外源鈣對干旱脅迫下黃瓜幼苗葉片膜脂過氧化和光合特性的影響

陳露露　王秀峰　劉美　楊鳳娟　史慶華　魏珉　李清明

摘要：為了探討外源鈣提高植物抗旱性的相關機制，本試驗研究了干旱脅迫下（PEG模擬干旱），葉面噴施CaCl₂對黃瓜幼苗生長、葉綠素含量、膜脂過氧化、脯氨酸和蛋白質積累以及光合氣體交換參數的影響。結果表明：葉面噴施CaCl₂可以促進干旱脅迫下黃瓜幼苗的生長，提高葉片的葉綠素的含量、凈光合速率、蒸騰速率以及水分利用率，降低膜脂過氧化程度及脯氨酸和可溶性蛋白的積累量，緩解了干旱對黃瓜幼苗的不利影響，從而增強植株對干旱的適應能力。

關鍵詞：黃瓜幼苗；干旱脅迫；CaCl₂；膜脂過氧化；光合特性

中圖分類號：S642.201 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2016）04-0028-06

干旱一直是一個全球性的問題。據有關資料統計，全球超過三分之一的土地分布于干旱和半干旱地區。在我國，干旱、半干旱土地面積約占全國總面積的47%，其中干旱、半干旱的耕地面積約占耕地總面積的51%。隨著全球旱情的不斷發生，關于作物抗旱機理的研究日益受到重視。

黃瓜（Cucumis sativtts L.）是一種世界性蔬菜，也是我國蔬菜栽培的主要種類之一。研究表明，黃瓜幼苗比較容易受干旱脅迫的影響，生長缺水將嚴重影響黃瓜的產量及品質。

鈣（Calcium）是植物生長發育所必需的一種大量元素，具有保護膜結構、穩定膜功能的作用，而且鈣還可以作為第二信使與CaM（鈣調素）結合偶聯胞外信號與胞內的生理生化反應，通過穩定植物細胞壁、細胞膜的結構及誘導特異基因的表達等方式來提高植物對逆境的抗性。近年來，關于通過外源鈣調節植物多種生理代謝來提高植物抗逆性的研究取得了一定的進展。張會慧等研究表明，葉面噴施CaCl₂溶液可使干旱條件下烤煙葉片的光系統Ⅱ保持相對較高的活性，從而增強了烤煙幼苗的抗旱能力。目前，有關鈣提高黃瓜幼苗抗旱性的研究較少，因此本試驗在PEG-6000模擬干旱的條件下，研究鈣對不同程度干旱脅迫下黃瓜幼苗的營養生長、生理活動及光合特性的影響，以期為鈣作為抗旱誘導劑在黃瓜生產上的推廣應用提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2015年5～7月在山東農業大學玻璃溫室內進行。供試黃瓜品種為“津優35號”，由天津科潤黃瓜研究所提供。

先將黃瓜種子在清水中浸泡2h，然后用5%NaClO消毒15min，再用清水沖洗幾遍，最后放入恒溫箱中（28±0.5）℃催芽。待出芽后，挑選萌發一致的種子播種于穴盤中，每穴播2粒，基質為草炭和蛭石（2：1）配制。待子葉展平后，選留一株生長健壯的幼苗。待幼苗長至2片真葉時，選取長勢一致的幼苗進行水培（營養液用日本山崎黃瓜專用配方）。每3天更換一次營養液。

1.2 試驗設計

待幼苗長至三葉一心時葉面噴施CaCl₂溶液（在預備試驗基礎上篩選出葉面噴施CaCl₂的最佳濃度為10mmol·L^-1），每天噴施2次，時間分別為上午9：00和下午3：00，連續處理2天，緩解1天后再進行干旱脅迫處理。

根際干旱脅迫采用PEG-6000模擬干旱，共設6個處理：①對照（CK）：完全營養液；②中度干旱脅迫（M）：含5%PEG-6000的營養液；③重度干旱脅迫（S）：含10%PEG-6000的營養液；④CK+Ca：完全營養液處理下，葉面噴施CaCl₂溶液；⑤M+Ca：中度干旱脅迫下，葉面噴施CaCl₂溶液；⑥S+Ca：重度干旱脅迫下，葉面噴施CaCl₂溶液。每個處理6盆即30株幼苗。在干旱脅迫的第4天和第7天，進行各項指標的測定。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生長指標的測定 在脅迫處理后的第7天取樣測量植株的株高、莖粗、鮮干重及葉片的相對含水量。

