冷害脅迫對西瓜幼苗牛理和結(jié)構(gòu)的影響

吳鵬　郭茜茜

摘要：以西瓜品種‘京欣一號和‘特大懶漢王為試驗(yàn)材料，3葉1心時(shí)5℃低溫處理0、3、6、9 d，計(jì)算西瓜幼苗冷害指數(shù)，測定根的干鮮質(zhì)量和根系活力、葉片的干鮮質(zhì)量、組織含水量、相對含水量、水分飽和虧及光合色素含量，同時(shí)，利用石蠟切片觀察葉片的超微結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，5℃冷脅迫0～6 d‘特大懶漢王的冷害耐受性優(yōu)于‘京欣一號，9 d時(shí)二者的冷害耐受性無明顯差別。冷脅迫過程中，‘京欣一號和‘特大懶漢王的葉片和根的干鮮質(zhì)量比均減小，葉片飽和水分虧波動變化，光合色素含量積累減少?！卮髴袧h王的根總吸收面積、活躍吸收面積和根活躍吸收百分比變化都較‘京欣一號更活躍。冷脅迫使葉片的上表皮和下表皮厚度減小，柵欄組織/海綿組織的值不斷減小。

關(guān)鍵詞：西瓜；冷脅迫；生理指標(biāo)；超微結(jié)構(gòu)

西瓜是我國重要的果品之一。為滿足人們對反季節(jié)西瓜的需求，日光溫室和早春大棚西瓜栽培技術(shù)逐漸推廣。華中和華東地區(qū)以大棚為主，配以中棚、小棚和地膜覆蓋；華北、東北和西北地區(qū)則以日光溫室和大棚為主，輔以其他設(shè)施；設(shè)施栽培西瓜多以吊蔓為主，密度可達(dá)15 000～18 000株·hm^-2，單產(chǎn)高達(dá)67 500～75 000 kg·hm。廣西是西瓜主要產(chǎn)區(qū)之一，在反季節(jié)栽培過程中，春季西瓜栽培常遭受低溫或倒春寒的危害，影響了西瓜嫁接育苗和開花授粉工作。長時(shí)間低溫嚴(yán)重影響反季節(jié)栽培西瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)。

20世紀(jì)90年代開始，西瓜對低溫耐受性的研究受到了人們的廣泛關(guān)注，包括低溫對西瓜幼苗生長發(fā)育的影響、西瓜幼苗的耐低溫特性、低溫脅迫下生理生化特性等多個(gè)方面。筆者通過比較2個(gè)西瓜品種在5℃低溫條件下處理不同時(shí)間（0、3、6、9 d）幼苗的冷害指數(shù)、葉片和根組織含水量及相對含水量、葉片光合色素含量和水分飽和虧、根系活力、葉片超微結(jié)構(gòu)，探討西瓜的低溫響應(yīng)機(jī)制，為西瓜幼苗低溫耐受性研究積累數(shù)據(jù)，為篩選反季節(jié)栽培西瓜品種和西瓜抗逆性育種積累材料。

1材料與方法

1.1材料

試驗(yàn)材料為‘京欣一號和‘特大懶漢王，購買于齊齊哈爾市國抗種業(yè)有限公司，均為耐低溫早熟品種，在生產(chǎn)上應(yīng)用較廣泛。

1.2試驗(yàn)處理

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1冷害指數(shù)計(jì)算 根據(jù)Semeniuk標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行冷害分級（表1）并計(jì)算冷害指數(shù)，計(jì)算公式如下：

1.3.2組織含水量、相對含水量及水分飽和虧測定剪取植物葉片或根系組織，放入鋁盒中，稱出鮮質(zhì)量，105℃下殺青10 min，80℃烘至恒重，冷卻后稱出干質(zhì)量。稱量植物葉片鮮質(zhì)量，將樣品浸入蒸餾水?dāng)?shù)小時(shí)后，吸干表面水分再稱質(zhì)量；再浸1 h稱質(zhì)量；再將樣品浸入水中1 h，取出稱質(zhì)量。直至2次浸泡1 h后稱量結(jié)果相同，即為飽和鮮質(zhì)量。

