高溫脅迫對(duì)黃瓜幼苗生理生化及光合作用的影響

崔慶梅，吳利榮，陳 斐，馮曉東，2*

(1.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院；2.陜西省紅棗重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(延安大學(xué))，陜西 延安 716000)

高溫是植物種植中的逆境之一，高溫使植物失水枯敗，光合作用下降，樹干容易出現(xiàn)干燥、枯萎、斷裂的情況；葉片顏色變褐、變黃、變深，呈現(xiàn)壞死斑紋的現(xiàn)象；新鮮的果實(shí)出現(xiàn)日灼的情況，嚴(yán)重影響植物的品質(zhì)和產(chǎn)量[1]。隨著大氣中的CO2含量逐年增加，全球氣候不斷變暖，溫室效應(yīng)帶來的惡劣影響進(jìn)一步加劇，夏季炎熱期可能不斷增加，日平均溫度超過30℃，氣溫的升高對(duì)多種植物的生長(zhǎng)和發(fā)育都產(chǎn)生了不良的影響，并且給農(nóng)業(yè)造成嚴(yán)重的損失[2，3]。

黃瓜(CucumissativusL.)現(xiàn)栽培于溫帶以及熱帶的廣大地區(qū)，為中國(guó)各地方夏天常用菜蔬之一，也是設(shè)施蔬菜的主栽品種，黃瓜是一種喜溫性蔬菜，最適宜的溫度為25℃-30℃，超過35℃就會(huì)導(dǎo)致傷害[4]，給黃瓜生長(zhǎng)及產(chǎn)量造成了嚴(yán)重影響[5，6]。在設(shè)施黃瓜的栽培中，從春季到秋季，這一時(shí)期都會(huì)遇到高溫條件，棚室內(nèi)最高溫度可達(dá)50℃以上，7、8月間晝平均溫度常在35℃左右，影響黃瓜的正常生長(zhǎng)發(fā)育和光合作用，孟令波等[7]的研究表明高溫導(dǎo)致黃瓜過早衰老，產(chǎn)量和品質(zhì)下降，表現(xiàn)為瓜柄變長(zhǎng)，畸形瓜率增加，果皮變硬，VC含量下降；李建建[1]的研究表明，高溫處理下植株有一定程度的徒長(zhǎng)現(xiàn)象，而莖粗、冠鮮重與冠干重、根鮮重與根干重增加均受到抑制，42℃/27℃(d/n)處理下各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均受到明顯抑制；王立涵等[8]的研究表明，外源噴施精胺、亞精胺、硝普鈉和硫氫化鈉，皆可減輕高溫脅迫對(duì)黃瓜幼苗光合器官的傷害，維持抗氧化酶的功能，進(jìn)而提高黃瓜植株的耐熱能力；孫勝楠等[9]的研究表明，適宜光強(qiáng)下短時(shí)間高溫處理黃瓜幼苗不會(huì)產(chǎn)生明顯光抑制，高溫脅迫會(huì)對(duì)其PSⅡ反應(yīng)中心造成嚴(yán)重?fù)p傷，光合酶受高溫脅迫誘導(dǎo)，但其誘導(dǎo)效應(yīng)與溫度升高幅度和高溫持續(xù)時(shí)間有關(guān)。本試驗(yàn)采用不同高溫脅迫時(shí)間處理，通過測(cè)定生理生化和光合作用，研究高溫脅迫時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)延安設(shè)施黃瓜主栽品種生理生化及光合作用的影響程度，旨在探究本地主栽設(shè)施黃瓜品種的耐熱性，從而為設(shè)施黃瓜夏季種植的科學(xué)管理提供栽培依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為中研二十一優(yōu)F1黃瓜。

1.2 研究方法

1.2.1 材料培養(yǎng)

選擇顆粒飽滿，大小均勻、厚度一致的黃瓜種子，用75%酒精消毒10 min，蒸餾水反復(fù)沖洗若干次，用于去掉種子表面的防腐劑，置于2 L的盆中，取一定量的水浸沒種子，水的體積以浸過種子為宜。在30℃、生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每12 h換1次水，浸泡種子至種子發(fā)芽，將催芽的黃瓜種子播種在盛有陶粒的小花盆中，出苗后置于智能光照培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，設(shè)定溫度為晝溫28℃/夜溫18℃，光照12 h，光強(qiáng)為1200 μmol·m-2·s-1，相對(duì)d/n濕度控制在74%左右。待幼苗長(zhǎng)出第3片真葉時(shí)進(jìn)行高溫40℃/25℃(d/n)脅迫處理。

1.2.2 測(cè)量方法

凈光合速率、胞間CO2濃度(ci)、蒸騰速率的測(cè)定使用便攜式光合作用-熒光測(cè)量系統(tǒng)GFS-3000儀器測(cè)定。測(cè)定選在晴朗天10∶00-12∶00光照充分且相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間，測(cè)定部位為同一高度、同一方向營(yíng)養(yǎng)枝條的葉片中部，重復(fù)3次。

