高溫期噴施外源鈣對甜瓜幼苗葉片生理特性的影響

劉志剛，任紅松，胡西旦·買買提，王瑞華，李海峰，胡國智

(1.新疆農業科學院吐魯番農業科學研究所，新疆吐魯番 838000；2.新疆農業科學院哈密瓜研究中心，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】甜瓜屬喜溫作物，其生長發育最適宜溫度為25～35℃，40℃以上同化作用顯著降低，45℃以上時，生殖生長受到干擾與破壞，即使短時間的高溫，也會產生生理障礙[1]。新疆吐魯番地區7～8月高溫期正值秋季大田甜瓜種子萌發和幼苗生長階段，高溫容易發生死苗、小老苗和徒長苗等苗期問題，影響器官分化和生長發育[2,3]，后期甜瓜早衰，影響產量和品質[4]。高溫脅迫條件下，植物體內的平衡遭到破壞，活性氧的產生與清除的失衡會引起膜蛋白和膜內脂的變化，對植物造成傷害[5]。鈣作為信號物質，參與了熱脅迫早期的信號傳導[6-8]，鈣也通過防止由熱脅迫造成的活性氧對光合器官的傷害，提高植株的抗熱性[8]。吐魯番地區秋季大田甜瓜多為規模化種植，高溫期調控培育甜瓜壯苗技術研究已成為嚴重影響甜瓜生產中高產、穩產的關鍵環節。研究高溫期噴施外源鈣培育甜瓜壯苗調控技術，對促進吐魯番哈密瓜產業的發展具有重要意義。【前人研究進展】鈣(Calcium)作為植物必需的營養元素，能與作為胞內信使的鈣調蛋白結合，調節植物體的許多生理代謝過程[9-10]。外源鈣能緩解和減輕高溫脅迫對植物細胞膜的傷害，提高植物的抗熱性。【本研究切入點】目前，對Ca2 +緩解植物高溫傷害[11-13]的研究已逐步深入，多集中在辣椒[12]、煙草[13]、花生[18]、玉米[15]、葡萄[16]、番茄[17-18]等作物，但關于甜瓜的研究不多。關于在夏秋7～8月自然高溫條件外源鈣對甜瓜幼苗生理特性等方面的研究鮮見報道。研究不同濃度CaCl2對秋季大田甜瓜幼苗葉片葉綠素相對含量、可溶性蛋白含量、保護酶活性及MDA含量的影響。【擬解決的關鍵問題】以秋季大田甜瓜幼苗為研究對象，研究高溫期噴施不同濃度CaCl2對甜瓜幼苗生理特性的影響，得出最佳CaCl2噴施濃度和頻次，分析高溫環境外源鈣對甜瓜幼苗生理調節作用的關系，為預防苗期生理病害，培育健康壯苗，提高秋季大田甜瓜苗期科學管理能力提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為當地大田主栽厚皮甜瓜品種西州密17號，中熟雜交種，厚皮型，果實發育期50～57 d，果實橢圓形，果皮黑麻綠底，網紋中密全，果肉橘紅，肉厚3.2～4.7 cm，中心可溶性固形物15.2%～17.0%，肉質細、松、脆，風味甜蜜、爽口，平均單果重2.5 kg左右。植株生長勢較強，莖蔓粗壯，易坐果。種子市售(每袋20 g)，由新疆葡萄瓜果技術開發服務公司生產。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

吐魯番盆地是全疆氣溫最高的地區，年積溫4 500～5 400℃，日最高氣溫在35℃以上的天數達100 d，絕對最高氣溫達47.6℃[19]。

試驗于2018年、2019年7至8月新疆農業科學院吐魯番農業科學研究所大田試驗基地在自然高溫環境下進行，采用營養缽盆栽方式，營養缽規格為高20 cm×寬20 cm，基質為草炭∶珍珠巖∶蛭石∶園土=9∶3∶1∶5，基質混合均勻后裝入營養缽，統一安裝滴灌裝置滴水，7月1日播種，在播種前1 d將營養缽中基質土滴一個透水，直接將種子播種于營養缽中心，每盆播2粒種子，播完后再滴1次水，幼苗破心時選長相一致的植株定苗1株，3葉期前中午12:00至17:00為甜瓜幼苗進行適當遮陰，不追肥，只在幼苗開始萎蔫時滴水。

