Mg 对‘黑美人’西瓜叶片C、N 代谢的影响

林丽琳，陈 晟，施木田，吴宇芬，赵依杰，王俊芳，周庆云，彭密红

(1.福建农林大学园艺学院，福建 福州350002;2.福建省农业科学院农业生物资源研究所，福建 福州350003;3.福州市农业科学研究所，福建 福州350019)

西瓜(Citrullus lanatus)是当今第五大世界性水果。‘黑美人’西瓜糖度高，肉色鲜红，口感嫩而多汁，外观精美，广受消费者青睐。然而在种植过程中经常出现Mg 肥施用不当而间接影响西瓜的产量和品质，造成严重经济损失［1］。Mg 是植物生长中不可或缺的中量元素［2］。Mg 的缺失会导致植物叶绿素合成受阻，影响光合作用［3－4］及植物体蛋白质、糖类等C、N 代谢功能［5－7］，最终影响植物的经济产量。本文研究了Mg2+对‘黑美人’西瓜叶片C、N 代谢的影响，以期为西瓜施用Mg 肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

‘黑美人’由福建省农业科学院农业生物资源研究所提供，于2014年3 －6月在福建省福州市农业科学研究所玻璃温室进行砂质培养。砂培营养液中含1000 mg·L－1Ca(NO3)2·4H2O、500 mg·L－1KNO3、250 mg·L－1KH2PO4、160 mg·L－1K2SO4、21.00 mg·L－1C10H12FeN2NaO8·3H2O、2.02 mg·L－1MnSO4·4H2O、2.86 mg·L－1H3BO3、0.22 mg·L－1ZnSO4·7H2O、0.08 mg·L－1CuSO4·5H2O、0.02 mg·L－1(NH4)6Mo7O24·4H2O。

1.2 试验方法

挑选优质西瓜种子，温汤浸种消毒后用清水浸泡8 h，于30 ℃培养箱中催芽，待种子露白后播种。培养基质保持一定湿度，当西瓜苗长至两叶一心时定植于装有干净河砂的盆中，每盆1 株，采用双蔓整枝法进行整枝，即留主蔓与第一侧蔓并修剪掉所有多余侧蔓。

营养液Mg2+浓度分别设置0(CK)、24、48、96、192 mg·L－1等5 个处理，Mg 源为分析纯MgSO4·7H2O，每个处理设6 次重复。定植前期仅浇水，待瓜苗长势稳定后隔天浇1 次营养液，瓜蔓旺盛生长时每天浇1次营养液，膨瓜期遇炎热天气早晚各浇1 次营养液。分别于伸蔓期、盛花期、膨瓜期各采样1 次，样品储存于－20 ℃冰箱中冷藏。

1.3 测定方法

1.3.1 叶绿素 采用混合液提取法［8］测定叶绿素含量。取0.1 g 鲜叶，加入10 mL 反应混合液(乙醇∶丙酮∶水=4.5∶4.5∶1)于暗处浸提24 h，分别测定D663nm、D645nm、D440nm，以混合液为空白对照。利用以下公式计算叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素及类胡萝卜素含量。

式中，Ca表示叶绿素a 含量，Cb表示叶绿素b 含量，CT表示总叶绿素含量，Ccar表示类胡萝卜素含量。1.3.2 可溶性蛋白 采用考马斯亮蓝法［9］测定组织中可溶性蛋白含量。取0.1 g 鲜叶，加入2 mL 磷酸缓冲液(50 mmol·L－1，pH 7.0)研磨提取，提取液以10000 r·min－1离心10 min。吸取样品提取液0.1 mL，加入5 mL 考马斯亮兰G-250 试剂充分混合，2 min 后测定D595nm，以牛血清蛋白为标准蛋白做标准曲线，通过标准曲线分析蛋白质含量。

