外源物質(zhì)復(fù)配對低溫脅迫下甜瓜幼苗光合障礙的緩解作用

馮路路，張惠敏，王曼曼，魏小云，王 康，閆洪朗

（江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 南通 226001）

甜瓜是一種起源于熱帶、亞熱帶的重要園藝、經(jīng)濟(jì)作物，在我國具有悠久的栽培歷史和廣泛的種植面積，其具有生產(chǎn)周期短、經(jīng)濟(jì)效益高、受歡迎程度高等特點(diǎn)。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，長江中下游地區(qū)的甜瓜栽培期可提前至1—2月，然而早春時(shí)期出現(xiàn)的低溫會(huì)對甜瓜幼苗造成低溫冷害，會(huì)嚴(yán)重制約甜瓜植株的生長發(fā)育，并且可能影響后期果實(shí)的品質(zhì)和產(chǎn)量，造成較大的經(jīng)濟(jì)效益損失［1-2］。

低溫脅迫會(huì)對植物的生長發(fā)育、光合作用、生物膜系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化酶系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，其中植物的光合作用首先會(huì)受到抑制［3-4］。低溫脅迫對植物光合作用的抑制不僅體現(xiàn)在破壞葉綠體結(jié)構(gòu)、降低葉綠素含量、關(guān)閉氣孔、影響光合酶活性等方面，同時(shí)還會(huì)通過影響正常的生理代謝間接抑制植物的光合特性［5］。邱喜巖等［6］在低溫脅迫對不同耐低溫南瓜材料影響的研究中發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫會(huì)導(dǎo)致不同南瓜種質(zhì)的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)等顯著下降，嚴(yán)重抑制南瓜正常的光合效率。張瑤等［7］研究發(fā)現(xiàn)黃瓜的葉綠素含量、最大光合效率(Pmax)、光飽和點(diǎn)(LSP)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和能量分配比率等光合參數(shù)均會(huì)隨著低溫脅迫程度的加深和低溫脅迫時(shí)間的延長而逐漸下降。

大量研究表明外源物質(zhì)能夠提高植物對逆境脅迫的適應(yīng)能力，但不同外源物質(zhì)對植物生長發(fā)育、生理生化的調(diào)節(jié)作用不盡相同。褪黑素(MT)可以通過調(diào)節(jié)甜瓜幼苗氮代謝和滲透物質(zhì)的積累，提高其在亞低溫環(huán)境下的適應(yīng)能力［8］。水楊酸(SA)可以緩解低溫弱光對甜瓜幼苗葉片光合性能和保護(hù)酶系統(tǒng)的影響［9］。脯氨酸(Pro)作為一種滲透調(diào)節(jié)劑，其在植物的滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用［10］。因此，不同外源物質(zhì)復(fù)配使用可能具有一定的協(xié)同效應(yīng)，可進(jìn)一步提升植物對逆境脅迫的適應(yīng)性?；诖耍狙芯恳蕴鸸嫌酌鐬椴牧?，將MT、Pro、SA等3種外源物質(zhì)進(jìn)行復(fù)配，研究其對低溫脅迫下甜瓜幼苗的耐冷性和光合特性的影響，以期為外源物質(zhì)復(fù)配提高甜瓜幼苗耐冷性提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及處理

供試品種為低溫敏感型品種甜瓜417，是本課題組篩選得到的低溫敏感型品種。挑選飽滿、整齊一致的甜瓜種子進(jìn)行浸種、催芽，待種子露白后播種于50孔穴盤，在大棚苗床進(jìn)行育苗。待幼苗長至3葉1心時(shí)，選擇長勢一致的幼苗進(jìn)行試驗(yàn)處理。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 外源物質(zhì)復(fù)配最佳組合的篩選 設(shè)計(jì)褪黑素、脯氨酸、水楊酸3因素3水平的正交處理組合（表1），按不同處理每天對幼苗葉片進(jìn)行噴施，以葉片表面均勻鋪滿水珠而不滴落為宜，同時(shí)設(shè)置清水噴施作為CK，連續(xù)處理3 d，在人工氣候箱以常溫條件（晝/夜溫度25 ℃/18 ℃、12 h光/12 h暗）進(jìn)行培養(yǎng)；噴施處理完成后在人工氣候箱內(nèi)以低溫條件（晝/夜溫度10 ℃/5 ℃、12 h光/12 h暗）處理5 d，在第5天對幼苗的冷害指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，冷害指數(shù)的統(tǒng)計(jì)參照于賢昌等［11］對黃瓜冷害指數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，每次重復(fù)15株幼苗。

