外源物質復配對低溫脅迫下甜瓜幼苗光合障礙的緩解作用

馮路路，張惠敏，王曼曼，魏小云，王 康，閆洪朗

（江蘇沿江地區農業科學研究所，江蘇 南通 226001）

甜瓜是一種起源于熱帶、亞熱帶的重要園藝、經濟作物，在我國具有悠久的栽培歷史和廣泛的種植面積，其具有生產周期短、經濟效益高、受歡迎程度高等特點。隨著設施農業的迅速發展，長江中下游地區的甜瓜栽培期可提前至1—2月，然而早春時期出現的低溫會對甜瓜幼苗造成低溫冷害，會嚴重制約甜瓜植株的生長發育，并且可能影響后期果實的品質和產量，造成較大的經濟效益損失［1-2］。

低溫脅迫會對植物的生長發育、光合作用、生物膜系統、滲透調節物質、抗氧化酶系統造成嚴重影響，其中植物的光合作用首先會受到抑制［3-4］。低溫脅迫對植物光合作用的抑制不僅體現在破壞葉綠體結構、降低葉綠素含量、關閉氣孔、影響光合酶活性等方面，同時還會通過影響正常的生理代謝間接抑制植物的光合特性［5］。邱喜巖等［6］在低溫脅迫對不同耐低溫南瓜材料影響的研究中發現，低溫脅迫會導致不同南瓜種質的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、葉綠素熒光參數等顯著下降，嚴重抑制南瓜正常的光合效率。張瑤等［7］研究發現黃瓜的葉綠素含量、最大光合效率(Pmax)、光飽和點(LSP)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和能量分配比率等光合參數均會隨著低溫脅迫程度的加深和低溫脅迫時間的延長而逐漸下降。

大量研究表明外源物質能夠提高植物對逆境脅迫的適應能力，但不同外源物質對植物生長發育、生理生化的調節作用不盡相同。褪黑素(MT)可以通過調節甜瓜幼苗氮代謝和滲透物質的積累，提高其在亞低溫環境下的適應能力［8］。水楊酸(SA)可以緩解低溫弱光對甜瓜幼苗葉片光合性能和保護酶系統的影響［9］。脯氨酸(Pro)作為一種滲透調節劑，其在植物的滲透調節系統中發揮著重要作用［10］。因此，不同外源物質復配使用可能具有一定的協同效應，可進一步提升植物對逆境脅迫的適應性。基于此，本研究以甜瓜幼苗為材料，將MT、Pro、SA等3種外源物質進行復配，研究其對低溫脅迫下甜瓜幼苗的耐冷性和光合特性的影響，以期為外源物質復配提高甜瓜幼苗耐冷性提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及處理

供試品種為低溫敏感型品種甜瓜417，是本課題組篩選得到的低溫敏感型品種。挑選飽滿、整齊一致的甜瓜種子進行浸種、催芽，待種子露白后播種于50孔穴盤，在大棚苗床進行育苗。待幼苗長至3葉1心時，選擇長勢一致的幼苗進行試驗處理。

1.2 試驗方法

1.2.1 外源物質復配最佳組合的篩選 設計褪黑素、脯氨酸、水楊酸3因素3水平的正交處理組合（表1），按不同處理每天對幼苗葉片進行噴施，以葉片表面均勻鋪滿水珠而不滴落為宜，同時設置清水噴施作為CK，連續處理3 d，在人工氣候箱以常溫條件（晝/夜溫度25 ℃/18 ℃、12 h光/12 h暗）進行培養；噴施處理完成后在人工氣候箱內以低溫條件（晝/夜溫度10 ℃/5 ℃、12 h光/12 h暗）處理5 d，在第5天對幼苗的冷害指數進行統計，冷害指數的統計參照于賢昌等［11］對黃瓜冷害指數的統計方法。每個處理設置3次重復，每次重復15株幼苗。

表1 正交試驗處理代碼及處理濃度 mmol/L

1.2.2 葉綠素相對含量的測定 以清水處理為CK，研究篩選出的最佳外源物質復配組合對低溫脅迫下甜瓜幼苗葉綠素含量的影響。利用手持式葉綠素含量測定儀對甜瓜葉片的葉綠素相對含量(SPAD)進行測定，測定時間為噴施外源物質前、噴施外源物質3 d后、低溫處理的第1、3、5天，統一選擇幼苗的第2片真葉進行測定，每個葉片選擇3個不同位置測定并取平均值，每次測量相同的5株幼苗。

