外源殼聚糖對(duì)高溫脅迫下黃瓜幼苗生長(zhǎng)及生理生化的影響

陳永快，王 濤，廖水蘭，黃語(yǔ)燕，吳寶意，康育鑫

（福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所，福州350003）

黃瓜（Cucumis sativusL.）是葫蘆科的重要經(jīng)濟(jì)作物，也是中國(guó)各地夏季主要食用菜蔬之一，在中國(guó)廣泛栽培，且許多地區(qū)都是在溫室或塑料大棚中栽培［1］。黃瓜是一種喜溫蔬菜，適宜的生長(zhǎng)溫度為15—32℃，當(dāng)溫度高于35℃時(shí)，黃瓜的生長(zhǎng)發(fā)育受到阻礙，導(dǎo)致植株早衰，果實(shí)生長(zhǎng)畸形［2］。夏季，特別是在封閉的溫室中，通常溫度高于35℃，這對(duì)黃瓜生產(chǎn)極為不利。因此，采取有效措施解決高溫傷害在生產(chǎn)上具有重要的意義。目前，緩解蔬菜高溫脅迫傷害的途徑主要有物理、生物、化學(xué)等3個(gè)方面，物理途徑主要通過(guò)環(huán)境調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)，生物途徑通過(guò)基因調(diào)控實(shí)現(xiàn)，化學(xué)途徑是采用外源物質(zhì)處理［3］，而施用外源物質(zhì)能夠緩解多種逆境傷害且經(jīng)濟(jì)有效。

殼聚糖（Chitosan）又稱脫乙酰甲殼素，學(xué)名為聚 β-（1，4）-2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖，是甲殼素的脫乙酰產(chǎn)物，廣泛存在于甲殼類動(dòng)物的殼中，例如蝦和蟹，以及真菌的細(xì)胞壁中，在自然界中的儲(chǔ)備量?jī)H次于纖維素［4］。殼聚糖是一種天然高分子化合物，具有生物官能性、相容性、微生物降解性等多種優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化工、生化、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域［5］。目前已有的研究表明，殼聚糖具有廣泛的生理效應(yīng)，如促進(jìn)小麥［6］、棉花［7］、水稻［8］、菜豆［9］等種子萌發(fā)，調(diào)控植株生長(zhǎng)發(fā)育［10］，提高果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)［11］，提高果實(shí)貯藏性［12］，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗病性［13-14］，提高番茄對(duì)根腐病的抗性［15-16］，誘導(dǎo)小麥抗禾谷鐮刀菌［17］，增強(qiáng)植物對(duì)干旱［18］、鹽［19］、重金屬［20］、低溫［21］、臭氧［22］脅迫的抗性，但迄今國(guó)內(nèi)關(guān)于殼聚糖抗熱性的研究較少［23-27］。

本試驗(yàn)以‘夏之光’黃瓜為試材，針對(duì)福建地區(qū)夏季設(shè)施大棚內(nèi)高溫現(xiàn)象，研究高溫脅迫環(huán)境下，不同濃度殼聚糖處理后，黃瓜幼苗形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)的變化，探討殼聚糖誘導(dǎo)黃瓜耐高溫的作用效果，為提高黃瓜的抗高溫逆境栽培提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)品種為‘夏之光’黃瓜，由山東金種子農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司提供。試驗(yàn)基質(zhì)為草炭∶珍珠巖＝2∶1（V/V），采用72孔穴盤（長(zhǎng)×寬×高為54 cm×28 cm×4 cm）育苗。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2018年8月8日—29日在福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中以示范農(nóng)場(chǎng)薄膜溫室、玻璃溫室和生理生化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。黃瓜播種后置于玻璃溫室植物工廠育苗，營(yíng)養(yǎng)液配方為每200 L添加A：Ca（NO3）216 kg，KNO36 kg；B：KHPO43 kg，MgSO410 kg，EDTA-Fe 460 g，MnSO4120 g，ZnSO460 g，CuSO44 g，NH4Mo 1.5 g，HBO360 g。植物工廠溫度采用中央空調(diào)調(diào)節(jié)，設(shè)定溫度為25℃/18℃（晝/夜），以韓國(guó)進(jìn)口LED育苗燈作為光源，每天照光8 h。黃瓜幼苗長(zhǎng)至兩葉一心時(shí)，于每天下午4點(diǎn)，用25 mg/L（T1）、50 mg/L（T2）、100 mg/L（T3）、200 mg/L（T4）的殼聚糖溶液噴施黃瓜葉片，以去離子水作為對(duì)照（CK），每個(gè)處理 3次重復(fù)。葉片以正反兩面噴施至有水滴留下為準(zhǔn)，噴施3 d后移至薄膜溫室進(jìn)行高溫脅迫處理，分別測(cè)定高溫處理前（0 d）、高溫處理5 d后黃瓜幼苗葉片的形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)，每個(gè)處理選擇3株長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，各指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3次。高溫處理結(jié)束后，于8月29號(hào)將黃瓜幼苗定植于薄膜溫室椰糠基質(zhì)條中。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 形態(tài)指標(biāo)

