低溫對黃瓜若干生理指標(biāo)的影響

閻世江，劉 潔，張繼寧，司龍亭

(1山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所，山西太原，030031;2山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技情報研究所;3沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院)

黃瓜(Cucumis sativus L．)屬葫蘆科1年生草本蔓生攀緣植物，屬喜溫性蔬菜，對低溫的反應(yīng)很敏感［1］，為滿足人民生活的需要，在氣溫較低的冬春季節(jié)進(jìn)行保護(hù)地黃瓜栽培時，低溫對生產(chǎn)帶來巨大危害，成為最主要的限制因素。相對于水稻、番茄、辣椒等作物而言，有關(guān)黃瓜耐低溫性的研究起步較晚，目前的研究多集中在發(fā)芽期性狀、產(chǎn)量性狀、綜合耐低溫性上［2～7］，深入到生理層面的研究較少，本次研究利用幾份不同遺傳來源耐低溫性不同的黃瓜高代自交系，給予其低溫處理，研究葉片中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、自由水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、束縛水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、POD活性、SOD活性、MDA的質(zhì)量摩爾濃度、可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、根系比表面積等生理指標(biāo)的變化規(guī)律，探討這些指標(biāo)與耐低溫性的關(guān)系，以期為黃瓜育種奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1．1 供試材料

選取的6份材料中，9504和9507耐低溫性較強(qiáng)，9511和9514耐低溫性居中，9506和9517耐低溫性較弱。

1．2 方法

1．2．1 材料種植與性狀調(diào)查 本次試驗(yàn)于2006年3月開始至6月結(jié)束。3月將9504等6份材料播種于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院育種基地1號溫室，每份材料播40粒種子，30 d后，待其長至3片真葉，分苗至營養(yǎng)缽(10 cm×10 cm)，每份材料取5株，將苗置于日本SANYO公司產(chǎn)MLR-350H型人工光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行低溫處理，每天光照處理 7．5 h，強(qiáng)度為30 μmol·(m2·s)－1，約合2 000 lx，白天12 ℃，晚上8℃，共處理14 d。另取5株作對照，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，然后調(diào)查耐低溫性。分級標(biāo)準(zhǔn)如下:0級，全株受凍死亡或接近死亡;1級，秧苗各葉片普遍受凍，其中3～4葉受凍面積＞50%;2級，秧苗3～5葉受凍，其中2～3葉受凍面積＞50%;3級，秧苗2～4葉受凍，其中1～2葉受凍面積＞50%;4級，秧苗1～2葉受凍，面積約20% ～30%;5級，秧苗生長正常，無任何受凍癥狀［8］。

1．2．2 生理指標(biāo)測定方法 測定葉片水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、自由水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、束縛水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用張憲政等［9］的方法。測定葉片可溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(考瑪斯靚藍(lán)法)、POD活性(愈創(chuàng)木酚法，以每分鐘內(nèi)A470變化0．01為一個酶活性單位，用U表示)、SOD活性(NBT法，以抑制NBT光華還原的50%為一個酶活性單位，用U表示)、MDA的質(zhì)量摩爾濃度(硫代巴比妥酸法)、可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(蒽酮法)、根系比表面積(甲烯藍(lán)法)等指標(biāo)。數(shù)據(jù)分析采用DPS軟件，Excel統(tǒng)計(jì)并制圖。

圖1 6份黃瓜材料的耐低溫性

2 結(jié)果與分析

2．1 黃瓜幼苗耐低溫性

供試的6份材料的耐低溫性在材料間差異達(dá)極顯著水平，說明它們的耐低溫性差異很大，即耐低溫性不同，因此可進(jìn)行進(jìn)一步的分析。其中，9504和9507的耐低溫性最高，達(dá)4級以上(圖1);9511和9514的耐低溫性居中，在4級上下;9506和9517的耐低溫性最低，在2．1 級以下。

2．2 黃瓜若干生理指標(biāo)

2．2．1 黃瓜葉片水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、自由水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、束縛水的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 供試的6份材料該3個性狀在常溫下差異不顯著，除葉片水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)外，自由水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、束縛水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在低溫處理后差異顯著。6份材料經(jīng)低溫處理后葉片水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、自由水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、束縛水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均下降(圖2)。低溫處理后，9504和9507的自由水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，達(dá)488，502 mg·g－1;9506和9517的自由水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，達(dá)571，555 mg·g－1;束縛水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢相反，9504和9507的束縛水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，達(dá)312，298 mg·g－1;9506和9517的束縛水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，僅達(dá)249，245 mg·g－1;9511和9514的這2個性狀均居中。

2．2．2 黃瓜葉片可溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(鮮重)、POD活性、SOD活性、MDA的質(zhì)量摩爾濃度(鮮重)

