甜瓜幼苗對KNO3+K2SO4混合鹽脅迫的生理響應

趙衛星，常高正，康利允，高寧寧，梁 慎，徐小利，李海倫，王慧穎，李曉慧

(河南省農業科學院園藝研究所，河南 鄭州 450002)

permeability；Osmotic adjustment；Antioxidases

1 材料與方法

1.1 材料

供試品種：眾云20、瑞雪8號，分別為耐鹽性和鹽敏感性厚皮甜瓜品種，均由河南省農業科學院園藝研究所選育。

供試藥劑：KNO3、K2SO4，均為分析純，由上海試驗試劑有限公司生產。

1.2 方法

1.2.1 材料培養與處理 試驗于2017年5-6月在河南省現代農業研發基地的塑料大棚內進行。選取籽粒飽滿甜瓜種子200粒，浸種催芽2 d后，待露白時選取出芽一致的種子播于32孔穴盤中育苗，以等體積的蛭石和珍珠巖作基質，播種后10 d待真葉展開后，每3 d用山崎甜瓜配方營養液(硝酸鈣826 mg·L-1；硝酸鉀607 mg·L-1；硫酸鎂，370 mg·L-1；磷酸二氫銨153 mg·L-1)液澆灌1次；第2片真葉展開后，選整齊一致幼苗的穴盤放于裝有全素山崎甜瓜配方營養液的水培槽中21 d，待幼苗長到3葉1心時，分別置于濃度梯度為50、100、150、200 mmol·L-1KNO3+K2SO4(摩爾濃度1∶1)的日本山崎甜瓜營養液進行脅迫處理，處理時每天按設定濃度梯度的1/4遞增，4 d后達到預設的最終濃度，以全營養液處理為對照(CK)，每1穴盤為1個處理(32株)，每個處理3次重復。育苗期間溫度和光照按常規育苗管理進行。脅迫處理10 d后，待植株出現明顯萎蔫癥狀時(以150 mmol·L-1處理為準)，每個處理選隨機5株，取新葉下第2片展開葉進行相關指標的測定。

1.2.2 測定項目與方法 參照李合生[13]的方法進行質膜透性、丙二醛(MDA)、可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)及脯氨酸(Pro)含量測定；參照趙世杰[14]的方法進行過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)及過氧化物酶(POD)活性測定。

含水量測定采用烘干稱重法[6]。將甜瓜幼苗整株取出，用蒸餾水洗凈，吸干植株表面的水分，分別稱量植株地上部和地下部的鮮質量、干質量。

含水量=[(鮮質量-干質量)/鮮質量]×100 %

1.3 統計與分析

采用Excel 2007和DPS 7.05軟件進行數據統計與分析，差異顯著性檢驗(P<0.05)采用Duncan’s新復極差法。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對甜瓜幼苗含水量的影響

甜瓜幼苗地上部含水量隨KNO3+K2SO4混合鹽濃度的增加呈現逐漸降低的趨勢，且其對鹽脅迫的響應因品種的耐受性有所差異(圖1-A)。對于耐鹽性品種眾云20而言，地上部分含水量變化較為緩慢，當鹽濃度為200 mmol·L-1時才與對照表現出顯著性差異，比對照下降了6.1 %；對于鹽敏感性品種瑞雪8號而言，低鹽(50 mmol·L-1)脅迫條件下，地上部含水量與處理間差異不顯著，從中鹽(100 mmol·L-1)脅迫開始與對照間差異達顯著水平，當濃度為200 mmol·L-1時，地上部含水量比對照下降了10.0 %。

混合鹽脅迫處理下，隨濃度升高甜瓜幼苗地下部分含水量先升高后降低，且2個品種對鹽脅迫的響應存在差異(圖1-B)。與對照組相比，耐鹽性品種眾云20在低鹽和中鹽(50、100 mmol·L-1)脅迫下升高，在高鹽脅迫(150、200 mmol·L-1)下降低，當鹽濃度為200 mmol·L-1時才與對照表現出顯著性差異，比對照下降了5.8 %；鹽敏感性品種瑞雪8號在低濃度(50 mmol·L-1)脅迫下升高，當鹽濃度為100 mmol·L-1時，幼苗相對含水量開始下降，高濃度脅迫(150、200 mmol·L-1)下與對照表現出顯著性差異，分別比對照下降了2.5 %、7.6 %。

