楊 雨, 高新生, 陳艷麗, 劉金偉, 張旭陽(yáng), 王鈴鈺, 靳卓宇

(1.海南省熱帶園藝作物品質(zhì)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南大學(xué)園藝學(xué)院, 海口 570228;2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所, ?？?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(zhǎng)綠型和大肉型兩類,其中大肉棱絲瓜果實(shí)脆嫩、味清爽口、營(yíng)養(yǎng)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(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。大肉棱絲瓜喜溫懼寒,最適生長(zhǎng)溫度為20～30 ℃,低于15 ℃時(shí)生長(zhǎng)緩慢,低于10 ℃時(shí)生長(zhǎng)受到抑制甚至出現(xiàn)冷害[2]。因此,大肉棱絲瓜在北方溫棚冬春季節(jié)不宜種植,但海南光熱資源豐富,具有利用季節(jié)差種植有棱絲瓜的獨(dú)特地域優(yōu)勢(shì)[3]。近年來(lái),在海南五指山以北地區(qū),冬春季溫度低至8 ℃左右,對(duì)有棱絲瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)造成了很大影響,特別是冬春茬有棱絲瓜育苗時(shí)期的低溫脅迫對(duì)有棱絲瓜幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育造成不利影響[4]。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,為緩解低溫對(duì)植物造成的傷害,常采用的措施包括設(shè)施栽培、良種選育、噴施植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等。其中噴施外源物質(zhì)最為常見(jiàn),性價(jià)比最高,對(duì)緩解植物冷害具有重要的調(diào)節(jié)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(zhì)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(nèi)源自由基,提高植物對(duì)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(duì)提高植物抗冷性的效果也有報(bào)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(zhì)過(guò)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(duì)其造成的傷害。李天來(lái)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(shí)橫徑、縱徑和葉片的保護(hù)酶活性,同時(shí)降低O2·-產(chǎn)生速率,增強(qiáng)植株對(duì)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(hù)細(xì)胞膜免受冷害傷害,減少M(fèi)DA的累積,提高植物對(duì)低溫的耐受性。劉月等[19]認(rèn)為,Si對(duì)提高植物的抗冷性有顯著作用。郭樹(shù)勛等[20]研究表明,外源Si可通過(guò)保持抗氧化酶系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,緩解活性氧積累,降低膜脂過(guò)氧化程度,維持細(xì)胞膜的完整性,進(jìn)而增強(qiáng)番茄對(duì)低溫脅迫的抵御能力。

近年來(lái),外源物質(zhì)對(duì)低溫脅迫下植物耐冷性的影響已有報(bào)道,但針對(duì)大肉棱絲瓜耐冷性的研究較少。因此,為尋找增強(qiáng)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(qiáng)植物耐冷性的外源物質(zhì),在前人研究的基礎(chǔ)上,對(duì)低溫脅迫下的大肉棱絲瓜進(jìn)行噴施處理,綜合比較低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗生長(zhǎng)、抗氧化系統(tǒng)及光合作用,比較噴施效果,為生產(chǎn)上緩解低溫逆境對(duì)大肉棱絲瓜生長(zhǎng)的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2021年11月至2022年4月在中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所新品種培育實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試大肉棱絲瓜品種為華玉1號(hào),外源物質(zhì)MT、AsA、CaCl2、Na2SiO3·9 H2O為粉劑,購(gòu)于海南科貿(mào)生物科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(duì)濕度為60%,光照強(qiáng)度為400 μmol/(m2·s),光周期為晝12 h/夜12 h。

大肉棱絲瓜幼苗長(zhǎng)至2葉1心時(shí),挑選出體態(tài)勻稱、長(zhǎng)勢(shì)一致的大肉棱絲瓜幼苗,平均分設(shè)6個(gè)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(duì)每組幼苗的葉片進(jìn)行噴施處理,每天噴1次,以葉片全部濕潤(rùn)為宜,連噴3 d后將常溫對(duì)照置于25 ℃光照培養(yǎng)箱,其他5組處理置于8 ℃光照培養(yǎng)箱,相對(duì)濕度為60%,光照強(qiáng)度為400 μmol/(m2·s),光周期為晝12 h/夜12 h,每處理30株,重復(fù)3次。3 d后測(cè)定大肉棱絲瓜幼苗的生長(zhǎng)生理指標(biāo)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

用直尺測(cè)量株高,用游標(biāo)卡尺測(cè)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(jù)公式計(jì)算出壯苗指數(shù)[21],采用電導(dǎo)率儀法測(cè)定相對(duì)電導(dǎo)率[22],采用TTC染色法測(cè)定根系活力[22]。

