銻脅迫對西瓜光合生理特性的影響

許 煒，羅劍鋒，何子煜，朱贊江，敬媛蓉，黨建成，夏冰龍，戴海濤，高 勝，羅育才

（1.湖南人文科技學院 湖南婁底 417000； 2.婁底市農業技術推廣中心 湖南婁底 417000）

銻（Sb）是一種全球性污染金屬元素，金屬銻及其化合物具有潛在的高危性和慢性毒性，被美國和歐盟列為優先關注的污染物[1]。銻在工業方面的應用效果顯著，可制作成阻燃劑、催化劑、硬化劑和脫滲劑等含銻產品[2]。由于含銻化合物的廣泛使用，大量銻元素進入環境中，土壤和河流受Sb 污染日益加劇，進而對動植物造成傷害，過高濃度銻會影響植物的正常生長發育，如生長受限、抑制光合作用、營養元素吸收受限、產量和品質下降等[3]。此外，Sb 還可以通過食物鏈方式進入人體，導致癌癥、心血管疾病、肝臟疾病和呼吸系統疾病發生，危及人體健康[4]。我國擁有世界上最多的重金屬Sb[5]，長期的開采不僅迅速消耗Sb 資源，同時也對土壤產生了嚴重污染。湖南冷水江錫礦山地區有“世界銻都”之稱，長時間開采銻礦，使得銻礦周邊的農用土壤銻含量較高，銻礦周邊同時還伴生著其他的重金屬[6-7]，當地農作物生長受到嚴重危害。目前，國外學者對全世界存在的銻污染現狀及銻污染土壤修復進行了相關研究[8]，國內專家學者在受銻污染的土壤中進行大豆[9]、水稻[10]、玉米[11]等農作物相關方面的研究，但對銻超標土壤情況下正常種植蔬菜方面的研究不足。

西瓜味甜汁多，是人們夏季消暑的主要水果。湖南省地理位置優越，西瓜種植歷史悠久，種植面積廣，生產產量高，有較高的商業價值，帶動了地方經濟發展，成為湖南省的重要園藝作物[12]。目前冷水江錫礦山地區的土壤受到銻污染，成為該地區西瓜大面積推廣種植的關鍵影響因素。銻污染對西瓜植株生長影響的研究還未見報道，筆者以3 個西瓜品種為試材，采用盆栽試驗，研究不同銻濃度對西瓜光合生理特性的影響，以期為銻脅迫下西瓜抗性品種篩選及實際生產應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

西瓜品種：麒麟先鋒F1（購于河北盈優種子有限公司）、欣紅888（購于興城市種旺種子有限公司）、澳華西農八號（購于澳華科農生物科技有限公司），3 個西瓜品種均為雜交種。

試驗藥品：三價銻酒石酸銻鉀（SbIII，分析級），由西隴科學有限公司生產。

試驗儀器：便攜式葉綠素儀（SPAD-520Plus，日本生產）、iFL 便攜式光合熒光復合測量系統來自澳作生態儀器有限公司。

丙二醛（MDA）含量以及過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活性等指標測定試劑盒均購于北京盒子生工科技有限公司。

1.2 方法

試驗于2022 年4-7 月在湖南人文科技學院校內基地進行。供試土壤經過自然風干，剔除動植物殘體、碎石等異物，過4 mm 尼龍篩備用，然后裝入內口徑30 cm×24 cm，高26 cm 塑料盆，每盆7.0 kg。事先將盆中的土壤進行銻脅迫處理，用酒石酸銻鉀溶解于水的形式施入土壤，設置5 個濃度（w，后同）梯度，分別為0（CK）、50、100、200 和400 mg·kg-1，銻脅迫土壤老化30 d。在50 孔穴盤內育苗至2 葉1 心時，于4 月20 日選取長勢一致的西瓜苗，移栽至塑料盆中，每盆1 株，每個處理種植5 盆，3 次重復。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 酶活性指標 采集西瓜成熟期同一部位的新鮮葉片，用蒸餾水清洗干凈、晾干，置于冰水浴條件下研磨，取上清液置于冰中進行酶活性測定。按照北京盒子生工科技有限公司生產的試劑盒說明書測定以下各指標。采用TBA 法測定丙二醛含量（b，后同），采用可見光法測定過氧化氫酶活性，采用羥胺法測定超氧化物歧化酶活性，采用比色法測定過氧化物酶活性。

