甜瓜幼苗對逆境脅迫的生理響應(yīng)及抗逆性綜合評價

趙衛(wèi)星，劉喜存，李曉慧，徐小利，常高正，梁慎，康利允，高寧寧

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所，河南鄭州450002;2.新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學院，河南新鄉(xiāng)453000)

甜瓜幼苗對逆境脅迫的生理響應(yīng)及抗逆性綜合評價

趙衛(wèi)星1，劉喜存2，李曉慧1，徐小利1，常高正1，梁慎1，康利允1，高寧寧1

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所，河南鄭州450002;2.新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學院，河南新鄉(xiāng)453000)

為闡明逆脅迫對甜瓜幼苗傷害的生理機制及綜合抗逆性品種選育篩選與應(yīng)用提供理論依據(jù)，以熟性不同的薄皮甜瓜F13-18、F14-20為試驗材料，測定了幼苗期不同逆境脅迫條件下與抗逆性有關(guān)的可溶性蛋白質(zhì)(SP)、葉綠素(Chl)、游離脯氨酸(Pro)、丙二醛(MDA)的含量和保護性酶活性等生理指標。結(jié)果表明，苗期逆境脅迫增加了SP、Pro、MDA含量及細胞膜的透性(TDS)，提高了超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)的活性，降低了Chl含量及葉綠素a與葉綠素b的比值(Chla/b)，但不同逆境脅迫的生理機制有差異，整體表現(xiàn)為干旱、水分脅迫對葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及光合特性的影響較大，低溫、鹽脅迫對葉片保護性酶活性影響較大。利用主成分分析對苗期抗逆性生理指標進行評價，Chl、Chla/b、POD、SOD可作為早熟品種F13-18苗期綜合抗逆性的鑒定指標，Chl、Pro、TDS、POD可作為中晚熟品種F14-20苗期綜合抗逆性的鑒定指標。

甜瓜;逆境脅迫;生理響應(yīng);主成分分析;綜合評價

甜瓜作為世界重要的十大果品之一，是近年來發(fā)展較快、產(chǎn)品增加較多的經(jīng)濟作物。據(jù)統(tǒng)計，2014年我國甜瓜栽培面積為43.89萬hm2，產(chǎn)量1475.80萬t［1］，是世界上種植面積最大的國家之一。但在育苗過程中，經(jīng)常會遇到不同程度的逆境條件，不僅給正常生長帶來危害，嚴重時還會造成植株早衰［2－3］。因此，深入探討甜瓜對逆境脅迫的生理響應(yīng)，對逆境脅迫條件的提前預(yù)判和預(yù)防具有重要的理論和實際意義。近年來，國內(nèi)外很多學者開展了甜瓜抗逆性方面的研究，并篩選出許多與抗逆性有關(guān)的生理指標。王霞霞等［4］的研究結(jié)果表明，隨土壤濕度降低，薄皮甜瓜葉片細胞膜完整性降低，SP和Chl含量先降后升，Pro含量及POD活力先升后降;張玉鑫［5］研究認為，隨著NaCl濃度的增加，甜瓜葉片的Pn逐漸減小，細胞膜相對透性、MDA含量逐漸增大，POD、SOD活性在短期內(nèi)均有不同程度的提高;王興虎［6］的研究結(jié)果顯示，低溫使甜瓜幼苗的細胞膜相對透性增大，MDA含量升高，SOD、POD活性隨著溫度降低和持續(xù)時間延長呈現(xiàn)先升后降的趨勢，且細胞膜透性、MDA含量以及SOD、POD、CAT活性可以作為厚皮甜瓜耐低溫性鑒定依據(jù);戶金鴿等［7］研究認為哈密瓜苗期干旱脅迫增加了Pro、甜菜堿、MDA和可溶性糖含量及SOD和POD的活性，同時減少了Chl含量，Pro、MDA、可溶性糖、SOD、POD、Chl均可作為哈密瓜苗期抗旱性的鑒定指標。但這些研究多集中在單一逆境條件下，甜瓜生理特性的變化趨勢及抗逆指標的篩選，在抗逆品種選育與應(yīng)用中有一定的局限性。而關(guān)于甜瓜對不同逆境脅迫共同生理應(yīng)答反應(yīng)的研究鮮有報道。本文以2種不同類型的薄皮甜瓜為研究對象，探討其苗期對逆境脅迫的響應(yīng)，并利用主成分分析法篩選各種逆境條件下共同的抗逆性鑒定指標，為詮釋逆境對甜瓜幼苗傷害的作用機理和綜合抗逆性品種選育、引進與應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試品種:F13-18、F14-20，分別為早熟和中晚熟薄皮甜瓜品種，由河南省農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所選育。