株高：用直尺測(cè)量植株基部到頂端生長(zhǎng)點(diǎn)的長(zhǎng)度；莖粗：用游標(biāo)卡尺測(cè)定植株子葉下2 cm的直徑；地上/地下部鮮質(zhì)量：用感量為0.001 g電子天平稱量；地上/地下部干質(zhì)量：將稱量后的植株放入紙袋中，置于烘箱以105℃殺青15 min，75℃烘干至恒重，用感量為0.001 g電子天平稱量；壯苗指數(shù)＝（莖粗/株高＋地下部干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量）×植株干質(zhì)量；根冠比＝地下部鮮質(zhì)量/地上部鮮質(zhì)量；葉面積：用YMJ-B（浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司）葉面積測(cè)量?jī)x測(cè)定；根體積用排水法測(cè)定。

1.3.2 葉片生理指標(biāo)

可溶性蛋白含量的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法，脯氨酸（Pro）含量采用磺基水楊酸法，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑（NBT）法，過(guò)氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法，過(guò)氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收比色法［28］；葉綠素（Chl）含量采用陳建勛等［29］的乙醇-丙酮混合法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010、DPS 7.05數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源殼聚糖對(duì)高溫脅迫下黃瓜幼苗生長(zhǎng)的影響

從表1可以看出，0 d時(shí)，T3處理的黃瓜幼苗的株高顯著高于其他處理，CK、T1、T2處理之間沒(méi)有顯著差異。莖粗、葉面積以T4表現(xiàn)最好，與其余處理差異顯著。T2壯苗指數(shù)顯著優(yōu)于其余處理，T3根冠比、根體積表現(xiàn)最佳。高溫處理5 d后，CK的株高顯著高于T1、T2，比0 d時(shí)增加22.8%，T2莖粗最大，與CK、T1相比差異顯著，與其余處理相比差異不顯著。T3在壯苗指數(shù)、葉面積、根體積方面表現(xiàn)最好，與各處理之間差異顯著。T4根冠比最大，但與T2、T3差異不顯著。總體上，黃瓜幼苗的生長(zhǎng)隨著殼聚糖濃度的增加呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)。

2.2 外源殼聚糖對(duì)高溫脅迫下黃瓜幼苗生理指標(biāo)的影響

2.2.1 丙二醛含量

由表2可知，0 d時(shí)，各處理的MDA含量較低，其中T4的MDA含量顯著低于其余處理。高溫脅迫5 d后，黃瓜幼苗葉片中的MDA含量升高，其中CK的MDA含量最高，與其余處理差異顯著。處理T4最低，比CK下降39.5%，與其余處理達(dá)到顯著性差異。MDA含量具體表現(xiàn)為CK＞T1＞T2＞T3＞T4，隨著殼聚糖濃度的增加，MDA含量逐漸降低。

2.2.2 光合色素含量

0 d時(shí)，葉綠素和類胡蘿卜素含量均以T3表現(xiàn)最佳。高溫脅迫5 d后，黃瓜幼苗葉片的葉綠素和類胡蘿卜素含量出現(xiàn)下降。但T3的葉綠素含量依舊最高，比CK高23.8%；T1處理的葉綠素含量與CK沒(méi)有顯著差異，而T4處理的葉綠素含量比CK少22.7%。類胡蘿卜素以T3含量最高，但與T2差異不顯著，與其余處理之間差異顯著（表2）。總體上，黃瓜幼苗葉片的葉綠素和類胡蘿卜素含量隨殼聚糖濃度的增加，呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，表現(xiàn)為T3＞T2＞CK＞T1＞T4。

