西瓜幼苗在硝酸鈣脅迫下生長和生理指標的變化

韓志平 張海霞 張紅利

摘要：采用營養液水培法，研究Ca（NO3）2脅迫下小型西瓜幼苗生長、膜脂過氧化和有機滲透調節物質的變化。結果表明，隨Ca（NO3）2脅迫濃度的提高，幼苗株高、莖粗、葉片數、最大葉長、最大葉寬及地上部和根系的鮮質量、干質量均明顯降低;葉片光合色素含量表現出“增加—降低”的規律，質膜透性與丙二醛、抗壞血酸、脯氨酸、可溶性糖含量則明顯增加。說明硝酸鈣脅迫擾亂了西瓜葉片光合色素代謝，造成膜脂過氧化，破壞了細胞膜結構，導致幼苗生長嚴重受抑，同時植株抗氧化能力和滲透調節能力增強，從而在一定程度上減輕了鹽脅迫造成的傷害。

關鍵詞：西瓜;生長;Ca（NO3）2脅迫;膜脂過氧化;滲透調節

中圖分類號： Q945.78;S651.01 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）07-0138-04

隨著人們對新鮮蔬菜需求量的日益增長，我國設施蔬菜產業在近30年來迅猛發展，于2010年成為全球栽培面積和產量最大的國家[1]。但由于設施內土壤長期得不到雨水淋洗，以及作物連作和肥水管理不當等，使得鹽分逐年向土壤表層積聚，造成蔬菜作物生長和產量顯著降低，設施利用效率也不斷下降[2]。研究表明，Ca2+和NO3-大量積累既是設施土壤次生鹽漬化的主要特征，也是引起設施作物生理障礙的主導因子[3]。Ca（NO3）2濃度過高，會導致土壤水勢降低，滲透壓增大，細胞失水引起生理干旱，還會抑制作物對其他有益元素，如鎂、鉀、磷的吸收，影響生理生化的代謝過程，從而造成蔬菜作物難以立苗，阻礙了植株生長，甚至造成植株死亡[4-5]。國內外對土壤鹽漬化的研究主要集中于NaCl脅迫，有關Ca（NO3）2脅迫對植物的傷害以及植物適應Ca（NO3）2脅迫的生理機制研究較少。

西瓜（Citrulus lanatus M.）是世界性的主要園藝作物，也是國內外設施栽培的主要瓜類作物。西瓜是非鹽生植物，其根系對鹽漬環境反應敏感，設施土壤次生鹽漬化的不斷加重，使西瓜的產量和品質逐年下降[6]。目前關于Ca（NO3）2脅迫對西瓜植株影響的研究報道很少。為此，本研究采用營養液水培法，研究西瓜幼苗在Ca（NO3）2脅迫下的生長變化并測定了其生理指標，為深入研究西瓜植株對Ca（NO3）2脅迫的生理和分子響應奠定基礎，為設施西瓜抗鹽栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2015年4—5月在山西大同大學生命科學實驗教學中心進行。供試材料為北京市特種蔬菜種苗公司提供的小型西瓜品種紅小玉。

1.2 試驗設計

取飽滿一致的種子，用55 ℃溫水燙種15 min后用清水浸種6 h，而后在28 ℃下避光催芽。發芽后播于石英砂基質中育苗，保持晝溫18～25 ℃，夜溫10～16 ℃，每天澆清水保持濕潤。子葉展平后，開始澆灌0.5倍Hoaglands營養液。2葉1心時，選擇整齊健壯的幼苗移栽于盛有Hoaglands營養液的35 L水槽中，通氣培養（30 min/h）。3葉1心時，設置正常營養液培養（CK），含4 mmol/L Ca（NO3）2;脅迫處理共設Ca1、Ca2、Ca3、Ca4、Ca5 5個，Ca（NO3）2濃度分別為25、50、75、100、125 mmol/L。本試驗對照和脅迫處理共6個，每個處理3次重復，每重復18株幼苗，完全隨機排列。

1.3 指標測定

處理9 d后每個處理取8株幼苗，用常規方法測量株高、莖粗、根長、葉片數、最大葉長、最大葉寬，并稱量地上部和根系的鮮質量和干質量，同時計算含水量。

取生長點下第2張完全展開葉測定各生理指標。光合色素提取參照沈偉其的方法[7]并略加改進，打孔取葉圓片置于乙醇丙酮混合液中，暗提取完全變白后測定D440 nm、D645 nm、D663 nm，按王素平等的公式[8]計算葉綠素a（Chla）、葉綠素b（Chlb）和類胡蘿卜素（Car）含量。丙二醛（MDA）含量測定參照文獻[9]，質膜透性測定用電導儀[10]，抗壞血酸（AsA）含量測定參照文獻[11];脯氨酸含量測定用茚三酮法[12]，可溶性糖含量測定用蒽酮法[10]。125 mmol/L Ca（NO3）2脅迫的幼苗，第4天開始死苗，第9天死苗率超過50%，故未測定生理指標。

