淹水脅迫對不同倍性西瓜幼苗生理的影響

何 楠，王偉偉，趙勝杰，路緒強(qiáng)，朱紅菊，孫小武，劉文革

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所 鄭州 450009； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 長沙 410128；3.安陽市疾病預(yù)防控制中心 河南安陽 455099）

淹澇災(zāi)害是影響植物生長發(fā)育重要的非生物逆境脅迫。隨著全球氣溫的升高，溫室效應(yīng)在逐漸加劇，世界各地淹澇災(zāi)害不斷發(fā)生，淹水脅迫常常影響植物的生長發(fā)育，過多的水分阻礙了植物與大氣環(huán)境間的氣體交換，造成植物受淹組織缺氧，嚴(yán)重影響植物的生理代謝，使其產(chǎn)量和品質(zhì)逐漸降低，甚至造成絕產(chǎn)或大面積死亡。植物遭受澇害后，會積極調(diào)整自身形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理代謝，緩解澇害產(chǎn)生的不良影響，減少澇害損失。不同植物種類及品種對澇害的適應(yīng)能力差異很大，耐澇性、淹水深度及淹水持續(xù)時(shí)間也對植物具有重要的影響。

西瓜（L.）是深受中國消費(fèi)者喜愛的水果之一，同時(shí)也是重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物。西瓜屬于葫蘆科作物，起源于非洲，屬于耐旱性植物，對淹水非常敏感，缺乏有效的耐淹防御機(jī)制。研究表明作物在淹水逆境條件下，生理生化代謝會產(chǎn)生變化來適應(yīng)不良環(huán)境。劉文革等通過對西瓜幼苗在淹水脅迫下的葉片形態(tài)變化、細(xì)胞保護(hù)酶（SOD，POD）活性、可溶性蛋白質(zhì)（PRO）含量、膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）含量等生理生化指標(biāo)的變化進(jìn)行研究，為西瓜育種技術(shù)提供理論依據(jù)。2008 年陳傳紅等通過試驗(yàn)測定西瓜幼苗在淹水脅迫條件下的葉片形態(tài)變化、細(xì)胞保護(hù)酶（SOD、POD）活性及可溶性蛋白質(zhì)（PRO）、還原糖、游離脯氨酸含量等生理生化指標(biāo)來探索西瓜遇淹水時(shí)的生理變化情況，結(jié)果表明，隨著幼苗生長，POD 活性表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢；SOD 活性表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，還原糖含量表現(xiàn)出先上升后下降再上升的趨勢；脯氨酸含量則呈現(xiàn)升-降-升的變化趨勢。筆者前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明，不同倍性西瓜品種間抗逆性差異較大，對水分的耐受性不同，不同的生長發(fā)育階段、不同水分脅迫強(qiáng)度及脅迫時(shí)間對西瓜的生長發(fā)育、生理過程均有不同的影響，通過研究不同倍性西瓜幼苗在淹水脅迫條件下的葉片色素、光合作用、電導(dǎo)率和根系活力的變化，以期闡明西瓜植株的耐淹機(jī)制，為西瓜育種以及西瓜在多雨地區(qū)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為蜜枚的3 個(gè)同基因型不同倍性西瓜品種，分別為蜜枚二倍體（M2x）、蜜枚三倍體（M3x）、蜜枚四倍體（M4x），均由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所選育，種子成熟、飽滿、大小均一，純度≥98%，凈度≥99%，發(fā)芽率≥95%。

1.2 方法

1.2.1 種子處理與育苗 2020 年5—6 月，試驗(yàn)在鄭州果樹研究所南地玻璃溫室進(jìn)行。西瓜種子播種前1 d，種子破殼后用冷水浸泡3 h，置于34 ℃的恒溫種子培養(yǎng)箱中催芽1～2 d，種子萌發(fā)率達(dá)70%左右即可播種。出芽后播于裝有育苗基質(zhì)（拌有多菌靈）的穴盤（32 孔，外形540 mm×280 mm，上口徑60 mm，底部28 mm，深度53 mm）中，置于晝（26±1）℃/夜（23±1）℃玻璃溫室中，光照12 h 進(jìn)行幼苗培養(yǎng)。出芽后每天噴水1 次，當(dāng)幼苗長到4 葉1 心時(shí)待用。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 選取長勢基本一致的幼苗進(jìn)行淹水套盆處理，將種植幼苗的穴盤放入長方形塑料箱（外尺寸：長595 mm，寬490 mm，高350 mm）進(jìn)行淹水試驗(yàn)：半淹水處理（T1）為水面超過西瓜根部基質(zhì)約1 cm；全淹水處理（T2）為水面剛淹過西瓜生長點(diǎn)；CK 為正常生長處理。注意每天及時(shí)補(bǔ)充散失的水分，確保處理所需的水面高度不變，分別在淹水1、3、5、7 d 時(shí)取樣，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，不同倍性的植株每個(gè)處理50 株，3 次重復(fù)，共450 株。

