張永平 刁倩楠 張文獻(xiàn) 田守波 許 爽 范紅偉*

（1 上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所，上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201403；2 上海市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，上海 201103）

甜瓜（Cumumis meloL.）喜溫但不耐熱。我國上海及周邊地區(qū)夏秋季甜瓜播種育苗及移栽在7～8月進(jìn)行，期間強(qiáng)降雨容易造成土壤漬水，影響甜瓜夏秋季的正常種植（王俊良 等，2013）。由于不同甜瓜品種間抗逆性差異較大，對(duì)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(duì)甜瓜的生長發(fā)育、生理生化過程均有不同的影響，因而對(duì)甜瓜不同品種的水分逆境適應(yīng)性進(jìn)行研究對(duì)甜瓜的栽培種植具有重要意義。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全球范圍內(nèi)10%的灌溉土地受到洪澇災(zāi)害的影響，這可能會(huì)降低20%的農(nóng)作物產(chǎn)量（Shabala，2011）。作物在淹水逆境下，生理生化代謝會(huì)產(chǎn)生變化來適應(yīng)不良環(huán)境。研究表明，淹水條件能顯著抑制不結(jié)球白菜幼苗的有氧呼吸，加強(qiáng)無氧呼吸，最終抑制根系的生長（郭欣欣 等，2015）。淹水脅迫下，植物根系缺氧，無氧呼吸增強(qiáng)，乙醇脫氫酶（alcohol dehydrogenase，ADH）、丙酮酸脫羧酶（pyruvate decarboxylase，PDC）和乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase，LDH）活性提高，促進(jìn)了植株根系對(duì)缺氧環(huán)境的適應(yīng)性（全瑞蘭和玉永雄，2015）。淹水后根系干物質(zhì)積累量、根長密度、傷流速率和根系活力等顯著降低，說明淹水脅迫抑制了根系的正常生長發(fā)育，從而導(dǎo)致植株地上部的正常生長發(fā)育受到抑制（任佰朝 等，2017）。淹水脅迫能誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生自由基，進(jìn)而導(dǎo)致離子滲漏和細(xì)胞死亡，高水平的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）和 過 氧 化氫酶（catalase，CAT）活性在長時(shí)間淹水條件下在多種植物的存活中發(fā)揮重要作用（陳鷺真 等，2006）。到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)淹水脅迫下植株生長發(fā)育、生理生化及分子調(diào)控等特征進(jìn)行了深入研究，但主要集中于水稻（黃萬勇 等，2017）、玉米（僧珊珊 等，2012）、辣椒（劉周斌 等，2015）、青花菜（高旭 等，2018）和不結(jié)球白菜（王華 等，2013）等作物上，對(duì)淹水脅迫下甜瓜生長和生理變化研究相對(duì)較少。所以本試驗(yàn)在前期工作基礎(chǔ)上選擇耐澇性稍強(qiáng)和耐澇性較弱的2個(gè)甜瓜品種為材料，通過對(duì)幼苗期甜瓜根系生長、呼吸酶代謝和抗氧化酶活性等指標(biāo)的測(cè)定，比較分析不同甜瓜品種對(duì)不同程度淹水脅迫的響應(yīng)差異及其生理原因，以期為進(jìn)一步培育耐淹的甜瓜品種及其抗逆育種提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參試的2個(gè)甜瓜品種為耐澇性稍強(qiáng)的脆禧和耐澇性較弱的世紀(jì)蜜，2個(gè)品種均由上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所選育，試驗(yàn)在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所培養(yǎng)室進(jìn)行。2017年2月5日將飽滿、整齊一致的種子浸種催芽，出芽后播于裝有西甜瓜專用育苗基質(zhì)的塑料營養(yǎng)缽中，置于晝（28±1）℃/夜（22±1）℃培養(yǎng)室中進(jìn)行幼苗培養(yǎng)，光照12 h，光照強(qiáng)度為400 μmol·m-2·s-1左右。

