短期NaCl脅迫下9個甜瓜品種抗性生理指標的綜合評價

毛建才，熊 木，翟文強，伊鴻平，黃 遠，張學軍

(1.新疆農業科學院哈密瓜研究中心，烏魯木齊 830091；2華中農業大學園藝林學學院/園藝植物生物學教育部重點實驗室，武漢 430070)

0 引 言

【研究意義】新疆降水少，蒸發大，空氣極端干燥，晝夜溫差大，有利于甜瓜營養積累[1]。特殊的氣候、環境條件，使得甜瓜生產成為具有區域優勢特色產業。土壤鹽堿化是影響農業生產的主要環境因子[2]。據統計中國耕地鹽堿化面積占總耕地面積的1/5，而新疆地區鹽堿化更為嚴重，占鹽堿化總面積的13%以上[3]。鹽分脅迫已經成為限制甜瓜生長發育的主要因素。耐鹽性強的甜瓜品種可以有效降低土壤鹽堿化危害。篩選和培育耐鹽型甜瓜品種尤為重要。【前人研究進展】鹽分脅迫對植物最顯著的危害就是抑制生長，造成植物發育遲緩，并影響植株的光合作用，抑制植物各組織和器官的生長與分化[4]。鹽脅迫通過離子毒害損害植物的葉綠體色素系統，抑制相關酶活性，造成葉綠素含量降低進而影響植物的光合作用[5-9]。鹽脅迫還可以通過改變細胞膜的通透性來影響植物的生長發育和形態建成[10-11]。李遠航等[12]研究發現，鹽脅迫會降低植物的電子轉導率，使相關功能酶的活性受損，導致植株光化學效率降低，抑制植物的光合作用。夏世龍[13]研究表明，低濃度鹽脅迫促進了甜瓜地上部和地下部分干物質積累，而高濃度處理則會產生了抑制，這與吳旭紅[14]和張永平等[15]的研究結果一致。鹽脅迫下，植株最早感受脅迫信號的是根系，根系也是最直接的受害部位[16]。植物的根系能夠在逆境下改變形態和分布來適應逆境[17]。【本研究切入點】目前對鹽脅迫下不同植物根系的響應策略研究不多。前期我們基于全生育期的數據，分析了新疆甜瓜品種的耐鹽性，但是評價周期較常長[18]。研究評價新疆地方甜瓜品種的耐鹽性進行短期耐鹽性。【擬解決的關鍵問題】研究采用新疆9個廣泛栽培的地方品種，采用水培和基質栽培，100 mM的NaCl脅迫處理幼苗，分析各部位干物質的積累變化情況、根系構型參數的動態變化、光合參數，研究不同品種對鹽脅迫的生理差異，對新疆地區9個品種進行耐鹽性評價，篩選出耐鹽性好的甜瓜品種，為新疆地區甜瓜的生產管理和培育耐鹽型品種提供支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

9個品種均為新疆主要種植品種，試驗在華中農業大學蔬菜基地玻璃溫室進行。表1

表1 甜瓜品種Table 1 Muskmelon landraces

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用水培和基質栽培。對于水培，將種子用1%的NaHClO表面消毒30 min，用蒸餾水徹底沖洗干凈，然后在30°C的暗處培養，直到發芽。之后播種在BSM(0.5 mM KCl, 0.1 mM CaCl2, pH 5.7)營養液中，2 d后進行鹽處理。為避免鹽激反應，先將營養液中的NaCl濃度設定為50 mM，第2 d增加至100 mM，測定處理5 d后地上部分和地下部分的干重、鮮重以及根系的構型參數。以不加NaCl的營養液為對照，每個品種設置3個重復，每重復4個植株。

對于基質栽培，種子播種在穴盤中，長出第3片真葉時，將幼苗移栽到塑料盤中，每個塑料盤中裝有3 L基質(泥炭∶蛭石∶珍珠巖= 1∶1∶1，v/v)，每個盆中移栽1株幼苗。移栽后的1周用無鹽的Hoagland營養液澆灌，之后每隔2 d用含鹽100 mM的營養液定時定量澆灌。25 d后測定光合數據(Ci、Pn、Gs和Tr)及根長、株高、莖粗、葉片數等數據，測定植株第3片真葉的SPAD值，并統計各處理第3片真葉的鹽害指數，鹽害的分級標準參照Xiong[18]的進行。以不加NaCl的Hoagland營養液為對照，設置3個重復，每重復有3個植株。

