鹽堿脅迫對甜瓜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

熊韜，閆淼，王江濤，胡國智*

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 哈密瓜研究中心，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆林業(yè)學(xué)校，新疆 烏魯木齊 830000)

甜瓜又名甘瓜、香瓜，屬于葫蘆科黃瓜屬一年生蔓性草本植物[1]。作為一種重要的園藝經(jīng)濟(jì)作物，其種植區(qū)域遍布世界五大洲的熱帶以及溫帶氣候區(qū)[2]。新疆是我國重要的商品甜瓜生產(chǎn)基地，由于地處亞歐大陸內(nèi)陸干旱區(qū)，該區(qū)域內(nèi)鹽堿土分布面積廣大，約占我國鹽堿土總面積的22%，其中受到鹽漬化影響的耕地面積約占當(dāng)?shù)馗乜偯娣e的30%[3]。近年來設(shè)施園藝生產(chǎn)過程中不合理施用化肥，又進(jìn)一步導(dǎo)致土壤次生鹽堿化的發(fā)生。鹽漬化程度不斷加重的土壤環(huán)境已經(jīng)成為影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展的重大限制條件和障礙因素[4]。因此，立足于鹽堿土壤條件下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究顯得極為重要，尤其是探究鹽分環(huán)境中植物的生理變化規(guī)律，有助于選育耐鹽型作物，進(jìn)而對合理利用鹽水、鹽土資源，持續(xù)改善作物種植環(huán)境具有非常重要的意義。

厚皮甜瓜(哈密瓜)在新疆有著非常悠久的栽培歷史。多項研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)甜瓜對低濃度鹽分具有一定的耐受性[5-8]，因而可以作為輕度鹽堿化土壤生產(chǎn)模式中的備選作物。植物在鹽堿環(huán)境下利用主動積累的方式在體內(nèi)蓄積脯氨酸(Pro)、可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)、甜菜堿(GB)等有機(jī)物質(zhì)，以維持自身正常的代謝活動，保持體內(nèi)滲透平衡，憑借提高細(xì)胞液濃度，降低細(xì)胞滲透勢，確保細(xì)胞具備一定的持水能力，進(jìn)而達(dá)到緩解鹽脅迫產(chǎn)生的傷害，使植株本體能夠正常生長[9]。付鳳玲等[10]研究認(rèn)為，Pro積累對鹽堿脅迫下玉米愈傷組織繼代生長與發(fā)育具有良好的促進(jìn)作用。這說明鹽脅迫下Pro的積累在一定程度上有助于提升植物對鹽分的耐受性。徐晨等[11]發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫使水稻體內(nèi)可溶性糖含量增加，認(rèn)為這主要是植物對逆境相應(yīng)的適應(yīng)性響應(yīng)。劉鳳歧等[12]認(rèn)為，鹽濃度的升高致使燕麥體內(nèi)可溶性蛋白含量表現(xiàn)出先上升后逐漸降低的變化情況，這與馬麗等[13]在棉花新陸早13幼苗中研究得出的結(jié)論相一致。據(jù)分析認(rèn)為，由于鹽分抑制氮的吸收導(dǎo)致蛋白質(zhì)和氨基酸在植物內(nèi)的合成速率放緩，但分解速率加快，從而引起蛋白質(zhì)含量下降。趙勇等[14]研究了5種NaCl脅迫濃度對耐鹽性不同的3個小麥品種甜菜堿含量的變化情況，發(fā)現(xiàn)甜菜堿在小麥葉片和根中含量均與鹽脅迫濃度呈正相關(guān)，是小麥抵抗鹽脅迫的重要滲透調(diào)節(jié)劑。這與前人研究得出的結(jié)論[15-18]相一致，這是植物受到逆境脅迫時，通過甜菜堿合成和積累所做出的一種適應(yīng)性反應(yīng)的表現(xiàn)。

目前，關(guān)于鹽脅迫下甜瓜生理特性方面的研究鮮有報道，而朱春燕等[19]認(rèn)為，同種作物的不同品種對鹽分的耐受性存在一定的差異。為此，本試驗通過設(shè)置不同鹽分處理濃度，研究鹽脅迫對4種甜瓜品種生理特性的影響，探究甜瓜體內(nèi)滲透物質(zhì)含量變化規(guī)律，以期為甜瓜耐鹽研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗所選甜瓜品種為網(wǎng)紋香、風(fēng)味5號、西州密17號、黃皮9818，其中網(wǎng)紋香、風(fēng)味5號、黃皮9818由新疆明鑫科鴻農(nóng)業(yè)科技有限責(zé)任公司提供，西州密17號由新疆維吾爾自治區(qū)葡萄瓜果開發(fā)研究中心提供。本試驗于2019年8月至2019年9月在位于吐魯番市高昌區(qū)亞爾鎮(zhèn)的新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈密瓜研究中心科研基地實(shí)施。

