鹽堿脅迫對甜瓜幼苗滲透調節(jié)物質的影響

熊韜，閆淼，王江濤，胡國智*

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學院 哈密瓜研究中心，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆林業(yè)學校，新疆 烏魯木齊 830000)

甜瓜又名甘瓜、香瓜，屬于葫蘆科黃瓜屬一年生蔓性草本植物[1]。作為一種重要的園藝經(jīng)濟作物，其種植區(qū)域遍布世界五大洲的熱帶以及溫帶氣候區(qū)[2]。新疆是我國重要的商品甜瓜生產(chǎn)基地，由于地處亞歐大陸內陸干旱區(qū)，該區(qū)域內鹽堿土分布面積廣大，約占我國鹽堿土總面積的22%，其中受到鹽漬化影響的耕地面積約占當?shù)馗乜偯娣e的30%[3]。近年來設施園藝生產(chǎn)過程中不合理施用化肥，又進一步導致土壤次生鹽堿化的發(fā)生。鹽漬化程度不斷加重的土壤環(huán)境已經(jīng)成為影響當?shù)剞r(nóng)業(yè)開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展的重大限制條件和障礙因素[4]。因此，立足于鹽堿土壤條件下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究顯得極為重要，尤其是探究鹽分環(huán)境中植物的生理變化規(guī)律，有助于選育耐鹽型作物，進而對合理利用鹽水、鹽土資源，持續(xù)改善作物種植環(huán)境具有非常重要的意義。

厚皮甜瓜(哈密瓜)在新疆有著非常悠久的栽培歷史。多項研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)甜瓜對低濃度鹽分具有一定的耐受性[5-8]，因而可以作為輕度鹽堿化土壤生產(chǎn)模式中的備選作物。植物在鹽堿環(huán)境下利用主動積累的方式在體內蓄積脯氨酸(Pro)、可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)、甜菜堿(GB)等有機物質，以維持自身正常的代謝活動，保持體內滲透平衡，憑借提高細胞液濃度，降低細胞滲透勢，確保細胞具備一定的持水能力，進而達到緩解鹽脅迫產(chǎn)生的傷害，使植株本體能夠正常生長[9]。付鳳玲等[10]研究認為，Pro積累對鹽堿脅迫下玉米愈傷組織繼代生長與發(fā)育具有良好的促進作用。這說明鹽脅迫下Pro的積累在一定程度上有助于提升植物對鹽分的耐受性。徐晨等[11]發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫使水稻體內可溶性糖含量增加，認為這主要是植物對逆境相應的適應性響應。劉鳳歧等[12]認為，鹽濃度的升高致使燕麥體內可溶性蛋白含量表現(xiàn)出先上升后逐漸降低的變化情況，這與馬麗等[13]在棉花新陸早13幼苗中研究得出的結論相一致。據(jù)分析認為，由于鹽分抑制氮的吸收導致蛋白質和氨基酸在植物內的合成速率放緩，但分解速率加快，從而引起蛋白質含量下降。趙勇等[14]研究了5種NaCl脅迫濃度對耐鹽性不同的3個小麥品種甜菜堿含量的變化情況，發(fā)現(xiàn)甜菜堿在小麥葉片和根中含量均與鹽脅迫濃度呈正相關，是小麥抵抗鹽脅迫的重要滲透調節(jié)劑。這與前人研究得出的結論[15-18]相一致，這是植物受到逆境脅迫時，通過甜菜堿合成和積累所做出的一種適應性反應的表現(xiàn)。

目前，關于鹽脅迫下甜瓜生理特性方面的研究鮮有報道，而朱春燕等[19]認為，同種作物的不同品種對鹽分的耐受性存在一定的差異。為此，本試驗通過設置不同鹽分處理濃度，研究鹽脅迫對4種甜瓜品種生理特性的影響，探究甜瓜體內滲透物質含量變化規(guī)律，以期為甜瓜耐鹽研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗所選甜瓜品種為網(wǎng)紋香、風味5號、西州密17號、黃皮9818，其中網(wǎng)紋香、風味5號、黃皮9818由新疆明鑫科鴻農(nóng)業(yè)科技有限責任公司提供，西州密17號由新疆維吾爾自治區(qū)葡萄瓜果開發(fā)研究中心提供。本試驗于2019年8月至2019年9月在位于吐魯番市高昌區(qū)亞爾鎮(zhèn)的新疆農(nóng)業(yè)科學院哈密瓜研究中心科研基地實施。

