外源鈣對(duì)干旱脅迫下黃瓜幼苗葉片膜脂過(guò)氧化和光合特性的影響

陳露露　王秀峰　劉美　楊鳳娟　史慶華　魏珉　李清明

摘要：為了探討外源鈣提高植物抗旱性的相關(guān)機(jī)制，本試驗(yàn)研究了干旱脅迫下（PEG模擬干旱），葉面噴施CaCl₂對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)、葉綠素含量、膜脂過(guò)氧化、脯氨酸和蛋白質(zhì)積累以及光合氣體交換參數(shù)的影響。結(jié)果表明：葉面噴施CaCl₂可以促進(jìn)干旱脅迫下黃瓜幼苗的生長(zhǎng)，提高葉片的葉綠素的含量、凈光合速率、蒸騰速率以及水分利用率，降低膜脂過(guò)氧化程度及脯氨酸和可溶性蛋白的積累量，緩解了干旱對(duì)黃瓜幼苗的不利影響，從而增強(qiáng)植株對(duì)干旱的適應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞：黃瓜幼苗；干旱脅迫；CaCl₂；膜脂過(guò)氧化；光合特性

中圖分類(lèi)號(hào)：S642.201 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2016）04-0028-06

干旱一直是一個(gè)全球性的問(wèn)題。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，全球超過(guò)三分之一的土地分布于干旱和半干旱地區(qū)。在我國(guó)，干旱、半干旱土地面積約占全國(guó)總面積的47%，其中干旱、半干旱的耕地面積約占耕地總面積的51%。隨著全球旱情的不斷發(fā)生，關(guān)于作物抗旱機(jī)理的研究日益受到重視。

黃瓜（Cucumis sativtts L.）是一種世界性蔬菜，也是我國(guó)蔬菜栽培的主要種類(lèi)之一。研究表明，黃瓜幼苗比較容易受干旱脅迫的影響，生長(zhǎng)缺水將嚴(yán)重影響黃瓜的產(chǎn)量及品質(zhì)。

鈣（Calcium）是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的一種大量元素，具有保護(hù)膜結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定膜功能的作用，而且鈣還可以作為第二信使與CaM（鈣調(diào)素）結(jié)合偶聯(lián)胞外信號(hào)與胞內(nèi)的生理生化反應(yīng)，通過(guò)穩(wěn)定植物細(xì)胞壁、細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)及誘導(dǎo)特異基因的表達(dá)等方式來(lái)提高植物對(duì)逆境的抗性。近年來(lái)，關(guān)于通過(guò)外源鈣調(diào)節(jié)植物多種生理代謝來(lái)提高植物抗逆性的研究取得了一定的進(jìn)展。張會(huì)慧等研究表明，葉面噴施CaCl₂溶液可使干旱條件下烤煙葉片的光系統(tǒng)Ⅱ保持相對(duì)較高的活性，從而增強(qiáng)了烤煙幼苗的抗旱能力。目前，有關(guān)鈣提高黃瓜幼苗抗旱性的研究較少，因此本試驗(yàn)在PEG-6000模擬干旱的條件下，研究鈣對(duì)不同程度干旱脅迫下黃瓜幼苗的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、生理活動(dòng)及光合特性的影響，以期為鈣作為抗旱誘導(dǎo)劑在黃瓜生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2015年5～7月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行。供試黃瓜品種為“津優(yōu)35號(hào)”，由天津科潤(rùn)黃瓜研究所提供。

先將黃瓜種子在清水中浸泡2h，然后用5%NaClO消毒15min，再用清水沖洗幾遍，最后放入恒溫箱中（28±0.5）℃催芽。待出芽后，挑選萌發(fā)一致的種子播種于穴盤(pán)中，每穴播2粒，基質(zhì)為草炭和蛭石（2：1）配制。待子葉展平后，選留一株生長(zhǎng)健壯的幼苗。待幼苗長(zhǎng)至2片真葉時(shí)，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗進(jìn)行水培（營(yíng)養(yǎng)液用日本山崎黃瓜專(zhuān)用配方）。每3天更換一次營(yíng)養(yǎng)液。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

