低溫和鎂脅迫對黃瓜幼苗生長和生理特性的影響

謝小玉張喆

（西南大學農學與生物科技學院，南方山地農業教育部工程研究中心，重慶 400716）

鎂是植物的第四大必需元素，缺鎂導致作物產量、品質和經濟效益大幅度降低（丁玉川 等，2008）。近年來，很多研究從不同角度探討了鎂脅迫對作物的影響。研究表明，增施鎂肥可明顯提高大白菜的產量，改善大白菜品質（韓冬芳 等，2010）。在低鎂濃度條件下，水稻總根長和根冠比增加（丁玉川 等，2009）。鎂缺乏和鎂過量脅迫顯著降低了橘橙幼苗的株高、根長、根系活力、葉綠素含量及各部位干樣質量，但顯著提高了相對電導率與MDA含量，無鎂處理還顯著降低了SOD 與CAT 活性（申燕 等，2011）。缺鎂脅迫下黃瓜光合作用主要受非氣孔限制，而多鎂脅迫下氣孔因素和非氣孔因素二者兼具（謝小玉 等，2009）。

研究表明，根際鎂離子濃度和溫度是影響溫室黃瓜鎂吸收的最主要的兩個因素（謝小玉 等，2007）。但是目前溫度和鎂二因素脅迫對作物影響的研究還不多見。為探討根際鎂離子濃度和溫度對黃瓜幼苗生長、碳氮代謝及活性氧清除系統的影響，本試驗在人工氣候室內采用珍珠巖育苗，研究了不同鎂離子濃度和溫度的影響，以期探討低溫下黃瓜的鎂營養機理，為冬季溫室管理提供技術支持和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設計

試驗于2006年4～12月在西南大學農業部作物品質改良重點實驗室進行，黃瓜（Cucumis sativusL.）品種為津優1號。

試驗為二因素裂區設計。硫酸鎂（MgSO4）濃度設適鎂（2.5 mmol·L-1）、多鎂（5.0 mmol·L-1）和缺鎂（0 mmol·L-1）3個水平，分別用A1、A2、A3表示，營養液中SO42-濃度用 Na2SO4調節一致。溫度設適溫（25 ℃/15 ℃）和低溫（15 ℃/12 ℃）2個水平，分別用 B1、B2表示。營養液中其他元素及肥料用量Ca（NO3）294.63 g·L-1、KNO370.8 g·L-1、NH4H2PO46 g·L-1、螯合鐵1.84 g·L-1、MnSO4·H2O 1.5 mg·L-1、HBO33 mg·L-1、ZnSO4·7H2O 0.15 mg·L-1、CuSO40.03 mg·L-1、Na2MoO4·2H2O 0.015 mg·L-1。

挑選勻稱的黃瓜種子，用10%H2O2消毒30 min，然后用蒸餾水反復沖洗干凈，放在25 ℃的恒溫箱內催芽48 h，選露白一致的種子播入裝有珍珠巖（pH 6.3、水氣比1∶1.04、容重120 kg·m-3、大孔隙29.5%、小孔隙30.75%、總孔隙度60.3%，使用前用等體積的蒸餾水浸泡2次，每次24 h）的育苗缽中，缽高10 cm，直徑10 cm，每缽播2粒。播種后第3天開始澆1/2全營養液。子葉展開后間苗，每缽保留健壯的生長一致的1株苗，開始進行不同處理，每處理30株，每2 d澆1次營養液，缺鎂處理的植株葉片出現缺鎂癥狀時（五葉期）取樣測定。

1.2 測定項目和方法

各處理隨機選8株測定株高（子葉下至生長點）、莖粗（子葉下）、總葉片數、第3片葉葉面積，用自來水沖洗掉珍珠巖測最大根長、地上部和地下部的鮮質量和干質量等。并計算壯苗指數（壯苗指數=莖粗/株高×地上部干質量）及根冠比。

取第 2～4片葉混合，測定各項生理指標。硝酸還原酶（NR）活性按朱廣廉等（1990）的方法測定，可溶性蛋白采用考馬斯亮藍比色法、根系活力采用TTC法、可溶性糖采用蒽酮比色法、還原糖采用3，5-二硝基水楊酸法、丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法、超氧化物歧化酶（SOD）活性采用抑制 NBT光還原比色法、過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚比色法測定（高俊鳳，2006），超氧自由基（O2）產生速率采用王愛國和羅廣華（1990）的方法測定，過氧化氫（H2O2）含量采用林植芳等（1988）的方法測定，過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測定（陳貽竹和帕特森，1988）。

