淹水脅迫及脅迫解除對甜瓜幼苗呼吸等生理代謝的影響

張永平 刁倩楠 張文獻 田守波 許 爽 范紅偉*

（1 上海市農業科學院園藝研究所，上海市設施園藝技術重點實驗室，上海 201403；2 上海市農業技術推廣服務中心，上海 201103）

甜瓜（Cumumis meloL.）喜溫但不耐熱。我國上海及周邊地區夏秋季甜瓜播種育苗及移栽在7～8月進行，期間強降雨容易造成土壤漬水，影響甜瓜夏秋季的正常種植（王俊良 等，2013）。由于不同甜瓜品種間抗逆性差異較大，對水分的耐受性不同，不同的生長發育階段、不同水分脅迫強度及脅迫時間對甜瓜的生長發育、生理生化過程均有不同的影響，因而對甜瓜不同品種的水分逆境適應性進行研究對甜瓜的栽培種植具有重要意義。

據統計，在全球范圍內10%的灌溉土地受到洪澇災害的影響，這可能會降低20%的農作物產量（Shabala，2011）。作物在淹水逆境下，生理生化代謝會產生變化來適應不良環境。研究表明，淹水條件能顯著抑制不結球白菜幼苗的有氧呼吸，加強無氧呼吸，最終抑制根系的生長（郭欣欣 等，2015）。淹水脅迫下，植物根系缺氧，無氧呼吸增強，乙醇脫氫酶（alcohol dehydrogenase，ADH）、丙酮酸脫羧酶（pyruvate decarboxylase，PDC）和乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase，LDH）活性提高，促進了植株根系對缺氧環境的適應性（全瑞蘭和玉永雄，2015）。淹水后根系干物質積累量、根長密度、傷流速率和根系活力等顯著降低，說明淹水脅迫抑制了根系的正常生長發育，從而導致植株地上部的正常生長發育受到抑制（任佰朝 等，2017）。淹水脅迫能誘導細胞產生自由基，進而導致離子滲漏和細胞死亡，高水平的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）和 過 氧 化氫酶（catalase，CAT）活性在長時間淹水條件下在多種植物的存活中發揮重要作用（陳鷺真 等，2006）。到目前為止，國內外學者對淹水脅迫下植株生長發育、生理生化及分子調控等特征進行了深入研究，但主要集中于水稻（黃萬勇 等，2017）、玉米（僧珊珊 等，2012）、辣椒（劉周斌 等，2015）、青花菜（高旭 等，2018）和不結球白菜（王華 等，2013）等作物上，對淹水脅迫下甜瓜生長和生理變化研究相對較少。所以本試驗在前期工作基礎上選擇耐澇性稍強和耐澇性較弱的2個甜瓜品種為材料，通過對幼苗期甜瓜根系生長、呼吸酶代謝和抗氧化酶活性等指標的測定，比較分析不同甜瓜品種對不同程度淹水脅迫的響應差異及其生理原因，以期為進一步培育耐淹的甜瓜品種及其抗逆育種提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設計

參試的2個甜瓜品種為耐澇性稍強的脆禧和耐澇性較弱的世紀蜜，2個品種均由上海市農業科學院園藝研究所選育，試驗在上海市農業科學院園藝研究所培養室進行。2017年2月5日將飽滿、整齊一致的種子浸種催芽，出芽后播于裝有西甜瓜專用育苗基質的塑料營養缽中，置于晝（28±1）℃/夜（22±1）℃培養室中進行幼苗培養，光照12 h，光照強度為400 μmol·m-2·s-1左右。

2017年2月25日，當幼苗長到三葉一心時，選取生長勢基本一致的幼苗，采用“雙套盆法”進行淹水處理：半淹水處理（T1）為水面淹沒植株根部基質，超過基質表面0～1 cm；全淹水處理（T2）為水面剛淹過植株生長點；對照（CK）進行常規水分管理。注意每天及時補充散失的水分，確保處理所需的水面高度。分別在淹水1、3 d 及解除脅迫恢復后1、3、5 d 時取樣，測定根系生長指標和根系活力，然后取幼苗生長點下第2片完全展開葉片測定呼吸酶和抗氧化酶活性指標，每處理50株，3次重復。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 根系生長指標的測定 于淹水處理1、3 d 及解除脅迫后1、3、5 d 時，先用自來水將根部基質沖掉，再用蒸餾水沖洗3次，用干凈的濾紙吸干根部表面的水分，測定根系鮮質量，之后在105 ℃的烘箱中殺青30 min，然后80 ℃條件下烘干至恒重，測定根系干質量。

