干旱胁迫下不同生态型西瓜叶片抗氧化酶活性及产量分析

张化生，杨永岗，苏永全，李晓芳

(甘肃省农业科学院蔬菜研究所， 甘肃 兰州 730070)

干旱胁迫下不同生态型西瓜叶片抗氧化酶活性及产量分析

张化生，杨永岗，苏永全，李晓芳

(甘肃省农业科学院蔬菜研究所， 甘肃 兰州 730070)

选取11份不同生态型西瓜品种为研究对象，通过比较它们在旱砂田和正常供水条件下的生理响应，研究开花期不同生态型西瓜叶片抗氧化酶活性等生理特性。结果表明：旱砂田生长环境对西瓜形成较为强烈的干旱胁迫作用，不同生态型西瓜产量均降低，大果形西瓜产量降低幅度为18.6%～35.3%，小果形降低59.7%～67.8%，且品种间存在显著差异。分析认为大果形西瓜抗旱性优于小果形；干旱胁迫下，叶片丙二醛、脯氨酸积累，抗氧化酶SOD、POD、CAT活性增加，表明西瓜对干旱生长环境具有较高的敏感性，但不同生态型西瓜对干旱生长环境的生理响应存在显著差异；大果形西瓜品种脯氨酸含量、SOD、POD、CAT活性增幅较大，分别为83.2%～121.4%、55.2%～75.3%、118.1%～204.4%、52.0%～86.6%，而丙二醛含量增加幅度较小，为13.4%～39.8%；综合比较不同生态型西瓜产量和生理响应差异，认为不同生态型西瓜在旱砂田条件下均有一定的产量形成，且大果形西瓜抗旱性优于小果形，品种(组合)中青9号、NWU-13、陇抗9号、陇抗11号、JY12、津抗5号抗旱性较强，适合旱砂田栽培应用。

西瓜；干旱胁迫；抗氧化酶；果形产量；旱砂田

旱砂田西瓜已成为西北干旱区农业的特色支柱产业之一，栽培面积逐年增加[1]。近年来，受气候干旱化趋势加重和水资源短缺的影响，该项技术愈受重视[2-6]，特别是振兴砂田产业的新形势下[7]，如何提高西瓜产量和生产效益是西北干旱地区农业发展的关键。干旱胁迫是西北干旱区西瓜栽培的主要问题[2]。植物对干旱胁迫的反应与适应性有两个方面：一是植物形态解剖对干旱胁迫的反应和适应性，主要包括叶片和根系的生长排列和结构的变化；二是植物对干旱胁迫的生理生化反应和适应性，主要包括渗透调节、光合和呼吸代谢、蒸腾作用、活性氧代谢、糖代谢、核酸代谢和内源激素等[8,13]。由于作物生理过程的复杂性和环境条件的多变和综合性，使作物适应干旱的方式也多样化，且许多作物具有多种适应方式，同一物种的不同生态类型与不同阶段对干旱的适应方式也不相同[8,13-14]。前人在西瓜对干旱胁迫及其生理生化指标进行了大量研究[2-7]，但试验结果多数是在实验室人为模拟水分亏缺状态下取得，对旱砂田环境下不同生态型西瓜的适应性研究不够充分。本研究采用正常大田生长环境和旱砂田自然干旱胁迫处理，选取不同生态型的西瓜品种，探讨干旱胁迫下叶片抗氧化酶活性等生理指标和产量的变化，为西瓜抗旱育种、旱砂田的高效栽培提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参加试验材料共11份：中青5号、NWU-13、ZGS-16、津抗5号、陇抗11号、陇抗9号、11PB09、JY-012、BSS-945、S-505、LS-917。