1.3.2葉綠素含量的測定 采用Arnon法測定葉綠素的含量。

1.3.3

MDA和電解質滲出率的測定 MDA含量參照E1-Tayeb的方法測定，電解質滲出率直接用電導儀測定。

1.3.4 脯氨酸含量的測定 采用茚三酮顯色法測定。

1.3.5 可溶性蛋白含量的測定 采用Brad-ford的方法測定。

1.3.6 光合氣體交換參數的測定 采用CIRAS-2便攜式光合測定儀測定，水分利用效率則按照WUE=Pn/Tr計算。

2 結果與分析

2.1 外源鈣對干旱脅迫下黃瓜幼苗營養生長的影響

由表1可以看出，干旱脅迫下，葉面噴施CaCl₂后，黃瓜植株的各項生長指標均有不同程度的提高。在重度脅迫下，噴施與未噴施CaCl₂處理的黃瓜幼苗株高、莖粗及植株鮮重、植株干重、葉片相對含水量差異均達顯著水平；在中度干旱脅迫下，噴施CaCl₂顯著提高了黃瓜幼苗的株高、植株鮮重以及葉片相對含水量，表明葉面噴施CaCl₂可在一定程度上緩解干旱脅迫對黃瓜幼苗生長的抑制作用。

2.2 外源鈣對干旱脅迫下黃瓜幼苗生理特性的影響

2.2.1 對黃瓜幼苗葉片葉綠素含量的影響 由表2可以看出，干旱脅迫7天后，黃瓜幼苗葉片葉綠素含量顯著低于對照；葉面噴施CaCl₂后，葉片葉綠素含量均有不同程度的提高。其中，在中度干旱脅迫下，葉面噴施CaCl₂處理的植株葉片葉綠素b、類胡蘿卜素含量與對照差異不顯著；在重度干旱脅迫下，葉面噴施CaCl₂處理的黃瓜幼苗葉片葉綠素含量均顯著高于未噴施CaCl₂處理的，但與對照相比差異仍顯著。表明在重度干旱脅迫下葉面噴施CaCl₂可在一定程度上緩解干旱脅迫對黃瓜幼苗葉片葉綠素含量的影響。

2.2.2 對黃瓜幼苗MDA和電解質滲出率的影響

由圖1可以看出，干旱脅迫下葉面噴施CaCl₂與未噴施的植株相比，葉片中的MDA含量顯著下降，在脅迫4天時，中度脅迫與重度脅迫分別下降了7.12%和5.67%；在脅迫7天時，中度脅迫與重度脅迫分別下降了13.60%和11.48%。此外，葉面噴施CaCl₂后顯著降低了受脅迫植株葉片的電解質滲出率，脅迫4天時，中度脅迫與重度脅迫分別下降了4.81%和4.59%；脅迫7天時，中度脅迫與重度脅迫分別下降了7.43%和6.48%。由此可見，外源鈣可以減少黃瓜幼苗葉片細胞膜脂過氧化產物MDA的積累，降低電解質滲出率，從而緩解干旱脅迫對細胞膜造成的傷害。

2.2.3 對干旱脅迫下黃瓜幼苗脯氨酸含量的影響 由圖2可以看出，噴施CaCl₂的黃瓜幼苗植株與對照相比，在中度脅迫下，第4天和第7天葉片中的脯氨酸含量分別降低了10.1%和16.7%；在重度脅迫下，第4天和第7天葉片中脯氨酸含量分別降低了6.1%和13.6%，各處理問差異均達到顯著水平。

2.2.4 對干旱脅迫下黃瓜幼苗可溶性蛋白含量的影響 由圖3可以看出，正常培養的植株葉面噴施CaCl₂與其對照相比，黃瓜幼苗葉片的可溶性蛋白含量無明顯差異；干旱脅迫下，黃瓜幼苗葉片的可溶性蛋白含量顯著高于對照，噴施CaCl₂后，與未噴施CaCl₂的處理相比，黃瓜幼苗葉片的可溶性蛋白含量顯著降低。重度脅迫下，噴施與未噴施CaCl₂處理問相比，可溶性蛋白含量分別下降了1.03%和1.79%。表明干旱脅迫下，外源鈣可以在一定程度上減少葉片中可溶性蛋白的積累量。

2.3 外源鈣對干旱脅迫下黃瓜幼苗葉片光合氣體交換參數的影響

由圖4可以看出，干旱脅迫使得黃瓜幼苗葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和氣孔導度（Gs）均呈下降趨勢，且脅迫程度越大下降越明顯，各處理問的差異均達到顯著水平。噴施CaCl₂后，各處理與其對應未噴施CaCl₂的處理相比，黃瓜幼苗葉片Pn、Tr和Gs均顯著升高，噴施CaCl2使對照、中度和重度干旱脅迫的Pn第4天和第7天分別升高了6.35%、10.2%、30.1%和9.37%、15.2%、21.8%，Tr分別升高了6.85%、9.01%、22.5%和7.97%、12.0%、17.9%，Gs分別升高了12.6%、25.6%、11.6%和2.08%、15.17%、11.7%。表明外源鈣在正常水分條件和干旱脅迫下均可以顯著提高黃瓜幼苗葉片的Pn、Tr以及Gs，從而減輕干旱脅迫對黃瓜幼苗造成的傷害。

