砧木對黃瓜嫁接苗地上部硅元素轉運的影響

段穎　向成鋼　胡軍　馬瑋　孫廷珍　尹國香　王長林

摘要：以去蠟粉南瓜砧木‘488、非去蠟粉南瓜砧木‘277以及黃瓜‘1184為試材，對各嫁接組合幼葉施用不同濃度Na₂SiO₃，研究砧木對黃瓜嫁接苗地上部硅轉運的影響。結果表明，（1）葉片外源施硅明顯提高各嫁接苗地上部硅元素含量；（2）嫁接可緩解外源施硅對嫁接苗在植株高度、葉片傷情等方面的抑制作用；（3）去蠟粉砧木嫁接苗的地上部葉片吸收硅元素能力低于非去蠟粉砧木嫁接苗和自根苗；（4）去蠟粉砧木嫁接苗的果實鄰近葉、果肉轉變為硅元素地上部轉運的新庫，從而抑制硅元素向果皮轉運，降低果面蠟粉含量。

關鍵詞：黃瓜；南瓜；嫁接；砧木；蠟粉；硅轉運

黃瓜（Cucumis sativus）和南瓜（Cucurbita）均為葫蘆科一年生草本植物。黃瓜在我國栽培面積廣泛，以果皮光澤度較高、蠟粉含量較少的果實類型較受消費市場喜愛。采用經典育種方法進行黃瓜果面低蠟粉品種的選育，往往需要經歷較長的培育周期，而利用合適的南瓜砧木可顯著降低黃瓜果面蠟粉含量，已成為改善黃瓜果實外觀品質性狀的重要手段之一。

黃瓜表面蠟粉首先由花前幼果果皮細胞垂直于果面向外分裂成柄細胞和粒細胞，隨后粒細胞成熟，細胞核消失，硅化物析出至細胞表面。成熟黃瓜果面蠟質呈白色粉狀，含水量較低，主要成分為SiO₂，約占蠟粉灰分比重的50%，此外，也檢測到CaO以及痕量ZnO、MnO等金屬氧化物。

研究表明，植物表面的蠟質具有提高營養器官機械強度、抵御病蟲害等造成的機械損傷、減少非氣孔水分散失等功能，從而提高植物對逆境的抵抗力。但在黃瓜生產中，較高的蠟粉含量會嚴重影響商品果實外觀品質。目前研究表明，黃瓜果面蠟粉與根部對硅元素的吸收和轉運密切相關。目前關于南瓜砧木降低黃瓜接穗果面蠟粉含量的研究，主要集中于砧木根系對土壤硅元素的吸收能力差異上。以去蠟粉能力較弱的黑籽南瓜（Cucurbitaficifolia）為砧木，嫁接后植株硅元素含量較高，去蠟粉效果顯著低于去蠟粉能力較強的南瓜砧木。然而，南瓜砧木對嫁接苗硅元素的轉運調控機制研究尚存在很多空白。

筆者利用不同去蠟粉能力的南瓜砧木與黃瓜接穗進行嫁接，通過向嫁接苗幼嫩葉片噴施外源硅元素，以不依賴根吸收的方式提高嫁接苗植株硅元素含量，并對硅元素在不同嫁接組合植株各器官的轉運和再分配過程進行研究，旨在明確南瓜砧木對嫁接苗硅元素在地上部轉運及對果面蠟粉含量的調控規律，為黃瓜果實外觀品質改良提供理論依據。

1材料與方法

1.1材料

不同去蠟粉能力的南瓜砧木種質由中國農業科學院蔬菜花卉研究所南瓜育種課題組提供。其中，南瓜砧木‘488去蠟粉能力強，‘277去蠟粉能力弱。黃瓜接穗‘1184由中國農業科學院蔬菜花卉研究所黃瓜育種課題組提供，其成熟果實呈灰綠色，表面蠟粉層厚。

1.2試驗設計

2015年8月-11月在中國農科院蔬菜花卉研究所基地進行試驗。50孔穴盤直播，接穗比砧木晚播3d。待砧木子葉平展、接穗第1真葉展開時以插接法嫁接，共3種嫁接組合（表1），每處理10株。嫁接苗遮陰保濕7d后定植于南圃場試驗基地，行距100cm，株距30cm，常規田間管理。

