黃瓜幼苗耐低溫性機理的分析

閻世江，張建軍，張繼寧，劉 潔

(1 山西省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所,山西 太原，030031；2 鞍山市園藝科學研究所；3 山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)科技信息研究所)

黃瓜(CucumissativusL)又稱胡瓜、王瓜，起源于喜馬拉雅山南麓的熱帶雨林地區(qū)，屬葫蘆科1年生草本蔓生攀緣植物，喜溫，對低溫的反應很敏感[1]，隨著人民生活水平的提高，冬春季對黃瓜的需求越來越高，在這段時間里進行栽培，低溫成為最主要的限制因素。相對于番茄、辣椒等蔬菜而言，有關黃瓜耐低溫性的研究起步較晚，目前，對于耐低溫的機理已有研究，僅限于生長發(fā)育[2]、SOD活性、POD活性[3，4]、物質(zhì)代謝[5]等層面，筆者認為上述的研究僅從某一方面入手，較為片面。本研究利用幾份不同遺傳來源耐低溫性不同的黃瓜高代自交系，給予其低溫處理，研究耐低溫性、株高、莖粗、APX活性、脯氨酸含量、NR活性、Ca2+-ATP活性等指標的變化規(guī)律，試圖從生長指標、生理指標等方面多角度綜合闡述黃瓜耐低溫性的機理，以期為黃瓜抗逆育種奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選取9504，9506，9507，9511，9514，9517等耐低溫性不同的6份材料，上述材料均來源于華北型密刺類黃瓜。

1.2 方法

耐低溫性分級標準如下：0級，全株受凍死亡或接近死亡；1級，秧苗各葉片普遍受凍，其中3～4葉受凍面積大于50%；2級，秧苗3～5葉受凍，其中2～3葉受凍面積大于50%；3級，秧苗2～4葉受凍，其中1～2葉受凍面積大于50%；4級，秧苗1～2葉受凍，受凍面積20%～30%；5級，秧苗生長正常，無任何受凍癥狀。

數(shù)據(jù)分析采用DPS軟件，Excel統(tǒng)計并制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 幼苗的耐低溫性

9504和9507的耐低溫性最高，達4.000以上，9511和9514的耐低溫性居中，在4.000左右，9506和9517的耐低溫性最低，在2.100以下(圖1)。

圖1 各黃瓜材料幼苗的耐低溫性

2.2 生長指標

在常溫下各材料的株高、莖粗差異不顯著，株高達12.100～12.600 cm(圖2)，莖粗為4.110～4.240 mm(圖3)。經(jīng)低溫處理，各材料均呈下降的態(tài)勢，9504和9507保持在較高的水平，株高在12.500 cm，莖粗在3.687 mm以上，9506和9517在較低的水平，株高在7.000 cm以下，莖粗在1.900 mm以下，9511和9514的株高莖粗保持在中等水平。

圖2 低溫下各材料幼苗株高的變化 圖3 低溫下各材料幼苗莖粗的變化

2.3 生理指標

在常溫下各材料的APX活性的差異不顯著，在0.802～0.912 U之間，低溫處理后差異達顯著水平，9504及9507的含量較高，達2.204，2.104 U；9506和9517分別達1.303，1.403 U；其余材料的活性居中(圖4)。

在常溫下各材料的脯氨酸含量在248.774～256.820 μg·g-1之間，差異較小，未達顯著水平(圖5)。經(jīng)低溫處理后，所有材料的脯氨酸含量均比對照有所增加，9504和9507的含量最高，為451.372，452.819 μg·g-1；9511和9514在處理后的含量居中，為358.116，359.288 μg·g-1；而耐低溫性較弱的9506和9517等2份材料處理后的脯氨酸含量最低，分別為308.716，306.241 μg·g-1。

圖4 低溫下各材料APX活性的變化 圖5 低溫下各材料幼苗脯氨酸含量的變化

在常溫下，各材料的NR活性在1.002～1.102 U之間，未達顯著水平(圖6)。經(jīng)過低溫處理，NR活性下降，9504和9507的NR活性達0.752，0.741 U；9511和9514分別達0.501，0.511 U；9506和9517較低，分別達0.311和0.301 U。

在常溫下，各材料的Ca2+-ATP活性未達顯著水平(圖7)；在低溫下，9504和9507的Ca2+-ATP活性較高，分別為21.172，22.829 U；9506和9517較低，分別達12.776，13.245 U；9511和9514的活性居中。

