劉志剛，任紅松，胡西旦·買買提，王瑞華，李海峰，胡國智

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆吐魯番 838000；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈密瓜研究中心，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】甜瓜屬喜溫作物，其生長發(fā)育最適宜溫度為25～35℃，40℃以上同化作用顯著降低，45℃以上時，生殖生長受到干擾與破壞，即使短時間的高溫，也會產(chǎn)生生理障礙[1]。新疆吐魯番地區(qū)7～8月高溫期正值秋季大田甜瓜種子萌發(fā)和幼苗生長階段，高溫容易發(fā)生死苗、小老苗和徒長苗等苗期問題，影響器官分化和生長發(fā)育[2,3]，后期甜瓜早衰，影響產(chǎn)量和品質(zhì)[4]。高溫脅迫條件下，植物體內(nèi)的平衡遭到破壞，活性氧的產(chǎn)生與清除的失衡會引起膜蛋白和膜內(nèi)脂的變化，對植物造成傷害[5]。鈣作為信號物質(zhì)，參與了熱脅迫早期的信號傳導(dǎo)[6-8]，鈣也通過防止由熱脅迫造成的活性氧對光合器官的傷害，提高植株的抗熱性[8]。吐魯番地區(qū)秋季大田甜瓜多為規(guī)?；N植，高溫期調(diào)控培育甜瓜壯苗技術(shù)研究已成為嚴(yán)重影響甜瓜生產(chǎn)中高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究高溫期噴施外源鈣培育甜瓜壯苗調(diào)控技術(shù)，對促進吐魯番哈密瓜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】鈣(Calcium)作為植物必需的營養(yǎng)元素，能與作為胞內(nèi)信使的鈣調(diào)蛋白結(jié)合，調(diào)節(jié)植物體的許多生理代謝過程[9-10]。外源鈣能緩解和減輕高溫脅迫對植物細(xì)胞膜的傷害，提高植物的抗熱性。【本研究切入點】目前，對Ca2 +緩解植物高溫傷害[11-13]的研究已逐步深入，多集中在辣椒[12]、煙草[13]、花生[18]、玉米[15]、葡萄[16]、番茄[17-18]等作物，但關(guān)于甜瓜的研究不多。關(guān)于在夏秋7～8月自然高溫條件外源鈣對甜瓜幼苗生理特性等方面的研究鮮見報道。研究不同濃度CaCl2對秋季大田甜瓜幼苗葉片葉綠素相對含量、可溶性蛋白含量、保護酶活性及MDA含量的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】以秋季大田甜瓜幼苗為研究對象，研究高溫期噴施不同濃度CaCl2對甜瓜幼苗生理特性的影響，得出最佳CaCl2噴施濃度和頻次，分析高溫環(huán)境外源鈣對甜瓜幼苗生理調(diào)節(jié)作用的關(guān)系，為預(yù)防苗期生理病害，培育健康壯苗，提高秋季大田甜瓜苗期科學(xué)管理能力提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為當(dāng)?shù)卮筇镏髟院衿ぬ鸸掀贩N西州密17號，中熟雜交種，厚皮型，果實發(fā)育期50～57 d，果實橢圓形，果皮黑麻綠底，網(wǎng)紋中密全，果肉橘紅，肉厚3.2～4.7 cm，中心可溶性固形物15.2%～17.0%，肉質(zhì)細(xì)、松、脆，風(fēng)味甜蜜、爽口，平均單果重2.5 kg左右。植株生長勢較強，莖蔓粗壯，易坐果。種子市售(每袋20 g)，由新疆葡萄瓜果技術(shù)開發(fā)服務(wù)公司生產(chǎn)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

吐魯番盆地是全疆氣溫最高的地區(qū)，年積溫4 500～5 400℃，日最高氣溫在35℃以上的天數(shù)達100 d，絕對最高氣溫達47.6℃[19]。

試驗于2018年、2019年7至8月新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所大田試驗基地在自然高溫環(huán)境下進行，采用營養(yǎng)缽盆栽方式，營養(yǎng)缽規(guī)格為高20 cm×寬20 cm，基質(zhì)為草炭∶珍珠巖∶蛭石∶園土=9∶3∶1∶5，基質(zhì)混合均勻后裝入營養(yǎng)缽，統(tǒng)一安裝滴灌裝置滴水，7月1日播種，在播種前1 d將營養(yǎng)缽中基質(zhì)土滴一個透水，直接將種子播種于營養(yǎng)缽中心，每盆播2粒種子，播完后再滴1次水，幼苗破心時選長相一致的植株定苗1株，3葉期前中午12:00至17:00為甜瓜幼苗進行適當(dāng)遮陰，不追肥，只在幼苗開始萎蔫時滴水。