1.2 試驗方法

將供試材料于60℃熱水中攪拌10 min左右，自然冷卻，浸種3 h置于28℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽，90%上的種子露白時即播種于穴盤中，基質(zhì)以草炭和珍珠巖按體積比3∶1配制。當幼苗生長到2葉1心時，選擇生長一致的幼苗，進行不同的脅迫處理:①低溫脅迫處理:將幼苗置于8℃環(huán)境中處理6 h，每3 d處理1次，模擬低溫條件;②干旱脅迫處理:噴淋50 mL含150 g/L聚乙二醇(PEG6000)的Hoagland完全營養(yǎng)液，每3 d處理1次，模擬干旱條件;③鹽脅迫處理:噴淋50 mL含200 mmol/L NaCl的Hoagland完全營養(yǎng)液，模擬鹽害條件;④水分脅迫處理:將穴盤放入裝有水的托盤中，水面始終保持3 cm高度，模擬水淹條件。各處理均在生長過程中噴淋50mLHoagland完全營養(yǎng)液維持幼苗生長所需的營養(yǎng)，以正常生長條件下，噴淋相同數(shù)量的Hoagland完全營養(yǎng)液的幼苗為對照，每個處理3次重復。

1.3 測定項目及方法

甜瓜幼苗生長至4葉1心時，分別進行以下生理指標的測定。葉綠素(Chl)含量，采用采用浸泡提取法;可溶性蛋白含量(SP)，采用考馬斯亮藍法;超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用氮藍四唑光化還原法;過氧化物酶(POD)活性，采用愈創(chuàng)木酚法;脯氨酸含量(Pro)，采用酸性茚三酮法;丙二醛(MDA)含量，采用定用硫代巴比妥酸顯色法;以測定方法上均參照李合生編著的《植物生理生化試驗原理和技術(shù)》［8］。細胞膜相對透性(相對電導率TDS)，采用電導法［9］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007和DPS 7.05軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析，多重比較采用Duncan’s新復極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 逆境脅迫對葉片可溶性蛋白質(zhì)(SP)和葉綠素總(Chl)含量影響

可溶性蛋白質(zhì)是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)，其增加和積累對細胞的生命物質(zhì)及生物膜起到保護作用［10］。不同逆境脅迫均可提高甜瓜幼苗葉片可溶性蛋白質(zhì)含量，不同甜瓜品種可溶性蛋白質(zhì)含量對逆境脅迫的響應(yīng)有明顯差異(表1)。干旱、鹽、水分脅迫處理F13-18幼苗葉片SP含量均顯著高于CK，低溫脅迫處理與CK差異不顯著;干旱脅迫處理F14-20幼苗葉片SP含量顯著高于CK，其他脅迫處理與CK無顯著差異。結(jié)果表明，蛋白質(zhì)在逆境脅迫中起到了滲透調(diào)節(jié)的作用，且對干旱脅迫的調(diào)節(jié)能力較強。

