高溫脅迫下外源GABA對(duì)黃瓜幼苗生長的影響

黃娟

摘要：以清白黃瓜為材料，在高（40℃/35℃/晝，夜，各12 h）條件下研究了外源γ-氨基（GABA）對(duì)黃瓜幼苗形態(tài)生長、光合特性、生理代謝的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫脅迫下，外源GABA顯著增加了黃瓜幼苗的株高、莖粗、葉面積，增強(qiáng)了壯苗指數(shù)、根冠比和根系活力，降低了葉片相對(duì)電導(dǎo)率（REC）和丙二醛（MDA）含量，減緩了葉綠素的分解，提高了滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸（Pro）和可溶性糖（ssc）含量，并有效增強(qiáng)了抗氧化酶（SOD、POD、CAT、APX）活性及光合作用，使Pn、Gs、Tr加強(qiáng)，Ci積累減少，緩解了高溫對(duì)黃瓜幼苗的傷害，可維持植株正常生長，以10mmol/LGABA處理效果最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：黃瓜；外源GABA；幼苗生長；高溫脅迫；生理特性；光合作用

中圖分類號(hào)：S642.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-3547（2016）08-0073-06

黃瓜是我國設(shè)施栽培中的重要蔬菜作物之一，喜溫、不耐寒、不耐熱。近年來，我國設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，黃瓜保護(hù)地栽培也得到空前的發(fā)展，設(shè)施栽培加露地栽培已經(jīng)使黃瓜實(shí)現(xiàn)了集約化、專業(yè)化生產(chǎn)以及周年均衡供應(yīng)，但在利用日光溫室和塑料大棚進(jìn)行黃瓜夏秋茬栽培時(shí)，溫室內(nèi)午后溫度常常超過40℃，尤其在我國南方高溫很容易對(duì)黃瓜造成熱害，致使植株生長發(fā)育不良，生理代謝失調(diào)，產(chǎn)量和品質(zhì)顯著降低，因此，提高黃瓜的耐熱性在生產(chǎn)中具有十分重要的意義。

γ-氨基丁酸（GABA）是植物體內(nèi)廣泛存在的一種自由態(tài)四碳非蛋白質(zhì)氨基酸凹，在植物的生長發(fā)育調(diào)控、信號(hào)傳導(dǎo)、逆境調(diào)節(jié)等生理生化過程中發(fā)揮著十分重要的作用。研究表明，高溫脅迫下，植物能通過提高谷氨酸脫羧酶活性和促進(jìn)多胺降解等代謝途徑來提高生物體內(nèi)的GABA含量，而且外源GABA可以作為臨時(shí)氮庫，通過清除活性氧自由基、調(diào)節(jié)滲透能力等作用減緩逆境脅迫對(duì)植株的傷害。研究發(fā)現(xiàn)，外源GABA能夠增強(qiáng)番茄、網(wǎng)紋甜瓜、小麥、玉米、白三葉等幼苗在干旱、鹽害、冷害、缺氧、淹水等逆境脅迫中的抗性，但迄今在黃瓜上的研究甚少，尤其是在高溫脅迫下，外源GABA對(duì)黃瓜生長的影響鮮見報(bào)道。

為此，以清白黃瓜為材料，在高溫條件下研究GABA對(duì)黃瓜幼苗的生長、生理代謝、光合特性的影響，旨在探討外源GABA在高溫脅迫過程中對(duì)黃瓜的調(diào)節(jié)機(jī)制，以期為提高夏秋黃瓜的耐熱性栽培提供理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試材料為清白黃瓜，其種子由重慶三千種業(yè)公司提供。GABA購自美國Sigma公司，配制營養(yǎng)液的化合物均為分析純試劑。

