黃瓜幼苗對(duì)高溫高濕脅迫的生理響應(yīng)

仝培江，程智慧，孟煥文

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

黃瓜是一種重要的設(shè)施栽培蔬菜，黃瓜的溫室或大棚栽培茬口有早春茬、秋冬茬和冬春茬。其中秋冬茬的育苗和栽種一般在氣溫較高的7、8月份，而此時(shí)溫室大棚內(nèi)溫度和空氣相對(duì)濕度(relative humidity,RH)較高，易對(duì)苗期和初花期的黃瓜生長(zhǎng)造成影響。雖然溫室大棚可以通過排風(fēng)扇通風(fēng)、遮陽網(wǎng)遮陰等管理方式控制設(shè)施內(nèi)的溫度和濕度，但管理成本較高且人工費(fèi)用越來越高，而選用耐濕熱黃瓜品種可以減少田間管理成本。選育耐濕熱的黃瓜品種，首先需要了解其在高溫高濕環(huán)境下的生理、形態(tài)和光合特性等。

雖然有關(guān)黃瓜在高溫脅迫下的研究較多，但針對(duì)其對(duì)高空氣濕度響應(yīng)的研究很少。很多研究表明，不同空氣濕度處理對(duì)植物生長(zhǎng)與生理的影響有顯著差異。周鑫等[8]發(fā)現(xiàn)，高濕度下黃瓜開花和結(jié)果數(shù)減少；Han等[9]發(fā)現(xiàn)，白菜的葉片面積、植株干質(zhì)量在高溫中濕處理與高溫高濕處理間存在顯著差異；Van等[10]的研究表明，黃瓜生長(zhǎng)速度和葉面積在高濕度環(huán)境下升高。不同空氣濕度對(duì)植物酶活性的影響不同，番茄在高溫高濕處理下SOD、POD活性較高溫低濕處理分別有上升和下降趨勢(shì)[11]；張永吉[12]的研究結(jié)果表明，不同耐濕性的不結(jié)球白菜品種在不同空氣濕度下抗氧化酶活性表現(xiàn)有差異。不同空氣濕度對(duì)植物光合作用的影響也不同，楊世瓊等[13]的研究表明，高溫下不同空氣濕度對(duì)番茄光合作用和葉綠素?zé)晒獾囊种菩Ч煌?，?dāng)溫度在38 ℃以上時(shí)，空氣濕度為65%～75%可以有效降低高溫逆害；Oda等[14]發(fā)現(xiàn)，黃瓜葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度在高溫高濕處理下較高溫低濕處理顯著下降。

目前有關(guān)高溫對(duì)黃瓜影響研究中環(huán)境相對(duì)濕度多為中濕(50%～75%)，較少涉及高濕環(huán)境對(duì)黃瓜的影響，所以目前可為黃瓜耐濕熱育種研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)的文獻(xiàn)較少。為探明黃瓜在高溫高濕環(huán)境下形態(tài)、生理和光合等指標(biāo)的變化特征，本研究以2個(gè)耐濕熱性不同的黃瓜品種為試驗(yàn)材料，研究其在不同溫濕度處理下的生長(zhǎng)發(fā)育與生理狀況，以期為黃瓜的耐高溫高濕育種提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究以‘燕青’(重慶農(nóng)科所)和‘津春4號(hào)’(天津科潤(rùn)黃瓜所)黃瓜品種為試驗(yàn)材料?！嗲唷癁槿A南型黃瓜，耐高溫，為耐濕熱品種；而‘津春4號(hào)’為華北型黃瓜，喜冷涼，為不耐濕熱品種。洗去黃瓜種子種衣劑，播入32孔穴盤，在光周期12 h晝/12 h夜、溫度28 ℃/18 ℃、相對(duì)濕度(75±5)%、白天光照強(qiáng)度250 μmol/(m2·s)的人工氣候箱中培養(yǎng)5 d，于子葉剛展開時(shí)移栽到300 mL培養(yǎng)缽中再培養(yǎng)15 d，待第2片真葉開始生長(zhǎng)但尚未達(dá)到最大葉面積時(shí)進(jìn)行苗期試驗(yàn)處理。進(jìn)行子房測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，選生長(zhǎng)5 d的幼苗，移栽到2 L培養(yǎng)缽中，生長(zhǎng)35 d后，待植株有2～3個(gè)雌花時(shí)進(jìn)行溫濕度處理。試驗(yàn)營(yíng)養(yǎng)缽均放于托盤，托盤保持1 cm的水深。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 高溫高濕對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)和生理的影響 試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理，即常溫常濕(CK)、常溫高濕(T1)、高溫常濕(T2)和高溫高濕(T3)處理，具體溫度和相對(duì)濕度設(shè)置詳見表1。

