外源水楊酸預(yù)處理對低溫脅迫下甜瓜幼苗生長及其抗逆生理特性的影響

刁倩楠，蔣雪君，陳幼源，張永平*

(1 上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所，上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點實驗室，上海201403；2 上海市金山區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，上海201599)

甜瓜(Cucumismelo)屬葫蘆科甜瓜屬，一年生蔓性草本植物，甜瓜喜溫耐熱, 生育期適溫為25～35 ℃，在世界園藝生產(chǎn)中占有重要地位，甜瓜具有很高的營養(yǎng)價值和藥用價值。甜瓜栽培歷史悠久，中國作為甜瓜生產(chǎn)大國，栽培面積和產(chǎn)量歷年均居世界首位。但在甜瓜栽培過程中, 尤其是早春栽培中, 經(jīng)常遇到低溫危害, 導(dǎo)致生長發(fā)育受到抑制，果實品質(zhì)受到影響，進(jìn)而降低經(jīng)濟(jì)效益。低溫不僅對作物的光合能力、抗氧化酶活性產(chǎn)生影響，還能誘導(dǎo)活性氧大量產(chǎn)生, 造成氧化傷害, 甚至導(dǎo)致植株死亡[1]。水楊酸(salicylic acid, SA)，作為一種簡單的酚類衍生物, 廣泛存在于高等植物體中，不僅能參與植物體內(nèi)多種生理過程，還與植物抗逆性之間存在密切的關(guān)系[2]。研究發(fā)現(xiàn)，外源施用SA能通過提高抗氧化酶活性，增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量來減輕干旱、鹽害、低溫等脅迫對植株造成的傷害[3-6]。前人研究表明，適應(yīng)濃度的SA能通過激活抗氧化酶活性，調(diào)節(jié)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，加強光合效率來增強番茄[7]、黃瓜[8]、蘿卜[9]和甜瓜[10]等作物的耐低溫性。然而，Janda等的研究發(fā)現(xiàn)，正常條件下施用SA后，玉米植株的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率都發(fā)生了下降[11]，說明SA也可能產(chǎn)生毒害作用。低溫會嚴(yán)重影響甜瓜的產(chǎn)量與品質(zhì)。外源施用SA能有效提高多種植物的抗逆性，然而不同作物，不同環(huán)境條件下SA的保護(hù)作用不盡相同。因此，本研究以甜瓜幼苗為試材，通過外源噴施的方法，比較不同濃度SA對低溫脅迫下甜瓜幼苗生長、膜系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及活性氧清除系統(tǒng)的影響，旨在尋求外源SA誘導(dǎo)甜瓜幼苗耐低溫性的最佳濃度閾值，為外源施用SA緩解低溫傷害提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料培養(yǎng)與處理

供試的甜瓜品種為‘紅優(yōu)’，種子由上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所提供；SA購買于上海源葉生物有限公司, 用蒸餾水配制1 000 mmol·L-1的母液, 4 ℃保存, 用時按試驗所需濃度進(jìn)行稀釋。試驗在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所進(jìn)行，2017年12月27日將飽滿、整齊一致的種子浸種催芽, 出芽后播于10 cm×10 cm的塑料營養(yǎng)缽中，以蛭石作基質(zhì)，然后置于光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行幼苗培養(yǎng)，溫度設(shè)置為晝(28±1)℃/夜(22±1)℃, 光照12 h，光照強度為400 μmol·m-2·s-1左右。

2018年1月22日, 當(dāng)幼苗長到3～4片真葉時, 選取生長一致的幼苗用濃度分別為0、0.1、0.5、1.0、2.0 mmol·L-1的水楊酸(SA)溶液(含1/8濃度日本園試營養(yǎng)液)噴施甜瓜幼苗，每株50 mL, 連續(xù)噴施3 d, 以便甜瓜幼苗充分吸收SA，分別置于晝(28±1)℃/夜(22±1)℃，光照強度為400 μmol·m-2·s-1左右的光照培養(yǎng)箱內(nèi)，3 d后將處理的幼苗進(jìn)行晝(12±1)℃/夜(6±1)℃[12]低溫處理。以噴施1/8濃度日本園試營養(yǎng)液，置于晝(28±1)℃/夜(22±1)℃幼苗為對照(CK)。每種處理50株, 3次重復(fù)。低溫處理與對照培養(yǎng)箱除溫度不同外, 光照和濕度狀況均一致。低溫培養(yǎng)7 d后溫度調(diào)為晝(28±1)℃/夜(22±1)℃, 進(jìn)行7 d恢復(fù)處理。低溫處理7 d和恢復(fù)7 d時分別取樣進(jìn)行各項指標(biāo)的測定。

