鎂營養(yǎng)對西瓜葉綠素?zé)晒馓匦约吧泶x的影響

尤垂淮，林麗琳，陳 晟，吳宇芬，趙依杰，柯 彥，林新萍，施木田

（1. 福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院 福州 350002；2. 福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福州 350002；3. 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物資源研究所 福州 350003；4. 福州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所 福州 350019；5. 漳州城市職業(yè)學(xué)院 漳州 363000）

0 引言

【研究意義】西瓜（Citrullus lanatus）素有天生白虎湯之稱，原產(chǎn)地為非洲，滋味甘甜，細爽多汁，素有“夏季水果之王”的美譽，另外，西瓜因富含糖、酸、鹽等物質(zhì)而具有降血壓、治療腎炎的作用，兼具美容功效，常吃西瓜能增加皮膚的光澤度和彈性[1]。我國是世界上西瓜種植面積最大，產(chǎn)量最高，且消費量最大的國家[2]。然而在西瓜種植過程中經(jīng)常出現(xiàn)鎂肥施用不當(dāng)而間接影響西瓜產(chǎn)量和品質(zhì)，造成嚴重經(jīng)濟損失[3]。課題組前期調(diào)研，發(fā)現(xiàn)不少西瓜產(chǎn)區(qū)葉片缺鎂現(xiàn)象嚴重，初步研究表明缺鎂導(dǎo)致西瓜葉片葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白含量下降[4-5]。鎂元素（magnesium，Mg）是植物生長發(fā)育不可或缺的中量元素，是植物體內(nèi)葉綠素的重要成分，在維持葉綠體結(jié)構(gòu)與功能等方面起著重要作用[6]。研究發(fā)現(xiàn)在我國耕地面積中，土壤缺鎂面積占6%[7]，另外隨著工業(yè)現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，許多地區(qū)酸雨頻發(fā)，導(dǎo)致酸性土壤Mg2+流失嚴重[8]，使耕作土壤缺鎂問題更加突出。此外，在追求作物高產(chǎn)和經(jīng)濟高效的過程中，當(dāng)?shù)V物質(zhì)肥料沒有及時補施時，農(nóng)作物的高強度輪作和密集種植進一步加劇了土壤鎂元素的消耗。同時，過量施用鎂肥不僅會造成肥料浪費且也會抑制植物生長發(fā)育，這又直接阻斷了農(nóng)民為了補充植物鎂素營養(yǎng)大量施用鎂肥的途徑。因此，開展鎂素營養(yǎng)對西瓜生長發(fā)育的影響及其生理響應(yīng)的差異研究，明確西瓜生長所需的鎂素濃度范圍，對生產(chǎn)上指導(dǎo)西瓜栽培具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】前人研究表明鎂是植物生長和發(fā)育過程中所必需的中量營養(yǎng)元素，其含量的缺乏和過量均會對植物的正常生長及產(chǎn)量和品質(zhì)造成影響[9]。植物代謝過程中關(guān)鍵酶活性和細胞色素的合成會因缺鎂而受阻[10]。缺鎂導(dǎo)致葉片過氧化氫（hydrogen peroxide H2O2）、超 氧 陰 離 子（·O2-）及 丙 二 醛（malondialdehyde MDA）含量積累，細胞膜系統(tǒng)和葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞，植物的光合色素含量減少，進而導(dǎo)致凈光合速率和葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)[Fv/Fm和Y（Ⅱ）]的降低，抑制作物生長[911-12]。王芳等[13]等研究表明，大豆（Glycine max）經(jīng)缺鎂處理后，葉片MDA含量顯著上升，反之，施鎂后大豆葉片MDA含量顯著下降，大豆抗膜脂過氧化脅迫的能力提高。課題組前期研究發(fā)現(xiàn)鎂元素顯著影響小白菜（Brassica chinensis）和苦瓜（Momordica charantia）生物量的積累，小白菜、苦瓜在缺鎂處理下產(chǎn)生大量·O2

-，葉片MDA含量增加，葉綠素含量下降，而適量施用鎂肥（40 ～50 mg·L-1）能夠顯著提高小白菜和苦瓜的光合速率及抗氧化酶活性，促進作物生長[14-15]。與此同時，為了補充植物缺鎂現(xiàn)象，過量施用鎂肥也會抑制植物生長發(fā)育[16-18]。在鎂過量處理條件下，植株葉綠素含量會下降，生長受抑制，影響植物抗氧化系統(tǒng)，導(dǎo)致植株的株高、莖粗、根長、根系活力等均降低[16-18]?！颈狙芯康那腥朦c】目前，有關(guān)鎂缺失或過量對西瓜的生長及生理生化響應(yīng)的研究僅課題組前期進行初步研究[4-5]，尚未見鎂營養(yǎng)對西瓜葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊懠捌渖眄憫?yīng)差異的研究。本研究利用砂培試驗技術(shù)，選用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上較為常用的西瓜品種—黑美人，分析5個不同Mg2+濃度對西瓜農(nóng)藝性狀、果實品質(zhì)、葉綠素?zé)晒馓匦?、細胞膜透性、抗氧化系統(tǒng)的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究旨在探討西瓜響應(yīng)鎂脅迫的生長特性和生理代謝變化，明確西瓜對鎂素需求的適宜范圍，為指導(dǎo)鎂高效利用西瓜品種的選育及其科學(xué)種植提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設(shè)計

