耐低溫西瓜種質(zhì)篩選及低溫對西瓜生理指標的影響

沈虹，孟佳麗，吳紹軍，余翔

（江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院宿遷農(nóng)科所，江蘇宿遷223800）

西瓜原產(chǎn)于熱帶地區(qū)，生長期適宜的溫度為18～32℃，低于15℃則生長緩慢甚至停滯，西瓜栽培受季節(jié)約束較大。西瓜反季節(jié)栽培不僅滿足了人們對不同季節(jié)西瓜消費的需求，而且滿足了種植戶追求較高經(jīng)濟效益的需求，深受消費者和種植戶的青睞。然而，由于種植技術(shù)和設(shè)施條件等因素的限制，西瓜生產(chǎn)中常遭遇冬春季長期低溫脅迫以及倒春寒的影響，低溫冷害時常發(fā)生，造成西瓜產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降。篩選和培育耐低溫西瓜品種是解決低溫冷害的有效途徑之一。西瓜遺傳背景狹窄，耐低溫種質(zhì)資源缺乏，若要培育耐低溫品種，必須加強耐冷種質(zhì)資源的篩選和鑒定。為了有效鑒定西瓜種質(zhì)資源和品種的耐低溫性，目前國內(nèi)外學(xué)者在低溫對西瓜種子萌發(fā)、幼苗生長量、冷害指數(shù)、生理生化機制影響等[1-4]方面進行了一系列研究，并形成耐低溫性評價體系。多項研究表明，植物不同品種間耐低溫能力和響應(yīng)機制均存在差異[5-7]。本研究以宿遷地區(qū)西瓜生產(chǎn)中的主栽品種中果型早佳8424和小果型小蘭為對照，通過對江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院宿遷農(nóng)科所西瓜課題組擁有的30份西瓜品種（系）、組合和高代自交系進行耐低溫性篩選，并對比早佳8424和遷麗4號的生理響應(yīng)，旨在為選育耐低溫西瓜品種提供種質(zhì)材料，為耐低溫西瓜新品種的應(yīng)用和推廣提供基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

30份西瓜供試材料為江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院宿遷農(nóng)科所設(shè)施園藝研究室西瓜課題組搜集、保存、培育的品種、組合和高代自交系，材料名稱與來源見表1。

表1 材料名稱與來源

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計將30份供試材料（中果型早佳8424，小果型小蘭為對照）用55℃溫水邊浸種邊攪拌15 min，自然冷卻后浸種4 h，置于28℃培養(yǎng)箱內(nèi)催芽30 h，播種于50孔穴盤內(nèi)。穴盤置于育苗棚內(nèi)，白天溫度控制在26～28℃，晚上控制在18～20℃。西瓜幼苗生長至三葉一心時，置于培養(yǎng)箱內(nèi)進行低溫（7.5℃，光照度12 000 lx）處理。每份材料隨機選擇15株，每個處理設(shè)置3次重復(fù)，處理10 d后統(tǒng)計低溫脅迫下西瓜幼苗冷害癥狀。隨后置于培養(yǎng)箱恢復(fù)生長（28/22℃，光照度12 000 lx，12 h/12 h）7 d，統(tǒng)計西瓜恢復(fù)生長情況，恢復(fù)癥狀分級標準見表2。

選擇當?shù)匚鞴仙a(chǎn)中主栽品種早佳8424以及宿遷農(nóng)科所新培育、耐低溫能力顯著強于早佳8424的遷麗4號為試驗材料，分析長時間低溫脅迫、短時間較低低溫脅迫以及常溫恢復(fù)生長對幼苗生理指標的影響。長時間低溫脅迫設(shè)置：將早佳8424和遷麗4號三葉一心期幼苗置于培養(yǎng)箱內(nèi)8℃低溫處理15 d后，取植株葉片，測量生理指標。短時間較低低溫脅迫設(shè)置：取早佳8424和遷麗4號三葉一心期幼苗，置于培養(yǎng)箱內(nèi)4℃低溫處理2 d后，取植株葉片，測量生理指標。常溫恢復(fù)生長設(shè)置：將4℃低溫處理2 d后西瓜幼苗置于培養(yǎng)箱內(nèi)恢復(fù)生長（28/22℃，光照度12 000 lx，12 h/12 h）5 d，取植物葉片，測量生理指標。對照設(shè)置：取育苗棚內(nèi)正常生長（白天26～28℃，夜間18～20℃）的早佳8424和遷麗4號三葉一心期幼苗葉片，測量生理指標。