1.2.3 測定指標(biāo)與方法 光合參數(shù)測定：用光合作用測定儀（CIRAS-3，漢莎科學(xué)儀器有限公司）在09：00—11：00 測定凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO濃度。

葉綠素含量測定：將采回不同倍性的葉子洗凈擦干，除去葉脈，稱取約0.2 g，剪碎放入25 mL 試管中，加入10 mL 95%乙醇，封口，置于暗處過夜浸提，待葉子完全變白后，用紫外分光光度計(jì)（TU-1900雙光束紫外可見分光光度計(jì)）測定663、645、470 nm波長下的光密度值，每個(gè)處理3 次重復(fù)。

葉綠素含量（，后同）/（mg·g）=色素濃度×提取液體積/葉片鮮質(zhì)量。

質(zhì)膜透性的測定：選取新鮮的葉片，用蒸餾水洗凈、擦干，去除葉脈，稱取0.3 g 剪碎，放入50 mL試管中，加入20 mL 蒸餾水，浸沒葉片，封口，靜置24 h，靜置過程中搖晃4～5 次，用電導(dǎo)儀（DDSJ-308F型電導(dǎo)率儀，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）測定溶液電導(dǎo)率，測完之后放到100 ℃的水浴鍋中水浴30 min，以殺死植物組織，取出后冷卻，測其煮沸后溶液的電導(dǎo)率，每個(gè)處理3 次重復(fù)。

電導(dǎo)傷害率/%=處理電導(dǎo)率/煮沸后的電導(dǎo)率×100。

根系活力的測定：取根尖樣品放入小燒杯中，加入0.4%TTC 溶液和1/15 PBS 各5 mL，黑暗條件下37 ℃保溫，然后加1 moL·L硫酸2 mL 終止反應(yīng)。取出材料，濾紙吸干后，加入乙酸乙酯研磨，取紅色浸提液，用乙酸乙酯定容至10 mL，用分光光度計(jì)（TU-1900 雙光束紫外可見分光光度計(jì)）測定OD值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2007 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖。使用SPASS 20.0 進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 淹水脅迫對不同倍性的西瓜幼苗的外部形態(tài)的影響

在淹水脅迫當(dāng)天，西瓜幼苗葉片為灰綠色；3 個(gè)倍性的西瓜幼苗全淹水處理3 d 后，將穴盤的西瓜幼苗拿出長方形塑料箱，解除脅迫，植株出現(xiàn)短暫的萎蔫，之后植株可以恢復(fù)正常，但植株下面的葉子變黃；全淹水處理5 d 后，解除脅迫，蜜枚二倍體和三倍體幼苗在前2 h 內(nèi)觀察正常，2 h 后出現(xiàn)萎蔫，之后不能恢復(fù)正常，蜜枚四倍體的幼苗頂端葉片能夠恢復(fù)正常（圖1）；全淹水處理7 d 后，解除脅迫，三種西瓜幼苗都萎蔫，不同倍性幼苗均不能恢復(fù)正常。半淹水處理7 d 后，不同倍性幼苗均可正常生長。