供試西瓜品種為黑美人，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上較為常用的品種，由福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物資源研究所提供。試驗于2014年3月在福州市農(nóng)科所玻璃溫室開展，采用砂質(zhì)培養(yǎng)（從花卉市場購買純石英砂粒作為植物生長介質(zhì)），營養(yǎng)液配方（Hoagland &Arnon配方）如表1所示[19]，選均勻一致且飽滿的西瓜種子，用溫湯浸種法進行處理，水冷后連續(xù)浸泡8 h，待種子吸水膨脹后，置30 ℃培養(yǎng)箱。待種子大部分露白后，將其播種到育苗盤上，保持一定的溫濕度。待小苗長兩葉一心時定植于裝有砂子的盆中，盆規(guī)格（35 cm×40 cm×40 cm），5 d后開始處理。

表1 營養(yǎng)液配方Table 1 Formulation of nutrient solution

本試驗鎂質(zhì)量濃度設(shè)為0 （缺鎂處理）、24、48、96、192 mg·L-1等5個處理，鎂源為MgSO4·7H2O，0 mg·L-1處理缺少的SO42-以K2SO4代替，每個處理6組重復(fù)，每組6株。前期間隔1 d澆一次營養(yǎng)液，待到瓜蔓旺盛生長時1 d澆一次，膨瓜期時遇炎熱天氣早晚各澆一次，每次300 mL，其他均按科學(xué)管理措施進行。分別于伸蔓期、盛花期和膨瓜期取西瓜上部相同部位葉片進行生理生化指標測定，樣品用液氮冷凍后保存于-80 ℃?zhèn)溆谩?/p>

1.2 測定指標與方法

在膨瓜期對西瓜的農(nóng)藝性狀進行測定，其中，株高：用直尺測量植株莖基部到生長點的高度；根長：用直尺測量根基部到根系末端的長度；根系體積：采用排水法測定根系體積；植株干重（包含根、莖、葉總和）：取長勢相似的植株，用蒸餾水沖洗干凈，用濾紙吸干植株表面的水分后置于105 ℃烘箱殺青15 min，70 ℃烘干至恒重，用電子天平測量干重。

西瓜生長至伸蔓期、盛花期和膨瓜期時分別對其葉片進行葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)測定，方法如下：利用多功能植物效率分析儀（M-PEA，Hansatech，英國）經(jīng)3000 μmol·m-2·s-1的脈沖光誘導(dǎo)，分別在西瓜伸蔓期、盛花期和膨瓜期的晴天早上10:00—11:00西瓜葉片快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線（OJIP）進行檢測分析，葉片選擇以主蔓及第一側(cè)蔓的第3或第4片功能葉為佳。參考李鵬民等[20]的計算方法，從OJIP誘導(dǎo)曲線中可獲得能夠反映西瓜光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的指標，包括如下參數(shù)：初始（最?。晒庵礔o，最大熒光值Fm，放氧復(fù)合體OEC，單位面積有活性反應(yīng)中心數(shù)目用RC/CSo表示，VJ表示J點相對可變熒光，Mo表示QA被還原的最大速率，Sm表示標準化后的在OJIP熒光誘導(dǎo)曲線和F=Fm之間的面積，用Ψo表示捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA－的其他電子受體的概率，φEo表示電子傳遞的量子產(chǎn)額，DIo/RC表示單位反應(yīng)中心耗散掉的能量，ABS/RC表示單位反應(yīng)中心吸收的光能，TRo/RC表示單位反應(yīng)中心捕獲的用于還原QA的能量。