表1 各處理人工氣候箱溫濕度參數(shù)設(shè)定Table 1 Setting of temperature and relative humidity of different treatments

其中光照強(qiáng)度白天(07:00-19:00)為250 μmol/(m2·s)，過渡段(06:00-07:00和19:00-20:00)為150 μmol/(m2·s)，夜間(20:00-06:00)無光照。每個(gè)處理每個(gè)品種設(shè)3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)12株，每個(gè)處理用1個(gè)人工氣候箱(RDN-1000E-4，寧波東南儀器公司)。在處理第4 天的09：00-15：00測(cè)定光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)，每個(gè)處理選取5株測(cè)定；處理結(jié)束后測(cè)定植株的形態(tài)指標(biāo)，每個(gè)處理選取10株測(cè)定；在-80 ℃保存去除主葉脈葉片樣品，用于測(cè)定抗氧化酶活性和過氧化物含量，每個(gè)處理測(cè)定5株。

1.2.2 高溫高濕對(duì)黃瓜子房發(fā)育的影響 將苗齡40 d的黃瓜植株分別移入溫濕度設(shè)置條件同CK、T2和T3處理的人工氣候箱處理9 d，分別于移入3，6，9 d時(shí)測(cè)子房長(zhǎng)度和直徑。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

1.3.1 光合特性 使用Li-6800(美國(guó)LI-COR公司)測(cè)定各處理黃瓜從下數(shù)第2片真葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。光強(qiáng)設(shè)置為1 000 μmol/(m2·s)，CO2注入系統(tǒng)設(shè)定值為400 μmol/(m2·s)，氣體流量700 μmol/(m2·s)。測(cè)量時(shí)，將Li-6800葉室和進(jìn)氣口放入生長(zhǎng)箱，關(guān)閉箱門，保持葉室環(huán)境與人工氣候箱環(huán)境條件相同。

1.3.2 葉綠素?zé)晒馓匦?葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定包括初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm，F(xiàn)v=Fm-Fo)、光系統(tǒng)Ⅱ?qū)嶋H光化學(xué)量子效率(ΦPSⅡ)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)和電子傳遞效率(ETR)。在黃瓜植株充分暗適應(yīng)后，使用PAM-2000便攜式葉綠素?zé)晒鈨x(德國(guó)WALZ公司)測(cè)定黃瓜植株下數(shù)第2片真葉的上述指標(biāo)。

1.3.4 形態(tài)指標(biāo) 將黃瓜幼苗沿子葉剪斷莖部，裝入紙袋放入烘箱，105 ℃ 烘0.5 h，再于65 ℃放置72 h后，稱樣品質(zhì)量作為植株干質(zhì)量；量取子葉到生長(zhǎng)點(diǎn)的距離作為株高；在子葉下方約1 cm粗細(xì)均勻處用游標(biāo)卡尺測(cè)2次，取平均值作為莖粗；使用ImageJ軟件測(cè)量幼苗第2片真葉的面積作為葉面積，后用烘干法測(cè)單葉干質(zhì)量。

1.3.5 子房發(fā)育 觀測(cè)子房發(fā)育狀況時(shí)，每3 d測(cè)量1次子房的長(zhǎng)度和直徑，減去子房長(zhǎng)度和直徑的起始值計(jì)算增量。子房長(zhǎng)度用直尺測(cè)量果柄與子房連接處至花瓣基部的長(zhǎng)度；子房直徑用游標(biāo)卡尺測(cè)量子房中部最寬處的直徑2次，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS Statistics 23.0對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理間差異顯著性使用 One-way ANOVA分析，多重比較使用Duncan’s法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度和濕度對(duì)黃瓜幼苗光合特性的影響

由表2可以看出，2個(gè)黃瓜品種不同處理間的葉片光合參數(shù)存在顯著差異?！嗲唷诔馗邼?T1)處理下Pn、Ci、Tr均與常溫常濕(CK)無顯著差異(P>0.05)，僅Gs極顯著(P<0.01)高于CK 25.91%；除高溫常濕(T2)處理下Pn與CK差異不顯著(P>0.05)外，高溫高濕(T3)處理下的Pn及T2和T3處理下的Gs、Ci、Tr均與CK有顯著差異，其中Pn分別較CK下降6.96%和31.67%(P<0.05)，Gs分別極顯著(P<0.01)下降36.26%和50.26%，Ci分別極顯著(P<0.01)下降5.50%和4.60%，Tr分別極顯著(P<0.01)上升143.43%和119.84%。