1.2.3 光合作用氣體交換參數的測定 以清水處理為CK，研究篩選出的最佳外源物質復配組合對低溫脅迫下甜瓜幼苗光合作用氣體交換參數的影響。為防止外界環境條件對試驗測定結果的干擾，在人工氣候箱內進行測量。利用便攜式光合儀LI-6800在每天上午9:00～11:00測定不同處理幼苗的凈光合速率、蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度、氣孔導度、瞬時水分利用率(WUEt)和氣孔限制值(Ls)等氣體交換參數，光合儀的光照強度設置為300 μmol，CO2濃度設置為400 μmol，濕度設置為55%。測定時間為噴施外源物質前、噴施外源物質3 d后、低溫處理第1、3、5天。每個處理選取3株，統一選擇第2片真葉進行測定，每個葉片重復測量3次。其中WUEt和Ls的計算公式為：

式（1）～式（2）中，Ca為大氣中CO2濃度，Ci為胞間CO2濃度。

1.3 數據處理

應用Microsoft Excel軟件對測定數據進行統計分析，應用Origin 2022軟件進行數據處理與作圖。

2 結果與分析

2.1 不同外源物質復配組合對甜瓜幼苗冷害指數的影響

冷害指數可以直接體現植物耐低溫能力的強弱。本研究在低溫處理5 d后，對不同復配組合處理的甜瓜幼苗進行冷害指數的統計，并得到不同處理相較于CK下降的百分比。由表2可知，CK的甜瓜幼苗冷害指數最高，不同復配組合處理的甜瓜幼苗冷害指數均顯著低于CK，說明復配試劑均可以有效提高甜瓜幼苗的耐冷性；不同復配組合處理之間幼苗的冷害指數存在顯著差異，說明不同復配組合提升甜瓜幼苗耐冷性的效果不同，其中A3B2C1復配組合處理幼苗的冷害指數最低，與其他復配組合之間存在顯著差異，該復配組合處理的幼苗冷害指數比CK降低了14.85%，明顯要優于其他復配組合，這說明A3B2C1復配組合降低甜瓜幼苗冷害指數的效果最顯著，提升甜瓜幼苗的耐冷性最佳。因此，選擇A3B2C1復配組合作為最佳的外源物質復配組合。

表2 不同復配組合對甜瓜幼苗冷害指數的影響

2.2 低溫脅迫下外源物質復配對甜瓜葉片SPAD值的影響

由圖1可知，在常溫條件下，噴施清水和復配試劑后，甜瓜葉片中的葉綠素相對含量均有一定程度上升，其中CK處理葉片的SPAD值升高4.22%，而外源物質復配處理后葉片的SPAD值升高6.1%，相較于CK，外源物質復配可以有效提高甜瓜幼苗的SPAD值；低溫處理條件下，SPAD值會隨著低溫脅迫時間的延長而逐漸下降，相對于低溫脅迫前幼苗的SPAD值，CK處理葉片SPAD值下降了7.04%，外源物質復配處理的葉片SPAD值下降了4.06%，這說明在低溫脅迫下的甜瓜幼苗上噴施外源物質復配試劑可以降低葉片葉綠素相對含量的下降幅度。

圖1 外源物質對甜瓜葉片SPAD值的影響

2.3 低溫脅迫下外源物質復配對甜瓜幼苗凈光合速率的影響

由圖2可知，在常溫和低溫脅迫處理過程中，2種處理凈光合速率具有相似的變化趨勢；常溫條件下，兩組處理初始的Pn接近一致，噴施處理3 d時，復配試劑處理的Pn升高了56.94%，顯著高于對照處理的34.92%，由此可以說明，噴施復配試劑可以在常溫條件下有效提高甜瓜的凈光合速率；低溫脅迫1 d時，對照處理的Pn出現上升，而復配試劑處理的Pn則出現下降；低溫脅迫3 d后，Pn均急劇下降，相較于低溫脅迫第1天，CK的Pn下降了70.93%，下降率顯著高于復配試劑處理的59.10%，此時復配試劑處理的Pn高于CK；隨著低溫脅迫時間的延長，Pn繼續下降，低溫脅迫5 d時，CK的Pn僅為0.496 μmol/(m2·s)，而復配試劑處理的Pn為1.523 μmol/(m2·s)，顯著高于CK，這說明復配試劑能夠有效延緩低溫脅迫下甜瓜幼苗Pn的下降。

圖2 外源物質對甜瓜幼苗凈光合速率的影響

2.4 低溫脅迫下外源物質復配對甜瓜氣孔導度的影響

氣孔的開閉程度與植物和外界環境進行物質交換密切相關。由圖3可知，2個處理在常溫條件下的氣孔導度Cs基本一致，噴施處理3 d后，2個處理的Gs均有升高，其中復配試劑處理的Gs提升程度高于CK；在低溫脅迫1 d時，幼苗葉片的Gs均顯著升高，其中CK的Gs比T2時相應檢測值提高了233.42%，復配試劑處理也提高了86.49%；隨著低溫脅迫時間的延長，Gs出現了迅速下降，隨后下降趨勢逐漸減緩，其中復配試劑處理的Gs的下降程度顯著低于CK，且最終復配試劑處理的Gs要高于CK，這說明復配試劑可以有效緩解低溫脅迫下甜瓜Gs的下降程度。