1.2 處理設(shè)計

試驗方案以徐志然等[20]采用的方法為基礎(chǔ)，對鹽堿處理液配比(NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3物質(zhì)的量比為4∶1∶1∶4)進(jìn)行了調(diào)整，設(shè)置4個鹽濃度處理，分別為0(CK)、50、100、150 mmol·L-1，每處理重復(fù)3次，所配置鹽處理液的母液均為Hagland營養(yǎng)液。

將蛭石和珍珠巖按1∶1的體積比混合裝入40穴育苗穴盤中。鹽脅迫處理在上午8：00—9：00進(jìn)行，第1天每處理均澆50 mmol·L-1的處理液以此避免鹽濃度突然上升所產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)，以50 mmol·L-1作為每日遞增濃度，直至到達(dá)最終設(shè)定濃度，每次用相應(yīng)濃度的鹽溶液進(jìn)行適量澆灌，CK處理澆同等容量的清水，定時觀察蒸發(fā)情況并用清水補(bǔ)充損失的水分，脅迫處理7 d后采集植株樣品。

1.3 測定項目

1.3.1 樣品處理

先用水將植株樣品表面附著的殘渣和雜質(zhì)沖洗掉，反復(fù)再用純水沖洗3～4次，利用潔凈吸水紙將樣品表面殘余水分吸除。根、莖、葉在經(jīng)過分離處理后，分別放入烘箱中用105 ℃高溫迅速殺青15 min，然后再用80 ℃持續(xù)烘干至恒重。將根、莖、葉干樣分別用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎后過0.25 mm孔篩備用。

1.3.2 生理指標(biāo)測定

測定甜菜堿含量采用雷氏鹽比色法[21]；測定Pro含量采用茚三酮比色法[21]；測定可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)比色法[21]；測定可溶性糖含量采用硫酸蒽酮法[21]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2016進(jìn)行繪圖，采用SPSS(Version 20.0)進(jìn)行數(shù)據(jù)差異性分析(One-way ANOVA)，并檢驗處理間差異顯著性(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 幼苗甜菜堿含量的變化情況

不同類型植物體內(nèi)的甜菜堿分布狀況存在著一定的差異，尤其是鹽生植物中甜菜堿的含量要高于非鹽生植物。在逆境條件下植物體內(nèi)的甜菜堿含量往往會表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，說明甜菜堿與植物抗逆性具有密切的聯(lián)系。

由圖1可知，鹽脅迫處理后，4種甜瓜葉片中甜菜堿含量表現(xiàn)出不同的變化趨勢，其中網(wǎng)紋香、風(fēng)味5號均隨處理濃度的增加而保持上升態(tài)勢，而西州密17號和黃皮9818葉片中甜菜堿含量則隨鹽濃度的上升表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。與CK相比，網(wǎng)紋香葉片中甜菜堿含量的變化幅度最大，風(fēng)味5號次之，西州密17號的變化幅度最小，且各處理間均表現(xiàn)出顯著性差異。在150 mmol·L-1濃度時，網(wǎng)紋香、風(fēng)味5號、西州密17號中的甜菜堿含量分別為CK處理的7.5、4.5和1.3倍。從整體表現(xiàn)可以看到，不同濃度處理下各甜瓜葉片中甜菜堿積累量表現(xiàn)為網(wǎng)紋香>風(fēng)味5號>西州密17號>黃皮9818，也說明網(wǎng)紋香表現(xiàn)出一定的耐鹽能力。

同一品種不同處理間沒有相同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖2—4同。

2.2 幼苗Pro含量的變化

通常受到逆境脅迫的植物都會積累較高含量的Pro，尤其是受到鹽脅迫的植物體內(nèi)會出現(xiàn)主動積累大量游離Pro的現(xiàn)象[22]，這種積累量的大幅變化可以看作是植物應(yīng)對外界脅迫的一種信號，也有研究認(rèn)為植物體內(nèi)Pro質(zhì)量分?jǐn)?shù)在逆境脅迫環(huán)境的變化情況，可作為抗逆性研究的一項重要參考指標(biāo)[23]。

