黃瓜植株對(duì)高溫悶棚的生理響應(yīng)

張紅梅，金海軍*，楊學(xué)科，丁小濤，崔佳維，卜立君，余紀(jì)柱**

（1上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施園藝研究所，上海201403；2 232152部隊(duì)，石家莊050081；3上海孫橋溢佳農(nóng)業(yè)技術(shù)股份有限公司，上海201210）

植物誘導(dǎo)抗病性的研究工作始于20世紀(jì)50年代，隨著植物誘導(dǎo)抗病性研究的不斷發(fā)展，物理誘導(dǎo)因子因具有安全、應(yīng)用方便的特點(diǎn)受到人們的重視，尤其以生態(tài)因子作為誘導(dǎo)因子的抗病性研究倍受關(guān)注［1］。研究發(fā)現(xiàn)，某些生態(tài)壓力，如高溫、高濕、低濕等條件可以誘導(dǎo)寄主植物的系統(tǒng)抗病性（ISR）［2-5］。在黃瓜生產(chǎn)中高溫悶棚是生態(tài)防治中最具有代表性、成效最明顯的方法。目前，關(guān)于高溫悶棚防治黃瓜病蟲害方面的研究已有一些報(bào)道。王其枝等［6］認(rèn)為，使棚內(nèi)溫度達(dá)到38—52℃，可抑制病害的發(fā)生和危害，并可消滅害蟲。Stermer等［7］曾用短暫熱擊法誘導(dǎo)黃瓜黃化苗及正常黃瓜苗對(duì)黃瓜黑星?。–ladosporium cucumerinumEll.et Arth.）的抗性，黃瓜幼苗經(jīng)50℃水浴40—50 s后，抗病性明顯增強(qiáng)。張富榮等［8］研究認(rèn)為，在日光溫室高水肥管理的條件下，高溫悶棚對(duì)黃瓜白粉病的發(fā)生有一定的抑制作用。以上研究都集中在高溫悶棚的方式方法以及防治效果上，而對(duì)植物生長(zhǎng)過程中通過環(huán)境條件及生態(tài)壓力的調(diào)控來激發(fā)其自身抗病性反應(yīng)機(jī)制的研究較少，因而限制了生態(tài)防治在病害防治中的應(yīng)用。本試驗(yàn)在黃瓜耐高溫研究的基礎(chǔ)上，對(duì)高溫悶棚條件下黃瓜植株的光合參數(shù)、生理指標(biāo)以及病害變化情況進(jìn)行研究，以期為生態(tài)防治方法更好地應(yīng)用于田間生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

大棚所種黃瓜品種為‘春秋王2號(hào)’，歐洲類型短黃瓜，由上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施園藝研究所提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 育苗及定植

試驗(yàn)于2015年9—12月在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗(yàn)站的兩個(gè)塑料大棚中進(jìn)行。大棚為南北走向，鋼骨架結(jié)構(gòu)，棚高2.3 m，寬8 m，長(zhǎng)40 m，PE膜，薄膜厚度0.10 mm，使用期1年。每棚作5畦，畦面和畦溝全部鋪上黑色地膜，地膜下鋪滴灌管進(jìn)行水分管理。9月1日將飽滿的黃瓜種子直播于50孔穴盤中，育苗基質(zhì)為草炭∶蛭石∶珍珠巖＝7∶2∶1。9月9日幼苗長(zhǎng)到1葉1心時(shí)定植到大棚中，緩苗后采用膜下滴灌方式進(jìn)行澆水，保證每次每棚滴水時(shí)間一致，其他按常規(guī)方法管理。

1.2.2 高溫悶棚方法

2015年10月12日（晴朗天氣）上午9：00（室外溫度達(dá)到20℃）進(jìn)行悶棚，黃瓜植株處于開花結(jié)果前期。將其中一個(gè)棚進(jìn)行高溫悶棚，悶棚前打開滴灌澆足水，并在壟溝上灑水，在大棚中部距離地面0 m、1 m、1.5 m、2 m的位置各放置一個(gè)溫濕度記錄儀（WS-TH，杭州微松環(huán)境科技有限公司），將大棚卷簾和進(jìn)出門關(guān)閉，大棚內(nèi)最高溫度控制在45—50℃，持續(xù)2 h后，逐漸通風(fēng)降溫。另外一個(gè)棚正常管理作為對(duì)照。

