耐高溫脅迫西葫蘆種質(zhì)資源評(píng)價(jià)和篩選

關(guān)鍵詞：高溫；西葫蘆；種質(zhì)資源；篩選

西葫蘆是葫蘆科、南瓜屬一年生蔓生草本植物，同時(shí)也是世界各國廣泛種植的重要蔬菜作物之一［1］。溫度是西葫蘆生長(zhǎng)發(fā)育的必要條件，是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中最重要的環(huán)境影響因子，它能夠在時(shí)間和空間上同時(shí)保證植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育，并且直接提供植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中所需要的能量［2］，西葫蘆植株生長(zhǎng)迅速、花芽分化較早，所以溫度不僅影響西葫蘆營養(yǎng)生長(zhǎng)，也會(huì)影響生殖生長(zhǎng)［3］。

高溫脅迫是指當(dāng)植物所處環(huán)境溫度高于其自身生長(zhǎng)所需的最適溫度，并持續(xù)一段時(shí)間，致使植物生長(zhǎng)發(fā)育受到不可逆轉(zhuǎn)的傷害［4］，如葉氣孔關(guān)閉、葉綠體受損、光合酶失活或變性、光合速率降低、多種同化過程減慢［5］。隨著溫室效應(yīng)的增加，高溫脅迫將是導(dǎo)致各國農(nóng)作物減產(chǎn)的主要因素之一［6］。在我國北方春末至秋初農(nóng)作物生產(chǎn)設(shè)施氣溫常可達(dá)50℃以上［7］，造成蔬菜植物處于亞高溫或高溫環(huán)境下，嚴(yán)重阻礙其生長(zhǎng)和生理的正常過程，造成嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，植物生產(chǎn)中的環(huán)境溫度每升高1℃，植物產(chǎn)量就會(huì)下降17%［8］。

不良的溫度條件會(huì)嚴(yán)重影響西葫蘆的產(chǎn)量及品質(zhì)，近年來全球極端氣候頻發(fā)，夏季炎熱現(xiàn)象顯著增加，而西葫蘆適宜生長(zhǎng)溫度范圍狹窄：白天20～22℃，夜間10～12℃［9］，此外植物對(duì)溫度的敏感程度與其起源地密切相關(guān)，起源于溫帶的瓜類作物對(duì)高溫脅迫更為敏感［10］。在西葫蘆露地春茬的中后期、夏秋茬和秋冬茬的前期，常常發(fā)生高溫障礙，嚴(yán)重影響西葫蘆正常的生長(zhǎng)發(fā)育［11］。高溫脅迫下，西葫蘆幼苗的株高、莖粗、地上部鮮重、地下部鮮重、葉綠素含量顯著降低，細(xì)胞內(nèi)活性氧（MDA、O2-、H2O2含量）的產(chǎn)生顯著升高［12］。西葫蘆是我國第二大瓜類栽培作物，但對(duì)其高溫脅迫的研究卻十分缺乏。

西葫蘆耐高溫能力因種類、品種、組織的不同而表現(xiàn)出極大的差異，其耐高溫能力的大小取決于遺傳特性和高溫脅迫的強(qiáng)度及適應(yīng)脅迫反應(yīng)的能力。對(duì)西葫蘆幼苗耐高溫能力進(jìn)行品種篩選，對(duì)于種質(zhì)資源的利用、合理規(guī)劃布局和耐熱育種、評(píng)價(jià)，推廣耐熱性品種都具有重要的意義，同時(shí)可以為生產(chǎn)上制定耐熱栽培措施提供科學(xué)的理論依據(jù)。對(duì)相關(guān)性高的指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，不僅簡(jiǎn)化了鑒定方法，在減少工作量的同時(shí)還可以有效科學(xué)地鑒定西葫蘆種質(zhì)資源的耐高溫能力。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

