外源钙对干旱胁迫下黄瓜幼苗叶片膜脂过氧化和光合特性的影响

陈露露　王秀峰　刘美　杨凤娟　史庆华　魏珉　李清明

摘要：为了探讨外源钙提高植物抗旱性的相关机制，本试验研究了干旱胁迫下（PEG模拟干旱），叶面喷施CaCl₂对黄瓜幼苗生长、叶绿素含量、膜脂过氧化、脯氨酸和蛋白质积累以及光合气体交换参数的影响。结果表明：叶面喷施CaCl₂可以促进干旱胁迫下黄瓜幼苗的生长，提高叶片的叶绿素的含量、净光合速率、蒸腾速率以及水分利用率，降低膜脂过氧化程度及脯氨酸和可溶性蛋白的积累量，缓解了干旱对黄瓜幼苗的不利影响，从而增强植株对干旱的适应能力。

关键词：黄瓜幼苗；干旱胁迫；CaCl₂；膜脂过氧化；光合特性

中图分类号：S642.201 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2016）04-0028-06

干旱一直是一个全球性的问题。据有关资料统计，全球超过三分之一的土地分布于干旱和半干旱地区。在我国，干旱、半干旱土地面积约占全国总面积的47%，其中干旱、半干旱的耕地面积约占耕地总面积的51%。随着全球旱情的不断发生，关于作物抗旱机理的研究日益受到重视。

黄瓜（Cucumis sativtts L.）是一种世界性蔬菜，也是我国蔬菜栽培的主要种类之一。研究表明，黄瓜幼苗比较容易受干旱胁迫的影响，生长缺水将严重影响黄瓜的产量及品质。

钙（Calcium）是植物生长发育所必需的一种大量元素，具有保护膜结构、稳定膜功能的作用，而且钙还可以作为第二信使与CaM（钙调素）结合偶联胞外信号与胞内的生理生化反应，通过稳定植物细胞壁、细胞膜的结构及诱导特异基因的表达等方式来提高植物对逆境的抗性。近年来，关于通过外源钙调节植物多种生理代谢来提高植物抗逆性的研究取得了一定的进展。张会慧等研究表明，叶面喷施CaCl₂溶液可使干旱条件下烤烟叶片的光系统Ⅱ保持相对较高的活性，从而增强了烤烟幼苗的抗旱能力。目前，有关钙提高黄瓜幼苗抗旱性的研究较少，因此本试验在PEG-6000模拟干旱的条件下，研究钙对不同程度干旱胁迫下黄瓜幼苗的营养生长、生理活动及光合特性的影响，以期为钙作为抗旱诱导剂在黄瓜生产上的推广应用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2015年5～7月在山东农业大学玻璃温室内进行。供试黄瓜品种为“津优35号”，由天津科润黄瓜研究所提供。

先将黄瓜种子在清水中浸泡2h，然后用5%NaClO消毒15min，再用清水冲洗几遍，最后放入恒温箱中（28±0.5）℃催芽。待出芽后，挑选萌发一致的种子播种于穴盘中，每穴播2粒，基质为草炭和蛭石（2：1）配制。待子叶展平后，选留一株生长健壮的幼苗。待幼苗长至2片真叶时，选取长势一致的幼苗进行水培（营养液用日本山崎黄瓜专用配方）。每3天更换一次营养液。

1.2 试验设计

待幼苗长至三叶一心时叶面喷施CaCl₂溶液（在预备试验基础上筛选出叶面喷施CaCl₂的最佳浓度为10mmol·L^-1），每天喷施2次，时间分别为上午9：00和下午3：00，连续处理2天，缓解1天后再进行干旱胁迫处理。

根际干旱胁迫采用PEG-6000模拟干旱，共设6个处理：①对照（CK）：完全营养液；②中度干旱胁迫（M）：含5%PEG-6000的营养液；③重度干旱胁迫（S）：含10%PEG-6000的营养液；④CK+Ca：完全营养液处理下，叶面喷施CaCl₂溶液；⑤M+Ca：中度干旱胁迫下，叶面喷施CaCl₂溶液；⑥S+Ca：重度干旱胁迫下，叶面喷施CaCl₂溶液。每个处理6盆即30株幼苗。在干旱胁迫的第4天和第7天，进行各项指标的测定。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生长指标的测定 在胁迫处理后的第7天取样测量植株的株高、茎粗、鲜干重及叶片的相对含水量。

