低溫和鎂脅迫對黃瓜幼苗生長和生理特性的影響

謝小玉張喆

（西南大學農(nóng)學與生物科技學院，南方山地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，重慶 400716）

鎂是植物的第四大必需元素，缺鎂導致作物產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟效益大幅度降低（丁玉川 等，2008）。近年來，很多研究從不同角度探討了鎂脅迫對作物的影響。研究表明，增施鎂肥可明顯提高大白菜的產(chǎn)量，改善大白菜品質(zhì)（韓冬芳 等，2010）。在低鎂濃度條件下，水稻總根長和根冠比增加（丁玉川 等，2009）。鎂缺乏和鎂過量脅迫顯著降低了橘橙幼苗的株高、根長、根系活力、葉綠素含量及各部位干樣質(zhì)量，但顯著提高了相對電導率與MDA含量，無鎂處理還顯著降低了SOD 與CAT 活性（申燕 等，2011）。缺鎂脅迫下黃瓜光合作用主要受非氣孔限制，而多鎂脅迫下氣孔因素和非氣孔因素二者兼具（謝小玉 等，2009）。

研究表明，根際鎂離子濃度和溫度是影響溫室黃瓜鎂吸收的最主要的兩個因素（謝小玉 等，2007）。但是目前溫度和鎂二因素脅迫對作物影響的研究還不多見。為探討根際鎂離子濃度和溫度對黃瓜幼苗生長、碳氮代謝及活性氧清除系統(tǒng)的影響，本試驗在人工氣候室內(nèi)采用珍珠巖育苗，研究了不同鎂離子濃度和溫度的影響，以期探討低溫下黃瓜的鎂營養(yǎng)機理，為冬季溫室管理提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設(shè)計

試驗于2006年4～12月在西南大學農(nóng)業(yè)部作物品質(zhì)改良重點實驗室進行，黃瓜（Cucumis sativusL.）品種為津優(yōu)1號。

試驗為二因素裂區(qū)設(shè)計。硫酸鎂（MgSO4）濃度設(shè)適鎂（2.5 mmol·L-1）、多鎂（5.0 mmol·L-1）和缺鎂（0 mmol·L-1）3個水平，分別用A1、A2、A3表示，營養(yǎng)液中SO42-濃度用 Na2SO4調(diào)節(jié)一致。溫度設(shè)適溫（25 ℃/15 ℃）和低溫（15 ℃/12 ℃）2個水平，分別用 B1、B2表示。營養(yǎng)液中其他元素及肥料用量Ca（NO3）294.63 g·L-1、KNO370.8 g·L-1、NH4H2PO46 g·L-1、螯合鐵1.84 g·L-1、MnSO4·H2O 1.5 mg·L-1、HBO33 mg·L-1、ZnSO4·7H2O 0.15 mg·L-1、CuSO40.03 mg·L-1、Na2MoO4·2H2O 0.015 mg·L-1。

挑選勻稱的黃瓜種子，用10%H2O2消毒30 min，然后用蒸餾水反復沖洗干凈，放在25 ℃的恒溫箱內(nèi)催芽48 h，選露白一致的種子播入裝有珍珠巖（pH 6.3、水氣比1∶1.04、容重120 kg·m-3、大孔隙29.5%、小孔隙30.75%、總孔隙度60.3%，使用前用等體積的蒸餾水浸泡2次，每次24 h）的育苗缽中，缽高10 cm，直徑10 cm，每缽播2粒。播種后第3天開始澆1/2全營養(yǎng)液。子葉展開后間苗，每缽保留健壯的生長一致的1株苗，開始進行不同處理，每處理30株，每2 d澆1次營養(yǎng)液，缺鎂處理的植株葉片出現(xiàn)缺鎂癥狀時（五葉期）取樣測定。

1.2 測定項目和方法

各處理隨機選8株測定株高（子葉下至生長點）、莖粗（子葉下）、總?cè)~片數(shù)、第3片葉葉面積，用自來水沖洗掉珍珠巖測最大根長、地上部和地下部的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量等。并計算壯苗指數(shù)（壯苗指數(shù)=莖粗/株高×地上部干質(zhì)量）及根冠比。

取第 2～4片葉混合，測定各項生理指標。硝酸還原酶（NR）活性按朱廣廉等（1990）的方法測定，可溶性蛋白采用考馬斯亮藍比色法、根系活力采用TTC法、可溶性糖采用蒽酮比色法、還原糖采用3，5-二硝基水楊酸法、丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法、超氧化物歧化酶（SOD）活性采用抑制 NBT光還原比色法、過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚比色法測定（高俊鳳，2006），超氧自由基（O2）產(chǎn)生速率采用王愛國和羅廣華（1990）的方法測定，過氧化氫（H2O2）含量采用林植芳等（1988）的方法測定，過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測定（陳貽竹和帕特森，1988）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel2003軟件對原始數(shù)據(jù)進行整理，SPSS17.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以Duncan’s新復極差法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度及鎂脅迫對黃瓜幼苗生長的影響

