低溫脅迫下西瓜生理生化指標研究進展

張娜，曾紅霞，任儉，施先鋒，孫玉宏，畢秋榮

（武漢市農(nóng)業(yè)科學研究所，430345）

低溫脅迫下西瓜生理生化指標研究進展

張娜，曾紅霞，任儉，施先鋒，孫玉宏，畢秋榮

（武漢市農(nóng)業(yè)科學研究所，430345）

目前大多數(shù)西瓜栽培品種不耐低溫，了解低溫脅迫引起的西瓜生理生化變化及測定指標，有助于西瓜育種、育苗和設施栽培的發(fā)展。本文綜述了西瓜在低溫脅迫條件下的生理生化指標研究概況，提出了今后研究和育種的方向，以及實際生產(chǎn)中簡單的預防措施，以期為相關研究及實際生產(chǎn)提供參考。

西瓜；低溫脅迫；生理生化指標

西瓜Citrullus lanatus，（Th）Mansfeld原產(chǎn)非洲熱帶地區(qū)，喜溫耐熱，是世界五大重要水果之一。為了提早上市，獲得更高的經(jīng)濟效益，近年來采取設施栽培的西瓜面積不斷擴大。然而，早春和深冬設施內(nèi)的低溫（0℃左右）或亞適溫（低于15℃）會造成瓜苗長勢明顯減緩，生長點彎曲、消失等現(xiàn)象，影響西瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)。低溫已成為西瓜設施栽培和工廠化育苗發(fā)展的限制因素之一。因此，了解低溫脅迫條件下西瓜的生理生化變化機理及鑒定指標，對促進西瓜設施栽培的穩(wěn)定發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 低溫脅迫引起的植物生理生化變化

低溫脅迫對植物的影響主要在于細胞膜。細胞膜作為細胞與外界環(huán)境的界面，是一個主要由脂類、蛋白質(zhì)和碳水化合物組成的動態(tài)平衡體系。正常情況下，膜是液晶相的狀態(tài)，低溫脅迫條件下，膜內(nèi)部成分會進行適應性調(diào)節(jié)，膜脂由液晶態(tài)變?yōu)槟z態(tài)，脂肪酸脫飽和酶發(fā)生作用，產(chǎn)生不飽和脂肪酸，不飽和脂肪酸與細胞表面結(jié)合，阻止水分子的通過，原生質(zhì)體的形態(tài)也會發(fā)生相應變化，以適應低溫環(huán)境[1，2]。隨著溫度的降低，活性氧的積累引發(fā)膜脂過氧化作用，產(chǎn)生丙二醛（MDA）等過氧化產(chǎn)物，破壞膜結(jié)構(gòu)，膜內(nèi)物質(zhì)外滲，外界鈣大量進入細胞質(zhì)基質(zhì)中，鈣離子與鈣調(diào)蛋白結(jié)合激活磷脂酶A2，產(chǎn)生更多不飽和脂肪酸，形成羥基過氧化物，分解出丙二醛，加劇對細胞膜的破壞，最終造成細胞膜崩潰[3]。植株表現(xiàn)為根系吸收能力下降、呼吸減弱，能量供應不足，失水大于吸水，植株萎蔫干枯；呼吸速率大起大落，先升后降，特別是不耐冷的植物或品種表現(xiàn)特別明顯[4]；葉綠素生物合成受阻，光合作用減弱，葉片黃化或缺綠，各種光合酶活性受到抑制，光合速率下降；酶促反應平衡失調(diào)，物質(zhì)代謝失調(diào)，物質(zhì)分解加速，植物內(nèi)源激素ABA水平、可溶性糖、游離氨基酸、可溶性蛋白含量均會增加。

2 低溫脅迫下西瓜生理生化指標的研究

目前西瓜低溫冷害研究還處在起步階段，主要集中在冷害指數(shù)、電解質(zhì)滲透率、葉綠素含量、可溶性蛋白含量、抗氧化酶活性和丙二醛含量及內(nèi)源激素的測定等方面。

2.1 冷害指數(shù)

葉片冷害指數(shù)是鑒定植物耐低溫特性的有效指標之一[5]。許勇等[6]對西瓜進行低溫處理發(fā)現(xiàn)，西瓜耐低溫能力的強弱與冷害指數(shù)呈負相關。劉慧英等[7]對嫁接西瓜耐冷性的研究發(fā)現(xiàn)，嫁接苗的耐冷性明顯高于西瓜自根苗，從而推斷砧木能提高嫁接西瓜苗的耐冷性?？梢姡鞴先~片冷害指數(shù)與植株耐低溫能力呈負相關，我們可根據(jù)耐冷指數(shù)判斷西瓜的耐低溫能力。