西瓜生長至伸蔓期、盛花期和膨瓜期時，取靠近新葉同一葉位，測定生理生化指標，測定方法如下：還原型抗壞血酸（reduced ascorbic acid， AsA）和脫氧抗壞血酸（deoxyascorbic acid， DAsA）采用鉬藍比色法測定，細胞膜透性采用電導(dǎo)法測定[21]；可溶性糖和可溶性蛋白分別采用蒽酮-硫酸法和考馬斯亮藍法進行測定[22]；超氧化物歧化酶（superoxide dismutase， SOD）采 用 氮 藍 四 唑 （nitro-blue tetrazolium，NBT）光化還原法測定，過氧化氫酶（catalase，CAT）活性采用紫外吸收法測定，過氧化物酶（per oxidase，POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測定，MDA含量采用硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）比色法測定，游離脯氨酸（proline，Pro）含量用甲苯萃取法測定，抗壞血酸過氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）、脫氫抗壞血酸還原酶（dehydrogenation ascorbic acid reductase，DHAR）和單脫氫抗壞血酸還原酶（monodehydroascorbic acid reductase，MDAR）活性等的測定參照Nakano和Asada[23]的方法；谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GR）活性的測定參照Halliwell等[24]的方法；還原型谷胱甘肽（glutathione，GSH）、氧化型谷胱甘肽（oxidized glutathione，GSSG）含量的測定參照高俊風(fēng)[25]的方法。中心和邊緣可溶性固形物含量測定采用手持式折光儀測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Office 2016和DPS 7.05軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎂對西瓜生長發(fā)育及果實品質(zhì)的影響

表2顯示，隨著鎂質(zhì)量濃度的增加（0 mg·L-1～192 mg·L-1），西瓜的株高、根長、根系體積、地上部干重、根干重及生物產(chǎn)量均呈先增后降的趨勢，48 mg·L-1鎂處理時各指標均達到最大值，各處理間上述指標基本都達到顯著差異。與缺鎂（0 mg·L-1）相比，在48 mg·L-1鎂水平處理下西瓜株高、根長、根系體積、生物量分別增加58.25%、64.79%、113.75%、136.79%，而在缺鎂處理中，西瓜上述指標均最低。結(jié)果表明，適量施鎂能促進西瓜生長，提高西瓜生物量，且在鎂為48 mg·L-1時促進效果最顯著。

表2 不同施鎂量對西瓜生長發(fā)育的影響Table 2 Effect of different magnesium application on growth and development of C. lanatus

表型觀察發(fā)現(xiàn)（圖1），西瓜整體的缺鎂、低鎂癥狀表現(xiàn)為植株矮小，葉片稀少并且薄小，葉柄細弱，植株下部老葉先失綠，葉片從葉緣與葉尖開始出現(xiàn)黃化現(xiàn)象并逐漸擴展到脈間葉肉，在膨瓜期時西瓜缺鎂癥狀愈發(fā)嚴重，葉片葉尖焦枯，西瓜植株下部老葉幾乎變黃。鎂過量（192 mg·L-1）癥狀表現(xiàn)為西瓜植株矮小，葉片皺縮，葉緣輕微焦枯并向里卷曲，質(zhì)地脆，嚴重時可見大面積的焦枯葉緣或整葉焦枯如灼燒狀。在48 mg·L-1鎂水平處理下西瓜未表現(xiàn)不良癥狀，其葉片厚大且顏色深綠。缺鎂、低鎂及鎂過量時西瓜從盛花期開始葉片先后出現(xiàn)以上情況，進入膨瓜期其癥狀逐漸明顯。

圖1 不同施鎂量對西瓜不同生育期葉片形態(tài)的影響Fig. 1 Effects of different magnesium application on leaf morphology of varied genotypes of C. lanatus at different growth stages

從表3可知，西瓜可溶性固形物（中心可溶性固形物和邊緣可溶性固形物）、可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C等物質(zhì)的含量隨鎂質(zhì)量濃度的增加均呈先增后降的趨勢，且在48 mg·L-1鎂處理下均達到最大值，且都達到顯著性差異，當(dāng)鎂高于48 mg·L-1時各處理上述指標下降但都比缺鎂處理的高，說明缺鎂對西瓜品質(zhì)的影響比過量鎂大，施鎂有助于提高西瓜果實品質(zhì)。

表3 不同施鎂量對西瓜果實品質(zhì)的影響Table 3 Effect of different magnesium application on fruit quality of C. lanatus

2.2 鎂對西瓜葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h3>

2.2.1 鎂對西瓜葉片PSⅡ反應(yīng)中心數(shù)量、反應(yīng)中心閉合程度的影響 表4顯示，在不同鎂處理下西瓜三個生育期葉片RC/CS0大小均呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，即隨著鎂質(zhì)量濃度的增加RC/CS0值表現(xiàn)出先升后降的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時達到峰值，缺鎂時最小，低鎂和鎂過量處理略高于缺鎂處理。由此說明西瓜在48 mg·L-1鎂處理時有足夠數(shù)量的活躍的PSⅡ反應(yīng)中心參與光合作用，而缺鎂、低鎂和鎂過量時PSⅡ的反應(yīng)中心個數(shù)較少，光合作用減弱，缺鎂脅迫影響較大。由表4可知，西瓜三個生育期VJ值隨鎂質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)先降后增的趨勢，48 mg·L-1鎂處理時值最小，缺鎂處理值最大，其次是鎂過量處理。說明48 mg·L-1鎂處理PSⅡ反應(yīng)中心閉合較少、累積少，向QB電子傳遞能正常進行，缺鎂和鎂過量處理下西瓜不同生長期有活性PSⅡ的反應(yīng)中心不同程度的關(guān)閉并積累，阻礙了電子傳遞鏈中向QB的電子傳遞。