試驗(yàn)由華盛農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司提供30份西葫蘆種質(zhì)資源，種子編號(hào)為1～30，具體表型特征見表1。西葫蘆幼苗在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)岱宗校區(qū)玻璃溫室進(jìn)行培養(yǎng)。采用常規(guī)方法催芽，選取萌芽一致的種子播種在裝有基質(zhì)（草炭∶蛭石∶珍珠巖=2∶1∶1）的50孔穴盤中，子葉展平后，用1/2的營養(yǎng)液代替自來水澆灌，第一片真葉展平后，選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的苗子移到營養(yǎng)缽（10×10cm）中，用全營養(yǎng)液澆灌。移栽完成后澆透，之后澆等量的營養(yǎng)液，營養(yǎng)液采用日本山崎黃瓜配方。待植株長(zhǎng)到兩葉一心時(shí)，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗放入培養(yǎng)箱中進(jìn)行處理，常溫對(duì)照組、高溫處理組的溫度設(shè)置分別為25/15℃、40/30℃，光照設(shè)置均為540μmol·m?2·s?1，光周期均為12/12h。測(cè)量不同處理7d后西葫蘆幼苗的生長(zhǎng)指標(biāo)、相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛含量、熱害指數(shù)。

1.2 形態(tài)指標(biāo)測(cè)定方法

1.2.1生長(zhǎng)指標(biāo)株高：測(cè)量莖基部到生長(zhǎng)點(diǎn)的距離；莖粗：用游標(biāo)卡尺測(cè)量子葉到第一片葉中間位置的莖干直徑；全株葉面積：采用校正系數(shù)法［13］，測(cè)定除生長(zhǎng)點(diǎn)外的全株的真葉，用直尺分別測(cè)量葉片的葉長(zhǎng)和葉寬，葉面積=0.5781+0.7748×葉長(zhǎng)×葉寬；干鮮重：將地上部分和地下部分分開，分別測(cè)定鮮重，之后放于烘箱中105℃殺青15min，然后置于75℃條件下烘至恒重。

1.2.2熱害指數(shù)根據(jù)孫勝楠的方法，并依據(jù)高溫脅迫下實(shí)際表型修改評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（表2），熱害指數(shù)（%）=Σ（每個(gè)級(jí)別的株數(shù)×級(jí)數(shù)）（/總株數(shù)×最高級(jí)數(shù)）×100%［14］。

1.3 生理指的測(cè)定

1.3.1相對(duì)電導(dǎo)率采用美國產(chǎn)的ORIONTDS型電導(dǎo)率儀測(cè)定。

1.3.2丙二醛含量采用硫代巴比妥酸比色法［10］。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)采用MicrosoftExcel365和IBMSPSSStatistics27進(jìn)行整理分析（Plt;0.05），采用Pearson方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

相對(duì)變化率X=（XHT-XNT）/XNT×100%，式中XHT為高溫脅迫組中各指標(biāo)的測(cè)定值，XNT為常溫對(duì)照組中各指標(biāo)的測(cè)定值。

隸屬函數(shù)值μ（X）=（X-Xmin）（/Xmax-Xmin），與耐高溫能力呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo)計(jì)算公式應(yīng)為μ（X）=1-（X-Xmin）（/Xmax-Xmin）。式中μ表示高溫脅迫處理下供試品種各指標(biāo)的相對(duì)變化率的隸屬函數(shù)值，Xmax、Xmin分別為各指標(biāo)相對(duì)變化率或熱害指數(shù)的最大值、最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫脅迫對(duì)西葫蘆幼苗各項(xiàng)指標(biāo)的影響

2.1.1高溫脅迫對(duì)西葫蘆幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響由圖1和表3可知，高溫處理下西葫蘆幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)與常溫對(duì)照相比均有不同程度的下降，且不同西葫蘆種質(zhì)資源幼苗的生長(zhǎng)指標(biāo)差異明顯。生長(zhǎng)指標(biāo)的相對(duì)變化率與高溫耐受性成正比，通過相對(duì)變化率可知：3號(hào)、4號(hào)、11號(hào)、19號(hào)、27號(hào)的株高在高溫下發(fā)生了徒長(zhǎng)，其中3號(hào)最高，為39.2%，而其他品種的株高在高溫下顯著下降，其中22號(hào)最低，為?58.9%；27號(hào)的莖粗相對(duì)變化率最高，為?1.7%，23號(hào)最低，為?46.1%；除11號(hào)品種外，其他29份品種的全株葉面積相對(duì)變化率為負(fù)值，其中相對(duì)變化率最低的是22號(hào)，為?77.6%；4號(hào)、27號(hào)的地上部鮮重和干重相對(duì)變化率較高，1號(hào)、20號(hào)、26號(hào)較低；3號(hào)、4號(hào)、8號(hào)的地下部鮮重和干重相對(duì)變化率較高，26號(hào)最低。