2.2.3 脯氨酸含量

0 d時(shí)，CK、T2、T3的脯氨酸含量顯著高于 T1、T4，CK、T2、T3之間差異不顯著，T1與 T4差異也不顯著。高溫處理5 d后，CK的脯氨酸含量與0 d時(shí)相比變化不大，T1的脯氨酸含量升高，但與CK相比沒(méi)有顯著性差異，處理T3的脯氨酸含量最大，比CK增加48.6%，與除T2外的其余處理之間差異顯著。處理T4的脯氨酸含量出現(xiàn)下降，但依舊比CK高出31.9%，與CK相比差異顯著（表2）。脯氨酸含量隨殼聚糖濃度的增加先升高后降低，具體表現(xiàn)為T3＞T2＞T4＞T1＞CK。

2.2.4 可溶性蛋白含量

0 d時(shí)，T3可溶性蛋白含量最高，T4可溶性蛋白含量最低，CK、T1、T2之間含量相當(dāng)。高溫脅迫5 d后，各處理的可溶性蛋白含量顯著下降。CK可溶性蛋白含量最低，但與T1、T2、T4相比差異不顯著，T3可溶性蛋白含量顯著高于其余處理（表2）。總體上，隨著殼聚糖濃度的增大，可溶性蛋白含量呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為T3＞T4＞T2＞T1＞CK。

表2 外源殼聚糖對(duì)高溫脅迫下黃瓜幼苗生理指標(biāo)的影響Table 2 Effect of exogenous chitosan on physiological indexes of cucumber seed lings under high temperature stress

2.3 外源殼聚糖對(duì)高溫脅迫下黃瓜幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

2.3.1 SOD活性

從圖1可知，0 d時(shí)，T3的SOD活性顯著高于其余處理，CK的SOD活性顯著低于其余處理。高溫脅迫5 d后，黃瓜幼苗葉片的SOD活性仍保持較高水平。其中T3的SOD活性最強(qiáng)，比CK高出12.1%，與CK、T4相比差異顯著，而與T1、T2相比差異不顯著。T4處理的SOD活性比CK高4.1%，但兩者差異不顯著。SOD活性隨殼聚糖濃度的增加先升高后下降，具體表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞T4＞CK。

2.3.2 POD活性

由圖2可知，POD活性在0 d時(shí)以T3表現(xiàn)最佳，與其余處理之間存在顯著差異。CK的POD活性最低，與T2、T3、T4相比差異顯著，而與T1相比差異不顯著。黃瓜幼苗葉片的POD活性在高溫脅迫5 d后均維持在較高水平，處理T4的活性最高，與T2差異不顯著，與其余處理之間差異顯著。具體表現(xiàn)為T4＞T2＞T3＞T1＞CK。

圖1 外源殼聚糖對(duì)高溫脅迫下黃瓜幼苗SOD活性的影響Fig.1 Effects of exogenous chitosan on SOD activity of cucumber seed lings under high tem perature stress

圖2 外源殼聚糖對(duì)高溫脅迫下黃瓜幼苗POD活性的影響Fig.2 Effects of exogenous chitosan on POD activity of cucumber seed lings under high temperature stress

2.3.3 CAT活性

圖3 外源殼聚糖對(duì)高溫脅迫下黃瓜幼苗CAT活性的影響Fig.3 Effects of exogenous chitosan on CAT activity of cucumber seedlings under high temperature stress

從圖3可知，0 d時(shí)，T2的CAT活性顯著高于其他處理，CK活性最低，與各個(gè)處理之間差異顯著。高溫處理5 d后，黃瓜幼苗葉片的CAT活性隨殼聚糖濃度的增加而升高，具體表現(xiàn)為T4＞T3＞T2＞T1＞CK。

3 討論

3.1 外源殼聚糖對(duì)高溫脅迫下黃瓜幼苗生長(zhǎng)的影響

在逆境條件下，幼苗植株的生長(zhǎng)將受到顯著影響，植株的健壯性與植物抵抗逆境的能力密切相關(guān)［30］。李紅斌［31］研究發(fā)現(xiàn)，適宜濃度的殼聚糖處理可以促進(jìn)高溫下黃瓜幼苗新根的萌發(fā)，進(jìn)而促進(jìn)整株植物的生長(zhǎng)；丁雨霜等［32］發(fā)現(xiàn)在高溫條件下適宜濃度的殼聚糖溶液能促進(jìn)毛棉杜鵑植株生長(zhǎng)。本試驗(yàn)表明，在高溫脅迫環(huán)境下，外源殼聚糖處理能緩解黃瓜幼苗徒長(zhǎng)，且殼聚糖處理的幼苗長(zhǎng)勢(shì)均優(yōu)于對(duì)照，除株高、莖粗、根冠比外，根體積、葉面積和壯苗指數(shù)均以100 mg/L殼聚糖處理效果最佳。