表1 供试西瓜品种基本情况

1.2 试验设计

试验于2014年在两种生态环境下进行，研究不同西瓜品种的环境适应性和生理响应。其一，在旱砂田环境进行(T)，试验地点是甘肃省皋兰县中心乡三坪村，海拔1 800 m左右，2014年试验区降雨量为289.5 mm，西瓜生育期降雨量为106.04 mm(图1)，属于严重的欠水年份；其二，在正常灌溉条件下进行(CK)，在甘肃省农业科学院蔬菜研究所西瓜甜瓜育种基地塑料大棚内，在伸蔓期、坐果期、果实膨大期进行灌溉，伸蔓期灌水20 m3，坐果期和果实膨大期灌水30 m3。两组试验均为随机区组排列，3次重复，以品种为小区，小区面积9 m2。T处理西瓜全生育期处于自然水分胁迫状态下，CK处理则在开花、坐果、果实膨大期间进行灌溉，以保证西瓜正常生长发育。开花期采西瓜叶片鲜样进行生理生化指标测定；于果实成熟期测定小区产量。

图1 旱砂田西瓜全生育期降水量

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤含水量 用烘干法、称重法测定土壤含水量，分别在西瓜播种期、开花期、坐果期、果实膨大期0～20 cm、20～40 cm土壤含水量进行测定。用土钻采取土样，在105℃的烘箱内将土样烘6～8 h至恒重，土壤含水量=(烘干前铝盒及土样质量-烘干后铝盒及土样质量)/(烘干后铝盒及土样质量-烘干空铝盒质量)×100%

1.3.2 生理生化指标 在开花期对西瓜叶片鲜样进行生理生化指标测定。游离脯氨酸含量采用磺基水杨酸提取后采用酸性茚三酮显色法测定；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法(TBA)测定；过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚显色法测定；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)还原法测定；过氧化氢酶(CAT) 活性采用紫外吸收法测定，以1 min内A240降低0.1为一个酶活性单位(U)；以上各项指标测定参照高俊凤等方法[9]。

1.4 抗旱性评判

以兰巨生等提出、胡福顺修订和GB/T21127—2007规定的抗旱指数(IDR)，评价每份参试材料的抗旱性[10]：

式中，Y待测和Y对照分别为待测材料和对照品种在水分胁迫(旱地) 条件下的产量；y待测和y对照分别为待测材料和对照品种在浇灌(水地)条件下的产量。IDR越大，则待测材料的抗旱性也越强。具体分级为：IDR≥1.3，极强；1.3>IDR≥1.1，强；1.1>IDR≥0.9，中等；0.9>IDR≥0.7，弱(S)；IDR<0.7，极弱。

1.5 数据处理与分析

用Excel 2007和DPS统计分析软件处理数据、Tukey法检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同处理西瓜生育期土壤含水量

从表2可以看出，西瓜全生育期旱砂田土壤0～20、20～40 cm含水量均显著低于对照。旱砂田土壤0～20 cm含水量6.63%～10.99%，20～40 cm含水量3.94%～10.3%，西瓜开花期土壤含水量最低，仅有3.94%，对西瓜生长形成较严重的干旱胁迫；正常供水条件土壤0～20 cm含水量12.87%～15.44%，20～40 cm含水量11.48%～15.32%，西瓜开花期土壤含水量最低，水地西瓜开花期适度的水分亏缺有利于培育壮苗。

表2 不同处理西瓜生育期土壤含水量

注：表中不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，下同。

Note: Different lowercase letters show significant difference atP<0.05 level, the same as below.