2017年2月25日，當(dāng)幼苗長到三葉一心時(shí)，選取生長勢(shì)基本一致的幼苗，采用“雙套盆法”進(jìn)行淹水處理：半淹水處理（T1）為水面淹沒植株根部基質(zhì)，超過基質(zhì)表面0～1 cm；全淹水處理（T2）為水面剛淹過植株生長點(diǎn)；對(duì)照（CK）進(jìn)行常規(guī)水分管理。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。分別在淹水1、3 d 及解除脅迫恢復(fù)后1、3、5 d 時(shí)取樣，測(cè)定根系生長指標(biāo)和根系活力，然后取幼苗生長點(diǎn)下第2片完全展開葉片測(cè)定呼吸酶和抗氧化酶活性指標(biāo)，每處理50株，3次重復(fù)。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.2.1 根系生長指標(biāo)的測(cè)定 于淹水處理1、3 d 及解除脅迫后1、3、5 d 時(shí)，先用自來水將根部基質(zhì)沖掉，再用蒸餾水沖洗3次，用干凈的濾紙吸干根部表面的水分，測(cè)定根系鮮質(zhì)量，之后在105 ℃的烘箱中殺青30 min，然后80 ℃條件下烘干至恒重，測(cè)定根系干質(zhì)量。

1.2.2 根系活力的測(cè)定 采用李合生（2000）的TTC 法測(cè)定根系活力。

1.2.3 呼吸酶活性的測(cè)定 按照Mustroph 和Albrecht（2010）的方法提取酶液，參考Waters 等（1991）方法測(cè)定ADH 活性，依據(jù)郭欣欣等（2015）的方法測(cè)定LDH 活性、蘋果酸脫氫酶（malate dehydrogenase，MDH）和琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase，SDH）活性。

1.2.4 抗氧化酶活性的測(cè)定 SOD 和CAT 活性采用Dhindsa 等（1981）的方法測(cè)定，POD 活性采用張永平等（2017）的方法測(cè)定。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析 每個(gè)指標(biāo)測(cè)定重復(fù)3次，取平均值。數(shù)據(jù)采用Excel 軟件繪圖，用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)平均數(shù)用Duncan’s 新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 淹水脅迫及脅迫解除對(duì)甜瓜幼苗根系生長的影響

從表1可以看出，甜瓜幼苗淹水1 d 時(shí)，與對(duì)照相比，耐澇性稍強(qiáng)的脆禧根系鮮質(zhì)量無明顯變化，而耐澇性較弱的世紀(jì)蜜全淹水處理（T2）比對(duì)照顯著降低；當(dāng)淹水3 d 時(shí)，半淹水（T1）和全淹水（T2）處理使脆禧根系鮮質(zhì)量分別顯著降低了7.95%和17.64%，世紀(jì)蜜分別顯著下降了14.68%和26.38%。在恢復(fù)1～5 d 后，脆禧T1處理的根系鮮質(zhì)量與對(duì)照之間的差異不顯著，T2處理顯著低于對(duì)照，世紀(jì)蜜不同處理間差異顯著。

此外，隨著淹水程度的增加，甜瓜幼苗根系干質(zhì)量逐漸下降（表1）。其中，淹水1 d 和3 d 時(shí)，2個(gè)品種T1和T2處理的根系干質(zhì)量均與對(duì)照存在顯著差異（除脆禧T1處理1 d 外），T2處理下降程度明顯大于T1處理，且世紀(jì)蜜下降程度大于脆禧。在脅迫恢復(fù)1 d 時(shí)，脆禧不同處理之間差異顯著，脅迫解除3 d 和5 d，T1處理的根系干質(zhì)量分別恢復(fù)至對(duì)照的96.06%和97.17%，與對(duì)照相比差異不顯著，但T2處理仍顯著小于對(duì)照；世紀(jì)蜜脅迫解除后，T1、T2處理的根系干質(zhì)量顯著小于對(duì)照。

2.2 淹水脅迫及脅迫解除對(duì)甜瓜幼苗根系活力的影響

由圖1可見，淹水1 d 時(shí)，脆禧幼苗T1和T2處理的根系活力與對(duì)照相比差異均不顯著，隨著淹水脅迫時(shí)間的延長根系活力急速下降，脅迫3 d 時(shí)脆禧T1和T2處理的根系活力分別比對(duì)照顯著降低了17.14%和40.64%。淹水1 d 的世紀(jì)蜜T1處理的幼苗根系活力與對(duì)照無顯著差異，T2處理則比對(duì)照顯著降低，脅迫3 d，T1和T2處理的根系活力分別比對(duì)照顯著降低了25.90%和58.34%，耐澇性較弱的世紀(jì)蜜降低幅度大于耐澇性稍強(qiáng)的脆禧。脅迫恢復(fù)后，隨著時(shí)間的延長，2個(gè)品種的根系活力逐漸上升，T1處理在脅迫解除5 d 時(shí)與對(duì)照接近，T2處理下脆禧和世紀(jì)蜜與對(duì)照相比分別降低13.63%和21.82%，脆禧降低幅度小于世紀(jì)蜜，說明T2處理下脆禧根系活力恢復(fù)比世紀(jì)蜜快。

