根區(qū)溫度對黃瓜嫁接苗碳氮代謝及相關(guān)酶活性的影響

孫世君，付崇毅，崔世茂，宋 陽，高 宇，劉 琦

(1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2 內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031)

利用日光溫室和塑料大棚進(jìn)行黃瓜冬季栽培和早春育苗的過程中,經(jīng)常會受到低溫脅迫的危害,使得植株喪失正常的生理功能[1]。針對生產(chǎn)中遇到的低溫脅迫問題，前人研究主要集中在低氣溫脅迫方面。低氣溫會破壞植物體內(nèi)的各種生理機制，抑制葉綠素的形成，降低植物光合作用,使植物的生長發(fā)育受到影響[2-3]。然而，事實上低地溫對植物生長發(fā)育的影響也很大。低地溫不僅影響根系對水分和礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收以及根系向地上部輸送激素的含量[4]，而且通過改變?nèi)~片中葉綠素含量、氣孔阻力、內(nèi)部酶活性等導(dǎo)致了光合產(chǎn)物和毒物的積累，進(jìn)而影響了光合作用[5-6]。由此可見，根區(qū)溫度對植物的生長起到重要的作用。

黃瓜在我國北方設(shè)施溫室中的栽培比較廣泛，然而由于黃瓜具有喜溫不耐冷的特性，因此也常常因為受到不適宜根區(qū)溫度的影響而不能正常生長發(fā)育。近幾年來，有關(guān)根區(qū)溫度對黃瓜生長影響方面的研究逐漸增多，但多集中在根區(qū)溫度對黃瓜形態(tài)指標(biāo)[7-8]、抗逆性指標(biāo)[9-10]、礦質(zhì)元素吸收[11-12]的影響等方面，而對其生命活動中最重要的碳氮代謝及相關(guān)酶活性方面的研究則相對較少，因此本試驗以此為突破點，分析根區(qū)溫度對黃瓜生長發(fā)育的影響，以期為冬季黃瓜生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

1.1.1 試驗材料 試驗采用的黃瓜品種為津優(yōu)35號，以黃瓜自根苗和嫁接苗為處理材料，嫁接苗的砧木包括黑籽南瓜和白籽南瓜，本研究以黑籽南瓜為砧木嫁接的黃瓜苗標(biāo)記為“黑籽”，以白籽南瓜為砧木嫁接的黃瓜苗標(biāo)記為“白籽”,自根黃瓜苗標(biāo)記為“自根”。

1.1.2 試驗處理 試驗于2016年4-6月在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)基地的日光溫室內(nèi)進(jìn)行。4月3日開始播種砧木白籽南瓜，4月6日播種砧木黑籽南瓜，4月10日播種接穗，4月18日進(jìn)行嫁接，5月6日當(dāng)嫁接苗和自根苗均長至2葉1心時，挑選生長整齊一致的嫁接苗和自根苗開始進(jìn)行溫度處理。試驗將根區(qū)溫度設(shè)適溫(18～20 ℃，CK)、亞適溫(13～15 ℃)、低溫(8～10 ℃)3個處理，每天處理8 h(22:00-06:00)。處理20 d后，取植株鮮樣用液氮固定后超低溫保存，用于各項生理指標(biāo)的測定。

