外源硼對(duì)干旱脅迫下厚皮甜瓜幼苗生長(zhǎng)和 抗氧化系統(tǒng)的影響

李艷超，張彥萍，劉海河，劉 月，封 科，武雅嫻

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院/河北農(nóng)業(yè)大學(xué)科教興農(nóng)中心，河北 保定 071001）

厚皮甜瓜在植物學(xué)分類上屬于葫蘆科中甜瓜屬的一年蔓生草本植物，起源于非洲埃塞俄比亞高原及其毗鄰地區(qū)，我國(guó)是甜瓜的栽培次級(jí)起源中心之一，栽培歷史悠久，目前已經(jīng)成為世界上最大的設(shè)施甜瓜栽培生產(chǎn)國(guó)［1］。硼是植物必需的微量元素之一［2］，是植物生長(zhǎng)發(fā)育必須的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)植物的光合系統(tǒng)、產(chǎn)量、品質(zhì)均有影響［3］。硼是細(xì)胞壁必不可少的組成成分，對(duì)于植物的生長(zhǎng)發(fā)育有著不可替代的作用，缺硼會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞壁中硼的含量下降，但其在細(xì)胞中所占有的比例卻明顯提高［4］。缺硼還會(huì)影響植株根系的正常生長(zhǎng)，降低根系的活力，致使根系吸收養(yǎng)分和水分的速率減慢，抑制根系的伸長(zhǎng)和生長(zhǎng),降低了根系的吸收運(yùn)輸能力［5］。目前，世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中缺硼的現(xiàn)象普遍存在［6］，不僅降低作物的產(chǎn)量，而且還會(huì)影響著作物的品質(zhì)，在許多地區(qū)作物施用硼肥已經(jīng)成為了增加產(chǎn)量、提高品質(zhì)的一種常規(guī)性手段。

干旱脅迫會(huì)降低植株光合有關(guān)酶活性，影響光合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性，引起植物光合速率降低、生長(zhǎng)受損，硼可以在一定程度上提升植株的光合速率、提高抗氧化物酶的活性，進(jìn)而緩解干旱對(duì)植株造成的脅迫影響［7］。近年來(lái)有大量關(guān)于硼對(duì)干旱脅迫下玉米、柑橘、油菜、黃瓜等植株生長(zhǎng)和抗氧化的研究［8-11］，而在硼對(duì)干旱脅迫下厚皮甜瓜幼苗的生長(zhǎng)和抗氧化系統(tǒng)的影響尚未見(jiàn)明確的研究和報(bào)道。本試驗(yàn)采用沙培育苗的方法，以相對(duì)含水量為20%的河沙模擬干旱條件，通過(guò)葉面噴施不同濃度的硼砂溶液，分析外源硼對(duì)干旱脅迫下厚皮甜瓜幼苗生長(zhǎng)和抗氧化系統(tǒng)的影響，以期為硼肥提高甜瓜幼苗抗旱性研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用厚皮甜瓜品種‘農(nóng)大103’，由河北農(nóng)業(yè)大學(xué)栽培研究室提供。硼砂為化學(xué)分析純，購(gòu)自天津市瑞金特化工有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020 年5—8 月在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心連棟溫室進(jìn)行。甜瓜幼苗采用沙培方式培育。當(dāng)幼苗生長(zhǎng)到三葉一心時(shí)，取長(zhǎng)勢(shì)一致、生長(zhǎng)健壯的幼苗，定植于長(zhǎng)0.6 m、寬0.4 m、高0.4 m 的大泡沫箱中，每個(gè)泡沫箱中定植4 株，泡沫箱中裝滿洗凈消毒的細(xì)河沙，在河沙表面覆蓋一薄層蛭石和珍珠巖用以減少水分的蒸騰，定植30 箱。在栽植完成后澆灌不含有任何硼成分的改良Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液，營(yíng)養(yǎng)液每隔 3 d 澆灌1 次。人工模擬干旱環(huán)境，保持箱中河沙相對(duì)含水量在20%左右(通過(guò)滴灌時(shí)間控制)作為干旱條件［12］，培養(yǎng) 7 d 后，開(kāi)始進(jìn)行葉面噴施硼砂溶液處理，硼砂濃度分別為B1 (5 mmol/L)，B2(10 mmol/L)，B3(20 mmol/L) 和B4(40 mmol/L)，以清水作為對(duì)照(CK),每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)，每2 箱為1 次重復(fù)，每隔 7 d 噴施1 次硼砂溶液，21 d 后，測(cè)定甜瓜幼苗葉片光合色素含量，光合特性及其它生長(zhǎng)生理指標(biāo)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