圖1 蜜枚三個(gè)倍性西瓜幼苗全淹5 d 解除脅迫后的情況

2.2 淹水脅迫對不同倍性西瓜幼苗光合作用的影響

圖3 淹水脅迫對蜜枚不同倍性西瓜幼苗氣孔導(dǎo)度的影響

圖4 淹水脅迫對蜜枚不同倍性西瓜幼苗凈光合速率的影響

圖5 淹水脅迫對蜜枚不同倍性西瓜幼苗蒸騰速率的影響

由圖2～5 可知，T1 半淹水處理的蜜枚二倍體和三倍體的胞間CO濃渡呈先升后降再升高的趨勢，蜜枚四倍體的胞間CO濃度隨淹水脅迫天數(shù)的增加而逐漸上升，T2 全淹水處理的3 個(gè)倍性的幼苗胞間CO濃度隨淹水脅迫天數(shù)的增加而逐漸上升；T1半淹水處理的蜜枚二倍體的氣孔導(dǎo)度在1～3 d 比CK 顯著上升，到3 d 達(dá)到最高，為238 μmol·m·s，T2全淹水處理的3 個(gè)倍性的幼苗氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率隨著淹水脅迫天數(shù)增加而逐漸上升；T1 半淹水處理的蜜枚二倍體和三倍體幼苗蒸騰速率隨著淹水脅迫的天數(shù)增加出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中，蜜枚四倍體出現(xiàn)先降低后上升的趨勢；T1 和T2 處理的3 個(gè)倍性的幼苗凈光合速率隨著淹水脅迫的天數(shù)增加而都出現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

圖2 淹水脅迫對蜜枚不同倍性西瓜幼苗胞間CO2濃度的影響

2.3 淹水脅迫對不同倍性西瓜幼苗葉綠素含量的影響

由圖6 可知，隨著淹水時(shí)間的延長，蜜枚3 個(gè)倍性材料的葉綠素含量總體上都是在處理前3 d 逐漸增加，隨后開始降低；其中，在T1 半淹水和T2 全淹水處理下，蜜枚二倍體處理3 d 葉綠素含量最高。

圖6 淹水脅迫對蜜枚不同倍性西瓜幼苗葉綠素含量的影響

2.4 淹水脅迫對不同倍性西瓜幼苗質(zhì)膜透性的影響

由圖7 可知，在T2 全淹水處理下不同倍性的蜜枚在處理1 d 時(shí)比CK 顯著下降之后上升，但在處理7 d 又開始下降。其中，在T1 半淹水處理下，蜜枚四倍體處理5 d 時(shí)的電導(dǎo)傷害率要明顯高于其他時(shí)間的處理；在T2 全淹水處理下，不同倍性蜜枚處理5 d 時(shí)的電導(dǎo)傷害率要明顯高于其他處理。

圖7 淹水脅迫對蜜枚不同倍性西瓜幼苗質(zhì)膜透性的影響

2.5 淹水脅迫對不同倍性西瓜幼苗根系活力的影響

由圖8 可知，在T1 半淹水處理下不同倍性蜜枚西瓜幼苗的根系活力先是呈下降趨勢，在處理3 d時(shí)根系活力上升后又開始下降；在T2 全淹水處理下，不同倍性蜜枚的根系活力均呈下降趨勢。其中，在T1 半淹水處理下蜜枚四倍體處理7 d 時(shí)的根系活力低于其他倍性；在T2 全淹水處理下，蜜枚四倍體處理7 d 時(shí)的根系活力高于其他倍性。

圖8 淹水脅迫對蜜枚不同倍性西瓜幼苗根系活力的影響

3 討論與結(jié)論

在淹水脅迫條件下，植物為了適應(yīng)環(huán)境變化，會在形態(tài)和代謝方面發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整；并且淹水對許多植物的生長具有顯著的抑制作用。根系是受淹水脅迫傷害最直接的器官，地上部分傷害癥狀是由根系受傷害后引起的次級傷害，測定根系活力是反映植物根系抗逆性強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo)，能綜合地反映根系吸收、合成能力及呼吸作用。在淹水脅迫下，植物的根系活力一般呈下降趨勢，下降的原因可能是在淹水環(huán)境下自由基積累傷害了組織細(xì)胞。陳大清等研究表明，耐澇材料的根系活力顯著高于不耐澇材料；劉華山等研究表明，芝麻幼苗經(jīng)淹水處理后其根系活力低于對照，同時(shí)，隨著淹水時(shí)間的延長根系活力逐漸下降，且抗?jié)称贩N具有較高的根系活力；汪貴斌等研究表明，喜樹在受到淹水脅迫時(shí)，根系活力隨著淹水時(shí)間的増加不斷下降。筆者研究發(fā)現(xiàn)，在T1 半淹水處理下不同倍性蜜枚的根系活力在處理1 d 時(shí)都急劇下降，隨后又有所上升，這是因?yàn)楦祵ρ退捻憫?yīng)機(jī)制有所反應(yīng)，對逆境有了一定的適應(yīng)能力，3 d 后根系活力持續(xù)下降，在淹水后期幾乎接近于0。在T2 全淹水脅迫下，不同倍性的植株根系活力不斷下降，不同于半淹水脅迫下的先上升后下降趨勢。在處理1～7 d 蜜枚四倍體的根系活力都比相應(yīng)時(shí)間的三倍體和二倍體高，而隨著淹水時(shí)間的延長，四倍體的根系活力較強(qiáng)，由此可見，蜜枚四倍體根系的耐澇性相對于三倍體和二倍體具有一定的優(yōu)勢。