1.3.3亞甲基藍(lán)測根系活力 將0.2 mmol·L^-1的亞甲基藍(lán)溶液分別倒入3個(gè)小燒杯中，溶液體積約為根系體積的10倍。根系洗凈吸去表水，依次放人燒杯中，每杯浸泡1.5 min。每個(gè)燒杯中取出亞甲基藍(lán)溶液1 mL，稀釋10倍，660 nm處比色測量吸光值，計(jì)算亞甲基藍(lán)溶液濃度。計(jì)算公式如下：

總吸收面積/m²=（第1杯中共被吸收的亞甲基藍(lán)毫克數(shù)+第2杯中被吸收的亞甲基藍(lán)毫克數(shù)）×1.1；

活躍吸收面積/m²=第3杯中被吸收的亞甲基藍(lán)毫克數(shù)×1.1；

1.3.4光合色素含量的測定 葉片去中脈剪碎，稱取0.2 g，加入少量石英砂、少量碳酸鈣和2～3 mL80%丙酮，研磨勻漿，再加10 mL 80%丙酮，過濾至25 mL棕色容量瓶，用丙酮沖洗過濾器，直至濾紙上無綠色，定容。以80%丙酮為對照，測定波長663、646、470 nm下的吸光值。

1.3.5石蠟切片觀察葉片超微結(jié)構(gòu) 選取低溫處理0、3、6、9 d幼苗的第2和第3片真葉，離葉尖1/3處切取5 mm×5 mm小塊，用FAA固定液保存于青霉素小瓶中，4℃保存。石蠟切片制作采用Sun等的方法。切片干燥后，用顯微照相系統(tǒng)觀察并照相。測量柵欄組織、海綿組織和葉片上下表皮厚度，比較不同處理時(shí)間西瓜幼苗葉片顯微結(jié)構(gòu)的異同。

2結(jié)果與分析

2.1不同時(shí)間冷脅迫西瓜幼苗冷害指數(shù)變化

5℃冷脅迫條件下，2個(gè)西瓜品種幼苗都表現(xiàn)出不同程度的冷害現(xiàn)象，隨著處理時(shí)間的增加冷害指數(shù)逐漸變大（表2）。不同西瓜品種冷害發(fā)生的規(guī)律是相似的，但是品種間還是存在差異的。5℃處理3、6 d，‘京欣一號的冷害指數(shù)均大于‘特大懶漢王，‘特大懶漢王表現(xiàn)出更好的對冷脅迫的耐受性。5℃處理9 d時(shí)‘京欣一號和‘特大懶漢王的冷害指數(shù)均超過了3.3，而且‘特大懶漢王的冷害指數(shù)超過了‘京欣一號。總體看來，冷害發(fā)生6 d之內(nèi)，‘特大懶漢王的冷脅迫的耐受性更好，但是如果冷害發(fā)生超過9 d，‘京欣一號和‘特大懶漢王的冷脅迫的耐受性沒有明顯差異。

2.2不同時(shí)間冷脅迫西瓜幼苗干物質(zhì)積累和含水量變化

5℃冷脅迫條件下，2個(gè)西瓜品種幼苗的生長均受到了不同程度的影響（表3）?！┬酪惶柸~片鮮質(zhì)量在冷脅迫0～6 d不斷降低，6～9 d又增加，葉片干質(zhì)量變化規(guī)律與鮮質(zhì)量相似，也是先降低后增加。‘京欣一號根鮮質(zhì)量在冷脅迫0～3 d降低，3～9 d又不斷增加，根干質(zhì)量變化規(guī)律與鮮質(zhì)量相似，也是先降低后增加。冷脅迫條件下，‘京欣一號葉片的干鮮質(zhì)量比不斷減小，根的干鮮質(zhì)量比0～6 d減小，6～9 d增大?！┬酪惶柕纳L受到低溫抑制，葉片比根表現(xiàn)更明顯?！卮髴袧h王葉片鮮質(zhì)量在冷脅迫0～3 d增加，3～9 d又降低，葉片干質(zhì)量變化規(guī)律與鮮質(zhì)量相似，也是先增加后降低?！卮髴袧h王根鮮質(zhì)量在冷脅迫0～3 d增加，3～9 d不斷降低，根干質(zhì)量變化規(guī)律與鮮質(zhì)量相似，也是先增加后降低。‘特大懶漢王的葉片干鮮質(zhì)量比和根干鮮質(zhì)量比都是不斷降低。‘特大懶漢王生長受到低溫抑制，葉片和根的表現(xiàn)相似。表3不同冷脅迫時(shí)間西瓜幼苗葉片和根的鮮質(zhì)量、干質(zhì)