1.2 處理設計

試驗方案以徐志然等[20]采用的方法為基礎，對鹽堿處理液配比(NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3物質的量比為4∶1∶1∶4)進行了調整，設置4個鹽濃度處理，分別為0(CK)、50、100、150 mmol·L-1，每處理重復3次，所配置鹽處理液的母液均為Hagland營養(yǎng)液。

將蛭石和珍珠巖按1∶1的體積比混合裝入40穴育苗穴盤中。鹽脅迫處理在上午8：00—9：00進行，第1天每處理均澆50 mmol·L-1的處理液以此避免鹽濃度突然上升所產(chǎn)生的沖擊效應，以50 mmol·L-1作為每日遞增濃度，直至到達最終設定濃度，每次用相應濃度的鹽溶液進行適量澆灌，CK處理澆同等容量的清水，定時觀察蒸發(fā)情況并用清水補充損失的水分，脅迫處理7 d后采集植株樣品。

1.3 測定項目

1.3.1 樣品處理

先用水將植株樣品表面附著的殘渣和雜質沖洗掉，反復再用純水沖洗3～4次，利用潔凈吸水紙將樣品表面殘余水分吸除。根、莖、葉在經(jīng)過分離處理后，分別放入烘箱中用105 ℃高溫迅速殺青15 min，然后再用80 ℃持續(xù)烘干至恒重。將根、莖、葉干樣分別用粉碎機進行粉碎后過0.25 mm孔篩備用。

1.3.2 生理指標測定

測定甜菜堿含量采用雷氏鹽比色法[21]；測定Pro含量采用茚三酮比色法[21]；測定可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍比色法[21]；測定可溶性糖含量采用硫酸蒽酮法[21]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2016進行繪圖，采用SPSS(Version 20.0)進行數(shù)據(jù)差異性分析(One-way ANOVA)，并檢驗處理間差異顯著性(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 幼苗甜菜堿含量的變化情況

不同類型植物體內的甜菜堿分布狀況存在著一定的差異，尤其是鹽生植物中甜菜堿的含量要高于非鹽生植物。在逆境條件下植物體內的甜菜堿含量往往會表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，說明甜菜堿與植物抗逆性具有密切的聯(lián)系。

由圖1可知，鹽脅迫處理后，4種甜瓜葉片中甜菜堿含量表現(xiàn)出不同的變化趨勢，其中網(wǎng)紋香、風味5號均隨處理濃度的增加而保持上升態(tài)勢，而西州密17號和黃皮9818葉片中甜菜堿含量則隨鹽濃度的上升表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。與CK相比，網(wǎng)紋香葉片中甜菜堿含量的變化幅度最大，風味5號次之，西州密17號的變化幅度最小，且各處理間均表現(xiàn)出顯著性差異。在150 mmol·L-1濃度時，網(wǎng)紋香、風味5號、西州密17號中的甜菜堿含量分別為CK處理的7.5、4.5和1.3倍。從整體表現(xiàn)可以看到，不同濃度處理下各甜瓜葉片中甜菜堿積累量表現(xiàn)為網(wǎng)紋香>風味5號>西州密17號>黃皮9818，也說明網(wǎng)紋香表現(xiàn)出一定的耐鹽能力。

同一品種不同處理間沒有相同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖2—4同。

2.2 幼苗Pro含量的變化

通常受到逆境脅迫的植物都會積累較高含量的Pro，尤其是受到鹽脅迫的植物體內會出現(xiàn)主動積累大量游離Pro的現(xiàn)象[22]，這種積累量的大幅變化可以看作是植物應對外界脅迫的一種信號，也有研究認為植物體內Pro質量分數(shù)在逆境脅迫環(huán)境的變化情況，可作為抗逆性研究的一項重要參考指標[23]。