定植15d后開始進行硅噴施處理，配制濃度分別為10、50、100mmol·L^-1Na₂SiO₃溶液，以ddH₂O為對照，清晨均勻噴施于各嫁接組合接穗莖尖及頂端幼葉，每株苗噴施約20mL，每隔2d噴施1次，共噴施7次。每個Na₂SiO₃濃度各包括3種嫁接組合，設置3次重復。

1.3測定項目和方法

1.3.1生長指標定植14d和28d后對各嫁接組合株高進行測定，每次測定10株，以未噴施Na₂SiO₃的對照組中各嫁接組合的植株高度為100%，對噴施不同濃度Na₂SiO₃處理下的植株高度測定數據計算相對生長率。果實長至21 DAP（Dav After Polli-nation，授粉后時間）時對植株葉片傷情進行調查分級，每個嫁接組合、每處理分別調查50片植株葉片，依據如下：Ⅰ級一葉片全綠，完全沒有病斑或極少病斑；Ⅲ級一葉片全綠，病斑直徑不超過2mm；Ⅴ級一葉片生長受限，葉色發黃，病斑直徑不超過1cm；Ⅶ級一葉片生長受限，葉片病斑成片連接，面積不超過葉面積1/2；Ⅸ級一葉片生長受限，葉面大部分枯黃。

1.3.2果面蠟粉含量測定 從各嫁接組合中選取開花時間相同的果實4個，取樣時間為開花后3d（幼果）、開花后7d（中果）、開花后14d（大果）和開花后21d（老果）。利用HP-200型色差計參照胡軍等的方法測定果實表面明度差。

1.3.3硅元素含量測定 取植株幼葉、果實鄰近葉、成熟老葉、果皮1～2mm厚組織、果皮下5-10mm果肉，參照胡軍等的方法進行硅含量（以鮮質量計）測定：稱取鮮樣100mg，加入新配0.4mL1mol·L^-1HCl提取液研磨成勻漿，再加入0.4mL1mol·L^-1HCl浸提10min，12000r·min^-1離心5min。取上清液0.1mL轉入離心管，加入0.4mL1mol·L^-1HCl和5%鉬酸銨0.24mL混勻，于90℃沸水浴孵育1min，加入硫酸/草酸混合液0.8mL，6%硫酸亞鐵銨（含2%硫酸）0.32mL混勻，分光光度計測定810nm吸光度。

1.4數據統計與分析

試驗采用Excel 2013和SPSS 23.0進行數據統計分析。endprint

2結果與分析

2.1砧木對嫁接苗營養生長的影響

定植14d后低濃度Na₂SiO₃處理對3種嫁接組合的植株相對高度影響不大，較高濃度Na2Si03處理抑制各嫁接組合植株高度，在100mmol·L^-1處理下，‘1184，‘277和‘1184/‘1184株高分別比‘1184/‘488降低11%和14%（圖1-A）。定植28d后，較高濃度Na₂SiO₃處理對各嫁接組合植株高度的抑制作用進一步加強，在100mmol·L^-1處理下，‘1184/‘277和‘1184/‘1184株高分別是‘1184，‘488的72%和55%（圖1-B）。

根據施硅處理后葉片表面出現的枯斑面積，將葉片傷情分為5級（圖1-C），調查各嫁接組合中不同級別傷情葉片數占該嫁接組合調查葉片總數的百分比（圖1-D）。‘1184/‘488出現Ⅴ級以上病葉的百分比最低，表明以南瓜為砧木進行嫁接緩解了葉片外源施硅對嫁接苗在植株高度、葉片傷情等方面的影響，并且去蠟粉能力較強的南瓜砧木效果更明顯，說明南瓜砧木參與了嫁接苗地上部對外源硅元素脅迫的響應過程。

2.2砧木對嫁接苗葉片硅元素含量的影響

由圖2可知，各嫁接組合硅元素含量隨外源施硅濃度的增加均有不同程度的增加，說明通過葉片噴施有效提高植株硅元素含量。硅元素在葉片中含量排序分別為幼葉<果實鄰近葉<成熟葉片，說明硅元素在植株體內的再分配具有選擇特異性。