由表1可知，同一溫度下缺鎂脅迫葉面積、根長、全株干質(zhì)量降低，尤其低溫缺鎂脅迫（B2A3）下葉面積、根長、全株干質(zhì)量分別較對照降低23.20%、14.07%和48.51%。低溫下，總?cè)~片數(shù)、葉面積、根長、全株干質(zhì)量都較適溫下低。同一溫度下，多鎂脅迫以上各項指標下降幅度均小于缺鎂脅迫。

表1 不同溫度下鎂對黃瓜幼苗生長的影響

根冠比在鎂脅迫下增加，尤其在低溫缺鎂脅迫（B2A3）下增加幅度最大，較對照增加44.19%，表明鎂脅迫和低溫使根系干質(zhì)量增加，地上部干質(zhì)量減少，從而對植株干物質(zhì)的分配產(chǎn)生影響。不論溫度如何，鎂脅迫都極顯著降低了黃瓜幼苗的壯苗指數(shù)，其中缺鎂比多鎂降低幅度更大，尤其低溫缺鎂脅迫（B2A3）下，壯苗指數(shù)僅為對照的58.85%（表1）。鎂脅迫總體上降低了黃瓜的壯苗指數(shù)，限制了壯苗的培育，低溫加劇了限制作用。

2.2 不同溫度及鎂脅迫對黃瓜幼苗碳氮代謝和根系活力的影響

表2表明，適溫下，多鎂（B1A2）和缺鎂（B1A3）脅迫使可溶性蛋白含量比對照分別下降17.22%和8.96%，使NR活性分別降低了30.44%和39.72%。低溫下，多鎂脅迫（B2A2）使可溶性蛋白含量比對照降低 12.46%，而缺鎂脅迫（B2A3）使其提高了 18.69%，NR活性降低幅度多鎂＞適鎂＞缺鎂。適溫下，多鎂和缺鎂脅迫使黃瓜幼苗葉片的還原糖含量比對照分別降低了24.17%和 3.50%，使可溶性總糖含量分別降低了 35.14%和 4.99%。低溫下，適鎂、多鎂和缺鎂處理的還原糖含量分別較對照提高了12.26%、20.67%、14.89%，而可溶性總糖的含量分別較對照降低了 7.89%、7.13%、1.23%。適溫下，鎂脅迫提高了根系活力，多鎂和缺鎂處理分別比對照提高了1.95%、14.56%；低溫下，不論根際鎂離子濃度如何，黃瓜幼苗的根系活力都下降。

表2 不同溫度下鎂對黃瓜幼苗碳氮代謝和根系活力的影響

2.3 不同溫度及鎂脅迫對黃瓜幼苗活性氧產(chǎn)生和保護酶活性的影響

圖 1表明，適溫下，鎂脅迫使 MDA、H2O2含量和 O2產(chǎn)生速率均較對照升高，且差異達極顯著水平；低溫下 MDA、H2O2含量與 O2產(chǎn)生速率也較對照極顯著升高，升高幅度分別為 73.83%～82.36%、25.68%～53.92%和37.61%～55.84%，低溫缺鎂條件下升幅最大。

圖1 不同溫度下鎂脅迫對黃瓜幼苗葉片MDA含量、H2O2含量和產(chǎn)生速率及 POD、SOD、CAT活性的影響

適溫下，鎂脅迫使POD和SOD活性增加，最大增幅分別為23.53%和10.53%，使CAT活性下降，多鎂和缺鎂脅迫較對照分別下降 17.68%和 11.49%；低溫下，POD、SOD和 CAT的活性均為多鎂>適鎂>缺鎂，POD活性較對照下降 2.21%～24.26%，SOD活性較對照升高 15.79%～47.37%，而CAT活性在適鎂和多鎂下較對照升高4.97%和9.39%，缺鎂脅迫較對照下降13.48%（圖 1）。

3 結(jié)論與討論

壯苗指數(shù)和根冠比是衡量幼苗健壯程度的最重要的指標，尤其壯苗指數(shù)是衡量幼苗素質(zhì)高低的綜合指標之一（邵國慶 等， 2009；司東霞 等，2009）。本試驗結(jié)果表明，根冠比在鎂脅迫和低溫下增加，壯苗指數(shù)降低，尤其缺鎂比多鎂處理使壯苗指數(shù)的降低幅度更大，其主要原因可能是當植株缺鎂時，首先表現(xiàn)為葉片更加缺鎂，因而地上部的生長受到抑制，根冠比增大；低溫抑制了黃瓜地上部和根系的生長，并使根冠比增加。這與丁玉川等（2009）的研究結(jié)果一致，說明增加根冠比是植物適應(yīng)不同環(huán)境脅迫的一個重要途徑。

