4種外源物質對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗生長生理的影響

楊 雨, 高新生, 陳艷麗, 劉金偉, 張旭陽, 王鈴鈺, 靳卓宇

(1.海南省熱帶園藝作物品質調控重點實驗室,海南大學園藝學院, 海口 570228;2.中國熱帶農業科學院橡膠研究所, 海口 570216)

有棱絲瓜(Luffaacutangular(Linn.)Roxb.),為葫蘆科絲瓜屬一年生攀緣草本植物,分為長綠型和大肉型兩類,其中大肉棱絲瓜果實脆嫩、味清爽口、營養豐富,是一種菜藥兼用的特色蔬菜,種植效益較好,具有較高的經濟價值[1]。大肉棱絲瓜喜溫懼寒,最適生長溫度為20～30 ℃,低于15 ℃時生長緩慢,低于10 ℃時生長受到抑制甚至出現冷害[2]。因此,大肉棱絲瓜在北方溫棚冬春季節不宜種植,但海南光熱資源豐富,具有利用季節差種植有棱絲瓜的獨特地域優勢[3]。近年來,在海南五指山以北地區,冬春季溫度低至8 ℃左右,對有棱絲瓜的產量和品質造成了很大影響,特別是冬春茬有棱絲瓜育苗時期的低溫脅迫對有棱絲瓜幼苗的生長發育造成不利影響[4]。

在農業生產中,為緩解低溫對植物造成的傷害,常采用的措施包括設施栽培、良種選育、噴施植物生長調節劑等。其中噴施外源物質最為常見,性價比最高,對緩解植物冷害具有重要的調節作用[5-6]。研究表明,褪黑素(MT)、抗壞血酸(AsA)、鈣(Ca)、硅(Si)這4種外源物質具有提高植物耐冷性的作用,緩解低溫傷害[7-10]。其中,MT是色氨酸的吲哚衍生物,作為一種良好的抗氧化劑,可清除內源自由基,提高植物對低溫脅迫的抵御能力[11],已在黃瓜[12]、甜瓜[13]、番茄[14]等蔬菜作物得到證明。而AsA、Ca和Si噴施對提高植物抗冷性的效果也有報道。王寧等[15]研究表明,在植株上施用人工合成的AsA能控制脂質過氧化,降低脅迫植株中MDA含量。劉曉輝[16]研究表明,在西瓜幼苗葉片上噴施一定濃度外源AsA可以顯著提高葉片抗氧化酶的活性,減少活性氧(ROS)的積累,緩解低溫脅迫對其造成的傷害。李天來等[17]研究表明,在薄皮甜瓜上噴施外源Ca能夠明顯提高甜瓜株高、莖粗、果實橫徑、縱徑和葉片的保護酶活性,同時降低O2·-產生速率,增強植株對亞低溫脅迫的耐受性。陳德偉等[18]研究表明,外源CaCl2可提高植物抗氧化酶活性,保護細胞膜免受冷害傷害,減少MDA的累積,提高植物對低溫的耐受性。劉月等[19]認為,Si對提高植物的抗冷性有顯著作用。郭樹勛等[20]研究表明,外源Si可通過保持抗氧化酶系統穩定運行,緩解活性氧積累,降低膜脂過氧化程度,維持細胞膜的完整性,進而增強番茄對低溫脅迫的抵御能力。

近年來,外源物質對低溫脅迫下植物耐冷性的影響已有報道,但針對大肉棱絲瓜耐冷性的研究較少。因此,為尋找增強海南大肉棱絲瓜耐冷性的新方法,本研究選用MT、AsA、Ca、Si等4種能夠增強植物耐冷性的外源物質,在前人研究的基礎上,對低溫脅迫下的大肉棱絲瓜進行噴施處理,綜合比較低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗生長、抗氧化系統及光合作用,比較噴施效果,為生產上緩解低溫逆境對大肉棱絲瓜生長的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2021年11月至2022年4月在中國熱帶農業科學院橡膠研究所新品種培育實驗室進行。供試大肉棱絲瓜品種為華玉1號,外源物質MT、AsA、CaCl2、Na2SiO3·9 H2O為粉劑,購于海南科貿生物科技有限公司。

1.2 試驗設計

選取籽粒飽滿、大小一致的大肉棱絲瓜種子,55 ℃熱水浸泡10 min,冷卻至室溫浸種4 h,之后外裹濕毛巾置于人工氣候箱(30±1)℃條件下催芽,露白后將種子播種于育苗杯中,置25 ℃恒溫育苗室育苗,相對濕度為60%,光照強度為400 μmol/(m2·s),光周期為晝12 h/夜12 h。