進一步研究硅元素在不同嫁接組合中再分配的特征發現，幼葉中‘1184/‘488硅元素含量分別是‘1184/‘277和‘1184/‘1184的48%和41%，并且隨施硅濃度增加呈先升高再降低趨勢（圖2-A）。成熟葉片中，‘1184/‘488硅元素含量分別為‘1184/‘277和‘1184/‘1184的58%和41%，并且3種嫁接組合硅元素含量隨外源施硅濃度增加而升高，且為各自對照組的3倍左右（圖2-B）。在果實鄰近葉片中，對照組中‘1184/‘488硅元素含量僅分別為‘1184/‘277和‘1184/‘1184的56%和45%。隨著噴施硅濃度的升高，‘1184/‘488嫁接組合果實鄰近葉中的硅含量明顯增長，增幅達到36%和44%（圖2-C）。以上結果說明，去蠟粉砧木‘488嫁接使植株硅元素傾向于果實鄰近葉片轉運，以避免在幼葉中沉積。

2.3砧木對嫁接苗果實硅元素含量的影響

硅元素經葉片噴施進入黃瓜植株體內后，由維管組織向果實器官進行轉運和再分配。對3種嫁接組合果實各發育階段（3、7、14、21DAP）測定結果顯示，‘1184/‘488果皮硅元素含量最低，至21DAP時僅為‘1184/‘277、‘1184/‘1184的45%和46%，且隨外源施硅濃度增加并未發生明顯升高，降低幅度分別為1%和13%（圖3-A、C、E）。‘1184/‘488果肉硅元素含量也最低，至21DAP時僅為‘1184/‘277、‘1184/‘1184的23%和27%，且隨外源施硅濃度增加呈明顯升高趨勢，增長幅度分別為24%和21%（圖3 B、D、F）。以上結果說明，去蠟粉砧木‘488使嫁接植株硅元素傾向果肉轉運，而不傾向果皮轉運。

2.4砧木對嫁接苗果面蠟粉含量的影響

3種嫁接組合對照組果面蠟粉含量均隨果實發育成熟而減少，至21 DAP時分別降低至3 DAP的42%、54%和48%。其中，‘1184/‘488果實蠟粉含量最低，至果實成熟時僅為‘1184/‘277、‘1184/‘1184的70%和73%，且隨外源施硅濃度增加未發生明顯變化（圖4）。以上結果說明去蠟粉砧木‘488對于外源噴施硅誘導果面蠟粉形成過程表現出抑制作用。

3討論

3.1南瓜砧木對硅元素在嫁接苗體內轉運和再分配具有調控作用

土壤溶液中的硅酸鹽復合物或硅溶膠在黃瓜根系表面以單體Si（OH）₄形式由硅轉運蛋白吸收，并隨蒸騰流向地上部轉運。目前已在水稻、玉米、番茄、黃瓜等植物中鑒定出硅轉運蛋白家族的多個成員。硅轉運蛋白是一類水通道蛋白，水稻硅轉運蛋白Lsi1和Lsi2在根細胞凱氏帶兩側存在極性定位，介導硅元素從根系向木質部的跨膜主動運輸。此外，硅轉運蛋白在葉片、葉柄維管束中也有表達，參與硅元素向庫器官的轉運和卸載。目前已在南瓜中鑒定出3個硅轉運蛋白基因，分別為CmLsi1、CmLsi2和CmLsi3。對不同去蠟粉能力南瓜砧木根系的研究顯示，CmLsil基因編碼區存在單堿基差異，導致硅轉運蛋白亞細胞定位不同；此外，CmLsi2和CmLsi3基因表達模式也不相同，從而影響硅元素的吸收和轉運，最終導致黃瓜接穗果實表面分泌的蠟粉含量差異。

