亞低溫條件下外源褪黑素和Ca2+對(duì)西瓜幼苗生理特性的影響

吳燕 耿書德 王向向 高青海 孟凡豹

摘? ? 要：以西瓜品種8424種子和幼苗為試材，利用人工氣候室進(jìn)行亞低溫處理（晝/夜18 ℃/12 ℃）20 d，研究外源褪黑素（MT）和Ca2+浸種處理對(duì)亞低溫條件下西瓜種子萌發(fā)，西瓜幼苗抗氧化酶SOD、POD和CAT等活性，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖和脯氨酸含量的影響。結(jié)果表明，亞低溫處理的西瓜種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢僅為46.5%和40.5%，外源100 μmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1 Ca2+復(fù)合浸種處理西瓜種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別達(dá)到62.3%和58.5%。外源褪黑素和Ca2+浸種處理顯著提高了抗氧化酶SOD、POD、CAT和APX活性，促進(jìn)了滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖和脯氨酸的積累，有效緩解亞低溫對(duì)西瓜種子萌發(fā)和幼苗生長影響;褪黑素和Ca2+復(fù)合浸種西瓜幼苗在出苗第20天時(shí)植株鮮質(zhì)量達(dá)到8.21 g·株-1，達(dá)到對(duì)照處理的85.5%。綜上，外源褪黑素和Ca2+能通過提高西瓜幼苗抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)能力等，緩解亞低溫的不良影響，促進(jìn)西瓜幼苗生長。

關(guān)鍵詞：西瓜;幼苗;亞低溫;褪黑素;Ca2+;生理特性

中圖分類號(hào)：S651 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-2871（2022）02-061-06

Effects of exogenous melatonin and Ca2+ on physiological characteristics of watermelon seedlings under sub-low temperature

WU Yan1， GENG Shude2， WANG Xiangxiang1， GAO Qinghai1， MENG Fanbao3

（1. Anhui Science and Technology University， Fengyang 233000， Anhui， China; 2. Linyi County Natural Resources Bureau， Linyi 251500， Shandong， China; 3. Anhui Yifeng Ecological Agriculture Technology Co.， Ltd， Guzhen 233700， Anhui， China）

Abstract： The seeds and seedlings of watermelon cultivar 8424 were treated with sub-low temperature （day/night 18 ℃/12 ℃） for 20 days in an artificial climate chamber to study the effects of exogenous melatonin （MT） and Ca2+ on germination， activities of antioxidant enzymes （SOD， POD and CAT）， and contents of soluble sugar and proline. The results showed that the germination rate and germination potential of watermelon seeds treated with sub-low temperature were only 46.5% and 40.5%， and those treated with 100 μmol·L-1 melatonin and 5 mmol·L-1 Ca2+ were 62.3% and 58.5%， respectively. Exogenous melatonin and Ca2+ treatment significantly increased the activities of antioxidant enzymes （SOD， POD， CAT and APX）， promoted the accumulation of osmotic adjustment substances （soluble sugar and proline）， and effectively alleviated the effect of sub-low temperature on watermelon seed germination and seedling growth. The seedling fresh weight treated with melatonin and Ca2+ reached 8.21 g·plant-1 on the 20th day of emergence， which was 85.5% of the control.

Key words： Watermelon; Seedlings; Sub-low temperature; Melatonin; Ca2+; Physiological characteristics

西瓜為葫蘆科西瓜屬一年生水果型蔬菜。西瓜喜光耐熱不耐寒，在世界上均有廣泛栽培。在早春大棚西瓜栽培中經(jīng)常遇到低溫或亞低溫環(huán)境，研究表明，低溫不僅影響西瓜種子萌發(fā)[1]，同時(shí)也影響西瓜的生長發(fā)育，低溫條件下，西瓜幼苗生長受到抑制、授粉受精不良、果實(shí)容易發(fā)育成畸形果[2]。低溫逆境脅迫下，西瓜植株會(huì)產(chǎn)生大量活性氧自由基，西瓜為適應(yīng)低溫逆境環(huán)境會(huì)提高自身保護(hù)酶SOD、POD、CAT等的活性，促進(jìn)可溶性糖、脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累[3-4]。