1.2試驗(yàn)處理

選取大小一致且飽滿的黃瓜種子，用9%H₂O₂消毒15 min后，用蒸餾水浸種12 h，然后放入28℃的恒溫培養(yǎng)箱中于黑暗條件下催芽。挑選出芽整齊一致的種子，播于50孔穴盤中進(jìn)行常規(guī)育苗，當(dāng)子葉展平后，每3 d噴施1/2 Hoagland營養(yǎng)液，期間補(bǔ)充清水，保持基質(zhì)含水量在75%左右。待黃瓜幼苗長到3葉1心時(shí)，于每天10：00，用0（對(duì)照）、2.5、5.0、10.0、20.0 mmol/L的GABA溶液噴施黃瓜葉片，連續(xù)噴施3 d。噴施時(shí)溶液中加入1滴洗潔精作為溶劑附著劑，濃度為0.16%（V/V），以葉片正、反面噴勻滴水為準(zhǔn)。

噴施3 d后將黃瓜幼苗移至光照培養(yǎng)箱（RXZ人工智能光照培養(yǎng)箱，寧波江南儀器制造廠），預(yù)處理2 d后，進(jìn)行40℃/35℃（晝夜，各12 h）高溫脅迫處理，光照強(qiáng)度設(shè)置為430 μmol·m^-2·s^-1（8：00～20：00，光照12 h），用加濕器使箱內(nèi)空氣相對(duì)濕度保持在80%，分別于處理后第0、2、4、6天，選取每株幼苗第2片葉進(jìn)行相關(guān)生理指標(biāo)的測定，每處理隨機(jī)選擇3株取樣，各指標(biāo)均重復(fù)測定3次：于處理后第5天測定幼苗的生長指標(biāo)和光合特性指標(biāo)，每處理隨機(jī)選取5株測定，求平均值。

1.3測定方法

①生長指標(biāo)按宗學(xué)鳳等的方法隨機(jī)取樣，小心洗去幼苗根部的基質(zhì)，用吸水紙吸干植株上的水分，以便測定株高、莖粗、鮮質(zhì)量（地上/地下）、干質(zhì)量（地上/地下）、葉面積、根系活力等指標(biāo)。

株高：用直尺測量植株基部到頂端生長點(diǎn)的長度；莖粗：用游標(biāo)卡尺測定植株子葉下2 cm的直徑；地上/地下部鮮質(zhì)量：用感量0.01 g電子天平稱量；地上，地下部干質(zhì)量：將稱量后的植株放人紙袋中，置于烘箱以105℃殺青15 min，75℃烘干至恒重，用0.000 1 g電子天平稱量；壯苗指數(shù)=（莖粗/株高）×植株干質(zhì)量：根冠比=地下部鮮質(zhì)量，地上部鮮質(zhì)量：葉面積：用Ci-203激光葉面積儀測定：根系活力：采用TTC法測定。

②光合特性指標(biāo)用Li-6400便攜式光合測定儀測定光合指標(biāo)㈣，在溫度（25±1）℃、光強(qiáng)（1 000_+2）μmol·m^-2·s^-1，參比室C02濃度（380±10）μmol/L，相對(duì)濕度（RH）為65%～75%條件下選取功能葉，測定凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO₂濃度（Ci）。

③生理指標(biāo)相對(duì)電導(dǎo)率（REC）采用郝再彬的方法，使用DDS-11A型電導(dǎo)率儀測定：丙二醛（MDA）含量采用李合生的硫代巴比妥酸法；脯氨酸（Pro）含量采用磺基水楊酸法；可溶性糖（SSC）含量采用王三根的蒽酮法；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑（NBT）法；過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法；過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收比色法；抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性采用Nakano等的比色法；葉綠素（Chl）含量采用陳建勛等的乙醇-丙酮混合法。

1.4數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel作圖和計(jì)算，用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析，鄧肯法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2結(jié)果與分析