表1 淹水脅迫及脅迫解除對(duì)甜瓜幼苗根系生長的影響

圖1 淹水脅迫及脅迫解除對(duì)甜瓜幼苗根系活力的影響

2.3 淹水脅迫及脅迫解除對(duì)甜瓜幼苗根系有氧呼吸酶活性的影響

由圖2-A 和2-B 可以看出，淹水處理的2個(gè)甜瓜幼苗根系的MDH 活性顯著低于對(duì)照，淹水脅迫3 d 時(shí)達(dá)到最低，脆禧T1和T2處理分別比對(duì)照顯著降低了27.31%和34.66%，世紀(jì)蜜分別比對(duì)照顯著降低了35.88%和48.74%，耐澇性較弱的世紀(jì)蜜降低幅度大于耐澇性稍強(qiáng)的脆禧。脅迫解除后，隨著時(shí)間的延長，2個(gè)品種的MDH 活性逐漸上升，在脅迫解除5 d 時(shí)脆禧T1處理與對(duì)照接近，但其他處理仍未恢復(fù)到對(duì)照水平。SDH 活性與MDH 活性的變化趨勢(shì)基本相同（圖2-C 和2-D），且當(dāng)淹水脅迫3 d 時(shí)達(dá)到最低值，脆禧T1和T2處理的SDH活性分別比對(duì)照顯著降低了17.10%和41.53%，世紀(jì)蜜分別比對(duì)照顯著降低了23.22%和59.24%，耐澇性較弱的世紀(jì)蜜降低幅度大于耐澇性稍強(qiáng)的脆禧。

2.4 淹水脅迫及脅迫解除對(duì)甜瓜幼苗根系無氧呼吸酶活性的影響

在LDH 活性方面（圖3-A 和3-B），在淹水1 d 后，T1和T2處理的2個(gè)甜瓜品種均顯著高于對(duì)照；與對(duì)照相比，脆禧分別升高了35.39%和77.78%，世紀(jì)蜜分別升高了29.72%和80.72%；在淹水3 d 后，2個(gè)品種T1、T2處理的LDH 活性均下降。脅迫解除后，各處理的LDH 活性仍舊不斷降低，隨著恢復(fù)時(shí)間的延長，在脅迫解除5 d 后，各處理的LDH 活性接近對(duì)照，且差異不顯著。從圖3-C 和3-D 可以看出，淹水1 d 后，2個(gè)甜瓜品種的T1和T2處理的ADH 活性顯著高于對(duì)照，隨著脅迫時(shí)間的延長，ADH 活性逐漸增加。脅迫3 d 時(shí)，ADH 活性達(dá)到最高，與對(duì)照相比，脆禧T1、T2處理的ADH 活性分別升高了51.58%和67.37%，世紀(jì)蜜分別升高了39.76%和48.19%，脆禧ADH 活性增加的幅度大于世紀(jì)蜜，T2處理的ADH 活性增加的幅度大于T1處理；脅迫解除后，各處理的ADH 活性逐漸下降，隨著恢復(fù)時(shí)間的延長，在脅迫解除5 d 時(shí)，各處理與對(duì)照相比差異均不顯著。

圖2 淹水脅迫及脅迫解除對(duì)甜瓜幼苗根系有氧呼吸酶活性的影響

圖3 淹水脅迫及脅迫解除對(duì)甜瓜幼苗根系無氧呼吸酶活性的影響

2.5 淹水脅迫及脅迫解除對(duì)甜瓜幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

淹水脅迫下，2個(gè)甜瓜品種的SOD 活性均發(fā)生了變化（圖4-A 和4-B）。淹水脅迫1 d 后脆禧T1處理的SOD 活性與對(duì)照相比有所下降，但差異不顯著，T2處理則顯著高于對(duì)照。脅迫3 d 時(shí)，T1和T2處理分別比對(duì)照升高了7.86%和37.36%；與對(duì)照相比，淹水處理1 d 后世紀(jì)蜜的SOD 活性增加，但只有T2處理顯著高于對(duì)照，脅迫3 d 時(shí)，T1和T2處理分別比對(duì)照顯著升高了15.78%和43.30%，耐澇性較弱的世紀(jì)蜜升高幅度大于耐澇性稍強(qiáng)的脆禧。脅迫解除后，隨著時(shí)間的延長，2個(gè)品種的SOD 活性逐漸降低，T1處理在脅迫解除5 d 時(shí)與對(duì)照接近，T2處理仍未恢復(fù)到對(duì)照水平。