1.3.2叶绿素含量的测定 采用Arnon法测定叶绿素的含量。

1.3.3

MDA和电解质渗出率的测定 MDA含量参照E1-Tayeb的方法测定，电解质渗出率直接用电导仪测定。

1.3.4 脯氨酸含量的测定 采用茚三酮显色法测定。

1.3.5 可溶性蛋白含量的测定 采用Brad-ford的方法测定。

1.3.6 光合气体交换参数的测定 采用CIRAS-2便携式光合测定仪测定，水分利用效率则按照WUE=Pn/Tr计算。

2 结果与分析

2.1 外源钙对干旱胁迫下黄瓜幼苗营养生长的影响

由表1可以看出，干旱胁迫下，叶面喷施CaCl₂后，黄瓜植株的各项生长指标均有不同程度的提高。在重度胁迫下，喷施与未喷施CaCl₂处理的黄瓜幼苗株高、茎粗及植株鲜重、植株干重、叶片相对含水量差异均达显著水平；在中度干旱胁迫下，喷施CaCl₂显著提高了黄瓜幼苗的株高、植株鲜重以及叶片相对含水量，表明叶面喷施CaCl₂可在一定程度上缓解干旱胁迫对黄瓜幼苗生长的抑制作用。

2.2 外源钙对干旱胁迫下黄瓜幼苗生理特性的影响

2.2.1 对黄瓜幼苗叶片叶绿素含量的影响 由表2可以看出，干旱胁迫7天后，黄瓜幼苗叶片叶绿素含量显著低于对照；叶面喷施CaCl₂后，叶片叶绿素含量均有不同程度的提高。其中，在中度干旱胁迫下，叶面喷施CaCl₂处理的植株叶片叶绿素b、类胡萝卜素含量与对照差异不显著；在重度干旱胁迫下，叶面喷施CaCl₂处理的黄瓜幼苗叶片叶绿素含量均显著高于未喷施CaCl₂处理的，但与对照相比差异仍显著。表明在重度干旱胁迫下叶面喷施CaCl₂可在一定程度上缓解干旱胁迫对黄瓜幼苗叶片叶绿素含量的影响。

2.2.2 对黄瓜幼苗MDA和电解质渗出率的影响

由图1可以看出，干旱胁迫下叶面喷施CaCl₂与未喷施的植株相比，叶片中的MDA含量显著下降，在胁迫4天时，中度胁迫与重度胁迫分别下降了7.12%和5.67%；在胁迫7天时，中度胁迫与重度胁迫分别下降了13.60%和11.48%。此外，叶面喷施CaCl₂后显著降低了受胁迫植株叶片的电解质渗出率，胁迫4天时，中度胁迫与重度胁迫分别下降了4.81%和4.59%；胁迫7天时，中度胁迫与重度胁迫分别下降了7.43%和6.48%。由此可见，外源钙可以减少黄瓜幼苗叶片细胞膜脂过氧化产物MDA的积累，降低电解质渗出率，从而缓解干旱胁迫对细胞膜造成的伤害。

2.2.3 对干旱胁迫下黄瓜幼苗脯氨酸含量的影响 由图2可以看出，喷施CaCl₂的黄瓜幼苗植株与对照相比，在中度胁迫下，第4天和第7天叶片中的脯氨酸含量分别降低了10.1%和16.7%；在重度胁迫下，第4天和第7天叶片中脯氨酸含量分别降低了6.1%和13.6%，各处理问差异均达到显著水平。

2.2.4 对干旱胁迫下黄瓜幼苗可溶性蛋白含量的影响 由图3可以看出，正常培养的植株叶面喷施CaCl₂与其对照相比，黄瓜幼苗叶片的可溶性蛋白含量无明显差异；干旱胁迫下，黄瓜幼苗叶片的可溶性蛋白含量显著高于对照，喷施CaCl₂后，与未喷施CaCl₂的处理相比，黄瓜幼苗叶片的可溶性蛋白含量显著降低。重度胁迫下，喷施与未喷施CaCl₂处理问相比，可溶性蛋白含量分别下降了1.03%和1.79%。表明干旱胁迫下，外源钙可以在一定程度上减少叶片中可溶性蛋白的积累量。

2.3 外源钙对干旱胁迫下黄瓜幼苗叶片光合气体交换参数的影响

由图4可以看出，干旱胁迫使得黄瓜幼苗叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）均呈下降趋势，且胁迫程度越大下降越明显，各处理问的差异均达到显著水平。喷施CaCl₂后，各处理与其对应未喷施CaCl₂的处理相比，黄瓜幼苗叶片Pn、Tr和Gs均显著升高，喷施CaCl2使对照、中度和重度干旱胁迫的Pn第4天和第7天分别升高了6.35%、10.2%、30.1%和9.37%、15.2%、21.8%，Tr分别升高了6.85%、9.01%、22.5%和7.97%、12.0%、17.9%，Gs分别升高了12.6%、25.6%、11.6%和2.08%、15.17%、11.7%。表明外源钙在正常水分条件和干旱胁迫下均可以显著提高黄瓜幼苗叶片的Pn、Tr以及Gs，从而减轻干旱胁迫对黄瓜幼苗造成的伤害。

