鹽脅迫對(duì)西瓜幼苗生理生化特性的影響

高博文，孫德璽，劉君璞，袁高鵬，安國(guó)林，李衛(wèi)華，司文靜，朱迎春

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹(shù)研究所 鄭州 450009）

西瓜是世界上最重要的水果之一，其種植面積和產(chǎn)量在世界水果中都位居前列。我國(guó)作為西瓜最大的生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)，年播種面積約154 萬(wàn)hm，年總產(chǎn)量達(dá)6300 萬(wàn)t。然而土壤鹽漬化是制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大難題。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，全球鹽漬土面積達(dá)9.5 億hm，我國(guó)鹽漬土面積約占全球鹽漬土面積的3.8%，位居世界前列。由于過(guò)度施用化肥和不合理灌溉等，土壤的次生鹽漬化問(wèn)題也日益嚴(yán)重。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中針對(duì)提高西瓜耐鹽性的研究不在少數(shù)，各種新技術(shù)、新方法層出不窮，但都相對(duì)有限。Romic 等研究表明，即使是采用鹽水滴灌，也會(huì)導(dǎo)致西瓜減產(chǎn)25%～35%。同時(shí)前人針對(duì)西瓜自身的耐鹽性研究也是多種多樣。張振興研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下西瓜果實(shí)品質(zhì)受到嚴(yán)重影響：可溶性固形物、可溶性糖、氨基酸含量下降，可滴定酸含量上升。鹽脅迫下西瓜N、P 代謝能力減弱，K 在一定程度上能夠參與滲透調(diào)節(jié)緩解西瓜受到的鹽害。鹽脅迫下，西瓜幼苗生物量和生長(zhǎng)勢(shì)均顯著下降，光合作用減弱。隨著鹽濃度提高，西瓜幼苗細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，質(zhì)膜相對(duì)透性均顯著增加。王中玉等研究發(fā)現(xiàn)，低鹽脅迫下西瓜凈光合速率受氣孔因素影響，高鹽脅迫下受非氣孔因素影響，除此之外，也與電子傳遞有關(guān)。

因此，西瓜在鹽脅迫下的生理變化體現(xiàn)在多個(gè)方面，尚不清楚哪個(gè)指標(biāo)受到的影響更大。除此之外，前人的報(bào)道多是以單一西瓜品種為研究對(duì)象，對(duì)于多個(gè)西瓜品種的耐鹽性研究又往往是在特定鹽濃度下進(jìn)行的。當(dāng)鹽濃度發(fā)生變化時(shí)，不同品種對(duì)鹽脅迫做出的響應(yīng)并不完全相同。筆者選擇不同西瓜品種分析其在不同鹽濃度下的鮮質(zhì)量、光合因子、離子含量、膜透性等指標(biāo)的變化，旨在尋找受鹽脅迫影響顯著的穩(wěn)定指標(biāo)，為建立西瓜品種耐鹽評(píng)價(jià)體系及指導(dǎo)鹽堿地西瓜生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料中興紅1 號(hào)、中科6 號(hào)、鄭抗9 號(hào)、花冠由鄭州果樹(shù)研究所二倍體西瓜遺傳育種課題組選育，品種特性見(jiàn)表1。

表1 西瓜品種特性

1.2 方法

1.2.1 前期準(zhǔn)備 陶土：直徑2～4 mm 的陶粒。水培盆：規(guī)格為31.5 cm×25.5 cm×10.0 cm，底部和四周粘貼黑色膠帶，以保持水培盆中黑暗環(huán)境，頂部蓋上31.5 cm×25.5 cm 的聚乙烯塑料板（均勻打15 個(gè)孔，孔距為5 cm×6 cm）。海綿條：長(zhǎng)5 cm、寬1 cm。Hoagland’s 營(yíng)養(yǎng)液：配方見(jiàn)表2。

表2 Hoagland’s 營(yíng)養(yǎng)液配方

1.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容 試驗(yàn)于2021 年10—11 月在鄭州果樹(shù)研究所智能溫室進(jìn)行。

（1）播前管理：挑選籽粒飽滿、大小均勻一致、成熟無(wú)霉斑的西瓜種子各200 粒，55 ℃溫水浸種6 h后放入恒溫箱（30 ℃）催芽36～48 h。用鑷子挑選發(fā)芽健碩的西瓜種子小心播種于盛有總?cè)萘慷种坏奶胀僚柚校⒏采w相同厚度的陶土以減少戴帽現(xiàn)象。播種過(guò)程要耐心謹(jǐn)慎，噴施充足水分后用無(wú)菌保鮮膜密封，溫度為白天20～25 ℃，夜間15～18 ℃。