表1 正交試驗(yàn)處理代碼及處理濃度 mmol/L

1.2.2 葉綠素相對含量的測定 以清水處理為CK，研究篩選出的最佳外源物質(zhì)復(fù)配組合對低溫脅迫下甜瓜幼苗葉綠素含量的影響。利用手持式葉綠素含量測定儀對甜瓜葉片的葉綠素相對含量(SPAD)進(jìn)行測定，測定時(shí)間為噴施外源物質(zhì)前、噴施外源物質(zhì)3 d后、低溫處理的第1、3、5天，統(tǒng)一選擇幼苗的第2片真葉進(jìn)行測定，每個(gè)葉片選擇3個(gè)不同位置測定并取平均值，每次測量相同的5株幼苗。

1.2.3 光合作用氣體交換參數(shù)的測定 以清水處理為CK，研究篩選出的最佳外源物質(zhì)復(fù)配組合對低溫脅迫下甜瓜幼苗光合作用氣體交換參數(shù)的影響。為防止外界環(huán)境條件對試驗(yàn)測定結(jié)果的干擾，在人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行測量。利用便攜式光合儀LI-6800在每天上午9:00～11:00測定不同處理幼苗的凈光合速率、蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度、氣孔導(dǎo)度、瞬時(shí)水分利用率(WUEt)和氣孔限制值(Ls)等氣體交換參數(shù)，光合儀的光照強(qiáng)度設(shè)置為300 μmol，CO2濃度設(shè)置為400 μmol，濕度設(shè)置為55%。測定時(shí)間為噴施外源物質(zhì)前、噴施外源物質(zhì)3 d后、低溫處理第1、3、5天。每個(gè)處理選取3株，統(tǒng)一選擇第2片真葉進(jìn)行測定，每個(gè)葉片重復(fù)測量3次。其中WUEt和Ls的計(jì)算公式為：

式（1）～式（2）中，Ca為大氣中CO2濃度，Ci為胞間CO2濃度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Microsoft Excel軟件對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用Origin 2022軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同外源物質(zhì)復(fù)配組合對甜瓜幼苗冷害指數(shù)的影響

冷害指數(shù)可以直接體現(xiàn)植物耐低溫能力的強(qiáng)弱。本研究在低溫處理5 d后，對不同復(fù)配組合處理的甜瓜幼苗進(jìn)行冷害指數(shù)的統(tǒng)計(jì)，并得到不同處理相較于CK下降的百分比。由表2可知，CK的甜瓜幼苗冷害指數(shù)最高，不同復(fù)配組合處理的甜瓜幼苗冷害指數(shù)均顯著低于CK，說明復(fù)配試劑均可以有效提高甜瓜幼苗的耐冷性；不同復(fù)配組合處理之間幼苗的冷害指數(shù)存在顯著差異，說明不同復(fù)配組合提升甜瓜幼苗耐冷性的效果不同，其中A3B2C1復(fù)配組合處理幼苗的冷害指數(shù)最低，與其他復(fù)配組合之間存在顯著差異，該復(fù)配組合處理的幼苗冷害指數(shù)比CK降低了14.85%，明顯要優(yōu)于其他復(fù)配組合，這說明A3B2C1復(fù)配組合降低甜瓜幼苗冷害指數(shù)的效果最顯著，提升甜瓜幼苗的耐冷性最佳。因此，選擇A3B2C1復(fù)配組合作為最佳的外源物質(zhì)復(fù)配組合。

表2 不同復(fù)配組合對甜瓜幼苗冷害指數(shù)的影響

2.2 低溫脅迫下外源物質(zhì)復(fù)配對甜瓜葉片SPAD值的影響

由圖1可知，在常溫條件下，噴施清水和復(fù)配試劑后，甜瓜葉片中的葉綠素相對含量均有一定程度上升，其中CK處理葉片的SPAD值升高4.22%，而外源物質(zhì)復(fù)配處理后葉片的SPAD值升高6.1%，相較于CK，外源物質(zhì)復(fù)配可以有效提高甜瓜幼苗的SPAD值；低溫處理?xiàng)l件下，SPAD值會(huì)隨著低溫脅迫時(shí)間的延長而逐漸下降，相對于低溫脅迫前幼苗的SPAD值，CK處理葉片SPAD值下降了7.04%，外源物質(zhì)復(fù)配處理的葉片SPAD值下降了4.06%，這說明在低溫脅迫下的甜瓜幼苗上噴施外源物質(zhì)復(fù)配試劑可以降低葉片葉綠素相對含量的下降幅度。