1.2 測定項目與方法

1.2.1生長量每處理取6株，用直尺測量幼苗株高(子葉節(jié)至生長點); 利用游標(biāo)卡尺測量莖粗, 即子葉展開方向的子葉節(jié)的直徑; 用去離子水沖洗植株并吸干水分, 稱地上鮮重。

1.2.3抗氧化系統(tǒng)活性超氧化物歧化酶(SOD)活性采用四唑氮藍(lán)法[18]測定；過氧化物酶(POD)的活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法測定[19]；過氧化氫酶(CAT)活性的測定參照Dhindsa等的方法[20]；抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性的測定參照Nakano和Asada的方法[21]；抗壞血酸(AsA)含量的測定參考Law等的方法[22]；還原型谷胱甘肽(GSH)含量參照Griffith等的方法[23]；單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHAR)活性的測定參照Nakano 和 Asada的方法[21]：脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)活性的測定參照Hossain等的方法[24]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

每個指標(biāo)測定重復(fù)3次，取平均值。數(shù)據(jù)采用Origin軟件繪圖，用SPSS統(tǒng)計軟件對平均數(shù)用Duncan’s 新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源SA對低溫脅迫下甜瓜幼苗生長的影響

如表1所示, 經(jīng)過低溫脅迫及恢復(fù)處理7 d后，T0處理甜瓜幼苗的株高與對照(CK)相比分別顯著降低了28.47%、36.36%(P<0.05)，地上鮮重則分別顯著降低36.80%、34.92%，而低溫對植株莖粗影響不顯著。與T0處理相比，不同濃度SA處理均能誘導(dǎo)低溫脅迫甜瓜幼苗的形態(tài)指標(biāo)不同程度增加，且隨SA濃度增加呈先升后降的變化趨勢，但仍低于對照。其中，1.0 mmol·L-1SA處理(T1.0)作用最為突出，其低溫脅迫7 d幼苗株高、莖粗和地上鮮重與相應(yīng)T0處理相比分別增加了36.24%、5.21%和51.89%，恢復(fù)7 d幼苗則分別增加了40.34%、7.66%和38.21%。由此說明，低溫脅迫處理使甜瓜幼苗的生長受到顯著抑制，而外源SA能夠緩解這種抑制作用，其中以1.0 mmol·L-1SA處理的效果最好。

2.2 外源SA對低溫脅迫下甜瓜幼苗葉綠素含量的影響

圖1顯示，在單獨低溫處理下(T0)，甜瓜幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b及葉綠素a+b含量均顯著降低，低溫處理7 d幼苗與對照相比分別下降了29.26%、49.17%和34.81%，恢復(fù)7 d幼苗則分別降低27.54%、42.95%和31.63%。低溫脅迫下施用不同濃度SA均能不同程度增加甜瓜葉片的葉綠素a、b和a+b含量，但各低溫處理仍明顯低于對照(CK)；1.0 mmol·L-1SA 處理的增幅最大，其低溫處理7 d幼苗葉綠素a、b和a+b含量分別比T0處理顯著增加27.66%、59.49%和34.60%，其恢復(fù)7 d幼苗則分別比相應(yīng)T0處理顯著增加19.68%、58.96%和28.37%。可見，低溫脅迫能誘導(dǎo)甜瓜幼苗葉片葉綠素含量顯著降低，而外源SA能夠緩解這種下降趨勢，并以1.0 mmol·L-1SA處理的效果最好。

表1 外源SA預(yù)處理對低溫脅迫以及恢復(fù)處理的甜瓜幼苗生長的影響

注：CK.對照，無低溫和外源SA處理；T0.單純低溫處理；T0.1. 0.1 mmol·L-1SA+低溫處理；T0.5. 0.5 mmol·L-1SA+低溫處理；T1.0. 1.0 mmol·L-1SA+低溫處理；T2.0. 2.0 mmol·L-1SA+低溫處理；相同處理時間內(nèi)不同小寫字母表示處理間差異達(dá)0.05顯著水平；下同