（2）幼苗移植：選取子葉展開(kāi)完好、長(zhǎng)勢(shì)整齊一致的西瓜幼苗，用薄海綿包裹根部向上1 cm 處，快速移栽至盛有Hoagland’s 營(yíng)養(yǎng)液的水培盆中，每個(gè)品種150 株。每2 d 更換1 次營(yíng)養(yǎng)液來(lái)維持西瓜幼苗的正常供氧和營(yíng)養(yǎng)，溫度為白天25～28 ℃，夜間18～20 ℃。

（3）NaCl 脅迫處理：待西瓜幼苗長(zhǎng)至3 葉1 心時(shí)，分別用0（CK）、50、100、150、200 mmol·LNaCl（溶于Hoagland’s 營(yíng)養(yǎng)液中）進(jìn)行處理，每個(gè)處理30 株幼苗，3 次重復(fù)，每次重復(fù)10 株。觀察鹽處理后西瓜幼苗每天反應(yīng)以及變化，并記錄。

（4）取樣：處理后8 d，從西瓜幼苗上摘取從上往下數(shù)第3 片展開(kāi)葉，迅速放入冰盒，-80 ℃保存，用于后續(xù)試驗(yàn)。由于200 mmol·LNaCl 處理下西瓜幼苗均死亡，因此未進(jìn)行取樣。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

表型測(cè)定使用佳能EOS 80D 相機(jī)對(duì)整盆植株進(jìn)行拍照記錄。鹽害指數(shù)參照劉文革的鹽害指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表3），鹽害指數(shù)/%=∑（代表級(jí)值×株數(shù)）/（最高級(jí)值×總株數(shù)）×100。每處理選擇6 株受脅迫程度一致的西瓜幼苗用清水沖洗干凈并迅速擦干，用百分之一電子天平稱鮮質(zhì)量。避開(kāi)葉脈，采用SPAD-502 葉綠素含量測(cè)定儀分別測(cè)定新鮮葉片的左、右、上部3 個(gè)位置的讀數(shù)，取平均值作為該葉片的SPAD 值。09：00—11：30 采用LI-6400 便攜式手持光合儀測(cè)定凈光合速率，測(cè)定環(huán)境為：葉室面積為6.25 cm，葉片溫度為28 ℃，葉片表面有效光輻射為1500 μmol·m·s，相對(duì)濕度為75%，周圍CO濃度為600 μmol·L，每個(gè)處理測(cè)定10 次。采用相對(duì)電導(dǎo)法測(cè)定相對(duì)電導(dǎo)率，取待測(cè)葉片0.3 g，放入玻璃試管，加20 mL 蒸餾水，另外設(shè)一組對(duì)照，每處理3 次重復(fù)；25 ℃室溫下浸泡24 h，用電導(dǎo)率儀（雷磁DDS-307）測(cè)電導(dǎo)率值（R）；之后將試管放入沸水中加熱20 min，冷卻至室溫再次測(cè)電導(dǎo)率值（R），相對(duì)電導(dǎo)率/%=R/R×100。Na、K含量采用試劑盒（購(gòu)自南京建成生物工程研究所）測(cè)定，使用酶標(biāo)免疫分析儀（SpectraMax i3x）進(jìn)行讀數(shù)。

表3 鹽害指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Adobe Photoshop CC 2017 進(jìn)行照片處理與排版，采用Microsoft Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 19.0 的Ducan 法對(duì)同一西瓜品種在不同鹽濃度下的鹽脅迫指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度NaCl對(duì)西瓜幼苗整體生長(zhǎng)的影響

如圖1 所示，鹽脅迫8 d 后，與對(duì)照相比，不同處理下的西瓜幼苗植株在株高、莖粗、葉片枯萎程度以及葉片數(shù)量等方面均受到影響，表明鹽脅迫對(duì)西瓜幼苗的生長(zhǎng)具有抑制作用。與未進(jìn)行鹽處理的西瓜幼苗相比，隨著鹽濃度的增加，西瓜幼苗的鹽害程度不斷加深，具體表現(xiàn)為：當(dāng)NaCl 濃度為50 mmol·L時(shí)，西瓜幼苗的葉面積減少，植株生長(zhǎng)開(kāi)始減慢，莖粗、株高以及根系茂密度都開(kāi)始下降；當(dāng)NaCl 濃度為100 mmol·L時(shí)，西瓜幼苗的株高明顯降低、葉面積明顯減小并有部分葉片開(kāi)始發(fā)黃和卷曲，株型更加緊湊，整體萎蔫程度加??；當(dāng)NaCl濃度為150 mmol·L時(shí)，西瓜幼苗生長(zhǎng)停滯，葉片表現(xiàn)出明顯的卷曲、萎蔫甚至焦枯，與鹽處理前相比，西瓜葉片數(shù)量未見(jiàn)明顯增加，株高未見(jiàn)明顯升高，莖部纖細(xì)、顏色加深，根系伴有腐爛；當(dāng)NaCl 濃度為200 mmol·L時(shí)，西瓜幼苗植株已全部死亡。