1.2.2 根系活力的測定 采用李合生（2000）的TTC 法測定根系活力。

1.2.3 呼吸酶活性的測定 按照Mustroph 和Albrecht（2010）的方法提取酶液，參考Waters 等（1991）方法測定ADH 活性，依據郭欣欣等（2015）的方法測定LDH 活性、蘋果酸脫氫酶（malate dehydrogenase，MDH）和琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase，SDH）活性。

1.2.4 抗氧化酶活性的測定 SOD 和CAT 活性采用Dhindsa 等（1981）的方法測定，POD 活性采用張永平等（2017）的方法測定。

1.2.5 數據分析 每個指標測定重復3次，取平均值。數據采用Excel 軟件繪圖，用SPSS 統計軟件對平均數用Duncan’s 新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 淹水脅迫及脅迫解除對甜瓜幼苗根系生長的影響

從表1可以看出，甜瓜幼苗淹水1 d 時，與對照相比，耐澇性稍強的脆禧根系鮮質量無明顯變化，而耐澇性較弱的世紀蜜全淹水處理（T2）比對照顯著降低；當淹水3 d 時，半淹水（T1）和全淹水（T2）處理使脆禧根系鮮質量分別顯著降低了7.95%和17.64%，世紀蜜分別顯著下降了14.68%和26.38%。在恢復1～5 d 后，脆禧T1處理的根系鮮質量與對照之間的差異不顯著，T2處理顯著低于對照，世紀蜜不同處理間差異顯著。

此外，隨著淹水程度的增加，甜瓜幼苗根系干質量逐漸下降（表1）。其中，淹水1 d 和3 d 時，2個品種T1和T2處理的根系干質量均與對照存在顯著差異（除脆禧T1處理1 d 外），T2處理下降程度明顯大于T1處理，且世紀蜜下降程度大于脆禧。在脅迫恢復1 d 時，脆禧不同處理之間差異顯著，脅迫解除3 d 和5 d，T1處理的根系干質量分別恢復至對照的96.06%和97.17%，與對照相比差異不顯著，但T2處理仍顯著小于對照；世紀蜜脅迫解除后，T1、T2處理的根系干質量顯著小于對照。

2.2 淹水脅迫及脅迫解除對甜瓜幼苗根系活力的影響

由圖1可見，淹水1 d 時，脆禧幼苗T1和T2處理的根系活力與對照相比差異均不顯著，隨著淹水脅迫時間的延長根系活力急速下降，脅迫3 d 時脆禧T1和T2處理的根系活力分別比對照顯著降低了17.14%和40.64%。淹水1 d 的世紀蜜T1處理的幼苗根系活力與對照無顯著差異，T2處理則比對照顯著降低，脅迫3 d，T1和T2處理的根系活力分別比對照顯著降低了25.90%和58.34%，耐澇性較弱的世紀蜜降低幅度大于耐澇性稍強的脆禧。脅迫恢復后，隨著時間的延長，2個品種的根系活力逐漸上升，T1處理在脅迫解除5 d 時與對照接近，T2處理下脆禧和世紀蜜與對照相比分別降低13.63%和21.82%，脆禧降低幅度小于世紀蜜，說明T2處理下脆禧根系活力恢復比世紀蜜快。

表1 淹水脅迫及脅迫解除對甜瓜幼苗根系生長的影響

圖1 淹水脅迫及脅迫解除對甜瓜幼苗根系活力的影響

2.3 淹水脅迫及脅迫解除對甜瓜幼苗根系有氧呼吸酶活性的影響

由圖2-A 和2-B 可以看出，淹水處理的2個甜瓜幼苗根系的MDH 活性顯著低于對照，淹水脅迫3 d 時達到最低，脆禧T1和T2處理分別比對照顯著降低了27.31%和34.66%，世紀蜜分別比對照顯著降低了35.88%和48.74%，耐澇性較弱的世紀蜜降低幅度大于耐澇性稍強的脆禧。脅迫解除后，隨著時間的延長，2個品種的MDH 活性逐漸上升，在脅迫解除5 d 時脆禧T1處理與對照接近，但其他處理仍未恢復到對照水平。SDH 活性與MDH 活性的變化趨勢基本相同（圖2-C 和2-D），且當淹水脅迫3 d 時達到最低值，脆禧T1和T2處理的SDH活性分別比對照顯著降低了17.10%和41.53%，世紀蜜分別比對照顯著降低了23.22%和59.24%，耐澇性較弱的世紀蜜降低幅度大于耐澇性稍強的脆禧。