1.1.3 根區(qū)溫度處理裝置 該裝置整體呈扁箱體，由高密度聚笨板包裹而成，扁箱體上方按照所需株行距打孔定植黃瓜苗。扁箱體內(nèi)盛放土壤，在土壤層下方設(shè)置盤制循環(huán)冷水管，所述盤制循環(huán)冷水管一端與水泵連接后插入到冰柜底部作為出水管，另一端同樣插入冰柜作為回水管，冰柜的上蓋用同樣大小的高密度聚苯板代替。在冷水管間隙設(shè)置盤制地?zé)峋€，水泵和地?zé)峋€各自連接一個溫控器，并以并聯(lián)的方式連接到時控器上，溫控器的探頭均放在扁箱體內(nèi)底部中心位置。時控器通過控制2個溫控器，從而自動控制某段時間內(nèi)的土壤溫度。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.扁箱體；2.定植孔；3.地?zé)峋€；4.冷凝管；5.溫控器1探頭；6.溫控器1；7.水泵；8.冰柜；9.溫控器2探頭；10.溫控器2；11.時控器；12.總電源1.Flat box；2.Planting hole；3.Ground heat pipe；4.Condenser tube；5.Temperature controller 1 probe；6.Temperature controller 1；7.Water pump；8.Freezer；9.Temperature controller 2 probe；10.Temperature controller 2；11.Timer；12.Total power supply圖1 根區(qū)溫度控制裝置立體示意圖Fig.1 Root-zone temperature control device

1.2 測定項目與方法

1.2.1 根區(qū)溫度和氣溫 5月6日至5月26日，每隔5 d測定1次夜間(22:00-06:00)根區(qū)溫度和氣溫，其中氣溫測定方法為：將溫度記錄儀(精創(chuàng)RC-4)探頭置于各處理上方10 cm處，每30 min自動記錄1次；根區(qū)溫度用溫度記錄儀測定，土層深度為0～5 cm，每30 min自動記錄1次。

1.2.2 黃瓜葉片碳代謝物質(zhì)含量及酶活性 采用間苯二酚法測定蔗糖和果糖含量[13]；高氯酸法測定淀粉含量[14]；取黃瓜幼苗葉片0.2 g于液氮中速凍，采用上海杰美基因醫(yī)藥科技有限公司生產(chǎn)的試劑盒測定Rubisco酶活性[15]；采用南京建成生物工程研究所研制的試劑盒測定蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性。

1.2.3 黃瓜葉片和根系氮代謝物質(zhì)含量及酶活性 硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、可溶性蛋白含量測定參照文獻(xiàn)[16-17]，脯氨酸含量測定采用水合茚三酮比色法，硝酸還原酶(NR)測定利用磺胺比色法，谷氨酰胺合成酶(GS)測定參照文獻(xiàn)[18]，谷氨酸合成酶(GOGAT)活性測定參照文獻(xiàn)[19]。每個處理重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖，采用DPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，并運用鄧肯氏檢驗法進(jìn)行差異顯著性(P<0.05)檢驗。圖表中數(shù)據(jù)均為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗期間各處理夜間根區(qū)溫度和氣溫的變化

由圖2可知，試驗期間溫室內(nèi)夜間氣溫總體呈上升趨勢，3種處理根區(qū)溫度受氣溫的影響也表現(xiàn)出升高趨勢。5月26日試驗處理結(jié)束時，適溫處理、亞適溫處理、低溫處理的根區(qū)溫度分別為19.8，14.6和9.8 ℃，較5月6日試驗開始時的根區(qū)溫度分別升高了1.5，1.2和1.7 ℃，但溫度變化穩(wěn)定在試驗設(shè)定的范圍內(nèi)，符合試驗對根區(qū)溫度的要求。

圖2 試驗期間各處理夜間平均地溫和氣溫變化Fig.2 Changes of root-zone temperature and air temperature during the experiment

2.2 根區(qū)溫度對黃瓜幼苗葉片碳代謝及相關(guān)酶活性的影響

2.2.1 葉片淀粉、蔗糖及果糖含量 由表1可知，隨著根區(qū)溫度的降低，“黑籽”、“白籽”、“自根”的淀粉、蔗糖和果糖含量均表現(xiàn)出降低趨勢，但嫁接苗的降低幅度小于自根苗。相同類型苗與其CK相比，低溫處理下“自根”的淀粉、蔗糖和果糖含量降低幅度最大，分別較CK降低25.16%，33.88%和26.02%，而“黑籽”的淀粉、蔗糖和果糖含量降低幅度最小，分別較CK降低11.03%，26.82%和15.59%。適溫處理與亞適溫處理間“黑籽”淀粉含量差異不顯著，亞適溫和低溫處理下“黑籽”、“白籽”、“自根”三者間的淀粉含量差異顯著。3種溫度處理下相同類型苗之間蔗糖、果糖含量差異顯著；相同溫度處理下“黑籽”與“白籽”、“自根”之間的蔗糖、果糖含量差異顯著；低溫處理下“白籽”與“自根”的蔗糖、果糖含量差異顯著，其他溫度處理下二者差異不顯著。

