瓠瓜對高溫脅迫的生理生化響應及耐熱性評價

田守波,陳春宏,張兆輝*

(1 上海市農業科學院設施園藝研究所,上海市設施園藝技術重點試驗室,上海201403;2上海市農業科學院莊行綜合試驗站,上海201415)

瓠瓜(Lagenariasiceraria)俗稱蒲瓜、葫蘆、夜開花等,是葫蘆科葫蘆屬的一種瓜類蔬菜,在全國各地均有栽培,是重要的蔬菜作物之一[1-3]。 溫度是影響蔬菜作物生長發育的重要因素,也是制約瓠瓜生產的重要因子,當溫度高于瓠瓜生長所需的適宜溫度時,瓠瓜就會發生熱害脅迫[4-5]。 目前,國內外關于蔬菜作物熱害方面的研究比較多,研究主要集中在高溫脅迫引起的膜系統、滲透調節系統和保護酶系統等方面[6]。 張冉等[6]研究了高溫對茄子幼苗的影響,指出可溶性糖含量與熱害指數、相對電導率之間的相關關系,認為這三個指標可以用來評價茄子的耐熱性。 孫勝楠等[7]研究了高溫脅迫對設施黃瓜的影響,結果表明,黃瓜的SOD、POD 等酶活性均先升高后降低,說明高溫強光下可通過增強抗氧化酶活性緩解高溫強光傷害;姜燕等[8]研究了不同的辣椒品種對高溫的響應,結果表明,SOD 活性、脯氨酸、MDA 含量可以作為辣椒耐熱性的評價指標;鄧朝艷等[9]研究指出,耐熱轉錄因子CaMBF1c對辣椒耐熱性起正調控作用;吳曉花等[5]研究了不同瓠瓜材料的耐熱性,認為生理生化指標可以用來評價瓠瓜的耐熱性。

本研究以23 份瓠瓜自交系為試驗對象,研究不同瓠瓜自交系對高溫脅迫的生理生化響應及耐熱性評價,有利于采取相應的栽培措施來減輕高溫對植物體的傷害,可為耐熱瓠瓜的新種質創制及新品種選育提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗采用23 份穩定的瓠瓜多代自交系,其編號分別為B-1、B-2、B-3、B-4、B-5、B-6、B-7、B-8、B-9、B-10、B-11、B-12、B-13、B-14、B-15、B-16、B-17、B-18、B-19、B-20、B-21、B-22、B-23,瓠瓜的引種來源見表1。

表1 瓠瓜材料及其來源Table 1 The materials and sources of bottle gourds

1.2 高溫脅迫處理

試驗于2018 年10 月15 日進行,選取飽滿、色澤一致的種子按常規方法浸種、催芽,用50 孔穴盤育苗。 當瓠瓜生長至三葉一心時,選取生長健壯、苗齡一致的瓠瓜幼苗進行高溫脅迫處理,處理采取隨機區組設計,每個處理10 株,設3 次重復。

高溫處理:使用人工氣候室(740FHLED)模擬高溫脅迫環境,晝∕夜溫度為42 ℃∕30 ℃,濕度60%—65%,光周期為12 h∕12 h,光照強度為8 000 lx,處理時間為5 d,處理后常溫恢復4 h[5]取瓠瓜幼苗葉片測定相關指標。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 熱害指數的測定

分級標準參照詹旺等[10]、康俊根等[11]的方法統計,根據受害級別計算熱害指數。 公式:熱害指數=∑(各級株數×級值)/(調查總株數×最高級代表值)。

受害級別:0 級-生長正常且未受傷害;1 級-僅少數葉片邊緣出現輕度褶皺萎縮;2 級-半數以下葉片出現萎焉死亡;3 級-半數以上葉片出現萎焉死亡;4 級-整個植株全部死亡。

瓠瓜耐熱性的判定標準為:DI≤50%,耐熱;50% ＜DI＜70%,中等耐熱;DI≥70%,不耐熱。

1.3.2 瓠瓜幼苗生理生化指標的測定

(1)SOD 活性的測定:參照李合生[12]的方法,稍做調整;(2)POD 活性的測定:參照張志良等[13]的方法;(3)可溶性糖含量的測定:參照李合生[12]的方法;(4)脯氨酸含量的測定:參照王學奎[14]的方法;(5)谷胱甘肽的測定:參照高俊鳳[15]的方法。

1.4 統計分析

數據用Excel 2007 軟件作圖和計算,用SAS 8.1 軟件的ANOVA 過程進行方差分析(新復極差法,為0.05 顯著水平)及CORR 過程進行直線相關分析。