1.3.3 可溶性糖 采用蒽酮比色法［10］测定可溶性糖含量。取0.1 g 鲜叶置于试管中，加入5 mL 去离子水，加塞，沸水浴中提取30 min，过滤，定容至10 mL。吸取提取液0.5 mL，加入1.5 mL 去离子水、0.5 mL蒽酮试剂、5 mL 硫酸(冷水浴)，充分振荡，沸水浴中保温1 min，自然冷却至室温，测量D630nm。

1.3.4 硝酸还原酶活性 参照文献［11］测定硝酸还原酶活性。取0.1 g 鲜叶于研钵中，冰浴中加少量石英砂和1.0 mL 提取缓冲液，研磨至匀浆，转移于离心管中，在4 ℃，4000 r·min－1下离心15 min，上清液即为粗酶提取液。取粗酶液0.4 mL 于10 mL 试管中，加入1.4 mL 磷酸缓冲液(0.01 mol·L－1)及0.2 mL NADH 溶液，混匀，25 ℃水浴保温30 min，对照管中加入0.2 mL 磷酸缓冲液(0.1 mol·L－1，pH 7.5)代替NADH。保温结束后立即加入1 mL 1%磺胺溶液以终止酶反应，再加入1 mL 0.02% α-萘胺溶液，显色15 min后于4000 r·min－1下离心5 min，测定D540nm。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 进行数据处理及图表制作，采用SPSS 软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 Mg 对‘黑美人’西瓜叶片光合色素含量的影响

叶绿素是叶绿体的主要组成成分，在植物光合作用中参与光能的捕获、吸收与传递，Mg 是叶绿素的重要组成成分。Mg2+对‘黑美人’西瓜各生育期叶片中叶绿素、类胡萝卜素含量均有影响(表1)。由表1 可知，整个生育期‘黑美人’西瓜叶片叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量均随Mg2+浓度的提高呈先升高后降低趋势，并在48 mg·L－1时达到最大值。伸蔓期Mg2+对叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量影响不显著，Mg2+浓度为48 mg·L－1时，类胡萝卜素含量明显提高，其他3 个浓度处理类胡萝卜素含量提高不明显。盛花期叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量在Mg2+浓度为0(CK)时最低，48 mg·L－1Mg2+处理分别比CK 提高了33.47%、43.01%、35.66%、29.18%，差异达极显著水平;96 mg·L－1处理分别比CK 提高了25.85%、42.56%、30.00%、20.50%，差异达显著水平。膨瓜期叶绿素a 含量在浓度为24、96 mg·L－1时升高比较明显，但叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量在48 mg·L－1处理时分别比CK 提高了54.51%、47.71%、34.43%，差异极显著，而其他浓度处理提高不明显。

表1 Mg 对‘黑美人’西瓜叶片光合色素含量的影响1)Table 1 Effect of magnesium on contents of photosynthetic pigments of‘Heimeiren’watermelon leaves

对西瓜叶片叶绿素a(Ca)、叶绿素b(Cb)、总叶绿素(CT)、类胡萝卜素(Ccar)进行生物相关性统计分析(表2)，得到其两两关系:Cb= －0.26 +0.39Ca(r =0.97＊＊)、CT= －0.26 +1.39Ca(r =1.00＊＊)、Ccar=0.25 +0.35Ca(r=0.95＊＊)、CT=0.76 +3.42Cb(r=0.99＊＊)、Ccar=0.56 +0.81Cb(r =0.87＊＊)、Ccar=0.33 +0.25CT(r=0.93＊＊)。该结果表明叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素及类胡萝卜素两两间关系极为密切，Mg2+对其中任何一指标的影响均会引起其他指标的变化。

