鎂營養對西瓜葉綠素熒光特性及生理代謝的影響

尤垂淮，林麗琳，陳 晟，吳宇芬，趙依杰，柯 彥，林新萍，施木田

（1. 福建農林大學園藝學院 福州 350002；2. 福建農林大學生命科學學院 福州 350002；3. 福建省農業科學院農業生物資源研究所 福州 350003；4. 福州市農業科學研究所 福州 350019；5. 漳州城市職業學院 漳州 363000）

0 引言

【研究意義】西瓜（Citrullus lanatus）素有天生白虎湯之稱，原產地為非洲，滋味甘甜，細爽多汁，素有“夏季水果之王”的美譽，另外，西瓜因富含糖、酸、鹽等物質而具有降血壓、治療腎炎的作用，兼具美容功效，常吃西瓜能增加皮膚的光澤度和彈性[1]。我國是世界上西瓜種植面積最大，產量最高，且消費量最大的國家[2]。然而在西瓜種植過程中經常出現鎂肥施用不當而間接影響西瓜產量和品質，造成嚴重經濟損失[3]。課題組前期調研，發現不少西瓜產區葉片缺鎂現象嚴重，初步研究表明缺鎂導致西瓜葉片葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白含量下降[4-5]。鎂元素（magnesium，Mg）是植物生長發育不可或缺的中量元素，是植物體內葉綠素的重要成分，在維持葉綠體結構與功能等方面起著重要作用[6]。研究發現在我國耕地面積中，土壤缺鎂面積占6%[7]，另外隨著工業現代化的迅速發展，許多地區酸雨頻發，導致酸性土壤Mg2+流失嚴重[8]，使耕作土壤缺鎂問題更加突出。此外，在追求作物高產和經濟高效的過程中，當礦物質肥料沒有及時補施時，農作物的高強度輪作和密集種植進一步加劇了土壤鎂元素的消耗。同時，過量施用鎂肥不僅會造成肥料浪費且也會抑制植物生長發育，這又直接阻斷了農民為了補充植物鎂素營養大量施用鎂肥的途徑。因此，開展鎂素營養對西瓜生長發育的影響及其生理響應的差異研究，明確西瓜生長所需的鎂素濃度范圍，對生產上指導西瓜栽培具有重要意義。【前人研究進展】前人研究表明鎂是植物生長和發育過程中所必需的中量營養元素，其含量的缺乏和過量均會對植物的正常生長及產量和品質造成影響[9]。植物代謝過程中關鍵酶活性和細胞色素的合成會因缺鎂而受阻[10]。缺鎂導致葉片過氧化氫（hydrogen peroxide H2O2）、超 氧 陰 離 子（·O2-）及 丙 二 醛（malondialdehyde MDA）含量積累，細胞膜系統和葉綠體結構被破壞，植物的光合色素含量減少，進而導致凈光合速率和葉綠素熒光動力學參數[Fv/Fm和Y（Ⅱ）]的降低，抑制作物生長[911-12]。王芳等[13]等研究表明，大豆（Glycine max）經缺鎂處理后，葉片MDA含量顯著上升，反之，施鎂后大豆葉片MDA含量顯著下降，大豆抗膜脂過氧化脅迫的能力提高。課題組前期研究發現鎂元素顯著影響小白菜（Brassica chinensis）和苦瓜（Momordica charantia）生物量的積累，小白菜、苦瓜在缺鎂處理下產生大量·O2

-，葉片MDA含量增加，葉綠素含量下降，而適量施用鎂肥（40 ～50 mg·L-1）能夠顯著提高小白菜和苦瓜的光合速率及抗氧化酶活性，促進作物生長[14-15]。與此同時，為了補充植物缺鎂現象，過量施用鎂肥也會抑制植物生長發育[16-18]。在鎂過量處理條件下，植株葉綠素含量會下降，生長受抑制，影響植物抗氧化系統，導致植株的株高、莖粗、根長、根系活力等均降低[16-18]。【本研究的切入點】目前，有關鎂缺失或過量對西瓜的生長及生理生化響應的研究僅課題組前期進行初步研究[4-5]，尚未見鎂營養對西瓜葉綠素熒光特性的影響及其生理響應差異的研究。本研究利用砂培試驗技術，選用農業生產上較為常用的西瓜品種—黑美人，分析5個不同Mg2+濃度對西瓜農藝性狀、果實品質、葉綠素熒光特性、細胞膜透性、抗氧化系統的影響。【擬解決的關鍵問題】本研究旨在探討西瓜響應鎂脅迫的生長特性和生理代謝變化，明確西瓜對鎂素需求的適宜范圍，為指導鎂高效利用西瓜品種的選育及其科學種植提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設計