大肉棱絲瓜幼苗長至2葉1心時,挑選出體態勻稱、長勢一致的大肉棱絲瓜幼苗,平均分設6個處理,分別為:RTCK(25 ℃常溫清水)、LTCK(8 ℃低溫清水)、MT組(100 μmol/L MT)、AsA組(50 mg/L AsA)、Ca組(12 mmol/L CaCl2)、Si組(1.7 mmol/L Na2SiO3·9 H2O),之后對每組幼苗的葉片進行噴施處理,每天噴1次,以葉片全部濕潤為宜,連噴3 d后將常溫對照置于25 ℃光照培養箱,其他5組處理置于8 ℃光照培養箱,相對濕度為60%,光照強度為400 μmol/(m2·s),光周期為晝12 h/夜12 h,每處理30株,重復3次。3 d后測定大肉棱絲瓜幼苗的生長生理指標。

1.3 測定指標及方法

用直尺測量株高,用游標卡尺測量莖粗,用千分之一天平稱量大肉棱絲瓜幼苗的干鮮重,根據公式計算出壯苗指數[21],采用電導率儀法測定相對電導率[22],采用TTC染色法測定根系活力[22]。

冷害指數(CI)=∑(n×Sn)/(處理株數×最高冷害級別),式中,n為冷害級別,Sn為對應冷害級別的幼苗株數。

采用NBT還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性[22],采用紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性[22],采用愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[22],采用硫代巴比妥酸比色法測定丙二醛(MDA)含量[22],采用酸性茚三酮比色法測定游離Pro含量[22],采用考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白含量[22],采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[22],葉綠素含量的測定參考王學奎[23]的方法。每個處理30株幼苗,重復3次。

1.4 運用隸屬函數法對大肉棱絲瓜幼苗進行綜合評價

不同外源物質對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗綜合評價應用隸屬函數法。采用模糊數學的隸屬函數計算不同外源物質處理各相關指標的隸屬度。隸屬函數值越大,說明緩解效果越佳。隸屬函數公式:

X(μ)=(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin),其中,Xi為各處理第i個指標測定值,Ximax為第i個指標測定值的最大值,Ximin為第i個指標測定值的最小值。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 23軟件進行數據處理和分析。

2 結果與分析

2.1 4種外源物質對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗形態指標的影響

由表1可知,與25 ℃常溫對照相比,8 ℃低溫處理下的大肉棱絲瓜幼苗鮮重顯著降低,壯苗指數下降,受冷害嚴重;而噴施特定濃度的4種外源物質均可緩解低溫對大肉棱絲瓜幼苗造成的傷害。8 ℃低溫條件下,AsA處理組的大肉棱絲瓜幼苗株高顯著高于MT處理組和對照組,其中高于對照10.51%,其他外源物質處理組與對照組差異不顯著;各外源物質處理組幼苗莖粗和地上部鮮重均高于對照組;地下部鮮重方面,AsA、Ca處理組最高,顯著高于MT處理組和對照組;地上部干重方面,Si處理組顯著高于Ca處理組和對照組,與MT和AsA處理組差異不顯著;地下部干重方面,4組外源物質處理組均與低溫對照組差異顯著,分別高于低溫對照22.86%,77.14%,57.14%,40%;壯苗指數方面,AsA、Ca處理組與對照組差異顯著,分別高于對照25.13%,17.37%;冷害指數方面,MT、AsA、Ca、Si處理組與低溫對照組差異顯著,分別低于對照12.05%,8.15%,10.70%,14.53%。

表1 4種外源物質對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗生長的影響Table 1 Effects of the four exogenous substances on the growth of Luffa acutangular (Linn.) Roxb. seedlings under cold stress

2.2 4種外源物質對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗抗逆指標的影響

由表2可知,與常溫對照相比,8 ℃低溫處理下的大肉棱絲瓜幼苗相對電導率顯著升高,MDA、Pro含量增加,可溶性蛋白和可溶性糖含量顯著增加。低溫條件下,噴施一定濃度外源物質的處理組葉片相對電導率均高于低溫對照組,其中AsA、Ca處理組相對電導率最低,與對照組差異顯著,與MT和Si處理組差異不顯著;MT、AsA、Ca處理組MDA含量最低,分別低于低溫對照組8.76%,5.18%,10.23%。

表2 4種外源物質對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗抗逆指標的影響Table 2 Effects of four exogenous substances on resistance indexes of Luffa acutangular (Linn.) Roxb. seedlings under cold stress

低溫條件下,Si處理組可溶性蛋白含量最高,與MT、AsA、Si處理組差異不顯著,與低溫對照組差異顯著,高于低溫對照組25.07%;AsA、Si處理組可溶性糖含量顯著高于其他處理組,與對照組相比分別增長17.45%,27.52%;MT、AsA、Si處理組Pro含量最高,與對照組和Ca處理組差異顯著,分別高于對照56.49%,50.42%,46.54%。