圖3 外源物質對甜瓜幼苗氣孔導度的影響

2.5 低溫脅迫下外源物質復配對甜瓜胞間CO2濃度的影響

由圖4可知，CK和復配試劑處理的胞間CO2濃度Ci在常溫條件下均有緩慢上升，此期間Ci的上升有利于植物的碳同化進程；低溫脅迫1 d時，Ci的上升可能是由Gs過度升高引起的；低溫脅迫3 d時，Gs大幅下降導致Ci開始出現回落；低溫脅迫5 d時，Gs持續下降，Ci出現上升，可能是由于低溫嚴重影響了甜瓜葉片的生理生化反應，CO2利用率明顯下降。低溫脅迫過程中，2個處理的Ci均呈現出先下降后上升的趨勢，其中CK的Ci的下降和上升速率均要高于復配試劑處理的，這說明復配試劑有助于在低溫脅迫下調節甜瓜葉片的氣孔導度以及保護葉片內的生理生化反應環境。

圖4 外源物質對甜瓜胞間幼苗CO2濃度的影響

2.6 低溫脅迫下外源物質復配對甜瓜蒸騰速率的影響

由圖5可知，在從常溫處理到低溫脅迫處理的過程中，甜瓜葉片的蒸騰速率Tr呈先上升后下降的趨勢；復配試劑處理的Tr在常溫條件下提高了220.28%，高于CK的201.89%；低溫脅迫1 d時，CK的Tr要高于復配試劑處理，可能是因為此時CK的Gs要遠大于復配試劑處理；從低溫脅迫第1天到低溫脅迫第5天，Tr呈現出先迅速下降而后緩慢下降的趨勢，其中復配試劑處理的Tr降低了54.51%，遠低于CK的84.21%，最終復配試劑處理的Tr要高于CK，這說明復配試劑可以有效緩解低溫脅迫下甜瓜Tr的下降程度。

圖5 外源物質對甜瓜幼苗蒸騰速率的影響

2.7 低溫脅迫下外源物質復配對甜瓜葉片瞬時水分利用率的影響

由圖6可知，在常溫和低溫脅迫條件下，CK和復配試劑處理的瞬時水分利用率WUEt的變化趨于一致；常溫處理期間，由于葉片的Pn上升速率遠小于Tr，因此導致WUEt出現下降；低溫脅迫第3天時，由于Tr的下降速率高于Pn的下降速率，導致WUEt出現短暫上升；低溫脅迫第5天時，WUEt顯著降低，說明低溫脅迫第3～5天期間，Pn的下降速率顯著高于Tr的下降速率。值得注意的是，復配試劑處理的WUEt在常溫和低溫條件下均高于CK，這說明復配試劑可以有效提高甜瓜葉片的瞬時水分利用率。

圖6 外源物質對甜瓜葉片瞬時水分利用率的影響

2.8 外源物質復配對甜瓜葉片氣孔限制值的影響

氣孔限制值Ls是判定一定條件下影響植物光合作用的主要因子。由圖7可知，在常溫和低溫脅迫條件下，CK和復配試劑處理的Ls變化趨勢基本一致，且隨著低溫脅迫時間的延長，Ls均呈現出先上升后下降的趨勢。由此判斷，在低溫脅迫下，影響CK和復配試劑處理甜瓜幼苗光合能力的因素可能是一致的。

圖7 外源物質對甜瓜葉片氣孔限制值的影響

2.9 低溫脅迫下甜瓜不同性狀的相關性分析

為研究低溫脅迫下不同性狀之間的關系，將低溫脅迫時間與測定的不同性狀進行相關性分析。由表3可知，低溫脅迫時間與SPAD值、Pn、Gs、Tr呈極顯著負相關，但與Ci、WUEt、Ls沒有顯著相關性；SPAD值與Pn、Gs、Tr呈極顯著正相關，但與Ci、WUEt、Ls沒有顯著相關性；Pn與Tr、Gs呈極顯著正相關，但與Ci、WUEt、Ls沒有顯著相關性；Gs與Tr呈極顯著正相關，與Ci、WUEt、Ls沒有顯著相關性；Tr與Ci、WUEt、Ls沒有顯著相關性；Ci與WUEt和Ls呈極顯著負相關；WUEt與Ls沒有顯著相關性。