共設4個處理：以噴等量清水作為處理1(對照)，噴施濃度分別為20、10、5 mmol/L的CaCl2溶液(分別為處理2、處理3和處理4)。每個處理3次重復，每個重復種植30盆，并將每個處理分為2個區即“觀測區”和“采樣區”，用于形態變化指標測定和生理指標檢測采樣。從分別在甜瓜幼苗1葉期、3葉期、5葉期、7葉期、9葉期5個時期，選擇晴天下午18:00～19:00噴施不同濃度CaCl2溶液，噴至全株葉面都有均勻大小液珠但不下滴為止。

1.2.2 測定指標

每處理分別在試驗盆栽幼苗“觀測區”隨機選取3株，共9株掛牌標記，在規定的葉期測定葉綠素含量，在“采樣區”隨機選取3株植株樣，采樣標記后放入冰盒到實驗室進行處理，測定葉片可溶性蛋白質含量及各種酶活性。葉綠素含量測定采用TYS-B手持式葉綠素測定儀測定葉綠素相對含量SPAD值，每株選取第1片葉，每片葉隨機選取5個不同部位測定，重復3次，測定并記錄葉綠素儀顯示的數據，求平均值；可溶性蛋白質含量、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性均參照李合生的方法[20]測定。

1.3 數據處理

利用Exce12007軟件制作圖表，2年觀測的數據取平均數，用DPS14.5軟件進行數據單因素方差分析，數據顯著性差異運用Dun-can's新復極差法進行多重比較分析，不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

2 結果與分析

2.1 近2年吐魯番試驗地高溫期(7～8月)間溫度變化動態

研究表明，2018～2019年連續2年監測實驗地7～8月高溫期溫度，生理指標的采樣檢測就是從7月上旬持續到8月中旬。2018年、2019年7～8月共62 d，其中日平均溫度為超過30℃的天氣為51 d，其中日最高溫度低于35℃的天氣僅有1 d，持續35℃以上天氣長達31 d，超過40℃的天氣40 d，持續40℃以上的天氣10 d；2019年7～8月平均溫度為超過30℃的天氣為57 d，其中日最高溫度35℃以上的天氣長達59 d，持續35℃以上的天氣長達37 d，40℃以上的天氣50 d，持續40℃以上天氣21 d。圖1

圖1 2018年、2019年7～8月日最高溫變化

2.2 不同濃度CaCl2對甜瓜幼苗葉片葉綠素含量的影響

研究表明，隨著幼苗生長和對外界高溫環境的適應，各處理幼苗葉綠素含量均逐漸上升，與處理1(對照)相比，Ca2+處理能不同程度的提高甜瓜幼苗葉片葉綠素的含量，從3葉期開始葉片葉綠素含量順序始終是處理4>處理3>處理2>處理1(對照)；處理2和處理3之間在3葉期和5葉期葉綠素相對含量差異顯著，在7葉期和9葉期差異不顯著；在9葉期時處理4葉綠素相對含量最高，為40.51 SPAD，處理1(對照)葉綠素含量為34.43 SPAD，比對照處理高17.7%，與對照處理呈顯著差異，而處理2、處理3與對照處理相比差異不顯著。圖2

2.3 不同濃度CaCl2對甜瓜幼苗葉片可溶性蛋白含量的影響

研究表明，隨著幼苗的生長，葉片可溶性蛋白含量呈“S”曲線變化。噴施不同濃度Ca2+后，隨著外界高溫環境的影響，幼苗的耐熱性在3葉期前逐漸得到鍛煉提高，幼苗葉片可溶性蛋白含量緩慢下降，在3葉期時達到最低值，在3葉期到5葉期葉片可溶性蛋白含量迅速上升，處理3達到最高值，為8.27 mg/g，對照處理最低，為6.36 mg/g，增幅分別為3.7和2.4倍，相比順序為處理3>處理2>處理4>處理1(對照)，各處理間呈顯著差異(P<0.05)；5葉期之后到9葉期這段時期都是緩慢上升，相比順序為處理4>處理3>處理2>處理1(對照)，處理4比對照處理提高23.61%，各處理間呈顯著差異(P<0.05)。圖3