表1 根區(qū)溫度對黃瓜葉片淀粉、蔗糖及果糖含量(干基)的影響

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05)，下同。

Note：Different small letters in the same column mean significant difference atP<0.05 level,the same below.

2.2.2 葉片Rubisco酶、蔗糖磷酸合成酶(SPS)、蔗糖合成酶(SS)活性 根區(qū)溫度對黃瓜幼苗葉片Rubisco酶、蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性的影響如圖3～5所示。圖3～5顯示，黃瓜幼苗葉片 Rubisco 酶、SPS、SS的活性均隨處理溫度的降低呈下降趨勢。亞適溫下，“黑籽”的Rubisco酶、SS與CK存在顯著差異，分別較CK降低13.38%和26.49%；“白籽”和“自根”的Rubisco酶、SPS、SS活性與CK相比也存在顯著差異，“白籽”的3種酶活性分別較CK降低20.66%，16.56%和29.24%，“自根”的3種酶活性分別較CK降低32.95%，22.37%和46.98%。低溫處理下，“黑籽”、“白籽”和“自根”的Rubisco酶、SPS、SS活性與CK相比均存在顯著差異，3種試材的Rubisco酶、SPS、SS活性從強到弱依次為“黑籽”>“白籽”>“自根”,“自根”的Rubisco酶、SPS、SS活性最低，分別較CK降低75%，55.24%和74.69%。

圖3 根區(qū)溫度對黃瓜幼苗葉片Rubisco酶活性的影響Fig.3 Effects of root zone temperature on Rubisco activities in cucumber leaves

圖4 根區(qū)溫度對黃瓜幼苗葉片蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的影響Fig.4 Effects of root zone temperature on SPS activities in cucumber leaves

圖5 根區(qū)溫度對黃瓜幼苗葉片蔗糖合成酶(SS)活性的影響Fig.5 Effects of root zone temperature on SS activities in cucumber leaves

2.3 根區(qū)溫度對黃瓜幼苗葉片和根系氮代謝及相關(guān)酶活性的影響

2.3.1 葉片中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、可溶性蛋白和脯氨酸含量 根區(qū)溫度對黃瓜葉片銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性蛋白和脯氨酸含量(鮮基)的影響見表2。

表2 根區(qū)溫度對黃瓜葉片銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性蛋白和脯氨酸含量(鮮基)的影響Table 2 Effect of root zone temperature on contents (fresh basis) of soluble protein and proline in cucumber leaves

由表2 可知，亞適溫和低溫處理降低了黃瓜葉片中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量，促使可溶性蛋白和脯氨酸含量顯著升高。與CK相比，亞適溫處理條件下“黑籽”的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量未顯著降低，“白籽”、“自根”的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量顯著下降，“白籽”分別較CK降低10.51%和6.62%，“自根”分別較CK降低15.74%和15.02%；亞適溫處理條件下，“黑籽”、“白籽”、“自根”的可溶性蛋白和脯氨酸含量與CK相比也存在顯著差異，其中“黑籽”的可溶性蛋白、脯氨酸含量最高，較CK分別提高15.51%和17.46%，“自根”的可溶性蛋白和脯氨酸含量最低，但也較CK分別增加11.91%和13.36%。低溫處理條件下，3種試材的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量較CK顯著降低，脯氨酸和可溶性蛋白含量較CK顯著升高，其中“黑籽”的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量最高，分別較CK降低19.30%和13.28%，“自根”的可溶性蛋白和脯氨酸含量最低，分別較CK升高32.41%和36.11%。