1.2.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

在悶棚前9：00、悶棚結(jié)束時(shí)11：30、悶棚后當(dāng)天下午1：00、恢復(fù)1 d、恢復(fù)2 d和恢復(fù)3 d后的9：00取葉片（生長(zhǎng)點(diǎn)下第6片葉）-80℃保存，用來測(cè)定各項(xiàng)生理指標(biāo)。利用LI-6400光合儀（美國(guó)LI-COR公司）測(cè)定黃瓜葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間 CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）（悶棚結(jié)束時(shí)11：30不測(cè)），測(cè)定時(shí)光照強(qiáng)度約為30 000 lx，CO2濃度為（400±10）μL·L-1；超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性、抗壞血酸過氧化物酶（APX）的測(cè)定參照吳雪霞等［9］的方法?？扇苄缘鞍缀坎捎每捡R斯亮藍(lán)G250法測(cè)定［10］，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法測(cè)定［10］，脯氨酸含量采用磺基水楊酸提取法測(cè)定［10］。

悶棚前1天和悶棚后第5天調(diào)查霜霉病和白粉病的病情指數(shù)。

霜霉病嚴(yán)重度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［11］。0級(jí)：無病斑；1級(jí)：有微小病斑，其直徑小于0.5 cm，病葉占全株真葉數(shù)的10%以下；2級(jí)：病斑黃化面積占整個(gè)葉面積的1/2以下，壞死斑占1/3以下，病葉占全株真葉數(shù)的10%—25%；3級(jí)：壞死斑面積占整個(gè)葉面積1/3—2/3，病葉占全株真葉數(shù)的25%—50%；4級(jí)：壞死斑面積占整個(gè)葉面積2/3以上，病葉占全株真葉數(shù)的50%以上，病葉大部分枯黃，全株枯死。

霜霉病病情指數(shù)＝Σ（每個(gè)病級(jí)植株數(shù)量×級(jí)別數(shù)量）/（總植株數(shù)量×發(fā)病最高級(jí)別數(shù)量）×100。

黃瓜白粉病嚴(yán)重度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［12］。0級(jí)：無病斑；1級(jí)：有少數(shù)抗病型病斑；2級(jí)：有多數(shù)抗病型病斑或感病型病斑，占葉面積1/3以下；3級(jí)：感病型病斑面積占葉面積1/3—1/2；4級(jí)：感病型病斑面積占葉面積1/2—2/3；5級(jí)：感病型病斑面積超過葉面積2/3，葉片干枯。

白粉病病情指數(shù)＝Σ（每個(gè)病級(jí)植株數(shù)量×級(jí)別數(shù)量）/（總植株數(shù)量×發(fā)病最高級(jí)別數(shù)量）×100。

每個(gè)指標(biāo)測(cè)定重復(fù)3次，取平均值。數(shù)據(jù)采用Excel2003軟件進(jìn)行處理，用OriginPro 8.0軟件進(jìn)行繪圖，用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和Tukey多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫悶棚期間大棚內(nèi)空氣溫度變化情況

從圖1可以看出，高溫悶棚時(shí)，大棚上部的空氣溫度高于下部，地表溫度最低。從上午9：00開始悶棚，9：30棚內(nèi)2 m處空氣溫度達(dá)到40.5℃，地表溫度為35.9℃。10：00—11：30，大棚內(nèi)2 m處（生長(zhǎng)點(diǎn)位置）空氣溫度一直保持在49℃—50℃，1 m和1.5 m處空氣溫度也達(dá)到了40℃以上。11：30開始，對(duì)大棚東、西風(fēng)口開放小口（20 cm風(fēng)口），12：30逐步將風(fēng)口開放至最大進(jìn)行通風(fēng)?？諝鉁囟戎饾u下降，12：30時(shí)降到41℃。從9：30—11：30，大棚溫度維持在40—50℃。

圖1 高溫悶棚期間大棚內(nèi)空氣溫度變化Fig.1 Change of air temperature in greenhouse during high temperature control