供試西瓜品種為黑美人，農業生產上較為常用的品種，由福建省農業科學院農業生物資源研究所提供。試驗于2014年3月在福州市農科所玻璃溫室開展，采用砂質培養（從花卉市場購買純石英砂粒作為植物生長介質），營養液配方（Hoagland &Arnon配方）如表1所示[19]，選均勻一致且飽滿的西瓜種子，用溫湯浸種法進行處理，水冷后連續浸泡8 h，待種子吸水膨脹后，置30 ℃培養箱。待種子大部分露白后，將其播種到育苗盤上，保持一定的溫濕度。待小苗長兩葉一心時定植于裝有砂子的盆中，盆規格（35 cm×40 cm×40 cm），5 d后開始處理。

表1 營養液配方Table 1 Formulation of nutrient solution

本試驗鎂質量濃度設為0 （缺鎂處理）、24、48、96、192 mg·L-1等5個處理，鎂源為MgSO4·7H2O，0 mg·L-1處理缺少的SO42-以K2SO4代替，每個處理6組重復，每組6株。前期間隔1 d澆一次營養液，待到瓜蔓旺盛生長時1 d澆一次，膨瓜期時遇炎熱天氣早晚各澆一次，每次300 mL，其他均按科學管理措施進行。分別于伸蔓期、盛花期和膨瓜期取西瓜上部相同部位葉片進行生理生化指標測定，樣品用液氮冷凍后保存于-80 ℃備用。

1.2 測定指標與方法

在膨瓜期對西瓜的農藝性狀進行測定，其中，株高：用直尺測量植株莖基部到生長點的高度；根長：用直尺測量根基部到根系末端的長度；根系體積：采用排水法測定根系體積；植株干重（包含根、莖、葉總和）：取長勢相似的植株，用蒸餾水沖洗干凈，用濾紙吸干植株表面的水分后置于105 ℃烘箱殺青15 min，70 ℃烘干至恒重，用電子天平測量干重。

西瓜生長至伸蔓期、盛花期和膨瓜期時分別對其葉片進行葉綠素熒光誘導動力學測定，方法如下：利用多功能植物效率分析儀（M-PEA，Hansatech，英國）經3000 μmol·m-2·s-1的脈沖光誘導，分別在西瓜伸蔓期、盛花期和膨瓜期的晴天早上10:00—11:00西瓜葉片快速葉綠素熒光誘導動力學曲線（OJIP）進行檢測分析，葉片選擇以主蔓及第一側蔓的第3或第4片功能葉為佳。參考李鵬民等[20]的計算方法，從OJIP誘導曲線中可獲得能夠反映西瓜光系統Ⅱ（PSⅡ）的指標，包括如下參數：初始（最小）熒光值Fo，最大熒光值Fm，放氧復合體OEC，單位面積有活性反應中心數目用RC/CSo表示，VJ表示J點相對可變熒光，Mo表示QA被還原的最大速率，Sm表示標準化后的在OJIP熒光誘導曲線和F=Fm之間的面積，用Ψo表示捕獲的激子將電子傳遞到電子傳遞鏈中超過QA－的其他電子受體的概率，φEo表示電子傳遞的量子產額，DIo/RC表示單位反應中心耗散掉的能量，ABS/RC表示單位反應中心吸收的光能，TRo/RC表示單位反應中心捕獲的用于還原QA的能量。