2.3 4種外源物質對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗葉片中抗氧化酶活性的影響

由圖1可知,與常溫對照相比,低溫條件下大肉棱絲瓜幼苗SOD、CAT、POD活性顯著增加。低溫條件下,各外源物質處理組能顯著提高幼苗葉片的SOD、CAT、POD活性。其中,AsA處理組SOD活性最高,高于低溫對照28.27%;MT、AsA、Ca、Si處理組CAT活性差異不顯著,與低溫對照組差異顯著,分別高于對照5.23%,5.05%,4.99%,8.45%;AsA、Ca、Si處理組POD活性差異不顯著,與MT和低溫對照組差異顯著。由此可見,低溫環境下葉面噴施100 μmol/L MT、50 mg/L AsA、12 mmol/L CaCl2、1.7 mmol/L Na2SiO3·9 H2O能夠提高大肉棱絲瓜幼苗的SOD、CAT、POD活性,減弱低溫下葉片膜脂過氧化作用。

注:不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。圖1 4種外源物質對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗葉片中抗氧化酶活性的影響Fig.1 Effects of four exogenous substances on antioxidant enzyme activities in leaves of Luffa acutangular (Linn.) Roxb. seedlings under cold stress.

2.4 不同外源物質對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗根系活力和光合色素含量的影響

由表3可知,與常溫對照相比,低溫下大肉棱絲瓜幼苗葉片根系活力,葉綠素a,葉綠素b含量以及葉綠素a+葉綠素b含量均顯著降低。低溫條件下,噴施一定濃度外源物質的處理組,根系活力均高于低溫對照組,其中AsA、Ca、Si處理組根系活力與MT和對照組差異顯著,分別高于對照組40.55%,46.08%,37.61%;MT、AsA、Si處理組葉綠素a含量均高于低溫對照組;AsA、Ca處理組葉綠素b含量和葉綠素a+葉綠素b含量最高,顯著高于低溫對照組,其中葉綠素b含量分別比對照提高34.75%,29.71%,葉綠素a+葉綠素b含量分別比對照提高23.40%,15.60%。

表3 不同外源物質對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗根系活力和光合色素含量的影響Table 3 Effects of different exogenous substances on root activity and photosynthetic pigments of Luffa acutangular (Linn.) Roxb. seedlings under cold stress.

2.5 不同外源物質對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗緩解效應的綜合評價

以單一指標評價大肉棱絲瓜緩解效應,難以客觀真實地反映其本質屬性,而平均隸屬度可以綜合反映各處理緩解效果。本研究采用隸屬函數值綜合評價方法,對不同外源物質處理低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗緩解效應的20個指標進行綜合分析。結果(表4)表明,AsA處理組隸屬平均值最高,說明4組處理中,50 mg/L AsA對低溫下大肉棱絲瓜的緩解效果最好,其次是Si、Ca、MT處理組。

表4 各項指標的隸屬函數值及不同處理的綜合排名Table 4 Membership function values of each indicator and comprehensive ranking of the different treatments

3 討 論

3.1 4種外源物質對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗形態及根系活力的影響

低溫脅迫對植物最直觀的影響表現在外部形態上,低溫脅迫下植物分生組織細胞膨壓降低,細胞分裂速度減慢或停止,同時細胞伸長受到抑制,生長速度明顯減慢[24]。陳瑤瑤等[25]研究表明,適宜濃度的外源物質能有效增強植物幼苗的株高、莖粗、鮮質量和干質量,促進壯苗的培育。朱恒達等[26]研究表明,噴施MT顯著增加了黃瓜幼苗株高和莖粗,促進了低溫下幼苗的生長,緩解了低溫對幼苗的傷害。本研究結果表明,與常溫對照相比,低溫下大肉棱絲瓜幼苗的干鮮重、壯苗指數以及根系活力顯著降低,說明低溫抑制大肉棱絲瓜幼苗的生長,植株生長緩慢。噴施外源物質的大肉棱絲瓜幼苗的莖粗、干鮮重均高于低溫對照組,其中AsA處理組植株莖粗最粗;地上部干鮮重最高,且顯著高于其他處理組;AsA、Ca和Si處理組冷害指數最低;AsA和Ca處理組壯苗指數和根系活力最高,且均與低溫對照組差異顯著,說明一定濃度的AsA、CaCl2、Na2SiO3·9 H2O能夠緩解低溫對大肉棱絲瓜造成的傷害,這與阮淑潔等[27]和唐寬強等[28]在番茄上的研究效果一致。