5℃冷脅迫條件下，‘京欣一號的組織含水量不斷增加，相對含水量不斷降低，飽和水分虧0～3 d升高，3～6 d降低，6～9 d升高（表4）。‘特大懶漢王的組織含水不斷增加，相對含水量不斷降低，飽和水分虧0～3 d降低，3～6 d升高，6～9 d降低?！┬酪惶柡汀卮髴袧h王的組織含水量及相對含水量變化規(guī)律是相似的，飽和水分虧是不同的，‘京欣一號表現(xiàn)出更好的低溫耐受性。

2.3不同時(shí)間冷脅迫對西瓜幼苗根系活力的影響

5℃冷脅迫過程中，‘京欣一號和‘特大懶漢王的根系活力表現(xiàn)出不同的變化過程（表5）?！┬酪惶柕母偽彰娣e、根活躍吸收面積和根活躍吸收百分比都在不斷減小。根總比表面積0～3 d減小，3～6 d增加，6～9 d減小，處于波動變化狀態(tài)。活躍比表面積0～6 d增加，6～9 d減小?！卮髴袧h王的根總吸收面積0～3 d減小，3～9 d增加。根活躍吸收面積0～3 d減小，3～6 d增加，6～9 d減小。根活躍吸收百分比和總比表面積0～3 d增加，3～9 d減小?；钴S比表面積0～6 d增加，6～9 d減小。冷脅迫條件下，根總比表面積變化最活躍，積極響應(yīng)冷脅迫。‘京欣一號和‘特大懶漢王的活躍比表面積變化規(guī)律相似?！卮髴袧h王的根總吸收面積、活躍吸收面積和根活躍吸收百分比變化都較‘京欣一號更活躍。

2.4冷脅迫對西瓜幼苗光合色素含量的影響

5℃冷脅迫過程中，‘京欣一號和‘特大懶漢王的光合色素含量變化規(guī)律相似（表6）。葉綠素a、葉綠素b含量和葉綠素總量都不斷降低，葉綠素a/葉綠素b也在不斷減小?！┬酪惶栴惡}卜素含量隨著冷脅迫的時(shí)間延長而不斷降低，而‘特大懶漢王的類胡蘿卜素含量在0～3 d減少，3～6 d增加，6～9 d減少。

冷脅迫3 d，‘特大懶漢王葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量分別下降了19.75%、13.81%和7.68%。葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的含量下降幅度均大于‘京欣一號，可見‘京欣一號對冷脅迫的耐受力比‘特大懶漢王要好。隨著處理時(shí)間的延長，2個(gè)品種葉綠素含量和類胡蘿卜素含量持續(xù)下降。冷脅迫9 d時(shí)，‘京欣一號品種葉綠素a葉綠素b的總量和類胡蘿卜素含量分別下降了37.96%和35.26%，‘特大懶漢王則下降了24.89%和39.08%，表明長時(shí)間冷脅迫會明顯影響西瓜幼苗光合色素積累。

2.5冷脅迫對西瓜幼苗超微結(jié)構(gòu)的影響

由于品種間的差異，處理前‘特大懶漢王的上下表皮、柵欄組織和海綿組織厚度均大于‘京欣一號（表7）。隨著處理時(shí)間的增加，2個(gè)品種的各組織厚度均出現(xiàn)減小的現(xiàn)象。冷脅迫3 d時(shí)，還可以看到清晰的柱狀排列緊密的柵欄組織（圖1和圖2），冷脅迫初期，西瓜幼苗還能承受5℃的低溫壓力，葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)變化不明顯。冷脅迫6 d時(shí)，柵欄組織厚度明顯減小，細(xì)胞體積變小，形狀由矩形變成橢圓形（圖3和圖4）。冷脅迫9 d時(shí)，柵欄組織排列無序，海綿組織細(xì)胞出現(xiàn)變形，甚至不能分辨（圖5和圖6）?！卮髴袧h王葉片的變化與‘京欣一號是相似的，此外上下表皮還出現(xiàn)斷裂、細(xì)胞干癟及明顯的細(xì)胞間隙。隨脅迫時(shí)間的延長，冷脅迫下西瓜葉片表現(xiàn)出形態(tài)結(jié)構(gòu)的損傷。