2.2 不同生态型西瓜品种产量和抗旱性评价

不同生态型西瓜品种在正常供水和旱砂田条件下适应性不同，正常供水条件下产量均显著高于旱砂田，且品种间也存在差异(表3)。正常供水下ZGS-6产量为3 659.6 kg·667m-2，显著高于其它品种；其次是陇抗9号、陇抗11号、11PB09、津抗5号、BSS-945、NWU-6产量差异不显著，LS-917、S-505产量最低；在旱砂田条件下，大果形西瓜品种产量不存在显著差异，小果形西瓜BSS-945、LS-917、S-505产量显著低于大果形。采用产量抗旱指数评价品种的抗旱性是比较准确可靠的鉴定方法[10]。研究结果表明，以陇抗9号作为对照品种，不同生态型西瓜品种抗旱性存在差异：中青9号、NWU-13、陇抗9号、陇抗11号、JY12、津抗5号属于中等抗旱性；ZGS-6、11PB09抗抗性较弱；BSS-945、LS-917、S-505抗旱性极弱；大果形西瓜抗旱性较强。

2.3 不同生长环境下西瓜叶片丙二醛含量的变化

本试验中用MDA含量来衡量西瓜在不同生长环境下脂质过氧化程度。从图2可以看出，旱砂田条件下西瓜叶片MDA含量显著高于正常供水。与对照相比，各品种MDA含量均增加，变化幅度在13.4%～93.6%；其中BSS-945、LS-917、S-505 MDA含量增幅显著高于其它品种；正常供水下不同生态型西瓜叶片MDA含量在6.5～7.8 μmol·g-1，品种间西瓜叶片MDA含量相差较小，西瓜类型间不存在差异；但在旱砂田条件下，小果形西瓜叶片MDA含量均高于大果形，表明西瓜类型对环境的敏感性存在显著差异，且小果形西瓜对环境较为敏感，膜脂过氧化程度较高。

2.4 不同生长环境下西瓜叶片脯氨酸含量变化

植物体内脯氨酸含量在一定程度上反映了植物的抗逆性，抗旱性强的品种往往积累较多的脯氨酸[12]。从图3可以看出，在旱作条件西瓜叶片脯氨酸含量均高于正常供水，表明水分亏缺促进西瓜脯氨酸积累；正常供水条件下，不同西瓜叶片脯氨酸含量43.2～54.6 μg·g-1，品种间相差0～11.4 μg·g-1；干旱条件下，不同西瓜叶片脯氨酸含量63.0～110.3 μg·g-1，品种间相差0～47.3 μg·g-1；大果形西瓜脯氨酸含量变幅较大，且显著高于小果形；旱砂田条件下，品种ZGS-6、陇抗9号、陇抗11号、11PB09、JY-012脯氨酸含量显著高于其它品种，说明以上品种具有较强的抗旱性；品种BSS-945、LS-917、S-505抗旱性较差，不适合旱作栽培。

表3 不同类型西瓜产量和抗旱性评价

图2 西瓜叶片MDA含量

图3 脯氨酸含量变化

2.5 不同处理对西瓜叶片SOD酶活性的影响

从图4可以看出，不同生态型西瓜叶片SOD活性在旱作条件显著高于正常供水条件，各西瓜品种SOD活性均增加，且品种间SOD活性存在显著差异；大果形西瓜SOD活性变化幅度55.2%～75.3%，小果形西瓜变化幅度37.8%～43.7%，除品种ZGS-6和JY-012外，大果形西瓜品种SOD活性变化幅度均显著高于小果形。前人研究表明，轻度和中度干旱可诱导SOD活性增强，而重度干旱可使SOD活性降低，抗旱性较强的植物能维持体内较高的活性氧清除酶活性[13]。综合分析SOD活性大小和变幅判断：大果形西瓜的抗旱性优于小果形，品种陇抗9号、11PB09、津抗5号抗旱性较强，S-505、BSS-945、LS-917较差。

图4 SOD酶活性变化

2.6 不同处理对西瓜叶片POD酶活性的影响

POD是植物体内担负清除H2O2的主要酶类之一，POD能催化其它底物后产生H2O2。POD活性与作物的抗旱性密切相关[8]。从图5可以看出，在旱作条件下，各品种西瓜叶片中POD活性均显著高于正常供水，说明干旱胁迫促进西瓜叶片POD活性增大；大果形西瓜叶片中POD活性65.1～92.2 U·g-1，小果形西瓜50.9～60.5 U·g-1，大果形西瓜叶片POD活性显著高于小果形；在正常供水条件下，大果形西瓜叶片POD活性与小果形不存在显著差异。从西瓜叶片POD活性的变化幅度可以看出，大果形显著高于小果形，表明大果形西瓜对干旱胁迫具有较强的适应性，与小果形西瓜相比具有较强的抗旱性。