圖1 混合鹽分脅迫對甜瓜幼苗地上部和地下部含水量的影響Fig.1 Effect of KNO3-K2SO4 mixed salt stress on shoot and root water contents of muskmelon seedlings

2.2 鹽脅迫對甜瓜幼苗葉片質膜透性影響

混合鹽分脅迫下甜瓜幼苗葉片電導率(EC值)隨濃度的增加先降低后升高，且品種的耐受性表現出明顯差異(圖2-A)。與對照組相比，耐鹽性品種眾云20葉片電導率在低鹽和中鹽(50、100 mmol·L-1)脅迫下降低，高濃度(150、200 mmol·L-1)脅迫下升高；鹽敏感性品種瑞雪8號葉片的電導率在低濃度(50 mmol·L-1)脅迫下降低，當濃度為100 mmol·L-1脅迫時開始升高。在濃度為200 mmol·L-1脅迫時，2個品種幼苗葉片電導率均與對照表現出顯著性差異，分別比對照升高了43.67 %、47.85 %。在各濃度鹽脅迫下，鹽敏感性品種瑞雪8號葉片EC值均高于耐鹽性品種眾云20，說明其受混合鹽脅迫傷害程度加大，加劇了電解質的外滲。

甜瓜幼苗葉片丙二醛(MDA)含量隨混合鹽脅迫濃度的增加逐漸上升(圖2-B)。低鹽和中鹽(50、100 mmol·L-1)脅迫上升緩慢，高濃度(150、200 mmol·L-1)脅迫與對照差異達顯著水平。在各濃度鹽脅迫下，耐鹽性品種眾云20葉片MDA含量均低于鹽敏感性品種瑞雪8號。

圖2 混合鹽分脅迫對甜瓜幼苗葉片電導率(EC) 和MDA含量影響Fig.2 Effect of KNO3-K2SO4 mixed salt stress on EC values and MDA contents in leaves of muskmelon seedling

2.3 鹽脅迫對甜瓜幼苗葉片滲透調節物質的影響

植物細胞可以通過積累脯氨酸(Pro)、可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)等物質來調節滲透勢，維持水分平衡，以提高對鹽脅迫的適應性。在混合鹽脅迫下，甜瓜幼苗葉片Pro含量總體呈先下降后上升的趨勢(表1)。與對照組相比，耐鹽性品種眾云20葉片Pro含量在低濃度(50 mmol·L-1)脅迫下降低，當濃度為100 mmol·L-1脅迫時開始升高；鹽敏感性品種瑞雪8號葉片Pro含量在低鹽和中鹽(50、100 mmol·L-1)脅迫下降低，高濃度(150、200 mmol·L-1)脅迫下升高；2個品種均在150 mmol·L-1脅迫時與對照差異達顯著水平。就品種間差異而言，各濃度鹽脅迫下，耐鹽性品種眾云20葉片Pro含量均高于鹽敏感性品種瑞雪8號，以維持細胞的滲透調節能力，阻止水分喪失。

表1 混合鹽脅迫對甜瓜幼苗葉片滲透調節物質的影響

混合鹽脅迫下，甜瓜幼苗葉片SS和SP含量逐漸上升(表2)。耐鹽性品種眾云20葉片SS和SP含量在低濃度(50 mmol·L-1)脅迫下與對照差異不顯著，濃度為100 mmol·L-1脅迫開始與對照差異達顯著水平，高濃度(200 mmol·L-1)脅迫比對照升高了21.45 %、183.70 %；鹽敏感性品種瑞雪8號葉片SS和SP含量分別從濃度為50和150 mmol·L-1脅迫開始與對照差異達顯著水平，高濃度(200 mmol·L-1)脅迫比對照升高了40.41 %、76.34 %。總體看來，在各種濃度脅迫下，耐鹽性品種眾云20葉片SP含量要高于鹽敏感性品種瑞雪8號，而葉片SS含量低于鹽敏感性品種瑞雪8號。