1.2.2 測定指標1.2.2.1 生長指標及根系構型參數

水培鹽脅迫5 d后，測量各品種的生長指標及根系構型參數。植株基部到生長點的距離為株高，根莖基部到最長根的尖端為根長。植株洗凈吸干表面水分后，從根莖基部剪段分為地上部和地下部，分別稱得鮮重，在烘干箱中120℃下殺青30 min，之后降溫到70℃烘干至恒重，分別稱得干質量。

隨機選取各處理的幼苗3株，將根系小心從水培基質中取出，迅速帶回實驗室用濾紙吸干水分，通過Epson Expression掃描儀獲取完整根系圖像，然后采用 WinRHIZO Pro2009 根系形態結構分析系統(Regent Instruments)分析各徑級( 軟件根據根系直徑自動進行分類)根系的長度、表面積和體積等構型參數。

1.2.2.2 生理指標

從植株頂端從上往下選取第3個完全展開葉，采用CIRAS-2型便攜式光合系統(PP Systems，Norfolk，UK)進行測定細胞間CO2濃度(Ci)、凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)。在測定時，光合有效輻射通量為800 μmol/(m2·s)(內置光源)，控制CO2濃度為380 μmol/mol，相對濕度75%，葉片溫度為25℃。

1.3 數據處理

采用Excel 2003和SPSS 22.0軟件進行數據整理和統計分析，采用Graphpad Prism5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對水培下不同甜瓜品種幼苗生長特性的影響

研究表明,經100 mM的NaCl脅迫之后，只有雜交伽師瓜的地上部鮮重和地下部鮮重與對照沒有明顯差異。其余8個品種經鹽脅迫之后，苗期的地上干重和地下干重與對照相比都明顯減輕，差異顯著。老鐵皮的地上部鮮重比對照減輕81.05%，變化幅度最明顯，SKQ的地下部鮮重比對照減輕68.75%，降低幅度最大。9個品種的地上部干重與對照相比都差異不顯著，黃旦子、卡爾厚西和雜交伽師瓜3個品種的地下部干重與對照沒有明顯差異，其余品種差異顯著。表2

表2 水培下鹽處理下不同甜瓜品種幼苗生長變化Table 2 The distribution of seedlings of different muskmelon varieties under salt

2.2 鹽脅迫對水培下不同甜瓜品種根系構型的影響

研究表明,經100 mM的鹽脅迫之后，9個甜瓜品種的根系總長、根系表面積、平均直徑、根系體積、根尖數和根系分叉與對照相比大多數呈現不同程度下降，但鹽脅迫對根系參數的影響因品種而異。雜交伽師瓜的根系總長、根系表面積、根系體積和根尖數的下降幅度始終低于其他8個品種，分別降低36.53%、26.63%、17.64%和41.04%。各品種根系的平均直徑與對照相比大部分差異不顯著，賽熱可口奇、炮彈瓜、雜交伽師瓜、老鐵皮和炮臺紅的平均直徑經鹽脅迫之后增大。伽師瓜的根尖分叉數降低幅度最小，為36.72%。

根系是植物最先感受到鹽害的部位，也是最先對鹽害有反應的部位。在100 mM的NaCl脅迫下，雜交伽師瓜的根系對脅迫反應最小，表現出了較好的耐鹽性，賽熱可口奇對脅迫表現最敏感，各根構型參數處理前后變化較大。表3

表3 水培下鹽處理下不同甜瓜品種根系構型變化Table 3 Root architecture parameters of different melon varieties under salt stress