數據用SPSS軟件進行方差分析，用Excel軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 Ca（NO3）2脅迫下西瓜幼苗生長的變化

2.1.1 形態指標 表1中的數據顯示，除莖粗和根長在 25 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下、葉片數在25、50 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下與CK無顯著差異外，其他各形態指標均隨Ca（NO3）2濃度的提高而降低，且與CK差異顯著。在 100 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下，株高、莖粗、根長、葉片數、最大葉長、最大葉寬分別比CK降低57.34%、15.92%、31.83%、38.23%、27.89%、31.66%;在125 mmol/L Ca（NO3）2 脅迫下，株高、莖粗、根長、葉片數、最大葉長、最大葉寬分別比CK降低61.30%、20.40%、46.33%、43.60%、37.61%、35.47%。說明Ca（NO3）2脅迫顯著抑制了西瓜幼苗的形態建成，且隨Ca（NO3）2濃度增大，抑制作用明顯增大。

2.1.2 生物量和含水量 由表2可知，除地上部含水量和根系鮮質量在25、50 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下、根系含水量在 100 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下與CK無顯著差異外，地上部和根系的鮮質量、干質量和含水量均隨Ca（NO3）2濃度提高而降低，且與CK差異顯著。地上部鮮質量、干質量、含水量在100 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下，分別比CK降低49.82%、25.85%、5.55%;在125 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下，分別比CK降低62.08%、36.10%、7.82%。根系鮮質量、干質量、含水量在100 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下，分別比CK降低45.45%、38.79%、0.78%;在125 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下，分別比CK降低67.57%、57.17%、2.19%。說明Ca（NO3）2脅迫顯著抑制了西瓜幼苗的生物量積累，且隨Ca（NO3）2濃度增大，抑制程度明顯增大，且對地上部含水量的抑制程度明顯大于根系。

2.2 Ca（NO3）2脅迫下西瓜幼苗光合色素含量的變化

圖1顯示，葉片葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量均隨Ca（NO3）2濃度的提高表現為“升高—降低”的規律，在 75 mmol/L Ca（NO3）2處理下達到最高值。在25、100 mmol/L Ca（NO3）2處理下，葉綠素b和類胡卜素含量與CK均無顯著差異;在50 mmol/L Ca（NO3）2處理下，葉綠素a和類胡卜素含量顯著高于CK;在75 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下，各光合色素含量均顯著高于CK。葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量在 50 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下，分別比CK增加27.03%、11.88%、18.94%;在75 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下，分別比CK增加、33.64%、18.94%、27.22%;在100 mmol/L Ca（NO3）2 脅迫下，分別比CK增加16.59%、4.48%、12.21%。說明Ca（NO3）2脅迫導致西瓜幼苗光合色素代謝紊亂，使其含量隨Ca（NO3）2濃度的提高而發生明顯波動。

2.3 Ca（NO3）2脅迫下西瓜幼苗膜質過氧化的變化

由圖2可知，除MDA含量在25 mmol/L Ca（NO3）2處理下與CK無顯著差異外，葉片MDA含量、相對電導率和抗壞血酸含量均隨Ca（NO3）2濃度提高而明顯增加，與CK差異顯著。MDA含量、相對電導率和抗壞血酸含量在75 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下，分別比CK增加42.30%、49.10%、81.79%;在100 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下，分別比CK增加67.09%、70.63%、101.52%。說明Ca（NO3）2脅迫對西瓜幼苗造成了過氧化傷害，細胞膜結構被嚴重破壞，胞內電解質大量外滲，且隨Ca（NO3）2濃度提高，膜質過氧化傷害程度加劇;同時抗壞血酸含量顯著增加，有利于增強Ca（NO3）2脅迫下幼苗的抗氧化能力。

2.4 Ca（NO3）2脅迫下西瓜幼苗有機滲透調節物質含量的變化

由圖3可以看出，葉片脯氨酸和可溶性糖含量均隨 Ca（NO3）2 濃度提高而明顯增加， 與CK差異顯著， 且脯氨酸含量的增加幅度遠大于可溶性糖含量。脯氨酸、可溶性糖含量在 75 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下，分別比CK增加933.78%、19.50%;在100 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下，分別比CK增加 1 339.41%、26.14%。說明Ca（NO3）2脅迫促進了西瓜幼苗體內脯氨酸和可溶性糖的合成和積累，這些物質的積累有利于提高植株的滲透調節能力，減輕滲透脅迫對幼苗的傷害。