2.3.2 根系中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、可溶性蛋白和脯氨酸含量 由表3可知，根區(qū)溫度顯著影響黃瓜根系中氮代謝相關(guān)物質(zhì)的含量。與適溫(CK)相比，亞適溫處理顯著影響“黑籽”和“白籽”的硝態(tài)氮、可溶性蛋白和脯氨酸含量，“黑籽”的硝態(tài)氮含量較CK降低17.12%，可溶性蛋白、脯氨酸含量較CK分別升高21.55%和22.82%；“白籽”硝態(tài)氮含量較CK減少17.72%，可溶性蛋白、脯氨酸含量較CK分別增加16.07%和20.16%；亞適溫處理下，“自根”的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、脯氨酸和可溶性蛋白含量與CK相比也存在顯著差異，銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量分別減少31.25%和22.22%，可溶性蛋白、脯氨酸含量分別增加14.90%和18.16%。低溫處理下，與適溫(CK)相比，3種試材的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、脯氨酸和可溶性蛋白含量均存在顯著差異；“黑籽”的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量顯著高于“白籽”和“自根”，“自根”的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量最低，分別較CK降低62.5%和46.33%；“自根”的可溶性蛋白和脯氨酸含量顯著低于“白籽”和“黑籽”，“黑籽”的可溶性蛋白和脯氨酸含量最高，分別較CK提高56.03%和78.28%。

表3 根區(qū)溫度對黃瓜根系銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、可溶性蛋白和脯氨酸含量(鮮基)的影響Table 3 Effect of root zone temperature on contents (fresh basis) of soluble protein and proline in cucumber roots

2.3.3 葉片中硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)活性 由圖6～8可知，與適溫(CK)相比，亞適溫和低溫處理抑制了黃瓜幼苗葉片NR、GS和GOGAT的活性。亞適溫條件下，“黑籽”的NR、GS和GOGAT活性與CK相比差異不顯著，“白籽”和“自根”的NR、GS和GOGAT活性與CK相比均存在顯著差異，“白籽”的NR、GS和GOGAT活性分別較CK降低9.13%，11.66%和6.25%，“自根”的NR、GS和GOGAT活性分別較CK降低15.77%，18.05%和7.55%。低溫處理下，“黑籽”、“白籽”和“自根”的NR、GS和GOGAT活性與CK相比均存在顯著差異，其中“黑籽”的NR、GS和GOGAT活性最高，“自根”的NR、GS和GOGAT活性最低。

圖6 根區(qū)溫度對黃瓜幼苗葉片硝酸還原酶(NR)活性的影響Fig.6 Effects of root zone temperature on NR activities in cucumber leaves

圖7 根區(qū)溫度對黃瓜幼苗葉片谷氨酰胺合成酶(GS)活性的影響Fig.7 Effects of root zone temperature on GS activities in cucumber leaves

圖8 根區(qū)溫度對黃瓜幼苗葉片谷氨酸合成酶(GOGAT)活性的影響Fig.8 Effects of root zone temperature on GOGAT activities in cucumber leaves

2.3.4 根系中硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、 谷氨酸合成酶(GOGAT)活性 由圖9～11可知，黃瓜幼苗根系中NR、GS、GOGAT活性隨著處理溫度的降低逐漸降低。亞適溫條件下，“黑籽”的NR和GS活性與CK不存在顯著差異，但GOGAT活性與CK差異顯著，較CK降低9.52%；“白籽”和“自根”的NR、GS、GOGAT活性與CK相比均存在顯著差異，其中“白籽”的NR、GS、GOGAT活性分別降低16.31%，8.60%和19.04%，“自根”的NR、GS、GOGAT活性分別降低29.21%，10.28%和34.21%。低溫處理下，“黑籽”、“白籽”和“自根”的NR、GS、GOGAT活性與CK均存在顯著差異，“黑籽”的NR、GS、GOGAT活性最高，分別較CK降低18.17%，11.39%和25.39%，“自根”的NR、GS、GOGAT活性最低，分別較CK降低56.07%，24.57%和65.78%。