圖1 鹽脅迫對(duì)西瓜幼苗表型的影響

圖2 鹽脅迫對(duì)西瓜幼苗鹽害指數(shù)的影響

2.2 不同濃度NaCl對(duì)西瓜幼苗鮮質(zhì)量的影響

圖3 鹽脅迫對(duì)西瓜幼苗鮮質(zhì)量的影響

2.3 不同濃度NaCl對(duì)西瓜幼苗光合因子的影響

圖4 鹽脅迫對(duì)西瓜幼苗SPAD 的影響

但是，各品種在不同NaCl 濃度下的差異性變化依然顯著。如中興紅1 號(hào)相較于中科6 號(hào)，當(dāng)NaCl 濃度小于100 mmol·L時(shí)，中興紅1 號(hào)的SPAD 增幅要大于中科6 號(hào)，當(dāng)NaCl 濃度大于100 mmol·L時(shí)，中興紅1 號(hào)的SPAD 降幅也同樣大于中科6 號(hào)，所以在先增加后減少的變化大趨勢(shì)下，個(gè)體差異所帶來(lái)的浮動(dòng)變化也比較明顯。

由圖5 可知，隨著鹽濃度的增加，所有品種的西瓜幼苗凈光合速率均呈顯著降低的趨勢(shì)。當(dāng)鹽濃度為150 mmol·L時(shí)，中興紅1 號(hào)、中科6 號(hào)、鄭抗9 號(hào)、花冠的凈光合速率與對(duì)照相比分別降低了90.51%、84.66%、61.87%、80.54%。這說(shuō)明鹽脅迫對(duì)西瓜幼苗的凈光合速率抑制作用較強(qiáng)。

圖5 鹽脅迫對(duì)西瓜幼苗凈光合速率的影響

2.4 不同濃度NaCl對(duì)西瓜幼苗相對(duì)電導(dǎo)率的影響

圖6 鹽脅迫對(duì)西瓜幼苗相對(duì)電導(dǎo)率的影響

圖7 鹽脅迫對(duì)西瓜幼苗Na+含量的影響

圖8 鹽脅迫對(duì)西瓜幼苗K+/Na+的影響

2.5 不同濃度NaCl對(duì)西瓜幼苗離子含量的影響

3 討論與結(jié)論

筆者以鄭州果樹(shù)研究所二倍體西瓜遺傳育種課題組提供的不同果型的西瓜品種為試材，從表型、鮮質(zhì)量、光合因子、細(xì)胞膜透性以及離子含量方面，探究不同濃度鹽脅迫對(duì)西瓜幼苗的影響。

研究結(jié)果表明，鹽脅迫抑制西瓜幼苗的表型變化，鹽濃度越大，西瓜幼苗整體表型與對(duì)照相比反差越大。當(dāng)NaCl 濃度為150 mmol·L時(shí)，出現(xiàn)大面積幼苗植株萎蔫現(xiàn)象，在NaCl 濃度為200 mmol·L時(shí)，西瓜幼苗植株全部死亡，說(shuō)明西瓜幼苗植株的耐鹽臨界范圍在150～200 mmol·L之間，相似的結(jié)論在前人的研究中也有報(bào)道。除此之外，西瓜幼苗總根長(zhǎng)、主根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)、根平均直徑等根系形態(tài)指標(biāo)也會(huì)受到鹽脅迫的顯著抑制。鹽害指數(shù)作為耐鹽鑒定的形態(tài)指標(biāo)，簡(jiǎn)單易行，結(jié)果可靠，被廣泛應(yīng)用于玉米、葡萄、白菜、南瓜等作物的耐鹽研究中。試驗(yàn)中參照劉文革提出的鹽害分級(jí)方法，對(duì)西瓜進(jìn)行鹽害指數(shù)測(cè)定，結(jié)果表明隨著鹽濃度的增加，西瓜幼苗的鹽害指數(shù)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，進(jìn)一步佐證了整體表型與鹽濃度之間的正向關(guān)系。