1.2.2 測定項目和方法冷害指數(shù)測定：參照許勇等[8]的冷害分級方法統(tǒng)計各材料的冷害情況并計算冷害指數(shù)。公式為

恢復(fù)指數(shù)測定：根據(jù)表2分級標準，統(tǒng)計各材料的恢復(fù)生長情況并計算恢復(fù)指數(shù)。公式為

表2 恢復(fù)癥狀分級標準

抗氧化酶活性、丙二醛和活性氧含量測定：稱取0.1 g葉片（第2片葉子），加入1 mL提取液，進行冰浴勻漿，8 000×g 4℃離心10 min，取上清液，置冰上待測。超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、丙二醛（MDA）測定方法按照南京瑞源生物技術(shù)有限公司提供的試劑盒說明書進行，抗壞血酸過氧化物酶（APX）、超氧陰離子（O2-）、過氧化氫（H2O2）測定按照北京索萊寶科技有限公司的試劑盒說明書進行，并按照各自說明書上提供的公式進行計算。

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)測定：可溶性總糖采用蒽酮法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍比色法測定，脯氨酸含量采用茚三酮比色法測定，均參考王學(xué)奎[9]編著的《植物生理生化試驗原理和技術(shù)》。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010和SPSS 20統(tǒng)計學(xué)軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 耐低溫西瓜種質(zhì)篩選

西瓜幼苗受到低溫脅迫2 d后，葉片陸續(xù)出現(xiàn)輕微的皺縮、變形現(xiàn)象，隨著脅迫時間延長，葉片出現(xiàn)上卷，葉緣發(fā)黑、萎蔫、發(fā)黃、枯死的癥狀。冷害指數(shù)和恢復(fù)指數(shù)是鑒定種質(zhì)資源耐低溫能力的重要指標，一般認為冷害指數(shù)越小、恢復(fù)指數(shù)越大植株耐低溫能力越好。由表3可知，供試西瓜材料部分冷害指數(shù)差異顯著（P＜0.05），恢復(fù)指數(shù)差異不顯著（P＞0.05）。17A-82×17A-79組合冷害指數(shù)最小，為2.53，其次為遷麗3號（2.60）、17A-79×17A-82（2.60）、遷麗4號（2.67）、小蘭（2.73）、18S-135-2（2.73）、18S-145-1（2.73）、18S-169-2（2.73）、18S-170-1（2.73）、遷麗2號（2.80）、17A-82×17A-81（2.87）、17A-81×17A-82（2.87）、17S-435-2（2.87）、18S-47-2（2.87）、18S-129-3（2.87）、18S-130-1（2.87）、17S-437-2（2.93）、18S-44-3（2.93）、遷麗1號（3.00）和18S-144-1（3.00），且均與17A-82×17A-79無顯著差異（P＞0.05）。早佳8424（3.13）冷害指數(shù)與17A-82×17A-79存在顯著差異（P＜0.05），但與17A-82×17A-81、17A-81×17A-82、17S-435-2、18S-47-2、18S-129-3、18S-130-1、17S-437-2、18S-44-3、遷麗1號、18S-144-1、遷麗4號反交、18S-134-1、18S-161-5、18S-143-1、18S-173-3、遷袖1號、18S-41-1和18S-128-0均無顯著差異（P＞0.05）。遷美1號冷害指數(shù)最高，為3.47，與18S-173-3、遷袖1號、18S-41-1、18S-128-0無顯著差異（P＞0.05）。由此可見，供試材料中有10個材料耐低溫能力顯著（P＜0.05）強于早佳8424（CK1），有18個材料耐低溫能力與早佳8424（CK1）無顯著差異（P＞0.05），有1個材料（遷美1號）耐低溫能力顯著（P＜0.05）弱于早佳8424（CK1）；供試材料中有4個材料耐低溫能力強于小蘭（CK2），但均與小蘭（CK2）無顯著差異（P＞0.05）；19個材料的耐低溫能力與小蘭（CK2）無顯著差異（P＞0.05）。14個中果型材料中有12個材料耐低溫能力強于早佳8424，其中，5個材料顯著強于早佳8424（P＜0.05）；14個小果型材料中有2個材料（17A-79×17A-82、17A-82×17A-79）的耐低溫能力強于小蘭（CK2），但與小蘭（CK2）無顯著差異（P＞0.05）。

表3 低溫脅迫下西瓜植株冷害指數(shù)及恢復(fù)指數(shù)