2.1高溫脅迫下GABA對(duì)黃瓜幼苗生長指標(biāo)的影響

從表1可以看出，高溫脅迫下，與對(duì)照（CK）相比，外源GABA處理促進(jìn)了黃瓜幼苗的株高、莖粗、葉面積的增加，提高了植株的壯苗指數(shù)、根冠比和根系活力，且隨著GABA濃度的增加，黃瓜幼苗的生長指標(biāo)呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢，且皆高于對(duì)照，其中以10.0 mmol/L處理效果最優(yōu)，5.0 mmol/L次之。黃瓜幼苗株高、莖粗、壯苗指數(shù)在10.0 mmol/LGABA處理時(shí)比CK顯著增加了26.58%、30.95%、255.56%，同時(shí)植株的根冠比、葉面積、根系活力比CK顯著提高了53.57%、31.46%、30.31%。結(jié)果表明，高溫脅迫下，外源GABA能有效促進(jìn)黃瓜幼苗的生長、增強(qiáng)植株根系活力，從而有利于壯苗的形成。

2.2高溫脅迫下GABA對(duì)黃瓜幼苗光合特性的影響

由圖1可知，外源GABA能夠不同程度地影響黃瓜幼苗葉片的光合特性，隨著處理濃度的上升，Pn、Gs、Tr皆呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢，在10.0 mmol/L處理時(shí)達(dá)到峰值，分別為10.42 μmol·m^-2·s·（CO₂）、0.26 mol·m^-2s11（H₂O）、5.14 mmol·m^-2·s^-1（H₂O），較CK顯著提高了28.8%、44.4%、26.2%，各指標(biāo)20 mmol/L GABA處理時(shí)明顯下降，但皆高于CK。a的變化趨勢與Ph、Gs相反，隨著GABA處理濃度的上升呈現(xiàn)先減后增的趨勢，且在10.0 mmol/L處理時(shí)幼苗葉片a比CK顯著降低了34.64%，而20.0 mmol/L GABA時(shí)Ci積累顯著升高。結(jié)果說明，10.0 mmol/L GABA處理能夠顯著提高黃瓜幼苗葉片的Ph、Gs、Tr，降低Ci，促進(jìn)高溫脅迫下黃瓜幼苗的光合作用。

2.3高溫脅迫下GABA對(duì)黃瓜幼苗生理特性的影響

①對(duì)黃瓜幼苗REC和MDA含量的影響高溫脅迫直接影響植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能，致使膜內(nèi)大量電解質(zhì)外滲，膜脂過氧化作用加重。研究中，通常將REC作為細(xì)胞膜透性、MDA作為膜脂過氧化程度的指標(biāo)，用于表示細(xì)胞膜受傷害程度。由圖2可知，隨著高溫脅迫時(shí)間的延長，黃瓜幼苗的REC和MDA含量逐漸升高，外源GABA處理顯著降低了幼苗葉片的REC和MDA含量.2.5～10.0 mmol/LGABA處理中，隨著GABA濃度的增大，黃瓜葉片的REC和MDA降低幅度越大，其中在處理第6天、GABA濃度為10.0 mmol/L時(shí)，黃瓜幼苗葉片的REC和MDA含量分別為38.6%、8.01μmol/g，分別比對(duì)照顯著降低了16.45%、15.33%，而20 mmol/LGABA處理的REC和MDA含量與對(duì)照差異不顯著。結(jié)果表明，適宜濃度的GABA能夠有效降低高溫對(duì)黃瓜幼苗細(xì)胞膜的傷害，其中以10 mmol/LGABA處理效果最優(yōu)。

②對(duì)黃瓜幼苗SOD、POD、CAT、APX活性的影響SOD、CAT、POD和APX等組成植物保護(hù)酶系統(tǒng)，在植物體內(nèi)協(xié)同作用，能夠有效清除和分解逆境脅迫中產(chǎn)生的過量ROS，維持細(xì)胞體內(nèi)活性氧代謝平衡。從圖3可知，高溫脅迫下，隨著處理時(shí)間的延長，黃瓜幼苗葉片SOD、CAT、POD、APX活性皆呈現(xiàn)先上升（0～2 d）后持續(xù)下降（4～6 d）的趨勢，在脅迫第6天降到低值，分別比CK降低了31.78%、17.33%、21.08%、21.62%，說明高溫脅迫對(duì)黃瓜幼苗的膜結(jié)構(gòu)造成了不可逆的傷害。2.5～10.0 mmol/LGABA處理能夠顯著提高黃瓜幼苗抗氧化酶的活性，其變化趨勢與CK保持一致，且隨著GABA處理濃度的增加，黃瓜幼苗的SOD、POD、CAT、APX活性均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，且在10.0 mmol/LGABA處理時(shí)活性最強(qiáng)，高溫處理的第6天，分別比對(duì)照提高了21.22%、36.38%、19.85%、37.93%.其次是5.0 mmol/L，而20.0 mmol/L GABA處理與對(duì)照差異不顯著。結(jié)果表明，在高溫脅迫下，10.0 mmol/L GABA處理能夠顯著提高黃瓜幼苗的抗氧化酶活性，從而增強(qiáng)黃瓜葉片清除ROS的能力，提高黃瓜的耐熱性。