西瓜生長至伸蔓期、盛花期和膨瓜期時，取靠近新葉同一葉位，測定生理生化指標，測定方法如下：還原型抗壞血酸（reduced ascorbic acid， AsA）和脫氧抗壞血酸（deoxyascorbic acid， DAsA）采用鉬藍比色法測定，細胞膜透性采用電導法測定[21]；可溶性糖和可溶性蛋白分別采用蒽酮-硫酸法和考馬斯亮藍法進行測定[22]；超氧化物歧化酶（superoxide dismutase， SOD）采 用 氮 藍 四 唑 （nitro-blue tetrazolium，NBT）光化還原法測定，過氧化氫酶（catalase，CAT）活性采用紫外吸收法測定，過氧化物酶（per oxidase，POD）活性采用愈創木酚法測定，MDA含量采用硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）比色法測定，游離脯氨酸（proline，Pro）含量用甲苯萃取法測定，抗壞血酸過氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）、脫氫抗壞血酸還原酶（dehydrogenation ascorbic acid reductase，DHAR）和單脫氫抗壞血酸還原酶（monodehydroascorbic acid reductase，MDAR）活性等的測定參照Nakano和Asada[23]的方法；谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GR）活性的測定參照Halliwell等[24]的方法；還原型谷胱甘肽（glutathione，GSH）、氧化型谷胱甘肽（oxidized glutathione，GSSG）含量的測定參照高俊風[25]的方法。中心和邊緣可溶性固形物含量測定采用手持式折光儀測定。

1.3 數據分析

數據采用Office 2016和DPS 7.05軟件進行統計學分析。

2 結果與分析

2.1 鎂對西瓜生長發育及果實品質的影響

表2顯示，隨著鎂質量濃度的增加（0 mg·L-1～192 mg·L-1），西瓜的株高、根長、根系體積、地上部干重、根干重及生物產量均呈先增后降的趨勢，48 mg·L-1鎂處理時各指標均達到最大值，各處理間上述指標基本都達到顯著差異。與缺鎂（0 mg·L-1）相比，在48 mg·L-1鎂水平處理下西瓜株高、根長、根系體積、生物量分別增加58.25%、64.79%、113.75%、136.79%，而在缺鎂處理中，西瓜上述指標均最低。結果表明，適量施鎂能促進西瓜生長，提高西瓜生物量，且在鎂為48 mg·L-1時促進效果最顯著。

表2 不同施鎂量對西瓜生長發育的影響Table 2 Effect of different magnesium application on growth and development of C. lanatus

表型觀察發現（圖1），西瓜整體的缺鎂、低鎂癥狀表現為植株矮小，葉片稀少并且薄小，葉柄細弱，植株下部老葉先失綠，葉片從葉緣與葉尖開始出現黃化現象并逐漸擴展到脈間葉肉，在膨瓜期時西瓜缺鎂癥狀愈發嚴重，葉片葉尖焦枯，西瓜植株下部老葉幾乎變黃。鎂過量（192 mg·L-1）癥狀表現為西瓜植株矮小，葉片皺縮，葉緣輕微焦枯并向里卷曲，質地脆，嚴重時可見大面積的焦枯葉緣或整葉焦枯如灼燒狀。在48 mg·L-1鎂水平處理下西瓜未表現不良癥狀，其葉片厚大且顏色深綠。缺鎂、低鎂及鎂過量時西瓜從盛花期開始葉片先后出現以上情況，進入膨瓜期其癥狀逐漸明顯。

圖1 不同施鎂量對西瓜不同生育期葉片形態的影響Fig. 1 Effects of different magnesium application on leaf morphology of varied genotypes of C. lanatus at different growth stages

從表3可知，西瓜可溶性固形物（中心可溶性固形物和邊緣可溶性固形物）、可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C等物質的含量隨鎂質量濃度的增加均呈先增后降的趨勢，且在48 mg·L-1鎂處理下均達到最大值，且都達到顯著性差異，當鎂高于48 mg·L-1時各處理上述指標下降但都比缺鎂處理的高，說明缺鎂對西瓜品質的影響比過量鎂大，施鎂有助于提高西瓜果實品質。

表3 不同施鎂量對西瓜果實品質的影響Table 3 Effect of different magnesium application on fruit quality of C. lanatus

2.2 鎂對西瓜葉綠素熒光特性的影響

2.2.1 鎂對西瓜葉片PSⅡ反應中心數量、反應中心閉合程度的影響 表4顯示，在不同鎂處理下西瓜三個生育期葉片RC/CS0大小均呈現相似的變化規律，即隨著鎂質量濃度的增加RC/CS0值表現出先升后降的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時達到峰值，缺鎂時最小，低鎂和鎂過量處理略高于缺鎂處理。由此說明西瓜在48 mg·L-1鎂處理時有足夠數量的活躍的PSⅡ反應中心參與光合作用，而缺鎂、低鎂和鎂過量時PSⅡ的反應中心個數較少，光合作用減弱，缺鎂脅迫影響較大。由表4可知，西瓜三個生育期VJ值隨鎂質量濃度的增加呈現先降后增的趨勢，48 mg·L-1鎂處理時值最小，缺鎂處理值最大，其次是鎂過量處理。說明48 mg·L-1鎂處理PSⅡ反應中心閉合較少、累積少，向QB電子傳遞能正常進行，缺鎂和鎂過量處理下西瓜不同生長期有活性PSⅡ的反應中心不同程度的關閉并積累，阻礙了電子傳遞鏈中向QB的電子傳遞。