圖6 低溫下各材料NR活性的變化 圖7 低溫下各材料幼苗Ca2+-ATP活性的變化

2.4 幼苗耐低溫性與各性狀的相關分析

由于各指標在常溫下的差異未達顯著水平，因此運用在低溫處理后的數(shù)據(jù)計算與黃瓜幼苗耐低溫性的相關系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，各材料的耐低溫性與株高、脯氨酸含量呈顯著正相關，與APX活性、Ca2+-ATP活性呈正相關，與NR活性呈負相關，未達顯著水平；而耐低溫性與莖粗的相關系數(shù)很小，分別為0.080，關系較小(表1)。

表1 耐低溫性與各性狀的相關系數(shù)

注：*表示相關系數(shù)達到0.05顯著性。

3 討 論

株高、莖粗是常見的農(nóng)藝性狀，其變化是植物對外界脅迫的綜合反應，也是評估脅迫程度和植物抗逆能力的可靠標準。大量研究表明，低溫脅迫條件下，植物生長受到抑制，株高、莖粗呈下降的趨勢，脅迫程度越高，下降現(xiàn)象越明顯[9，10]，這與筆者的結(jié)論相同，這是因為在低溫下黃瓜的生長、物質(zhì)積累放緩造成的。但耐低溫較強的材料仍維持其緩慢生長，保持一定的生物量增加，具有相對較高的生長量，表現(xiàn)出低溫下株高、莖粗較高，這與育種家的設想一致。

APX是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，主要功能是分解H2O2。已有試驗報道，在一定范圍內(nèi)，逆境條件能夠誘導APX活性的提高[11～13]。本試驗結(jié)果表明，黃瓜在受到低溫脅迫后，APX活性明顯上升，上升程度與耐低溫型密切相關，在逆境條件下，植物體內(nèi)活性氧自由基超量積累和抗氧化系統(tǒng)清除自由基能力下降是導致植物細胞傷害的主要原因。APX是植物體重要的抗氧化酶類，能夠通過催化抗壞血酸的氧化還原代謝，清除多種活性氧自由基。

植物在低溫逆境條件下，都可以引起脯氨酸含量的明顯增加[6]。關于脯氨酸與低溫逆境的報道國內(nèi)外很多，就目前研究情況來看，大多都認為在低溫脅迫下，植物體內(nèi)的脯氨酸量會增加，且耐低溫性強的材料的增加幅度大于耐低溫弱的[14，15]。本試驗的結(jié)論與之相同。在低溫逆境中脯氨酸累積主要存在3個方面的原因：脯氨酸合成加強，脯氨酸氧化作用受抑，蛋白質(zhì)合成減弱。何若韞[16]認為脯氨酸的積累，不僅維持細胞的膨壓，而且使細胞具有很高的水勢，能為代謝的正常進行提供足夠的自由水。同時脯氨酸具有極性，對生物體的多聚體的空間結(jié)構(gòu)有保護作用，改善細胞膜和其它高分子物的水環(huán)境，增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。游離脯氨酸還能促進蛋白質(zhì)水合作用，由于親水、疏水表面的相互作用對水分有效滲透調(diào)節(jié)，提高抵御低溫的能力。

有關Ca2+-ATP與低溫關系的研究已有報道，多認為低溫下Ca2+-ATP活性上升，與耐低溫性呈正相關[19]，本研究結(jié)論與之類似。其原因是在低溫環(huán)境下不耐低溫的植物細胞的質(zhì)膜和核膜中Ca2+-ATP酶失活，胞質(zhì)內(nèi)和核內(nèi)Ca2+的增加不能被泵回胞外或鈣庫，細胞死亡，而耐低溫植物在低溫處理時Ca2+-ATP酶活性升高，胞質(zhì)內(nèi)和核內(nèi)Ca的增加能及時被泵回胞外或鈣庫中，所以細胞的存活率高。筆者推測在低溫條件下，較高的Ca2+-ATP酶活性，將有利于維持胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)平衡，這可能是耐冷型品種耐低溫性較強的生理學基礎之一。

綜上所述，在低溫下黃瓜的生長受到抑制株高、莖粗下降，APX活性、脯氨酸含量、Ca2+-ATP上升，NR活性下降，耐低溫性與株高、脯氨酸含量呈顯著正相關；與其余性狀的相關未達顯著水平，耐低溫性與莖粗的關系不密切。說明黃瓜幼苗耐低溫的實質(zhì)是低溫下黃瓜的生長受到一定程度的抑制，但能夠通過調(diào)節(jié)自身的生理指標來減輕低溫的傷害，維持植物體的正常生長及生理代謝功能，從而表現(xiàn)出一定的耐低溫潛力。

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