2.2 低溫對西瓜幼苗生理指標的影響

2.2.1 低溫對SOD活性的影響由圖1可知，低溫處理后，處理組的西瓜幼苗葉片中SOD活性均增加；長時間低溫處理（8℃，處理15 d）比短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）幼苗葉片中SOD增加更多；常溫恢復(fù)生長后，SOD活性最高。遷麗4號品種的SOD活性在對照和處理組中均高于早佳8424品種；短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）和常溫恢復(fù)生長處理2個西瓜材料SOD活性差異顯著（P＜0.05）。

圖1 低溫對西瓜幼苗SOD活性的影響

2.2.2 低溫對POD活性的影響由圖2可知，低溫處理后，處理組的西瓜幼苗葉片中POD活性均增加；長時間低溫處理（8℃，處理15 d）比短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）幼苗葉片中POD增加更多；常溫恢復(fù)生長后，POD活性最高。遷麗4號的POD活性在對照和處理組中均高于早佳8424；常溫恢復(fù)生長處理2個西瓜材料POD活性差異不顯著（P＞0.05）。

圖2 低溫對西瓜幼苗POD活性的影響

2.2.3 低溫對CAT活性的影響由圖3可知，早佳8424處理組的CAT活性均比對照低；常溫恢復(fù)生長后幼苗的CAT活性最低，比對照降低80%。遷麗4號長時間低溫處理（8℃，處理15 d）的CAT活性比對照高22.16%；短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）和常溫恢復(fù)生長后幼苗CAT活性分別比對照低21.63%和45.99%。遷麗4號的CAT活性在對照和處理組中均高于早佳8424；長時間低溫處理（8℃，處理15 d）和常溫恢復(fù)生長處理2個西瓜材料的CAT活性差異顯著（P＜0.05）。

圖3 低溫對西瓜幼苗CAT活性的影響

2.2.4 低溫對MDA含量的影響由圖4可知，短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）的西瓜幼苗MDA含量比對照高，早佳8424和遷麗4號分別比對照高48.55%和18.47%；長時間低溫處理（8℃，處理15 d）和常溫恢復(fù)生長幼苗的MDA含量均低于對照。遷麗4號的MDA活性在對照和處理組中均低于早佳8424；短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）和常溫恢復(fù)生長處理2個西瓜材料MDA含量差異顯著（P＜0.05）。

圖4 低溫對西瓜幼苗MDA含量的影響

2.2.5 低溫對APX活性的影響由圖5可知，對照組和長時間低溫處理（8℃，處理15 d）的早佳8424和遷麗4號APX活性差異不顯著（P＞0.05）；短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）和常溫恢復(fù)生長的幼苗APX活性均降低，與對照相比，早佳8424分別降低78.02%、81.91%，遷麗4號分別降低59.51%、43.37%。遷麗4號的APX活性在處理組中均高于早佳8424；短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）和常溫恢復(fù)生長處理2個西瓜材料APX活性差異顯著（P＜0.05）。

圖5 低溫對西瓜幼苗APX活性的影響

2.2.6 低溫對超氧陰離子含量的影響由圖6可知，長時間低溫處理（8℃，處理15 d）后，早佳8424和遷麗4號超氧陰離子含量分別比對照高263.74%和51.00%；常溫恢復(fù)生長后，早佳8424和遷麗4號超氧陰離子含量分別比對照高112.82%和115.73%；短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）后，早佳8424和遷麗4號超氧陰離子含量分別比對照低6.62%和2.29%。遷麗4號的超氧陰離子在對照和處理組中均低于早佳8424；長時間低溫處理（8℃，處理15 d）2個西瓜材料超氧陰離子差異顯著（P＜0.05）。

圖6 低溫對西瓜幼苗超氧陰離子含量的影響

2.2.7 低溫對H2O2含量的影響由圖7可知，低溫處理后，處理組的西瓜幼苗葉片中H2O2含量均降低；長時間低溫處理（8℃，處理15 d）后，早佳8424和遷麗4號幼苗葉片中H2O2含量分別比對照低40.41%和29.89%；短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）后，早佳8424和遷麗4號幼苗葉片中H2O2含量分別比對照低29.31%和13.74%；常溫恢復(fù)生長后，早佳8424和遷麗4號幼苗葉片中H2O2含量比對照低17.75%和33.05%。遷麗4號的H2O2含量在對照和處理組中均低于早佳8424；常溫恢復(fù)生長處理2個西瓜材料H2O2含量差異顯著（P＜0.05）。