‘京欣一號的上表皮和下表皮厚度不斷減小，柵欄組織高度和海綿組織高度不斷降低，柵欄組織/海綿組織的值不斷減小。‘特大懶漢王上表皮厚度0～3 d略有增加，3～9 d不斷減小，柵欄組織高度和海綿組織高度不斷降低，柵欄組織/海綿組織的值不斷減小。

3討論與結(jié)論

冷害指數(shù)是描述植物遭受冷害程度最直觀最有效的指標(biāo)。本研究結(jié)果表明，西瓜的冷害耐受性是有品種間差異和耐受時(shí)限的。不同的西瓜品種冷害發(fā)生規(guī)律相似，但對冷害脅迫響應(yīng)是不同的。不同西瓜品種的冷害指數(shù)變化幅度不同，耐受冷害時(shí)間也不同，即使較好的耐低溫品種，超過其耐受冷害的時(shí)間也會發(fā)生冷害。冷害發(fā)生的程度取決于環(huán)境溫度、低溫持續(xù)的時(shí)間、降溫方式、植物材料的適應(yīng)和抵抗能力等。本研究結(jié)果表明，隨著冷脅迫時(shí)間的延長，冷害指數(shù)不斷升高。處理9 d時(shí)，2個(gè)品種均表現(xiàn)出葉緣萎縮、萎蔫及葉片發(fā)黃，‘京欣一號品種受損程度要略高于‘特大懶漢王。

根系活力降低會影響植物正常生理代謝，導(dǎo)致植物的生長發(fā)育受到抑制。根系是植物從土壤中吸收養(yǎng)分的重要器官，冷脅迫對根系的影響主要表現(xiàn)為降低了總比表面積和活躍比表面積。本研究結(jié)果表明，冷脅迫條件下西瓜根總比表面積變化最活躍，積極響應(yīng)冷脅迫。根總吸收面積、活躍吸收面積和根活躍吸收百分比也在波動變化，‘特大懶漢王較‘京欣一號變化幅度更大，但是2者的活躍比表面積變化規(guī)律相似。

光合色素（葉綠素和類胡蘿卜素）含量直接影響到光合作用的速率，進(jìn)而影響植物產(chǎn)量積累和品質(zhì)形成。本研究結(jié)果表明，冷脅迫條件下，隨著時(shí)間延長，西瓜幼苗的葉綠素和類胡蘿卜素含量明顯下降。這與劉慧英等在低溫脅迫對嫁接西瓜光合特性影響的研究及王興虎在低溫對厚皮甜瓜生理特性影響的研究得到的結(jié)論是一致的。低溫造成植物光合色素含量降低，影響到植物的光合作用和生長發(fā)育。

完整的形態(tài)結(jié)構(gòu)是葉片光合作用實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，是植物物質(zhì)積累和能量貯藏的準(zhǔn)備。本研究結(jié)果表明，冷脅迫影響西瓜幼苗葉片的超微結(jié)構(gòu)，上表皮和下表皮厚度減小，柵欄組織，海綿組織的值不斷減小。冷脅迫初期，上下表皮厚度減小，柵欄組織體積開始減小，排列較疏松，海綿組織出現(xiàn)間隙。冷脅迫后期，柵欄組織細(xì)胞排列紊亂、干癟甚至嚴(yán)重變形，海綿組織細(xì)胞間隙變大，無法區(qū)別柵欄組織和海綿組織。范小玉在對西瓜苗期耐冷性研究中也得到了相同的結(jié)論。冷脅迫初期，葉片的上下表皮細(xì)胞受損程度較輕，細(xì)胞水分變化較小，細(xì)胞膜和細(xì)胞功能受損程度低，植物體受到的傷害也較輕，這與蔡立永和宋永昌的研究結(jié)果一致。