氯化鈣和水楊酸對弱光脅迫下甜瓜幼苗生長及光合的影響

苗永美， 簡 興， 錢立生， 徐榮華(. 安徽科技學(xué)院 生命與健康科學(xué)學(xué)院，安徽 鳳陽 3300；. 安徽科技學(xué)院 建筑學(xué)院，安徽 鳳陽 3300)

光照是影響植物形態(tài)和功能的重要因子,對植物生長發(fā)育和形態(tài)建成具有極其重要的作用。植物在長期適應(yīng)不同光環(huán)境過程中,不同植物所接受的太陽輻射存在明顯差異,形成了自身特有的需光特性。甜瓜起源于非洲,喜光,但在栽培過程中,經(jīng)常會遇到弱光環(huán)境。目前關(guān)于光照對甜瓜生長發(fā)育的影響已有不少報道,研究結(jié)論表明弱光會應(yīng)影響甜瓜的生理生化指標(biāo)和光合能力,長時間弱光導(dǎo)致甜瓜生長發(fā)育遲緩,最終影響產(chǎn)量和品質(zhì)[1-2]。鈣作為偶聯(lián)胞外信號和胞內(nèi)生理反應(yīng)的第二信使參與植物對外界的反應(yīng)和適應(yīng),是植物抵抗環(huán)境脅迫的一個重要因素,目前在植物生物學(xué)中有關(guān)鈣的研究日益活躍[3-4]。已有研究表明,合理的使用鈣在提高植物抗干旱[5]、低溫[6]、鹽堿[7]、澇漬[8]等逆境能力方面有一定正向作用。水楊酸(salicylic acid,SA)是一種廣泛存在于植物體內(nèi)的信號分子,能保護(hù)葉綠體膜結(jié)構(gòu)及相對完整性,同時增加了葉片的氣孔導(dǎo)度,提高光能轉(zhuǎn)換效率,從而參與了調(diào)節(jié)植物抗病、抗鹽、抗冷、重金屬等多個抗逆過程[9-10]。黃瓜和番茄噴灑鈣和SA后,光合酶和保護(hù)酶的活性升高,光合能力加強(qiáng),作物對弱光的適應(yīng)性加強(qiáng)[11-12]。關(guān)于鈣和水楊酸對弱光下甜瓜的影響尚未見報道。因此,本試驗(yàn)針對甜瓜生長發(fā)育及生產(chǎn)中存在的實(shí)際問題,研究弱光脅迫結(jié)合噴灑CaCl2和SA,研究幼苗生長發(fā)育和光合能力等指標(biāo)的變化情況,以探討鈣和SA調(diào)控甜瓜弱光脅迫的可行性,為甜瓜等作物利用外源物質(zhì)鈣和SA緩解弱光脅迫提供理論依據(jù),也為甜瓜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)服務(wù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為‘羊角酥’甜瓜(安徽省鳳陽縣當(dāng)?shù)仄贩N),經(jīng)過多代自交收獲的種子。CaCl2和SA均為AR,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;SPAD-502PLUS 葉綠素測定儀,日本柯尼卡美能達(dá)公司生產(chǎn);CIRAS-3便攜式光合熒光測定儀,美國PP System公司生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2015年9月至10月期間在安徽科技學(xué)院種植科技園進(jìn)行。選取成熟飽滿種子用55℃左右溫水浸種5 h,濾掉水后,置于墊有濕紗布的培養(yǎng)皿中,28℃溫箱中催芽。等到露出白色胚根時播入32孔穴盤,基質(zhì)為土壤+草炭等比例混合,放于塑料大棚里培養(yǎng),期間進(jìn)行常規(guī)管理。等甜瓜幼苗長至兩葉一心時,剔除弱苗,選擇長勢良好,整齊度基本一致的幼苗用于試驗(yàn)處理。設(shè)6個處理,每個處理2個穴盤,30～32株苗。具體處理方式見表1。弱光采用遮陽網(wǎng)雙層遮陰,四周用竹竿搭架支撐遮陽網(wǎng)(遮光后光照強(qiáng)度約為自然光的50%)。采用全株(包括葉片和莖)噴施方式,CaCl2濃度為10 mmol/L,SA濃度為1 mmol/L,以噴去離子水為對照,每天上午10點(diǎn)開始噴施,噴至滴水,每天一次,連噴7 d,噴施時先噴遮陰處理的材料,逐盤噴施,噴完后立刻移入遮陽網(wǎng)中。下午5點(diǎn)澆水管理,保持土壤濕度盡可能一致。處理7 d結(jié)束后,第8 d開始測定相關(guān)指標(biāo)。