圖9 根區(qū)溫度對黃瓜幼苗根系硝酸還原酶(NR)活性的影響Fig.9 Effects of root zone temperature on NR activities in cucumber roots

圖10 根區(qū)溫度對黃瓜幼苗根系谷氨酰胺合成酶(GS)活性的影響Fig.10 Effects of root zone temperature on GS activities in cucumber roots

圖11 根區(qū)溫度對黃瓜幼苗根系谷氨酸合成酶(GOGAT)活性的影響Fig.11 Effects of root zone temperature on GOGAT activities in cucumber roots

3 討 論

黃瓜對根區(qū)溫度非常敏感[20]，不適宜的根區(qū)溫度會破壞其地上部和地下部代謝平衡，由此會引發(fā)一系列的次生傷害。碳代謝在植物體的生命活動中起著重要的作用，其主要包括光合固定、碳水化合物的運輸轉(zhuǎn)化代謝以及碳積累代謝[21]。Rubisco酶活性是光合固定過程中的關(guān)鍵酶。蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)則是糖轉(zhuǎn)化與積累過程中所必需的酶[22]。研究發(fā)現(xiàn)，根區(qū)溫度在20 ℃時，光合作用的相關(guān)酶活性高于13 ℃[23]。根區(qū)亞低溫使黃瓜幼苗生長受抑制，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、SPS和SS活性降低[10]。本試驗中，與適溫(對照)處理相比，亞適溫和低溫處理降低了Rubisco酶、SPS和SS 活性，這與前人的研究結(jié)果一致。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，亞適溫和低溫處理降低了黃瓜葉片淀粉、蔗糖及果糖的含量，淀粉含量的減少可能是由于根區(qū)低溫抑制了黃瓜幼苗葉片SS和SPS活性，因此合成淀粉所需的底物腺苷二磷酸葡萄糖(ADPG)合成受阻，從而抑制了淀粉合成[24]；而蔗糖和果糖含量的降低，其原因可能是根區(qū)低溫導(dǎo)致黃瓜幼苗光合速率降低[25]，同時SPS和SS活性下降，因此直接導(dǎo)致了光合產(chǎn)物的減少。

嫁接苗因為具有相對較強的抗逆境能力，所以已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐中。前人研究發(fā)現(xiàn)，砧木苗黑籽南瓜的生長和抗冷性優(yōu)于新土佐[31]，以黑籽南瓜為砧木的黃瓜嫁接苗，在低溫下根系吸收養(yǎng)分與水分的能力顯著強于自根苗[32]。本研究表明，相同根區(qū)溫度處理下，“黑籽”碳氮代謝相關(guān)酶的活性及物質(zhì)含量均高于“白籽”和“自根”；在亞適溫和低溫處理條件下，“黑籽”的可溶性蛋白和脯氨酸含量最高，“白籽”次之，“自根”最低?？扇苄缘鞍缀透彼峥梢杂行Ь徑庖虻蜏孛{迫導(dǎo)致的細(xì)胞內(nèi)水分和膨壓降低，從而維持細(xì)胞的正常功能，因此“黑籽”具有相對較強的抗低溫脅迫能力。

4 結(jié) 論

亞適溫和低溫處理抑制了黃瓜幼苗碳氮代謝相關(guān)酶的活性，使得黃瓜幼苗體內(nèi)淀粉、蔗糖和果糖含量減少，阻礙了銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收與利用。與此同時，低溫處理誘導(dǎo)了植物體內(nèi)可溶性蛋白及脯氨酸含量的升高，緩解了低溫脅迫對黃瓜幼苗生理代謝造成的不利影響?！昂谧选笔艿礁鶇^(qū)低溫脅迫的影響小于“白籽”和“自根”，其中“自根”受到的影響最大。