圖2表明，各甜瓜葉片中的Pro含量均隨著鹽脅迫濃度的上升出現(xiàn)明顯的增長趨勢。在50 mmol·L-1濃度處理下，網(wǎng)紋香、風味5號、西州密17號和黃皮9818幼苗葉片中Pro含量分別比CK處理增加36.6%、29.8%、18.8%、14.4%；而在150 mmol·L-1濃度下分別比CK處理提高62.4%、59.1%、43.0%、24.3%。以上說明在不同鹽分水平下，各甜瓜品種都能通過積累一定含量的Pro，主動進行滲透調節(jié)，提高自身對鹽分的耐受性。但網(wǎng)紋香和風味5號積累維持Pro的能力明顯要強于西州密17號和黃皮9818。同時，不同濃度處理之間也存在極顯著差異，表明鹽脅迫強度對Pro積累有較為直接的影響。

圖2 鹽脅迫對甜瓜幼苗葉片中Pro含量的影響

2.3 幼苗可溶性蛋白含量的變化

可溶性蛋白是植物受到逆境脅迫時加入其滲透調節(jié)過程的一類重要物質。有研究認為，鹽分耐受性強的植物能夠在體內維持較高含量的可溶性蛋白。

由圖3可看出，4種甜瓜的幼苗葉片中的可溶性蛋白含量受到鹽分脅迫影響出現(xiàn)下降，且隨著濃度的上升，葉片中可溶性蛋白含量的下降趨勢和幅度不斷加大，說明植物體內參與蛋白質合成的相關酶的活性可能受到抑制，從而引起蛋白質合成受影響而出現(xiàn)含量降低。西州密17號和黃皮9818的整體降幅要明顯大于網(wǎng)紋香、風味5號。在50 mmol·L-1濃度處理下，網(wǎng)紋香、風味5號、西州密17號和黃皮9818葉片中可溶性蛋白含量分別比CK處理減少2.8%、12.5%、35.7%、44.4%；在150 mmol·L-1濃度處理下的降幅更為顯著，分別比CK降低27.4%、50.3%、75.5%、84.0%。

圖3 鹽脅迫對甜瓜幼苗葉片中可溶性蛋白含量的影響

總體而言，各處理下的4個品種葉片中可溶性蛋白的含量表現(xiàn)為網(wǎng)紋香>風味5號>西州密17號>黃皮9818，說明網(wǎng)紋香在鹽脅迫下具有較強的蛋白合成能力，因而表現(xiàn)出較好的鹽耐受性。

2.4 幼苗可溶性糖含量的變化

可溶性糖除了向植物供給生長發(fā)育所必需的能量及代謝產(chǎn)物，同時也作為一種重要的調節(jié)劑參與植物滲透調控過程。圖4中鹽脅迫下，可溶性糖含量隨鹽濃度的增加而出現(xiàn)變化，這可能是由于植物通過合成和調用可溶性糖參與自身滲透調節(jié)，以此緩解鹽脅迫產(chǎn)生的傷害。

由圖4可以看出，鹽脅迫促使4種甜瓜幼苗葉片可溶性糖含量均隨鹽分濃度的上升而逐漸遞增。在50 mmol·L-1下，與CK處理相比，風味5號、西州密17號和黃皮9818增幅并不顯著，而150 mmol·L-1處理使網(wǎng)紋香、風味5號、西州密17號和黃皮9818葉片中可溶性糖含量分別為CK的2.4、2.1、1.7和1.4倍，且與CK差異顯著。以上說明在鹽脅迫下，4種甜瓜均能憑借提高葉片中可溶性糖積累量，維持體內滲透平衡，但相比較而言，網(wǎng)紋香的耐鹽性表現(xiàn)強于其他3個品種。