表4 不同施鎂量對西瓜不同生長期葉片PSⅡ反應(yīng)中心數(shù)量和閉合程度的影響Table 4 Effects of different magnesium application on PSⅡ RC/CS0 and closed extent of varied genotypes of C. lanatus

2.2.2 鎂對西瓜葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性的影響 1/FO-1/FM值的大小可以反映西瓜葉片反應(yīng)中心活性的強弱，從圖2可以看出，不同鎂質(zhì)量濃度對西瓜葉片1/FO-1/FM值在伸蔓期時影響不大，此時1/FO-1/FM值總體上要高于其他兩個生育期。盛花期和膨瓜期西瓜葉片1/FO-1/FM值隨著鎂質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時最大，鎂過量處理的值均大于低鎂和缺鎂處理。說明48 mg·L-1處理時西瓜葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性明顯高于缺鎂、低鎂和鎂過量處理。

OEC比例越小說明H2O的裂解受抑制越嚴重，圖2顯示，西瓜三個生育期葉片OEC比例均隨鎂質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢，48 mg·L-1鎂處理時達最大值，且與其他處理均達到顯著差異，鎂過量處理大體上高于缺鎂處理。說明缺鎂、低鎂和鎂過量處理下葉片OEC受到嚴重傷害，而48 mg·L-1處理下OEC作用正常發(fā)揮，西瓜葉片光合作用正常進行。

圖2 不同施鎂量對西瓜不同生育期葉片1/FO-1/FM和OEC比例的影響Fig. 2 Effects of different magnesium application on leaf 1/FO-1/FM and OEC proportion of C. lanatus at different growth stages

由表5可知，西瓜在不同生育期葉片中的M0值隨鎂質(zhì)量濃度的增加均呈先降后增的趨勢，缺鎂處理的M0值最高，48 mg·L-1鎂處理時M0值最低，當(dāng)鎂質(zhì)量濃度高于48 mg·L-1時M0值大體上隨之升高但均低于缺鎂處理，說明施鎂可以降低西瓜葉片QA的積累，48 mg·L-1處理時西瓜葉片QA積累最少。不同生育期葉片的Sm、Area、Ψ0和φEo隨鎂質(zhì)量濃度的增加均呈現(xiàn)先增后降的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時均達到最大值，而缺鎂處理最低，其中鎂過量處理下的這些指標值均高于缺鎂、低鎂處理，表明缺鎂脅迫嚴重傷害西瓜葉片PSⅡ受體側(cè)。

2.2.3 鎂對西瓜葉片PSⅡ反應(yīng)中心能量流動的影響 由圖3可知，西瓜三個不同生育期葉片單位反應(yīng)中心對光能的吸收（ABS/RC）、捕獲（TR0/RC）以及耗散（DI0/RC）隨著的增加均呈先降后增的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時均達到最小值，而當(dāng)處理濃度高于48 mg·L-1時上述參數(shù)值有所上升，但都低于缺鎂處理，且各施鎂處理與缺鎂處理相比大體上均存在顯著差異。鎂過量處理西瓜葉片的ABS/RC、DI0/RC總體上要低于缺鎂和低鎂處理。西瓜三個不同生育期葉片單位反應(yīng)中心用于電子傳遞的能量（ET0/RC）隨著的增加均表現(xiàn)出先升后降的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時均達到最大值，除了伸蔓期差異不顯著外，盛花期和膨瓜期總體上存在顯著差異，且隨著生育期的延長葉片的ET0/RC值有所降低，另外鎂過量處理ET0/RC值高于低鎂和缺鎂處理。這表明48 mg·L-1處理可以提高用于電子傳遞的能量，減少因熱耗散而損失的能量，而鎂過量和缺鎂處理熱耗散增加，能量的損失加大。

圖3 不同施鎂量對西瓜不同生育期葉片ABS/RC、TR0/RC、DI0/RC和ET0/RC的影響Fig. 3 Effects of different magnesium application on leaf ABS/RC, TR0/RC, DI0/RC, and ET0/RC of C. lanatus at different growth stages