葉綠素含量的測(cè)定參照文獻(xiàn)方法[10]；丙二醛含量的測(cè)定參照文獻(xiàn)方法[11]；可溶性糖的測(cè)定參照文獻(xiàn)方法[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)結(jié)果以測(cè)定的平均值表示。用SPSS 21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD檢驗(yàn)和Duncan法進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)黃瓜幼苗凈光合速率的影響

由圖1可知，隨著高溫脅迫時(shí)間的增加，黃瓜幼苗凈光合速率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，與對(duì)照相比較，高溫脅迫第1 d后光合速率下降較明顯，存在顯著差異；與高溫脅迫1 d后相比較，高溫脅迫的第2 d到第5 d，光合速率持續(xù)下降，但差異不顯著。表明高溫脅迫在初期對(duì)黃瓜幼苗的傷害較大，隨后植物對(duì)高溫脅迫具有一定的抵抗能力，雖然隨著脅迫時(shí)間的增加光合速率呈下降的趨勢(shì)，但下降程度不大。

圖1 高溫脅迫時(shí)間對(duì)黃瓜幼苗凈光合速率的影響

2.2 對(duì)黃瓜幼苗胞間CO2濃度和葉片蒸騰速率的影響

由圖2可知，隨著高溫脅迫時(shí)間的增加，胞間CO2濃度在前3 d持續(xù)上升，與初始對(duì)照相比較差異顯著，但與第3 d相比較，高溫脅迫的第4 d和第5 d略有下降，差異不顯著。隨著光合能力的下降，胞間CO2濃度在脅迫的初期上升較為明顯，后期下降趨勢(shì)降低，表明黃瓜幼苗在高溫脅迫一段時(shí)間后，光合能力可以維持在一定水平。

圖2 高溫脅迫時(shí)間對(duì)黃瓜幼苗胞間CO2濃度的影響

由圖3可知，隨著高溫脅迫時(shí)間的增加，黃瓜幼苗的蒸騰速率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，但蒸騰速率均高于對(duì)照，與對(duì)照相比較，蒸騰速率在脅迫后第2 d達(dá)到最大，差異極顯著，隨后開始下降，到脅迫第5 d，與對(duì)照相比較，差異不顯著。初期蒸騰作用的增加與高溫脅迫密切相關(guān)，導(dǎo)致幼苗失水增加，但后期蒸騰作用逐漸降低，與對(duì)照接近，幼苗具有一定的調(diào)節(jié)水分代謝的能力。

圖3 高溫脅迫時(shí)間對(duì)黃瓜幼苗葉片蒸騰速率的影響

2.3 對(duì)黃瓜幼苗葉綠素含量和丙二醛含量的影響

由圖4可知，隨著高溫脅迫時(shí)間的增加，黃瓜幼苗葉片中葉綠素含量呈下降的趨勢(shì)，高溫脅迫的前2 d，差異不顯著，從第3 d開始，下降幅度較大，與對(duì)照相比較，存在顯著差異。從葉綠素含量的變化來看，與對(duì)照相比較脅迫初期下降幅度較緩，脅迫后期下降幅度較大，對(duì)光合作用的影響大。由圖5可知，隨著高溫脅迫時(shí)間的增加，黃瓜幼苗葉片中丙二醛含量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，與對(duì)照相比較存在顯著差異，隨著處理時(shí)間的增加，黃瓜葉片丙二醛含量在高溫脅迫的后期含量增加趨勢(shì)減緩。

圖4 高溫脅迫時(shí)間對(duì)黃瓜幼苗葉綠素含量的影響

圖5 高溫脅迫時(shí)間對(duì)黃瓜幼苗丙二醛含量的影響

2.4 高溫脅迫時(shí)間對(duì)黃瓜幼苗可溶性糖含量的影響

由圖6可知，對(duì)照組的黃瓜幼苗葉片中的可溶性糖含量隨處理時(shí)間的增加而逐漸增加，但增加不明顯，試驗(yàn)組隨著高溫脅迫時(shí)間的增加，黃瓜幼苗葉片中的可溶性糖含量呈逐漸下降的趨勢(shì)。脅迫后期試驗(yàn)組和對(duì)照組葉片中可溶性糖的含量差異顯著，表明高溫脅迫對(duì)糖的積累影響較大。

圖6 高溫脅迫時(shí)間對(duì)黃瓜幼苗可溶性糖含量的影響

3 討論與結(jié)論

高溫脅迫環(huán)境可以造成植株生長(zhǎng)發(fā)育受阻和抵抗逆境能力降低，阻礙植物的養(yǎng)分積累和細(xì)胞的代謝，從而導(dǎo)致蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)降低[13，14]。從試驗(yàn)結(jié)果來看，隨著黃瓜幼苗高溫脅迫處理時(shí)間的增加，與對(duì)照組相比較，幼苗的葉綠素含量、凈光合速率、胞間CO2濃度、蒸騰速率、丙二醛含量和可溶性糖含量均存在顯著差異。

