不同設(shè)施自然低溫對絲瓜幼苗生長和生理特性的影響

張愛冬,張圣美,朱宗文,尚 靜,田守波,吳雪霞*

(1.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 園藝研究所,上海 201403;2.上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點實驗室,上海 201403)

絲瓜為葫蘆科(Cucurbitaceae)絲瓜屬(LuffaMill.)一年生攀緣性草本植物，其喜高溫潮濕,耐熱性強,生育適溫25～30 ℃,在15 ℃以下生長緩慢[1,2]。近年來由于絲瓜的食用價值、藥用價值及工業(yè)應(yīng)用價值提升,其栽培面積不斷擴大。低溫冷害是制約絲瓜早春栽培的關(guān)鍵因素之一,早春低溫冷害主要出現(xiàn)在絲瓜苗期階段[3,4]。目前,國內(nèi)外學(xué)者對絲瓜栽培技術(shù)、品種選育方面的研究較多[5,6],但對低溫影響下絲瓜幼苗生長、抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)動態(tài)變化的研究較少。為此,本文在不同設(shè)施覆蓋條件下研究了低溫對絲瓜幼苗葉片生理生化特性的影響，探討了絲瓜幼苗在低溫逆境下抗氧化酶體系的應(yīng)激反應(yīng)和防御能力,旨在為絲瓜耐低溫品種選育及苗期管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試絲瓜品種為“江蔬1號”,種子由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。

1.2 試驗處理

將絲瓜種子在55 ℃溫水中浸種16 h后,播種于50孔的穴盤內(nèi),然后放在人工氣候室內(nèi),溫度設(shè)置為28 ℃(白天)/22 ℃(黑夜),光照時間設(shè)置為14 h(白天)/8 h(黑夜)。待幼苗長 至3～4片真葉時在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行試驗站進行處理。本試驗依照生產(chǎn)中栽培方式,設(shè)4種不同覆蓋方式處理：對照(CK),放置在人工氣候室內(nèi);雙層薄膜覆蓋,以T1表示;單層薄膜覆蓋,以T2表示;露地,以T3表示。每處理3個重復(fù),每個重復(fù)20株。試驗開始日期為2019年2月25日,處理至3月1日時取樣,露地絲瓜葉片已經(jīng)皺縮且黃化(見圖1)。

圖1 不同設(shè)施自然低溫處理下絲瓜葉片的生長情況

1.3 測定指標與方法

1.3.1 空氣溫度的測定 在大棚前部0.2 m處放置一套空氣溫度自動記錄儀(WS-TH,杭州盡享科技有限公司),空氣溫度儀探頭用紙杯進行遮光,設(shè)定每30 min記錄一次數(shù)據(jù)。

1.3.2 葉綠素含量的測定 葉綠素含量的測定參照吳雪霞等[7]的方法。取0.1 g葉片置于 50 mL刻度試管中,加入15 mL 95%乙醇在黑暗下浸提12 h,分別測定A665 nm、A649 nm,計算葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素的含量。

1.3.3 活性氧代謝相關(guān)酶活性等的測定 丙二醛(MDA)含量、超氧陰離子(O2·-)產(chǎn)生速率、過氧化氫(H2O2)含量,超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性以及脯氨酸(Pro)、可溶性糖和可溶性蛋白含量的測定均采用蘇州科銘試劑盒。

1.4 統(tǒng)計分析

對試驗數(shù)據(jù)采用Origin 7.5軟件繪圖,用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件對平均數(shù)用Duncan’s新復(fù)極差法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 處理期間(2019年2月25日～3月1日)不同設(shè)施的溫度變化

從圖2可以看出2019年2月27日不同設(shè)施對照(CK)、T1、T2和T3的空氣溫度變化情況。4個處理早上7:00至12:30的溫度一直呈直線上升的趨勢,對照從20.5 ℃上升到36.0 ℃,T1從7.6 ℃上升到33.2 ℃,T2從5.9 ℃上升到29.4 ℃,T3從7.9 ℃上升到20.0 ℃。對照、T1、T2和T3的日平均溫度分別為23.42、15.14、13.55和9.79 ℃。