2.3 鹽脅迫對基質栽培下不同甜瓜品種植株形態的影響

研究表明,用100 mM的NaCl脅迫之后，各個品種的根長、株高、葉片數、等形態指標均顯著降低，說明鹽脅迫嚴重抑制了甜瓜植株的形態生長。其中，雜交伽師瓜的根長、株高、葉片數、根鮮重、莖鮮重和葉片鮮重較對照的下降幅度明顯低于其他8個品種，分別降低了15.42%、50.08%、44.52%、68.88%、59.77%和73.15%，黃旦子的各形態指標減小幅度僅次于雜交伽師瓜。在營養生長期，雜交伽師瓜和黃旦子的耐鹽性較其他幾個品種強。表4

表4 基質栽培下鹽處理下不同甜瓜品種植株生長變化Table 4 Changes of plant morphology and biomass of different melon varieties under salt stress

2.4 鹽脅迫對基質栽培下不同甜瓜品種光合參數的變化

研究表明,NaCl脅迫可導致9個甜瓜品種的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)顯著下降。ZSG的Pn較對照降低幅度最小，降低了48.52%，K8-52的降低幅度最大，降低了80.93%。9個品種的Gs較對照降低極顯著，其中黃旦子的降低幅度最小，為52.75%，K8-52的降低幅度最大，降低了94.73%。但是賽熱可口奇、雜交伽師瓜和炮臺紅的Ci較對照變化不顯著，且PTH的Ci經鹽脅迫后還上升了8.61%，其余品種較對照均降低。9個品種的Tr較對照也有顯著差異，其中黃旦子的Tr降低幅度最小，為63.93%，SKQ的降低幅度最大，為86.09%。從不同品種來看，雜交伽師瓜的Pn和Ci的下降幅度始終低于其余8個品種，黃旦子的Gs和Tr的下降幅度低于其余8個品種。圖1

2.5 SPAD含量及鹽害

研究表明，經100 mM的NaCl脅迫之后，9個供試品種第3片真葉的葉綠素含量(SPAD)較對照均有所下降，第3片真葉均有鹽害表現。其中黃旦子和雜交伽師瓜的SPAD值處理前后差異不顯著，較對照分別降低了10.60%和5.86%，鹽害表現最輕，賽熱可口奇的SPAD值較對照降低幅度最大，為33.21%，鹽害變現最重。圖2

注：對照，的NaCl處理，NaCl stress of 100 mM；不同小寫字母表示同一品種間處理與對照的差異顯著(P<0.05)1～9表示不同的甜瓜品種，分別是賽熱可口奇、黃旦子、卡爾孕西、阿克可口奇、炮彈瓜、雜交伽師瓜、伽師瓜和炮臺紅

注：對照，的NaCl處理，NaCl stress of 100 mM；不同小寫字母表示同一品種間處理與對照的差異顯著(P<0.05)，Different small letters mean significant difference among treatments and control；1～9表示不同的甜瓜品種，分別是賽熱可口奇、黃旦子、卡爾孕西、阿克可口奇、炮彈瓜、雜交伽師瓜、伽師瓜和炮臺紅

3 討 論

鹽脅迫是影響植物生長的主要環境因子。研究表明，鹽脅迫會嚴重抑制植物的生長發育和生物量的積累，主要表現為植株生長緩慢、葉面積明顯減小、根系生長受阻、成熟葉片脫落造成光合能力下降最終導致生物量積累受限，果實生長發育受阻[19-20]。與上述結果一致，研究也發現經過100 mM的NaCl脅迫處理后，9個甜瓜品種的各形態指標和生物量均明顯降低，說明鹽脅迫抑制了甜瓜植株的生長與生物量的積累，但各個品種對NaCl脅迫的敏感性和耐受性不同。進一步分析表明，雜交伽師瓜(ZSG)和黃旦子(HDZ)的植株形態參數、根系構型參數、光合參數的下降幅度最小，表現出了較強的耐鹽性。