表4 不同施鎂量對西瓜不同生長期葉片PSⅡ反應中心數量和閉合程度的影響Table 4 Effects of different magnesium application on PSⅡ RC/CS0 and closed extent of varied genotypes of C. lanatus

2.2.2 鎂對西瓜葉片PSⅡ反應中心活性的影響 1/FO-1/FM值的大小可以反映西瓜葉片反應中心活性的強弱，從圖2可以看出，不同鎂質量濃度對西瓜葉片1/FO-1/FM值在伸蔓期時影響不大，此時1/FO-1/FM值總體上要高于其他兩個生育期。盛花期和膨瓜期西瓜葉片1/FO-1/FM值隨著鎂質量濃度的增加呈現先升后降的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時最大，鎂過量處理的值均大于低鎂和缺鎂處理。說明48 mg·L-1處理時西瓜葉片PSⅡ反應中心活性明顯高于缺鎂、低鎂和鎂過量處理。

OEC比例越小說明H2O的裂解受抑制越嚴重，圖2顯示，西瓜三個生育期葉片OEC比例均隨鎂質量濃度的增加呈現先增后降的趨勢，48 mg·L-1鎂處理時達最大值，且與其他處理均達到顯著差異，鎂過量處理大體上高于缺鎂處理。說明缺鎂、低鎂和鎂過量處理下葉片OEC受到嚴重傷害，而48 mg·L-1處理下OEC作用正常發揮，西瓜葉片光合作用正常進行。

圖2 不同施鎂量對西瓜不同生育期葉片1/FO-1/FM和OEC比例的影響Fig. 2 Effects of different magnesium application on leaf 1/FO-1/FM and OEC proportion of C. lanatus at different growth stages

由表5可知，西瓜在不同生育期葉片中的M0值隨鎂質量濃度的增加均呈先降后增的趨勢，缺鎂處理的M0值最高，48 mg·L-1鎂處理時M0值最低，當鎂質量濃度高于48 mg·L-1時M0值大體上隨之升高但均低于缺鎂處理，說明施鎂可以降低西瓜葉片QA的積累，48 mg·L-1處理時西瓜葉片QA積累最少。不同生育期葉片的Sm、Area、Ψ0和φEo隨鎂質量濃度的增加均呈現先增后降的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時均達到最大值，而缺鎂處理最低，其中鎂過量處理下的這些指標值均高于缺鎂、低鎂處理，表明缺鎂脅迫嚴重傷害西瓜葉片PSⅡ受體側。

2.2.3 鎂對西瓜葉片PSⅡ反應中心能量流動的影響 由圖3可知，西瓜三個不同生育期葉片單位反應中心對光能的吸收（ABS/RC）、捕獲（TR0/RC）以及耗散（DI0/RC）隨著的增加均呈先降后增的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時均達到最小值，而當處理濃度高于48 mg·L-1時上述參數值有所上升，但都低于缺鎂處理，且各施鎂處理與缺鎂處理相比大體上均存在顯著差異。鎂過量處理西瓜葉片的ABS/RC、DI0/RC總體上要低于缺鎂和低鎂處理。西瓜三個不同生育期葉片單位反應中心用于電子傳遞的能量（ET0/RC）隨著的增加均表現出先升后降的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時均達到最大值，除了伸蔓期差異不顯著外，盛花期和膨瓜期總體上存在顯著差異，且隨著生育期的延長葉片的ET0/RC值有所降低，另外鎂過量處理ET0/RC值高于低鎂和缺鎂處理。這表明48 mg·L-1處理可以提高用于電子傳遞的能量，減少因熱耗散而損失的能量，而鎂過量和缺鎂處理熱耗散增加，能量的損失加大。

圖3 不同施鎂量對西瓜不同生育期葉片ABS/RC、TR0/RC、DI0/RC和ET0/RC的影響Fig. 3 Effects of different magnesium application on leaf ABS/RC, TR0/RC, DI0/RC, and ET0/RC of C. lanatus at different growth stages