3 討論與結論

由于鹽脅迫可引發滲透脅迫、離子毒害、礦質營養缺乏和過氧化傷害等次生脅迫，非鹽生植物在鹽漬環境下生長會受到嚴重抑制[13-14]。本研究中，Ca（NO3）2脅迫下西瓜幼苗的生長受到了顯著抑制，75 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下幼苗生長顯著降低，但仍能維持生長發育;100 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下植株萎蔫、瀕臨死亡;125 mmol/L Ca（NO3）2脅迫下幼苗死亡率超過50%。結合生長和生理指標的變化，75 mmol/L是西瓜幼苗對Ca（NO3）2脅迫耐受性的閾值濃度。

環境因子的改變會引起光合色素含量的變化，最終影響到作物的生長、產量和品質[15]。許多研究表明，鹽脅迫抑制了光合色素的合成，促進其分解，導致其含量顯著降低[16-17]。但也有報道表明，鹽脅迫下葉片光合色素含量增加[8，18]。本試驗中，葉片光合色素含量隨Ca（NO3）2濃度提高呈“增加—降低”的規律，在75 mmol/L Ca（NO3）2處理下達到最大值，在 125 mmol/L Ca（NO3）2處理下觀察到存活的幼苗葉片小而枯黃。結合形態指標和前人的研究，推測50 mmol/L Ca（NO3）2以下濃度生長降低幅度很小而葉綠素含量增加是由于幼苗對Ca2+和N的吸收促進了葉綠素的合成;75 mmol/L Ca（NO3）2處理下葉綠素含量增加是由于鹽脅迫下葉片生長緩慢，導致葉綠體收縮，產生了“濃縮”效應[19];在100 mmol/L Ca（NO3）2 脅迫下葉綠素含量仍高于對照，則是由于葉綠素酶活性提高，同時葉綠素與葉綠體蛋白間的結合變得松弛，使其易于提取，導致測得的含量增加[20]。

鹽脅迫導致細胞內活性氧大量產生，造成植物的原初傷害——膜脂中不飽和脂肪酸的過氧化，導致其終產物MDA含量和質膜透性顯著增加[19，21]。這種情況誘導細胞內保護酶活性和非酶抗氧化劑含量增加，從而減輕或消除活性氧對膜脂的傷害[14]。抗壞血酸是植物體內天然的非酶抗氧化劑，能夠在抗壞血酸過氧化物酶催化下將H2O2分解成H2O[21-22]。本研究中，隨Ca（NO3）2濃度的提高，西瓜幼苗MDA含量、質膜透性和抗壞血酸含量顯著增加。說明 Ca（NO3）2 脅迫下細胞內自由基大量生成，造成膜脂過氧化加劇，細胞膜結構被嚴重破壞，同時誘導幼苗抗氧化能力增強，以清除大量產生的活性氧，有助于部分緩解Ca（NO3）2脅迫對幼苗的過氧化傷害。

鹽脅迫對植物傷害的原因之一是滲透脅迫造成細胞水分的虧缺。植物為維持正常的生理代謝，需要通過滲透調節降低細胞水勢，促進細胞吸收外界水分[23]。非鹽生植物在鹽脅迫下可通過大量合成和積累脯氨酸、可溶性糖、甜菜堿等小分子溶質，降低細胞滲透勢，促進細胞吸收水分，維持胞質溶膠與環境的滲透平衡，同時緩解活性氧對細胞的過氧化傷害，保證膜結構的穩定性和完整性[14，21，24-25]。本試驗中，幼苗脯氨酸和可溶性糖含量均隨Ca（NO3）2濃度提高而顯著增加，說明Ca（NO3）2脅迫下植株的滲透調節能力增強，且脯氨酸在滲透調節中的貢獻大于可溶性糖，這是西瓜植株對鹽脅迫的一種適應性反應，有利于增強植株對鹽脅迫的抵抗能力。

總之，Ca（NO3）2脅迫下西瓜幼苗光合色素代謝紊亂、膜脂過氧化加劇，使植株生長嚴重受抑，同時細胞抗氧化能力和滲透調節能力增強，在一定程度上減輕了鹽脅迫造成的傷害。在設施西瓜生產中，除了培育耐鹽西瓜品種、合理施肥灌水等措施外，還可通過轉基因、施用外源物質等方法提高植株的抗氧化或滲透調節能力，從而保證其正常的生長發育。

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