1.3.2 葉綠素含量 使用SPAD-502 葉綠素儀測定坐果期和成熟期西瓜葉片的葉綠素含量，每株西瓜選擇相同部位長勢較好的2 片葉進行測定，每個處理3 次重復，取平均值。用SPAD 值表示葉綠素相對含量。

1.3.3 光合指標 采用iFL 便攜式光合熒光復合測量系統在晴朗的09：00-11：00，測定光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導度等指標。在西瓜伸蔓期、坐果期和成熟期，分別選擇相同部位長勢一致的西瓜葉片中部進行測定，每個處理3 次重復。

1.4 數據處理

采用WPS office 進行試驗數據處理和作圖，采用SPSS26 軟件進行方差分析和差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 銻脅迫對西瓜葉片葉綠素含量的影響

由表1 可知，隨著銻處理濃度的增加，不同西瓜品種葉片的葉綠素含量變化趨勢并不一致。在坐果期和成熟期，澳華西農八號葉綠素含量均呈降-升-降-升趨勢，麒麟先鋒F1葉綠素含量呈現降-升-降趨勢，而欣紅888 葉綠素在坐果期呈現降-升趨勢，成熟期呈現降-升-降趨勢。3 個西瓜品種在不同銻濃度處理下的葉綠素含量和CK 相比均未顯著增加。澳華西農八號在100 和400 mg·kg-1銻濃度處理下，坐果期的葉綠素含量均高于CK，成熟期的葉綠素含量僅在50 mg·kg-1銻濃度處理下低于CK；在坐果期和成熟期，麒麟先鋒F1的葉綠素含量在銻脅迫下均低于CK；在坐果期，欣紅888 的葉綠素含量僅在400 mg·kg-1銻濃度處理下高于CK，成熟期僅在200 mg·kg-1銻濃度處理下高于CK。同一銻濃度處理下，在西瓜的生長時期，各品種葉綠素含量均呈現逐漸增加的趨勢，說明西瓜接近成熟時，葉片長勢好，體內葉綠素含量高。

表1 銻脅迫下對西瓜葉片葉綠素含量的影響Table 1 Effect of antimony stress on chlorophyll content of watermelon leaves SPAD

2.2 銻脅迫對西瓜葉片光合特性的影響

從表2 可以看出，在同一銻濃度處理下，隨著生長發育的進行，澳華西農八號的光合速率在50、100 mg·kg-1銻濃度處理下呈現出降-升趨勢，在其他濃度下呈現下降趨勢；蒸騰速率在成熟期均高于坐果期，呈現降-升趨勢；胞間CO2濃度在CK 下呈現為升-降趨勢，在100、200 mg·kg-1銻濃度處理下呈現降-升趨勢，在50 和400 mg·kg-1銻濃度處理下呈現上升趨勢；氣孔導度在CK 下呈現下降趨勢，其他濃度呈現降-升趨勢。在不同銻濃度處理下，光合速率在伸蔓期呈現升-降-升-降趨勢，在坐果期呈現降-升-降趨勢，在成熟期呈現升-降趨勢；蒸騰速率在伸蔓期呈現降-升-降趨勢，其他時期呈現為升-降趨勢；胞間CO2濃度在成熟期呈現上升趨勢，其他時期呈現降-升-降趨勢；氣孔導度在坐果期呈現降-升-降趨勢，其他時期呈現為升-降趨勢。其中在伸蔓期，光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導度均在200 mg·kg-1銻濃度處理下最大；在坐果期，光合速率、蒸騰速率和氣孔導度均在200 mg·kg-1銻濃度處理下最大，胞間CO2濃度在CK 下最大，但與其他處理差異不顯著；在成熟期，光合速率在100 mg·kg-1銻濃度處理下最大，蒸騰速率和氣孔導度均在200 mg·kg-1銻濃度處理下最大，與CK呈顯著差異，胞間CO2濃度在400 mg·kg-1銻濃度處理下最大，與CK 呈顯著差異。

表2 銻脅迫對澳華西農八號光合特性的影響Table 2 Effect of antimony stress on photosynthetic characteristics of Aohua Xinong No.8

