亞低溫條件下外源褪黑素和Ca2+對西瓜幼苗生理特性的影響

吳燕 耿書德 王向向 高青海 孟凡豹

摘? ? 要：以西瓜品種8424種子和幼苗為試材，利用人工氣候室進行亞低溫處理（晝/夜18 ℃/12 ℃）20 d，研究外源褪黑素（MT）和Ca2+浸種處理對亞低溫條件下西瓜種子萌發，西瓜幼苗抗氧化酶SOD、POD和CAT等活性，滲透調節物質可溶性糖和脯氨酸含量的影響。結果表明，亞低溫處理的西瓜種子發芽率和發芽勢僅為46.5%和40.5%，外源100 μmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1 Ca2+復合浸種處理西瓜種子發芽率和發芽勢分別達到62.3%和58.5%。外源褪黑素和Ca2+浸種處理顯著提高了抗氧化酶SOD、POD、CAT和APX活性，促進了滲透調節物質可溶性糖和脯氨酸的積累，有效緩解亞低溫對西瓜種子萌發和幼苗生長影響;褪黑素和Ca2+復合浸種西瓜幼苗在出苗第20天時植株鮮質量達到8.21 g·株-1，達到對照處理的85.5%。綜上，外源褪黑素和Ca2+能通過提高西瓜幼苗抗氧化酶活性和滲透調節能力等，緩解亞低溫的不良影響，促進西瓜幼苗生長。

關鍵詞：西瓜;幼苗;亞低溫;褪黑素;Ca2+;生理特性

中圖分類號：S651 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2022）02-061-06

Effects of exogenous melatonin and Ca2+ on physiological characteristics of watermelon seedlings under sub-low temperature

WU Yan1， GENG Shude2， WANG Xiangxiang1， GAO Qinghai1， MENG Fanbao3

（1. Anhui Science and Technology University， Fengyang 233000， Anhui， China; 2. Linyi County Natural Resources Bureau， Linyi 251500， Shandong， China; 3. Anhui Yifeng Ecological Agriculture Technology Co.， Ltd， Guzhen 233700， Anhui， China）

Abstract： The seeds and seedlings of watermelon cultivar 8424 were treated with sub-low temperature （day/night 18 ℃/12 ℃） for 20 days in an artificial climate chamber to study the effects of exogenous melatonin （MT） and Ca2+ on germination， activities of antioxidant enzymes （SOD， POD and CAT）， and contents of soluble sugar and proline. The results showed that the germination rate and germination potential of watermelon seeds treated with sub-low temperature were only 46.5% and 40.5%， and those treated with 100 μmol·L-1 melatonin and 5 mmol·L-1 Ca2+ were 62.3% and 58.5%， respectively. Exogenous melatonin and Ca2+ treatment significantly increased the activities of antioxidant enzymes （SOD， POD， CAT and APX）， promoted the accumulation of osmotic adjustment substances （soluble sugar and proline）， and effectively alleviated the effect of sub-low temperature on watermelon seed germination and seedling growth. The seedling fresh weight treated with melatonin and Ca2+ reached 8.21 g·plant-1 on the 20th day of emergence， which was 85.5% of the control.

Key words： Watermelon; Seedlings; Sub-low temperature; Melatonin; Ca2+; Physiological characteristics

西瓜為葫蘆科西瓜屬一年生水果型蔬菜。西瓜喜光耐熱不耐寒，在世界上均有廣泛栽培。在早春大棚西瓜栽培中經常遇到低溫或亞低溫環境，研究表明，低溫不僅影響西瓜種子萌發[1]，同時也影響西瓜的生長發育，低溫條件下，西瓜幼苗生長受到抑制、授粉受精不良、果實容易發育成畸形果[2]。低溫逆境脅迫下，西瓜植株會產生大量活性氧自由基，西瓜為適應低溫逆境環境會提高自身保護酶SOD、POD、CAT等的活性，促進可溶性糖、脯氨酸等滲透調節物質的積累[3-4]。