褪黑素（Melatonin，MT）是一類重要的吲哚類化合物，廣泛存在于動(dòng)植物體內(nèi)[5]。前人研究表明，褪黑素不僅能提高苜蓿、黃瓜、番茄、香椿等[5-8]植物種子在逆境脅迫下的萌發(fā)，而且能通過提高植物抗氧化酶SOD、CAT和APX等的活性，增加細(xì)胞內(nèi)脯氨酸含量，降低細(xì)胞相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛含量等途徑提高植物抵御逆境脅迫。外源鈣能夠顯著提高辣椒幼苗葉片抗氧化酶活性、增加可溶性糖含量、降低丙二醛含量，從而提高辣椒幼苗抗寒性[9]。目前針對(duì)外源物質(zhì)褪黑素和鈣提高作物耐寒性研究主要集中在黃瓜、甜瓜、茄子等[6，10-11]作物上，褪黑素和鈣在提高西瓜耐寒性上是否有協(xié)同作用等目前還不清楚。為此，筆者以西瓜為材料，通過浸種處理西瓜種子，研究外源物質(zhì)褪黑素和鈣對(duì)西瓜耐寒性的影響，為西瓜耐寒性研究及生產(chǎn)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

西瓜品種為早佳8424，為長三角地區(qū)主栽西瓜品種，由安徽科技學(xué)院農(nóng)學(xué)院園藝教研室提供。試驗(yàn)于2020年1—5月在安徽科技學(xué)院種植科技園日光溫室及園藝實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇大小一致無病蟲害的西瓜種子，每個(gè)處理100粒，3次重復(fù)，將精選西瓜種子在28 ℃條件下浸種24 h，中間換水6次，浸種處理分別為蒸餾水（CK）、蒸餾水（LT，亞低溫處理）、100 μmol·L-1MT溶液（LT+MT）、5 mmol·L-1 CaCl2溶液（LT+Ca2+）、100 μmol·L-1MT+5 mmol·L-1 CaCl2溶液（LT+MT+Ca2+）;然后放置在人工氣候箱中，控制不同的溫度條件進(jìn)行催芽。其中，對(duì)照處理西瓜種子放置28 ℃條件下催芽，其余亞低溫處理則放置在晝/夜18 ℃/12 ℃條件下進(jìn)行催芽，光照時(shí)間為每天12 h。

待種子發(fā)芽后開始統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率。將發(fā)芽的種子播種于裝有基質(zhì)的32孔穴盤中，然后繼續(xù)在培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。在西瓜出苗后第5、第10、第15、第20天時(shí)測定西瓜幼苗的鮮質(zhì)量。在第20天時(shí)取樣測定西瓜幼苗的生理指標(biāo)，各生理指標(biāo)重復(fù)測定3次。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1? ? 發(fā)芽率和發(fā)芽勢的測定? ? 對(duì)照處理催芽的西瓜種子第3天開始統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率和發(fā)芽勢;亞低溫處理催芽的西瓜種子在第5天開始統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢，第7天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率。

發(fā)芽率/%=[發(fā)芽種子數(shù)種子總數(shù)]×100;

發(fā)芽勢/%=[規(guī)定天數(shù)發(fā)芽種子數(shù)種子總數(shù)]×100。

1.3.2? ? 西瓜植株鮮質(zhì)量測定? ? 將西瓜幼苗用清水洗凈，植株表面的水分用紙巾吸干，盡量避免損壞根系與葉片，稱量西瓜整株鮮質(zhì)量，每個(gè)處理取5株，4次重復(fù)。

1.3.3? ? 抗氧化酶活性的測定? ? 在亞低溫處理第20天時(shí)，每處理分別稱取0.5 g新鮮葉片，在研缽中用液氮研磨成粉末，將研磨后的粉末混勻到10 mL含有1 mmol·L-1 EDTA和1%聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的50 mmol·L-1的磷酸緩沖液（pH 7.0）中。4 ℃ 15 000 r·min-1高速冷凍離心20 min，取上清液用于酶的活性檢測。參照李合生[12]的方法進(jìn)行過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性的測定，參照Zhu等[13]的方法進(jìn)行抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性的測定。