3.2 外源殼聚糖對(duì)高溫脅迫下黃瓜幼苗生理指標(biāo)的影響

可溶性蛋白是植物細(xì)胞中重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，高溫會(huì)造成正常蛋白合成減弱、分解加劇，從而使細(xì)胞內(nèi)可溶性蛋白含量下降［33］。本研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫5 d后，黃瓜幼苗葉片的可溶性蛋白含量顯著下降，但殼聚糖處理的可溶性蛋白含量高于CK，且隨著殼聚糖濃度的增加先上升后下降，以100 mg/L殼聚糖處理的可溶性蛋白含量最高。

一般情況下，植物體內(nèi)游離脯氨酸的含量極低，但在逆境條件下，脯氨酸含量會(huì)上升數(shù)十倍至百倍。因此植株體內(nèi)脯氨酸含量在一定程度上反映植株的抗逆性［34］。本研究中，除T1外，其余濃度處理的脯氨酸含量均高于CK，說(shuō)明殼聚糖處理能夠促進(jìn)黃瓜幼苗葉片的脯氨酸積累，維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，與楊華庚等［27］研究殼聚糖對(duì)蝴蝶蘭幼苗的耐熱性作用得到的結(jié)果相似。

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，能夠接收光能和轉(zhuǎn)換能量，其含量的多少與葉片的光合能力密切相關(guān)［35］。本試驗(yàn)表明，高溫脅迫會(huì)抑制葉綠素的合成，加劇葉綠素的分解和破壞，導(dǎo)致葉綠素含量降低，植物的光合能力下降。適宜濃度的殼聚糖處理，可以提高黃瓜幼苗葉片的葉綠素含量和類胡蘿卜素含量，其中100 mg/L殼聚糖處理的黃瓜幼苗的葉綠素和類胡蘿卜素含量最高。而200 mg/L殼聚糖處理卻顯著降低了葉綠素和類胡蘿卜素含量，可能是因?yàn)楦邼舛葰ぞ厶菍?duì)光合色素合成具有抑制作用。

在逆境條件下，通常會(huì)發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用，MDA是膜脂過(guò)氧化最重要的產(chǎn)物之一，它的產(chǎn)生會(huì)加劇膜的損傷，在植物抗性生理研究中MDA含量是一個(gè)常用指標(biāo)，可通過(guò)MDA了解膜脂過(guò)氧化程度，以間接測(cè)定膜系統(tǒng)受損程度以及植物的抗逆性［36］。試驗(yàn)表明，高溫脅迫下，黃瓜幼苗葉片的MDA含量升高，而噴施不同濃度的殼聚糖能不同程度地降低高溫脅迫下黃瓜幼苗葉片的MDA含量，其中以200 mg/L殼聚糖處理效果最佳，與李紅斌［31］利用殼聚糖處理菠菜葉片得到的研究結(jié)果一致。

植物在逆境條件下活性氧自由基（ROS）大量產(chǎn)生，對(duì)植物的細(xì)胞膜以及蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，進(jìn)而影響到植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育，而植物能夠通過(guò)自身的保護(hù)酶系統(tǒng)，即抗氧化酶（SOD、POD、CAT）系統(tǒng)，來(lái)消除體內(nèi)多余的自由基［37］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著殼聚糖濃度的增加，SOD、POD、CAT活性先升高后下降，且顯著高于CK，說(shuō)明適宜濃度的殼聚糖處理能夠提高黃瓜幼苗清除活性氧的能力，減輕高溫對(duì)幼苗的傷害，這與賈嬌等［25］利用殼聚糖處理萵苣得到的結(jié)論相似。

4 結(jié)論

綜上所述，高溫脅迫環(huán)境下，適宜濃度的殼聚糖處理能夠促進(jìn)黃瓜幼苗的生長(zhǎng)，增強(qiáng)植株的壯苗指數(shù)和根冠比，提高SOD、POD、CAT活性，降低幼苗葉片的MDA含量，增加光合色素、脯氨酸和可溶性蛋白含量，提高黃瓜幼苗對(duì)高溫環(huán)境的適應(yīng)能力，且以100 mg/L殼聚糖處理效果最佳。