參照李合生等［13］的方法并加以改進(jìn)測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、丙二醛(MDA)、超氧陰離子和根系活力。

采用SPAD-便攜式葉綠素測(cè)定顯示儀測(cè)定葉綠素a、b、a+b、類胡蘿卜素，采用便攜式光合儀測(cè)定甜瓜幼苗葉片氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和葉片凈光合速率。

計(jì)算壯苗指數(shù)(ISG)=(根鮮質(zhì)量/地上部鮮質(zhì)量+莖粗/株高)×全株鮮質(zhì)量［14］。

葉片面積參照王穎等［15］方法測(cè)定。根、莖、葉鮮重和干重用電子天平稱重。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 進(jìn)行圖表制作，用SPSS 16.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度的外源硼對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

2.1.1 外源硼對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗植株形態(tài)的影響 由表1 可知，噴施了外源硼的各濃度處理中，甜瓜幼苗的葉面積、莖粗、壯苗指數(shù)、株高等呈現(xiàn)出明顯差異。B1 與對(duì)照(CK)相比較沒(méi)有顯著性差異，但高于對(duì)照；B2 顯著高于B1 和CK；當(dāng)B3 時(shí)，所有指標(biāo)皆達(dá)到峰值，顯著高于所有處理；然而， B4 卻呈下降趨勢(shì)，但顯著高于B1、B2 和CK。

表1 外源硼對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗生長(zhǎng)量及植株形態(tài)的影響Table 1 Effects of exogenous boron on the growth and plant morphology of muskmelon seedlings under drought stress

2.1.2 外源硼對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗地上部生長(zhǎng)量的影響 由表2 可知，在經(jīng)過(guò)外源硼溶液處理后，幼苗植株地上部的生長(zhǎng)量，隨著溶液濃度的增加，B3 處理植株地上部的生長(zhǎng)量顯著高于其它所有處理；B4 處理植株地上部的生長(zhǎng)量與B2 相比差異不顯著，但顯著高于B1 處理和CK；B2 處理植株生長(zhǎng)量顯著高于B1 處理和CK；B1 處理植株生長(zhǎng)量與CK 相比較差異不顯著，但高于CK。

表2 外源硼對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗地上部生長(zhǎng)量的影響Table 2 The effect of exogenous boron on the above-ground growth of muskmelon seedlings under drought stress

2.1.3 外源硼對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗地下部生長(zhǎng)量的影響 由表3 可知，在甜瓜幼苗植株正常生長(zhǎng)和經(jīng)過(guò)外源硼溶液處理下植株地下部生長(zhǎng)量存在著很大差異。B3 處理下的植株地下部生長(zhǎng)量明顯高于其它處理；B4 處理植株生長(zhǎng)量低于B3 處理，但顯著高于B2、B1 和CK；B2 處理下植株地下部生長(zhǎng)量顯著高于B1 和CK；B1 處理植株地下部生長(zhǎng)量與CK相比差異不顯著，但植株地下部生長(zhǎng)量高于CK。

表3 外源硼對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗地下部生長(zhǎng)量的影響Table 3 The effect of exogenous boron on the underground growth of melon seedlings under drought stress

2.2 不同濃度外源硼處理對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗葉片光合色素和光合特性的影響

2.2.1 外源硼對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗葉片光合色素含量的影響 由表4 可知，在所有外源硼濃度處理中，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、類胡蘿卜素都隨著處理濃度的升高有著明顯變化，在B3 處理時(shí)光合色素含量達(dá)到最高，到B4 時(shí)開(kāi)始下降，，但各濃度處理的光合色素含量均顯著高于對(duì)照(CK)。B1 時(shí)，光合色素含量高于對(duì)照(CK),但與之相比差異性并不顯著；B2 顯著高于B1 和CK；當(dāng)B4 時(shí)，所有上述指標(biāo)都降低，但顯著高于B2、B1 和CK。

表4 外源硼對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗葉片光合色素含量的影響Table 4 Effects of exogenous boron on photosynthetic pigment content in muskmelon seedling leaves under drought stress