2.2 電解質(zhì)滲透率

如前所述，低溫脅迫下，植物膜脂發(fā)生相變，細胞內(nèi)溶物外滲，那么，細胞受損越嚴重，電解質(zhì)滲透率會越高，電導率值也越大，則低溫耐受力越弱。很多研究者證實，西瓜耐低溫能力的強弱與電導率高低呈負相關。劉慧英等[8]研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫條件下，嫁接苗的電解質(zhì)滲透率明顯低于自根苗，并且耐冷性強的嫁接苗葉片電解質(zhì)滲透率低于耐冷性弱的嫁接苗。張愛華等[5]對21份西瓜種質(zhì)資源在人工模擬氣候條件下進行電導率測定，發(fā)現(xiàn)野生西瓜材料耐冷指數(shù)最小，耐低溫能力最強。因而，西瓜浸提液電導率值亦可作為判斷其耐低溫能力的參考指標。

2.3 葉綠素含量

低溫脅迫直接引起植物光合機構(gòu)的損傷，也影響光合電子傳遞和光合磷酸化及暗反應的相關酶系，葉綠素含量的變化可反映植物對低溫環(huán)境的適應能力。彭金光等[9]對低溫脅迫下不同耐冷性西瓜品種葉綠素熒光參數(shù)（Fv/Fm）的變化進行研究，發(fā)現(xiàn)耐冷性弱的品種在15℃下表現(xiàn)Fv/Fm值下降，而耐冷性強的品種在10℃和15℃下都表現(xiàn)Fv/Fm值上升，說明耐冷性弱的品種對低溫敏感，在相對較高的溫度下光合作用就受到抑制，而耐冷性強的品種對低溫適應性較強。劉慧英等[8]研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫引起的嫁接苗葉片葉綠素含量的下降趨勢顯著低于實生苗，葉綠素含量變化幅度越小，說明其耐低溫能力越強。

2.4 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

可溶性糖、脯氨酸（Pro）、可溶性蛋白是植物細胞內(nèi)的重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，這3種物質(zhì)含量的增加是植物對低溫的適應性反應，其含量高低與包括西瓜在內(nèi)的多種植物的抗寒性呈正相關。彭金光等[9]研究發(fā)現(xiàn)，10℃低溫下，西瓜幼苗Pro含量隨處理時間的延長而增加，耐冷性強的品種的Pro含量增加幅度小于耐冷性弱的品種；耐冷性強品種的可溶性糖含量表現(xiàn)為先下降后上升，耐冷性弱的品種則表現(xiàn)為持續(xù)上升。楊萬邦等[14]研究發(fā)現(xiàn)，不同西瓜品種幼苗在12℃低溫處理前6 d，Pro含量都有較大幅度的增加，6 d后部分品種Pro含量有所下降，而其余品種Pro含量仍繼續(xù)上升，但升幅較小?？梢姡蜏孛{迫下西瓜的可溶性糖和Pro含量均有所升高，但在耐冷性不同品種中的變化規(guī)律存在差異。劉文革等[10]和張愛華等[5]對低溫條件下不同西瓜材料進行了可溶性蛋白測定，均發(fā)現(xiàn)可溶性蛋白含量隨溫度降低而增加?？扇苄缘鞍缀康臏y定和分析也可作為衡量西瓜耐低溫能力的重要指標之一。

2.5 抗氧化酶活性

一般認為，植物冷害與脂膜過氧化緊密相關，活性氧代謝失調(diào)及其大量積累是植物在低溫脅迫下細胞受損的主要原因之一。雖然直接對活性氧進行測定的可操作性不強，但根據(jù)抗氧化酶SOD可以清除O2-.，所產(chǎn)生的H2O2再由抗氧化酶CAT和POD來清除，使植物體內(nèi)活性氧代謝平衡，提高植物耐低溫能力[11]這一現(xiàn)象，研究者對抗氧化酶的活性進行測定，即可反映植物的耐低溫脅迫能力。