在淹水條件下，植物保持較高的光合速率和正常的光合特性是植物耐受淹水的重要原因之一。通過光合儀測定植株葉片胞間CO濃度和凈光合速率呈正相關(guān)關(guān)系，胞間CO濃度越高，凈光合速率越高；胞間CO濃度較高時(shí)，凈光合速率下降趨勢平緩；當(dāng)胞間CO濃度降至較低水平后，凈光合速率下降幅度明顯，甚至出現(xiàn)直線相關(guān)性，這種正相關(guān)說明凈光合速率的升高是胞間CO濃度升高的結(jié)果，是二者關(guān)系的規(guī)律性反映。在全淹水脅迫下，植物最早發(fā)生的變化是氣孔阻力，而較抗?jié)车闹参飫t表現(xiàn)為氣孔阻力隨淹水時(shí)間延長急劇上升，直至氣扎完全關(guān)閉。在本試驗(yàn)中，植株凈光合速率下降的原因可能是與全淹水條件下植株的葉片葉綠素含量下降、蒸騰作用受阻等有關(guān)，但其中，蜜枚四倍體相比較于三倍體和二倍體的氣孔導(dǎo)度小。

在各種不良的外部環(huán)境下，比如極端溫度、干旱、重金屬離子、淹水等都會影響植物細(xì)胞質(zhì)膜，使其受到不同程度的損傷，這種損傷一般表現(xiàn)在膜的透性變大，使細(xì)胞內(nèi)的電解質(zhì)外滲，引起外液的電導(dǎo)率增大。筆者測定了植株質(zhì)膜電導(dǎo)率，結(jié)果符合植物的抗逆性越強(qiáng)，植物細(xì)胞膜的傷害程度就越小，電導(dǎo)傷害率也越小的結(jié)論。

葉綠素是進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ)物質(zhì)，葉綠素含量、比例對葉片光合作用有著重要的影響；而在脅迫前期，葉綠素含量的升高是一種適應(yīng)行為，羅芳麗等和盧雪琴等也有同樣的報(bào)道；后期淹水脅迫逐漸使葉片葉綠素含量降低，葉片中的光合色素是葉片光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，環(huán)境因子的改變可以引起光合色素含量的變化，光合色素含量的高低在很大程度上反映了植物的生長狀況和葉片的光合能力。在本試驗(yàn)中，在全淹水脅迫下，蜜枚三倍體和四倍體植株葉綠素含量在逐漸下降，說明淹水脅迫對不同倍性西瓜幼苗的光合作用產(chǎn)生了負(fù)面影響；而蜜枚四倍體葉綠素含量比蜜枚三倍體下降慢，符合前人的研究結(jié)果——抗?jié)称贩N比不抗?jié)称贩N的葉綠素含量下降慢。

蜜枚不同倍性幼苗在全淹水條件下，隨著淹水時(shí)間的增加，光合色素含量、葉片的質(zhì)膜透性及根系活力都有下降趨勢，它們之間具有一定的相關(guān)性。在全淹水條件下，蜜枚四倍體較三倍體和二倍體的光合色素含量、葉片質(zhì)膜透性及根系活力下降更明顯，抗淹水性更強(qiáng)，耐淹水能力為蜜枚四倍體＞蜜枚三倍體＞蜜枚二倍體。