2.3 鎂對西瓜葉片滲透調節物質及細胞膜透性的影響

圖4顯示，施鎂處理對西瓜不同生育期葉片MDA和Pro含量的影響一致，即隨著鎂質量濃度的增加MDA和Pro含量均呈先降后增的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時西瓜葉片MDA和Pro含量最小，且與其他處理都達到顯著差異，當鎂質量濃度超過48 mg·L-1時MDA和Pro含量開始增加但均低于缺鎂和低鎂處理，缺鎂處理下西瓜葉片MDA和Pro含量最大。從不同生育期看，在膨瓜期時葉片這兩個指標含量要高于前面兩個生育期，表明缺鎂和鎂過量脅迫在膨瓜期對西瓜葉片傷害最大。不同生育期葉片細胞膜透性均隨鎂質量濃度的增加呈先降后增趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時細胞膜透性最小，而其他處理的細胞膜透性增加，且都達到顯著差異，其中缺鎂、鎂過量處理細胞膜透性也較大，尤其是缺鎂處理。由此說明，缺鎂和鎂過量處理下西瓜葉片細胞發生了膜脂過氧化反應，對葉片產生損傷，其中缺鎂傷害最嚴重。

圖4 不同施鎂量對西瓜不同生育期葉片MDA和Pro含量以及細胞膜透性的影響Fig. 4 Effects of different magnesium application on MDA and Pro contents and membrane permeability of C. lanatus at different growth stages

2.4 鎂對西瓜葉片抗氧化物質及抗氧化酶類防御系統的影響

2.4.1 鎂對西瓜葉片SOD、POD、CAT活性的影響 隨著鎂質量濃度的增加，西瓜不同生育期葉片SOD、POD、CAT活性均表現出先升后降的趨勢，48 mg·L-1鎂處理時活性最強，當鎂質量濃度超過48 mg·L-1時酶活性總體上開始下降但都高于缺鎂處理，其他施鎂處理與缺鎂處理之間均存在顯著差異，鎂過量處理西瓜葉片的活性略高于低鎂和缺鎂處理（圖5）。說明施鎂處理在一定范圍內可以提高西瓜葉片SOD、POD、CAT活性，缺鎂和低鎂處理一定程度上抑制這三個酶活性，且缺鎂脅迫影響最大。

圖5 不同施鎂量對西瓜不同生育期葉片SOD、POD和CAT活性的影響Fig. 5 Effects of different magnesium application on SOD, POD, and CAT activities of C. lanatus at different growth stages

2.4.2 鎂對西瓜葉片AsA-GSH循環代謝活性的影響

隨著鎂質量濃度的增加，西瓜不同生育期葉片中APX、MDAR、GR活性均呈現先降后增的趨勢（圖6），缺鎂處理活性最大，在48 mg·L-1鎂處理時活性最弱，當濃度超過48 mg·L-1時這三個酶活性開始增強但整體上都低于缺鎂處理和低鎂處理，差異達到顯著水平。從不同生育期分析發現，隨著生育期的推進，西瓜葉片中APX、GR、MDAR活性逐漸增強，即膨瓜期＞盛花期＞伸蔓期。不同生育期葉片DHAR活性隨鎂質量濃度的增加呈現先增后降的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時DHAR活性最強，缺鎂處理最弱，鎂過量處理西瓜葉片DHAR活性大體上高于缺鎂處理和低鎂處理；西瓜葉片DHAR活性膨瓜期＞盛花期＞伸蔓期。

圖6 不同施鎂量對西瓜不同生育期葉片APX、MDAR、GR和DHAR活性的影響Fig. 6 Effects of different magnesium application on APX, MDAR, GR, and DHAR activities of C. lanatus at different growth stages

從圖7可知，西瓜不同生育期葉片GSH含量隨著鎂質量濃度的增加均呈現先增后降的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時含量最高，缺鎂處理時含量最低，差異顯著。西瓜不同生育期葉片GSSG含量隨鎂質量濃度的增加呈先降后增的趨勢，在48 mg·L-1處理時含量最低，缺鎂處理含量最高。不同生育期葉片GSH/GSSG比值隨鎂處理濃度的增加呈先增后降的趨勢，在48 mg·L-1處理時比值最高，缺鎂處理時比值最低。