2.2 Mg 对‘黑美人’西瓜叶片中可溶性蛋白含量的影响

Mg2+对‘黑美人’西瓜生育期叶片中可溶性蛋白含量均有影响(图1)。由图1 可知，叶片中蛋白质含量随Mg2+浓度的增加呈先提高后降低的趋势，并在Mg2+浓度为48 mg·L－1时达到最大值，各生育期缺Mg 和低Mg 处理的影响均比高Mg 处理显著。Mg2+浓度为0(CK)时，膨瓜期蛋白质含量明显低于其他2个生育期，而其他4 个浓度处理下叶片蛋白质含量下降不明显。48 mg·L－1处理时，3 个生育期蛋白质含量未出现明显差异。由此可见，膨瓜期是缺Mg 对西瓜叶片中可溶性蛋白含量影响的关键时期，适当增施Mg 肥可以提高叶片中可溶性蛋白含量，过量施Mg 肥也会影响其含量。

表2 M g 对‘黑美人’西瓜叶片光合色素含量相关性分析1)Table 2 Analysis of the correlativity of magnesium to contents of photosynthetic pigments in‘Heimeiren’

2.3 M g 对‘黑美人’西瓜叶片中可溶性糖含量的影响

Mg2+对‘黑美人’西瓜生育期叶片中可溶性糖含量均有影响(图2)。由图2 可知，伸蔓期、膨瓜期叶片中可溶性糖含量随Mg2+浓度的增加呈先提高后降低的趋势，Mg2+浓度为48 mg·L－1时，可溶性糖含量达到最高值。盛花期缺Mg 处理可溶性糖含量在各处理间没有显著差异。膨瓜期Mg2+浓度为48 mg·L－1时可溶性糖含量明显高于其他4 个处理，缺Mg、低Mg 和高Mg 处理间没有显著性差异。由此可见，膨瓜期是缺Mg 对西瓜叶片中可溶性糖含量影响的关键时期，该期适当增施Mg 肥可以提高叶片中可溶性糖含量，过量施Mg 肥也会影响其含量。

图2 M g 对‘黑美人’西瓜叶片中可溶性糖含量的影响Fig.2 Effect of magnesium on the content of soluble sugar in‘Heimeiren’watermelon leaves

2.4 M g 对‘黑美人’西瓜叶片中硝酸还原酶活性的影响

硝酸还原酶可以催化植物体内硝酸盐还原为亚硝酸盐，是植物体内N 代谢的关键酶。植物体吸收的能力可以通过硝酸还原酶活性反映出来，硝酸还原酶活性越强，植物吸收利用NO－3能力越强，反之越弱。随着Mg2+浓度的增加，‘黑美人’西瓜生育期硝酸还原酶活性呈先增强后减弱的趋势，并在48 mg·L－1时达最大值(图3)。各浓度处理下，硝酸还原酶活性随西瓜植株生长明显减弱，膨瓜期为同处理下的最小值。由此可见，膨瓜期是Mg 对硝酸还原酶影响的关键时期，此期适当施Mg 肥可以提高硝酸还原酶活性，促进根系对NO－3 的吸收，但过量施用Mg 肥也会减弱硝酸还原酶活性。

图3 Mg 对‘黑美人’西瓜叶片中硝酸还原酶活性的影响Fig.3 Effect of magnesium on nitrate reductase activity in‘Heimeiren’watermelon leaves

通过生物统计进行相关性分析，得到可溶性糖(Y)与可溶性蛋白(X)关系:Y =2.46 +0.33X(r =0.701＊＊);硝酸还原酶(Y)与可溶性糖(X)关系:Y=17.38 +3.07X(r=0.703＊＊);硝酸还原酶(Y)与可溶性蛋白(X)关系:Y=21.48 +1.5X(r=0.742＊＊)。两两间差异极显著，说明Mg2+可以影响西瓜叶片C、N 代谢及相关酶活性。