水分利用率（WUE）是由Pn和Tr共同决定，干旱胁迫下黄瓜幼苗叶片的WUE显著高于对照，随着干旱程度的加重WUE也随之提高。喷施CaCl₂后，各胁迫处理问与其未喷施CaCl₂的相比WUE均略有提高，对照、中度和重度胁迫的幼苗叶片WUE第4天和第7天分别升高了0.40%和1.63%、1.38%和3.66%及8.99%和4.23%，但各处理问差异不显著。表明在正常水分条件下和干旱胁迫下，外源钙对提高黄瓜幼苗叶片的水分利用率效果并不明显。此外，在不同程度的干旱胁迫下，与对照相比叶片胞间C02浓度（Ci）显著下降，但叶片温度（T）变化不大；对照和干旱胁迫下，喷施CaCl₂与未喷施CaCl₂的处理相比黄瓜幼苗Ci有不同程度的升高。

3 结论与讨论

干旱胁迫影响植物的各项生理指标，从而在一定程度上抑制植物的生长。本研究结果表明，叶面喷施CaCl₂可以促进干旱胁迫下黄瓜幼苗的营养生长，促进株高、茎粗的增长，提高叶片的干鲜重及相对含水量。干旱胁迫下，喷施CaCl₂可以提高黄瓜幼苗叶片的叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率以及水分利用率，并且降低膜脂过氧化程度，降低脯氨酸和可溶性蛋白的积累量，在一定程度上缓解了干旱对黄瓜幼苗的不利影响，从而增强植株对干旱的适应能力。水分胁迫会对植物造成伤害，已有较多报道，蒋明义等认为干旱胁迫不仅会引起植物体内水分含量的下降，还会使细胞内自由基产生和清除的平衡关系受到破坏，导致细胞内积累的自由基攻击膜系统，从而导致膜脂过氧化，使细胞的相对电导率增大和叶绿素含量降低，从而加速细胞的衰老。

MDA是膜脂过氧化的产物之一，其含量与植物受伤害的程度呈正相关。本研究表明，干旱胁迫下，黄瓜幼苗MDA不断积累，电解质渗出率增加，而叶面喷施外源钙降低了MDA含量及电解质渗出率，表明钙能够在一定程度上缓解干旱胁迫对细胞膜的伤害。此外，外源钙促进了黄瓜叶片脯氨酸的积累，可降低细胞渗透势，渗透调节能力增强，以降低细胞水势，减少水分散失，使植物组织的含水量维持在细胞伤害的临界点之上，这也是植物适应干旱环境的一个重要生理机制。

一般植物体内所含有的大多数可溶性蛋白是一些参与各种生理代谢的酶类，其含量是衡量植物体内总代谢水平的重要指标之一。干旱胁迫下外源钙对植物幼苗中可溶性蛋白含量影响方面的研究仍较少，仅在花生、豆类等植物上有所研究。顾学花等的研究表明，在干旱胁迫下施钙可以在一定程度上增加花生籽仁蛋白质的含量，从而提高产品的品质。本试验中，干旱胁迫下黄瓜幼苗叶片可溶性蛋白含量增加，而喷施CaCl₂后，其含量有所降低，机理有待进一步深入研究。

本试验中，外源钙使干旱胁迫下的黄瓜幼苗叶片叶绿素含量增加，从而使幼苗叶片的Pn增大。水分利用效率作为评价干旱条件下植物生长的综合指标之一，其值越高，表明固定单位质量CO₂所需的水量越少，水分生产力就越高。郝敬虹等的研究结果显示干旱胁迫下黄瓜幼苗叶片的WUE呈现先升高后降低的趋势，而本研究结果表明干旱胁迫后，黄瓜幼苗叶片WUE增大，其原因可能是本试验的干旱胁迫时间较短，植株仍是通过关闭气孔的方式使Tr下降，从而降低了蒸腾过程中所失的水分。同时干旱胁迫下，叶面喷施外源钙又能够提高Pn、WUE、Tr以及GS和Ci，进而提高黄瓜幼苗的生理代谢能力及胁迫适应能力。

综上所述，干旱胁迫抑制黄瓜幼苗的生长，而叶面喷施CaCl₂可使黄瓜幼苗叶片的叶绿素含量增加，净光合速率提高，MDA、脯氨酸、可溶性蛋白含量及电解质渗出率降低，减缓干旱胁迫对黄瓜幼苗造成的伤害，从而增强植株对干旱的适应能力。