1.3 數據分析

采用Excel2003軟件對原始數據進行整理，SPSS17.0軟件對數據進行統計分析，以Duncan’s新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同溫度及鎂脅迫對黃瓜幼苗生長的影響

由表1可知，同一溫度下缺鎂脅迫葉面積、根長、全株干質量降低，尤其低溫缺鎂脅迫（B2A3）下葉面積、根長、全株干質量分別較對照降低23.20%、14.07%和48.51%。低溫下，總葉片數、葉面積、根長、全株干質量都較適溫下低。同一溫度下，多鎂脅迫以上各項指標下降幅度均小于缺鎂脅迫。

表1 不同溫度下鎂對黃瓜幼苗生長的影響

根冠比在鎂脅迫下增加，尤其在低溫缺鎂脅迫（B2A3）下增加幅度最大，較對照增加44.19%，表明鎂脅迫和低溫使根系干質量增加，地上部干質量減少，從而對植株干物質的分配產生影響。不論溫度如何，鎂脅迫都極顯著降低了黃瓜幼苗的壯苗指數，其中缺鎂比多鎂降低幅度更大，尤其低溫缺鎂脅迫（B2A3）下，壯苗指數僅為對照的58.85%（表1）。鎂脅迫總體上降低了黃瓜的壯苗指數，限制了壯苗的培育，低溫加劇了限制作用。

2.2 不同溫度及鎂脅迫對黃瓜幼苗碳氮代謝和根系活力的影響

表2表明，適溫下，多鎂（B1A2）和缺鎂（B1A3）脅迫使可溶性蛋白含量比對照分別下降17.22%和8.96%，使NR活性分別降低了30.44%和39.72%。低溫下，多鎂脅迫（B2A2）使可溶性蛋白含量比對照降低 12.46%，而缺鎂脅迫（B2A3）使其提高了 18.69%，NR活性降低幅度多鎂＞適鎂＞缺鎂。適溫下，多鎂和缺鎂脅迫使黃瓜幼苗葉片的還原糖含量比對照分別降低了24.17%和 3.50%，使可溶性總糖含量分別降低了 35.14%和 4.99%。低溫下，適鎂、多鎂和缺鎂處理的還原糖含量分別較對照提高了12.26%、20.67%、14.89%，而可溶性總糖的含量分別較對照降低了 7.89%、7.13%、1.23%。適溫下，鎂脅迫提高了根系活力，多鎂和缺鎂處理分別比對照提高了1.95%、14.56%；低溫下，不論根際鎂離子濃度如何，黃瓜幼苗的根系活力都下降。

表2 不同溫度下鎂對黃瓜幼苗碳氮代謝和根系活力的影響

2.3 不同溫度及鎂脅迫對黃瓜幼苗活性氧產生和保護酶活性的影響

圖 1表明，適溫下，鎂脅迫使 MDA、H2O2含量和 O2產生速率均較對照升高，且差異達極顯著水平；低溫下 MDA、H2O2含量與 O2產生速率也較對照極顯著升高，升高幅度分別為 73.83%～82.36%、25.68%～53.92%和37.61%～55.84%，低溫缺鎂條件下升幅最大。

圖1 不同溫度下鎂脅迫對黃瓜幼苗葉片MDA含量、H2O2含量和產生速率及 POD、SOD、CAT活性的影響

適溫下，鎂脅迫使POD和SOD活性增加，最大增幅分別為23.53%和10.53%，使CAT活性下降，多鎂和缺鎂脅迫較對照分別下降 17.68%和 11.49%；低溫下，POD、SOD和 CAT的活性均為多鎂>適鎂>缺鎂，POD活性較對照下降 2.21%～24.26%，SOD活性較對照升高 15.79%～47.37%，而CAT活性在適鎂和多鎂下較對照升高4.97%和9.39%，缺鎂脅迫較對照下降13.48%（圖 1）。

3 結論與討論

壯苗指數和根冠比是衡量幼苗健壯程度的最重要的指標，尤其壯苗指數是衡量幼苗素質高低的綜合指標之一（邵國慶 等， 2009；司東霞 等，2009）。本試驗結果表明，根冠比在鎂脅迫和低溫下增加，壯苗指數降低，尤其缺鎂比多鎂處理使壯苗指數的降低幅度更大，其主要原因可能是當植株缺鎂時，首先表現為葉片更加缺鎂，因而地上部的生長受到抑制，根冠比增大；低溫抑制了黃瓜地上部和根系的生長，并使根冠比增加。這與丁玉川等（2009）的研究結果一致，說明增加根冠比是植物適應不同環境脅迫的一個重要途徑。