2.4 鹽脅迫對甜瓜幼苗葉片保護酶活性影響

超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)是酶促防御系統中重要的保護酶，可以有效地清除逆境脅迫產生膜脂過氧化物對植物造成的傷害。混合鹽脅迫下，2種類型甜瓜幼苗葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)活性均隨著鹽濃度的增加先上升后下降 (表2)。其中，SOD活性均顯著高于對照，在150 mmol·L-1脅迫處理時達到最高值，比對照提高了277.44 %、84.60 %；CAT活性在100 mmol·L-1脅迫時顯著提高，分別比對照增加了45.61 %和20.78 %，高鹽(200 mmol·L-1)脅迫下顯著降低，分別比對照降低了20.88 %和33.99 %；POD活性在100 mmol·L-1脅迫時顯著提高，分別比對照提高了59.86 %、30.11 %，高鹽(200 mmol·L-1)脅迫下，耐鹽性品種眾云20與對照差異不顯著，鹽敏感性品種瑞雪8號顯著低于對照。從品種間差異上來看，3種酶活性對鹽脅迫的響應整體表現為耐鹽性品種高于鹽敏感性品種。

表2 混合鹽脅迫對甜瓜幼苗葉片保護酶活性影響

2.5 混合鹽與甜瓜幼苗生理特性指標的相關性分析

將混合鹽濃度與甜瓜幼苗相關生理指標進行相關性分析(表3)可知，耐鹽性品種眾云20幼苗地上部含水量和MDA、SS、SP含量及SOD活性與混合鹽濃度呈顯著或極顯著相關性(r=-0.9670**、r=0.9581*、r=0.9396*、r=0.8871*、r=0.9121*)，地下部含水量、EC值、Pro含量和CAT、POD活性與混合鹽濃度相關性未達顯著水平；鹽敏感性品種瑞雪8號幼苗地上部含水量、地上部含水量和MAD、Pro、SS、SP含量與混合鹽濃度的相關性達顯著或極顯著水平(r=-0.9757**、r=-0.8977*、r=0.9148*、r=0.9654**、r=0.9263*、r=0.9105*)，EC值和SOD、CAT、POD活性與混合鹽濃度相關性未達顯著水平。結果表明，不同耐受性甜瓜品種對混合鹽濃度的敏感程度存在差異，地上部含水量及MAD、SS、SP含量對鹽脅迫的響應起關鍵作用。

表3 混合鹽濃度與甜瓜幼苗生理特性指標的相關性分析

3 討 論

3.1 甜瓜幼苗含水量多少是反映其耐鹽性的重要特征

水分的吸收和利用是植物一個重要的新陳代謝活動[15]。相關研究認為鹽分脅迫下植物生長受到抑制是由于土壤中含有大量可溶性鹽，降低了土壤滲透勢，使根系吸水困難[16]。本研究結果顯示，KNO3+K2SO4混合鹽脅迫下，甜瓜幼苗地上部含水量隨濃度的增加逐漸降低，地下部分含水量先升高后降低，且濃度越大下降越明顯，與李圓圓等[17]利用KCl和NaCl對堿蓬脅迫的研究結果一致，與姜偉等[6]利用KNO3+K2SO4混合鹽分處理辣椒幼苗地上部含水量的變化略有差異，可能與不同作物對鹽脅迫的耐受性及水分的吸收與運輸機制存在差異有關。從整體上來看，混合鹽對敏感性品種地上和地下部含水量的影響高于耐鹽性品種，高濃度下表現更顯著，說明鹽敏感品種對鹽脅迫的反應較為強烈，植株根系吸水或水分在體內運輸受阻，造成水分吸收速率小于蒸騰速率，這可能也是高濃度脅迫下過早凋亡的重要原因之一。

3.2 甜瓜幼苗滲透調節物質的合成在抵御鹽脅迫中起重要作用

電解質滲透率(EC)和MDA是反映細胞膜的受傷害程度的主要指標[18]。本研究結果顯示，混合鹽分脅迫下甜瓜幼苗葉片EC值隨濃度的增加先下降后升高，MDA含量逐漸上升；表明高鹽脅迫質膜受到不同程度傷害，低濃度鹽對幼苗葉片質膜影響不大，這與姜偉等[6]對辣椒鹽脅迫的結果基本一致。從相關性分析的結果可以看出，MDA含量比EC值更能反映細胞膜的受傷害程度，這也是很多研究者們常以MDA作為判斷膜脂過氧化程度的主要原因。混合鹽脅迫下，不同耐受性甜瓜幼苗葉片EC值和MDA含量整體表現為耐鹽品種EC值和MDA含量顯著低于鹽敏感性品種，說明鹽敏感品種的細胞膜損傷嚴重，導致電解質大量外滲和大量MDA產生，與張景云等[19]對黃瓜的研究結果一致。可能是鹽敏感品種細胞膜受到的傷害超出了自身調節能力[4]。