褪黑素（Melatonin，MT）是一類重要的吲哚類化合物，廣泛存在于動植物體內[5]。前人研究表明，褪黑素不僅能提高苜蓿、黃瓜、番茄、香椿等[5-8]植物種子在逆境脅迫下的萌發，而且能通過提高植物抗氧化酶SOD、CAT和APX等的活性，增加細胞內脯氨酸含量，降低細胞相對電導率和丙二醛含量等途徑提高植物抵御逆境脅迫。外源鈣能夠顯著提高辣椒幼苗葉片抗氧化酶活性、增加可溶性糖含量、降低丙二醛含量，從而提高辣椒幼苗抗寒性[9]。目前針對外源物質褪黑素和鈣提高作物耐寒性研究主要集中在黃瓜、甜瓜、茄子等[6，10-11]作物上，褪黑素和鈣在提高西瓜耐寒性上是否有協同作用等目前還不清楚。為此，筆者以西瓜為材料，通過浸種處理西瓜種子，研究外源物質褪黑素和鈣對西瓜耐寒性的影響，為西瓜耐寒性研究及生產應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

西瓜品種為早佳8424，為長三角地區主栽西瓜品種，由安徽科技學院農學院園藝教研室提供。試驗于2020年1—5月在安徽科技學院種植科技園日光溫室及園藝實驗室進行。

1.2 試驗設計

選擇大小一致無病蟲害的西瓜種子，每個處理100粒，3次重復，將精選西瓜種子在28 ℃條件下浸種24 h，中間換水6次，浸種處理分別為蒸餾水（CK）、蒸餾水（LT，亞低溫處理）、100 μmol·L-1MT溶液（LT+MT）、5 mmol·L-1 CaCl2溶液（LT+Ca2+）、100 μmol·L-1MT+5 mmol·L-1 CaCl2溶液（LT+MT+Ca2+）;然后放置在人工氣候箱中，控制不同的溫度條件進行催芽。其中，對照處理西瓜種子放置28 ℃條件下催芽，其余亞低溫處理則放置在晝/夜18 ℃/12 ℃條件下進行催芽，光照時間為每天12 h。

待種子發芽后開始統計發芽率。將發芽的種子播種于裝有基質的32孔穴盤中，然后繼續在培養箱中培養。在西瓜出苗后第5、第10、第15、第20天時測定西瓜幼苗的鮮質量。在第20天時取樣測定西瓜幼苗的生理指標，各生理指標重復測定3次。

1.3 測定指標及方法

1.3.1? ? 發芽率和發芽勢的測定? ? 對照處理催芽的西瓜種子第3天開始統計發芽率和發芽勢;亞低溫處理催芽的西瓜種子在第5天開始統計發芽勢，第7天統計發芽率。

發芽率/%=[發芽種子數種子總數]×100;

發芽勢/%=[規定天數發芽種子數種子總數]×100。

1.3.2? ? 西瓜植株鮮質量測定? ? 將西瓜幼苗用清水洗凈，植株表面的水分用紙巾吸干，盡量避免損壞根系與葉片，稱量西瓜整株鮮質量，每個處理取5株，4次重復。

1.3.3? ? 抗氧化酶活性的測定? ? 在亞低溫處理第20天時，每處理分別稱取0.5 g新鮮葉片，在研缽中用液氮研磨成粉末，將研磨后的粉末混勻到10 mL含有1 mmol·L-1 EDTA和1%聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的50 mmol·L-1的磷酸緩沖液（pH 7.0）中。4 ℃ 15 000 r·min-1高速冷凍離心20 min，取上清液用于酶的活性檢測。參照李合生[12]的方法進行過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性的測定，參照Zhu等[13]的方法進行抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性的測定。