圖7 不同施鎂量對西瓜不同生育期葉片GSH和GSSG含量以及GSH/GSSG的影響Fig. 7 Effects of different magnesium application on GSH and GSSG contents and GSH/GSSG of C. lanatus at different growth stages

AsA和DAsA在植物抗逆中扮演著重要角色，DAsA在DHAR催化下可轉變為AsA。西瓜不同生育期葉片的AsA含量隨鎂質量濃度的增加呈先增后降的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時達到最高，缺鎂處理時最低，且低鎂和缺鎂處理均比鎂過量處理低，彼此間差異顯著（圖8）。隨著鎂處理濃度的增加，不同生育期葉片的DAsA含量呈先降后增的趨勢，在48 mg·L-1鎂處理時達到最低，缺鎂處理時最高，鎂過量處理低于缺鎂和低鎂處理，處理間存在顯著差異（圖8）。西瓜葉片AsA/DAsA比例可以反映西瓜體內抗氧化物的抗氧化能力，一般AsA/DAsA比值越大，相應物質的抗氧化能力也越強。不同生育期葉片AsA/DAsA比值隨鎂質量濃度的增加呈先增后降的趨勢，在鎂質量濃度為48 mg·L-1時達到最高值，缺鎂、鎂水平低于或高于48 mg·L-1時AsA/DAsA值都減小，缺鎂處理最低，且差異達到了極顯著水平。

3 討論

3.1 鎂缺乏和過量脅迫對西瓜PSⅡ光合特性的影響

鎂元素是植物葉綠素的重要組成成分，參與多種光合酶的合成，對植物的光合作用具有重要意義，因此鎂缺乏或過量都會影響植物的正常生長[6]。葉綠素熒光誘導動力學參數能夠用于描述植物光合作用的機理和光合生理情況，可作為檢測植物遭受脅迫傷害程度的指標[12]。RC/CS0參數表示被測西瓜葉片單位面積上有活性PSⅡ的反應中心個數，當葉片處于不正常光合作用狀態時有活性的PSⅡ反應中心個數偏少，光合作用減弱；1/FO-1/FM值的大小可以反映西瓜葉片反應中心活性的強弱；VJ參數表示光反應2 ms時有活性的PSⅡ反應中心閉合程度，同時PSⅡ受體側的累積情況也可以由VJ參數反映出，VJ逐漸升高，表明向QB的電子傳遞受阻[26]，本試驗中西瓜葉片RC/CS0值和1/FO-1/FM值隨著鎂質量濃度的增加均呈先增后降的趨勢，在48 mg·L-1處理時最大，缺鎂時最小；VJ值呈現先降后增的趨勢，48 mg·L-1鎂處理時值最小，缺鎂處理值最大，表明48 mg·L-1鎂處理時西瓜葉片有足夠數量的活躍的PSⅡ反應中心參與光合作用，而缺鎂（0 mg·L-1）和鎂過量（192 mg·L-1）處理時西瓜葉片活躍的PSⅡ反應中心個數少，反應中心活性弱，光合作用弱，PSⅡ的電子傳遞能力嚴重受阻，在QA－到QB電子傳遞受到的抑制程度較大，導致PSⅡ反應中心關閉并積累。

植物中放氧復合體（OEC）的作用是裂解H2O并釋放O2，OEC是PSⅡ反應中心的電子供體，它使被捕獲的光能可以以電子形式持續在電子傳遞鏈中傳遞，當植物受到不良環境因子脅迫時，OEC受損害，H2O的裂解受抑制，影響PSⅡ電子供體的正常供應[27]。本研究發現西瓜不同生育期葉片OEC活性在48 mg·L-1鎂處理時最高，缺鎂和鎂過量處理較低，說明缺鎂、鎂過量處理西瓜葉片受傷害，造成放氧過程中H2O的不完全裂解，導致H2O2的產生，PSⅡ電子傳遞受阻。