細胞通過可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸等物質來維持水分平衡，調節滲透勢，維持細胞正常代謝活動[20]，滲透調節物質積累的多少決定了植物對鹽分脅迫的抗性程度[21]。本研究結果發現，隨混合鹽濃度的升高，SS、SP含量呈逐漸上升，表明SS、SP是混合鹽脅迫的主要滲透調節物質，甜瓜幼苗通過自身合成較多的SS、SP，以提高甜瓜幼苗適應鹽環境的能力，與姜偉等[6]利用KNO3+K2SO4混合鹽對辣椒脅迫的研究結果一致。脯氨酸具有保護生物大分子和清除羥基的作用，可為植物從脅迫條件恢復正常過程提供的氮源和碳源[16]。本研究結果顯示，隨混合鹽濃度的升高，Pro含量先下降后上升，說明低鹽脅迫下Pro并未參與滲透調節，隨脅迫濃度的增加逐漸參與滲透調節，而劉愛榮等[22]用NaCl對鹽芥脅迫的研究則認為隨著鹽脅迫濃度的增加脯氨酸含量逐漸增加，可能與不同作物對鹽分的敏感程度不同有關[23]。從品種對鹽脅迫的耐受性程度來看，耐鹽性品種合成較多的Pro、SP來提高其滲透調節能力，與梁曉艷等[24]對不同耐鹽性花生品種的研究結果一致；而耐鹽性品種SS含量低于鹽敏感性品種，與楊發榮等[25]對不同藜麥品種的研究存在一定差異，可能是自身可溶性糖合成代謝較低所致，這也在對照處理中得到了證實，但具體原因還有待于進一步研究。

3.3 甜瓜幼苗葉片通過酶促反應清除活性氧是耐低鹽脅迫的重要機制之一

鹽脅迫能誘導植物體內活性氧積累，對脂質、蛋白質和核酸造成氧化傷害而嚴重破壞正 常代謝[26]。SOD、CAT、POD等抗氧化酶是清除活性氧的重要保護酶，在維持活性氧代謝水平、保持膜結構和功能穩定方面發揮重要作用[27]。本研究結果表明，混合鹽脅迫下甜瓜幼苗葉片SOD、CAT、POD酶活性均隨著鹽濃度的增加呈現先上升后下降的趨勢，說明在低鹽脅迫下3種抗氧化酶共同作用清除活性氧，從而保護細胞膜的正常功能，隨濃度的增加超出了甜瓜幼苗的忍耐范圍而失去自我調節能力，抗氧化酶活性受到抑制，與樊瑞蘋等[28]和高軍武等[29]對高羊茅和紅花在NaCl脅迫下的結果一致。因此，低濃度混合鹽分脅迫下，甜瓜幼苗可通過提高抗氧化酶活性來應對鹽脅迫。但耐鹽品種對鹽脅迫具有高效的信號感知能力，鹽脅迫下SOD、CAT、POD活性提高較快，以減少自由基的傷害。而何林池等[30]研究認為棉花耐鹽品種和鹽敏感品種的SOD、CAT及POD 酶活性表現不同，可能與不同植物的活性氧代謝差異有關。抗氧化酶活性提高是鹽害等逆境下的重要生理反應，各種酶之間協同互作機理尚不清楚。因此，還需進一步開展不同鹽脅迫下各種酶活性的相關性分析，以便更準確探索出其清除活性氧的生理機制。

4 結 論

KNO3+K2SO4混合鹽脅迫下，甜瓜幼苗地上部含水量隨濃度的增加逐漸降低，地下部分含水量先升高后下降，且濃度越大下降越明顯。在低濃度鹽脅迫下，植株通過提高體內的SOD、CAT、POD等抗氧化酶活性及積累大量的Pro、SS和SP等滲透調節物質緩解了鹽害，隨鹽濃度的增加，細胞膜過氧化程度加重，大量電解質外滲，抗氧化系統失去保護作用，植株受害程度加重。不同耐受性甜瓜品種對鹽脅迫的響應存在一定差異，耐鹽性品種葉片具有較高的SOD、CAT、POD活性和較低的MDA含量，并合成較多的Pro、SS和SP，能更好地適應鹽脅迫環境。甜瓜幼苗葉片SS、SP、MDA含量和地上部含水量與鹽濃度呈顯著相關性，這些指標對鹽脅迫的響應起關鍵作用，可作為篩選耐鹽性指標和調控混合鹽分脅迫的重要因子。