2.2.2 外源硼對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗光合特性的影響 由表5 可知，外源硼濃度處理顯著提高甜瓜幼苗光合特性，隨著噴施濃度的不斷增加，甜瓜幼苗的凈光合速率(Pn)和胞間二氧化碳濃度(Ci)與CK 相比變化明顯。可以看出在B3 處理時(shí)Ci和Pn最高，顯著高于B1、B2、B4 和CK；到B4 處理時(shí)，植株Ci和Pn呈下降趨勢(shì)，顯著高于B1 處理和CK，與B2處理相比差異不顯著；B2 處理與B4 處理相比較差異不顯著，顯著高于B1 處理和CK；B1 處理與CK相比較差異不明顯，但高于CK。氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率的變化趨勢(shì)同以上2 指標(biāo)呈先升高后降低的趨勢(shì)，各濃度處理和上述2 個(gè)指標(biāo)變化規(guī)趨勢(shì)相同，在B3 處理時(shí)達(dá)到最大值，顯著高于所有處理水平。

表5 外源硼對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗光合特性的影響Table 5 Effects of exogenous boron on photosynthetic characteristics of muskmelon seedlings under drought stress

2.3 不同濃度的外源硼對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗抗氧化性的影響

2.3.1 外源硼對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗超氧陰離子活性和丙二醛（MDA）含量的影響 如圖1、2 可知，在進(jìn)行外源硼溶液處理后隨著溶液濃度的提升，植株體內(nèi)的超氧陰離子活性和丙二醛(MDA)的含量與CK相比顯著降低。

圖1 外源硼對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗超氧陰離子的影響Fig.1 The effect of exogenous boron on superoxide anion of muskmelon seedlings under drought stress

在B3 時(shí)，植株內(nèi)的超氧陰離子活性和丙二醛(MDA)含量均處于最低值，顯著低于其它濃度處理；B4 處理顯著低于B1 處理和CK，與B2 處理相比較差異不顯著；B2 處理顯著低于B1 處理和CK；B1 處理與CK 相比差異不顯著，但低于CK。

圖2 外源硼對(duì)干旱脅迫下甜瓜幼苗丙二醛（MDA）的影響Fig. 2 The effect of exogenous boron on malondialdehyde (MDA) of muskmelon seedlings under drought stress

2.3.2 外源硼干旱脅迫下對(duì)甜瓜幼苗抗氧化性的影響 從圖3 ～5 可以知，由于植株內(nèi)部超氧陰離子和OH-等大量含氧自由基的增多，在外源硼溶液處理下超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)等抗氧化同工酶隨著處理溶液濃度的逐漸升高，經(jīng)外源硼處理的植株酶活性明顯高于對(duì)照。其中，所有酶活的峰值出現(xiàn)在B3 處理，顯著高于所有處理水平；與B3 處理相比B4 處理呈下降趨勢(shì)低于B3 處理，但顯著高于B1 處理、B2 處理和CK；B2 處理顯著高于B1 處理和CK；B1 處理與CK 相比，B1 處理顯著高于CK。

圖3 外源硼干旱脅迫下對(duì)甜瓜幼苗過(guò)氧化物酶（POD）活性的影響Fig. 3 The effect of exogenous boron on the activity of peroxidase (POD) in muskmelon seedlings under drought stress

圖4 外源硼干旱脅迫下對(duì)甜瓜幼苗過(guò)氧化氫酶（CAT）活性的影響Fig. 4 The effect of exogenous boron on catalase (CAT) activity of muskmelon seedlings under drought stress

圖5 外源硼干旱脅迫下對(duì)甜瓜幼苗超氧化物歧化酶（SOD）活性的影響Fig. 5 The effect of exogenous boron on the activity of superoxide dismutase (SOD) in muskmelon seedlings under drought stress

3 討論與結(jié)論

干旱脅迫下經(jīng)過(guò)不同的外源硼溶液處理，植株的生長(zhǎng)量和形態(tài)指標(biāo)表現(xiàn)出明顯的差異。開(kāi)始隨著處理溶液濃度的升高植株的生長(zhǎng)量快速提升、葉面積增大、莖稈增粗，但達(dá)到一定濃度后生長(zhǎng)勢(shì)開(kāi)始下降植株長(zhǎng)勢(shì)開(kāi)始減緩。試驗(yàn)結(jié)果與李自龍等［12］報(bào)道一致，葉面噴施適宜濃度的硼溶液可以提高植株地上部的生長(zhǎng)量。