從表3 可以看出，隨著生長發育的進行，麒麟先鋒F1成熟期的光合速率在0、50、400 mg·kg-1銻濃度處理下均高于坐果期，呈現出降-升趨勢，在其他濃度下呈現下降趨勢；蒸騰速率在各濃度下均呈現降-升趨勢；胞間CO2濃度和氣孔導度在400 mg·kg-1銻濃度處理下表現為上升趨勢，其余濃度則呈現降-升趨勢。在不同銻濃度處理下，光合速率在伸蔓期呈現升-降-升-降趨勢，在坐果期呈現升-降趨勢，在成熟期呈現升-降-升趨勢；蒸騰速率在伸蔓期呈現升-降-升-降趨勢，在坐果期呈現上升趨勢，在成熟期呈現降-升-降趨勢；胞間CO2濃度在伸蔓期呈現降-升-降趨勢，在坐果期表現為上升趨勢，在成熟期呈現降-升-降-升趨勢；氣孔導度在伸蔓期呈現升-降-升-降趨勢，在坐果期呈現上升趨勢，在成熟期呈現升-降-升趨勢。其中在伸蔓期，光合速率、蒸騰速率和氣孔導度均在200 mg·kg-1銻濃度處理下最大，與CK 呈顯著差異，胞間CO2濃度在CK 下最大，與其他處理差異不顯著；在坐果期，光合速率在200 mg·kg-1銻濃度處理下最大，與CK 呈顯著差異，蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導度均在400 mg·kg-1銻濃度處理下最大，與CK 呈顯著差異；在成熟期，光合速率和氣孔導度均在50 mg·kg-1銻濃度處理下最大，蒸騰速率在CK 下最大，與其他處理差異不顯著，胞間CO2濃度在100 mg·kg-1銻濃度處理下最大，與CK 和其他處理呈顯著差異。

表3 銻脅迫對麒麟先鋒F1光合特性的影響Table 3 Effect of antimony stress on photosynthetic characteristics of Kylin Pioneer F1

從表4 可以看出，在同一銻濃度處理下，欣紅888 隨著生長發育的進行，光合速率在400 mg·kg-1銻濃度處理下表現為下降趨勢，而在其他處理下呈現出降-升的變化趨勢；蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導度呈降-升的變化趨勢，均在坐果期最低。在不同銻濃度處理下，光合速率在伸蔓期呈現降- 升趨勢，在坐果期和成熟期呈現升-降-升趨勢；蒸騰速率在伸蔓期呈現降-升-降趨勢，在坐果期呈現升-降-升趨勢，在成熟期呈現升-降趨勢；胞間CO2濃度在坐果期呈現升-降-升趨勢，在伸蔓期和成熟期呈現降-升-降趨勢；氣孔導度在伸蔓期呈現降-升趨勢，在坐果期呈現升-降-升趨勢，在成熟期呈現降-升-降趨勢。其中在伸蔓期，蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導度均在200 mg·kg-1銻濃度處理下最大，與CK 和其他處理差異不顯著；在坐果期，光合速率、蒸騰速率和氣孔導度均在400 mg·kg-1銻濃度處理下最大，與CK 呈顯著差異；在成熟期，蒸騰速率和氣孔導度均在100 mg·kg-1銻濃度處理下最大，光合速率在400 mg·kg-1銻濃度處理下最大，胞間CO2濃度在CK 下最大，其中，在CK 和其他處理間的光合速率、胞間CO2濃度和氣孔導度均無顯著差異。

表4 銻脅迫對欣紅888 光合特性的影響Table 4 Effect of antimony stress on photosynthetic characteristics of Xinhong 888

2.3 銻脅迫對西瓜葉片生理指標的影響

2.3.1 銻脅迫對西瓜葉片SOD 活性的影響 由圖1 可知，3 個西瓜品種在不同銻濃度脅迫下，SOD活性含量變化不同。麒麟先鋒F1的SOD 活性隨著銻濃度增加而逐漸降低，在400 mg·kg-1銻濃度處理下降到最低值，較CK 顯著下降52.9%；澳華西農八號的SOD 活性在200 mg·kg-1銻濃度處理下最低，顯著低于其他處理，較CK 顯著降低23.0%，在400 mg·kg-1銻濃度處理下SOD 活性最高，顯著高于其他處理，較CK 顯著提高73.1%；欣紅888 在50 mg·kg-1銻濃度處理下SOD 活性降到最低值，較CK 顯著降低23.5%，在400 mg·kg-1銻濃度處理下SOD 活性最高，顯著高于其他處理，較CK 顯著提高38.3%。整體來看，400 mg·kg-1銻濃度處理會顯著提高澳華西農八號和欣紅888 的SOD 活性，而顯著降低麒麟先鋒F1的SOD 活性。