水分利用率（WUE）是由Pn和Tr共同決定，干旱脅迫下黃瓜幼苗葉片的WUE顯著高于對照，隨著干旱程度的加重WUE也隨之提高。噴施CaCl₂后，各脅迫處理問與其未噴施CaCl₂的相比WUE均略有提高，對照、中度和重度脅迫的幼苗葉片WUE第4天和第7天分別升高了0.40%和1.63%、1.38%和3.66%及8.99%和4.23%，但各處理問差異不顯著。表明在正常水分條件下和干旱脅迫下，外源鈣對提高黃瓜幼苗葉片的水分利用率效果并不明顯。此外，在不同程度的干旱脅迫下，與對照相比葉片胞間C02濃度（Ci）顯著下降，但葉片溫度（T）變化不大；對照和干旱脅迫下，噴施CaCl₂與未噴施CaCl₂的處理相比黃瓜幼苗Ci有不同程度的升高。

3 結論與討論

干旱脅迫影響植物的各項生理指標，從而在一定程度上抑制植物的生長。本研究結果表明，葉面噴施CaCl₂可以促進干旱脅迫下黃瓜幼苗的營養生長，促進株高、莖粗的增長，提高葉片的干鮮重及相對含水量。干旱脅迫下，噴施CaCl₂可以提高黃瓜幼苗葉片的葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率以及水分利用率，并且降低膜脂過氧化程度，降低脯氨酸和可溶性蛋白的積累量，在一定程度上緩解了干旱對黃瓜幼苗的不利影響，從而增強植株對干旱的適應能力。水分脅迫會對植物造成傷害，已有較多報道，蔣明義等認為干旱脅迫不僅會引起植物體內水分含量的下降，還會使細胞內自由基產生和清除的平衡關系受到破壞，導致細胞內積累的自由基攻擊膜系統，從而導致膜脂過氧化，使細胞的相對電導率增大和葉綠素含量降低，從而加速細胞的衰老。

MDA是膜脂過氧化的產物之一，其含量與植物受傷害的程度呈正相關。本研究表明，干旱脅迫下，黃瓜幼苗MDA不斷積累，電解質滲出率增加，而葉面噴施外源鈣降低了MDA含量及電解質滲出率，表明鈣能夠在一定程度上緩解干旱脅迫對細胞膜的傷害。此外，外源鈣促進了黃瓜葉片脯氨酸的積累，可降低細胞滲透勢，滲透調節能力增強，以降低細胞水勢，減少水分散失，使植物組織的含水量維持在細胞傷害的臨界點之上，這也是植物適應干旱環境的一個重要生理機制。

一般植物體內所含有的大多數可溶性蛋白是一些參與各種生理代謝的酶類，其含量是衡量植物體內總代謝水平的重要指標之一。干旱脅迫下外源鈣對植物幼苗中可溶性蛋白含量影響方面的研究仍較少，僅在花生、豆類等植物上有所研究。顧學花等的研究表明，在干旱脅迫下施鈣可以在一定程度上增加花生籽仁蛋白質的含量，從而提高產品的品質。本試驗中，干旱脅迫下黃瓜幼苗葉片可溶性蛋白含量增加，而噴施CaCl₂后，其含量有所降低，機理有待進一步深入研究。

本試驗中，外源鈣使干旱脅迫下的黃瓜幼苗葉片葉綠素含量增加，從而使幼苗葉片的Pn增大。水分利用效率作為評價干旱條件下植物生長的綜合指標之一，其值越高，表明固定單位質量CO₂所需的水量越少，水分生產力就越高。郝敬虹等的研究結果顯示干旱脅迫下黃瓜幼苗葉片的WUE呈現先升高后降低的趨勢，而本研究結果表明干旱脅迫后，黃瓜幼苗葉片WUE增大，其原因可能是本試驗的干旱脅迫時間較短，植株仍是通過關閉氣孔的方式使Tr下降，從而降低了蒸騰過程中所失的水分。同時干旱脅迫下，葉面噴施外源鈣又能夠提高Pn、WUE、Tr以及GS和Ci，進而提高黃瓜幼苗的生理代謝能力及脅迫適應能力。

綜上所述，干旱脅迫抑制黃瓜幼苗的生長，而葉面噴施CaCl₂可使黃瓜幼苗葉片的葉綠素含量增加，凈光合速率提高，MDA、脯氨酸、可溶性蛋白含量及電解質滲出率降低，減緩干旱脅迫對黃瓜幼苗造成的傷害，從而增強植株對干旱的適應能力。