2.4 淹水脅迫及脅迫解除對甜瓜幼苗根系無氧呼吸酶活性的影響

在LDH 活性方面（圖3-A 和3-B），在淹水1 d 后，T1和T2處理的2個甜瓜品種均顯著高于對照；與對照相比，脆禧分別升高了35.39%和77.78%，世紀蜜分別升高了29.72%和80.72%；在淹水3 d 后，2個品種T1、T2處理的LDH 活性均下降。脅迫解除后，各處理的LDH 活性仍舊不斷降低，隨著恢復時間的延長，在脅迫解除5 d 后，各處理的LDH 活性接近對照，且差異不顯著。從圖3-C 和3-D 可以看出，淹水1 d 后，2個甜瓜品種的T1和T2處理的ADH 活性顯著高于對照，隨著脅迫時間的延長，ADH 活性逐漸增加。脅迫3 d 時，ADH 活性達到最高，與對照相比，脆禧T1、T2處理的ADH 活性分別升高了51.58%和67.37%，世紀蜜分別升高了39.76%和48.19%，脆禧ADH 活性增加的幅度大于世紀蜜，T2處理的ADH 活性增加的幅度大于T1處理；脅迫解除后，各處理的ADH 活性逐漸下降，隨著恢復時間的延長，在脅迫解除5 d 時，各處理與對照相比差異均不顯著。

圖2 淹水脅迫及脅迫解除對甜瓜幼苗根系有氧呼吸酶活性的影響

圖3 淹水脅迫及脅迫解除對甜瓜幼苗根系無氧呼吸酶活性的影響

2.5 淹水脅迫及脅迫解除對甜瓜幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

淹水脅迫下，2個甜瓜品種的SOD 活性均發生了變化（圖4-A 和4-B）。淹水脅迫1 d 后脆禧T1處理的SOD 活性與對照相比有所下降，但差異不顯著，T2處理則顯著高于對照。脅迫3 d 時，T1和T2處理分別比對照升高了7.86%和37.36%；與對照相比，淹水處理1 d 后世紀蜜的SOD 活性增加，但只有T2處理顯著高于對照，脅迫3 d 時，T1和T2處理分別比對照顯著升高了15.78%和43.30%，耐澇性較弱的世紀蜜升高幅度大于耐澇性稍強的脆禧。脅迫解除后，隨著時間的延長，2個品種的SOD 活性逐漸降低，T1處理在脅迫解除5 d 時與對照接近，T2處理仍未恢復到對照水平。

圖4 淹水脅迫及脅迫解除對甜瓜幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

在POD 活性方面（圖4-C 和4-D），淹水1 d時，2個甜瓜品種T1和T2處理的POD 活性均顯著高于對照（世紀蜜T1處理除外）；隨著脅迫時間的延長，脆禧POD 活性逐漸增加，在淹水3 d 時，T1和T2處理分別比對照顯著增加了40.16%和72.13%；脅迫解除后，隨著恢復時間的延長，POD活性逐漸下降，在脅迫解除5 d 時，仍未恢復到對照水平。而世紀蜜隨著脅迫時間的延長，T1處理的POD 活性逐漸上升，T2處理急劇下降，脅迫3 d 時，與對照相比顯著降低了28.21%；脅迫解除1 d 時，T1處理的POD 活性繼續上升，隨著恢復時間的延長，開始下降，T2處理則從脅迫解除后逐漸上升，在脅迫解除5 d 時，T1、T2處理的POD活性均顯著高于對照。

CAT 活性變化趨勢與POD 活性基本一致（圖4-E 和4-F）。

3 討論與結論

淹水脅迫抑制植物的幼苗生長，降低植物的干物質積累，造成植物個體生理差異。本試驗結果表明，淹水脅迫下，2個甜瓜品種的根系生長均受到抑制，根系的鮮質量和干質量均低于對照，且耐澇性稍強的脆禧比耐澇性較弱的世紀蜜降低幅度小。在淹水脅迫解除5 d 后，T1處理的脆禧根系鮮質量和干質量與對照均沒有顯著差異，這與郭欣欣等（2015）在不結球白菜上的研究結果一致。

根系活力作為植物根系適應性的一個生理遺傳指標，能夠反映根系對營養的吸收及合成能力的強弱。研究發現，根系是吸收養分和水分的重要器官，因此許多脅迫主要是通過根系對植物造成傷害，根系受到傷害后，根系活力降低，吸收能力減弱（王俊良，2010）。周廣生和朱旭彤（2002）的研究結果表明，淹水條件下小麥的初生根和次生根根系活力與不淹水的對照相比顯著下降。本試驗中，2個甜瓜品種根系活力隨著淹水脅迫時間的延長，均有不同程度的降低，其中世紀蜜的降低幅度大于脆禧，這與劉華山等（2001）對芝麻的研究結果有一定的相似性。在淹水脅迫解除后，脆禧的根系活力恢復比世紀蜜幅度大，說明其根系的耐淹水性較強。