圖2表明，各甜瓜葉片中的Pro含量均隨著鹽脅迫濃度的上升出現(xiàn)明顯的增長趨勢。在50 mmol·L-1濃度處理下，網(wǎng)紋香、風(fēng)味5號、西州密17號和黃皮9818幼苗葉片中Pro含量分別比CK處理增加36.6%、29.8%、18.8%、14.4%；而在150 mmol·L-1濃度下分別比CK處理提高62.4%、59.1%、43.0%、24.3%。以上說明在不同鹽分水平下，各甜瓜品種都能通過積累一定含量的Pro，主動進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，提高自身對鹽分的耐受性。但網(wǎng)紋香和風(fēng)味5號積累維持Pro的能力明顯要強(qiáng)于西州密17號和黃皮9818。同時，不同濃度處理之間也存在極顯著差異，表明鹽脅迫強(qiáng)度對Pro積累有較為直接的影響。

圖2 鹽脅迫對甜瓜幼苗葉片中Pro含量的影響

2.3 幼苗可溶性蛋白含量的變化

可溶性蛋白是植物受到逆境脅迫時加入其滲透調(diào)節(jié)過程的一類重要物質(zhì)。有研究認(rèn)為，鹽分耐受性強(qiáng)的植物能夠在體內(nèi)維持較高含量的可溶性蛋白。

由圖3可看出，4種甜瓜的幼苗葉片中的可溶性蛋白含量受到鹽分脅迫影響出現(xiàn)下降，且隨著濃度的上升，葉片中可溶性蛋白含量的下降趨勢和幅度不斷加大，說明植物體內(nèi)參與蛋白質(zhì)合成的相關(guān)酶的活性可能受到抑制，從而引起蛋白質(zhì)合成受影響而出現(xiàn)含量降低。西州密17號和黃皮9818的整體降幅要明顯大于網(wǎng)紋香、風(fēng)味5號。在50 mmol·L-1濃度處理下，網(wǎng)紋香、風(fēng)味5號、西州密17號和黃皮9818葉片中可溶性蛋白含量分別比CK處理減少2.8%、12.5%、35.7%、44.4%；在150 mmol·L-1濃度處理下的降幅更為顯著，分別比CK降低27.4%、50.3%、75.5%、84.0%。

圖3 鹽脅迫對甜瓜幼苗葉片中可溶性蛋白含量的影響

總體而言，各處理下的4個品種葉片中可溶性蛋白的含量表現(xiàn)為網(wǎng)紋香>風(fēng)味5號>西州密17號>黃皮9818，說明網(wǎng)紋香在鹽脅迫下具有較強(qiáng)的蛋白合成能力，因而表現(xiàn)出較好的鹽耐受性。

2.4 幼苗可溶性糖含量的變化

可溶性糖除了向植物供給生長發(fā)育所必需的能量及代謝產(chǎn)物，同時也作為一種重要的調(diào)節(jié)劑參與植物滲透調(diào)控過程。圖4中鹽脅迫下，可溶性糖含量隨鹽濃度的增加而出現(xiàn)變化，這可能是由于植物通過合成和調(diào)用可溶性糖參與自身滲透調(diào)節(jié)，以此緩解鹽脅迫產(chǎn)生的傷害。

由圖4可以看出，鹽脅迫促使4種甜瓜幼苗葉片可溶性糖含量均隨鹽分濃度的上升而逐漸遞增。在50 mmol·L-1下，與CK處理相比，風(fēng)味5號、西州密17號和黃皮9818增幅并不顯著，而150 mmol·L-1處理使網(wǎng)紋香、風(fēng)味5號、西州密17號和黃皮9818葉片中可溶性糖含量分別為CK的2.4、2.1、1.7和1.4倍，且與CK差異顯著。以上說明在鹽脅迫下，4種甜瓜均能憑借提高葉片中可溶性糖積累量，維持體內(nèi)滲透平衡，但相比較而言，網(wǎng)紋香的耐鹽性表現(xiàn)強(qiáng)于其他3個品種。

3 討論

甜菜堿的含量在作物受到鹽脅迫后出現(xiàn)明顯的增加，說明與甜菜堿合成有關(guān)的酶類的活性受到了鹽脅迫產(chǎn)生的催化作用的影響，從而加快了甜菜堿的合成。但本研究中，西州密17號和黃皮9818中甜菜堿含量的變化趨勢并不與其他兩種甜瓜相一致，這說明甜菜堿積累量隨鹽濃度增加而增加是有一定上限的。這與Guy等[24]得出的結(jié)論基本相似，他認(rèn)為低鹽度條件下鹽角草中甜菜堿含量隨鹽濃度的增加而大幅度上升，但鹽濃度持續(xù)上升，甜菜堿會逐漸放緩增加的速度，直至穩(wěn)定保持在某一水平。西州密17號和黃皮9818的這類表現(xiàn)可能是由于不斷加重的鹽脅迫影響了自身其他生理過程，導(dǎo)致甜菜堿合成受限。但同時也有可能是細(xì)胞對積累的甜菜堿進(jìn)行了轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)用，說明甜菜堿可能屬于非固定性參與滲透調(diào)節(jié)過程的物質(zhì)[25]。