在一般情況下，隨著溫度的增長(zhǎng)，高溫逆境損傷植物的進(jìn)程大抵依次為阻撓植物的生長(zhǎng)發(fā)育—植物“饑餓”—有毒有害物質(zhì)進(jìn)行累積—生物化學(xué)傷害導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生降解—有機(jī)離子從細(xì)胞膜溢出—丟失半透性膜的能力—化學(xué)解體[15]。根據(jù)馬德華等[16]的研究，高溫使光合作用下降的真正原因在于葉片同化CO2的阻力升高，并且羧化位點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生羧化阻力，植物受到高溫脅迫時(shí)，也會(huì)損害細(xì)胞膜的通透性，致使細(xì)胞液向外滲漏，H+的透性不斷增加，葉綠體內(nèi)外正常穩(wěn)定的H+濃度被破環(huán)，光系統(tǒng)反應(yīng)受到遏制，致使合成的ATP含量下降，進(jìn)而導(dǎo)致1，5-二磷酸核酮糖的合成減慢。由圖1、圖4可知，隨著高溫脅迫時(shí)間的增加，黃瓜幼苗的凈光合速率和葉綠素含量呈現(xiàn)不斷地下降的趨勢(shì)，葉綠素含量下降，表明幼苗葉片對(duì)于光的吸收與轉(zhuǎn)化能力不斷下降，葉綠素含量降低的可能緣由在于合成葉綠素的中間產(chǎn)物被破壞，或者是因?yàn)楦邷貙?dǎo)致植物的氧化作用加劇。由圖6也可以看出，可溶性糖的含量也在持續(xù)下降，表明光合產(chǎn)物也在減少，原因可能是高溫脅迫影響了與可溶性糖代謝有關(guān)的酶系統(tǒng)，同時(shí)也影響在植物體內(nèi)的輸送以及儲(chǔ)藏[17]；由圖2可知，黃瓜幼苗胞間CO2濃度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，一般胞間CO2濃度與光合作用為正相關(guān)，與氣孔導(dǎo)度為負(fù)相關(guān)，在胞間CO2濃度升高的情況下，幼苗的凈光合速率下降，表明高溫脅迫造成了黃瓜幼苗光合系統(tǒng)的損傷，與CO2的供應(yīng)關(guān)系不大。

由圖3可知，隨著高溫脅迫時(shí)間的增加，黃瓜幼苗蒸騰速率呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，高溫脅迫初期幼苗葉片保水能力較弱，非氣孔蒸騰的比例較大，導(dǎo)致蒸騰速率快速上升，脅迫后期，隨著幼苗葉片含水量的降低，蒸騰作用也隨之降低。丙二醛是膜脂過氧化反應(yīng)的生成物，植物細(xì)胞膜被破壞后，過氧化物丙二醛含量增多，它的堆積會(huì)對(duì)植物的細(xì)胞膜造成進(jìn)一步的損傷[18]。由圖5可知，隨著高溫脅迫時(shí)間處理的增加，黃瓜幼苗丙二醛含量先增加后降低，表明高溫脅迫初期對(duì)幼苗葉片細(xì)胞膜的損傷較大，后期緩慢降低，可能與幼苗具有一定適應(yīng)高溫脅迫的能力。

綜上所述，隨著高溫脅迫處理時(shí)間的增加，黃瓜幼苗葉片中的葉綠素含量、凈光合速率、胞間CO2濃度、蒸騰速率、丙二醛含量和可溶性糖含量均發(fā)生了顯著變化。其中凈光合速率、葉綠素含量和可溶性糖含量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，相反，胞間CO2濃度呈現(xiàn)先升高后緩慢下降的趨勢(shì)，表明高溫引起的光合作用的下降非氣孔因素引起，同時(shí)，隨著高溫脅迫時(shí)間的增加，幼苗葉片中丙二醛的含量呈現(xiàn)先增加后緩慢下降的趨勢(shì)，表明黃瓜幼苗在高溫脅迫下，細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)受到了損傷，高溫脅迫降低光合的主要原因可能是光合系統(tǒng)受損造成的；蒸騰作用表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，主要原因是高溫脅迫初期幼苗葉片保水能力較弱，高溫導(dǎo)致蒸騰作用增強(qiáng)，幼苗失水，也是導(dǎo)致光合能力降低因素之一；高溫脅迫后期，丙二醛含量及蒸騰作用降低，同時(shí)凈光合速率和葉綠素含量下降減緩，表明黃瓜幼苗對(duì)高溫脅迫具有一定的抵抗能力。