2.3 鎂對西瓜葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及細胞膜透性的影響

圖4顯示，施鎂處理對西瓜不同生育期葉片MDA和Pro含量的影響一致，即隨著鎂質(zhì)量濃度的增加MDA和Pro含量均呈先降后增的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時西瓜葉片MDA和Pro含量最小，且與其他處理都達到顯著差異，當(dāng)鎂質(zhì)量濃度超過48 mg·L-1時MDA和Pro含量開始增加但均低于缺鎂和低鎂處理，缺鎂處理下西瓜葉片MDA和Pro含量最大。從不同生育期看，在膨瓜期時葉片這兩個指標含量要高于前面兩個生育期，表明缺鎂和鎂過量脅迫在膨瓜期對西瓜葉片傷害最大。不同生育期葉片細胞膜透性均隨鎂質(zhì)量濃度的增加呈先降后增趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時細胞膜透性最小，而其他處理的細胞膜透性增加，且都達到顯著差異，其中缺鎂、鎂過量處理細胞膜透性也較大，尤其是缺鎂處理。由此說明，缺鎂和鎂過量處理下西瓜葉片細胞發(fā)生了膜脂過氧化反應(yīng)，對葉片產(chǎn)生損傷，其中缺鎂傷害最嚴重。

圖4 不同施鎂量對西瓜不同生育期葉片MDA和Pro含量以及細胞膜透性的影響Fig. 4 Effects of different magnesium application on MDA and Pro contents and membrane permeability of C. lanatus at different growth stages

2.4 鎂對西瓜葉片抗氧化物質(zhì)及抗氧化酶類防御系統(tǒng)的影響

2.4.1 鎂對西瓜葉片SOD、POD、CAT活性的影響 隨著鎂質(zhì)量濃度的增加，西瓜不同生育期葉片SOD、POD、CAT活性均表現(xiàn)出先升后降的趨勢，48 mg·L-1鎂處理時活性最強，當(dāng)鎂質(zhì)量濃度超過48 mg·L-1時酶活性總體上開始下降但都高于缺鎂處理，其他施鎂處理與缺鎂處理之間均存在顯著差異，鎂過量處理西瓜葉片的活性略高于低鎂和缺鎂處理（圖5）。說明施鎂處理在一定范圍內(nèi)可以提高西瓜葉片SOD、POD、CAT活性，缺鎂和低鎂處理一定程度上抑制這三個酶活性，且缺鎂脅迫影響最大。

圖5 不同施鎂量對西瓜不同生育期葉片SOD、POD和CAT活性的影響Fig. 5 Effects of different magnesium application on SOD, POD, and CAT activities of C. lanatus at different growth stages

2.4.2 鎂對西瓜葉片AsA-GSH循環(huán)代謝活性的影響

隨著鎂質(zhì)量濃度的增加，西瓜不同生育期葉片中APX、MDAR、GR活性均呈現(xiàn)先降后增的趨勢（圖6），缺鎂處理活性最大，在48 mg·L-1鎂處理時活性最弱，當(dāng)濃度超過48 mg·L-1時這三個酶活性開始增強但整體上都低于缺鎂處理和低鎂處理，差異達到顯著水平。從不同生育期分析發(fā)現(xiàn)，隨著生育期的推進，西瓜葉片中APX、GR、MDAR活性逐漸增強，即膨瓜期＞盛花期＞伸蔓期。不同生育期葉片DHAR活性隨鎂質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時DHAR活性最強，缺鎂處理最弱，鎂過量處理西瓜葉片DHAR活性大體上高于缺鎂處理和低鎂處理；西瓜葉片DHAR活性膨瓜期＞盛花期＞伸蔓期。

圖6 不同施鎂量對西瓜不同生育期葉片APX、MDAR、GR和DHAR活性的影響Fig. 6 Effects of different magnesium application on APX, MDAR, GR, and DHAR activities of C. lanatus at different growth stages

從圖7可知，西瓜不同生育期葉片GSH含量隨著鎂質(zhì)量濃度的增加均呈現(xiàn)先增后降的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時含量最高，缺鎂處理時含量最低，差異顯著。西瓜不同生育期葉片GSSG含量隨鎂質(zhì)量濃度的增加呈先降后增的趨勢，在48 mg·L-1處理時含量最低，缺鎂處理含量最高。不同生育期葉片GSH/GSSG比值隨鎂處理濃度的增加呈先增后降的趨勢，在48 mg·L-1處理時比值最高，缺鎂處理時比值最低。

圖7 不同施鎂量對西瓜不同生育期葉片GSH和GSSG含量以及GSH/GSSG的影響Fig. 7 Effects of different magnesium application on GSH and GSSG contents and GSH/GSSG of C. lanatus at different growth stages