鹽脅迫環(huán)境下，植物會主動合成和積累一些有機(jī)或無機(jī)類物質(zhì)來調(diào)節(jié)細(xì)胞液濃度，以此確保細(xì)胞能夠維持一定的滲透勢，達(dá)到逐漸適應(yīng)逆境環(huán)境的目的；同時也可以起到穩(wěn)定和保護(hù)生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的作用。張玉鑫等[26]研究發(fā)現(xiàn)，甜瓜葉片中Pro含量和可溶性糖含量在NaCl脅迫下均顯著高于對照，且隨NaCl濃度的上升而逐漸增加，這與本試驗得出鹽脅迫下甜瓜幼苗葉片中Pro和可溶性糖含量隨鹽脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)而顯著增加的結(jié)果相一致，且4種甜瓜中，網(wǎng)紋香和風(fēng)味5號都表現(xiàn)出較強(qiáng)的積累滲透物質(zhì)的能力，具有較好的鹽環(huán)境適應(yīng)性。

蛋白質(zhì)是一種重要的營養(yǎng)成分，在植物的生理代謝過程中發(fā)揮著非常重要的作用。鹽分脅迫會導(dǎo)致植物體內(nèi)正常的蛋白合成過程受阻，并且會使蛋白質(zhì)降解的速度加快，從而引起蛋白質(zhì)含量的下降。本試驗中，受到鹽脅迫的甜瓜葉片中的可溶性蛋白質(zhì)含量與對照相比，均出現(xiàn)顯著下降，此結(jié)果與前人在西瓜[27]和苜蓿[28]上研究得出的結(jié)果相似，從整體下降趨勢來看，網(wǎng)紋香的降幅要遠(yuǎn)低于其他3種甜瓜，這說明其在逆境下自身可能具有較強(qiáng)的蛋白合成能力。

糖類物質(zhì)是一種廣泛存在于高等植物體內(nèi)的重要光合同化產(chǎn)物，除了作為植物碳骨架和能量的重要來源[29]，同時也是參與調(diào)控和改善植物對環(huán)境適應(yīng)性的信號物質(zhì)[30]，而且還具有保護(hù)細(xì)胞內(nèi)各種酶類免受高濃度無機(jī)離子傷害的功能[31]。多數(shù)研究認(rèn)為，可溶性糖含量的變化與植物受到逆境脅迫息息相關(guān)。本試驗中，甜瓜葉片中的可溶性糖含量隨脅迫濃度的上升而增加，特別是在高濃度脅迫下與對照相比達(dá)顯著性差異，這說明各品種通過積累適量SS，降低自身細(xì)胞滲透勢，維持在高滲環(huán)境下的吸水能力。根據(jù)SS含量變化情況，網(wǎng)紋香中SS的積累量要高于其他3種甜瓜，這表明其在逆境條件下具備良好的自我調(diào)節(jié)及適應(yīng)能力。

4 小結(jié)

本試驗中，四個甜瓜品種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量隨著鹽分水平的不斷上升均出現(xiàn)了一定的變化，這說明在受到脅迫后，網(wǎng)紋香、風(fēng)味5號、西州密17號和黃皮9818依靠主動積累和提高GB、Pro、SS和SP的含量來增強(qiáng)自身對鹽分的耐受性。在50 mmol·L-1濃度下，4種甜瓜都表現(xiàn)出較為迅速和有效的滲透調(diào)節(jié)響應(yīng)機(jī)制，對有效抗鹽具有積極的作用。而在較高(100和150 mmol·L-1)濃度鹽脅迫下，網(wǎng)紋香和風(fēng)味5號均能夠維持高于西州密17號、黃皮9818的GB、Pro、SS和SP含量，對鹽脅迫具有一定的耐受性，這可能與品種自身的所含的基因類型相關(guān)，因此，網(wǎng)紋香和風(fēng)味5號可以作為具有一定抗鹽能力的種質(zhì)資源以備進(jìn)一步研究。