已有研究表明，向黃瓜根系施加外源Na2Si03能提高植株體內硅元素含量，植株生長勢及營養品質也會相應升高。筆者進一步研究了砧木對黃瓜嫁接苗地上部硅元素的調控作用。為避免砧木根系從土壤中吸收硅元素能力的不同，采用向幼葉噴施Na₂SiO₃的處理方法，有效提高嫁接植株地上部硅元素含量。已有研究表明，嫁接過程中砧穗之間存在信號交互，對同一接穗性狀將產生不同影響，黃瓜接穗本身的基因型對轉運至果實中的硅元素也具有調控作用，砧木有可能影響定位在接穗果柄或果實維管束中的硅轉運蛋白，降低硅元素從木質部向果皮的主動運輸，最終降低果實表面蠟粉含量；此外，硅元素含量本身可能也對維管束特定細胞附近的硅轉運蛋白轉錄水平或活性具有反饋調控作用。

3.2砧木對硅元素向葉片轉運的調控

通常認為，進入植物體內的硅元素隨著木質部蒸騰流在植株體內進行轉運和再分配，其在植物葉片組織的積累與葉片生長時間有關，本試驗中各嫁接組合幼葉中的硅元素含量明顯低于成熟葉片和果實鄰近葉，這與前人部分研究結果一致。同時，本試驗結果進一步顯示，隨著外源施加Na₂SiO₃濃度的升高，不同去蠟粉能力的砧木對已轉入植株體內的硅元素再分配途徑表現出明顯差異：去蠟粉砧木嫁接苗的硅元素同時向成熟葉片和果實鄰近葉片轉運的趨勢增強，向幼葉轉運趨勢減弱，而非去蠟粉砧木嫁接苗和自根苗的硅元素僅僅向果實成熟葉片轉運趨勢增強，但向果實鄰近葉轉運增加的趨勢并不明顯，表明去蠟粉砧木使果實鄰近葉片成為植物體內硅元素的一個新庫，從而避免幼葉與果實受到硅元素毒害。

3.3砧木對硅元素向果實轉運和再分配的調控作用

砧木對土壤硅元素的吸收能力影響硅元素在果實器官的積累。本試驗結果顯示，去蠟粉砧木明顯降低嫁接苗硅元素在果皮中的分布，與前人研究結果一致。同時，本試驗結果還顯示，向葉片外源噴施高濃度硅元素時，去蠟粉能力較強的砧木使硅元素優先向果肉中轉運，而向果皮轉運趨勢不明顯，這表明果肉是植株體內硅元素轉運和再分配的重要去向之一。有研究指出，南瓜砧木嫁接會不同程度地降低黃瓜接穗果實的口感風味，利用固相微萃取氣象色譜一質譜聯用技術檢測到黃瓜心腔中與果實清香相關的揮發性代謝物質含量在去蠟粉能力較強的砧木組合中降幅更大，這與硅元素轉運和再分配是否有關，有待進一步探討。

此外，在向葉片噴施蒸餾水的對照組中，無論是嫁接苗還是自根苗，果皮硅元素含量隨果實發育時間的推移均呈降低趨勢，與前人研究結果一致。本試驗結果進一步顯示，向葉片外源噴施高濃度硅元素時，各嫁接組合中果皮硅元素含量并未隨Na₂SiO₃濃度升高而發生明顯變化，可能是果皮中的硅元素含量已達飽合狀態，多余的硅元素將被動態轉運到其他部位或通過泌外機制轉運到果皮表面形成蠟粉并伴有風干脫落，其機制有待進一步研究。

4結論

嫁接作為育種工作中一項傳統而重要的園藝手段，在提高園藝作物抗病性及改良果實品質方面發揮著重要作用。長久以來一直致力于研究嫁接對果實品質改良的調控機制，近年來利用轉錄組測序、非損傷微測技術等技術手段，在砧穗互作機制方面取得許多突破。筆者研究發現，砧木有可能增強硅元素向庫器官轉運的選擇性，由此產生對果肉等庫器官在風味和口感方面的影響，這有待進一步探討；此外，未來有必要繼續探明不同類型的南瓜砧木對嫁接苗各器官組織硅轉運蛋白定位及轉運活力的調控作用；在篩選黃瓜抗病、抗逆等各類型砧木時，需兼顧果實外觀和口感性狀，綜合考慮砧木對地上部生長及果實物質積累的影響。endprint