共設(shè)4個處理：以噴等量清水作為處理1(對照)，噴施濃度分別為20、10、5 mmol/L的CaCl2溶液(分別為處理2、處理3和處理4)。每個處理3次重復(fù)，每個重復(fù)種植30盆，并將每個處理分為2個區(qū)即“觀測區(qū)”和“采樣區(qū)”，用于形態(tài)變化指標(biāo)測定和生理指標(biāo)檢測采樣。從分別在甜瓜幼苗1葉期、3葉期、5葉期、7葉期、9葉期5個時期，選擇晴天下午18:00～19:00噴施不同濃度CaCl2溶液，噴至全株葉面都有均勻大小液珠但不下滴為止。

1.2.2 測定指標(biāo)

每處理分別在試驗盆栽幼苗“觀測區(qū)”隨機選取3株，共9株掛牌標(biāo)記，在規(guī)定的葉期測定葉綠素含量，在“采樣區(qū)”隨機選取3株植株樣，采樣標(biāo)記后放入冰盒到實驗室進行處理，測定葉片可溶性蛋白質(zhì)含量及各種酶活性。葉綠素含量測定采用TYS-B手持式葉綠素測定儀測定葉綠素相對含量SPAD值，每株選取第1片葉，每片葉隨機選取5個不同部位測定，重復(fù)3次，測定并記錄葉綠素儀顯示的數(shù)據(jù)，求平均值；可溶性蛋白質(zhì)含量、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性均參照李合生的方法[20]測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Exce12007軟件制作圖表，2年觀測的數(shù)據(jù)取平均數(shù)，用DPS14.5軟件進行數(shù)據(jù)單因素方差分析，數(shù)據(jù)顯著性差異運用Dun-can's新復(fù)極差法進行多重比較分析，不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 近2年吐魯番試驗地高溫期(7～8月)間溫度變化動態(tài)

研究表明，2018～2019年連續(xù)2年監(jiān)測實驗地7～8月高溫期溫度，生理指標(biāo)的采樣檢測就是從7月上旬持續(xù)到8月中旬。2018年、2019年7～8月共62 d，其中日平均溫度為超過30℃的天氣為51 d，其中日最高溫度低于35℃的天氣僅有1 d，持續(xù)35℃以上天氣長達31 d，超過40℃的天氣40 d，持續(xù)40℃以上的天氣10 d；2019年7～8月平均溫度為超過30℃的天氣為57 d，其中日最高溫度35℃以上的天氣長達59 d，持續(xù)35℃以上的天氣長達37 d，40℃以上的天氣50 d，持續(xù)40℃以上天氣21 d。圖1

圖1 2018年、2019年7～8月日最高溫變化

2.2 不同濃度CaCl2對甜瓜幼苗葉片葉綠素含量的影響

研究表明，隨著幼苗生長和對外界高溫環(huán)境的適應(yīng)，各處理幼苗葉綠素含量均逐漸上升，與處理1(對照)相比，Ca2+處理能不同程度的提高甜瓜幼苗葉片葉綠素的含量，從3葉期開始葉片葉綠素含量順序始終是處理4>處理3>處理2>處理1(對照)；處理2和處理3之間在3葉期和5葉期葉綠素相對含量差異顯著，在7葉期和9葉期差異不顯著；在9葉期時處理4葉綠素相對含量最高，為40.51 SPAD，處理1(對照)葉綠素含量為34.43 SPAD，比對照處理高17.7%，與對照處理呈顯著差異，而處理2、處理3與對照處理相比差異不顯著。圖2

2.3 不同濃度CaCl2對甜瓜幼苗葉片可溶性蛋白含量的影響

研究表明，隨著幼苗的生長，葉片可溶性蛋白含量呈“S”曲線變化。噴施不同濃度Ca2+后，隨著外界高溫環(huán)境的影響，幼苗的耐熱性在3葉期前逐漸得到鍛煉提高，幼苗葉片可溶性蛋白含量緩慢下降，在3葉期時達到最低值，在3葉期到5葉期葉片可溶性蛋白含量迅速上升，處理3達到最高值，為8.27 mg/g，對照處理最低，為6.36 mg/g，增幅分別為3.7和2.4倍，相比順序為處理3>處理2>處理4>處理1(對照)，各處理間呈顯著差異(P<0.05)；5葉期之后到9葉期這段時期都是緩慢上升，相比順序為處理4>處理3>處理2>處理1(對照)，處理4比對照處理提高23.61%，各處理間呈顯著差異(P<0.05)。圖3