圖1 銻脅迫對西瓜葉片SOD 活性的影響Fig.1 Effect of antimony stress on SOD activity of watermelon leaves

2.3.2 銻脅迫對西瓜葉片CAT 活性的影響 由圖2 可知，麒麟先鋒F1在50 和200 mg·kg-1銻濃度處理下，CAT 活性分別比CK 顯著提高37.1%和33.9%，在400 mg·kg-1銻濃度處理下顯著低于CK；澳華西農八號在50 和100 mg·kg-1銻濃度處理下CAT 活性顯著高于CK，其中100 mg·kg-1銻濃度處理CAT 活性達到最大值，比CK 顯著提高46.8%；欣紅888 僅在100 mg·kg-1銻濃度處理下的CAT 活性高于CK，但差異不顯著。整體來看，低濃度（50～200 mg·kg-1）銻處理會提高3 個西瓜品種葉片的CAT 活性，而高濃度銻處理則表現出抑制作用。

圖2 銻脅迫對西瓜葉片CAT 活性的影響Fig.2 Effect of antimony stress on CAT activity of watermelon leaves

2.3.3 銻脅迫對西瓜葉片POD 活性的影響 由圖3 可知，3 個西瓜品種在不同銻濃度處理下的POD活性均高于CK。其中麒麟先鋒F1在50 mg·kg-1銻濃度處理下，POD 活性達到最大值，較CK 顯著升高192.5%；澳華西農八號在100 mg·kg-1銻濃度處理下，POD 活性達到最大值，較CK 顯著升高131.4%；這2 個西瓜品種的POD 活性隨著銻濃度升高，總體表現出“低促高抑”現象。欣紅888 隨著銻濃度的升高，葉片POD 活性不斷升高，在400 mg·kg-1銻濃度處理下，POD 活性達到最大值，較CK 顯著升高133.2%。

2.3.4 銻脅迫對西瓜葉片MDA 含量的影響 由圖4 可知，麒麟先鋒F1在50、100 和400 mg·kg-1銻濃度處理下的MDA 含量均顯著高于CK，其中50 mg·kg-1銻濃度下MDA 含量最高，顯著高于其他處理，比CK 顯著增加121.6%；澳華西農八號在50 mg·kg-1銻濃度處理下的MDA 含量最高，顯著高于100 mg·kg-1銻濃度處理，與CK 和其他處理差異不顯著；欣紅888 在200 mg·kg-1銻濃度處理下的MDA 含量最高，顯著高于CK 和其他處理，比CK 顯著增加94.3%。總體來看，澳華西農八號和欣紅888 的MDA 含量呈現升-降-升-降趨勢，麒麟先鋒F1的MDA 含量呈現升-降-升趨勢，3個西瓜品種的MDA 含量最大值出現在不同的銻濃度處理中，其中50 mg·kg-1銻濃度能促進麒麟先鋒F1和澳華西農八號MDA 含量的增加，而200 mg·kg-1銻濃度能促進欣紅888 MDA 含量的增加。

圖4 銻脅迫對西瓜葉片MDA 含量的影響Fig.4 Effect of antimony stress on MDA content of watermelon leaves