鹽脅迫下植物生長(zhǎng)減緩、物質(zhì)代謝消耗大量能量、生物量分配格局發(fā)生改變，最終導(dǎo)致生物量的變化。本研究表明，隨著鹽濃度的增加，西瓜幼苗鮮質(zhì)量受到的抑制程度逐漸加大。前人研究表明，鮮質(zhì)量與植物耐鹽性在一定范圍內(nèi)成反比。相對(duì)電導(dǎo)率是反映植物在逆境環(huán)境下細(xì)胞膜系統(tǒng)受損程度的重要生理指標(biāo)。本研究表明，鹽脅迫下西瓜幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率不斷上升，這與前人的研究結(jié)果相同。

作為西瓜幼苗生命活動(dòng)的重要組成部分，光合作用能為其提供必要的物質(zhì)和能量。葉綠素是光合作用中的重要物質(zhì)組成，可以在一定程度上反映植物的光合能力。本研究結(jié)果表明，西瓜幼苗SPAD 在NaCl 濃度為0～100 mmol·L時(shí)逐漸上升，在NaCl 濃度為100～150 mmol·L時(shí)下降。凈光合速率直接反映了西瓜幼苗光合能力的強(qiáng)弱。所以探究不同NaCl 濃度下的凈光合速率變化，更能體現(xiàn)光合作用在鹽脅迫下的表現(xiàn)。本研究發(fā)現(xiàn)隨著鹽濃度的增加，所有品種的西瓜幼苗凈光合速率呈持續(xù)降低的趨勢(shì)。前人研究表明，光合作用效率下降的原因包括氣孔因素和非氣孔因素。氣孔因素指鹽脅迫下氣孔導(dǎo)度降低，導(dǎo)致CO向葉綠體運(yùn)輸受阻；非氣孔因素包括光合系統(tǒng)、CO固定能力、光合色素含量等。有報(bào)道稱當(dāng)鹽濃度小于75 mmol·L時(shí)，西瓜幼苗由于氣孔因素導(dǎo)致光合速率降低，當(dāng)鹽濃度大于75 mmol·L時(shí)，光合速率降低的主要原因?yàn)榉菤饪滓蛩?。本研究中西瓜幼苗葉綠素含量波動(dòng)并未影響到整體光合速率的下降趨勢(shì)，表明鹽脅迫下西瓜幼苗光合速率的降低并非是由光合色素含量的變化導(dǎo)致的。

Na是鹽脅迫的主要毒害離子，葉片Na含量可以體現(xiàn)植物的耐鹽能力。與此同時(shí)，在NaCl 脅迫的過(guò)程中，由于K與Na結(jié)構(gòu)相似，因此Na和K發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致細(xì)胞代謝活動(dòng)受到抑制。所以探究西瓜幼苗植株中的K/Na變化趨勢(shì)同樣可以反映西瓜幼苗植株中鹽害規(guī)律。本研究結(jié)果表明，西瓜幼苗在不同濃度的鹽脅迫下，葉片Na含量逐漸積累，葉片K/Na逐漸下降，這與陸安橋的研究結(jié)果一致。

值得注意的是，當(dāng)NaCl 濃度為150 mmol·L時(shí)，西瓜幼苗的鹽害指數(shù)達(dá)到最大，同時(shí)植株鮮質(zhì)量、凈光合速率和K/Na的變化幅度與對(duì)照相比明顯高于其他指標(biāo)，說(shuō)明在高鹽濃度下西瓜幼苗鹽害程度的加深，主要表現(xiàn)在西瓜幼苗的鮮質(zhì)量、光合作用、K/Na方面。有趣的是，此時(shí)各西瓜品種的鹽害指數(shù)表現(xiàn)出顯著差異，表明不同西瓜幼苗在鹽脅迫下的響應(yīng)機(jī)制存在差異，這有待進(jìn)一步研究。

高溫條件下，植物的鹽害反應(yīng)加劇。為排除高溫對(duì)試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，本研究選擇在10—11 月進(jìn)行。然而西瓜苗期生長(zhǎng)的正常時(shí)間在3—4月。為進(jìn)一步增強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，今后應(yīng)在春季補(bǔ)充苗期耐鹽試驗(yàn)做進(jìn)一步研究。

綜上所述，西瓜幼苗鮮質(zhì)量和凈光合速率受鹽脅迫的影響最大。本研究為后期進(jìn)行西瓜耐鹽種質(zhì)鑒定和耐鹽分子機(jī)制解析提供了理論基礎(chǔ)。