段會軍等[12]研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，西瓜幼苗葉片SOD、POD的活性呈現(xiàn)上升趨勢，說明低溫能誘導抗氧化酶活性。張愛華等[5]對21份西瓜種質(zhì)資源在人工模擬氣候條件下進行SOD、POD測定，發(fā)現(xiàn)隨溫度的降低，植物體內(nèi)保護酶的活性增強，抵御低溫傷害的能力提高。許勇等[13]研究表明，野生西瓜材料和冷敏西瓜材料幼苗葉片內(nèi)SOD、CAT的活性隨低溫脅迫時間的延長持續(xù)下降，而野生材料下降幅度較冷敏材料小，表現(xiàn)出耐冷性。然而，劉文革等[10]卻發(fā)現(xiàn)，隨低溫脅迫時間的延長，不同倍性蜜枚西瓜中SOD、POD的活性都先升后降，且二倍體的增加幅度比四倍體和三倍體大。從以上報道來看，西瓜幼苗抗氧化酶活性的變化規(guī)律并不完全一致，但研究者有一個共同的發(fā)現(xiàn)，即在相同的處理條件下，耐冷性強材料的抗氧化酶活性高于耐冷性弱的材料。

2.6 丙二醛含量

一定范圍內(nèi)的低溫不會造成植物膜脂過氧化，但在低溫冷害條件下，活性氧自由基的積累超過閾值時，膜脂過氧化就會發(fā)生，產(chǎn)生大量MDA，因此MDA含量的高低可反映植物遭受低溫冷害的程度。許勇等[6]研究表明，耐冷性不同的西瓜幼苗在低溫脅迫下，MDA含量和電導率都表現(xiàn)出上升趨勢，但耐冷性強的品種的上升幅度相對較小，說明耐冷性強品種的膜脂過氧化作用較弱，細胞膜的穩(wěn)定性較好。劉慧英等[7]研究表明，耐冷性強的西瓜嫁接苗葉片中的MDA含量低于耐冷性弱的嫁接苗。段會軍等[12]發(fā)現(xiàn)，西瓜幼苗在8℃、15℃和25℃時，MDA的含量與冷害指數(shù)呈極顯著正相關。可見，MDA含量的高低反映了西瓜細胞膜脂過氧化程度，其含量越高，說明西瓜受低溫傷害的程度越嚴重，低溫耐受力也就越低，反之越高。

2.7 內(nèi)源激素ABA

脫落酸（ABA）是一種植物內(nèi)源激素，在低溫脅迫時，可以通過促進水分從根系向葉片的輸送，迅速關閉氣孔以減少水分的損失；可誘導滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)增加維持細胞膜的穩(wěn)定性；還能夠提高保護酶的活性，降低膜脂過氧化程度，誘導抗冷基因表達而增強植物的耐低溫能力[15]。很多研究證明，ABA可以顯著提高植物的抗冷性[16~18]。為了研究ABA對西瓜幼苗抗冷性的影響，蒲高斌等[19]用5種不同濃度的ABA處理3葉1心期的西瓜幼苗，結(jié)果表明，在低溫脅迫前噴施ABA能有效提高西瓜幼苗葉片中SOD和CAT活性，減緩MDA的積累，維持細胞膜的完整性，還能促進可溶性糖和Pro含量增加。

3 問題與展望

以上介紹了低溫脅迫對西瓜生理生化的影響，以及眾多研究者在該領域的探索，根據(jù)幾種指標和物質(zhì)含量的測定及其變化規(guī)律的觀察，可以鑒定西瓜品種耐低溫能力的強弱。實際生產(chǎn)中，我們可以通過低溫鍛煉、嫁接、提前人為增施某些物質(zhì)等方法來提高西瓜對低溫的適應能力，降低因低溫帶來的凍害或冷害損失[20]。

雖然西瓜耐低溫的相關研究不少，但仍存在不能確定的理論，需從分子水平上進行進一步探討；當前研究涉及的耐低溫能力鑒定指標也較多，但仍未能建立起簡便有效的評定標準和體系，應加快該項工作，為西瓜育種和栽培工作提供依據(jù)。另外，目前西瓜耐冷材料和品種也較缺乏，選育耐低溫新品種應作為重點研究內(nèi)容，為了加快育種進程，可結(jié)合現(xiàn)代生物技術進行新品種選育。

[1]Baid V W.Low temperature and drough regulated gene expression in Bermudagrass[J].Tuffgrass and Environmental Research,1994(Summary):32-33.

[2]Fei Y B，Shu N H，Huang T，et al．Cellular and biochemical correlates to chilling and freezing tolerance in plant[J].Prog Biotech,1994,14(3):40-43.