圖7 低溫對西瓜幼苗H2O2含量的影響

2.2.8 低溫對可溶性糖含量的影響由圖8可知，長時間低溫處理（8℃，處理15 d）后，早佳8424和遷麗4號可溶性糖含量分別比對照高18.68%和73.58%；常溫恢復(fù)生長后，早佳8424和遷麗4號可溶性糖含量分別比對照低12.38%和19.09%；短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）后，早佳8424可溶性糖含量比對照低46.80%，遷麗4號可溶性糖含量比對照高6.57%；遷麗4號的可溶性糖含量在對照和處理組中均高于早佳8424；短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）2個西瓜材料可溶性糖含量差異顯著（P＜0.05）。

圖8 低溫對西瓜幼苗可溶性糖含量的影響

2.2.9 低溫對可溶性蛋白含量的影響由圖9可知，低溫處理后，處理組的西瓜幼苗葉片中可溶性蛋白含量均降低；長時間低溫處理（8℃，處理15 d）后，早佳8424和遷麗4號可溶性蛋白含量分別比對照低26.94%和11.61%；短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）后，早佳8424和遷麗4號可溶性蛋白含量分別比對照低68.35%和26.92%；常溫恢復(fù)生長后，早佳8424和遷麗4號可溶性蛋白含量分別比對照低44.42%和29.09%；遷麗4號的可溶性蛋白含量在處理組中均高于早佳8424；短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）2個西瓜材料可溶性蛋白含量差異顯著（P＜0.05）。

圖9 低溫對西瓜幼苗可溶性蛋白含量的影響

2.2.10 低溫對Pro含量的影響由圖10可知，低溫處理后，處理組遷麗4號Pro含量均比對照高，長時間低溫處理（8℃，處理15 d）、短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）和常溫恢復(fù)生長西瓜幼苗葉片Pro含量分別比對照高148.57%、165.71%和225.71%；早佳8424長時間低溫處理（8℃，處理15 d）和常溫恢復(fù)生長西瓜幼苗葉片Pro含量分別比對照高141.18%和92.94%，短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d）西瓜幼苗葉片Pro含量比對照低58.82%；對照、長時間低溫處理（8℃，處理15 d）和常溫恢復(fù)生長，早佳8424 Pro含量高于遷麗4號；短時間較低低溫處理（4℃，處理2 d），早佳8424 Pro含量低于遷麗4號；長時間低溫處理（8℃，處理15 d）2個西瓜材料Pro含量差異顯著（P＜0.05）。

圖10 低溫對西瓜幼苗Pro含量的影響

3 結(jié)論與討論

低溫冷害是西瓜生產(chǎn)中常見的逆境因子之一。冷害癥狀和恢復(fù)癥狀分級可直觀反映低溫對植株的傷害程度和恢復(fù)能力。冷害指數(shù)與植株的耐低溫性呈負相關(guān)，恢復(fù)指數(shù)與植株的耐低溫性呈正相關(guān)[4]。本研究利用7.5℃低溫脅迫進行耐低溫材料篩選，30個材料恢復(fù)指數(shù)無顯著差異（P＞0.05）；根據(jù)冷害指數(shù)，從中果型材料中篩選出5個材料（遷麗2號、遷麗3號、遷麗4號、18S-135-2和18S-145-1）耐低溫能力顯著強于早佳8424（P＜0.05），8個材料（遷麗1號、遷麗4號反交、18S-129-3、18S-130-1、18S-134-1、18S-143-1、18S-144-1和18S-128-0）與早佳8424無顯著差異（P＞0.05）。從小果型材料中篩選出2個材料（17A-79×17A-82、17A-82×17A-79）的耐低溫能力強于小蘭，10個材料（17A-82×17A-81、17A-81×17A-82、17A-79×17A-82、17A-82×17A-79、17S-435-2、17S-437-2、18S-44-3、18S-47-2、18S-169-2和18S-170-1）與小蘭無顯著差異（P＞0.05）。這些不同低溫耐受性的西瓜種質(zhì)材料，可為西瓜早春育種和遺傳研究提供參考和原材料。

植物在受到低溫等逆境脅迫時，生理代謝調(diào)節(jié)機制的動態(tài)平衡被打破，引起植物細胞膜保護系統(tǒng)及活性氧清除系統(tǒng)受損，從而導(dǎo)致細胞受到傷害[10]?？寡趸妇哂星宄钚匝踝杂苫淖饔?，是評判植物耐低溫能力的重要指標之一。目前，低溫脅迫對植物抗氧化酶活性的研究結(jié)論有差異，這與植物種類、品種耐性及低溫處理時間、溫度等不同有關(guān)。王萍等[11]研究發(fā)現(xiàn)，低溫處理后4個西瓜砧木品種幼苗的SOD和POD活性均比處理前顯著升高。李愛民等[12]研究發(fā)現(xiàn)，低溫弱光脅迫下，西瓜葉片中SOD、CAT活性隨著處理時間延長先增加后降低。楊燕[13]研究發(fā)現(xiàn)，隨著低溫脅迫時間延長，籽用西瓜幼苗SOD和CAT活性下降，POD和APX活性增加。