1.3.4? ? 葉片相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量的測定? ? 在亞低溫處理第20天時(shí)，測定西瓜幼苗葉片相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛（MDA）含量，具體試驗(yàn)步驟參照高俊鳳[14]的方法。

1.3.5? ? 葉片脯氨酸和可溶性糖含量測定? ? 在亞低溫處理第20天時(shí)，測定西瓜幼苗葉片脯氨酸和可溶性糖含量，具體試驗(yàn)步驟參照高俊鳳[14]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用WPS 2016和SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 亞低溫條件下外源MT和Ca2+對(duì)西瓜種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

從圖1和圖2中可以看出，與對(duì)照相比，亞低溫處理顯著影響西瓜種子的發(fā)芽，西瓜種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢顯著降低。亞低溫處理下，外源100 μmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1Ca2+浸種處理可以促進(jìn)西瓜種子萌發(fā)，外源褪黑素處理的西瓜種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別為58.39%和50.58%，外源100 μmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1Ca2+復(fù)合浸種處理西瓜種子達(dá)到發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別為62.30%和58.52%，而亞低溫處理的西瓜種子發(fā)芽率僅為46.51%。由此說明外源褪黑素和Ca2+浸種可以促進(jìn)西瓜種子萌發(fā)，二者復(fù)合浸種促進(jìn)效果更為顯著。

2.2 亞低溫條件下外源MT和Ca2+對(duì)西瓜幼苗生長的影響

由圖3可以看出，與常溫處理相比，亞低溫條件下西瓜幼苗生長緩慢，植株鮮質(zhì)量增加較少，而外源物質(zhì)浸種處理可以促進(jìn)西瓜幼苗的生長。在幼苗生長到20 d時(shí)，亞低溫處理的西瓜幼苗單株鮮質(zhì)量為6.10 g，外源100 μmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1 Ca2+浸種可以促進(jìn)西瓜幼苗的生長，尤其是褪黑素和Ca2+復(fù)合浸種西瓜，西瓜幼苗在20 d時(shí)單株鮮質(zhì)量達(dá)到8.21 g，達(dá)到對(duì)照處理的85.42%。由此說明，外源褪黑素和Ca2+浸種處理可以促進(jìn)西瓜幼苗在亞低溫條件下生長。

2.3 亞低溫條件下外源MT和Ca2+對(duì)西瓜幼苗葉片SOD和POD酶活性的影響

從圖4和圖5中可以看出，與常溫處理相比，亞低溫處理下西瓜幼苗葉片保護(hù)酶SOD和POD活性升高，外源100 μmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1 Ca2+浸種處理可顯著提高西瓜幼苗的SOD和POD活性，尤其是外源褪黑素和Ca2+復(fù)合浸種處理，西瓜幼苗SOD和POD活性分別達(dá)到69.43 U·mg-1和23.61 U·mg-1，比對(duì)照處理提高94.94%和306.90%。由此說明，亞低溫處理下，外源褪黑素和Ca2+浸種處理可以提高西瓜幼苗保護(hù)酶SOD和POD活性。

2.4 亞低溫條件下外源MT和Ca2+對(duì)西瓜幼苗葉片CAT和APX酶活性的影響

從圖6和圖7中可以看出，與常溫處理相比，亞低溫處理下西瓜幼苗葉片保護(hù)酶CAT和APX活性升高，外源100 μmol·L-1褪黑素和5 mmol·L-1Ca2+浸種處理可顯著提高西瓜幼苗CAT和APX活性，尤其是外源褪黑素和Ca2+復(fù)合浸種處理，西瓜幼苗CAT和APX活性分別為3.62 U·mg-1和50.21 U·mg-1，比對(duì)照處理提高了227.27%和48.52%。由此說明，亞低溫處理下，外源褪黑素和Ca2+浸種處理可以提高西瓜幼苗保護(hù)酶CAT和APX活性。