③對(duì)黃瓜幼苗Pro、SSC含量的影響Pro和SSC都是植物細(xì)胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其含量與植物的抗逆性密切相關(guān)。由圖4可知，高溫使黃瓜幼苗葉片的Pro逐漸積累，Pro含量隨著脅迫時(shí)間的延長呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，外源GABA處理可進(jìn)一步促進(jìn)高溫脅迫下Pro含量的積累，且隨著GABA濃度上升（25～10.0 mmol/L），Pro含量顯著增加，并在處理的第6天達(dá)最大值，其中以10.0 mmol/LGABA處理效果最優(yōu)，Pro含量增加到80μg/g，比對(duì)照升高19.40%，而在第6天20.0 mmol/L GABA處理的Pro含量反而低于對(duì)照。

高溫脅迫下，SSC含量隨著處理時(shí)間的延長而呈現(xiàn)先逐步上升（第4天達(dá)到峰值）后快速下降的趨勢。外源GABA處理后的變化趨勢與對(duì)照基本一致，但皆高于CK，其中在10.0 mmol/L GABA處理時(shí)，黃瓜幼苗SSC含量顯著高于其他處理，表明黃瓜幼苗在逆境條件下能產(chǎn)生自身抵抗機(jī)制，而適宜濃度的GABA能夠促進(jìn)Pro、SSC的積累，維持植株體內(nèi)的滲透平衡，并且以10.0 mmol/L GABA處理時(shí)Pro、SSC含量最大，但也無法消除高溫對(duì)植株的傷害。

④對(duì)黃瓜幼苗Chl含量影響葉綠素是光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量的多少與葉片的光合機(jī)能大小密切相關(guān)。由圖5可知，隨著高溫脅迫時(shí)間的延長，黃瓜幼苗葉片的Chl含量不斷下降，外源GABA能有效緩解葉綠素的降解，25～10.0mmol/LGABA處理Chl含量顯著高于CK和20.0mmol/LGABA處理，且在脅迫第6天時(shí)，10.0 mmol/L GABA處理的Chl含量為2 mg/g，較對(duì)照顯著提高了81.82%，說明高溫脅迫下，噴施外源GABA可以提高黃瓜葉片葉綠素的含量，從而促進(jìn)黃瓜幼苗正常生長。

3討論與結(jié)論

3.1討論

高溫脅迫易造成植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能受損，引發(fā)植物體內(nèi)生理生化代謝紊亂，使細(xì)胞內(nèi)ROS大量積累、膜脂過氧化加劇、電解質(zhì)外滲，導(dǎo)致光合作用受阻和抗氧化酶活性相應(yīng)變化。

γ-氨基丁酸（GABA）是植物體內(nèi)游離氨基酸庫中一種重要的信號(hào)物質(zhì)，大量研究證明，GABA可以通過穩(wěn)定細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)胞質(zhì)pH值、誘導(dǎo)乙烯產(chǎn)生、降低活性氧傷害、促進(jìn)生物大分子合成等提高植物的抗逆性。