圖1 外源物質(zhì)對甜瓜葉片SPAD值的影響

2.3 低溫脅迫下外源物質(zhì)復(fù)配對甜瓜幼苗凈光合速率的影響

由圖2可知，在常溫和低溫脅迫處理過程中，2種處理凈光合速率具有相似的變化趨勢；常溫條件下，兩組處理初始的Pn接近一致，噴施處理3 d時(shí)，復(fù)配試劑處理的Pn升高了56.94%，顯著高于對照處理的34.92%，由此可以說明，噴施復(fù)配試劑可以在常溫條件下有效提高甜瓜的凈光合速率；低溫脅迫1 d時(shí)，對照處理的Pn出現(xiàn)上升，而復(fù)配試劑處理的Pn則出現(xiàn)下降；低溫脅迫3 d后，Pn均急劇下降，相較于低溫脅迫第1天，CK的Pn下降了70.93%，下降率顯著高于復(fù)配試劑處理的59.10%，此時(shí)復(fù)配試劑處理的Pn高于CK；隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，Pn繼續(xù)下降，低溫脅迫5 d時(shí)，CK的Pn僅為0.496 μmol/(m2·s)，而復(fù)配試劑處理的Pn為1.523 μmol/(m2·s)，顯著高于CK，這說明復(fù)配試劑能夠有效延緩低溫脅迫下甜瓜幼苗Pn的下降。

圖2 外源物質(zhì)對甜瓜幼苗凈光合速率的影響

2.4 低溫脅迫下外源物質(zhì)復(fù)配對甜瓜氣孔導(dǎo)度的影響

氣孔的開閉程度與植物和外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換密切相關(guān)。由圖3可知，2個(gè)處理在常溫條件下的氣孔導(dǎo)度Cs基本一致，噴施處理3 d后，2個(gè)處理的Gs均有升高，其中復(fù)配試劑處理的Gs提升程度高于CK；在低溫脅迫1 d時(shí)，幼苗葉片的Gs均顯著升高，其中CK的Gs比T2時(shí)相應(yīng)檢測值提高了233.42%，復(fù)配試劑處理也提高了86.49%；隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，Gs出現(xiàn)了迅速下降，隨后下降趨勢逐漸減緩，其中復(fù)配試劑處理的Gs的下降程度顯著低于CK，且最終復(fù)配試劑處理的Gs要高于CK，這說明復(fù)配試劑可以有效緩解低溫脅迫下甜瓜Gs的下降程度。

圖3 外源物質(zhì)對甜瓜幼苗氣孔導(dǎo)度的影響

2.5 低溫脅迫下外源物質(zhì)復(fù)配對甜瓜胞間CO2濃度的影響

由圖4可知，CK和復(fù)配試劑處理的胞間CO2濃度Ci在常溫條件下均有緩慢上升，此期間Ci的上升有利于植物的碳同化進(jìn)程；低溫脅迫1 d時(shí)，Ci的上升可能是由Gs過度升高引起的；低溫脅迫3 d時(shí)，Gs大幅下降導(dǎo)致Ci開始出現(xiàn)回落；低溫脅迫5 d時(shí)，Gs持續(xù)下降，Ci出現(xiàn)上升，可能是由于低溫嚴(yán)重影響了甜瓜葉片的生理生化反應(yīng)，CO2利用率明顯下降。低溫脅迫過程中，2個(gè)處理的Ci均呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，其中CK的Ci的下降和上升速率均要高于復(fù)配試劑處理的，這說明復(fù)配試劑有助于在低溫脅迫下調(diào)節(jié)甜瓜葉片的氣孔導(dǎo)度以及保護(hù)葉片內(nèi)的生理生化反應(yīng)環(huán)境。