3 討論

甜菜堿的含量在作物受到鹽脅迫后出現(xiàn)明顯的增加，說明與甜菜堿合成有關的酶類的活性受到了鹽脅迫產(chǎn)生的催化作用的影響，從而加快了甜菜堿的合成。但本研究中，西州密17號和黃皮9818中甜菜堿含量的變化趨勢并不與其他兩種甜瓜相一致，這說明甜菜堿積累量隨鹽濃度增加而增加是有一定上限的。這與Guy等[24]得出的結論基本相似，他認為低鹽度條件下鹽角草中甜菜堿含量隨鹽濃度的增加而大幅度上升，但鹽濃度持續(xù)上升，甜菜堿會逐漸放緩增加的速度，直至穩(wěn)定保持在某一水平。西州密17號和黃皮9818的這類表現(xiàn)可能是由于不斷加重的鹽脅迫影響了自身其他生理過程，導致甜菜堿合成受限。但同時也有可能是細胞對積累的甜菜堿進行了轉運調用，說明甜菜堿可能屬于非固定性參與滲透調節(jié)過程的物質[25]。

鹽脅迫環(huán)境下，植物會主動合成和積累一些有機或無機類物質來調節(jié)細胞液濃度，以此確保細胞能夠維持一定的滲透勢，達到逐漸適應逆境環(huán)境的目的；同時也可以起到穩(wěn)定和保護生物大分子結構和功能的作用。張玉鑫等[26]研究發(fā)現(xiàn)，甜瓜葉片中Pro含量和可溶性糖含量在NaCl脅迫下均顯著高于對照，且隨NaCl濃度的上升而逐漸增加，這與本試驗得出鹽脅迫下甜瓜幼苗葉片中Pro和可溶性糖含量隨鹽脅迫強度的增強而顯著增加的結果相一致，且4種甜瓜中，網(wǎng)紋香和風味5號都表現(xiàn)出較強的積累滲透物質的能力，具有較好的鹽環(huán)境適應性。

蛋白質是一種重要的營養(yǎng)成分，在植物的生理代謝過程中發(fā)揮著非常重要的作用。鹽分脅迫會導致植物體內正常的蛋白合成過程受阻，并且會使蛋白質降解的速度加快，從而引起蛋白質含量的下降。本試驗中，受到鹽脅迫的甜瓜葉片中的可溶性蛋白質含量與對照相比，均出現(xiàn)顯著下降，此結果與前人在西瓜[27]和苜蓿[28]上研究得出的結果相似，從整體下降趨勢來看，網(wǎng)紋香的降幅要遠低于其他3種甜瓜，這說明其在逆境下自身可能具有較強的蛋白合成能力。

糖類物質是一種廣泛存在于高等植物體內的重要光合同化產(chǎn)物，除了作為植物碳骨架和能量的重要來源[29]，同時也是參與調控和改善植物對環(huán)境適應性的信號物質[30]，而且還具有保護細胞內各種酶類免受高濃度無機離子傷害的功能[31]。多數(shù)研究認為，可溶性糖含量的變化與植物受到逆境脅迫息息相關。本試驗中，甜瓜葉片中的可溶性糖含量隨脅迫濃度的上升而增加，特別是在高濃度脅迫下與對照相比達顯著性差異，這說明各品種通過積累適量SS，降低自身細胞滲透勢，維持在高滲環(huán)境下的吸水能力。根據(jù)SS含量變化情況，網(wǎng)紋香中SS的積累量要高于其他3種甜瓜，這表明其在逆境條件下具備良好的自我調節(jié)及適應能力。

4 小結

本試驗中，四個甜瓜品種滲透調節(jié)物質的含量隨著鹽分水平的不斷上升均出現(xiàn)了一定的變化，這說明在受到脅迫后，網(wǎng)紋香、風味5號、西州密17號和黃皮9818依靠主動積累和提高GB、Pro、SS和SP的含量來增強自身對鹽分的耐受性。在50 mmol·L-1濃度下，4種甜瓜都表現(xiàn)出較為迅速和有效的滲透調節(jié)響應機制，對有效抗鹽具有積極的作用。而在較高(100和150 mmol·L-1)濃度鹽脅迫下，網(wǎng)紋香和風味5號均能夠維持高于西州密17號、黃皮9818的GB、Pro、SS和SP含量，對鹽脅迫具有一定的耐受性，這可能與品種自身的所含的基因類型相關，因此，網(wǎng)紋香和風味5號可以作為具有一定抗鹽能力的種質資源以備進一步研究。