Note: CK. Control，without chilling stress and SA treatment; T0. chilling stress; T0.1. 0.1 mmol·L-1SA+ chilling stress; T0.5. 0.5 mmol·L-1SA+ chilling stress; T1.0. 1.0 mmol·L-1SA+ chilling stress；T2.0. 2.0 mmol·L-1SA+ chilling stress; The different normal letters within the same treatment time indicate significant difference among treatments at 0.05 level. The same as below

2.3 外源SA對低溫脅迫下甜瓜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

從圖2可知，與對照(CK)相比，低溫處理7 d后甜瓜葉片中可溶性糖和脯氨酸含量分別顯著提高12.22%和27.63%，而其可溶性蛋白含量卻顯著降低了39.66%。與單獨低溫脅迫(T0)相比，外源SA能夠不同程度地增加甜瓜葉片中可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量，且隨濃度的增加呈先上升后下降的趨勢，1.0 mmol·L-1SA處理的可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量最高，與T0相比分別顯著增加了68.97%、58.10%和44.30%?；謴?fù)處理7 d后，各處理甜瓜幼苗葉片可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白含量的變化趨勢與低溫脅迫處理7 d相似，1.0 mmol·L-1SA處理的可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸的含量分別比T0處理顯著增加了54.79%、66.92%和44.86%，并高于相應(yīng)的對照水平。說明低溫脅迫下施用不同濃度的SA能夠增加甜瓜葉片中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，減輕低溫對甜瓜幼苗造成的傷害，且1.0 mmol·L-1SA處理作用最明顯。

Ⅰ.處理7 d；Ⅱ.恢復(fù)7 d。下同圖1 外源SA預(yù)處理對低溫脅迫以及恢復(fù)處理的甜瓜幼苗葉綠素含量的影響Ⅰ. Treatment 7 d； Ⅱ. Resume 7 d. The same as belowFig.1 Effects of exogenous SA pretreatment on chlorophyll contents of melon seedlings under chilling stress and resume treatment

2.4 外源SA對低溫脅迫下甜瓜幼苗活性氧和膜脂過氧化的影響

圖2 外源SA預(yù)處理對低溫脅迫以及恢復(fù)處理的甜瓜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響Fig.2 Effects of exogenous SA pretreatment on osmotic adjustment substances of melon seedlings under chilling stress and resume treatment

2.5 外源SA對低溫脅迫下甜瓜幼苗抗氧化酶活性的影響

圖4顯示, 與常溫對照(CK)相比, 低溫脅迫7 d后, 單獨低溫脅迫(T0)甜瓜幼苗葉片SOD、POD、CAT、GR和DHAR活性分別降低23.80%、20.95%、29.63%、68.42%和54.54%, 而APX活性則升高26.83%；低溫脅迫下經(jīng)不同濃度SA處理的甜瓜幼苗葉片中各抗氧化酶活性均比T0處理不同程度增加，且活性隨SA濃度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，并在SA濃度為1.0 mmol·L-1時各抗氧化酶活性均達(dá)最大值，此時比單獨低溫處理分別提高了36.31%、118.07%、55.26%、48.08%、233.33%和100.00%。在恢復(fù)7 d后, 除CAT以外，甜瓜幼苗葉片其他抗氧化酶活性與低溫脅迫7 d相比均有不同程度的增加，它們隨SA濃度的變化規(guī)律與低溫脅迫7 d相似, 同樣以1.0 mmol·L-1SA處理的甜瓜幼苗葉片抗氧化酶活性最大, 且與常溫對照相比顯著增加(CAT和DHAR活性除外)。以上結(jié)果表明低溫脅迫下噴施不同濃度的SA能誘導(dǎo)甜瓜幼苗抗氧化酶活性明顯增強, 其中以1.0 mmol·L-1SA處理的作用最為顯著。