2 結果與分析

2.1 瓠瓜的耐熱性差異

熱害指數可作為鑒定植物耐熱性強弱的靈敏指標,其熱害指數越大耐熱性也越差[16]。 由表2 可以看出,高溫脅迫下不同基因型瓠瓜的抗熱性存在明顯差異,其中B-1、B-2、B-6、B-7、B-13、B-14、B-16、B-19、B-22的熱害指數均超過了0.70,表現為不耐熱,為熱敏感類型;B-8、B-11、B-15、B-17、B-18、B-21、B-23 的熱害指數在0.50—0.70,表現為中耐熱,為中間類型;B-3、B-4、B-5、B-9、B-10、B-12、B-20 的熱害指數均低于0.50,表現為耐熱,為耐熱類型。

表2 不同基因型瓠瓜的熱害指數Table 2 The heat injury index of different-genotype bottle gourds

2.2 高溫脅迫對瓠瓜滲透調節物質的影響

2.2.1 對瓠瓜可溶性糖含量的影響

高溫脅迫下,不同瓠瓜幼苗葉片中可溶性糖的含量存在顯著差異(表3),結果表明:B-3、B-4、B-9、B-10、B-11、B-12、B-18、B-20、B-23 的可溶性糖含量最高,均超過了0.90%,顯著高于B-1、B-2、B-6、B-7、B-13、B-14、B-16、B-19、B-22;B-5、B-8、B-15、B-17、B-21 的可溶性糖含量次之,處于0.9%—0.79%,也顯著高于B-1、B-2、B-6、B-7、B-13、B-14、B-16、B-19、B-22;B-1、B-2、B-6、B-7、B-13、B-14、B-16、B-19、B-22 的可溶性糖含量最低,均低于0.79%。

表3 高溫脅迫對瓠瓜滲透調節物質的影響Table 3 Effects of high temperature stress on osmotic regulatory material of bottle gourds

2.2.2 對瓠瓜游離脯氨酸含量的影響

高溫脅迫下,不同瓠瓜幼苗葉片中游離脯氨酸的含量存在顯著差異(表3),結果表明:B-3、B-4、B-9、B-10、B-11、B-12、B-18、B-20、B-23 的游離脯氨酸的含量最高,均超過了25.0 μg∕g,顯著高于B-1、B-2、B-6、B-7、B-13;B-5、B-8、B-14、B-15、B-16、B-17、B-19、B-21、B-22 的可溶性糖含量次之,處于21.0—25.0 μg∕g;B-1、B-2、B-6、B-7、B-13 的游離脯氨酸含量最低,均低于21.0 μg∕g。

2.3 高溫脅迫對瓠瓜幼苗抗氧化酶活性及GSH 含量的影響

2.3.1 對瓠瓜SOD 活性的影響

高溫脅迫下,不同瓠瓜幼苗葉片中SOD 活性存在明顯差異(表4),其中B-3、B-4、B-5、B-8、B-9、B-10、B-11、B-12、B-15、B-17、B-18、B-20、B-21、B-23 的SOD 活性顯著高于其他瓠瓜品系,均超過390.0 U∕g;B-1、B-2、B-6、B-7、B-13、B-14、B-16、B-19、B-22 的SOD 活性顯著低于其他瓠瓜品系,均低于360 U∕g。

表4 高溫脅迫對瓠瓜抗氧化酶活性及谷胱甘肽的影響Table 4 Effects of high temperature stress on antioxidant enzymes activity and GSH of bottle gourds

2.3.2 對瓠瓜POD 活性的影響

高溫脅迫下,不同瓠瓜幼苗葉片中POD 活性存在明顯差異(表4),其中B-3、B-4、B-5、B-9、B-10、B-12、B-18、B-20、B-21、B-23 的POD 活性顯著高于其他瓠瓜品系,均超過150.0 U∕(g·min);B-1、B-2、B-6、B-7、B-8、B-11、B-13、B-14、B-15、B-16、B-17、B-19、B-22 的POD 活性顯著低于其他瓠瓜品系,均低于145.0 U∕(g·min)。

2.3.3 對瓠瓜GSH 含量的影響

高溫脅迫下,不同瓠瓜幼苗葉片中GSH 含量存在明顯差異(表4),其中B-3、B-4、B-5、B-9、B-10、B-11、B-12、B-15、B-18、B-20、B-21、B-23 的GSH 含量較高,均超過了2.9 mmol∕L,顯著高于其他瓠瓜品系;B-1、B-2、B-6、B-7、B-8、B-13、B-14、B-16、B-17、B-22 的GSH 含量均較低,均低于2.4 mmol∕L,顯著低于其他瓠瓜品系。

2.4 瓠瓜耐熱性指標的相關關系分析

從表5 可以看出,瓠瓜的耐熱性指標之間存在顯著相關性,其中瓠瓜的熱害指數與可溶性糖含量、游離脯氨酸含量、SOD 活性、POD 活性、GSH 之間存在極顯著負相關,可溶性糖含量、游離脯氨酸含量、SOD活性、POD 活性、GSH 之間則呈極顯著正相關。