表1 試驗(yàn)處理Table 1 Treatment

1.3 測定項(xiàng)目及分析方法

1.3.1 生長指標(biāo) 各處理隨機(jī)抽取5株甜瓜苗用于生長指標(biāo)的測定。(1)葉長:用直尺測量第2、3功能葉葉心到葉尖的距離,平均值為該植株的葉長;(2)葉寬:用直尺測量第2、3功能葉最寬距離,平均值為該植株的葉寬;(3)葉厚:每株測第2、3功能葉,每個葉片用游標(biāo)卡尺測四個部位,取平均值;(4)株高:子葉節(jié)到生長點(diǎn)處距離;(5)株粗:游標(biāo)卡尺測量:子葉節(jié)處粗度;(6)將5株幼苗輕輕拔起,小心用清水洗凈泥土,用吸水紙吸干表面水分,再剪取植株的地上部分和地下部分,分別稱重;然后105℃殺青30 min, 75℃下烘干12 h,測定地上干重和地下干重。

1.3.2 葉綠素 隨機(jī)抽取各處理的5株甜瓜苗測定葉綠素,選第2、3功能葉用 葉綠素測定儀測定,同一葉片測三個部位,取平均值。

1.3.3 光合指標(biāo) 隨機(jī)抽取各處理的5株幼苗,選第2、3功能葉用于光合指標(biāo)測定。用光合熒光測定儀測定其胞間二氧化碳濃度Ci,氣孔導(dǎo)度Gs,凈光合速率Pn,蒸騰速率Tr,光合水分利用效率WUE,上午8∶00～11∶00進(jìn)行測定。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理 實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差”的方式表達(dá),采用Excel 2003和采用SPSS 19軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,用Duncan′s檢測法進(jìn)行多重比較,檢測處理間差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 CaCl2和SA對弱光下甜瓜幼苗生長的影響

甜瓜幼苗經(jīng)過遮光(T4處理)后其生長明顯受到抑制,除了葉厚變化差異不顯著外,其它四個生長指標(biāo)都明顯降低,葉長、葉寬、株粗和株高分別降低了17.42%、15.88%、21.21%、24.84%(表2),說明本試驗(yàn)的弱光條件已成為逆境脅迫影響了甜瓜的正常生長。自然光照下噴施CaCl2和SA后,與T1相比,除葉厚和株粗稍有顯著提高外,其它幾個指標(biāo)變化不顯著,說明本研究所做的CaCl2和SA處理對正常條件下的甜瓜生長影響不太大;而弱光脅迫下噴施CaCl2能明顯促進(jìn)植株的生長,葉長、葉寬和株粗顯著高于T4處理,比T4對應(yīng)的各指標(biāo)分別提高了20.44%、17.15%、30.77%;T5處理植株除了株高,其它四個指標(biāo)達(dá)到自然光(T1處理)生長水平,說明合理噴施CaCl2能緩解甜瓜幼苗生長期的弱光逆境脅迫。弱光下噴施SA后的甜瓜幼苗生長情況從數(shù)值上與T4對照差異不顯著,說明SA處理基本不能緩解弱光逆境對甜瓜生長造成的影響。

表2 CaCl2和SA對弱光下甜瓜幼苗生長的影響Table 2 Effect of CaCl2 and SA treatments on growth of melon seedling under low light intensity

注:同列不同字母表示處理間在0.05水平上差異顯著;下同

Note: Different letters within the same column indicate significant differences at 0.05 level,the same as below.