圖3 不同濃度CaCl2下甜瓜幼苗葉片可溶性蛋白含量變化

2.4 不同濃度CaCl2對甜瓜幼苗葉片CAT活性的影響

研究表明，外界高溫條件影響下，各處理過氧化氫酶(CAT)活性呈先升高后降低的趨勢。各處理在3葉期前過氧化氫酶(CAT)活性被迅速激活，均在3葉期達到最高值，處理3過氧化氫酶(CAT)活性最高，為10.05 U/(g·min)，處理1(對照)最低，為6.83 U/(g·min)，處理3比對照提高47.14%，二者呈顯著差異(P<0.05)；3葉期至5葉期迅速下降，之后一直到9葉期都在平緩波動的趨勢。過氧化氫酶(CAT)活性在9葉期時處理4最高，為3.28 U/(g·min)，比對照處理高115.8%，各處理與對照處理相比差異顯著(P<0.05)。圖4

圖4 不同濃度CaCl2下甜瓜幼苗葉片CAT活性變化

2.5 不同濃度CaCl2對甜瓜幼苗葉片SOD活性的影響

研究表明，隨著外界高溫的影響，幼苗的逐漸長大和抗逆性的增強，葉片中超氧化物歧化酶(SOD)活性先升高后降低。高溫脅迫下，3葉期前超氧化物歧化酶(SOD)活性緩慢升高，其中各處理在3葉期均達到最高，排序為處理4>處理3>處理2>處理1(對照)，其中處理4最高，為193.54 U/(g·min)，處理1(對照)最低，為166.19 U/(g·min)，比處理1(對照)高16.46%，二者呈顯著差異(P<0.05)；3葉期至5葉期活性迅速下降，5葉期至9葉期都有平緩波動的趨勢，在5葉期除處理4的其他處理葉片中超氧化物歧化酶(SOD)活性均降到最低，排序仍為處理4>處理3>處理2>處理1(對照)，其中處理4最高為30.87 U/(g·min)，相比處理1(對照)高57.42%，二者呈顯著差異(P<0.05)。圖5

圖5 不同濃度CaCl2下甜瓜幼苗葉片SOD活性變化

2.6 不同濃度CaCl2對甜瓜幼苗葉片POD活性的影響

研究表明，隨著時間的推移和對高溫環境的適應，幼苗葉片的 POD活性呈現先升高后降低的趨勢。在高溫脅迫下，3葉期前POD活性迅速升高，各處理在3葉期均達到最高，排序為處理4>處理3>處理2>處理1(對照)，其中處理4最高，為11.90 min/g，處理1(對照)最低，為7.33 min/g，比處理1(對照)高62.34%，二者呈顯著差異(P<0.05)；3葉期至5葉期各處理葉片POD活性迅速下降，5葉期至9葉期有緩慢下降的趨勢，在9葉期各處理葉片中POD活性均降到最低，排序仍為處理4>處理3>處理2>處理1(對照)，其中處理4最高為4.36 min/g，處理1(對照)最低，為2.84 min/g，相比處理1(對照)高53.52%，二者呈顯著差異(P<0.05)。圖6

圖6 不同濃度CaCl2下甜瓜幼苗葉片POD活性變化

2.7 不同濃度CaCl2對甜瓜幼苗葉片MDA含量的影響

研究表明，隨著幼苗的生長和外界高溫環境的影響，各處理葉片MDA含量均表現為先升高后降低的趨勢。各處理均在3葉期MDA含量達到最高值，其中對照處理葉片MDA含量最高，為8.09 μmol/g，處理4葉片MDA含量最低，為6.30 μmol/g，比對照處理低22.13%，二者呈顯著差異(P<0.05)；各處理葉片MDA含量均在5葉期迅速下降，在5葉期至9葉期在一定的范圍內波動，最后逐漸回落到一個較低水平，總體保持植株細胞的平衡。圖7