西瓜葉片光合電子傳遞鏈中QA被還原的速率可以由M0值反映出來[28]。PSⅡ受體側的PQ庫容量由Sm的值可以反映出來，PQ庫容量即為完全還原QA所需能量；進入電子傳遞鏈的電子數量越多則被還原QA的越多，Sm值則越大；PSⅡ受體庫大小可由Area值反映出來；φEo和Ψ0表示葉綠素反應中心捕獲的激子和光能分別將電子傳遞到電子傳遞鏈中那些超過QA的其他電子受體的概率，可以反映葉片將所捕獲的激發能轉化為電子并繼續傳遞的效率高低[29]。在本試驗中，48 mg·L-1鎂質量濃度處理不同生育期葉片中的M0值最低，而缺鎂和鎂過量處理較高；葉片Sm、Area、Ψ0和φEo在48 mg·L-1處理時最高，而在缺鎂和鎂過量處理時較低，表明缺鎂和鎂過量脅迫會造成西瓜葉片PSⅡ受體側的嚴重損害，缺鎂脅迫影響較大。

PSⅡ反應中心捕光天線色素的大小用ABS/RC表示 ，該比例升高表明葉片捕光天線色素增加，預示部分PSⅡ反應中心的失活；當ABS/RC和TR0/RC兩個比例增加，葉片增強捕光天線色素的大小以及對光的捕獲能力，從而增強單一反應中心對光的吸收與捕獲能力[30]。西瓜葉片單位面積的熱耗散（DI0/RC）在缺鎂和鎂過量脅迫下升高，ET0/RC減少，西瓜葉片減少用于電子傳遞的量子份額，通過增加熱耗散來將過多的光能耗散掉，來減少光抑制對葉片產生的傷害。在本試驗中φEo下降，VJ、ABS/RC和TR0/RC升高，表明缺鎂和鎂過量脅迫導致西瓜葉片PSⅡ反應中心失活，PSⅡ電子傳遞受阻，葉片發生了光抑制，導致其葉片光能利用率降低。

綜上所述，施鎂處理對西瓜葉片光合生理產生顯著影響，通過對生育期西瓜葉片觀察，缺鎂和鎂過量處理下莖細弱，葉薄小，葉片皺縮，葉片發黃，葉尖焦枯，而在48 mg·L-1鎂處理下葉片沒有上述癥狀，葉片厚大且顏色深綠，與葉綠素熒光誘導動力學參數相互佐證。進一步對西瓜生長相關指標觀測發現，西瓜的株高、根長、根系體積、地上部干重、根干重、生物產量、可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C、可溶性固形物等含量在48 mg·L-1鎂處理時均達到最大值，當鎂質量濃度低于或高于48 mg·L-1時，西瓜各項生長指標增長幅度有所下降，即缺鎂、低鎂和高量鎂處理下會抑制西瓜的生長，這與申燕[15]、田斌[16]等的研究結果相符。以上結果表明，鎂質量濃度在48 mg·L-1時西瓜葉片光合色素含量高[18]、PSⅡ穩定，有助于提升葉片光合速率，促進西瓜植株的生長，提高果實品質。

3.2 鎂缺乏和過量脅迫對西瓜抗氧化能力的影響

鎂缺乏或過量都會對植物生長產生影響，植物的生理生化指標能夠反映出植物在鎂脅迫條件下的應答情況，通常被作為植物抗逆性的評價指標[31]。Pro作為一種重要的植物滲透調節物質，能夠調節細胞滲透勢，增強細胞保水能力，減輕膜脂過氧化程度，保護蛋白分子與酶活性，在提高植物抗性方面具有極其重要的意義[32]。MDA是膜脂過氧化的有毒代謝產物之一，是活性氧毒害作用通常表現為MDA含量累積，因此，MDA可作為質膜受損的衡量指標，反映植物細胞膜脂過氧化程度、衰老程度和對逆境因子的應答強弱[33]，脅迫程度越劇烈，MDA含量越多[34]。已有研究表明，鎂缺乏和過量下植物MDA含量增加[13]，逆境脅迫使植物細胞質膜的結構和功能受損[35]。本研究結果顯示，缺鎂和鎂過量處理下西瓜葉片MDA和Pro含量明顯增加，細胞膜透性也增加，而48 mg·L-1處理時細胞膜透性降低，葉片Pro、MDA含量減少，說明缺鎂和鎂過量處理西瓜葉片受到損傷，而適量施鎂可以減輕逆境對細胞膜的損傷，提高植物抵御逆境脅迫的能力。