圖4 外源物質(zhì)對甜瓜胞間幼苗CO2濃度的影響

2.6 低溫脅迫下外源物質(zhì)復(fù)配對甜瓜蒸騰速率的影響

由圖5可知，在從常溫處理到低溫脅迫處理的過程中，甜瓜葉片的蒸騰速率Tr呈先上升后下降的趨勢；復(fù)配試劑處理的Tr在常溫條件下提高了220.28%，高于CK的201.89%；低溫脅迫1 d時(shí)，CK的Tr要高于復(fù)配試劑處理，可能是因?yàn)榇藭r(shí)CK的Gs要遠(yuǎn)大于復(fù)配試劑處理；從低溫脅迫第1天到低溫脅迫第5天，Tr呈現(xiàn)出先迅速下降而后緩慢下降的趨勢，其中復(fù)配試劑處理的Tr降低了54.51%，遠(yuǎn)低于CK的84.21%，最終復(fù)配試劑處理的Tr要高于CK，這說明復(fù)配試劑可以有效緩解低溫脅迫下甜瓜Tr的下降程度。

圖5 外源物質(zhì)對甜瓜幼苗蒸騰速率的影響

2.7 低溫脅迫下外源物質(zhì)復(fù)配對甜瓜葉片瞬時(shí)水分利用率的影響

由圖6可知，在常溫和低溫脅迫條件下，CK和復(fù)配試劑處理的瞬時(shí)水分利用率WUEt的變化趨于一致；常溫處理期間，由于葉片的Pn上升速率遠(yuǎn)小于Tr，因此導(dǎo)致WUEt出現(xiàn)下降；低溫脅迫第3天時(shí)，由于Tr的下降速率高于Pn的下降速率，導(dǎo)致WUEt出現(xiàn)短暫上升；低溫脅迫第5天時(shí)，WUEt顯著降低，說明低溫脅迫第3～5天期間，Pn的下降速率顯著高于Tr的下降速率。值得注意的是，復(fù)配試劑處理的WUEt在常溫和低溫條件下均高于CK，這說明復(fù)配試劑可以有效提高甜瓜葉片的瞬時(shí)水分利用率。

圖6 外源物質(zhì)對甜瓜葉片瞬時(shí)水分利用率的影響

2.8 外源物質(zhì)復(fù)配對甜瓜葉片氣孔限制值的影響

氣孔限制值Ls是判定一定條件下影響植物光合作用的主要因子。由圖7可知，在常溫和低溫脅迫條件下，CK和復(fù)配試劑處理的Ls變化趨勢基本一致，且隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，Ls均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。由此判斷，在低溫脅迫下，影響CK和復(fù)配試劑處理甜瓜幼苗光合能力的因素可能是一致的。

圖7 外源物質(zhì)對甜瓜葉片氣孔限制值的影響

2.9 低溫脅迫下甜瓜不同性狀的相關(guān)性分析

為研究低溫脅迫下不同性狀之間的關(guān)系，將低溫脅迫時(shí)間與測定的不同性狀進(jìn)行相關(guān)性分析。由表3可知，低溫脅迫時(shí)間與SPAD值、Pn、Gs、Tr呈極顯著負(fù)相關(guān)，但與Ci、WUEt、Ls沒有顯著相關(guān)性；SPAD值與Pn、Gs、Tr呈極顯著正相關(guān)，但與Ci、WUEt、Ls沒有顯著相關(guān)性；Pn與Tr、Gs呈極顯著正相關(guān)，但與Ci、WUEt、Ls沒有顯著相關(guān)性；Gs與Tr呈極顯著正相關(guān)，與Ci、WUEt、Ls沒有顯著相關(guān)性；Tr與Ci、WUEt、Ls沒有顯著相關(guān)性；Ci與WUEt和Ls呈極顯著負(fù)相關(guān)；WUEt與Ls沒有顯著相關(guān)性。

表3 低溫脅迫下甜瓜不同性狀的相關(guān)性分析結(jié)果

3 結(jié)論與討論

植物光合作用是一項(xiàng)為植物生長發(fā)育提供物質(zhì)和能量的重要生理活動(dòng)，極易受到逆境脅迫的抑制。大量研究表明低溫脅迫會(huì)造成植物葉綠素含量、氣體交換參數(shù)、熒光參數(shù)、植物碳同化能力出現(xiàn)明顯的下降，導(dǎo)致植物生長緩慢、器官發(fā)育不良，嚴(yán)重的甚至造成植物死亡［12］。本研究中，甜瓜幼苗葉片的葉綠素含量、Pn、Tr、Gs在低溫脅迫下出現(xiàn)顯著下降，該結(jié)果與李云玲［13］在黃瓜中的研究和許永安［14］對不同甜瓜種質(zhì)的研究結(jié)果一致。在低溫脅迫時(shí)間與測定的光合參數(shù)的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)低溫脅迫時(shí)間與SPAD值、Pn、Tr、Gs呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明甜瓜幼苗光合作用的受抑制程度會(huì)隨低溫脅迫時(shí)間的延長而不斷加劇。