圖3 不同濃度CaCl2下甜瓜幼苗葉片可溶性蛋白含量變化

2.4 不同濃度CaCl2對甜瓜幼苗葉片CAT活性的影響

研究表明，外界高溫條件影響下，各處理過氧化氫酶(CAT)活性呈先升高后降低的趨勢。各處理在3葉期前過氧化氫酶(CAT)活性被迅速激活，均在3葉期達到最高值，處理3過氧化氫酶(CAT)活性最高，為10.05 U/(g·min)，處理1(對照)最低，為6.83 U/(g·min)，處理3比對照提高47.14%，二者呈顯著差異(P<0.05)；3葉期至5葉期迅速下降，之后一直到9葉期都在平緩波動的趨勢。過氧化氫酶(CAT)活性在9葉期時處理4最高，為3.28 U/(g·min)，比對照處理高115.8%，各處理與對照處理相比差異顯著(P<0.05)。圖4

圖4 不同濃度CaCl2下甜瓜幼苗葉片CAT活性變化

2.5 不同濃度CaCl2對甜瓜幼苗葉片SOD活性的影響

研究表明，隨著外界高溫的影響，幼苗的逐漸長大和抗逆性的增強，葉片中超氧化物歧化酶(SOD)活性先升高后降低。高溫脅迫下，3葉期前超氧化物歧化酶(SOD)活性緩慢升高，其中各處理在3葉期均達到最高，排序為處理4>處理3>處理2>處理1(對照)，其中處理4最高，為193.54 U/(g·min)，處理1(對照)最低，為166.19 U/(g·min)，比處理1(對照)高16.46%，二者呈顯著差異(P<0.05)；3葉期至5葉期活性迅速下降，5葉期至9葉期都有平緩波動的趨勢，在5葉期除處理4的其他處理葉片中超氧化物歧化酶(SOD)活性均降到最低，排序仍為處理4>處理3>處理2>處理1(對照)，其中處理4最高為30.87 U/(g·min)，相比處理1(對照)高57.42%，二者呈顯著差異(P<0.05)。圖5

圖5 不同濃度CaCl2下甜瓜幼苗葉片SOD活性變化

2.6 不同濃度CaCl2對甜瓜幼苗葉片POD活性的影響

研究表明，隨著時間的推移和對高溫環(huán)境的適應(yīng)，幼苗葉片的 POD活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在高溫脅迫下，3葉期前POD活性迅速升高，各處理在3葉期均達到最高，排序為處理4>處理3>處理2>處理1(對照)，其中處理4最高，為11.90 min/g，處理1(對照)最低，為7.33 min/g，比處理1(對照)高62.34%，二者呈顯著差異(P<0.05)；3葉期至5葉期各處理葉片POD活性迅速下降，5葉期至9葉期有緩慢下降的趨勢，在9葉期各處理葉片中POD活性均降到最低，排序仍為處理4>處理3>處理2>處理1(對照)，其中處理4最高為4.36 min/g，處理1(對照)最低，為2.84 min/g，相比處理1(對照)高53.52%，二者呈顯著差異(P<0.05)。圖6

圖6 不同濃度CaCl2下甜瓜幼苗葉片POD活性變化

2.7 不同濃度CaCl2對甜瓜幼苗葉片MDA含量的影響

研究表明，隨著幼苗的生長和外界高溫環(huán)境的影響，各處理葉片MDA含量均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢。各處理均在3葉期MDA含量達到最高值，其中對照處理葉片MDA含量最高，為8.09 μmol/g，處理4葉片MDA含量最低，為6.30 μmol/g，比對照處理低22.13%，二者呈顯著差異(P<0.05)；各處理葉片MDA含量均在5葉期迅速下降，在5葉期至9葉期在一定的范圍內(nèi)波動，最后逐漸回落到一個較低水平，總體保持植株細(xì)胞的平衡。圖7