待幼苗長(zhǎng)至三葉一心時(shí)葉面噴施CaCl₂溶液（在預(yù)備試驗(yàn)基礎(chǔ)上篩選出葉面噴施CaCl₂的最佳濃度為10mmol·L^-1），每天噴施2次，時(shí)間分別為上午9：00和下午3：00，連續(xù)處理2天，緩解1天后再進(jìn)行干旱脅迫處理。

根際干旱脅迫采用PEG-6000模擬干旱，共設(shè)6個(gè)處理：①對(duì)照（CK）：完全營(yíng)養(yǎng)液；②中度干旱脅迫（M）：含5%PEG-6000的營(yíng)養(yǎng)液；③重度干旱脅迫（S）：含10%PEG-6000的營(yíng)養(yǎng)液；④CK+Ca：完全營(yíng)養(yǎng)液處理下，葉面噴施CaCl₂溶液；⑤M+Ca：中度干旱脅迫下，葉面噴施CaCl₂溶液；⑥S+Ca：重度干旱脅迫下，葉面噴施CaCl₂溶液。每個(gè)處理6盆即30株幼苗。在干旱脅迫的第4天和第7天，進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 在脅迫處理后的第7天取樣測(cè)量植株的株高、莖粗、鮮干重及葉片的相對(duì)含水量。

1.3.2葉綠素含量的測(cè)定 采用Arnon法測(cè)定葉綠素的含量。

1.3.3

MDA和電解質(zhì)滲出率的測(cè)定 MDA含量參照E1-Tayeb的方法測(cè)定，電解質(zhì)滲出率直接用電導(dǎo)儀測(cè)定。

1.3.4 脯氨酸含量的測(cè)定 采用茚三酮顯色法測(cè)定。

1.3.5 可溶性蛋白含量的測(cè)定 采用Brad-ford的方法測(cè)定。

1.3.6 光合氣體交換參數(shù)的測(cè)定 采用CIRAS-2便攜式光合測(cè)定儀測(cè)定，水分利用效率則按照WUE=Pn/Tr計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源鈣對(duì)干旱脅迫下黃瓜幼苗營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的影響

由表1可以看出，干旱脅迫下，葉面噴施CaCl₂后，黃瓜植株的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均有不同程度的提高。在重度脅迫下，噴施與未噴施CaCl₂處理的黃瓜幼苗株高、莖粗及植株鮮重、植株干重、葉片相對(duì)含水量差異均達(dá)顯著水平；在中度干旱脅迫下，噴施CaCl₂顯著提高了黃瓜幼苗的株高、植株鮮重以及葉片相對(duì)含水量，表明葉面噴施CaCl₂可在一定程度上緩解干旱脅迫對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)的抑制作用。

2.2 外源鈣對(duì)干旱脅迫下黃瓜幼苗生理特性的影響

2.2.1 對(duì)黃瓜幼苗葉片葉綠素含量的影響 由表2可以看出，干旱脅迫7天后，黃瓜幼苗葉片葉綠素含量顯著低于對(duì)照；葉面噴施CaCl₂后，葉片葉綠素含量均有不同程度的提高。其中，在中度干旱脅迫下，葉面噴施CaCl₂處理的植株葉片葉綠素b、類(lèi)胡蘿卜素含量與對(duì)照差異不顯著；在重度干旱脅迫下，葉面噴施CaCl₂處理的黃瓜幼苗葉片葉綠素含量均顯著高于未噴施CaCl₂處理的，但與對(duì)照相比差異仍顯著。表明在重度干旱脅迫下葉面噴施CaCl₂可在一定程度上緩解干旱脅迫對(duì)黃瓜幼苗葉片葉綠素含量的影響。

2.2.2 對(duì)黃瓜幼苗MDA和電解質(zhì)滲出率的影響

由圖1可以看出，干旱脅迫下葉面噴施CaCl₂與未噴施的植株相比，葉片中的MDA含量顯著下降，在脅迫4天時(shí)，中度脅迫與重度脅迫分別下降了7.12%和5.67%；在脅迫7天時(shí)，中度脅迫與重度脅迫分別下降了13.60%和11.48%。此外，葉面噴施CaCl₂后顯著降低了受脅迫植株葉片的電解質(zhì)滲出率，脅迫4天時(shí)，中度脅迫與重度脅迫分別下降了4.81%和4.59%；脅迫7天時(shí)，中度脅迫與重度脅迫分別下降了7.43%和6.48%。由此可見(jiàn)，外源鈣可以減少黃瓜幼苗葉片細(xì)胞膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物MDA的積累，降低電解質(zhì)滲出率，從而緩解干旱脅迫對(duì)細(xì)胞膜造成的傷害。