圖4 淹水脅迫及脅迫解除對(duì)甜瓜幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

在POD 活性方面（圖4-C 和4-D），淹水1 d時(shí)，2個(gè)甜瓜品種T1和T2處理的POD 活性均顯著高于對(duì)照（世紀(jì)蜜T1處理除外）；隨著脅迫時(shí)間的延長，脆禧POD 活性逐漸增加，在淹水3 d 時(shí)，T1和T2處理分別比對(duì)照顯著增加了40.16%和72.13%；脅迫解除后，隨著恢復(fù)時(shí)間的延長，POD活性逐漸下降，在脅迫解除5 d 時(shí)，仍未恢復(fù)到對(duì)照水平。而世紀(jì)蜜隨著脅迫時(shí)間的延長，T1處理的POD 活性逐漸上升，T2處理急劇下降，脅迫3 d 時(shí)，與對(duì)照相比顯著降低了28.21%；脅迫解除1 d 時(shí)，T1處理的POD 活性繼續(xù)上升，隨著恢復(fù)時(shí)間的延長，開始下降，T2處理則從脅迫解除后逐漸上升，在脅迫解除5 d 時(shí)，T1、T2處理的POD活性均顯著高于對(duì)照。

CAT 活性變化趨勢(shì)與POD 活性基本一致（圖4-E 和4-F）。

3 討論與結(jié)論

淹水脅迫抑制植物的幼苗生長，降低植物的干物質(zhì)積累，造成植物個(gè)體生理差異。本試驗(yàn)結(jié)果表明，淹水脅迫下，2個(gè)甜瓜品種的根系生長均受到抑制，根系的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均低于對(duì)照，且耐澇性稍強(qiáng)的脆禧比耐澇性較弱的世紀(jì)蜜降低幅度小。在淹水脅迫解除5 d 后，T1處理的脆禧根系鮮質(zhì)量和干質(zhì)量與對(duì)照均沒有顯著差異，這與郭欣欣等（2015）在不結(jié)球白菜上的研究結(jié)果一致。

根系活力作為植物根系適應(yīng)性的一個(gè)生理遺傳指標(biāo)，能夠反映根系對(duì)營養(yǎng)的吸收及合成能力的強(qiáng)弱。研究發(fā)現(xiàn)，根系是吸收養(yǎng)分和水分的重要器官，因此許多脅迫主要是通過根系對(duì)植物造成傷害，根系受到傷害后，根系活力降低，吸收能力減弱（王俊良，2010）。周廣生和朱旭彤（2002）的研究結(jié)果表明，淹水條件下小麥的初生根和次生根根系活力與不淹水的對(duì)照相比顯著下降。本試驗(yàn)中，2個(gè)甜瓜品種根系活力隨著淹水脅迫時(shí)間的延長，均有不同程度的降低，其中世紀(jì)蜜的降低幅度大于脆禧，這與劉華山等（2001）對(duì)芝麻的研究結(jié)果有一定的相似性。在淹水脅迫解除后，脆禧的根系活力恢復(fù)比世紀(jì)蜜幅度大，說明其根系的耐淹水性較強(qiáng)。