圖1 CaCl2和SA對弱光下甜瓜幼苗鮮重的影響Fig.1 Effect of CaCl2 and SA treatments on fresh weight of melon seedling under low light intensity

圖2 CaCl2和SA對弱光下甜瓜幼苗干重的影響Fig.2 Effect of CaCl2 and SA treatments on dry weight of melon seedling under low light intensity

從圖1、圖2看出,遮光處理對甜瓜幼苗生長的抑制還表現(xiàn)在植株生物量方面,鮮重和干重都明顯降低,T4處理植株地上鮮重和地下鮮重比T1分別降低了60.98%和62.36%,地上干重和地下干重分別降低了68.03%和77.78%。無論是自然光還是弱光條件下的CaCl2處理植株的鮮重和干重都比相應(yīng)光條件下清水對照顯著增加,自然光照下,鮮重(地上、地上)和干重(地上、地上)分別是T1對照的1.55、1.27、1.52、1.11倍,弱光條件下鮮重(地上、地上)和干重(地上、地上)分別是T4對照的2.04、1.68、1.72、1.66倍,比較發(fā)現(xiàn)弱光條件下CaCl2處理比自然光照條件下促進(jìn)植株生物量的積累效果更明顯。自然光照條件下,噴施SA促進(jìn)植株地上部分生長效果不顯著,抑制地下部分生長;而弱光條件下,SA處理能顯著促進(jìn)植株地上部分和地下部分的生長,鮮重(地上、地上)和干重(地上、地上)分別是T4對照的1.50、1.72、1.55、2.83倍。由此看出,噴施Ca2+和SA能緩解甜瓜弱光脅迫傷害。

2.2 CaCl2和SA對弱光下甜瓜幼苗葉綠素含量的影響

圖3所示,遮光處理抑制了甜瓜幼苗葉綠素的合成,含量顯著降低了8.70%。無論是自然光還是弱光下,甜瓜噴施CaCl2和SA后葉綠素含量比相應(yīng)光條件下的清水對照有提高趨勢,自然光下CaCl2和SA處理植株的葉綠素含量比對照提高了1.43%、3.36%,弱光下CaCl2和SA處理植株的葉綠素含量比對照提高了1.38%、0.13%,但與對照差異都不顯著。由此看出CaCl2和SA不能顯著促進(jìn)甜瓜葉綠素的合成。

圖3 CaCl2和SA對弱光下甜瓜幼苗葉綠素含量的影響Fig.3 Effect of CaCl2 and SA treatments on chlorophyl content of melon seedling under low light intensity

2.3 CaCl2和SA對弱光下甜瓜幼苗光合能力的影響

表3看出,遮光處理后的甜瓜植株P(guān)n和Gs明顯下降,而Ci明顯提高,Pn和Ci是分別是自然光處理(T1)的22.19%、143.67%,說明弱光脅迫致使甜瓜光合能力下降的原因主要是非氣孔限制因素,氣孔限制因素非常小;遮光植株的Tr變化不顯著,水分利用效率明顯降低。自然光下噴施CaCl2和SA后,Ci變化不顯著,而Pn明顯降低,比T1處理分別降低了37.43%、12.10%,說明正常光下外施兩種物質(zhì)對甜瓜植株的光合有一定的抑制作用;而在弱光條件下,CaCl2和SA處理使甜瓜的Ci濃度較對照顯著降低,分別降低了20.98%、14.75%,Pn升高,尤其是SA處理顯著提高了55.79%,說明弱光下外施兩種物質(zhì)對甜瓜植株的光合有一定的促進(jìn)作用。兩種光照下CaCl2和SA處理的植株與對照植株的Gs變化差異不大,而Tr降低尤其是弱光處理降低程度顯著,T5、T6處理比T4對照分別降低了49.13%、44.45%;兩種光照條件下噴施兩種物質(zhì)對植株的光合水分利用效率(WUE)影響不顯著。

表3 CaCl2和SA對弱光下甜瓜幼苗光合能力的影響Table 3 Effect of CaCl2 and SA treatments on photosynthetic capacity of melon seedling under low light intensity