1.3.4? ? 葉片相對電導率和MDA含量的測定? ? 在亞低溫處理第20天時，測定西瓜幼苗葉片相對電導率和丙二醛（MDA）含量，具體試驗步驟參照高俊鳳[14]的方法。

1.3.5? ? 葉片脯氨酸和可溶性糖含量測定? ? 在亞低溫處理第20天時，測定西瓜幼苗葉片脯氨酸和可溶性糖含量，具體試驗步驟參照高俊鳳[14]的方法。

1.4 數據處理

采用WPS 2016和SPSS 19.0軟件對數據進行處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 亞低溫條件下外源MT和Ca2+對西瓜種子發芽率和發芽勢的影響

從圖1和圖2中可以看出，與對照相比，亞低溫處理顯著影響西瓜種子的發芽，西瓜種子的發芽率和發芽勢顯著降低。亞低溫處理下，外源100 μmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1Ca2+浸種處理可以促進西瓜種子萌發，外源褪黑素處理的西瓜種子發芽率和發芽勢分別為58.39%和50.58%，外源100 μmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1Ca2+復合浸種處理西瓜種子達到發芽率和發芽勢分別為62.30%和58.52%，而亞低溫處理的西瓜種子發芽率僅為46.51%。由此說明外源褪黑素和Ca2+浸種可以促進西瓜種子萌發，二者復合浸種促進效果更為顯著。

2.2 亞低溫條件下外源MT和Ca2+對西瓜幼苗生長的影響

由圖3可以看出，與常溫處理相比，亞低溫條件下西瓜幼苗生長緩慢，植株鮮質量增加較少，而外源物質浸種處理可以促進西瓜幼苗的生長。在幼苗生長到20 d時，亞低溫處理的西瓜幼苗單株鮮質量為6.10 g，外源100 μmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1 Ca2+浸種可以促進西瓜幼苗的生長，尤其是褪黑素和Ca2+復合浸種西瓜，西瓜幼苗在20 d時單株鮮質量達到8.21 g，達到對照處理的85.42%。由此說明，外源褪黑素和Ca2+浸種處理可以促進西瓜幼苗在亞低溫條件下生長。

2.3 亞低溫條件下外源MT和Ca2+對西瓜幼苗葉片SOD和POD酶活性的影響

從圖4和圖5中可以看出，與常溫處理相比，亞低溫處理下西瓜幼苗葉片保護酶SOD和POD活性升高，外源100 μmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1 Ca2+浸種處理可顯著提高西瓜幼苗的SOD和POD活性，尤其是外源褪黑素和Ca2+復合浸種處理，西瓜幼苗SOD和POD活性分別達到69.43 U·mg-1和23.61 U·mg-1，比對照處理提高94.94%和306.90%。由此說明，亞低溫處理下，外源褪黑素和Ca2+浸種處理可以提高西瓜幼苗保護酶SOD和POD活性。

2.4 亞低溫條件下外源MT和Ca2+對西瓜幼苗葉片CAT和APX酶活性的影響

從圖6和圖7中可以看出，與常溫處理相比，亞低溫處理下西瓜幼苗葉片保護酶CAT和APX活性升高，外源100 μmol·L-1褪黑素和5 mmol·L-1Ca2+浸種處理可顯著提高西瓜幼苗CAT和APX活性，尤其是外源褪黑素和Ca2+復合浸種處理，西瓜幼苗CAT和APX活性分別為3.62 U·mg-1和50.21 U·mg-1，比對照處理提高了227.27%和48.52%。由此說明，亞低溫處理下，外源褪黑素和Ca2+浸種處理可以提高西瓜幼苗保護酶CAT和APX活性。