葉綠素是綠色植物進行光合作用的重要場所，其含量的提高有利于植物積累更多的光合產(chǎn)物，提高植物抗逆境的能力［11］。不同逆境脅迫甜瓜幼苗Chl含量均顯著低于CK(表1)，對于早熟品種F13-18而言，干旱脅迫處理對Chl含量影響最大，其顯著低于其他處理，水分脅迫次之，其含量顯著低于低溫和鹽脅迫處理，低溫和鹽脅迫處理之間無顯著差異;不同逆境脅迫處理中晚熟品種F14-20，幼苗Chl含量無顯著差異。說明，逆境脅迫抑制了甜瓜幼苗葉綠素的合成，且干旱、水分脅迫對早熟品種的影響較大。

Chla/b值的高低反映植物對光能的利用程度［12］。不同逆境脅迫處理甜瓜幼苗Chla/b值有明顯差異(表1)，除低溫脅迫處理與CK間差異不顯著外，其他處理均顯著低于CK。各種逆境脅迫處理早熟品種F13-18，Chla/b之間無顯著差異，鹽脅迫處理中晚熟品種F14-20，其比值顯著低于低溫脅迫處理，且其他處理間無顯著差異。說明，干旱、鹽、水分脅迫不利于甜瓜幼苗對光能利用。

表1 逆境脅迫對甜瓜幼苗葉片SP和Chl含量影響Table 1 Effect of different adversity stresses on SP and Chl contents ofmelon leaves

2.2 逆境脅迫對葉片Pro、MDA含量及TDS的影響

當甜瓜幼苗受到逆境條件時，其體內(nèi)Pro含量均顯著高于CK(表1)。其中，干旱、水分脅迫處理對早熟品種F13-18幼苗Pro影響較大，其含量顯著高于低溫脅迫，但與鹽脅迫處理間差異不顯著;干旱脅迫處理對中晚熟品種F14-20幼苗Pro影響較大，其含量顯著高于水分、低溫脅迫處理，但與鹽脅迫處理間差異不顯著，低溫脅迫處理對其影響較小，顯著低于其他處理。說明，逆境脅迫處理會使Pro在甜瓜幼苗體內(nèi)大量積累，以增加耐脅迫能力，干旱脅迫Pro的積累量最多，低溫脅迫積累積累量最少。

丙二醛(MDA)是膜脂過氧化降解的主要產(chǎn)物，也是衡量膜脂過氧化程度的重要指標［13］。不同逆境脅迫均可提高甜瓜幼苗葉片MDA含量(表1)，對于早熟品種F13-18而言，逆境脅迫處理，其含量顯著高于CK，干旱脅迫處理甜瓜幼苗葉片MDA含量較高，顯著高于其他處理，水分和鹽脅迫處理次之，低溫脅迫處理最小;除干旱、水分脅迫處理中晚熟品種F14-20甜瓜幼苗葉片MDA含量顯著高于CK外，其他處理與CK間差異不顯著。說明，干旱、水分脅迫處理細胞質(zhì)膜受傷害程度較大，低溫脅迫處理其受傷害程度較小。

細胞膜是細胞感受環(huán)境脅迫最敏感的部位，相對電導率是衡量細胞膜透性的重要指標［14］。不同逆境脅迫處理甜瓜幼苗葉片相對電導率均有不同程度的增加(表2)，對于早熟品種F13-18而言，逆境脅迫處理與CK間差異達顯著水平，鹽脅迫處理相對電導率最高，干旱和水分脅迫處理次之，低溫脅迫處理較低;對于早熟品種F13-18而言，除低溫脅迫處理甜瓜幼苗葉片相對電導率與CK間差異不顯著外，其他脅迫處理均顯著高于CK，且水分迫處理相對電導率最高，鹽脅迫處理次之，干旱相對較低。說明，逆境脅迫處理對甜瓜葉片細胞膜造成了一定傷害，引起細胞膜透性的增加;其中，干旱脅迫處理對早熟品種的傷害較重，水分脅迫對中晚熟品種的傷害較重。