作為根系代謝的中心，呼吸作用對養分的吸收、根系更新和植株生長發育具有重要作用。水分脅迫會造成根系缺氧，三羧酸循環和電子傳遞受阻，細胞能荷水平明顯下降，根系功能減弱，從而導致植物生長發育遲緩，為了減輕低氧脅迫造成的傷害，植物啟動無氧呼吸代謝，將NADH 氧化成NAD+，產生ATP（Sachs et al.，1996）。本試驗結果表明，淹水脅迫3 d 后，LDH 和ADH 無氧呼吸酶活性顯著高于對照，MDH 和SDH 有氧呼吸酶活性顯著低于對照，在脅迫解除后，T1、T2處理下的無氧呼吸和有氧呼吸酶活性與對照之間差異均明顯減小，脅迫解除5 d 時，根系無氧呼吸酶活性已接近對照水平，有氧呼吸MDH 活性脆禧T1處理恢復到對照水平。LDH 是乳酸發酵途徑的關鍵酶，而乳酸積累引起細胞質酸化是造成低氧脅迫下細胞傷害的主要原因之一（Chen &Qualls，2003）。淹水脅迫1 d 時，與對照相比，耐澇性較弱的世紀蜜T2處理的LDH 活性的增幅最大，表明其細胞質酸化較重，進而導致呼吸強度下降得更快，使其對淹水更敏感。耐澇性稍強的脆禧根系中ADH 活性增幅高于耐澇性較弱品種世紀蜜，由于乳酸發酵產生的乳酸可酸化細胞質，而乙醇發酵產生的乙醇為中性分子，能擴散到外部環境中，對植物傷害較小（李璟 等，2007）。因此，淹水脅迫下，脆禧根系中的ADH 活性升幅較高和LDH 活性升幅較小可能是其適應不利環境的能力強于世紀蜜的一個重要原因，這與康云艷等（2008）在低氧脅迫下黃瓜的研究相一致。

為了抵御淹水脅迫下活性氧的毒害作用，植物體內的抗氧化酶類（SOD、POD、CAT 等）能夠清除自由基，緩解淹水脅迫對植物造成的傷害（孫小艷 等，2018）。研究表明，SOD、POD和CAT活性高，能夠保護植物在長時間逆境脅迫下免受活性氧的傷害（Limón-Pacheco &Gonsebatt，2009）。作為植物細胞中最主要的抗氧化酶，SOD 顯示出極強的調節作用，增強了植物的抗逆性。本試驗結果表明，脆禧在淹水脅迫1 d 時，T1處理的SOD 活性低于對照，這可能是因為SOD 易受底物活性氧濃度的誘導，但淹水初期活性氧的積累不足以誘導SOD活性發生顯著變化，隨著淹水脅迫時間的延長，甜瓜幼苗對淹水脅迫環境的適應，SOD 活性開始逐漸上升，脅迫解除后，SOD 活性逐漸下降，這與何嵩濤等（2000）的研究結果相似。但是H2O2也會對植物產生毒害作用，而POD 可以催化H2O2分解為H2O 和O2，是細胞內H2O2的重要清除劑，所以保護酶系統的協調一致對降低活性氧對植物的傷害具有非常重要的意義。淹水脅迫初期（1 d），2個甜瓜品種POD 和CAT 活性都顯著高于對照（世紀蜜T1處理除外），隨著淹水脅迫時間的延長，耐澇性較弱的世紀蜜T2處理的POD 和CAT 活性逐漸下降，而脆禧活性持續增加，這種酶活性的變化可能是因為淹水時植物體內活性氧含量的增加不斷激活保護酶體系的表達，以此幫助植物適應環境，POD、CAT 活性與SOD 活性變化不同步的情況與張曉平等（2006）的研究結果相似。所以在淹水脅迫下，不同植物的抗氧化酶活性的變化差異相對較大，這也反映出不同植物抗氧化防御機制存在較大差異。

綜上所述，淹水脅迫使甜瓜幼苗有氧呼吸受到阻礙，同時促進了無氧呼吸代謝，根系呼吸代謝隨著淹水時間加長和程度加深，受抑制的程度更加嚴重，最終導致根系生長受到抑制，且耐澇性較弱的世紀蜜受抑制程度大于耐澇性稍強的脆禧。