表5 高溫脅迫下不同瓠瓜生理生化指標之間的相關性Table 5 Correlations between physiological and biochemical indicators of different gourd bottlesunder high temperature stress

2.5 瓠瓜耐熱性的聚類分析

采用SAS 8.0 軟件,對與瓠瓜耐熱性相關的熱害指數、可溶性糖含量、游離脯氨酸含量、SOD 活性、POD 活性及GSH 活性等指標進行聚類分析(圖1),在D=0.35 處可將23 個不同瓠瓜品系分為三大類群,第一類群為B-1、B-2、B-6、B-7、B-13、B-14、B-16、B-19、B-22,第二類群為B-3、B-4、B-5、B-9、B-10、B-12、B-18、B-20、B-23,第三類群為B-8、B-11、B-15、B-17、B-21。 結合表2、表3 對不同瓠瓜品系的耐熱性進行綜合評價,第一類群的9 個瓠瓜品系受熱害最重,熱害指數也最高,表現為不耐熱;第二類9 個品系受熱害最輕,熱害指數也最低,表現為耐熱;第三類5 個品系受熱害稍重,熱害指數也較低,為中等耐熱。

3 討論

3.1 高溫脅迫對瓠瓜耐熱性差異及生理生化指標的影響

溫度過高會對植物細胞內的脂類產生影響,導致細胞膜系統損傷,進而導致了植物生理生化變化,最后導致植株死亡。 大量研究表明,與蔬菜作物耐熱性相關的酶、熱害指數等可以作為耐熱性評價的重要指標,通過苗期的耐熱性評價在一定程度上有利于蔬菜耐熱新品系選育[4,16-17]。

蘇小俊等[18]研究表明過氧化物酶活性與大白菜品種的耐熱性呈正相關關系,耐熱品種的過氧化物酶活性與熱敏品種間差異極顯著,且熱害指數與大白菜品種的耐熱性呈負相關。 孟煥文等[19]研究表明可溶性蛋白含量、SOD 活性均能反映出黃瓜品種間耐熱性差異,亦可作為黃瓜耐熱性鑒定指標。 馬寧等[20]研究表明高溫脅迫南瓜幼苗葉片中POD 活性、CAT 活性、SOD 活性、脯氨酸含量等均產生了顯著影響。 本研究結果表明,不同瓠瓜幼苗葉片中可溶性糖含量、游離脯氨酸含量、SOD 活性、POD 活性及GSH 活性均存在顯著差異,并且耐熱性強的瓠瓜品系的5 個生理生化指標的含量或活性也較高。 而且熱害指數與可溶性糖含量、游離脯氨酸含量、SOD 活性、POD 活性、GSH 之間存在極顯著負相關,這與聚類分析結果相一致。

吳曉花等[5]研究表明采用外部形態指標和生理生化指標可以正確評價瓠瓜的耐熱性。 趙東風等[21]用耐熱指數、丙二醛含量、脯氨酸含量、根系活力等指標評價了辣椒的耐熱性。 宋波等[22]研究了熱處理下普通白菜葉片中保護酶活性及脯氨酸含量,并可以通過這些指標顯著區分普通白菜的耐熱性。 余炳偉等[23]研究表明隨高溫脅迫提高了黃瓜幼苗體內的抗氧化酶活性、谷胱甘肽(GSH)的含量,并通過這些指標篩選出了黃瓜耐熱性強的材料。 本研究表明不同瓠瓜品系的耐熱性存在顯著差異,并且與對瓠瓜生理生化指標的聚類分析結果相一致,因此可以用熱害指數、可溶性糖含量、游離脯氨酸含量、SOD 活性、POD活性及GSH 活性等作為瓠瓜耐熱性的評價的指標。

3.2 高溫脅迫下不同瓠瓜品系耐熱性的聚類分析

本研究通過對不同瓠瓜品系生理生化指標的聚類,可以將23 個瓠瓜多代自交系分為三大類群,其中以第二類B-3、B-4、B-5、B-9、B-10、B-12、B-18、B-20、B-23 等9 個品系受熱害最輕,熱害指數也最低,耐熱性最強。

綜上所述,通過對23 份瓠瓜多代自交系的耐熱性進行綜合分析,篩選出了耐熱性強的瓠瓜多代自交系,為瓠瓜耐熱新品系的選育奠定了基礎。 但對于如何選育耐熱強、豐產、優質的越夏瓠瓜新品系仍有待于繼續開展相關的研究工作。

4 結論

在高溫脅迫下,瓠瓜幼苗受到一定程度的傷害,但由于不同瓠瓜自交系的基因型存在差異,因此其受到的傷害也各不相同,其耐熱性也存在較大差異。 瓠瓜受到高溫脅迫時,其植株體內的滲透調節系統、抗氧化酶系統均在一定程度上起到了保護作用,這說明高溫脅迫促使瓠瓜幼苗產生應答響應機制,而且不同基因型瓠瓜對高溫脅迫的應答響應差異較大。