2.2 高溫悶棚對(duì)黃瓜植株葉片光合參數(shù)的影響

由圖2A可知，進(jìn)行高溫悶棚的大棚中黃瓜植株葉片的Pn值與對(duì)照相比均有所降低，悶棚結(jié)束后當(dāng)天下午測(cè)得的Pn值最低，只有14.46μmol·m-2·s-1，下降了10.86%，與對(duì)照相比差異顯著?；謴?fù)1—3 d后，Pn有所回升，第3天的Pn值與對(duì)照無顯著差異。處理棚黃瓜植株葉片的Gs在悶棚后高于對(duì)照棚，差異顯著，說明植株在高溫下增大了氣孔導(dǎo)度，以帶走更多的熱量（圖2B）。處理棚和對(duì)照棚Ci值的變化無顯著差異（圖2C）。處理棚的蒸騰速率Tr在悶棚結(jié)束后當(dāng)天下午低于對(duì)照棚，兩者差異顯著；恢復(fù)1 d后Tr值最高，處理和對(duì)照間無顯著差異；而恢復(fù)2 d和3 d后的數(shù)值較低，這與當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)輻射和棚內(nèi)溫度有關(guān)（圖2D）。

圖2 高溫悶棚對(duì)黃瓜植株葉片光合參數(shù)變化的影響Fig.2 Effects of high temperature control on photosynthetic parameters of cucumber leaves

2.3 高溫悶棚對(duì)黃瓜植株葉片抗氧化酶活性的影響

從圖3可以看出，處理棚黃瓜植株葉片的POD、CAT和APX活性在悶棚當(dāng)天以及恢復(fù)1 d時(shí)均高于對(duì)照棚，且差異顯著（恢復(fù)1 d的CAT值除外）。處理棚黃瓜植株的POD和APX活性在恢復(fù)1 d后達(dá)到最高值，分別為0.867μmol·mg-1·min-1FW和0.199μmol·mg-1·min-1FW，比對(duì)照增加了122.05%和26.75%。CAT活性在悶棚當(dāng)天13：30達(dá)到最高值0.013μmol·mg-1·min-1FW，比對(duì)照增加了85.71%（圖3B）。SOD活性變化幅度不大，在悶棚當(dāng)天13：30和恢復(fù)1 d后活性稍高于對(duì)照，差異不顯著，之后有所下降（圖3D）。

圖3 高溫悶棚對(duì)黃瓜植株葉片抗氧化酶活性變化的影響Fig.3 Effects of high temperature control on the activities of antioxidant enzymes of cucumber leaves

2.4 高溫悶棚對(duì)黃瓜植株葉片脯氨酸和丙二醛含量的影響

從圖4A可以看出，高溫悶棚后，黃瓜植株葉片中的脯氨酸含量增加，悶棚當(dāng)天下午以及恢復(fù)1 d和3 d時(shí)，分別比對(duì)照增加了9.69%、9.85%和57.38%，差異顯著。丙二醛含量在悶棚當(dāng)天13：30增加最多，比對(duì)照高25.58%，差異顯著，其他時(shí)間與對(duì)照差異不明顯（圖4B）。

圖4 高溫悶棚對(duì)黃瓜植株葉片脯氨酸和MDA含量變化的影響Fig.4 Effects of high tem perature control on the content of proline and MDA of cucumber leaves

2.5 高溫悶棚前后大棚內(nèi)黃瓜霜霉病和白粉病病情指數(shù)的變化

從表1可以看出，悶棚前，對(duì)照棚黃瓜植株有白粉病和霜霉病，處理棚只有霜霉病。悶棚后兩個(gè)棚的病情指數(shù)均有所增加，但處理棚增加的幅度明顯小于對(duì)照棚。悶棚后處理黃瓜棚霜霉病病情指數(shù)增加29.20%，比對(duì)照棚減少37.44%，白粉病病情指數(shù)增加28.64%，比對(duì)照棚減少26.89%。由此看見，高溫悶棚對(duì)黃瓜霜霉病和白粉病的防治具有一定效果。

表1 高溫悶棚前后大棚內(nèi)黃瓜霜霉病和白粉病的病情指數(shù)Table 1 Disease index of downy m ildew and powdery m ildew of cucumber before and after high tem perature treatment in greenhouse

3 結(jié)論與討論

高溫悶棚時(shí)，棚內(nèi)溫度與棚外氣溫有關(guān)。當(dāng)棚外氣溫低于15℃時(shí)，棚內(nèi)最高溫度達(dá)不到46.0—48.5℃，對(duì)黃瓜霜霉病、白粉病、細(xì)菌性角斑病基本上沒有抑制效果［13］。本試驗(yàn)是當(dāng)棚外氣溫達(dá)到20℃時(shí)，開始進(jìn)行悶棚，從10：00到11：30，棚內(nèi)生長(zhǎng)點(diǎn)處的溫度處于49—50℃。如果超過50℃的時(shí)間持續(xù)2 h以上，部分植株嫩葉會(huì)出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象，對(duì)植株造成一定傷害［13］。因此，悶棚過程中要時(shí)刻對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，尤其是生長(zhǎng)點(diǎn)處的氣溫，以確保植株的安全。