2.7 不同处理对西瓜叶片CAT酶活性的影响

CAT在干旱胁迫下活性增加，CAT只有在水分胁迫达到一定程度时才发挥作用[8]。从图6可以看出，西瓜在旱作条件下CAT活性显著高于正常供水条件，说明旱砂田土壤水分亏缺达到一定程度，CAT活性显著增加且发挥作用；不同类型西瓜品种CAT活性变化存在显著差异，大果形西瓜CAT活性大于小果形西瓜，表明大果形西瓜对旱作生长环境有较强的适应性，其中ZGS-6、陇抗9号抗旱性优于其它品种。

图5 POD酶活性变化

图6 CAT酶活性变化

3 讨 论

西北干旱区降水稀少，季节性干旱频发，旱砂田西瓜开花期干旱时有发生，严重影响西瓜的产量形成[1-5]。探索不同抗旱能力品种在旱砂田下的生理生化特征，对于西瓜抗旱高产育种及栽培具有重要意义。

水分胁迫影响作物生长发育的各个阶段，胁迫强度、时间长短、生育期不同，水分胁迫对作物的影响也不相同。一般通过选择某一发育阶段的植株来测定其抗旱性[8,14]。在自然环境胁迫下选择对环境胁迫比较敏感的生长时期，对植株进行抗旱性测定，可以在严格的环境下测量[8,13-14]。前人对西瓜抗旱性鉴定以及西瓜在干旱胁迫下的生理响应等方面做了许多研究[3-5]，但多数基于盆栽的土壤干旱条件下或西瓜苗期进行，试验结果存在一定的局限性。本研究在旱砂田条件下选取对环境胁迫敏感性不同的西瓜品种，在对水分敏感的伸蔓期进行生理生化指标进行测定，该生育期正好是旱砂田土壤含水量最低的时候，干旱胁迫最为严重，土壤0～20 cm含水量6.63%，20～40 cm含水量3.94%。

当干旱发生时，植物体通过组织内发生一定的适应性变化，可以调节干旱逆境对组织的伤害。但随着干旱程度的增加，由于植株脱水而导致结构功能损害，严重影响产量形成[8,13-14]。本研究田间水旱对比试验品种抗旱指数和产量及其变幅可以看出，西瓜品种间对干旱的适应能力差异较大，大果形品种抗旱性优于小果形，而这一结果从生理学的角度亦可得到解释。植物在遭受干旱胁迫时，细胞膜发生过氧化作用而受到损伤，MDA是脂质过氧化作用的产物之一，是检测膜损伤程度的公认指标[15]。正常条件下，植物体内活性氧的产生和清除处于一个相对稳定的动态平衡状态，干旱逆境因为光合电子传递链过度还原而使H2O2、O2-等活性氧不断增加，进而间接启动膜质过氧化而使MDA含量大量积累[8,13-14]。本研究结果显示，旱砂田环境下，西瓜叶片MDA含量显著高于对照，抗旱性强的品种MDA的积累量相对较少，说明细胞膜发生过氧化作用受损较轻，这与莫言玲等[4-5]的研究结果一致。植物为保护自身免受活性氧的伤害，可通过提高抗氧化酶活性清除植物内的自由基。保护酶活性可以看出植物膜系统受伤害程度，SOD、POD、CAT都是植物组织防御系统中的重要保护酶[14]，本研究中不同生态型西瓜的SOD、POD、CAT活性对干旱胁迫的响应方式相同，这与鞠乐等[11-12]在研究大麦和大豆对干旱胁迫的响应结果相似。抗旱性强的品种SOD、POD、CAT活性明显高于抗旱性弱的品种，且抗旱性强的品种SOD、POD、CAT活性增加幅度较大。