表2 不同溫度和濕度處理對(duì)黃瓜幼苗光合參數(shù)的影響Table 2 Effects of different humidity and temperature treatments on cucumber seedling’s photosynthesis parameters

‘津春4號(hào)’T1處理下Pn和Tr均與CK差異不顯著(P>0.05)，但Gs極顯著上升47.74%(P<0.01)，Ci顯著上升3.21%(P<0.05)；T2和T3處理下除Ci較CK有不顯著(P>0.05)上升外，Pn、Gs和Tr基本均與CK差異顯著，其中Pn分別較CK極顯著(P<0.01)降低43.76%和51.99%，Gs分別下降15.32%(P>0.05)和顯著(P<0.05)下降33.33%，Tr分別極顯著(P<0.01)上升121.17%和81.85%。

綜上可知，高溫高濕(T3)處理對(duì)黃瓜幼苗光合特性的影響最大，高溫常濕(T2)次之，常溫高濕(T1)的影響相對(duì)最小。比較2個(gè)黃瓜品種在T2、T3處理下Pn和Tr較CK的變化幅度可以看出，耐濕熱品種‘燕青’比喜冷涼品種‘津春4號(hào)’表現(xiàn)更優(yōu)。

2.2 不同溫度和濕度對(duì)黃瓜幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由表3可知，2個(gè)黃瓜品種的Fo、Fm、Fv/Fm和NPQ在各處理間大多差異不顯著(P>0.05)，僅見‘燕青’的Fm在常溫高濕(T1)處理下顯著(P<0.05)高于CK 6.78%，‘津春4號(hào)’的Fv/Fm在高溫高濕(T3)處理下極顯著(P<0.01)低于CK 6.17%，而ΦPSⅡ、ETR和qP在2個(gè)黃瓜品種各處理間均存在顯著差異(P<0.05)?！嗲唷摩礟SⅡ、ETR和qP在T1處理下均與CK無顯著差異(P>0.05)，而在T2和T3處理下均顯著低于CK，其中ΦPSⅡ分別較CK極顯著(P<0.01)下降14.29%和20.63%，ETR分別極顯著(P<0.01)下降13.91%和20.79%，qP分別顯著(P<0.05)下降10.98%和極顯著(P<0.01)下降15.85%?！虼?號(hào)’的ΦPSⅡ、ETR和qP在T1處理下均與CK無顯著差異(P>0.05)，但在T2和T3處理下均極顯著(P<0.01)低于CK，其中ΦPSⅡ分別較CK下降41.79%和43.28%，ETR分別下降41.95%和41.98%，qP分別下降38.37%和41.98%。

表3 不同溫度和濕度處理對(duì)黃瓜幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Table 3 Effects of different humidity and temperature treatments on cucumber seedling’s chlorophyll fluorescence parameters

上述分析表明，高溫常濕(T2)和高溫高濕(T3)對(duì)黃瓜葉綠素?zé)晒庥绊戄^大，常溫高濕(T1)的影響較小。比較2個(gè)黃瓜品種在T2和T3處理下的ΦPSⅡ、ETR和qP較CK的變化幅度可以看出，‘燕青’比‘津春4號(hào)’表現(xiàn)更優(yōu)。

2.3 不同溫度和濕度對(duì)黃瓜幼苗抗氧化酶活性及活性氧含量的影響

綜上可知，高溫常濕(T2)和高溫高濕(T3)對(duì)黃瓜抗氧化酶活性和活性氧含量均有影響，而常溫常濕(T1)對(duì)其影響較小。從2個(gè)黃瓜品種在T2和T3處理下抗氧化酶活性和活性氧含量較CK的變化幅度可知，‘燕青’的抗氧化酶活性下降較多，而‘津春4號(hào)’的活性氧含量上升較多。