植物的根系是吸收養分和水分的重要器官，也是最早感受到脅迫信號和最直接的受害部位[16]。植物根系的形態和分布首先是由自身的遺傳因素決定的，其次受土壤環境的制約[21]。根系在在土壤中的生長受環境因素的影響具有可塑性，在逆境通過改變根系構型參數來適應不利的環境[22]。因此，根系的生長發育狀況及對鹽脅迫的耐受程度對植物整體的耐鹽能力至關重要，評價每個甜瓜品種根系的耐鹽能力，對篩選和培育耐鹽品種具有重要意義。研究表明，根長、根系表面積、平均直徑、根系分叉數和跟尖數等根系構型參數可以反應根系吸收水分和養分的能力[17]。Srinivasrao等研究表明，鹽脅迫可以抑制植物根系的伸長和側根發育，使根系的長度、表面積、根系體積等構型參數下降[17,23]。但He和戈良朋的研究顯示，鹽脅迫能夠刺激植物側根的發生，根系通過擴大生長量來平衡鹽脅迫對根系功能的損傷，以此來維持植株地上部分正常的生長發育[24-25]。研究結果表明，9個甜瓜品種苗期經過鹽脅迫之后，根系的長度、表面積、體積、根尖數和分叉數都有所降低，這與Srinivasrao[17]的研究結果一致。各品種根系的平均直徑與對照相比大部分差異不顯著，個別品種的根系平均直徑較對照有所增大，充分詮釋了當植物受到鹽脅迫時，會通過擴大根系的一些生長量來平衡脅迫造成的損傷，努力維持植株的正常生長發育，這與He[24]的研究結果一致。

光合作用是作物基本的生命活動，包括一系列復雜的生理生化過程，尤其對外界環境條件(溫度、水分和鹽分等)的響應更為敏感[18]。光合作用還是作物干物質形成的重要代謝過程，是植物生命活動的物質和能量的主要來源[26]。有的研究結果表明，高鹽度脅迫下生長的植物為了維持正常的生長發育，一般來說Gs都較低，而較低的Gs意味著植物從環境中吸收CO2的能力降低，光合碳同化作用降低[27]。郭麗麗等[28]的研究發現，鹽脅迫下植物葉片的Gs、Pn和Ci均顯著下降，表明作物通過對自身Gs的調控來減少氣孔寬度和氣孔面積適應NaCl脅迫。一般植株為了緩沖鹽分脅迫帶來的毒害作用，往往通過降低Tr來減緩鹽分的吸收利用[29]。研究表明，鹽脅迫降低植物光合效率的主要原因是部分氣孔關閉而導致光合反應位點同化能力的下降所引起的[30]，氣孔限制通常會導致Ci降低，而非氣孔限制則會導致Ci升高[31]。研究中，經NaCl脅迫25 d之后，各個甜瓜品種葉片Pn下降的同時，其Gs和Tr相應下降，在鹽分脅迫下，甜瓜的光合作用能力受到抑制，而Ci較對照降低不明顯或者上升，這與其他植物研究結果一致，如張會慧等[32]。

研究中，經鹽脅迫后，9個甜瓜品種第3片真葉的葉綠素含量較對照均有所下降，但是下降程度因品種而異，其中黃旦子和雜交伽師瓜的第3片真葉SPAD值下降幅度較小，鹽害也表現較輕。葉綠素是主要的光合色素，對于光能的吸收、傳遞和轉化有著重要的作用，其含量的高低在一定程度上可以衡量植物的抗逆性[33]。試驗中每個甜瓜品種經鹽脅迫后功能葉的葉綠素含量均降低，這可能是鹽脅迫破壞了葉片葉綠體的結構，打破了葉綠素的合成和降解的平衡動態[34]。而在植物細胞中，葉綠體是極為敏感的光合器官[35]，當植物體受到鹽分脅迫后，植物體內的葉綠體逐漸發生降解，進而對葉綠體的穩定性和結構性造成一定程度的損傷，最終導致葉綠體功能受阻，葉綠素含量降低[36]。

4 結 論

鹽脅迫抑制甜瓜幼苗的生長發育和物質積累，影響根系的伸長和結構，還可降低植株的光合效率，甚至破壞光合系統結構。測定9個甜瓜品種在100 mM的NaCl脅迫下的生長發育參數發現，各個品種的耐鹽能力差異較大，雜交伽師瓜和黃旦子2個品種耐鹽性較好，表現為耐鹽，炮彈瓜、阿克可口奇和賽熱可口奇為鹽敏感品種,其余品種表現為中等耐鹽。