渗透调节主要通过植物细胞在干旱胁迫下主动积累溶质来降低水势以从外界水势较低的介质中继续吸水，维持膨压等生理过程。目前在许多植物和作物上发现有渗透调节能力，但植物的渗透调节强度是随物种和基因型的不同而异[16]，在有机渗透调节物质中，目前研究最多的是脯氨酸。各种逆境都会引起植物体内脯氨酸累积，尤其干旱胁迫累积最多，可比原始含量增加几十倍到几百倍[14]。脯氨酸含量变化常被用作渗透调节能力大小的生理指标。本研究中干旱胁迫下不同类型西瓜品种叶片中脯氨酸含量均显著增加，抗旱能力强的品种脯氨酸含量增加幅度大，这与莫言玲[5]研究不同基因型西瓜对干旱胁迫的生理响应结果类似。

综上所述，本研究基于旱砂田自然环境下，在对干旱胁迫较为敏感的开花期研究不同生态型西瓜的生理响应，这对旱砂田品种选择、抗旱育种的针对性具有重要的辅助作用。本研究结果尽管是一年试验研究获得，但试验设计基于大田生产实际，试验结果可真实地反映不同生态型西瓜的抗旱性。

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Antioxidantenzymesactivitiesinleavesandyieldanalysisofdifferentecologicaltypeswatermelonunderdroughtstress

ZHANG Hua-sheng, YANG Yong-gang, SU Yong-quan, LI Xiao-fang

(VegetableResearchIbstituteofGansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou,Gansu730070,China)

The aim of this experiment was to study the relationship between yield and antioxidant enzyme activity in leaves of different ecological types of watermelon during flowering period. Eleven watermelon varieties with different ecotypes were grew in gravel-mulched field (water shortage) and normal water supply condition, the malondialdehyde (MDA), proline content and antioxidant enzymes activity such as superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and peroxidase (POD) in leaves were measured. The results showed that there existed marked drought stress in gravel-mulched field, yields of all types of watermelon were decreased, being 18.6%～35.3% and 59.7%～67.8% in large fruit size and small fruit size, respectively, suggesting that large fruit size possessed stronger drought resistance than that of small one. In addition, there were significant differences among varieties. Under drought stress, MDA, proline content, as well as SOD, POD, CAT activity in leaves were increased, indicating that watermelon was sensitive to drought. Moreover, the response of watermelon to drought were variety dependent. The content of proline, activity of SOD, POD, CAT in large fruit size varieties in creased by 83.2%～121.4%, 55.2%～75.3%, 118.1%～204.4%, 52.0%～86.6%, respectively, the range was greater than that of small fruit size varieties, meanwhile, the content of MDA increased by 13.4%～39.8%, the range was smaller than that of small fruit size. Taking fruit yield and physiological response into consideration, we argued that all ecotypes of watermelons gained a certain yield level under gravel-mulched conditions, and large fruit watermelon had a stronger drought resistance than small fruit did. Zhongqing 9, NWU-13, Longkang 9, Longkang 11, JY12 and Jinkang 5 had stronger drought resistance, which may be suitable for gravel-mulched field.

watermelon; drought stress; antioxidant enzymes; fruit shape yield; gravel-mulched field

1000-7601(2017)03-0138-06doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2017.03.22

2016-03-20

：2017-03-24

：国家西甜瓜产业技术体系兰州综合试验站项目(CARS-26-62)；农业部西北地区蔬菜科学观测实验站项目(2015-A2621-620321-G1203-066)

张化生(1980—)，山西定襄人，助理研究员，主要从事瓜类育种与栽培。 E-mail:zhswhl@163.com。

S651

： A