供試的6份材料葉片可溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、POD活性、SOD活性、MDA的質(zhì)量摩爾濃度等性狀常溫下在材料間的差異未達(dá)顯著水平，經(jīng)低溫處理在材料間的差異均達(dá)極顯著水平。

供試的6份材料可溶性蛋白質(zhì)在常溫下差異不大，在低溫下9504和9507的可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5．7 ～5．8 mg·g－1之間(圖3)，9511 和 9514 的可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 4．8 ～4．9 mg·g－1之間，9506和9517的可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，為4．3 mg·g－1。

在常溫時，6份材料的POD活性差異不大，達(dá)11．355～18．564 U之間(圖4)。但低溫處理后POD活性均出現(xiàn)增加，其中9504和9507等耐低溫性較強(qiáng)的材料POD活性最大，達(dá)45．321，44．32 U，是對照的將近3倍;而9506和9517的POD活性很小，為18．32，19．354 U，約為對照的1．5倍;9511和9514等耐低溫性居中的材料，POD活性約為對照的2倍。

在常溫下，供試的6份材料的SOD活性保持在134．404～187．057 U(圖5)。經(jīng)低溫處理以后，所有材料SOD活性均升高，其中9504的最高，9507的居于第2位，分別為498．747，473．608 U;9511和9514 的居中，在424．298 ～438．858 U 之間，其余2 份材料的SOD 活性較低，分別為385．995，385．028 U。

在常溫下，供試的6份材料MDA的質(zhì)量摩爾濃度在45．161～51．430 μmol·g－1之間，差異較小(圖6)。經(jīng)低溫處理后，所有材料的MDA含量均比對照有所增加，9504和9507的MDA的質(zhì)量摩爾濃度最低，為51．372，52．819 μmol·g－1;9511 和 9514 的 MDA 的質(zhì)量摩爾濃度居中，分別為 58．116，59．288 μmol·g－1;而耐低溫性較弱的9506 和9517 的 MDA 的質(zhì)量摩爾濃度最高，為68．716，66．241 μmol·g－1。

圖2 6份黃瓜材料水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、自由水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、束縛水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖3 6份黃瓜材料的可溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(鮮重)

圖4 6份黃瓜材料的POD活性

圖5 6份黃瓜材料的SOD活性重)

圖6 6份黃瓜材料的MDA的質(zhì)量摩爾濃度(鮮

黃瓜幼苗葉片可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、根系比表面積方差分析表明，2性狀在所有材料間的差異在常溫未達(dá)顯著水平，在低溫下達(dá)顯著水平。

供試的6份材料可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在常溫條件下，9506和9517等耐低溫性較弱材料可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(圖7);而耐低溫性較強(qiáng)的材料表現(xiàn)相反。但經(jīng)過低溫處理，9504和9507的可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著提高，分別由 15．36，15．746 mg·g－1增加至 24．709，27．086 mg·g－1;而 9506 和 9517的增幅較小，分別由15．003，16．631 mg·g－1增加至17．004，17．505 mg·g－1;9511 和 9514 的耐低溫性居中，分別由 16．29，15．258 mg·g－1增加至 20．402，19．409 mg·g－1，增幅居中。

黃瓜根系比表面積列于圖8，根系比表面積是一個相對值，是指根的總吸收面積與根體積的比，也是一個衡量根系活力的指標(biāo)。由圖8可知，供試的6份材料在常溫下根系的比表面積在2．744～2．936 m－1之間，差異較小。經(jīng)過低溫處理，所有材料根系的比表面積均下降，9504和9507下降較小，降至2．689，2．694 m－1;其余的 4 份材料下降很大，分別降至 1．408，1．237，0．912，0．844 m－1。

圖7 6份黃瓜材料的可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖8 6份黃瓜材料根系的比表面積

2．3 相關(guān)分析

供試的6份材料耐低溫性與自由水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、MDA的質(zhì)量摩爾濃度的偏相關(guān)呈顯著負(fù)相關(guān)，與束縛水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、SOD活性、可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、根系比表面積的偏相關(guān)呈顯著正相關(guān)，與POD活性的偏相關(guān)為正相關(guān)，未達(dá)顯著水平(表4)。

在單相關(guān)中，耐低溫性與自由水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、MDA的質(zhì)量摩爾濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，與束縛水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、POD活性、SOD活性、可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、根系比表面積呈顯著正相關(guān)，POD活性與SOD活性呈顯著正相關(guān)。