2.1.2高溫脅迫對(duì)西葫蘆幼苗生理指標(biāo)的影響由表2可知，高溫處理下相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛含量跟常溫對(duì)照相比均有明顯的上升，同時(shí)不同西葫蘆種質(zhì)資源幼苗的變化幅度存在顯著差異，其中相對(duì)電導(dǎo)率相對(duì)增加率最高的是23號(hào)，提高了6.4倍，最低的是27號(hào)，提高了0.3倍；丙二醛含量相對(duì)增加率最高的是1號(hào)，提高了5.6倍，3號(hào)、27號(hào)較低，與常溫對(duì)照相比變化不顯著。

2.1.3高溫脅迫下西葫蘆幼苗的熱害指數(shù)高溫脅迫下不同西葫蘆種質(zhì)資源幼苗的熱害指數(shù)差異顯著（圖2）。熱害指數(shù)與高溫耐受性成反比，西葫蘆種質(zhì)資源耐受性最為敏感的是22號(hào)和23號(hào)，熱害指數(shù)為90.0%；耐受性最強(qiáng)的是4號(hào)和27號(hào)，熱害指數(shù)為10.0%。

2.2 高溫脅迫下西葫蘆幼苗各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)分析

采用各項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)變化率和熱害指數(shù)的隸屬函數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)隸屬函數(shù)平均值將西葫蘆種質(zhì)資源的高溫耐受性進(jìn)行排序（表4），排名順序與西葫蘆幼苗耐受性成正比，排名越小，耐受性越強(qiáng)。排名第一的為27號(hào)，耐受性最強(qiáng)；排名最后的為23號(hào)，耐受性最敏感。

2.3 高溫脅迫下西葫蘆幼苗各項(xiàng)指標(biāo)的聚類分析

由圖3可知，當(dāng)歐氏距離為13時(shí)，可將供試的30份西葫蘆種質(zhì)資源分為3大類：第Ⅰ類（高溫敏感性品種）包括：5號(hào)、25號(hào)、7號(hào)、20號(hào)、26號(hào)、1號(hào)、22號(hào)、23號(hào)，第Ⅱ類（強(qiáng)耐高溫性品種）包括：11號(hào)、27號(hào)、3號(hào)、8號(hào)、4號(hào)，第Ⅲ類（中耐高溫性品種）包括10號(hào)、16號(hào)、9號(hào)、6號(hào)、15號(hào)、29號(hào)、2號(hào)、18號(hào)、17號(hào)、24號(hào)、13號(hào)、21號(hào)、12號(hào)、14號(hào)、19號(hào)、30號(hào)、28號(hào)。

2.4 高溫脅迫下西葫蘆幼苗各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性分析

由表5可以看出，西葫蘆種質(zhì)資源9項(xiàng)指標(biāo)與熱害指數(shù)的相關(guān)性差異較大，生長(zhǎng)指標(biāo)與熱害指數(shù)均呈負(fù)相關(guān)，而相對(duì)電導(dǎo)率與丙二醛含量與熱害指數(shù)呈正相關(guān)且相關(guān)系數(shù)較高，分別為0.850、0.806。

3 討論

瓜類作物在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段均能感受到高溫傷害，而苗期是整個(gè)生長(zhǎng)周期中對(duì)外界環(huán)境最為敏感的時(shí)期［15］。本研究以30份西葫蘆種質(zhì)資源為試材，對(duì)其高溫耐受性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和分類，強(qiáng)高溫耐受性品種為11號(hào)、27號(hào)、3號(hào)、8號(hào)、4號(hào)，可作為高溫脅迫頻發(fā)地區(qū)的主導(dǎo)品種，對(duì)擴(kuò)大西葫蘆種植規(guī)模和保障我國蔬菜供應(yīng)和出口具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

高溫影響西葫蘆幼苗的形態(tài)和生理等多個(gè)指標(biāo)，且各性狀指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性，單獨(dú)采用某一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)很難正確反映品種的耐高溫性。相關(guān)研究表明，植物的耐高溫性機(jī)制受多基因控制，是多個(gè)生理過程互作的結(jié)果［16］。利用多元分析方法對(duì)不同品種耐高溫性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，被認(rèn)為具有較高的準(zhǔn)確性［17，18］。植物形態(tài)特征的變化可較為直觀地反映植物受傷害情況，是評(píng)價(jià)植物逆境抗性的可靠指標(biāo)［19］。高溫脅迫可能會(huì)導(dǎo)致植株徒長(zhǎng)［20］。本研究結(jié)果顯示，西葫蘆幼苗受高溫脅迫后部分品種與常溫對(duì)照組相比，表現(xiàn)為株高增加，而莖粗、全株葉面積降低，這與前人的研究結(jié)果一致。