2.3 逆境脅迫對葉片POD、SOD酶活性影響

POD、SOD是植物體內(nèi)清除自由基的保護酶，其活性的高低影響植物體內(nèi)自由基產(chǎn)生和清除之間的平衡，關(guān)系到細胞膜系統(tǒng)受保護程度［15］。不同逆境脅迫均可提高甜瓜幼苗葉片POD、SOD酶活性(表3)，除鹽脅迫處理F14-20葉片POD活性與CK差異不顯著外，其他逆境處理均與CK間達顯著水平，且水分、低溫脅迫對葉片POD活影響較大，干旱、鹽脅迫次之。鹽脅迫處理甜瓜葉片SOD活性均與CK間達顯著水平，其中，鹽、低溫脅迫影響較大，干旱、水分脅迫次之。說明，逆境脅迫處理使甜瓜啟動自身的保護系統(tǒng)來清除體內(nèi)因脅迫引起的活性氧，以保護膜系統(tǒng)。

表2 逆境脅迫對甜瓜幼苗葉片Pro、MDA含量及TDS影響Table 2 Effects of different adversity stresses on Pro，MDA contents and TDS ofmelon leaves

表3 逆境脅迫對甜瓜幼苗葉片POD、SOD酶活性影響Table 3 Effects of different adversity stresses on POD and SOD activity ofmelon leaves

表4 2種甜瓜幼苗抗逆性綜合評價主成分分析Table 4 The principal component analysis of comprehensive appraisal of two orientalmelon species stress-resistant abilities

2.4 2種甜瓜品種抗逆性綜合評價

通過對2種甜瓜的8個生理特性指標進行抗逆性主成分分析，可將8個生理指標轉(zhuǎn)化為4個主成份，以第1、2個主成份貢獻率最大，其累計貢獻率分別可達94.02%、81.13%，即第1、2個主成份已經(jīng)基本攜帶了8個抗逆指標80%以上的信息(表4)。由表4可以看出，Chl、Chla/b、POD、SOD可作為早熟品種F13-18苗期綜合抗逆性的鑒定指標，Chl、Pro、TDS、POD可作為中晚熟品種F14-20苗期綜合抗逆性的鑒定指標。

3 討論

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，植物在受到不同環(huán)境脅迫時，會對其造成一定的傷害，產(chǎn)生一系列物質(zhì)代謝上的變化，主要表現(xiàn)在細胞膜統(tǒng)受破壞、酶活性受影響，從導而致細胞代謝紊亂［16－17］。因而，植株體內(nèi)SP、Chl、Pro、MDA含量及相關(guān)保護酶活性在一定程度上可以反映植物遭受逆境的情況及其對逆境的抵抗能力。本研究結(jié)果也證實了這一點，即逆境脅迫提高了2種甜瓜幼苗葉片SP、Pro、MDA含量和POD、SOD活性及降低Chl含量，通過體內(nèi)相關(guān)生理特性的變化，有效緩解逆境造成的傷害，并在一定程度上提高了2種甜瓜對逆境的抵抗能力。但不同品種對逆境脅迫的生理反應(yīng)有很大差異，這可能與品種自身耐受程度有很大關(guān)系，其具體原因還有待進一步研究。

由于植物抗逆性是受多基因控制的數(shù)量性狀，利用單項指標評價其抗逆性，則具有一定的片面性［18－19］。因此本試驗利用主成分分析方法將7個單項指標綜合成為4個綜合指標，從而使各種逆境脅迫下生理特性的響應(yīng)值差異具有可比性，Chl、Chla/b、Pro、POD、SOD等分別可作為早熟品種F13-18和中晚熟品種F14-20苗期綜合抗逆性的鑒定指標，這與田彥彥［20］及劉旻霞等［21］對其他作物的研究的觀點基本一致，同時，本試驗還證實細胞膜透性(TDS)與中晚熟品種苗期綜合抗逆性也有一定關(guān)系。同一種植物在不同生育階段或不同的生境條件下抗逆能力有所不同，本試驗僅選擇甜瓜4葉1心期和中度逆境條件下部分生理特性篩選抗逆性指標，可能會對試驗結(jié)果造成一定誤差。因此，應(yīng)依據(jù)品種特性，選擇適當?shù)纳龝r期和逆境脅迫條件，探索多種逆境植株體內(nèi)共同的生理應(yīng)答，為詮釋適應(yīng)各種逆境共同途徑的基因表達提供重要的信息。