光合作用是植物合成有機(jī)物質(zhì)和獲得能量的根本源泉［14］。溫度是影響植物光合作用的一個(gè)很重要的因子。郝婷等［15］研究認(rèn)為，高溫處理后黃瓜葉片光合速率明顯降低。如果光合速率的降低伴隨著氣孔導(dǎo)度和細(xì)胞間隙CO2濃度的降低，就說明是氣孔導(dǎo)度降低限制了外界CO2通過氣孔進(jìn)入細(xì)胞間隙，并進(jìn)一步降低了光合速率，屬于氣孔限制。但是，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)光合速率降低而細(xì)胞間隙CO2濃度保持恒定的情況，這仍屬于氣孔限制，其原因是氣孔發(fā)生了不均勻關(guān)閉［16］。許多試驗(yàn)已證實(shí)了這一現(xiàn)象［17-18］，本試驗(yàn)結(jié)果也屬于第二種情況，進(jìn)行高溫悶棚的大棚中黃瓜植株葉片的凈光合速率有所降低，但細(xì)胞間CO2濃度變化不大。

研究發(fā)現(xiàn)，短時(shí)間高溫處理黃瓜后，可誘導(dǎo)其體內(nèi)產(chǎn)生一系列的抗病性反應(yīng)，這些反應(yīng)體現(xiàn)在一系列生理生化指標(biāo)的變化上［19］。SOD、POD、CAT、APX等抗氧化酶類在植物體內(nèi)具有協(xié)同作用，在脅迫條件下能夠清除過量的自由基，維持代謝的平衡，從而使植物在一定程度上忍耐、減輕或抵御脅迫傷害［2］。前人研究發(fā)現(xiàn)，甜椒［20］、甜瓜［21］及黃瓜［22］在高溫處理后 SOD、POD、CAT和 APX活性增加。張富榮等［8］研究認(rèn)為，高溫悶棚后黃瓜植株通過提高抗氧化酶活性來增加對(duì)白粉病的抗性。本研究中高溫悶棚后黃瓜植株葉片中的POD、CAT和APX活性增加明顯，SOD稍有增加，脯氨酸和丙二醛的含量也高于對(duì)照，說明短時(shí)間的高溫提高了植株體內(nèi)的抗氧化酶活性。當(dāng)植物受到病原物侵染時(shí)，植物可以識(shí)別入侵的病原體，啟動(dòng)體內(nèi)一系列的防御反應(yīng)，以減緩或抑制病原物的擴(kuò)散或再侵染，活性氧迸發(fā)是植物對(duì)病原菌應(yīng)答的最早期反應(yīng)之一［23］，而防御酶可以清除這些活性氧。丙二醛含量的增加說明熱脅迫引起的膜脂過氧化作用破壞了質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，而游離脯氨酸具有調(diào)節(jié)滲透及保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的作用，植物在逆境條件下游離脯氨酸的積累將會(huì)提高植物對(duì)逆境的忍耐力或適應(yīng)力［24］。本研究中進(jìn)行高溫悶棚的大棚中黃瓜植株白粉病和霜霉病的病情指數(shù)與對(duì)照相比明顯下降，說明高溫悶棚對(duì)病害的防治具有一定效果，這與許多研究報(bào)道相一致［2，6，8，13］，也充分證明了高溫誘導(dǎo)處理激發(fā)了植株體內(nèi)一系列抗病過程，從而降低了病菌對(duì)植株的侵害。

綜上所述，高溫悶棚可以通過提高植株防御酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，有效清除活性氧，降低膜脂過氧化傷害，從而增強(qiáng)植株對(duì)病菌的抵抗能力。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，可以利用生態(tài)壓力激發(fā)植株的系統(tǒng)抗病性。每茬黃瓜高溫悶棚次數(shù)應(yīng)視病蟲發(fā)展和作物生長(zhǎng)狀況而定，每次間隔12—15 d為宜。一般來說，高溫悶棚3次后，黃瓜霜霉病和白粉病得到控制。