表3 低溫脅迫下甜瓜不同性狀的相關性分析結果

3 結論與討論

植物光合作用是一項為植物生長發育提供物質和能量的重要生理活動，極易受到逆境脅迫的抑制。大量研究表明低溫脅迫會造成植物葉綠素含量、氣體交換參數、熒光參數、植物碳同化能力出現明顯的下降，導致植物生長緩慢、器官發育不良，嚴重的甚至造成植物死亡［12］。本研究中，甜瓜幼苗葉片的葉綠素含量、Pn、Tr、Gs在低溫脅迫下出現顯著下降，該結果與李云玲［13］在黃瓜中的研究和許永安［14］對不同甜瓜種質的研究結果一致。在低溫脅迫時間與測定的光合參數的相關性分析中發現低溫脅迫時間與SPAD值、Pn、Tr、Gs呈極顯著負相關，說明甜瓜幼苗光合作用的受抑制程度會隨低溫脅迫時間的延長而不斷加劇。

葉綠素主要負責完成植物對光能的吸收、傳遞和轉化，其含量與植物光合作用的能力密切相關。低溫脅迫會抑制植物體內葉綠素的合成，加速其降解，從而影響植物對光能的吸收利用，最終導致植物葉片光合能力的下降［15］。在外源物質提升植物耐冷性的研究中，已有較多外源物質被證明可以提高植物葉片的葉綠素含量［16-18］。在本試驗中，3種外源物質的復配試劑顯著提高了常溫條件下甜瓜幼苗葉片的相對葉綠素含量，并抑制了低溫脅迫下甜瓜幼苗葉片相對葉綠素含量的下降速率，該結果與劉彤彤［19］關于外源物質復配對黃瓜幼苗耐冷性的研究結果一致。

Pn、Gs、Ci、Tr、WUEt是分析植物光合性能的重要參數［20］。氣孔是植物體與外界環境進行氣體、水分交換的重要通道，會對Ci和Tr產生影響，進而影響到Pn［21］。在多數低溫脅迫引起Pn下降的研究中，根據Ci和Gs、Ls的變化趨勢可分為氣孔限制因素和非氣孔限制因素［22-23］。本研究結果表明：CK的Pn會隨低溫脅迫時間的延長而逐漸下降，低溫脅迫1～3 d期間，Gs、Tr和Ci均呈下降趨勢，Ls為上升趨勢，這說明此期間Pn的下降是由氣孔限制了植物與外界環境物質交換導致的；而在低溫脅迫3～5 d時，Gs、Tr和Ls出現下降，Ci則出現上升，這說明在此期間Pn的下降不是由氣孔導度下降引起的，可能是由光合色素含量減少、光合酶活性降低、活性氧過度積累等非氣孔限制因素導致，該結果與顧慕容等［24］在低溫脅迫中對測鈍葉草光合性能的研究結果一致。目前，關于外源物質如何緩解低溫脅迫導致的光合障礙已有較多研究［25-26］。楊芬芬等［27］研究發現外源海藻糖可以促進低溫脅迫下哈密瓜光合色素的積累，提高葉片的Pn、Gs和Tr，從而緩解低溫導致的光合能力減弱。程琳琳等［28］研究發現以脫落酸(ABA)、殼寡糖、CaCl2為主成分的復配涂封劑可以顯著提高低溫脅迫下橡膠苗葉片的Pn、Gs、Ci、Tr、Fv/Fm和ΦPSⅡ，減少低溫對光合系統的損害。本研究結果顯示：與CK相比，外源物質復配處理顯著提高了常溫和低溫脅迫下甜瓜幼苗葉片的Pn、Gs、Tr和WUEt，由此緩解了低溫脅迫對光合系統的抑制作用，結合上述Pn在低溫脅迫下先后受到氣孔限制和非氣孔限制因素影響的結果，說明復配試劑除在氣孔因素方面幫助提高甜瓜葉片Pn外，還可能在提高相關酶活性、降低有害物質積累等非氣孔因素方面發揮積極作用，從而提升甜瓜葉片的Pn，進一步提高甜瓜幼苗的耐冷性。

綜上所述，噴施適當濃度的MT、Pro和SA等3種外源激素復配的試劑可顯著提高常溫和低溫脅迫下甜瓜幼苗的SPAD值、Pn、Gs、Tr和WUEt，減少低溫脅迫對甜瓜葉片生理生化的損害，促使甜瓜葉片在光能的吸收、傳遞和轉化，葉片和大氣之間的氣體交換、葉片的生理生化反應均保持在較高水平，從而緩解低溫脅迫對甜瓜幼苗的光合障礙，提高甜瓜幼苗的耐冷性。