圖7 不同濃度CaCl2下甜瓜幼苗MDA含量變化

3 討 論

高溫?fù)p傷葉綠體的結(jié)構(gòu)，引起光合色素降解，進而抑制光合作用[21]。宰學(xué)明等[14]研究得出，花生幼苗在高溫42℃處理過程中，Ca2+處理下的葉綠素含量隨處理時間的延伸而下降，但與對照比較，Ca2+處理能延緩花生幼葉葉綠素在高溫脅迫下的降解；楊秋珍等[22]試驗表明，高溫脅迫后，甜瓜幼苗葉片葉綠素含量均下降，耐熱性強的品種下降幅度<耐熱性弱的品種，葉綠素下降的溫度為≥41℃，葉片葉綠素的指數(shù)可作為鑒定甜瓜耐熱性的指標(biāo)。研究得出，在外界高溫條件下，3葉期前適當(dāng)遮陰，將幼苗進行高溫鍛煉，適宜濃度的Ca2+處理，甜瓜幼苗葉綠素相對含量相比處理1(對照)逐漸升高，其中5 mmol/L CaCl2(處理4)對緩解和降低高溫對葉綠體傷害的效果較理想；研究還發(fā)現(xiàn)在外界高溫脅迫下，甜瓜幼苗3葉期是可溶性蛋白含量、葉片抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)和MDA含量變化的轉(zhuǎn)折期，這可能由于3葉期是幼苗根系與地上部的生長處于失衡狀態(tài)d的特殊性時期導(dǎo)致[23]。

高溫條件下蛋白質(zhì)的合成和降解速率與植物的抗熱性有關(guān)，耐熱種類或品種在高溫下能保持較高的蛋白質(zhì)合成速率和較低的蛋白質(zhì)降解速率[24]，耐熱品種可溶性蛋白含量升高[4,25]。研究顯示，在外界高溫條件下，隨著幼苗的生長和對環(huán)境的適應(yīng)，葉片可溶性蛋白含量總體呈“緩慢下降-迅速上升-緩慢上升”的三段式“S”曲線變化，與處理1(對照)相比，噴施5 mmol/L CaCl2對甜瓜耐熱品種幼苗提高可溶性蛋白含量效果較理想，這與Gong等[15]的研究結(jié)果基本一致。

高溫會抑制早期幼苗的生長，幼苗通過提高體內(nèi)抗氧化酶活性，降低活性氧，從而減緩膜損傷，提高對溫度的適應(yīng)性[4]，施鈣能提高了植物體內(nèi)抗氧化酶(SOD、POD、CAT)的活性[26]，有效地抑制高溫下葉片MDA含量的增加[16]，并顯著降低MDA含量[17]，減少活性氧物質(zhì)的含量從而降低植物細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基對質(zhì)膜和膜脂過氧化作用水平的傷害。研究得出，隨著幼苗的生長和對外界高溫環(huán)境的適應(yīng)，甜瓜幼苗葉片抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)呈先升后降的趨勢，甜瓜品種耐熱性較強，并且能通過自身調(diào)節(jié)抗氧化酶活性來提高對高溫的適應(yīng)性，這與齊明芳等[17]和李天來等[18]的研究結(jié)果基本一致，不同的是，雖然鈣處理相比對照均能顯著降低MDA含量，但整體呈持續(xù)上升的趨勢；而研究在高溫環(huán)境下外源鈣處理后MDA含量呈先升高后降低的趨勢，與涂三思等[27]的研究結(jié)論一致。

4 結(jié) 論

4.1在高溫脅迫下，葉綠素含量、可溶性蛋白含量、葉片抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)和MDA含量的變化規(guī)律不僅與脅迫的溫度、時間、程度有關(guān)，而且與脅迫植物的種類、品種、生育期、耐熱性等指標(biāo)密切相關(guān)。

4.2高溫期噴施5 mmol/L濃度的CaCl2，與對照處理相比，能夠顯著提高耐熱性甜瓜幼苗葉綠素和可溶性蛋白含量，增強了抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)，明顯降低MDA含量，在提高幼苗耐熱性方面效果顯著。

4.3受外界高溫環(huán)境影響，從甜瓜幼苗1葉期至3葉期間葉綠素含量、抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)和MDA含量顯著升高，在3葉期至5葉期之間均迅速下降，5葉期至9葉期之間緩慢下降或一定范圍波動。

4.4甜瓜幼苗3葉期前在高溫脅迫下細(xì)胞質(zhì)膜逐漸受到傷害，過氧化作用促使葉片MDA含量增加，而3葉期至5葉期高溫脅迫已超出細(xì)胞抵御能力后代謝紊亂造成MDA含量迅速下降，隨著幼苗多種抗氧化防御系統(tǒng)的作用和耐熱性的逐漸提高，5葉期至9葉期的脅迫使葉片MDA含量緩慢下降，維持在相對較低的水平。