AsA和DAsA在植物抗逆中扮演著重要角色，DAsA在DHAR催化下可轉(zhuǎn)變?yōu)锳sA。西瓜不同生育期葉片的AsA含量隨鎂質(zhì)量濃度的增加呈先增后降的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時達到最高，缺鎂處理時最低，且低鎂和缺鎂處理均比鎂過量處理低，彼此間差異顯著（圖8）。隨著鎂處理濃度的增加，不同生育期葉片的DAsA含量呈先降后增的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時達到最低，缺鎂處理時最高，鎂過量處理低于缺鎂和低鎂處理，處理間存在顯著差異（圖8）。西瓜葉片AsA/DAsA比例可以反映西瓜體內(nèi)抗氧化物的抗氧化能力，一般AsA/DAsA比值越大，相應(yīng)物質(zhì)的抗氧化能力也越強。不同生育期葉片AsA/DAsA比值隨鎂質(zhì)量濃度的增加呈先增后降的趨勢，在鎂質(zhì)量濃度為48 mg·L-1時達到最高值，缺鎂、鎂水平低于或高于48 mg·L-1時AsA/DAsA值都減小，缺鎂處理最低，且差異達到了極顯著水平。

3 討論

3.1 鎂缺乏和過量脅迫對西瓜PSⅡ光合特性的影響

鎂元素是植物葉綠素的重要組成成分，參與多種光合酶的合成，對植物的光合作用具有重要意義，因此鎂缺乏或過量都會影響植物的正常生長[6]。葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)能夠用于描述植物光合作用的機理和光合生理情況，可作為檢測植物遭受脅迫傷害程度的指標[12]。RC/CS0參數(shù)表示被測西瓜葉片單位面積上有活性PSⅡ的反應(yīng)中心個數(shù)，當(dāng)葉片處于不正常光合作用狀態(tài)時有活性的PSⅡ反應(yīng)中心個數(shù)偏少，光合作用減弱；1/FO-1/FM值的大小可以反映西瓜葉片反應(yīng)中心活性的強弱；VJ參數(shù)表示光反應(yīng)2 ms時有活性的PSⅡ反應(yīng)中心閉合程度，同時PSⅡ受體側(cè)的累積情況也可以由VJ參數(shù)反映出，VJ逐漸升高，表明向QB的電子傳遞受阻[26]，本試驗中西瓜葉片RC/CS0值和1/FO-1/FM值隨著鎂質(zhì)量濃度的增加均呈先增后降的趨勢，在48 mg·L-1處理時最大，缺鎂時最?。籚J值呈現(xiàn)先降后增的趨勢，48 mg·L-1鎂處理時值最小，缺鎂處理值最大，表明48 mg·L-1鎂處理時西瓜葉片有足夠數(shù)量的活躍的PSⅡ反應(yīng)中心參與光合作用，而缺鎂（0 mg·L-1）和鎂過量（192 mg·L-1）處理時西瓜葉片活躍的PSⅡ反應(yīng)中心個數(shù)少，反應(yīng)中心活性弱，光合作用弱，PSⅡ的電子傳遞能力嚴重受阻，在QA－到QB電子傳遞受到的抑制程度較大，導(dǎo)致PSⅡ反應(yīng)中心關(guān)閉并積累。

植物中放氧復(fù)合體（OEC）的作用是裂解H2O并釋放O2，OEC是PSⅡ反應(yīng)中心的電子供體，它使被捕獲的光能可以以電子形式持續(xù)在電子傳遞鏈中傳遞，當(dāng)植物受到不良環(huán)境因子脅迫時，OEC受損害，H2O的裂解受抑制，影響PSⅡ電子供體的正常供應(yīng)[27]。本研究發(fā)現(xiàn)西瓜不同生育期葉片OEC活性在48 mg·L-1鎂處理時最高，缺鎂和鎂過量處理較低，說明缺鎂、鎂過量處理西瓜葉片受傷害，造成放氧過程中H2O的不完全裂解，導(dǎo)致H2O2的產(chǎn)生，PSⅡ電子傳遞受阻。

西瓜葉片光合電子傳遞鏈中QA被還原的速率可以由M0值反映出來[28]。PSⅡ受體側(cè)的PQ庫容量由Sm的值可以反映出來，PQ庫容量即為完全還原QA所需能量；進入電子傳遞鏈的電子數(shù)量越多則被還原QA的越多，Sm值則越大；PSⅡ受體庫大小可由Area值反映出來；φEo和Ψ0表示葉綠素反應(yīng)中心捕獲的激子和光能分別將電子傳遞到電子傳遞鏈中那些超過QA的其他電子受體的概率，可以反映葉片將所捕獲的激發(fā)能轉(zhuǎn)化為電子并繼續(xù)傳遞的效率高低[29]。在本試驗中，48 mg·L-1鎂質(zhì)量濃度處理不同生育期葉片中的M0值最低，而缺鎂和鎂過量處理較高；葉片Sm、Area、Ψ0和φEo在48 mg·L-1處理時最高，而在缺鎂和鎂過量處理時較低，表明缺鎂和鎂過量脅迫會造成西瓜葉片PSⅡ受體側(cè)的嚴重損害，缺鎂脅迫影響較大。