2.2 不同設(shè)施低溫對絲瓜幼苗生長的影響

由表1可以看出,絲瓜幼苗生長受到低溫抑制,溫度越低,抑制效果越明顯。與對照(CK)相比,T1、T2和T3處理的絲瓜株高、莖粗和地上部鮮重均顯著降低，其中T1處理的分別降低了24.41%、11.20%和24.99%,T2處理的分別降低了35.57%、14.84%和38.20%,T3處理的分別降低了42.85%、21.59%和39.47%。

圖2 不同設(shè)施內(nèi)空氣溫度的變化

與對照(CK)相比,T1、T2和T3處理的葉片電導(dǎo)率均顯著升高,分別增加了14.46%、27.41%和62.87%；T1、T2和T3處理之間葉片電導(dǎo)率均呈顯著差異,表現(xiàn)為T1

2.3 不同設(shè)施低溫對絲瓜幼苗葉片葉綠素含量的影響

由表2可知,隨著溫度的降低,葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量和葉綠素a/b均呈下降趨勢。與對照(CK)相比,T1、T2和T3處理的以上4個指標均顯著降低,T1處理的分別降低了45.70%、40.77%、44.48%和8.46%,T2處理的分別降低了76.05%、56.62%、71.23%和44.81%,T3處理的分別降低了80.47%、58.92%、75.13%和52.52%。除T2和T3處理間葉綠素b含量無顯著差異外,其余處理之間均呈顯著差異,均表現(xiàn)為T3

表1 不同設(shè)施低溫對絲瓜幼苗生長和葉片電導(dǎo)率的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

表2 不同設(shè)施低溫對絲瓜幼苗葉片葉綠素含量的影響

2.4 不同設(shè)施低溫對絲瓜幼苗葉片MDA含量、O2·-產(chǎn)生速率和H2O2含量的影響

由表3可以看出,隨著溫度的降低,絲瓜幼苗葉片MDA含量、O2·-產(chǎn)生速率和H2O2含量均呈現(xiàn)上升的趨勢。與對照(CK)相比,除T1處理的MDA含量增加不顯著外,其余均顯著增加。除T1和T2之間MDA含量無顯著差異外,在T1、T2和T3處理之間上述3個指標均有顯著差異,均表現(xiàn)為T1

表3 不同設(shè)施低溫對絲瓜幼苗葉片MDA含量、O2·-產(chǎn)生速率和H2O2含量的影響

2.5 不同設(shè)施低溫對絲瓜幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

由表4可以看出,隨著溫度的降低,絲瓜幼苗葉片SOD、POD、CAT和APX活性均呈增加趨勢,溫度越低,增加效果越顯著。與對照(CK)相比,除T1處理的CAT活性增加不顯著外,T1、T2和T3處理的以上4種酶活性均顯著增加。T1處理的SOD活性與T2處理的無顯著差異,但顯著低于T3處理的;T2處理的SOD活性也顯著低于T3處理的。在T1、T2和T3處理間POD、CAT和APX活性均呈顯著差異,均表現(xiàn)為T1

表4 不同設(shè)施低溫對絲瓜幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

2.6 不同設(shè)施低溫對絲瓜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

由表5可知,隨著溫度的降低,脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量呈增加趨勢,溫度越低,增加幅度越大。與對照(CK)相比,T1處理的脯氨酸、可溶性糖含量無明顯變化,可溶性蛋白含量顯著增加;T2、T3處理的上述3個指標均顯著增加。在T1、T2和T3處理之間脯氨酸含量均呈顯著差異,可溶性糖和可溶性蛋白含量均無顯著變化。

3 討論

3.1 低溫脅迫對絲瓜幼苗生長的影響

低溫脅迫是自然界主要的非生物脅迫之一,是限制作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。李麗杰等[8]的研究結(jié)果表明低溫脅迫后玉米幼苗地上部鮮重、根系鮮重、葉面積和株高均顯著低于對照；刁倩楠等[9]發(fā)現(xiàn)低溫脅迫處理明顯抑制了甜瓜幼苗的生長,植株的株高、莖粗和地上鮮重顯著低于對照。本研究發(fā)現(xiàn),低溫脅迫明顯抑制了絲瓜幼苗的株高、莖粗、地上鮮重,且隨著脅迫溫度的降低,這些生長指標明顯降低。同時,在低溫脅迫處理下,絲瓜幼苗葉片的相對電導(dǎo)率明顯高于對照,說明低溫脅迫會使細胞膜受到損傷,細胞膜透性增大,使絲瓜幼苗產(chǎn)生冷害性狀。這與前人在西瓜[10]、豇豆[11]等作物上的研究結(jié)果一致。

