不同濃度海藻糖處理對西瓜幼苗低溫抗性的影響

賈藍溪，郭延亮，宋希梅，白如意，張 顯

（西北農林科技大學園藝學院 陜西楊凌 712100）

西瓜[Citrullus lanatus（Thunb.）]是我國的重要經濟作物之一，起源于熱帶與亞熱帶地區，對低溫反應敏感，最適生長溫度為20～32°C[1]。近年來，隨著種植技術水平的提升和種植團隊的專業化，我國的西瓜種植規模逐年擴大，有力提高了部分地區的農民收入水平。早春西瓜的種植效益高，是增收的重要方式，然而，伴隨季節而來的低溫凍害也對幼苗的生長帶來不利影響。在西北地區一般在3 月份進行早春大棚的西瓜定植，此時氣溫較低，會出現倒春寒的現象，無法達到西瓜健康生長的合適溫度，造成西瓜幼苗根系發育不良，根系活力下降，地上部生長受阻，葉片光合速率降低，進而影響西瓜后期的生長發育和產量品質。

溫度是植物生長和發育過程中的重要影響因素，低溫會對植物的生長發育、形態特性等造成不良影響，造成葉片萎蔫黃化、坐果率低，嚴重影響品質[2]。徐田軍等[3]研究表明，低溫脅迫會使植物光合效率降低，減緩植物的生長。王洪濤等[4]、王萍等[5]研究表明，低溫脅迫會使植物葉片細胞膜損傷，破壞細胞的結構及功能，使葉片相對電導率（REC）和丙二醛（MDA）含量增加。李晶等[6]研究表明，低溫脅迫下，植物細胞會產生大量自由基，而超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）可通過消除體內自由基，增強植物在逆境中的抗逆能力。和紅云等[7]、楊德光等[8]研究表明，低溫脅迫會使植物生長受阻，導致植株地上部、地下部干鮮質量下降。王克安等[9]、康俊梅等[10]研究表明，低溫脅迫會導致植株根系活力下降，降低根系吸收轉化營養物質的效率。

被譽為生命之糖的海藻糖（trehalose）通常在植物遭受逆境脅迫下產生[11]，有著獨特的抗脫水、抗凍和抗高滲保護功能[12-14]，在促進植物體抗寒性方面起著重大作用[15-16]。已有研究表明，低溫脅迫下，海藻糖處理使葉片電導率降低，地上、地下部干物質和葉片中的葉綠素含量增加，從而保證了水稻幼苗在脅迫環境下的抗逆能力[17]。黃瓜幼苗在低溫環境中，外源海藻糖會減少幼苗體內活性氧的過度積累，增強幼苗對溫度的適應性[13]。同樣在對冬小麥低溫下幼苗的抗寒性研究中發現，外源海藻糖能夠顯著提升作物的抗氧化水平，增強植株的抗寒能力[18]。關于海藻糖在西瓜低溫脅迫上的作用研究報道較少，因此筆者通過研究葉片噴施海藻糖對西瓜幼苗低溫抗性的影響，以期篩選出最適濃度，為生產中使用海藻糖提高西瓜耐冷性提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

供試西瓜品種為農科大五號，由西北農林科技大學西甜瓜課題組提供，該品種為早熟品種，果實圓形，單瓜質量6 kg 左右，生育期92～95 d，果實發育期28～30 d，適宜在陜西省及同類生態區早春設施西瓜種植區種植；供試海藻糖為德州匯洋生物科技有限公司生產（海藻糖含量≥98%）；供試基質由楊凌裕豐種業有限公司提供。

1.2 試驗設計

試驗共設6 個處理：常溫對照CK，0、5、10、15、20 mmol·L-1海藻糖，各個處理見表1。2022 年7 月于西北農林科技大學科研溫室采用50 孔穴盤育苗，待西瓜幼苗1 葉1 心時移栽至10 cm × 10 cm營養缽中，其間注意水分管理。在2 葉1 心時進行葉面噴施處理，以葉面凝成水滴卻不滴下為標準，間隔7 d 后再次進行葉面噴施處理，處理結束后于低溫培養箱中進行培養（10 ℃/7°C），每個處理15株，3 次重復。低溫處理7 d 后進行表型拍照，測定干鮮質量、PSII 最大光化學效率、葉片相對電導率。采集第2 片真葉放入液氮中速凍后儲存于超低溫冰箱，用于后續生理指標的測定。

表1 試驗設計Table 1 Experiment design

1.3 測定方法

各處理按隨機取樣法選取西瓜植株3 株進行指標測定，各指標均重復測定3 次，取平均值。除根系活力、鮮質量和干質量外，其余指標的測定葉為第2 片真葉。Fv/Fm（PSII 最大光化學效率）的測定使用便攜式調制葉綠素熒光儀（德國WALZ 公司生產），測定前需要將西瓜幼苗暗適應30 min；葉片相對電導率的測定采用Zhou 等[19]的方法；丙二醛含量的測定采用TBA 比色法[20]；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑（NBT）還原法測定[20]；過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚顯色法測定[20]；根系活力的測定采用TTC 法[21]；鮮質量和干質量的測定方法為洗凈擦干植株，用電子天平稱取鮮質量，再放入80 ℃恒溫烘箱中烘干48 h 后取出，稱取干質量。