作為根系代謝的中心，呼吸作用對(duì)養(yǎng)分的吸收、根系更新和植株生長發(fā)育具有重要作用。水分脅迫會(huì)造成根系缺氧，三羧酸循環(huán)和電子傳遞受阻，細(xì)胞能荷水平明顯下降，根系功能減弱，從而導(dǎo)致植物生長發(fā)育遲緩，為了減輕低氧脅迫造成的傷害，植物啟動(dòng)無氧呼吸代謝，將NADH 氧化成NAD+，產(chǎn)生ATP（Sachs et al.，1996）。本試驗(yàn)結(jié)果表明，淹水脅迫3 d 后，LDH 和ADH 無氧呼吸酶活性顯著高于對(duì)照，MDH 和SDH 有氧呼吸酶活性顯著低于對(duì)照，在脅迫解除后，T1、T2處理下的無氧呼吸和有氧呼吸酶活性與對(duì)照之間差異均明顯減小，脅迫解除5 d 時(shí)，根系無氧呼吸酶活性已接近對(duì)照水平，有氧呼吸MDH 活性脆禧T1處理恢復(fù)到對(duì)照水平。LDH 是乳酸發(fā)酵途徑的關(guān)鍵酶，而乳酸積累引起細(xì)胞質(zhì)酸化是造成低氧脅迫下細(xì)胞傷害的主要原因之一（Chen &Qualls，2003）。淹水脅迫1 d 時(shí)，與對(duì)照相比，耐澇性較弱的世紀(jì)蜜T2處理的LDH 活性的增幅最大，表明其細(xì)胞質(zhì)酸化較重，進(jìn)而導(dǎo)致呼吸強(qiáng)度下降得更快，使其對(duì)淹水更敏感。耐澇性稍強(qiáng)的脆禧根系中ADH 活性增幅高于耐澇性較弱品種世紀(jì)蜜，由于乳酸發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸可酸化細(xì)胞質(zhì)，而乙醇發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇為中性分子，能擴(kuò)散到外部環(huán)境中，對(duì)植物傷害較?。ɡ瞽Z 等，2007）。因此，淹水脅迫下，脆禧根系中的ADH 活性升幅較高和LDH 活性升幅較小可能是其適應(yīng)不利環(huán)境的能力強(qiáng)于世紀(jì)蜜的一個(gè)重要原因，這與康云艷等（2008）在低氧脅迫下黃瓜的研究相一致。

為了抵御淹水脅迫下活性氧的毒害作用，植物體內(nèi)的抗氧化酶類（SOD、POD、CAT 等）能夠清除自由基，緩解淹水脅迫對(duì)植物造成的傷害（孫小艷 等，2018）。研究表明，SOD、POD和CAT活性高，能夠保護(hù)植物在長時(shí)間逆境脅迫下免受活性氧的傷害（Limón-Pacheco &Gonsebatt，2009）。作為植物細(xì)胞中最主要的抗氧化酶，SOD 顯示出極強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用，增強(qiáng)了植物的抗逆性。本試驗(yàn)結(jié)果表明，脆禧在淹水脅迫1 d 時(shí)，T1處理的SOD 活性低于對(duì)照，這可能是因?yàn)镾OD 易受底物活性氧濃度的誘導(dǎo)，但淹水初期活性氧的積累不足以誘導(dǎo)SOD活性發(fā)生顯著變化，隨著淹水脅迫時(shí)間的延長，甜瓜幼苗對(duì)淹水脅迫環(huán)境的適應(yīng)，SOD 活性開始逐漸上升，脅迫解除后，SOD 活性逐漸下降，這與何嵩濤等（2000）的研究結(jié)果相似。但是H2O2也會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，而POD 可以催化H2O2分解為H2O 和O2，是細(xì)胞內(nèi)H2O2的重要清除劑，所以保護(hù)酶系統(tǒng)的協(xié)調(diào)一致對(duì)降低活性氧對(duì)植物的傷害具有非常重要的意義。淹水脅迫初期（1 d），2個(gè)甜瓜品種POD 和CAT 活性都顯著高于對(duì)照（世紀(jì)蜜T1處理除外），隨著淹水脅迫時(shí)間的延長，耐澇性較弱的世紀(jì)蜜T2處理的POD 和CAT 活性逐漸下降，而脆禧活性持續(xù)增加，這種酶活性的變化可能是因?yàn)檠退畷r(shí)植物體內(nèi)活性氧含量的增加不斷激活保護(hù)酶體系的表達(dá)，以此幫助植物適應(yīng)環(huán)境，POD、CAT 活性與SOD 活性變化不同步的情況與張曉平等（2006）的研究結(jié)果相似。所以在淹水脅迫下，不同植物的抗氧化酶活性的變化差異相對(duì)較大，這也反映出不同植物抗氧化防御機(jī)制存在較大差異。

綜上所述，淹水脅迫使甜瓜幼苗有氧呼吸受到阻礙，同時(shí)促進(jìn)了無氧呼吸代謝，根系呼吸代謝隨著淹水時(shí)間加長和程度加深，受抑制的程度更加嚴(yán)重，最終導(dǎo)致根系生長受到抑制，且耐澇性較弱的世紀(jì)蜜受抑制程度大于耐澇性稍強(qiáng)的脆禧。