3 結(jié)論與討論

甜瓜屬喜光作物,弱光逆境對其生長發(fā)育和光合影響很大,降低植株的同化作用,限制營養(yǎng)生長,植株形態(tài)從而發(fā)生變化。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明,連續(xù)7天的50%自然光照強(qiáng)度對甜瓜植株造成了傷害,甜瓜的葉長、葉寬、株粗、株高、地上干鮮重、地下干鮮重都明顯降低,這與種培芳在甜瓜上的研究結(jié)論一致[13]。光照是影響葉綠體形成的主要因子,弱光下葉綠體個體變小,數(shù)目變少。本試驗(yàn)表明弱光脅迫下,甜瓜葉綠素含量明顯降低,使光合能力和水分利用能力都明顯降低。目前認(rèn)為,因光照強(qiáng)度導(dǎo)致凈光合速率下降的原因分為氣孔限制和非氣孔限制兩類,Gs和Ci同時下降時,Pn下降主要由氣孔限制引起的,若Pn的下降伴隨著Ci升高,則主要限制因素為非氣孔因素[14]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示弱光處理的甜瓜葉片Pn和Gs下降,而Ci上升,說明Pn顯著下降主要受到非氣孔限制因素的影響。同樣,弱光脅迫下引起番茄[15]、烤煙[16]、黃瓜[17]Pn下降的主要原因是非氣孔限制因素,而艾希珍等[17]研究指出黃瓜弱光亞適溫下氣孔限制與非氣孔限制因素同時存在,氣孔度下降和碳同化降低都是導(dǎo)致黃瓜Pn降低的重要原因。

3.1 氯化鈣對弱光下甜瓜生長和光合的影響

Hepler等[18]研究認(rèn)為,Ca2+作為細(xì)胞內(nèi)第二信使,通過Ca-CaM信使系統(tǒng)穩(wěn)定細(xì)胞膜雙脂層的基本結(jié)構(gòu),保護(hù)膜的完整性;另外,在細(xì)胞內(nèi)Ca2+與受體細(xì)胞結(jié)合后具有接受、傳遞和放大外界信號的功能,而且會引發(fā)一系列與增強(qiáng)抗逆性有關(guān)的生理反應(yīng),從而減輕逆境脅迫給植物造成的傷害,維持植物正常生長。本試驗(yàn)結(jié)果表明,弱光處理結(jié)合噴施Ca2+能明顯緩解弱光對甜瓜生長的危害,植株的葉長、葉寬、葉厚和株粗達(dá)到自然光照條件下的水平;Ca2+處理還能提高兩種光處理下的甜瓜生物量,弱光條件下比自然光照條件下植株生物量的積累效果更明顯。與清水對照及自然光下Ca2+處理植株相比,弱光條件下Ca2+處理的甜瓜植株Ci和Gs有所下降,Pn升高,噴施鈣植株的葉綠素含量與對照差異不顯著,說明Ca2+處理引起甜瓜植株凈光速率升高的原因非葉綠素變化導(dǎo)致,而是其它非氣孔限制因素比如Ca2+處理提高了光合作用碳同化相關(guān)的酶活性等。弱光脅迫下番茄、黃瓜噴施外源鈣能提高光合效率的原因同樣也是因?yàn)樘岣吡颂纪嚓P(guān)的酶活性[15]。弱光下Ca2+處理仍然使甜瓜植株維持較高的同化力和光合速率,明顯降低弱光下植物的蒸騰速率,提高水分利用率,利于植物生長和生物量的積累。由此看出Ca2+能均衡甜瓜植株生長,使植株長勢健壯,提高同化能力,改善受光姿態(tài),從而提高了其耐弱光性,即Ca2+發(fā)揮了其在細(xì)胞結(jié)構(gòu)方面的調(diào)控作用。

3.2 水楊酸對弱光下甜瓜的生長和光合的影響

本試驗(yàn)的SA處理對甜瓜弱光脅迫傷害的緩解作用較小,緩解效果不如外施鈣明顯,甜瓜生長指標(biāo)與對照差異不明顯,生物量積累效果較明顯;與Ca2+處理一樣促進(jìn)葉綠素的合成效果不顯著,SA處理明顯使弱光下甜瓜Ci降低、Pn升高,Gs變化不顯著,說明外源SA對氣孔限制的改善作用非常小,主要是通過改善非氣孔限制因素來提高光合效率,其可能機(jī)理也可能是通過提高光合酶活性以維持葉肉細(xì)胞較高的光合能力。SA調(diào)節(jié)弱光下光合功能的作用同樣在烤煙[16]、黃瓜[17]等作物上發(fā)揮積極作用。