本研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下，西瓜葉片的SOD和POD活性均升高；CAT活性因不同品種表現(xiàn)不同，早佳8424 CAT活性下降，遷麗4號不同處理有的升高有的下降；APX活性因低溫處理不同表現(xiàn)不同。由此可見，低溫脅迫下，植物體內(nèi)通過抗氧化酶活性改變抵御低溫傷害，短時間較低低溫處理和長時間低溫處理抗氧化酶活性變化不同，不同品種間抗氧化酶活性變化也不同，耐低溫品種（遷麗4號）的酶活性更高。丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的產(chǎn)物，MDA含量越高，受傷害程度越高。李嚴曼等[2]研究發(fā)現(xiàn)，低溫對不同品種西瓜幼苗葉片MDA含量具有顯著影響，不同品種增加幅度不同。段會軍等[14]研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下，西瓜幼苗MDA含量升高，與冷害指數(shù)呈極正相關(guān)。

本研究發(fā)現(xiàn)，短時間較低低溫脅迫（4℃，處理2 d）MDA含量升高，長時間低溫脅迫（8℃，處理15 d）和常溫恢復(fù)生長后MDA含量降低，較耐低溫的品種（遷麗4號）MDA含量更低。低溫脅迫下，植物細胞內(nèi)超氧陰離子、羥基自由基、過氧化氫和單線態(tài)氧等活性氧積累，引起細胞膜結(jié)構(gòu)破壞，生物大分子損傷，導(dǎo)致植物受到傷害。韓婭楠等[15]研究發(fā)現(xiàn)，隨著低溫處理時間的延長，番茄葉片中超氧陰離子（O2-）和過氧化氫（H2O2）呈現(xiàn)上升趨勢。本研究發(fā)現(xiàn)，短時間較低低溫脅迫，超氧陰離子含量降低，長時間低溫脅迫和恢復(fù)生長后，超氧陰離子含量升高，可能是短時間較低低溫脅迫使SOD清除了體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生，造成活性氧含量的下降；長期低溫脅迫和恢復(fù)生長后，活性氧積累超出活性氧清除能力，造成了活性氧含量的升高。

本研究中處理組和常溫恢復(fù)生長后過氧化氫的含量與對照相比均降低，可能是POD催化過氧化氫參與還原氧化反應(yīng)，清除了過氧化氫。可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸（Pro）是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在逆境條件下大量積累以維持細胞的膨壓，從而減輕低溫等逆境傷害。張愛華等[16]研究認為，耐低溫品種的可溶性蛋白含量積累量更高。本研究也發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下，可溶性蛋白含量降低，較耐低溫品種可溶性蛋白含量更高。彭金光等[1]研究發(fā)現(xiàn)，低溫相對敏感的品種在15℃低溫處理的初期就積累了大量的可溶性糖和脯氨酸，耐低溫較強的品種在10℃低溫處理較長時間后體內(nèi)才積累大量可溶性糖和脯氨酸，且變化幅度小于低溫敏感品種。本研究也發(fā)現(xiàn)，不同低溫處理下，可溶性糖含量變化也不同，長時間低溫脅迫（8℃，處理15 d）2個品種可溶性糖含量升高，短時間較低低溫脅迫（4℃，處理2 d）下，較耐低溫品種含量稍微增加，較不耐低溫品種含量降低，常溫恢復(fù)生長后2個品種的可溶性糖含量均降低，但較耐低溫品種可溶性糖含量均高于較不耐低溫品種。

本研究中，脯氨酸含量也因不同處理和不同品種表現(xiàn)不同，遷麗4號處理組和常溫恢復(fù)生長后，脯氨酸含量均比對照升高，但早佳8424短時間較低低溫脅迫下，脯氨酸含量下降，長時間低溫脅迫和常溫恢復(fù)生長后，脯氨酸含量均增加。綜上可知，低溫脅迫下，西瓜幼苗葉片中抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、活性氧均發(fā)生了改變，但不同低溫處理和不同品種表現(xiàn)不同，因此，不同的低溫脅迫下，不同品種受到的低溫傷害不同，可篩選出耐低溫西瓜種質(zhì)材料，為西瓜耐低溫品種選育提供了理論參考。