1.4 數據分析

采用IBM SPSS 2019 數據處理系統對試驗數據進行統計分析，使用EXCEL 2019 軟件作圖，利用Duncan 檢驗方法確定各處理之間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 海藻糖處理對低溫脅迫下西瓜幼苗表型的影響

由圖1 可知，正常溫度下西瓜幼苗生長健壯，葉片舒展，低溫脅迫會使得西瓜幼苗葉片卷曲、萎蔫、葉柄彎曲。與T1 處理相比，T2～T5 處理西瓜幼苗后，降低了葉片的萎蔫程度，其中T4 處理葉片萎蔫程度最低，緩解了低溫對西瓜幼苗葉片的傷害。

圖1 低溫條件下不同濃度海藻糖處理對西瓜幼苗表型的影響Fig.1 Effects of different concentrations of trehalose on the phenotype of watermelon seedlings at low temperature

2.2 海藻糖處理對低溫脅迫下西瓜幼苗葉片PSII最大光化學效率的影響

由圖2 可知，低溫脅迫下，西瓜幼苗葉片中的PSII 最大光化學效率顯著降低。與T1 處理相比，T2、T4、T5 處理西瓜幼苗葉片中的PSII 最大光化學效率無顯著差異；而T3 處理與T1 處理相比，最大光化學效率顯著提高了9.77%。

圖2 低溫脅迫下不同濃度海藻糖處理對西瓜幼苗PSII最大光化學效率的影響Fig.2 Effects of different concentrations of trehalose on the maximum photochemical efficiency of watermelon seedlings PSII at low temperature

2.3 海藻糖處理對低溫脅迫下西瓜幼苗葉片電導率和丙二醛含量的影響

由圖3-A 可知，低溫脅迫下西瓜幼苗葉片相對電導率顯著上升。與T1 處理相比，T2、T3、T5 處理西瓜幼苗葉片相對電導率沒有顯著差異；而T4 處理與T1 處理相比，葉片相對電導率顯著降低了23.01%。由圖3-B 可知，低溫脅迫下西瓜幼苗葉片丙二醛含量顯著上升。與T1 處理相比，T5 處理西瓜幼苗葉片丙二醛含量沒有顯著差異，而T2、T3、T4 處理顯著降低了西瓜葉片丙二醛含量，分別降低了18.36%、24.24%和25.32%。

圖3 低溫脅迫下不同濃度海藻糖處理對西瓜幼苗相對電導率和丙二醛含量的影響Fig.3 Effects of different concentrations of trehalose on the content of REC and MDA of watermelon seedlings at low temperature

2.4 海藻糖處理對低溫脅迫西瓜幼苗抗氧化酶活性的影響

由圖4-A～B 可知，低溫脅迫下西瓜幼苗葉片抗氧化酶活性提高。與T1 處理相比，T4 處理顯著提升了西瓜幼苗葉片SOD、POD 活性，分別提高了36.29%和43.65%；而T2、T3、T5 處理西瓜幼苗葉片抗氧化酶活性與T1 處理相比無顯著差異。

圖4 低溫脅迫下不同濃度海藻糖處理對西瓜幼苗抗氧化酶活性的影響Fig.4 Effects of different concentrations of trehalose on the autioxidant enzyme activities of watermelon seedlings at low temperature

2.5 海藻糖處理對低溫脅迫下西瓜幼苗干鮮質量的影響

由圖5-A～D 可知，低溫脅迫會使西瓜幼苗地上部鮮質量顯著降低，與T1 處理相比，T2～T5 處理能顯著提高西瓜幼苗地上部鮮質量，分別提高了30.05%、50.58%、89.20%和40.61%；在地上部干質量方面，與T1 處理相比，T2、T3 處理沒有顯著差異，而T4、T5 處理顯著提高了地上部干質量，分別提高了80.35%和63.65%；在地下部鮮質量方面，與T1 處理相比，T2、T5 處理沒有顯著差異，而T3、T4 處理顯著提高了地下部鮮質量，分別提高了117.28%和166.95%；在地下部干質量方面，與T1 處理相比，T2、T5 處理沒有顯著差異，而T3、T4 處理顯著提高了西瓜幼苗地下部干質量，分別提高了40.26%和107.61%。

圖5 低溫脅迫下不同濃度海藻糖處理對西瓜幼苗干鮮質量的影響Fig.5 Effects of different concentrations of trehalose on dry and fresh weight of watermelon seedlings at low temperature