表5 不同設(shè)施低溫對絲瓜幼苗葉片脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

3.2 低溫脅迫對絲瓜幼苗葉片光合色素含量的影響

前人研究結(jié)果表明,在低溫脅迫下,作物葉片葉綠素的合成受阻，降解速度加快,導(dǎo)致葉綠素含量下降,從而使光合作用受到抑制,光合速率下降[12]。本研究表明,在低溫脅迫下,絲瓜葉片的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)含量均降低,且溫度越低,降低效果越明顯。這與低溫脅迫下甜瓜[13]、豇豆[11]等的研究結(jié)論一致。

3.3 低溫脅迫對絲瓜幼苗葉片生物膜系統(tǒng)的影響

低溫脅迫使植物體內(nèi)積累大量的活性氧自由基(OH-、O2·-),細胞膜透性增大,胞內(nèi)電解質(zhì)外滲,加劇膜質(zhì)過氧化作用,使植物代謝紊亂[14,15]。本試驗結(jié)果表明,低溫脅迫下絲瓜幼苗葉片中MDA含量、O2·-產(chǎn)生速率和H2O2含量均顯著高于對照,說明低溫破壞了細胞膜結(jié)構(gòu),導(dǎo)致細胞膜透性增大,電解質(zhì)外滲。陳匯林等[16]研究發(fā)現(xiàn),在低溫條件下豇豆電導(dǎo)率、MDA含量均升高,且與低溫脅迫時間及低溫程度呈正相關(guān)關(guān)系。李海燕等[17]研究發(fā)現(xiàn),低溫脅迫使玉米MDA含量、O2·-產(chǎn)生速率和H2O2含量顯著增加,低溫時間越長,增加趨勢越明顯。

3.4 低溫脅迫對絲瓜幼苗葉片保護酶系統(tǒng)的影響

在低溫脅迫下,植物體內(nèi)活性氧的清除與產(chǎn)生動態(tài)平衡被破壞,植物保護酶(SOD、POD、CAT和APX)活性被誘導(dǎo),從而減輕或避免活性氧對植物細胞造成的傷害[18]。在本研究中,不同低溫處理下,絲瓜幼苗葉片SOD、POD、CAT和APX活性較CK增加,溫度越低,增加越明顯，表明絲瓜幼苗保護酶體系在低溫逆境中對活性氧自由基產(chǎn)生了應(yīng)激和防御反應(yīng),試圖通過提高這些保護酶活性來降低活性氧的積累。這與陳匯林等[16]在豇豆上的研究結(jié)論一致。

3.5 低溫脅迫對絲瓜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。前人的研究結(jié)果表明：脯氨酸含量增加對植物有一定的保護作用；可溶性糖含量升高可能是低溫誘導(dǎo)了水解酶的活性,促使淀粉迅速分解；可溶性蛋白含量升高可能是有新的蛋白質(zhì)合成[8]。本研究結(jié)果表明,在低溫脅迫下,絲瓜幼苗葉片積累了大量的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白,且隨著溫度的降低出現(xiàn)不同程度的升高,說明三者共同作用來抵御外界低溫傷害。這與李海燕等[17]在玉米上、向娟等[11]在豇豆上的研究結(jié)果一致。

綜上所述,在不同設(shè)施自然低溫脅迫下,絲瓜幼苗生長受到抑制,葉片葉綠素含量降低,電導(dǎo)率、MDA含量、O2·-產(chǎn)生速率和H2O2含量增加,SOD、POD、CAT和APX活性上升，脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量升高,溫度越低,變化幅度越大。說明低溫脅迫不僅能提高絲瓜幼苗的細胞活性氧水平,也能誘發(fā)保護酶活性,從而減輕活性氧對絲瓜幼苗的傷害。本研究結(jié)果為絲瓜耐低溫機制研究奠定了一定的理論基礎(chǔ),可為絲瓜早春種植提供參考。