PSⅡ反應(yīng)中心捕光天線色素的大小用ABS/RC表示 ，該比例升高表明葉片捕光天線色素增加，預(yù)示部分PSⅡ反應(yīng)中心的失活；當(dāng)ABS/RC和TR0/RC兩個比例增加，葉片增強捕光天線色素的大小以及對光的捕獲能力，從而增強單一反應(yīng)中心對光的吸收與捕獲能力[30]。西瓜葉片單位面積的熱耗散（DI0/RC）在缺鎂和鎂過量脅迫下升高，ET0/RC減少，西瓜葉片減少用于電子傳遞的量子份額，通過增加熱耗散來將過多的光能耗散掉，來減少光抑制對葉片產(chǎn)生的傷害。在本試驗中φEo下降，VJ、ABS/RC和TR0/RC升高，表明缺鎂和鎂過量脅迫導(dǎo)致西瓜葉片PSⅡ反應(yīng)中心失活，PSⅡ電子傳遞受阻，葉片發(fā)生了光抑制，導(dǎo)致其葉片光能利用率降低。

綜上所述，施鎂處理對西瓜葉片光合生理產(chǎn)生顯著影響，通過對生育期西瓜葉片觀察，缺鎂和鎂過量處理下莖細弱，葉薄小，葉片皺縮，葉片發(fā)黃，葉尖焦枯，而在48 mg·L-1鎂處理下葉片沒有上述癥狀，葉片厚大且顏色深綠，與葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)相互佐證。進一步對西瓜生長相關(guān)指標觀測發(fā)現(xiàn)，西瓜的株高、根長、根系體積、地上部干重、根干重、生物產(chǎn)量、可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C、可溶性固形物等含量在48 mg·L-1鎂處理時均達到最大值，當(dāng)鎂質(zhì)量濃度低于或高于48 mg·L-1時，西瓜各項生長指標增長幅度有所下降，即缺鎂、低鎂和高量鎂處理下會抑制西瓜的生長，這與申燕[15]、田斌[16]等的研究結(jié)果相符。以上結(jié)果表明，鎂質(zhì)量濃度在48 mg·L-1時西瓜葉片光合色素含量高[18]、PSⅡ穩(wěn)定，有助于提升葉片光合速率，促進西瓜植株的生長，提高果實品質(zhì)。

3.2 鎂缺乏和過量脅迫對西瓜抗氧化能力的影響

鎂缺乏或過量都會對植物生長產(chǎn)生影響，植物的生理生化指標能夠反映出植物在鎂脅迫條件下的應(yīng)答情況，通常被作為植物抗逆性的評價指標[31]。Pro作為一種重要的植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，能夠調(diào)節(jié)細胞滲透勢，增強細胞保水能力，減輕膜脂過氧化程度，保護蛋白分子與酶活性，在提高植物抗性方面具有極其重要的意義[32]。MDA是膜脂過氧化的有毒代謝產(chǎn)物之一，是活性氧毒害作用通常表現(xiàn)為MDA含量累積，因此，MDA可作為質(zhì)膜受損的衡量指標，反映植物細胞膜脂過氧化程度、衰老程度和對逆境因子的應(yīng)答強弱[33]，脅迫程度越劇烈，MDA含量越多[34]。已有研究表明，鎂缺乏和過量下植物MDA含量增加[13]，逆境脅迫使植物細胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和功能受損[35]。本研究結(jié)果顯示，缺鎂和鎂過量處理下西瓜葉片MDA和Pro含量明顯增加，細胞膜透性也增加，而48 mg·L-1處理時細胞膜透性降低，葉片Pro、MDA含量減少，說明缺鎂和鎂過量處理西瓜葉片受到損傷，而適量施鎂可以減輕逆境對細胞膜的損傷，提高植物抵御逆境脅迫的能力。

POD、SOD和CAT等是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶和細胞保護酶系統(tǒng)[36]，在逆境條件下能夠清除活性氧和自由基，從而避免膜損傷，以維持植物的代謝平衡[37]。已有研究表明，缺鎂處理顯著降低植物葉片SOD和CAT活性[13]。本試驗結(jié)果與前人研究相似，缺鎂和鎂過量處理下西瓜葉片POD、SOD和CAT活性顯著降低，缺鎂脅迫下降幅度最大，而當(dāng)鎂質(zhì)量濃度控制在48 mg·L-1左右時能顯著提高西瓜葉片POD、SOD和CAT活性，表明適量增施鎂肥可以提高植物抗氧化酶活性。