冷害指數(shù)(CI)=∑(n×Sn)/(處理株數(shù)×最高冷害級(jí)別),式中,n為冷害級(jí)別,Sn為對(duì)應(yīng)冷害級(jí)別的幼苗株數(shù)。

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

1.4 運(yùn)用隸屬函數(shù)法對(duì)大肉棱絲瓜幼苗進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)

不同外源物質(zhì)對(duì)低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗綜合評(píng)價(jià)應(yīng)用隸屬函數(shù)法。采用模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)計(jì)算不同外源物質(zhì)處理各相關(guān)指標(biāo)的隸屬度。隸屬函數(shù)值越大,說(shuō)明緩解效果越佳。隸屬函數(shù)公式:

X(μ)=(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin),其中,Xi為各處理第i個(gè)指標(biāo)測(cè)定值,Ximax為第i個(gè)指標(biāo)測(cè)定值的最大值,Ximin為第i個(gè)指標(biāo)測(cè)定值的最小值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 23軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種外源物質(zhì)對(duì)低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

由表1可知,與25 ℃常溫對(duì)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(shù)下降,受冷害嚴(yán)重;而噴施特定濃度的4種外源物質(zhì)均可緩解低溫對(duì)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(duì)照組,其中高于對(duì)照10.51%,其他外源物質(zhì)處理組與對(duì)照組差異不顯著;各外源物質(zhì)處理組幼苗莖粗和地上部鮮重均高于對(duì)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(duì)照組;地上部干重方面,Si處理組顯著高于Ca處理組和對(duì)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(zhì)處理組均與低溫對(duì)照組差異顯著,分別高于低溫對(duì)照22.86%,77.14%,57.14%,40%;壯苗指數(shù)方面,AsA、Ca處理組與對(duì)照組差異顯著,分別高于對(duì)照25.13%,17.37%;冷害指數(shù)方面,MT、AsA、Ca、Si處理組與低溫對(duì)照組差異顯著,分別低于對(duì)照12.05%,8.15%,10.70%,14.53%。

表1 4種外源物質(zhì)對(duì)低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗生長(zhǎng)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(zhì)對(duì)低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗抗逆指標(biāo)的影響

由表2可知,與常溫對(duì)照相比,8 ℃低溫處理下的大肉棱絲瓜幼苗相對(duì)電導(dǎo)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(zhì)的處理組葉片相對(duì)電導(dǎo)率均高于低溫對(duì)照組,其中AsA、Ca處理組相對(duì)電導(dǎo)率最低,與對(duì)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(duì)照組8.76%,5.18%,10.23%。

表2 4種外源物質(zhì)對(duì)低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗抗逆指標(biāo)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(duì)照組差異顯著,高于低溫對(duì)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(duì)照組相比分別增長(zhǎng)17.45%,27.52%;MT、AsA、Si處理組Pro含量最高,與對(duì)照組和Ca處理組差異顯著,分別高于對(duì)照56.49%,50.42%,46.54%。

2.3 4種外源物質(zhì)對(duì)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(duì)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(zhì)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(duì)照28.27%;MT、AsA、Ca、Si處理組CAT活性差異不顯著,與低溫對(duì)照組差異顯著,分別高于對(duì)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(duì)照組差異顯著。由此可見(jiàn),低溫環(huán)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(guò)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(zhì)對(duì)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(zhì)對(duì)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(duì)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(zhì)的處理組,根系活力均高于低溫對(duì)照組,其中AsA、Ca、Si處理組根系活力與MT和對(duì)照組差異顯著,分別高于對(duì)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(duì)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(duì)照組,其中葉綠素b含量分別比對(duì)照提高34.75%,29.71%,葉綠素a+葉綠素b含量分別比對(duì)照提高23.40%,15.60%。

表3 不同外源物質(zhì)對(duì)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(zhì)對(duì)低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗緩解效應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)

以單一指標(biāo)評(píng)價(jià)大肉棱絲瓜緩解效應(yīng),難以客觀真實(shí)地反映其本質(zhì)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(shù)值綜合評(píng)價(jià)方法,對(duì)不同外源物質(zhì)處理低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗緩解效應(yīng)的20個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。結(jié)果(表4)表明,AsA處理組隸屬平均值最高,說(shuō)明4組處理中,50 mg/L AsA對(duì)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(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)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(zhì)對(duì)低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗形態(tài)及根系活力的影響