供試的6份材料其余性狀間的相關(guān)未達(dá)顯著水平。

表4 6份黃瓜材料處理后生理指標(biāo)與耐低溫性的相關(guān)分析

3 討 論

植物組織中的水分，依據(jù)其存在的狀態(tài)可分為自由水和束縛水。二者與植物抗逆性的研究已有報道，閆世江［10］、朱進(jìn)［11］的研究認(rèn)為，束縛水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與耐低溫性呈正相關(guān)關(guān)系。筆者的研究結(jié)論與其一致，其原因是束縛水被細(xì)胞中的膠體顆?；驖B透物質(zhì)所吸引，牢牢地束縛在膠體顆粒或滲透物質(zhì)周圍的水分，它不能自由移動，當(dāng)溫度升高時不能蒸發(fā)，當(dāng)溫度降至零下也不結(jié)冰。較多的束縛水的存在使細(xì)胞的內(nèi)溶物在低溫下保持正常生理活動所需的水分，尤其在接近冰點(diǎn)時，提高細(xì)胞內(nèi)溶物比熱，保持內(nèi)溶物的液態(tài)，使它不會結(jié)冰，減少低溫的傷害，維持正常生長。同時，可以減少因原生質(zhì)內(nèi)結(jié)冰而傷害致死的機(jī)會。

可溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與植物耐低溫性的關(guān)系已有廣泛研究，多數(shù)的學(xué)者認(rèn)為，可溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加使一些保護(hù)酶類活性強(qiáng)［12］。筆者的研究認(rèn)為，可溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與耐低溫性呈正相關(guān)關(guān)系，這是由于可溶性蛋白質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，低溫下保護(hù)酶類的活性強(qiáng)，防止細(xì)胞膜脂過氧化，為苗期耐低溫性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?？扇苄缘鞍踪|(zhì)能提高植物體的耐低溫能力的另一個原因是由于其吸水性很強(qiáng)，其含量的增加可以束縛更多的水分，能加強(qiáng)細(xì)胞的持水力。

POD，SOD廣泛存在于植物體中，在植物體衰老或遭遇低溫、鹽害、高溫等脅迫時，細(xì)胞內(nèi)會產(chǎn)生大量的超氧自由基破壞細(xì)胞膜，使細(xì)胞內(nèi)溶物外滲。POD，SOD是一類清除超氧自由基的酶，其活性大幅度升高，其對于維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性非常重要。李建設(shè)等［12］均報道蔬菜幼苗經(jīng)零上低溫處理后，POD，SOD活性增強(qiáng)。本次試驗(yàn)的結(jié)論與上述觀點(diǎn)相同。這是因?yàn)镻OD，SOD可殺滅在逆境時產(chǎn)生的超氧自由基，減輕對細(xì)胞膜的破壞，同時還誘導(dǎo)產(chǎn)生更多的脯氨酸［13］，間接提高植物的抗寒性。

MDA與耐低溫性的關(guān)系報道較多。賈俊英等［14］研究了低溫對黃瓜幼苗膜脂過氧化的影響，結(jié)果表明:低溫下細(xì)胞的膜脂過氧化程度明顯加劇，MDA的質(zhì)量摩爾濃度顯著增加，其與黃瓜幼苗耐低溫能力呈極顯著負(fù)相關(guān)。李建設(shè)等［12］對茄子、段會軍等［15］對西瓜的研究也有類似的報道，本試驗(yàn)也得出相同結(jié)論。MDA是一種有害物質(zhì)，是膜脂過氧化的產(chǎn)物，它可引起蛋白質(zhì)的交聯(lián)，對膜結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)的功能造成破壞，由于耐低溫性強(qiáng)的材料受低溫傷害小，所以細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)的有害物質(zhì)MDA就較少，反之則增加。

可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與耐低溫性關(guān)系的報道較多，如高桂花等［16］對玉米自交系、王磊等［17］對甘藍(lán)品種的研究，結(jié)果表明耐低溫性較強(qiáng)的材料在低溫下的生理活動影響不大，可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升，以維持正常代謝。楊曉玲等［18］報道，水楊酸(SA)處理黃瓜幼苗，能提高其抗寒性，實(shí)質(zhì)是提高可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，增強(qiáng)滲透調(diào)節(jié)能力。本次試驗(yàn)的結(jié)論與這些結(jié)論相同，其原因是低溫脅迫能使積累的淀粉轉(zhuǎn)化為可溶性糖，增加了細(xì)胞汁液的濃度，增強(qiáng)了細(xì)胞防脫水能力，維持細(xì)胞的正常代謝［19］。

根系比表面積與低溫的關(guān)系的研究很早受到大家的重視，王瑞云等［20］研究低溫脅迫對苜蓿幼苗存活和葉片生理指標(biāo)的影響。結(jié)果表明:幼苗在低溫下，根系比表面積極顯著提高，幼苗耐低溫性增強(qiáng)。本試驗(yàn)與之相同，根系比表面積是正常生理活動的表現(xiàn)，當(dāng)?shù)蜏孛{迫來臨時，如果黃瓜的耐低溫性強(qiáng)，對其在低溫下的生理活動、自身的正常代謝就影響小，所以比表面積降低幅度較小。

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