可溶性蛋白質含量的下降是植物衰老的標志。硝酸還原酶（NR）是氮同化過程中的關鍵酶，其活性強弱影響著植物體內氮同化能力。本試驗結果表明，適溫下，鎂脅迫使黃瓜葉片可溶性蛋白、還原糖和可溶性總糖含量、硝酸還原酶活性下降，根系活力提高；低溫下，不論鎂離子如何硝酸還原酶活性、根系活力、可溶性總糖含量較對照降低，還原糖含量較對照升高，多鎂和適鎂使可溶性蛋白的含量較對照降低，缺鎂則使其含量提高，而在適鎂、多鎂和缺鎂條件下上升或下降幅度不同。這與對龍眼（李延 等，2001）的研究結果一樣。而在低溫缺鎂雙重脅迫下，植株會通過可溶性總糖含量和根系活力的升高產生一些應急反應來抵御重度的脅迫。

在環境脅迫下，植株體內會產生破壞植物分子的物質，如O2、H2O2和MDA等，同時影響體內清除這些活性氧的保護酶系統——抗氧化酶類，如POD、SOD和CAT等提高其活性清除活性氧和自由基，以維持植株體的代謝平衡。研究表明，鎂脅迫導致黃瓜幼苗葉片MDA、H2O2含量及O2產生速率升高，缺鎂升幅大于多鎂，低溫缺鎂脅迫下增加幅度最大；表明低溫缺鎂對植株的傷害最大，可能與活性氧的增加有關。適溫下，鎂脅迫使POD、SOD活性升高，其中POD升高幅度最大，而CAT活性降低，表明適溫下植株可能主要通過提高POD活性來抵御鎂脅迫。

鎂和低溫脅迫對黃瓜的生長和生理特性都有不同程度的抑制作用，但哪一個對植株生長和代謝造成的傷害更大還有待于進一步研究。

陳貽竹，帕特森．1988．低溫對植物葉片中超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化氫水平的影響．植物生理學報，14（4）：323-328．

丁玉川，羅偉，徐國華．2008．鎂、鉀營養及其交互作用對水稻產量、產量構成因素和養分吸收的影響．水土保持學報，（3）：178-182．

丁玉川，羅偉，任小利，徐國華．2009．不同鎂濃度對水稻根系生長及生理特性的影響．植物營養與肥料學報，15（3）：537-543．

高俊鳳．2006．植物生理學實驗指導．北京：高等教育出版社．

韓冬芳，王德漢，黃培釗，段繼賢，葛仁山，周偉莉．2010．不同形態鎂對‘早熟5號’大白菜產量及品質的影響．園藝學報，37（10）：1655-1660．

李延，劉星輝，莊衛民．2001．缺鎂脅迫對龍眼苗期氮代謝的影響．植物營養與肥料學報，7（2）：218-222．

林植芳，李雙順，林桂珠，郭俊彥．1988．衰老葉片和葉綠體中H2O2的積累與膜脂過氧化的關系．植物生理學報，14（1）：16-22．

邵國慶，李增嘉，寧堂原，張民，江曉東，王蕓，趙建波，呂美蓉，趙杰．2009．不同水分條件下常規尿素和控釋尿素對玉米根冠生長及產量的影響．作物學報，35（1）：118-123．

申燕，肖家欣，楊慧，張紹鈴．2011．鎂脅迫對‘春見’橘橙生長和礦質元素分布及葉片超微結構的影響．園藝學報，38（5）：849-858．

司東霞，胡樹文，陳清，楊俊剛，陳新平，張福鎖．2009．控釋肥料不同用量對黃瓜幼苗生長及養分吸收的影響．園藝學報，36（1）：53-58．

王愛國，羅廣華．1990．植物的超氧自由基與羥胺反應的定量關系．植物生理學通訊，26（6）：55-57．

謝小玉，鄒志榮，江雪飛．2007．影響無土栽培黃瓜葉片中鎂含量的因素研究．干旱地區農業研究，25（6）：85-88．

謝小玉，劉海濤，程志偉．2009．鎂對溫室黃瓜光合特性的影響．中國蔬菜，（6）：36-40．

朱廣廉，鐘誨文，張愛琴．1990．植物生理學實驗．北京：北京大學出版社．