2.5 亞低溫條件下外源MT和Ca2+對西瓜幼苗葉片可溶性糖和脯氨酸含量的影響

從圖8和圖9中可以看出，與常溫處理相比，亞低溫處理下西瓜幼苗葉片滲透調節物質可溶性糖和脯氨酸含量均顯著升高，外源100 μmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1Ca2+浸種處理可顯著提高西瓜幼苗葉片滲透調節物質的積累。其中，褪黑素處理西瓜幼苗葉片可溶性糖和脯氨酸含量分別為60.13 mg·g-1和46.71 μg·g-1，外源Ca2+浸種處理西瓜幼苗葉片可溶性糖和脯氨酸含量分別為59.40 mg·g-1 和43.52 μg·g-1，外源褪黑素和Ca2+復合浸種處理效果更加顯著。

2.6 亞低溫條件下外源MT和Ca2+對西瓜幼苗葉片MDA含量和相對電導率的影響

由圖10和圖11中可以看出，與常溫處理相比，亞低溫處理下西瓜幼苗葉片MDA含量和相對電導率值顯著升高，外源100 μmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1 Ca2+浸種處理可顯著降低西瓜幼苗MDA含量和相對電導率，尤其是外源褪黑素和Ca2+復合浸種處理，西瓜幼苗MDA含量和相對電導率分別為2.90 nmol·g-1和23.82%，比亞低溫處理西瓜幼苗葉片MDA含量和相對電導率分別降低了25.64%和19.05%。由此說明，亞低溫處理下，外源褪黑素和Ca2+浸種處理可以降低西瓜幼苗葉片細胞膜受損。

3 討論與結論

亞低溫為一種常見的逆境氣候條件，尤其是早春設施栽培中經常遇到。亞低溫條件不僅抑制植物的生長，植株生長緩慢，而且可引起植物落花落果，果實發育畸形[10，15]。前人研究表明，17 ℃以下的低溫處理顯著降低了西瓜種子的發芽率和發芽勢[1]。本研究結果表明，亞低溫處理降低了西瓜種子的發芽率和發芽勢，外源褪黑素和Ca2+浸種處理可以顯著提高西瓜種子的發芽率和發芽勢，促進西瓜幼苗的生長。在外源褪黑素促進作物種子萌發時，不同作物對褪黑素濃度需求有所差異，陳莉等[16]在棉花上的研究顯示，低濃度褪黑素具有提高棉花種子發芽率和發芽勢、增加幼苗生物量的效果。

作為一種廣泛存在于植物體內的調節物質褪黑素，能調節植物抗氧化酶活性，促進滲透調節物質脯氨酸的積累。前人研究結果發現，外源褪黑素可以提高黃瓜葉片SOD、POD、CAT等抗氧化酶的活性，緩解低溫脅迫對植物細胞造成的傷害，提高植物的抗寒性[17-18]。本研究結果表明，亞低溫條件下西瓜幼苗葉片保護酶SOD、POD、CAT和APX活性顯著升高，外源褪黑素和Ca2+浸種可以顯著提高西瓜幼苗葉片保護酶活性，尤其是褪黑素和Ca2+復合浸種效果更好。這是由于亞低溫條件下，植物細胞內活性氧清除能力下降，導致葉片中H2O2 和O2-含量的增加，細胞膜受到破壞，表現在細胞相對電導率和MDA含量增加，作物生長受到抑制[19];外源褪黑素和Ca2+處理可顯著提高西瓜葉片保護酶活性，促進滲透調節物質的積累，有效緩解亞低溫環境對西瓜細胞膜造成的不利影響，表現在西瓜幼苗相對電導率和MDA含量顯著降低，進而起到緩解低溫脅迫效果，促進作物在亞低溫環境下生長。吳雪霞等[11]在茄子上也有類似研究結果。

總之，亞低溫環境條件抑制了西瓜種子萌發，種子發芽率和發芽勢顯著降低，幼苗生長受到明顯抑制;外源褪黑素和Ca2+浸種處理顯著提高了西瓜幼苗抗氧化酶SOD、POD、CAT和APX活性，促進了西瓜幼苗滲透調節物質可溶性糖和脯氨酸的積累，有效緩解亞低溫對西瓜種子萌發和幼苗生長的影響。本試驗條件下，外源褪黑素和Ca2+復合處理緩解亞低溫效果較好。

參考文獻

[1] 沈虹，孟佳麗，吳紹軍，等.低溫脅迫對西瓜種子萌發的影響[J].北方農業學報，2020，48（5）：95-103.