綜上所述,弱光脅迫使甜瓜幼苗生長和葉綠素合成受到抑制,光合速率明顯降低,均由非氣孔限制因素導(dǎo)致。脅迫過程中,連續(xù)7 d噴施10 mmol/L CaCl2和1 mmol/LSA溶液后,發(fā)現(xiàn)兩種溶液均能促進(jìn)弱光脅迫下甜瓜幼苗的生長和利于光合效率的提高,就甜瓜生長情況來看,CaCl2緩解效果好于SA;但SA處理對于改善非氣孔限制因子、提高甜瓜光合效率方面效果好于CaCl2處理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 安翠香，楊世梅，紀(jì)海波，等．遮蔭對甜瓜葉片光合特性的影響[J]．西北植物學(xué)報，2012，32(2)：342-347．

[2] 孫玉萍，戶金鴿，楊英，等．冬季弱光條件下不同厚皮甜瓜品種生理指標(biāo)初探[J]．新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，51(9)：1597-1604．

[3] 董玉梅，焦自高，王崇啟，等．低溫弱光脅迫對網(wǎng)紋甜瓜嫁接苗與自根苗某些物質(zhì)含量的影響[J]．山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，36(1)：67-69．

[4] 耿新麗，張銀歡，張翠環(huán)．弱光脅迫對不同甜瓜果實(shí)大小發(fā)育的影響[J]．北方園藝，2015(14)：27-30．

[5] 劉小龍，李霞，錢寶云，等．植物體內(nèi)鈣信號及其在調(diào)節(jié)干旱脅迫中的作用[J]．西北植物學(xué)報，2014，34(9)：1927-1936．

[6] 苗永美，王萬洋，楊海林，等．外源Ca2+,SA和ABA緩解甜瓜低溫脅迫傷害的生理作用[J]．南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013(4)：25-29．

[7] 周賀芳，鄒志榮，孟長軍，等．外源ALA、CaCl2和水楊酸對鹽脅迫下甜瓜幼苗一些生理特性的影響[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2007，25(4)：212-215．

[8] 歐立軍，劉周斌，楊博智，等．外源Ca2+連續(xù)噴施時間對辣椒淹水脅迫的緩解效應(yīng)研究[J]．西北植物學(xué)報，2016，36(10)：2015-2021．

[9] 康國章，孫谷疇，王正詢．水楊酸在植物抗環(huán)境脅迫中的作用[J]．廣西植物，2004，24(2)：178-183．

[10] 張永平，陳幼源，楊少軍，等．外源水楊酸對鎘脅迫甜瓜幼苗生長與光合氣體交換和葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊慬J]．西北植物學(xué)報，2014，34(4)：778-785．

[11] 畢煥改，董緒兵，王美玲，等．鈣和水楊酸對亞適溫弱光下黃瓜幼苗光合酶活性和基因表達(dá)的影響[J]．園藝學(xué)報，2015，42(1)：56-64．

[12] 劉玉鳳，董文閣，李天來．鈣素配方對弱光影響番茄抗氧化酶活性及產(chǎn)量的補(bǔ)償作用[J]．沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，44(6)：738-742．

[13] FARQUHAR G D，SHARKEY T D.Stomatal conductance and photosynthesis[J].ANNUAL REVIEW OF PLANT PHYSIOLOGY，1982，33：317-345.

[14] 李益清，李天來．外源鈣及鈣抑制劑對番茄耐弱光特性的調(diào)控作用[J]．西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011，20(8)：121-126．

[15] WANG H, LIU G S, YUN F, et al. Effects of salicylic acid on photosynthesis and chlorophyll fluorescence characteristics of flue-cured tobacco leaf in subdued light[J]. AGRICULTURAL SCIENCE & TECHNOLOGY,2014,15(1):33-38.

[16] 劉偉，艾希珍，梁文娟，等．低溫弱光下水楊酸對黃瓜幼苗光合作用及抗氧化酶活性的影響[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2009，20(2)：441-445．

[17] 艾希珍，王秀峰，崔志峰，等．鈣對弱光亞適溫下黃瓜光合作用的影響[J]．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，39(9)：1865-1871．

[18] HEPLER P K，QAYHE P O. Calcium and plant development[J]. ANN REW PLANT PHYIOL，1995，36：569-573.