在正常生長條件下，植物體內(nèi)清除活性氧的酶類活性較強，可及時清除植物受環(huán)境脅迫時產(chǎn)生的過量活性氧，從而使其保持一種動態(tài)平衡[38]。抗壞血酸—谷胱甘肽（AsA-GSH）循環(huán)是存在于植物體內(nèi)的重要H2O2清除系統(tǒng)，在清除活性氧過程中起著很重要的作用[39]。AsA-GSH循環(huán)存在于植物葉綠體內(nèi)，是一系列連續(xù)的生化反應(yīng)，APX的酶促反應(yīng)產(chǎn)生了MDHA，MDHA很不穩(wěn)定，一部分被氧化生成DHA，另一部分被MDAR還原為AsA ；DHA以GSH作為電子供體，在DHAR的作用下生成AsA[40]。上述反應(yīng)產(chǎn)生的GSSG又在GR的催化下被還原成GSH[41]。APX是AsA-GSH循環(huán)的第一個酶，該酶能專一性地催化AsA與H2O2反應(yīng)形成MDHA，在降低H2O2對植物產(chǎn)生的損傷方面發(fā)揮著重要作用[42]。GR是一種重要的抗氧化酶類，能夠?qū)⒀趸虶SSG還原成還原型GSH，為清除活性氧提供還原力，避免植物受到損傷[43]。還原型GSH是植物體內(nèi)重要的抗氧化劑和信號物質(zhì)，對植物新陳代謝的維持起到很重要的作用，具有清除自由基、抵抗過氧化損傷、保護酶和結(jié)構(gòu)蛋白及膜系統(tǒng)的功能[44]，前人研究植物的抗逆境脅迫能力時通過測定GSH含量的高低來衡量[45]。DHAR是一種重要的植物抗氧化酶，也是植物AsA-GSH循環(huán)中能夠促進AsA再生的關(guān)鍵酶。本研究結(jié)果顯示，缺鎂和鎂過量脅迫下西瓜葉片APX、GR、MDAR活性增強，DHAR減弱。APX和MDAR活性增強，說明鎂脅迫下植物體內(nèi)產(chǎn)生較多的H2O2，為了減輕自身損傷，植物體啟動了AsAGSH循環(huán)，首先增強APX活性，促使AsA與H2O2反應(yīng)形成MDHA；為了APX酶促反應(yīng)持續(xù)提供還原底物AsA保證正常還原過氧化氫，鎂脅迫下刺激體內(nèi)MDAR和GR活性增強。但可能由于鎂脅迫強度過大，西瓜光合作用受到嚴重影響，葉片內(nèi)光合PSⅡ系統(tǒng)紊亂，電子傳遞受阻，NADPH和NADH大量減少，MDHA和DHA很難及時被還原為AsA，造成AsA總量減少，AsA/DAsA比率下降；與此同時，由于GSSG的還原需要NADPH提供電子，這樣又阻礙GSH的生成進而導(dǎo)致GSH/GSSG比率降低。說明，缺鎂和鎂過量處理下植物體內(nèi)AsA-GSH循環(huán)無法正常運轉(zhuǎn)，不能及時清除H2O2，導(dǎo)致體內(nèi)活性氧大量積累，對植物體造成巨大損傷，缺鎂處理影響最大。鎂質(zhì)量濃度為48 mg·L-1時，西瓜葉片APX、GR、MDAR活性處于較低水平，DHAR活性較高，葉內(nèi)GSH、AsA含量及AsA/DAsA、GSH/GSSG比率顯著高于其他處理，促進AsA-GSH循環(huán)，提高植物逆境綜合防御能力。

4 結(jié)論

通過分析5個不同Mg2+濃度對西瓜農(nóng)藝性狀和生理特性的影響，結(jié)果顯示，缺鎂（0 mg·L-1）和鎂過量（192 mg·L-1）脅迫造成西瓜放氧復(fù)合體（OEC）受到傷害，PSⅡ的光合電子傳遞受阻，抑制了PSⅡ的活性，導(dǎo)致葉片SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性下降，抑制西瓜生長。增施適量鎂肥（24～96 mg·L-1)可明顯提高西瓜抗氧化物質(zhì)含量及抗氧化酶活性，促進AsA-GSH循環(huán)，減輕膜脂過氧化程度及活性氧積累，保護細胞膜和光系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過熱耗散降低過剩光能對光合系統(tǒng)的破壞，有助于增強光合作用，促進西瓜生長發(fā)育，提高西瓜營養(yǎng)物質(zhì)積累。在供試條件下，48 mg·L-1鎂處理下西瓜在生理生化指標上表現(xiàn)為多方面的綜合防御，故48 mg·L-1為西瓜栽培最適宜施鎂質(zhì)量濃度。