POD、SOD和CAT等是植物體內重要的抗氧化酶和細胞保護酶系統[36]，在逆境條件下能夠清除活性氧和自由基，從而避免膜損傷，以維持植物的代謝平衡[37]。已有研究表明，缺鎂處理顯著降低植物葉片SOD和CAT活性[13]。本試驗結果與前人研究相似，缺鎂和鎂過量處理下西瓜葉片POD、SOD和CAT活性顯著降低，缺鎂脅迫下降幅度最大，而當鎂質量濃度控制在48 mg·L-1左右時能顯著提高西瓜葉片POD、SOD和CAT活性，表明適量增施鎂肥可以提高植物抗氧化酶活性。

在正常生長條件下，植物體內清除活性氧的酶類活性較強，可及時清除植物受環境脅迫時產生的過量活性氧，從而使其保持一種動態平衡[38]。抗壞血酸—谷胱甘肽（AsA-GSH）循環是存在于植物體內的重要H2O2清除系統，在清除活性氧過程中起著很重要的作用[39]。AsA-GSH循環存在于植物葉綠體內，是一系列連續的生化反應，APX的酶促反應產生了MDHA，MDHA很不穩定，一部分被氧化生成DHA，另一部分被MDAR還原為AsA ；DHA以GSH作為電子供體，在DHAR的作用下生成AsA[40]。上述反應產生的GSSG又在GR的催化下被還原成GSH[41]。APX是AsA-GSH循環的第一個酶，該酶能專一性地催化AsA與H2O2反應形成MDHA，在降低H2O2對植物產生的損傷方面發揮著重要作用[42]。GR是一種重要的抗氧化酶類，能夠將氧化型GSSG還原成還原型GSH，為清除活性氧提供還原力，避免植物受到損傷[43]。還原型GSH是植物體內重要的抗氧化劑和信號物質，對植物新陳代謝的維持起到很重要的作用，具有清除自由基、抵抗過氧化損傷、保護酶和結構蛋白及膜系統的功能[44]，前人研究植物的抗逆境脅迫能力時通過測定GSH含量的高低來衡量[45]。DHAR是一種重要的植物抗氧化酶，也是植物AsA-GSH循環中能夠促進AsA再生的關鍵酶。本研究結果顯示，缺鎂和鎂過量脅迫下西瓜葉片APX、GR、MDAR活性增強，DHAR減弱。APX和MDAR活性增強，說明鎂脅迫下植物體內產生較多的H2O2，為了減輕自身損傷，植物體啟動了AsAGSH循環，首先增強APX活性，促使AsA與H2O2反應形成MDHA；為了APX酶促反應持續提供還原底物AsA保證正常還原過氧化氫，鎂脅迫下刺激體內MDAR和GR活性增強。但可能由于鎂脅迫強度過大，西瓜光合作用受到嚴重影響，葉片內光合PSⅡ系統紊亂，電子傳遞受阻，NADPH和NADH大量減少，MDHA和DHA很難及時被還原為AsA，造成AsA總量減少，AsA/DAsA比率下降；與此同時，由于GSSG的還原需要NADPH提供電子，這樣又阻礙GSH的生成進而導致GSH/GSSG比率降低。說明，缺鎂和鎂過量處理下植物體內AsA-GSH循環無法正常運轉，不能及時清除H2O2，導致體內活性氧大量積累，對植物體造成巨大損傷，缺鎂處理影響最大。鎂質量濃度為48 mg·L-1時，西瓜葉片APX、GR、MDAR活性處于較低水平，DHAR活性較高，葉內GSH、AsA含量及AsA/DAsA、GSH/GSSG比率顯著高于其他處理，促進AsA-GSH循環，提高植物逆境綜合防御能力。

4 結論

通過分析5個不同Mg2+濃度對西瓜農藝性狀和生理特性的影響，結果顯示，缺鎂（0 mg·L-1）和鎂過量（192 mg·L-1）脅迫造成西瓜放氧復合體（OEC）受到傷害，PSⅡ的光合電子傳遞受阻，抑制了PSⅡ的活性，導致葉片SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性下降，抑制西瓜生長。增施適量鎂肥（24～96 mg·L-1)可明顯提高西瓜抗氧化物質含量及抗氧化酶活性，促進AsA-GSH循環，減輕膜脂過氧化程度及活性氧積累，保護細胞膜和光系統的穩定性，通過熱耗散降低過剩光能對光合系統的破壞，有助于增強光合作用，促進西瓜生長發育，提高西瓜營養物質積累。在供試條件下，48 mg·L-1鎂處理下西瓜在生理生化指標上表現為多方面的綜合防御，故48 mg·L-1為西瓜栽培最適宜施鎂質量濃度。