2.4 不同溫度和濕度對(duì)黃瓜幼苗形態(tài)的影響

由表5可知，2個(gè)黃瓜品種不同處理間的形態(tài)指標(biāo)存在差異。‘燕青’在T1處理下植株干質(zhì)量、株高、單葉面積和單葉干質(zhì)量均與CK無顯著差異(P>0.05)，莖粗較CK顯著(P<0.05)降低13.53%；T2和T3處理下，植株干質(zhì)量分別較CK顯著(P<0.05)下降28.85%和32.69%，株高分別極顯著(P<0.01)上升36.97%和42.02%，單葉面積分別極顯著(P<0.01)下降33.42%和40.55%，單葉干質(zhì)量極顯著(P<0.01)下降38.46%和46.15%，莖粗T2處理較CK極顯著(P<0.01)升高23.06%。

表5 不同溫度和濕度處理對(duì)黃瓜幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響Table 5 Effects of different humidity and temperature treatments on cucumber seedlings’ morphological indexes

‘津春4號(hào)’在T1處理下僅單葉干質(zhì)量較CK極顯著上升25.00%，而其他指標(biāo)均與CK差異不顯著；植株干質(zhì)量在T3處理下較CK極顯著(P<0.01)下降41.86%，株高在T2和T3處理下較CK分別極顯著(P<0.01)上升65.17%和62.92%，莖粗極顯著(P<0.01)上升22.05%和20.21%，單葉面積極顯著(P<0.01)下降58.77%和76.13%，單葉干質(zhì)量極顯著(P<0.01)下降66.67%和75.00%。

綜上可知，高溫高濕(T3)環(huán)境對(duì)黃瓜的形態(tài)特征影響最大，高溫常溫(T2)次之，而常溫高濕(T1)影響較小。從2個(gè)黃瓜品種的植株干質(zhì)量、單葉面積和單葉干質(zhì)量較CK的變化幅度得知，‘燕青’比‘津春4號(hào)’更耐高溫高濕。

2.5 不同溫度和濕度對(duì)黃瓜子房發(fā)育的影響

由表6可知，‘燕青’子房長(zhǎng)度增量在T2條件下處理3 d時(shí)較CK顯著(P<0.05)上升47.05%，子房直徑增量在T2處理6 d時(shí)較CK顯著(P<0.05)下降37.28%；處理9 d時(shí)，子房長(zhǎng)度增量在T2和T3處理下極顯著(P<0.01)低于CK 38.31%和39.92%，子房直徑增量則較CK分別極顯著(P<0.01)降低50.00%和38.71%。‘津春4號(hào)’在處理3 d時(shí)T2的子房長(zhǎng)度增量和直徑增量較CK分別顯著(P<0.05)下降26.11%和極顯著(P<0.01)下降57.67%；處理6 d時(shí)，僅直徑增量在T2和T3處理下較CK分別極顯著(P<0.01)降低53.48%和35.81%，而長(zhǎng)度增量在各處理間無顯著差異(P>0.05)；處理9 d時(shí)，子房長(zhǎng)度增量在T2和T3處理下較CK分別極顯著(P<0.01)降低60.49%和52.53%，子房直徑增量分別極顯著(P<0.01)降低83.76%和80.59%。

表6 不同溫度和濕度處理對(duì)黃瓜子房長(zhǎng)度和直徑增長(zhǎng)量的影響Table 6 Effect of different temperature and humidity on cucumber ovary length and diameter increment in different periods

上述分析表明，高溫常濕(T2)和高溫高濕(T3)均對(duì)子房發(fā)育有影響，在處理9 d時(shí)影響最大。通過對(duì)比2個(gè)黃瓜品種的子房長(zhǎng)度和直徑的增長(zhǎng)量發(fā)現(xiàn)，‘津春4號(hào)’所受抑制較大，因此認(rèn)為‘燕青’比‘津春4號(hào)’更耐高溫高濕。