圖7 不同濃度CaCl2下甜瓜幼苗MDA含量變化

3 討 論

高溫損傷葉綠體的結構，引起光合色素降解，進而抑制光合作用[21]。宰學明等[14]研究得出，花生幼苗在高溫42℃處理過程中，Ca2+處理下的葉綠素含量隨處理時間的延伸而下降，但與對照比較，Ca2+處理能延緩花生幼葉葉綠素在高溫脅迫下的降解；楊秋珍等[22]試驗表明，高溫脅迫后，甜瓜幼苗葉片葉綠素含量均下降，耐熱性強的品種下降幅度<耐熱性弱的品種，葉綠素下降的溫度為≥41℃，葉片葉綠素的指數可作為鑒定甜瓜耐熱性的指標。研究得出，在外界高溫條件下，3葉期前適當遮陰，將幼苗進行高溫鍛煉，適宜濃度的Ca2+處理，甜瓜幼苗葉綠素相對含量相比處理1(對照)逐漸升高，其中5 mmol/L CaCl2(處理4)對緩解和降低高溫對葉綠體傷害的效果較理想；研究還發現在外界高溫脅迫下，甜瓜幼苗3葉期是可溶性蛋白含量、葉片抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)和MDA含量變化的轉折期，這可能由于3葉期是幼苗根系與地上部的生長處于失衡狀態d的特殊性時期導致[23]。

高溫條件下蛋白質的合成和降解速率與植物的抗熱性有關，耐熱種類或品種在高溫下能保持較高的蛋白質合成速率和較低的蛋白質降解速率[24]，耐熱品種可溶性蛋白含量升高[4,25]。研究顯示，在外界高溫條件下，隨著幼苗的生長和對環境的適應，葉片可溶性蛋白含量總體呈“緩慢下降-迅速上升-緩慢上升”的三段式“S”曲線變化，與處理1(對照)相比，噴施5 mmol/L CaCl2對甜瓜耐熱品種幼苗提高可溶性蛋白含量效果較理想，這與Gong等[15]的研究結果基本一致。

高溫會抑制早期幼苗的生長，幼苗通過提高體內抗氧化酶活性，降低活性氧，從而減緩膜損傷，提高對溫度的適應性[4]，施鈣能提高了植物體內抗氧化酶(SOD、POD、CAT)的活性[26]，有效地抑制高溫下葉片MDA含量的增加[16]，并顯著降低MDA含量[17]，減少活性氧物質的含量從而降低植物細胞內活性氧自由基對質膜和膜脂過氧化作用水平的傷害。研究得出，隨著幼苗的生長和對外界高溫環境的適應，甜瓜幼苗葉片抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)呈先升后降的趨勢，甜瓜品種耐熱性較強，并且能通過自身調節抗氧化酶活性來提高對高溫的適應性，這與齊明芳等[17]和李天來等[18]的研究結果基本一致，不同的是，雖然鈣處理相比對照均能顯著降低MDA含量，但整體呈持續上升的趨勢；而研究在高溫環境下外源鈣處理后MDA含量呈先升高后降低的趨勢，與涂三思等[27]的研究結論一致。

4 結 論

4.1在高溫脅迫下，葉綠素含量、可溶性蛋白含量、葉片抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)和MDA含量的變化規律不僅與脅迫的溫度、時間、程度有關，而且與脅迫植物的種類、品種、生育期、耐熱性等指標密切相關。

4.2高溫期噴施5 mmol/L濃度的CaCl2，與對照處理相比，能夠顯著提高耐熱性甜瓜幼苗葉綠素和可溶性蛋白含量，增強了抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)，明顯降低MDA含量，在提高幼苗耐熱性方面效果顯著。

4.3受外界高溫環境影響，從甜瓜幼苗1葉期至3葉期間葉綠素含量、抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)和MDA含量顯著升高，在3葉期至5葉期之間均迅速下降，5葉期至9葉期之間緩慢下降或一定范圍波動。

4.4甜瓜幼苗3葉期前在高溫脅迫下細胞質膜逐漸受到傷害，過氧化作用促使葉片MDA含量增加，而3葉期至5葉期高溫脅迫已超出細胞抵御能力后代謝紊亂造成MDA含量迅速下降，隨著幼苗多種抗氧化防御系統的作用和耐熱性的逐漸提高，5葉期至9葉期的脅迫使葉片MDA含量緩慢下降，維持在相對較低的水平。