2.2.3 對(duì)干旱脅迫下黃瓜幼苗脯氨酸含量的影響 由圖2可以看出，噴施CaCl₂的黃瓜幼苗植株與對(duì)照相比，在中度脅迫下，第4天和第7天葉片中的脯氨酸含量分別降低了10.1%和16.7%；在重度脅迫下，第4天和第7天葉片中脯氨酸含量分別降低了6.1%和13.6%，各處理問(wèn)差異均達(dá)到顯著水平。

2.2.4 對(duì)干旱脅迫下黃瓜幼苗可溶性蛋白含量的影響 由圖3可以看出，正常培養(yǎng)的植株葉面噴施CaCl₂與其對(duì)照相比，黃瓜幼苗葉片的可溶性蛋白含量無(wú)明顯差異；干旱脅迫下，黃瓜幼苗葉片的可溶性蛋白含量顯著高于對(duì)照，噴施CaCl₂后，與未噴施CaCl₂的處理相比，黃瓜幼苗葉片的可溶性蛋白含量顯著降低。重度脅迫下，噴施與未噴施CaCl₂處理問(wèn)相比，可溶性蛋白含量分別下降了1.03%和1.79%。表明干旱脅迫下，外源鈣可以在一定程度上減少葉片中可溶性蛋白的積累量。

2.3 外源鈣對(duì)干旱脅迫下黃瓜幼苗葉片光合氣體交換參數(shù)的影響

由圖4可以看出，干旱脅迫使得黃瓜幼苗葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和氣孔導(dǎo)度（Gs）均呈下降趨勢(shì)，且脅迫程度越大下降越明顯，各處理問(wèn)的差異均達(dá)到顯著水平。噴施CaCl₂后，各處理與其對(duì)應(yīng)未噴施CaCl₂的處理相比，黃瓜幼苗葉片Pn、Tr和Gs均顯著升高，噴施CaCl2使對(duì)照、中度和重度干旱脅迫的Pn第4天和第7天分別升高了6.35%、10.2%、30.1%和9.37%、15.2%、21.8%，Tr分別升高了6.85%、9.01%、22.5%和7.97%、12.0%、17.9%，Gs分別升高了12.6%、25.6%、11.6%和2.08%、15.17%、11.7%。表明外源鈣在正常水分條件和干旱脅迫下均可以顯著提高黃瓜幼苗葉片的Pn、Tr以及Gs，從而減輕干旱脅迫對(duì)黃瓜幼苗造成的傷害。

水分利用率（WUE）是由Pn和Tr共同決定，干旱脅迫下黃瓜幼苗葉片的WUE顯著高于對(duì)照，隨著干旱程度的加重WUE也隨之提高。噴施CaCl₂后，各脅迫處理問(wèn)與其未噴施CaCl₂的相比WUE均略有提高，對(duì)照、中度和重度脅迫的幼苗葉片WUE第4天和第7天分別升高了0.40%和1.63%、1.38%和3.66%及8.99%和4.23%，但各處理問(wèn)差異不顯著。表明在正常水分條件下和干旱脅迫下，外源鈣對(duì)提高黃瓜幼苗葉片的水分利用率效果并不明顯。此外，在不同程度的干旱脅迫下，與對(duì)照相比葉片胞間C02濃度（Ci）顯著下降，但葉片溫度（T）變化不大；對(duì)照和干旱脅迫下，噴施CaCl₂與未噴施CaCl₂的處理相比黃瓜幼苗Ci有不同程度的升高。