[3]敖光明，劉瑞凝．細胞生物學[M]．北京：北京農(nóng)業(yè)大學出版社，1987．

[4]李合生．現(xiàn)代植物生理學[M]．北京：高等教育出版社，2006：341－343.

[5]張愛華，王靜華，李艷梅，等．西瓜種質(zhì)資源耐低溫性評價[J]．中國農(nóng)學通報，2010，26（18）：219－223．

[6]許勇，王永健，張峰，等．西瓜幼苗耐低溫研究初報[J]．華北農(nóng)學報，1997，12（2）：93－96．

[7]劉慧英，朱祝軍，呂國華．低溫脅迫對嫁接西瓜耐冷性和活性氧清除系統(tǒng)的影響[J]．應用生態(tài)學報，2004，15（4）：659－662．

[8]劉慧英，朱祝軍，呂國華，等．低溫脅迫下西瓜嫁接苗的生理變化與耐冷性關系的研究[J]．中國農(nóng)業(yè)科學，2003，36（11）：1 325－1 329．

[9]彭金光，孫玉宏，師瑞紅,等．西瓜幼苗10℃和15℃低溫處理下相關生理指標的比較分析 [J]．武漢植物學研究，2006，24（5）：441－445．

[10]劉文革，王鳴，閻志紅．不同倍性蜜枚西瓜幼苗在低溫脅迫下的生理生化特性[J]．果樹學報，2003，20（1）：44－48．

[11]楊國志．西瓜耐冷種質(zhì)的離體化學誘變研究[D]．杭州：浙江大學，2007.

[12]段會軍，李喜煥，吳立強,等．低溫脅迫下西瓜幼苗生理特性與冷害的關系[J]．中國農(nóng)學通報，2007，23（1）：84－87．

[13]許勇，張海英，康國斌，等．西瓜野生種質(zhì)幼苗耐冷性的生理生化特性與遺傳研究[J]．華北農(nóng)學報，2000，15（2）：67－71．

[14]楊萬邦，劉東順，趙曉琴，等．不同西瓜品種苗期耐低溫弱光性綜合評價[J]．北方園藝，2008（4）：10－13．

[15]郝格格，孫忠富，張錄強，等．脫落酸在植物逆境脅迫研究中的進展[J]．中國農(nóng)學通報，2009，25（18）：212－215．

[16]湯日圣，唐現(xiàn)洪，鐘雨，等．微生物源ABA對茄苗抗冷性和某些生理指標的影響[J]．園藝學報，2006，33（1）：149－151．

[17]湯日圣，黃益洪，唐現(xiàn)洪，等．微生物源脫落酸（ABA）對辣椒苗耐冷性的影響[J]．江蘇農(nóng)業(yè)學報，2008，24（4）：467－470．

[18]郭鳳領，盧育華，李寶光．外源ABA對番茄苗期和開花期抗冷特性的影響 [J]．山東農(nóng)業(yè)大學學報：自然科學版，2000，31（4）：357－362．

[19]蒲高斌，張凱，張陸陽，等．外源ABA對西瓜幼苗抗冷性和某些生理指標的影響[J]．西北農(nóng)業(yè)學報．2011，20（1）：133－136．

[20]徐錦華，羊杏平，劉廣，等．西瓜耐冷性研究進展[J]．江蘇農(nóng)業(yè)科學，2010（5）：208－210.

[21]和紅云，田麗萍，薛琳．植物抗寒性生理生化研究進展[J]．天津農(nóng)業(yè)科學，2007，13（2）：10－13．

Research Progress of Physiological and Biochemical Indexes of Watermelon under Low Temperature Stress

ZHANG Na,ZENG Hongxia,REN Jian,SHI Xianfeng,SUN Yuhong,BI Qiurong
(Wuhan Academy of Agricultural Science and Technology,430345)

At present,most watermelon cultivars are not resistant to low temperature,so understanding the physiological and biochemical changes and determining the related indexes of watermelon under the low temperature stress,can contribute to the development of the resistance breeding and facility cultivation of watermelon.This article reviews the research progress of watermelon physiological and biochemical indexes under low temperature stress,pointing out the further directions of research and breeding and simple preventive measures,in order to provide references for the related research and practical production.

Watermelon;Low temperature stress;Physiological and biochemical index

10.3865/j.issn.1001-3547.2012.06.003

張娜（1980-），女，碩士，農(nóng)藝師，現(xiàn)從事主要西瓜栽培與育種相關研究工作，E-mail：540005693@qq.com

孫玉宏，通信作者

2012-02-27