[2] 侯偉，楊福孫，李尚真，等.低溫寡照對海南棚栽西瓜生長的影響及其災害等級指標[J].江蘇農業科學，2015，43（8）：161-166.

[3] KOHLI S K，BALI S，TEJPAL R，et al.In-situ localization and biochemical analysis of bio-molecules reveals Pb-stress amelioration in Brassica juncea L. by co-application of 24-Epibrassinolide and Salicylic Acid[J].Scientific Reports，2019，9（1）：3524.

[4] RASHEED R，WAHID A，ASHRAF M，et al.Role of proline and glycinebetaine in improving chilling stress tolerance in sugarcane buds at sprouting[J].International Journal of Agriculture and Biology，2010，12（1）：1-8.

[5] 毛培勝，張曄，宋玉梅，等.褪黑素引發對鹽脅迫敖漢苜蓿種子發芽特性的影響[J].種子，2019，38（6）：36-42.

[6] 張海軍.褪黑素處理對氯化鈉脅迫下黃瓜種子萌發的影響及其分子機制[D].北京：中國農業大學，2016.

[7] 徐寧，孫曉慧，曹娜，等.外源褪黑素對硝酸鹽脅迫下番茄幼苗生長及滲透調節物質的影響[J].中國瓜菜，2020，33（9）：23-27.

[8] 劉珂，張嘉欣，杜清潔，等.外源褪黑素對鹽脅迫下香椿種子萌發及幼苗生長的影響[J].中國瓜菜，2020，33（5）：53-58.

[9] 郭曉冬，鄒志榮，張化生.硝酸鈣浸種對低溫下辣椒幼苗滲透調節物質的影響[J].干旱地區農業研究，2008，26（5）：160-164.

[10] 高青海，賈雙雙，苗永美，等.亞低溫條件下外源褪黑素對甜瓜幼苗氮代謝及滲透調節物質的影響[J].應用生態學報，2016，27（2）：519-524.

[11] 吳雪霞，朱宗文，張愛冬，等.外源褪黑素對低溫脅迫下茄子幼苗生長及其光合作用和抗氧化系統的影響[J].西北植物學報，2017，37（12）：2427-2434.

[12] 李合生.植物生理生化實驗原理和技術[M].北京：高等教育出版社，2000.

[13] ZHU Z J，WEI G Q，LI J，et al.Silicon alleviates salt stress and increases antioxidant enzymes activity in leaves of salt-stressed cucumber（Cucumis sativus L.）[J].Plant Science，2004，167（3）：527-533.

[14] 高俊鳳.植物生理實驗指導[M].北京：高等教育出版社，2006.

[15] 李建明，王平，李江.灌溉量對亞低溫下溫室番茄生理生化與品質的影響[J].農業工程學報，2010，26（2）：129-134.

[16] 陳莉，劉連濤，馬彤彤，等.褪黑素對鹽脅迫下棉花種子抗氧化酶活性及萌發的影響[J].棉花學報，2019，31（5）：438-447.

[17] 趙小紅，羅慶熙，饒玲.外源褪黑素在低溫脅迫下對黃瓜幼苗抗冷性的影響[J].北方園藝，2017（14）：55-59.

[18] BAJWA V S，SHUKLA M R，SHERIF S M，et al.Role of melatonin in alleviating cold stress in Arabidopsis thaliana[J].Journal of Pineal Research，2014，56（3）：238-245.

[19] 尉欣榮，張智偉，周雨，等.褪黑素對低溫和干旱脅迫下多年生黑麥草幼苗生長和抗氧化系統的調節作用[J].草地學報，2020，28（5）：1337-1345.