4 結(jié)論

在本試驗條件下，逆境脅迫均增加了2種甜瓜苗期葉片可溶性蛋白質(zhì)、Pro、MDA含量和細胞膜的透性，提高了SOD、POD的活性，降低了Chl含量及Chla/b，說明逆境脅迫通過傷害甜瓜植株體細胞膜和破壞光合系統(tǒng)影響生長發(fā)育，同時植株體自身有通過維持細胞膨壓、降低植物滲透勢及啟動保護系統(tǒng)，有效地清除氧自由基，保護生物膜的結(jié)構(gòu)與功能免受進一步傷害。但不同逆境脅迫的生理機制有差異，整體表現(xiàn)為干旱、水分脅迫對植株滲透調(diào)節(jié)物含量及光合特性的影響較大，低溫、鹽脅迫對植株體保護性酶活性影響較大。Chl、Chla/b、POD、SOD可作為早熟品種F13-18苗期綜合抗逆性的鑒定指標，Chl、Pro、TDS、POD可作為中晚熟品種F14-20苗期綜合抗逆性的鑒定指標。

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(責任編輯 李潔)

Physiological Responses of M uskmelon Seedlings to Different Adversity Stresses and Synthetical Evaluation of Stress Resistance

ZHAOWei-xing1，LIU Xi-cun2，LIXiao-hui1，XU Xiao-li1，CHANG Gao-zheng1，LIANG Shen1，KANG Li-yun1，GAO Ning-ning1
(1.Institute of Horticulture，Henan Academy of Agricultural Sciences，Henan Zhengzhou 450002，China;2.Xinxiang Academy of Agricultural Sciences，Henan Xinxiang 453000，China)

The physiologicalmechanism of injury on Muskmelon under adversity stresseswaselucidated to provide theoretical basis for screening and application of resistant variety.Early-maturing variety F13-18 and middle-late variety F14-20 were used as the testmaterials，contents ofsoluble protein，chlorophyll，free proline，malondialdehyde and protective enzyme connected with resistance by cold，drought，salt and water stress at the seedlings stage were determined.Adversitystress of seedlings stage increased the contents of soluble protein，chlorophyll，free proline，malondialdehyde，raised the activity of SOD and POD，reduced the content of chlorophyll and Chla/b.But therewere different copingmechanismsbetween different typesof adversity stresses，in awhole，cold and water stresshad larger effectson osmoregulation matters content and photosynthetic characteristics，and drought and salt stress had larger effects onprotective enzyme activity.The physiological indexes of stress resistance were evaluated by principal component analysis.The contentsof chlorophyll，Chla/b and the activity of SOD and POD could be used as the indicators of Stress resistance identification at the seedlingsstage of Early-maturing variety F13-18，and the contents of chlorophyll，free proline，permeability of cellmembrane and PODactivity could be used as ones ofmiddle-late variety F14-20.

Muskmelon;Adversity stress;Physiological responses;Principal component analysis;Synthetical evaluation

S642

A

1001－4829(2017)2－0322－05

10.16213/j.cnki.scjas.2017.2.014

2016－04－13

國家西甜瓜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項目(CARS-26);河南省科技攻關(guān)項目(162102110099);河南省農(nóng)業(yè)科學院科研發(fā)展專項(20157804)

趙衛(wèi)星(1978－)，男，河南上蔡人，副研究員，博士，主要從事西甜瓜育種及栽培生理方面研究，Tel:0371-65748477，E-mail:wxzhao2008@163.com。