3.2 4種外源物質對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗膜脂過氧化的影響

低溫等逆境條件下,植物細胞中自由基和活性氧的產生及清除的平衡狀態被破壞,自由基積累致使細胞膜系統首先遭受傷害,造成膜脂過氧化,膜結構被破壞,細胞膜透性和MDA含量可以反映植物細胞質膜的損傷程度,SOD、CAT、POD作為植物酶促防御系統中清除自由基的重要酶之一,在減輕細胞膜脂過氧化和穩定膜結構方面也起到重要作用[29-31]。丁東霞等[32]研究表明,葉面噴施外源物質能夠降低低溫脅迫下辣椒葉片電導率以及超氧陰離子含量,提高葉片抗氧化能力,從而增加植株的抗逆性。楊慶賀和鄭成淑[33]研究表明,外源AsA、CaCl2和AsA+CaCl2處理可通過提高抗氧化劑AsA水平,減少了H2O2對植物的氧化損傷,提高了菊花抗低溫弱光性。本實驗中,低溫下大肉棱絲瓜幼苗葉片中的電導率、MDA、SOD、CAT、POD活性較常溫對照組顯著升高。其中AsA和Ca處理組大肉棱絲瓜葉片電導率最低,與低溫對照組差異顯著;AsA處理組MDA含量最低;各外源物質處理組SOD活性均顯著高于低溫對照組,其中以AsA處理組最高;各外源處理組CAT活性均升高,且以Si處理組最高;AsA、Ca和Si處理組POD活性顯著高于MT和低溫對照組。以上結果說明噴施一定濃度的AsA、CaCl2、Na2SiO3·9 H2O能夠降低葉片電導率、MDA含量,從而降低細胞膜的破壞程度,通過增加幼苗葉片中SOD、CAT、POD的活性,避免活性氧等各種自由基的大量積累,減輕膜脂過氧化作用,與幼苗的耐冷性呈正相關,這與陳小鳳等[34]在苦瓜苗期上的研究結果一致。

3.3 4種外源物質對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗滲透調節物質的影響

低溫脅迫下,某些植物會在細胞內積累可溶性糖、可溶性蛋白和Pro等滲透調節物質,以調節滲透勢,維持膨壓及其原有代謝過程[35]。吳燕等[8]研究表明,外源MT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。本研究表明,與常溫對照相比,低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗葉片Pro含量升高,可溶性蛋白和可溶性糖含量顯著升高。其中AsA、Si處理組葉片可溶性糖、可溶性蛋白、Pro含量均顯著高于低溫對照組,說明噴施50 mg/L AsA、1.7 mmol/L Na2SiO3·9 H2O能夠提高低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗的滲透調節物質積累水平,對葉片膜結構和功能的穩定起到積極的保護作用,并提高大肉棱絲瓜幼苗的耐冷性,這與郭樹勛等[20]在番茄幼苗上的研究結果一致。

3.4 4種外源物質對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗光合色素含量的影響

低溫逆境條件下,植物的葉綠素生物合成量減少,葉綠素發生降解,同時光合作用也受到抑制[36]。李恭峰等[37]研究表明,葉面噴施適宜濃度外源物質能顯著促進植株生長和葉片光合作用。李進等[38]研究表明,噴施α-萘乙酸鈉等4種外源物質,可提高棉花的葉綠素和類胡蘿卜素含量,從而提高棉花抗低溫能力。本研究結果表明,低溫條件下,MT、AsA、Si處理組葉綠素a含量高于低溫對照組;MT、AsA、Ca、Si處理組葉綠素b和葉綠素a+葉綠素b含量顯著高于對照組,說明噴施一定濃度的外源物質能夠減緩葉片中葉綠素的降解,且以噴施100 μmol/L MT和1.7 mmol/L Na2SiO3·9 H2O的效果最好,這與吳燕等[8]和劉曉輝[16]在西瓜上的研究結果一致。

綜上所述,和常溫對照相比,低溫下大肉棱絲瓜幼苗的干鮮重、根系活力顯著降低,葉片中的SOD、CAT、POD活性、可溶性蛋白和可溶性糖含量顯著升高,葉綠素含量顯著下降,這些變化對大肉棱絲瓜幼苗的生長極為不利。低溫條件下,葉面噴施100 μmol/L MT、50 mg/L AsA、12 mmol/L CaCl2、1.7 mmol/L Na2SiO3·9 H2O能夠通過降低大肉棱絲瓜幼苗葉片的電導率、MDA含量,增加根系活力、抗氧化酶活性和滲透調節物質,提高大肉棱絲瓜幼苗的耐冷性,緩解低溫對大肉棱絲瓜的傷害。通過隸屬函數綜合分析比較,50 mg/L AsA對低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗緩解效果最好,其次是1.7 mmol/L Na2SiO3·9 H2O、12 mmol/L CaCl2和100 μmol/L MT。本研究結果為合理使用外源MT、AsA、Ca和Si提高低溫下大肉棱絲瓜幼苗耐冷性提供了理論基礎。