致。低温驯化前，本研究分析的17份马铃薯材料的LT50介于-1.2～-3.6℃，绝大多数材料（82.4%）不耐低温霜冻，可能在我国马铃薯育种中，传统育种是主要的育种方式，审定品种的遗传背景差异较小;低温驯化后，各材料的LT50没有显著的变化，说明我国栽培品种无驯化能力或驯化能力很弱，与前人研究结果[11，14，18-22]吻合。在本试验条件下，共筛选出3份耐寒性较强的材料，分别是桂龙薯1号、泉云4号和V201707，可为耐寒育种提供种质材料;此外，V201831在室内试验中电导率表现一般，经聚类分析，属耐寒力较弱型，但在田间自然霜冻鉴定中，该材料表现出较强的耐寒力，尚待进一步研究。

本研究应用电导率法配合Logistic方程测定了低温驯化前后17份马铃薯材料的LT50，并结合田间自然霜冻鉴定结果。结果表明：应用电导法配合Logistic方程可以对马铃薯材料的耐寒性进行快速鉴定，能够准确评价马铃薯材料的田间耐寒情况，并且我国选育的栽培品种（系）的低温驯化能力普遍较弱。

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