光合色素參與植物吸收、傳遞光能和引起原初光化學(xué)反應(yīng)的重要色素，是促進(jìn)植物正常進(jìn)行光合作用的保障，硼參與調(diào)節(jié)光合機(jī)構(gòu)的發(fā)育、促進(jìn)光合色素的合成［16］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，干旱脅迫下在5 ～40 mmol/L 濃度范圍內(nèi)，甜瓜幼苗葉片中葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b 和類胡蘿卜素含量呈先升高后下降的變化趨勢(shì)，與熊博等［17］研究結(jié)果相一致。硼元素可以有利于促進(jìn)植株幼苗對(duì)礦質(zhì)元素的吸收，而硼元素可以直接或間接參與葉綠素的合成，還是植物葉肉細(xì)胞中葉綠體形成的重要組成部分［18］，另外硼對(duì)植物葉細(xì)胞中柵欄組織和海綿組織也有著很大影響［19］。缺硼還會(huì)影響植株的根系生長(zhǎng)，降低根系的活力，致使根系吸收水分和養(yǎng)分的速率減慢。然而在干旱脅迫下當(dāng)硼濃度超出一定的閾值時(shí)，植物葉片形態(tài)發(fā)生變化，光合速率下降，這是因?yàn)榕饾舛瘸^(guò)植物能忍受的最大值時(shí)，導(dǎo)致形成了鹽害環(huán)境，引起細(xì)胞活性下降，細(xì)胞損傷［20］。

植株中缺硼會(huì)使植株葉片光合速率下降、蒸騰作用變緩、葉片光合特性降低，主要是因?yàn)槿迸饡?huì)抑制葉片光合，氣孔導(dǎo)度控制著植株的蒸騰速率強(qiáng)弱［21］，導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率下降［22］，干旱脅迫下植物體會(huì)受到傷害,葉片萎蔫，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉。干旱脅迫主要是氣孔受限制、開(kāi)度減少甚至關(guān)閉，造成植物體內(nèi)水分虧缺，從而影響植物對(duì)CO2的吸收，從而降低植物光合速率［23］。植物葉片是植物進(jìn)行光合作用積累養(yǎng)分的主要部位和場(chǎng)所。采用葉面噴施硼肥,有效硼能夠通過(guò)葉片的氣孔進(jìn)入到植株體內(nèi),進(jìn)而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)［24］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在干旱脅迫條件下對(duì)甜瓜幼苗進(jìn)行不同濃度的外源硼溶液處理發(fā)現(xiàn)，隨著處理溶液濃度的升高幼苗植株中胞間二氧化碳濃度、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率呈現(xiàn)出先增高后降低的變化趨勢(shì)，與張曉文等［25］研究結(jié)果相一致。本試驗(yàn)中在葉面噴施不同濃度的硼溶液后，超氧陰離子和丙二醛（MDA）呈現(xiàn)出先升高后降低的變化曲線狀態(tài)，而植株中CAT、SOD、POD 活性出現(xiàn)先降低后增高的變化趨勢(shì)，與陳晟報(bào)道結(jié)果相似［26］。這是因?yàn)镃AT 與SOD、POD 共同組成了生物體內(nèi)活性氧防御系統(tǒng)［27］，H2O2、超氧陰離子和MDA 的大量積累刺激了POD的活性增加［28］，植株內(nèi)過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶等通過(guò)彼此協(xié)調(diào)合作來(lái)清除細(xì)胞內(nèi)的活性氧和影響植株正常生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)，抗氧化物酶活性的增高延緩了植株葉片的氧化衰老過(guò)程，維持了葉片細(xì)胞的活力［29］。干旱條件下，葉面噴施硼肥可以顯著提高植株葉片中超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶的活性［30］，植物細(xì)胞內(nèi)的抗氧化酶SOD、POD、CAT 等含量升高,幫助清除了植物體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧, 提高植物抗旱性［31］。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在干旱脅迫下對(duì)甜瓜幼苗進(jìn)行外源硼葉面噴施處理，所有濃度處理均可以提升甜瓜植株的生長(zhǎng)量和相關(guān)酶的活性；硼砂濃度在20 mmol/L 時(shí)幼苗植株所有的形態(tài)和生理指標(biāo)皆達(dá)到最好水平。