3 討 論

3.1 溫濕度對(duì)黃瓜光合特性的影響

光合作用是植物固定二氧化碳的過程，高溫抑制植物光合作用，通過測(cè)定光合參數(shù)可以分析植物受傷害的程度。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，常溫高濕處理下2個(gè)黃瓜品種的Gs均較大，這可能是因?yàn)楦呖諝鉂穸认曼S瓜葉面較濕潤(rùn)，引起葉面氣孔保衛(wèi)細(xì)胞吸水張開[18]。相較于常溫常濕，高溫常濕和高溫高濕都對(duì)黃瓜光合作用有抑制作用，這與前人研究結(jié)果一致[19-20]。其中高溫高濕對(duì)黃瓜光合作用抑制更嚴(yán)重，其Pn和Tr均低于高溫常濕，這可能是由于高溫常濕的飽和水氣壓差(VPD)較大，而高溫高濕的VPD較小，從而抑制了蒸騰動(dòng)力[21]。本試驗(yàn)中高溫高濕處理的VPD為0.41 kPa，高溫常濕的VPD為2.45 kPa，所以高溫常濕比高溫高濕更有利于蒸騰。高溫下葉面溫度主要靠蒸騰作用降低，而高溫高濕處理空氣中水分子較多，VPD較小，不利于蒸騰，因此高溫高濕條件下黃瓜葉面溫度可能更高，所受的損傷更大。本試驗(yàn)研究了不同濕度的高溫對(duì)黃瓜光合作用的影響，發(fā)現(xiàn)在高溫(42 ℃)下，相較于低空氣濕度(75%)，高空氣濕度(95%)對(duì)黃瓜光合作用影響更大，進(jìn)而可能影響植株的生長(zhǎng)發(fā)育。

3.2 溫濕度對(duì)黃瓜葉綠素?zé)晒獾挠绊?/h3>

葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以反映植物對(duì)逆境的耐受能力，與光合參數(shù)結(jié)合分析可以更有效地探究濕熱環(huán)境對(duì)植物的影響機(jī)制[22]。以往研究表明，高溫處理造成植物嚴(yán)重傷害時(shí)，光系統(tǒng)損傷會(huì)導(dǎo)致初始熒光Fo升高，而本試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與常溫常濕比較，高溫常濕和高溫高濕處理下2個(gè)黃瓜品種幼苗的Fo上升均不顯著，這可能是因?yàn)?2 ℃高溫還未對(duì)黃瓜幼苗造成最大傷害，所以抑制植物光合作用的原因可能是氣孔限制[23]。高溫常濕和高溫高濕都會(huì)損傷黃瓜幼苗的光合系統(tǒng)，本試驗(yàn)中2個(gè)黃瓜品種的Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP和ETR均較常溫常濕處理明顯下降，這與黃磊等[24]的研究結(jié)果一致，說明葉綠體中的光合原件電子傳遞受到抑制，阻礙了光能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，降低了碳的同化能力，最終表現(xiàn)為黃瓜的Pn下降。高溫高濕處理下黃瓜的ΦPSⅡ較高溫常濕有所下降，這也表明高溫且空氣濕度大時(shí)，蒸騰受阻，葉面溫度較高，光系統(tǒng)Ⅱ損傷更嚴(yán)重[14]。本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，與常溫常濕相比，高溫常濕和高溫高濕處理下黃瓜的NPQ上升而qP下降，這與孫憲芝等[25]的研究結(jié)果一致，可能是過量光能大多以熱能形式散失，而用于光電子傳遞的份額減少。本試驗(yàn)研究表明，高溫高濕相較于高溫常濕使黃瓜的Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP和ETR下降更多，說明高溫高濕影響黃瓜的光能轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)而影響黃瓜的光合作用。

3.3 溫濕度對(duì)黃瓜抗氧化酶和活性氧的影響

3.4 溫濕度對(duì)黃瓜形態(tài)和果實(shí)的影響

高溫常濕和高溫高濕均影響黃瓜的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，表現(xiàn)為植株干物質(zhì)量減少、植株增高、莖粗增加和單葉面積減小，這與李建建[2]的研究結(jié)果相符。高溫抑制葉面積增加和干物質(zhì)積累，這可能是高溫下光合速率降低，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)合成減少所致；而株高、莖粗增加可能是因?yàn)楦邷赜绊懥它S瓜頂芽?jī)?nèi)源激素的含量，促進(jìn)了黃瓜莖部的生長(zhǎng)[29-30]。

果實(shí)發(fā)育速度反應(yīng)黃瓜在不同溫濕度逆境下的生長(zhǎng)情況。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在高溫環(huán)境下，2個(gè)黃瓜品種的子房發(fā)育在第9天受到顯著抑制，其長(zhǎng)度和直徑顯著下降，與孟令波等[1]的研究結(jié)果一致。這可能是因?yàn)楦邷赜绊懥它S瓜子房?jī)?nèi)蛋白質(zhì)的合成，從而影響了子房的發(fā)育[31]。本試驗(yàn)通過測(cè)量植株在不同溫濕度下的形態(tài)指標(biāo)和子房發(fā)育狀況，發(fā)現(xiàn)高溫高濕對(duì)黃瓜幼苗的傷害更大。

4 結(jié) 論