生理指標(biāo)比生長(zhǎng)指標(biāo)更具有客觀性。相對(duì)電導(dǎo)率可以判斷高溫下細(xì)胞的傷害程度［21］，在高溫脅迫下多種作物的相對(duì)電導(dǎo)率隨時(shí)間的增加呈上升趨勢(shì)［22-24］。丙二醛含量可以反映出膜脂過氧化程度［25］，在高溫脅迫下丙二醛含量會(huì)顯著增加，溫度越高增加趨勢(shì)越明顯［26］，且耐熱品種丙二醛含量增加幅度小、速度慢［27］。本研究結(jié)果表明相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛含量與西葫蘆耐高溫能力密切相關(guān)，可以作為評(píng)價(jià)西葫蘆種質(zhì)資源耐高溫能力的快捷評(píng)價(jià)指標(biāo)。這與在黃瓜［28］、苦瓜［29］、西瓜［30］幼苗植株耐高溫研究中的結(jié)果一致。

僅憑熱害指數(shù)篩選種質(zhì)方便快捷，但易忽略西葫蘆高溫耐受能力受多方面的影響。16號(hào)品種熱害指數(shù)低，卻未被劃分到耐高溫材料，觀察其隸屬函數(shù)值，可知耐熱性排名較后與其株高、莖粗的相對(duì)變化率有密切的相關(guān)性。而且作物耐熱機(jī)制受自身基因型和外界環(huán)境因素的影響，僅通過某一方面性狀的測(cè)定，很難準(zhǔn)確反映出不同種質(zhì)間的耐熱性差異［31］，因此以熱害指數(shù)為主因素去評(píng)價(jià)西葫蘆的耐高溫性是否具有可靠性還有待商榷。

隸屬函數(shù)法可以將不同維度的指標(biāo)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，通過貢獻(xiàn)值總分排名，可以清晰明確地將西葫蘆種質(zhì)資源的耐受性進(jìn)行劃分。隸屬函數(shù)法可消除各指標(biāo)之間因單位不同存在信息重疊以及交叉的現(xiàn)象，從原有的指標(biāo)中提取出新的相互獨(dú)立、具有概括性、可快速篩選的綜合指標(biāo)，利用計(jì)算出的隸屬函數(shù)平均值進(jìn)行排名，從而鑒定植物的耐高溫能力。在種質(zhì)資源的篩選上隸屬函數(shù)法應(yīng)用廣泛，發(fā)揮了重要作用：李雪等利用隸屬函數(shù)法對(duì)13種不同基因型的秋葵進(jìn)行了耐鹽堿性的分析與評(píng)價(jià)［32］；陳同森等利用隸屬函數(shù)法對(duì)3個(gè)觀賞樹進(jìn)行了抗寒性綜合評(píng)價(jià)［33］；馮琛等用隸屬函數(shù)法對(duì)3類不同蘋果矮化砧穗組合進(jìn)行了抗旱性比較［34］。而本研究初次將隸屬函數(shù)法應(yīng)用到了西葫蘆耐高溫品種的篩選上，同時(shí)，結(jié)合聚類分析法，從30個(gè)西葫蘆種質(zhì)資源中篩選出5個(gè)品種為強(qiáng)耐高溫性品種，為生產(chǎn)和后續(xù)研究提供了耐高溫的西葫蘆品種。

4 結(jié)論

西葫蘆幼苗在高溫脅迫下的各項(xiàng)指標(biāo)與對(duì)照組相比均有不同程度的差異，且30份西葫蘆種質(zhì)資源之間差異顯著。聚類分析與隸屬函數(shù)分析可以從30個(gè)西葫蘆種質(zhì)資源中篩選出5個(gè)品種為強(qiáng)耐高溫性品種；株高、莖粗、全株葉面積、地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重、地下部干重、相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛含量與熱害指數(shù)都有顯著的相關(guān)性，且相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛含量與熱害指數(shù)的相關(guān)系數(shù)較高，可以作為鑒定不同西葫蘆種質(zhì)資源高溫耐受性的重要指標(biāo)。本研究結(jié)果為生產(chǎn)和后續(xù)研究提供了耐高溫的西葫蘆品種，并提供西葫蘆耐高溫的快捷評(píng)價(jià)指標(biāo)。