3 小结与讨论

C、N 代谢是植物重要的生理代谢之一［12］，C 代谢为植物N 代谢提供了能量和C 源，N 代谢为C 代谢提供光合色素和酶等［13］，二者共同促进植物的生长发育。叶绿素是植物光合作用的核心，其结构为1 个Mg 原子与4 个吡咯环上的N 结合的以卟啉为骨架的绿色色素。Mg 原子存在于叶绿素分子的卟啉环中心，占叶绿素分子量的2.7%。本研究表明，‘黑美人’西瓜各生育期Mg2+均对叶片叶绿素和类胡萝卜素含量产生影响，这与凌丽俐等［14］研究结论相符。随着Mg2+浓度的增加，‘黑美人’西瓜3 个生育期叶片叶绿素和类胡萝卜素含量均呈先升高后降低趋势，在48 mg·L－1时达到最大值，说明48 mg·L－1是‘黑美人’西瓜进行光合C 代谢合成糖等碳水化合物的适合Mg2+浓度，低于或超过此浓度会产生不利影响，这种影响在西瓜膨瓜期时达到显著效果;随着Mg2+浓度的增加，‘黑美人’西瓜叶片中可溶性糖含量呈先升高后降低趋势，在48 mg·L－1时达到最大值，膨瓜期各Mg2+浓度处理的可溶性糖含量均比同处理下的其他两个生育期少，进一步说明了膨瓜期是西瓜缺Mg 的敏感时期，各生育期‘黑美人’西瓜适合生长的Mg2+浓度为48 mg·L－1。Mg2+通过影响叶绿素组成和组分含量不同程度地影响西瓜叶片的光合系统，最终影响其C 代谢，造成西瓜体内碳水化合物含量降低。故在一定范围内，适当增施Mg 肥可提高西瓜叶片叶绿素含量，增强光合作用，促进可溶性糖等碳水化合物积累;过量增施Mg 肥反而影响叶绿素的积累，破坏光和系统，导致碳水化合物积累减少，减弱C、N 代谢能力。

硝酸还原酶是N 素代谢的限速酶，对植物的呼吸、光合及C 素代谢影响重大［15］。本研究表明，Mg 胁迫下‘黑美人’西瓜N 代谢紊乱，这与谢小玉等［16］对黄瓜的研究相似，主要表现在硝酸还原酶活性下降，缺Mg 胁迫比高Mg 胁迫影响更大，随着西瓜的生长，Mg 胁迫使硝酸还原酶活性下降幅度加大，在膨瓜期最严重。

可溶性蛋白质是植物正常生长必不可少的营养物质，其含量能够影响植物的生长发育和生物产量及果实品质［17］，Mg2+可以稳定合成蛋白质所必需的核糖体构型，缺Mg 使核蛋白体解离成小的核蛋白体亚单位，造成蛋白质合成受阻。本研究表明，在一定范围内，适当增施Mg 肥可以提高西瓜叶片中蛋白质含量，施Mg 肥过量则会降低含量。‘黑美人’西瓜各生育期缺Mg 或Mg 过量均会对其叶片中可溶性蛋白含量造成影响。膨瓜期各个Mg2+浓度处理下的可溶性蛋白质含量为3 个时期中的最小值，其中缺Mg 处理的影响显著，而Mg2+浓度为48 mg·L－1时，影响不显著，说明48 mg·L－1为‘黑美人’西瓜叶片合成与转运蛋白质的适合Mg2+浓度。生物统计表明，硝酸还原酶(Y)与可溶性蛋白(X)关系:Y=21.48 +1.5X(r =0.742＊＊)，两者呈极显著正相关，说明Mg 抑制了西瓜叶片中硝酸还原酶活性，从而影响西瓜体内蛋白质等含N 有机化合物的含量。

综上所述，在西瓜生产上应特别注意掌控好膨瓜期Mg 肥的用量，一定范围内适当增施Mg 肥可提高‘黑美人’西瓜叶片叶绿素含量，增强光合作用，促进可溶性糖等碳水化合物积累，提高硝酸还原酶活性，增加可溶性蛋白的合成。不施Mg 肥、施Mg 肥不足、过量增施Mg 肥将会影响西瓜的产量和品质。

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