2.5 亞低溫條件下外源MT和Ca2+對(duì)西瓜幼苗葉片可溶性糖和脯氨酸含量的影響

從圖8和圖9中可以看出，與常溫處理相比，亞低溫處理下西瓜幼苗葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖和脯氨酸含量均顯著升高，外源100 μmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1Ca2+浸種處理可顯著提高西瓜幼苗葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累。其中，褪黑素處理西瓜幼苗葉片可溶性糖和脯氨酸含量分別為60.13 mg·g-1和46.71 μg·g-1，外源Ca2+浸種處理西瓜幼苗葉片可溶性糖和脯氨酸含量分別為59.40 mg·g-1 和43.52 μg·g-1，外源褪黑素和Ca2+復(fù)合浸種處理效果更加顯著。

2.6 亞低溫條件下外源MT和Ca2+對(duì)西瓜幼苗葉片MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率的影響

由圖10和圖11中可以看出，與常溫處理相比，亞低溫處理下西瓜幼苗葉片MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率值顯著升高，外源100 μmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1 Ca2+浸種處理可顯著降低西瓜幼苗MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率，尤其是外源褪黑素和Ca2+復(fù)合浸種處理，西瓜幼苗MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率分別為2.90 nmol·g-1和23.82%，比亞低溫處理西瓜幼苗葉片MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率分別降低了25.64%和19.05%。由此說明，亞低溫處理下，外源褪黑素和Ca2+浸種處理可以降低西瓜幼苗葉片細(xì)胞膜受損。

3 討論與結(jié)論

亞低溫為一種常見的逆境氣候條件，尤其是早春設(shè)施栽培中經(jīng)常遇到。亞低溫條件不僅抑制植物的生長，植株生長緩慢，而且可引起植物落花落果，果實(shí)發(fā)育畸形[10，15]。前人研究表明，17 ℃以下的低溫處理顯著降低了西瓜種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢[1]。本研究結(jié)果表明，亞低溫處理降低了西瓜種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢，外源褪黑素和Ca2+浸種處理可以顯著提高西瓜種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢，促進(jìn)西瓜幼苗的生長。在外源褪黑素促進(jìn)作物種子萌發(fā)時(shí)，不同作物對(duì)褪黑素濃度需求有所差異，陳莉等[16]在棉花上的研究顯示，低濃度褪黑素具有提高棉花種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢、增加幼苗生物量的效果。

作為一種廣泛存在于植物體內(nèi)的調(diào)節(jié)物質(zhì)褪黑素，能調(diào)節(jié)植物抗氧化酶活性，促進(jìn)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸的積累。前人研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外源褪黑素可以提高黃瓜葉片SOD、POD、CAT等抗氧化酶的活性，緩解低溫脅迫對(duì)植物細(xì)胞造成的傷害，提高植物的抗寒性[17-18]。本研究結(jié)果表明，亞低溫條件下西瓜幼苗葉片保護(hù)酶SOD、POD、CAT和APX活性顯著升高，外源褪黑素和Ca2+浸種可以顯著提高西瓜幼苗葉片保護(hù)酶活性，尤其是褪黑素和Ca2+復(fù)合浸種效果更好。這是由于亞低溫條件下，植物細(xì)胞內(nèi)活性氧清除能力下降，導(dǎo)致葉片中H2O2 和O2-含量的增加，細(xì)胞膜受到破壞，表現(xiàn)在細(xì)胞相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量增加，作物生長受到抑制[19];外源褪黑素和Ca2+處理可顯著提高西瓜葉片保護(hù)酶活性，促進(jìn)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，有效緩解亞低溫環(huán)境對(duì)西瓜細(xì)胞膜造成的不利影響，表現(xiàn)在西瓜幼苗相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量顯著降低，進(jìn)而起到緩解低溫脅迫效果，促進(jìn)作物在亞低溫環(huán)境下生長。吳雪霞等[11]在茄子上也有類似研究結(jié)果。

總之，亞低溫環(huán)境條件抑制了西瓜種子萌發(fā)，種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢顯著降低，幼苗生長受到明顯抑制;外源褪黑素和Ca2+浸種處理顯著提高了西瓜幼苗抗氧化酶SOD、POD、CAT和APX活性，促進(jìn)了西瓜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖和脯氨酸的積累，有效緩解亞低溫對(duì)西瓜種子萌發(fā)和幼苗生長的影響。本試驗(yàn)條件下，外源褪黑素和Ca2+復(fù)合處理緩解亞低溫效果較好。

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