2.6 海藻糖處理對低溫脅迫下西瓜幼苗根系活力的影響

由圖6 可知，與CK 相比，低溫脅迫下，除T3、T4 處理外，西瓜幼苗的根系活力顯著下降。與T1處理相比，T2、T5 處理對提高西瓜幼苗根系活力無顯著影響；而T3、T4 處理顯著提升了西瓜幼苗的根系活力，分別提高了66.30%和127.21%。

圖6 低溫脅迫下不同濃度海藻糖處理對西瓜幼苗根系活力的影響Fig.6 Effects of different concentrations of trehalose on the root viability of watermelon seedlings at low temperature

3 討論與結論

低溫會造成西瓜幼苗根系損傷、根系活力下降，葉片光合速率降低，使幼苗生長受阻、葉片萎蔫，甚至死亡，造成西瓜品質和產量下降[22]。有研究表明，海藻糖可以顯著提高植物體SOD 等酶活性，使細胞干物質增加，并使植物相對電導率減少，保持根系細胞膜結構的穩定，減少對根系的傷害，從而提高植物對低溫的抵抗能力[23]。

植物能通過葉綠體進行光合作用，而處在低溫環境中，植物葉片中葉綠體結構可能無法維持其完整性，從而影響光合進程，使植物正常生長發育受阻[24]。周建等[25]研究發現，低溫下植物幼苗PSII 最大光化學效率明顯下降。楊芬芬等[26]研究發現，低溫脅迫顯著抑制了葉片的光合能力，通過噴施適宜濃度的海藻糖，可以提高光合作用能力，說明在低溫下適宜濃度的海藻糖處理在恢復植物的光合作用方面有著較好的效果，這與筆者的研究結果一致。在本試驗中，低溫脅迫下，西瓜葉片中PSII 最大光化學效率顯著降低。與T1 處理相比，T3 處理能顯著提高西瓜葉片的PSII 最大光化學效率，提高了9.77%。

植物體在受到低溫脅迫后，積累的大量活性氧可能造成膜脂過氧化，而丙二醛則是過氧化的主要產物[4]，同時膜透性的提高和胞內電解質的外滲也會引起相對電導率的上升[27]。已有研究表明，植物幼苗在遭遇低溫脅迫時，海藻糖能減輕植物細胞膜結構所受的影響，使細胞內電解質滲透率和葉片相對電導率明顯降低[17]，這與筆者的試驗結果一致。在本試驗中，在葉面噴施不同濃度海藻糖后，與T1處理相比，T4 處理顯著降低了西瓜幼苗葉片的相對電導率，T2～T4 處理能顯著降低西瓜幼苗葉片丙二醛含量，分別降低了18.36%、24.24%和25.32%。

對于植物細胞而言，處在逆境環境中會加快胞內活性氧生成的速度，而過量的活性氧會損害細胞膜。有些酶如POD、SOD 等則可通過消除體內自由基，從而增強植物在逆境中的抗逆能力[6]。崔瑩等[28]研究表明，低溫脅迫下，葉片噴施海藻糖減少了植物葉片活性氧的相對含量，顯著提高了POD 等抗氧化酶活性，這與筆者的研究結果一致。在本試驗中，低溫脅迫下西瓜幼苗葉片抗氧化酶活性提高。與T1 處理相比，T4 處理能顯著提升西瓜幼苗葉片SOD、POD 活性，分別提高了36.29%和43.65%。

低溫脅迫會對植株地上部和地下部的干鮮質量產生影響，前人的研究顯示，在低溫條件下，海藻糖處理可以使幼苗地下部干質量增加，增強幼苗的抗逆轉能力[23]，這與筆者的研究結果一致。在本試驗中，與T1 處理相比，T4 處理顯著增加了西瓜幼苗干鮮質量，且效果最好，其中地上部鮮質量增加了89.20%，干質量增加了80.35%；地下部鮮質量增加了166.95%，干質量增加了107.61%。

根系活力體現了植物根系在吸收營養物質、調節代謝等方面的能力，直接影響植株的抗逆性和地上部的生長量[29]。魏文婧等[30]研究結果表明，隨著溫度的下降，植物根系活力明顯下降。張鈺欽等[31]研究發現，海藻糖處理能夠提高植物根系活力，更有利于幼苗的生長，這與筆者的研究結果一致。在筆者的試驗中，與T1 處理相比，T3、T4 處理能顯著提升西瓜幼苗的根系活力，其中T4 處理效果最顯著，提高了127.21%。

綜上所述，低溫脅迫下，葉面噴施適宜濃度的海藻糖可以提高西瓜幼苗的光合作用能力，減少低溫對細胞膜的傷害，提高抗氧化酶活性和根系活力，促進了西瓜幼苗生長，其中15 mmol·L-1海藻糖（T4）處理緩解西瓜幼苗低溫脅迫的效果最好，可為海藻糖在提高西瓜耐冷性研究中提供理論依據。