可溶性蛋白質(zhì)含量的下降是植物衰老的標志。硝酸還原酶（NR）是氮同化過程中的關(guān)鍵酶，其活性強弱影響著植物體內(nèi)氮同化能力。本試驗結(jié)果表明，適溫下，鎂脅迫使黃瓜葉片可溶性蛋白、還原糖和可溶性總糖含量、硝酸還原酶活性下降，根系活力提高；低溫下，不論鎂離子如何硝酸還原酶活性、根系活力、可溶性總糖含量較對照降低，還原糖含量較對照升高，多鎂和適鎂使可溶性蛋白的含量較對照降低，缺鎂則使其含量提高，而在適鎂、多鎂和缺鎂條件下上升或下降幅度不同。這與對龍眼（李延 等，2001）的研究結(jié)果一樣。而在低溫缺鎂雙重脅迫下，植株會通過可溶性總糖含量和根系活力的升高產(chǎn)生一些應(yīng)急反應(yīng)來抵御重度的脅迫。

在環(huán)境脅迫下，植株體內(nèi)會產(chǎn)生破壞植物分子的物質(zhì)，如O2、H2O2和MDA等，同時影響體內(nèi)清除這些活性氧的保護酶系統(tǒng)——抗氧化酶類，如POD、SOD和CAT等提高其活性清除活性氧和自由基，以維持植株體的代謝平衡。研究表明，鎂脅迫導致黃瓜幼苗葉片MDA、H2O2含量及O2產(chǎn)生速率升高，缺鎂升幅大于多鎂，低溫缺鎂脅迫下增加幅度最大；表明低溫缺鎂對植株的傷害最大，可能與活性氧的增加有關(guān)。適溫下，鎂脅迫使POD、SOD活性升高，其中POD升高幅度最大，而CAT活性降低，表明適溫下植株可能主要通過提高POD活性來抵御鎂脅迫。

鎂和低溫脅迫對黃瓜的生長和生理特性都有不同程度的抑制作用，但哪一個對植株生長和代謝造成的傷害更大還有待于進一步研究。

陳貽竹，帕特森．1988．低溫對植物葉片中超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化氫水平的影響．植物生理學報，14（4）：323-328．

丁玉川，羅偉，徐國華．2008．鎂、鉀營養(yǎng)及其交互作用對水稻產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素和養(yǎng)分吸收的影響．水土保持學報，（3）：178-182．

丁玉川，羅偉，任小利，徐國華．2009．不同鎂濃度對水稻根系生長及生理特性的影響．植物營養(yǎng)與肥料學報，15（3）：537-543．

高俊鳳．2006．植物生理學實驗指導．北京：高等教育出版社．

韓冬芳，王德漢，黃培釗，段繼賢，葛仁山，周偉莉．2010．不同形態(tài)鎂對‘早熟5號’大白菜產(chǎn)量及品質(zhì)的影響．園藝學報，37（10）：1655-1660．

李延，劉星輝，莊衛(wèi)民．2001．缺鎂脅迫對龍眼苗期氮代謝的影響．植物營養(yǎng)與肥料學報，7（2）：218-222．

林植芳，李雙順，林桂珠，郭俊彥．1988．衰老葉片和葉綠體中H2O2的積累與膜脂過氧化的關(guān)系．植物生理學報，14（1）：16-22．

邵國慶，李增嘉，寧堂原，張民，江曉東，王蕓，趙建波，呂美蓉，趙杰．2009．不同水分條件下常規(guī)尿素和控釋尿素對玉米根冠生長及產(chǎn)量的影響．作物學報，35（1）：118-123．

申燕，肖家欣，楊慧，張紹鈴．2011．鎂脅迫對‘春見’橘橙生長和礦質(zhì)元素分布及葉片超微結(jié)構(gòu)的影響．園藝學報，38（5）：849-858．

司東霞，胡樹文，陳清，楊俊剛，陳新平，張福鎖．2009．控釋肥料不同用量對黃瓜幼苗生長及養(yǎng)分吸收的影響．園藝學報，36（1）：53-58．

王愛國，羅廣華．1990．植物的超氧自由基與羥胺反應(yīng)的定量關(guān)系．植物生理學通訊，26（6）：55-57．

謝小玉，鄒志榮，江雪飛．2007．影響無土栽培黃瓜葉片中鎂含量的因素研究．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，25（6）：85-88．

謝小玉，劉海濤，程志偉．2009．鎂對溫室黃瓜光合特性的影響．中國蔬菜，（6）：36-40．

朱廣廉，鐘誨文，張愛琴．1990．植物生理學實驗．北京：北京大學出版社．