3 結(jié)論與討論

干旱脅迫影響植物的各項(xiàng)生理指標(biāo)，從而在一定程度上抑制植物的生長(zhǎng)。本研究結(jié)果表明，葉面噴施CaCl₂可以促進(jìn)干旱脅迫下黃瓜幼苗的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，促進(jìn)株高、莖粗的增長(zhǎng)，提高葉片的干鮮重及相對(duì)含水量。干旱脅迫下，噴施CaCl₂可以提高黃瓜幼苗葉片的葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率以及水分利用率，并且降低膜脂過(guò)氧化程度，降低脯氨酸和可溶性蛋白的積累量，在一定程度上緩解了干旱對(duì)黃瓜幼苗的不利影響，從而增強(qiáng)植株對(duì)干旱的適應(yīng)能力。水分脅迫會(huì)對(duì)植物造成傷害，已有較多報(bào)道，蔣明義等認(rèn)為干旱脅迫不僅會(huì)引起植物體內(nèi)水分含量的下降，還會(huì)使細(xì)胞內(nèi)自由基產(chǎn)生和清除的平衡關(guān)系受到破壞，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)積累的自由基攻擊膜系統(tǒng)，從而導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化，使細(xì)胞的相對(duì)電導(dǎo)率增大和葉綠素含量降低，從而加速細(xì)胞的衰老。

MDA是膜脂過(guò)氧化的產(chǎn)物之一，其含量與植物受傷害的程度呈正相關(guān)。本研究表明，干旱脅迫下，黃瓜幼苗MDA不斷積累，電解質(zhì)滲出率增加，而葉面噴施外源鈣降低了MDA含量及電解質(zhì)滲出率，表明鈣能夠在一定程度上緩解干旱脅迫對(duì)細(xì)胞膜的傷害。此外，外源鈣促進(jìn)了黃瓜葉片脯氨酸的積累，可降低細(xì)胞滲透勢(shì)，滲透調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，以降低細(xì)胞水勢(shì)，減少水分散失，使植物組織的含水量維持在細(xì)胞傷害的臨界點(diǎn)之上，這也是植物適應(yīng)干旱環(huán)境的一個(gè)重要生理機(jī)制。

一般植物體內(nèi)所含有的大多數(shù)可溶性蛋白是一些參與各種生理代謝的酶類(lèi)，其含量是衡量植物體內(nèi)總代謝水平的重要指標(biāo)之一。干旱脅迫下外源鈣對(duì)植物幼苗中可溶性蛋白含量影響方面的研究仍較少，僅在花生、豆類(lèi)等植物上有所研究。顧學(xué)花等的研究表明，在干旱脅迫下施鈣可以在一定程度上增加花生籽仁蛋白質(zhì)的含量，從而提高產(chǎn)品的品質(zhì)。本試驗(yàn)中，干旱脅迫下黃瓜幼苗葉片可溶性蛋白含量增加，而噴施CaCl₂后，其含量有所降低，機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。

本試驗(yàn)中，外源鈣使干旱脅迫下的黃瓜幼苗葉片葉綠素含量增加，從而使幼苗葉片的Pn增大。水分利用效率作為評(píng)價(jià)干旱條件下植物生長(zhǎng)的綜合指標(biāo)之一，其值越高，表明固定單位質(zhì)量CO₂所需的水量越少，水分生產(chǎn)力就越高。郝敬虹等的研究結(jié)果顯示干旱脅迫下黃瓜幼苗葉片的WUE呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，而本研究結(jié)果表明干旱脅迫后，黃瓜幼苗葉片WUE增大，其原因可能是本試驗(yàn)的干旱脅迫時(shí)間較短，植株仍是通過(guò)關(guān)閉氣孔的方式使Tr下降，從而降低了蒸騰過(guò)程中所失的水分。同時(shí)干旱脅迫下，葉面噴施外源鈣又能夠提高Pn、WUE、Tr以及GS和Ci，進(jìn)而提高黃瓜幼苗的生理代謝能力及脅迫適應(yīng)能力。

綜上所述，干旱脅迫抑制黃瓜幼苗的生長(zhǎng)，而葉面噴施CaCl₂可使黃瓜幼苗葉片的葉綠素含量增加，凈光合速率提高，MDA、脯氨酸、可溶性蛋白含量及電解質(zhì)滲出率降低，減緩干旱脅迫對(duì)黃瓜幼苗造成的傷害，從而增強(qiáng)植株對(duì)干旱的適應(yīng)能力。