低溫脅迫對(duì)植物最直觀的影響表現(xiàn)在外部形態(tài)上,低溫脅迫下植物分生組織細(xì)胞膨壓降低,細(xì)胞分裂速度減慢或停止,同時(shí)細(xì)胞伸長(zhǎng)受到抑制,生長(zhǎng)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(zhì)能有效增強(qiáng)植物幼苗的株高、莖粗、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量,促進(jìn)壯苗的培育。朱恒達(dá)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(jìn)了低溫下幼苗的生長(zhǎng),緩解了低溫對(duì)幼苗的傷害。本研究結(jié)果表明,與常溫對(duì)照相比,低溫下大肉棱絲瓜幼苗的干鮮重、壯苗指數(shù)以及根系活力顯著降低,說(shuō)明低溫抑制大肉棱絲瓜幼苗的生長(zhǎng),植株生長(zhǎng)緩慢。噴施外源物質(zhì)的大肉棱絲瓜幼苗的莖粗、干鮮重均高于低溫對(duì)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(shù)最低;AsA和Ca處理組壯苗指數(shù)和根系活力最高,且均與低溫對(duì)照組差異顯著,說(shuō)明一定濃度的AsA、CaCl2、Na2SiO3·9 H2O能夠緩解低溫對(duì)大肉棱絲瓜造成的傷害,這與阮淑潔等[27]和唐寬強(qiáng)等[28]在番茄上的研究效果一致。

3.2 4種外源物質(zhì)對(duì)低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗膜脂過(guò)氧化的影響

低溫等逆境條件下,植物細(xì)胞中自由基和活性氧的產(chǎn)生及清除的平衡狀態(tài)被破壞,自由基積累致使細(xì)胞膜系統(tǒng)首先遭受傷害,造成膜脂過(guò)氧化,膜結(jié)構(gòu)被破壞,細(xì)胞膜透性和MDA含量可以反映植物細(xì)胞質(zhì)膜的損傷程度,SOD、CAT、POD作為植物酶促防御系統(tǒng)中清除自由基的重要酶之一,在減輕細(xì)胞膜脂過(guò)氧化和穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)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(zhì)能夠降低低溫脅迫下辣椒葉片電導(dǎo)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(guò)提高抗氧化劑AsA水平,減少了H2O2對(duì)植物的氧化損傷,提高了菊花抗低溫弱光性。本實(shí)驗(yàn)中,低溫下大肉棱絲瓜幼苗葉片中的電導(dǎo)率、MDA、SOD、CAT、POD活性較常溫對(duì)照組顯著升高。其中AsA和Ca處理組大肉棱絲瓜葉片電導(dǎo)率最低,與低溫對(duì)照組差異顯著;AsA處理組MDA含量最低;各外源物質(zhì)處理組SOD活性均顯著高于低溫對(duì)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(duì)照組。以上結(jié)果說(shuō)明噴施一定濃度的AsA、CaCl2、Na2SiO3·9 H2O能夠降低葉片電導(dǎo)率、MDA含量,從而降低細(xì)胞膜的破壞程度,通過(guò)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(guò)氧化作用,與幼苗的耐冷性呈正相關(guān),這與陳小鳳等[34]在苦瓜苗期上的研究結(jié)果一致。

3.3 4種外源物質(zhì)對(duì)低溫脅迫下大肉棱絲瓜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

低溫脅迫下,某些植物會(huì)在細(xì)胞內(nèi)積累可溶性糖、可溶性蛋白和Pro等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),以調(diào)節(jié)滲透勢(shì),維持膨壓及其原有代謝過(guò)程[35]。吳燕等[8]研究表明,外源MT和Ca2+能通過(guò)提高西瓜幼苗抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)能力等,緩解亞低溫的不良影響,促進(jìn)西瓜幼苗生長(zhǎng)。本研究表明,與常溫對(duì)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(duì)照組,說(shuō)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(diào)節(jié)物質(zhì)積累水平,對(duì)葉片膜結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定起到積極的保護(hù)作用,并提高大肉棱絲瓜幼苗的耐冷性,這與郭樹(shù)勛等[20]在番茄幼苗上的研究結(jié)果一致。

3.4 4種外源物質(zhì)對(duì)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(fā)生降解,同時(shí)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(zhì)能顯著促進(jìn)植株生長(zhǎng)和葉片光合作用。李進(jìn)等[38]研究表明,噴施α-萘乙酸鈉等4種外源物質(zhì),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(jié)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(duì)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(duì)照組,說(shuō)明噴施一定濃度的外源物質(zhì)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(jié)果一致。

綜上所述,和常溫對(duì)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(duì)大肉棱絲瓜幼苗的生長(zhǎng)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(guò)降低大肉棱絲瓜幼苗葉片的電導(dǎo)率、MDA含量,增加根系活力、抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),提高大肉棱絲瓜幼苗的耐冷性,緩解低溫對(duì)大肉棱絲瓜的傷害。通過(guò)隸屬函數(shù)綜合分析比較,50 mg/L AsA對(duì)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(jié)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(chǔ)。