2.6 外源SA對低溫脅迫下甜瓜幼苗抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)的影響

圖5表明, 低溫脅迫7 d時, 單獨低溫脅迫處理甜瓜幼苗葉片中ASA、GSH含量及ASA/DHA、GSH/GSSG比值與對照相比均顯著降低, 降幅分別為68.29%、74.51%、76.37%和82.81%；同時，低溫脅迫下外源施用SA提高了甜瓜幼苗葉片中的ASA、GSH含量及ASA/DHA、GSH/GSSG，且各指標(biāo)隨SA濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，其中在1.0 mmol·L-1SA處理時達(dá)到最大值，此時比單獨低溫處理分別提高了2.20、2.04、2.86和3.11倍。恢復(fù)7 d后，除了ASA含量外，甜瓜幼苗葉片中的GSH含量及ASA/DHA、GSH/GSSG比值與低溫脅迫7 d相比均有所降低，單個值的變化規(guī)律與低溫脅迫7 d相似，仍以1.0 mmol·L-1SA處理的甜瓜幼苗葉片中ASA、GSH含量及ASA/DHA、GSH/GSSG比值最大，與常溫對照相比無顯著性差異，與單獨低溫脅迫相比顯著提高，增幅分別為1.09、0.30、1.24和1.35倍。以上結(jié)果表明低溫脅迫下施用不同濃度的SA能激活抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)系統(tǒng)，有效減輕低溫脅迫對甜瓜幼苗引起的過氧化傷害。

圖3 外源SA預(yù)處理對低溫脅迫以及恢復(fù)處理的甜瓜幼苗活性氧及膜脂過氧化和透性的影響Fig.3 Effects of exogenous SA pretreatment on H2O2 and MDA contents, production rate of and electrolyte leakage of melon seedlings under chilling stress and resume treatment

圖4 外源SA預(yù)處理對低溫脅迫以及恢復(fù)處理的甜瓜幼苗抗氧化酶活性的影響Fig.4 Effects of exogenous SA pretreatment on antioxidant enzyme activities of melon seedlings under chilling stress and resume treatment

圖5 外源SA預(yù)處理對低溫脅迫以及恢復(fù)處理的甜瓜幼苗抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)的影響Fig.5 Effects of exogenous SA pretreatment on ASA-GSH cycle of melon seedlings under chilling stress and resume treatment

3 討 論

植物的生長發(fā)育除了受到遺傳因素調(diào)控外，還會受到環(huán)境條件的影響，低溫脅迫是影響設(shè)施栽培蔬菜作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的主要限制因子。前人研究已經(jīng)證明，低溫脅迫會導(dǎo)致植物發(fā)生一系列生理生化變化，造成生理功能紊亂。本研究中，與常溫對照相比，低溫脅迫處理明顯抑制了甜瓜幼苗的生長，植株的株高、莖粗和地上鮮重顯著低于對照，即使經(jīng)過恢復(fù)處理也無法達(dá)到對照水平。同時，低溫脅迫還降低了甜瓜幼苗葉片中的葉綠素含量。此外，經(jīng)過低溫脅迫處理7 d后，甜瓜幼苗葉片的相對電導(dǎo)率明顯高于對照，說明長期低溫脅迫會使細(xì)胞膜受到損傷，細(xì)胞膜透性增大，使甜瓜幼苗產(chǎn)生冷害性狀。這與前人在黃瓜和水稻等作物上的研究結(jié)果一致[25]。在本研究中，低溫脅迫下施用不同濃度的外源SA均能有效緩解低溫對甜瓜幼苗的傷害，并以1.0 mmol·L-1SA的效果最顯著；與單獨低溫脅迫相比，低溫脅迫下施用1.0 mmol·L-1SA能顯著提高甜瓜幼苗的生長量和葉綠素含量，同時增加可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，降低葉片的相對電導(dǎo)率，從而提高甜瓜幼苗的耐冷性，這與辛慧慧等在棉花上[26]、劉曉靜等[27]在甘蔗上的研究結(jié)果一致。

綜上所述，對低溫脅迫下甜瓜幼苗葉片噴施適當(dāng)濃度的外源SA后，可以明顯改善低溫下甜瓜幼苗的生理特性，明顯提高其滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，顯著增強SOD、POD、CAT、APX等抗氧化酶活性，激活A(yù)SA-GSH循環(huán)，顯著降低了活性氧的產(chǎn)生和膜脂過氧化傷害，從而有效緩解低溫脅迫對甜瓜幼苗的損害，明顯提高幼苗的耐寒能力。