逆境脅迫下，幼苗植株的根、莖、葉等形態(tài)生長將會(huì)受到顯著的影響，且植株的健壯程度與植物對(duì)逆境的抵御能力緊密相關(guān)。羅黃穎等發(fā)現(xiàn)，在NaCl脅迫下外源GABA促進(jìn)了番茄幼苗根系生長，提高了番茄幼苗株高和生物量的積累：高洪波等認(rèn)為，營養(yǎng)液添加GABA處理可以緩解鹽脅迫對(duì)黃瓜幼苗生長的抑制作用。本試驗(yàn)研究表明，高溫脅迫下，外源GABA處理有效促進(jìn)了黃瓜幼苗株高、莖粗、葉面積的增加，提高了植株的壯苗指數(shù)、根冠比和根系活力，有利于壯苗的形成。

逆境脅迫引起植物體內(nèi)活性氧水平上升的同時(shí)啟動(dòng)酶防御系統(tǒng)，SOD、POD、CAT、APX四者協(xié)同作用，共同組成植物的保護(hù)酶系統(tǒng)，清除體內(nèi)的ROS，從而提高植株的抗逆性。王曉冬等認(rèn)為，GABA可通過調(diào)節(jié)抗氧化酶系統(tǒng)來減少澇害脅迫引起的生長抑制現(xiàn)象，從而增強(qiáng)小麥的耐澇性；楊麗文等研究認(rèn)為，低氧脅迫下外源GABA能顯著提高甜瓜幼苗葉片SOD、CAT、APX、GR等抗氧化酶的活性。本試驗(yàn)研究表明，高溫脅迫降低了黃瓜幼苗的SOD、POD、CAT、APX活性，而外源GABA顯著提高了黃瓜幼苗的保護(hù)酶活性，尤其以10 mmol/LGABA處理效果最優(yōu)。外源GABA提高黃瓜幼苗抗氧化酶活性的同時(shí)也降低了幼苗葉片的REC、MDA含量，增加了滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)Pro、SSC含量，說明外源GABA能夠促進(jìn)黃瓜幼苗ROS代謝平衡、提升細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、提高細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力，從而緩解高溫脅迫對(duì)植株造成的傷害，增強(qiáng)黃瓜的耐熱性。

光合作用是植物體的基本生命活動(dòng)之一，也是植物體內(nèi)有機(jī)物合成和獲得能量的主要源泉，其強(qiáng)弱直接影響到植物的同化能力及抗逆能力，所以研究中常把光合作用強(qiáng)弱作為判斷植物生長健壯與否及抗性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。在目前研究中，人們認(rèn)為逆境脅迫下植物葉片Pn降低的因素主要包括氣孔因素和非氣孔因素，根據(jù)Farquhar等觀點(diǎn)，氣孔因素引起的Pn降低表現(xiàn)為Cs和Ci都降低，而非氣孔因素引起Pn降低則伴隨著Gs的下降、Ci的升高。本試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫條件下，2.5～10.0 mmol/GABA處理黃瓜幼苗，Pn、Gs、Tr隨著GABA濃度的上升而不斷提高，而Ci的變化趨勢與Pn、Gs剛好相反，呈現(xiàn)持續(xù)下降的變化趨勢，說明高溫脅迫下Pn的降低是由非氣孔因素導(dǎo)致的。外源GABA可以改善黃瓜幼苗的光合特性，提高植株葉片Pn的同時(shí)，減弱Gs的降低、減輕對(duì)Tr的抑制、減少Ci的積累，從而增強(qiáng)黃瓜幼苗的耐熱性，其中以10.0 mmd/L GABA促進(jìn)光合作用的效果最強(qiáng)。

3.2結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫脅迫下，外源GABA能有效促進(jìn)黃瓜幼苗的生長，增強(qiáng)植株的根系活力，降低幼苗葉片的相對(duì)電導(dǎo)率與MDA含量，提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)Pro、SSC含量，減緩葉綠素的分解，增強(qiáng)抗氧化酶（SOD、POD、CAT、APX）活性及光合作用，從而提高黃瓜幼苗的抗逆性，減緩高溫對(duì)植株的傷害，且皆以10 mmol/L GABA處理效果最佳。然而外源GABA在高溫脅迫下對(duì)植株體內(nèi)活性氧代謝過程和光合系統(tǒng)影響的分子機(jī)理還需要進(jìn)一步的研究證明。