葉綠素主要負(fù)責(zé)完成植物對光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化，其含量與植物光合作用的能力密切相關(guān)。低溫脅迫會(huì)抑制植物體內(nèi)葉綠素的合成，加速其降解，從而影響植物對光能的吸收利用，最終導(dǎo)致植物葉片光合能力的下降［15］。在外源物質(zhì)提升植物耐冷性的研究中，已有較多外源物質(zhì)被證明可以提高植物葉片的葉綠素含量［16-18］。在本試驗(yàn)中，3種外源物質(zhì)的復(fù)配試劑顯著提高了常溫條件下甜瓜幼苗葉片的相對葉綠素含量，并抑制了低溫脅迫下甜瓜幼苗葉片相對葉綠素含量的下降速率，該結(jié)果與劉彤彤［19］關(guān)于外源物質(zhì)復(fù)配對黃瓜幼苗耐冷性的研究結(jié)果一致。

Pn、Gs、Ci、Tr、WUEt是分析植物光合性能的重要參數(shù)［20］。氣孔是植物體與外界環(huán)境進(jìn)行氣體、水分交換的重要通道，會(huì)對Ci和Tr產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到Pn［21］。在多數(shù)低溫脅迫引起Pn下降的研究中，根據(jù)Ci和Gs、Ls的變化趨勢可分為氣孔限制因素和非氣孔限制因素［22-23］。本研究結(jié)果表明：CK的Pn會(huì)隨低溫脅迫時(shí)間的延長而逐漸下降，低溫脅迫1～3 d期間，Gs、Tr和Ci均呈下降趨勢，Ls為上升趨勢，這說明此期間Pn的下降是由氣孔限制了植物與外界環(huán)境物質(zhì)交換導(dǎo)致的；而在低溫脅迫3～5 d時(shí)，Gs、Tr和Ls出現(xiàn)下降，Ci則出現(xiàn)上升，這說明在此期間Pn的下降不是由氣孔導(dǎo)度下降引起的，可能是由光合色素含量減少、光合酶活性降低、活性氧過度積累等非氣孔限制因素導(dǎo)致，該結(jié)果與顧慕容等［24］在低溫脅迫中對測鈍葉草光合性能的研究結(jié)果一致。目前，關(guān)于外源物質(zhì)如何緩解低溫脅迫導(dǎo)致的光合障礙已有較多研究［25-26］。楊芬芬等［27］研究發(fā)現(xiàn)外源海藻糖可以促進(jìn)低溫脅迫下哈密瓜光合色素的積累，提高葉片的Pn、Gs和Tr，從而緩解低溫導(dǎo)致的光合能力減弱。程琳琳等［28］研究發(fā)現(xiàn)以脫落酸(ABA)、殼寡糖、CaCl2為主成分的復(fù)配涂封劑可以顯著提高低溫脅迫下橡膠苗葉片的Pn、Gs、Ci、Tr、Fv/Fm和ΦPSⅡ，減少低溫對光合系統(tǒng)的損害。本研究結(jié)果顯示：與CK相比，外源物質(zhì)復(fù)配處理顯著提高了常溫和低溫脅迫下甜瓜幼苗葉片的Pn、Gs、Tr和WUEt，由此緩解了低溫脅迫對光合系統(tǒng)的抑制作用，結(jié)合上述Pn在低溫脅迫下先后受到氣孔限制和非氣孔限制因素影響的結(jié)果，說明復(fù)配試劑除在氣孔因素方面幫助提高甜瓜葉片Pn外，還可能在提高相關(guān)酶活性、降低有害物質(zhì)積累等非氣孔因素方面發(fā)揮積極作用，從而提升甜瓜葉片的Pn，進(jìn)一步提高甜瓜幼苗的耐冷性。

綜上所述，噴施適當(dāng)濃度的MT、Pro和SA等3種外源激素復(fù)配的試劑可顯著提高常溫和低溫脅迫下甜瓜幼苗的SPAD值、Pn、Gs、Tr和WUEt，減少低溫脅迫對甜瓜葉片生理生化的損害，促使甜瓜葉片在光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化，葉片和大氣之間的氣體交換、葉片的生理生化反應(yīng)均保持在較高水平，從而緩解低溫脅迫對甜瓜幼苗的光合障礙，提高甜瓜幼苗的耐冷性。