3 討論與結論

隨著銻濃度升高，更多的銻會進入植物細胞中，與葉綠體蛋白質的巰基組結合，破壞葉綠體的結構和功能，干擾平衡的葉綠素酶活性比率，進而使葉綠素含量下降[13]。因此，葉綠素含量是評價植物受銻脅迫的重要生理指標。筆者的研究結果表明，不同銻濃度處理的麒麟先鋒F1的葉片葉綠素含量在坐果期和成熟期均低于CK，說明銻脅迫處理會降低葉綠素含量，與前人研究結果一致[13]。但不同西瓜品種響應銻脅迫的表現并不一致，澳華西農八號坐果期和成熟期的葉片葉綠素含量均在100 mg·kg-1銻濃度處理下達到最大值；而欣紅888坐果期的葉片葉綠素含量在400 mg·kg-1銻濃度處理下達到最大值，成熟期的葉片葉綠素含量在200 mg·kg-1銻濃度處理下達到最大值，均與CK 差異不顯著。這可能是不同品種響應銻脅迫的濃度不同造成的。光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導度作為重要的光合參數，是衡量植物逆境脅迫下光合強度的重要指標。筆者的試驗結果表明，成熟期銻脅迫下澳華西農八號的光合速率、蒸騰速率和氣孔導度隨處理濃度增大呈先升高后降低趨勢，而胞間CO2濃度逐漸升高，與賈茜茹等[14]研究結論相似。坐果期銻脅迫下麒麟先鋒F1的光合速率、蒸騰速率隨處理濃度增大呈先升高后降低的趨勢，胞間CO2濃度和氣孔導度逐漸升高，而坐果期欣紅888 在0～100 mg·kg-1銻濃度處理下的光合速率、蒸騰速率和氣孔導度呈先升高后降低的變化趨勢，與李二豹等[15]研究結果一致。李亞藏等[16]研究認為，胞間CO2濃度的大小是評判氣孔限制和非氣孔限制的依據，當光合速率、胞間CO2濃度和氣孔導度同時下降時，光合作用主要受到氣孔限制；如果葉片中光合速率降低，胞間CO2濃度升高，則可說明限制光合作用的因素是非氣孔。在筆者的試驗中，0～100 mg·kg-1銻濃度脅迫對欣紅888 葉片光合作用的限制由氣孔因素引起，氣孔導度升高導致光合結構和葉功能受到損害，進而引起光合作用減弱[17]。

植物在遭受干旱、寒冷、重金屬等脅迫條件下會產生活性氧（ROS），而過剩的ROS 會導致DNA、蛋白質的功能受損甚至細胞死亡。筆者的試驗結果表明，銻脅迫下澳華西農八號和欣紅888 在0～50 、100～200 mg·kg-1銻濃度下MDA 含量均升高；而麒麟先鋒F1在0～50、200～400 mg·kg-1銻濃度下MDA 含量均升高。通過MDA 含量能看出，澳華西農八號受到的脅迫要小于麒麟先鋒F1和欣紅888，說明銻脅迫對澳華西農八號的生長影響較小，澳華西農八號和欣紅888 在低濃度下提高MDA 含量，而在高濃度下抑制MDA 積累，與劉朝榮等[18]研究結果相似，可能是銻破壞了植物自身活性氧平衡及清除系統平衡，植物發生膜傷害。植物為了清除活性氧帶來的不利影響，體內啟動各種抗氧化酶，如POD、SOD、CAT 都會參與解除ROS 的毒害作用，而SOD 與清除活性氧自由基有關，POD、CAT 與清除H2O2有關[19]，當植物體內活性氧自由基的產生速度超出了植物清除活性氧的能力，就會引起傷害[20]。在筆者的研究中，澳華西農八號在0、50、100 mg·kg-1銻處理下SOD 活性變化不大，高濃度400 mg·kg-1銻處理下SOD 活性顯著提高，說明高濃度銻脅迫影響了澳華西農八號葉片清除活性氧的能力；麒麟先鋒F1隨著銻濃度增加，SOD 活性受到抑制；欣紅888 存在“低抑高促”現象，與前人研究結論相似。Chal 等[21]研究表明，銻能降低苧麻的SOD 活性，也存在明顯濃度效應，澳華西農八號和欣紅888 在50 mg·kg-1銻濃度處理下降低了SOD活性，隨著銻濃度增加，在400 mg·kg-1銻濃度處理下SOD 活性升高，這與耿麗莎等[19]的研究結論相似，可能是西瓜對高濃度銻脅迫產生適應機制，在高濃度銻脅迫下SOD 活性升高。

綜上所述，銻脅迫對西瓜葉片的光合生理特性具有重要影響，引發生理指標的變化。澳華西農八號在成熟期的光合速率、蒸騰速率和氣孔導度隨著銻濃度的增加呈先升高后降低的趨勢，胞間CO2濃度呈升高趨勢。澳華西農八號和欣紅888 的SOD活性出現“低抑高促”現象，澳華西農八號和麒麟先鋒F1的CAT 活性出現“低促高抑”現象；3 個西瓜品種在不同銻濃度處理下的POD 活性均高于CK。3 個西瓜品種對銻脅迫的生理反應有一定差異，澳華西農八號內部響應銻脅迫的機制更為完善。