砧木对黄瓜嫁接苗地上部硅元素转运的影响

段颖　向成钢　胡军　马玮　孙廷珍　尹国香　王长林

摘要：以去蜡粉南瓜砧木‘488、非去蜡粉南瓜砧木‘277以及黄瓜‘1184为试材，对各嫁接组合幼叶施用不同浓度Na₂SiO₃，研究砧木对黄瓜嫁接苗地上部硅转运的影响。结果表明，（1）叶片外源施硅明显提高各嫁接苗地上部硅元素含量；（2）嫁接可缓解外源施硅对嫁接苗在植株高度、叶片伤情等方面的抑制作用；（3）去蜡粉砧木嫁接苗的地上部叶片吸收硅元素能力低于非去蜡粉砧木嫁接苗和自根苗；（4）去蜡粉砧木嫁接苗的果实邻近叶、果肉转变为硅元素地上部转运的新库，从而抑制硅元素向果皮转运，降低果面蜡粉含量。

关键词：黄瓜；南瓜；嫁接；砧木；蜡粉；硅转运

黄瓜（Cucumis sativus）和南瓜（Cucurbita）均为葫芦科一年生草本植物。黄瓜在我国栽培面积广泛，以果皮光泽度较高、蜡粉含量较少的果实类型较受消费市场喜爱。采用经典育种方法进行黄瓜果面低蜡粉品种的选育，往往需要经历较长的培育周期，而利用合适的南瓜砧木可显著降低黄瓜果面蜡粉含量，已成为改善黄瓜果实外观品质性状的重要手段之一。

黄瓜表面蜡粉首先由花前幼果果皮细胞垂直于果面向外分裂成柄细胞和粒细胞，随后粒细胞成熟，细胞核消失，硅化物析出至细胞表面。成熟黄瓜果面蜡质呈白色粉状，含水量较低，主要成分为SiO₂，约占蜡粉灰分比重的50%，此外，也检测到CaO以及痕量ZnO、MnO等金属氧化物。

研究表明，植物表面的蜡质具有提高营养器官机械强度、抵御病虫害等造成的机械损伤、减少非气孔水分散失等功能，从而提高植物对逆境的抵抗力。但在黄瓜生产中，较高的蜡粉含量会严重影响商品果实外观品质。目前研究表明，黄瓜果面蜡粉与根部对硅元素的吸收和转运密切相关。目前关于南瓜砧木降低黄瓜接穗果面蜡粉含量的研究，主要集中于砧木根系对土壤硅元素的吸收能力差异上。以去蜡粉能力较弱的黑籽南瓜（Cucurbitaficifolia）为砧木，嫁接后植株硅元素含量较高，去蜡粉效果显著低于去蜡粉能力较强的南瓜砧木。然而，南瓜砧木对嫁接苗硅元素的转运调控机制研究尚存在很多空白。

笔者利用不同去蜡粉能力的南瓜砧木与黄瓜接穗进行嫁接，通过向嫁接苗幼嫩叶片喷施外源硅元素，以不依赖根吸收的方式提高嫁接苗植株硅元素含量，并对硅元素在不同嫁接组合植株各器官的转运和再分配过程进行研究，旨在明确南瓜砧木对嫁接苗硅元素在地上部转运及对果面蜡粉含量的调控规律，为黄瓜果实外观品质改良提供理論依据。

1材料与方法

1.1材料

不同去蜡粉能力的南瓜砧木种质由中国农业科学院蔬菜花卉研究所南瓜育种课题组提供。其中，南瓜砧木‘488去蜡粉能力强，‘277去蜡粉能力弱。黄瓜接穗‘1184由中国农业科学院蔬菜花卉研究所黄瓜育种课题组提供，其成熟果实呈灰绿色，表面蜡粉层厚。

1.2试验设计

2015年8月-11月在中国农科院蔬菜花卉研究所基地进行试验。50孔穴盘直播，接穗比砧木晚播3d。待砧木子叶平展、接穗第1真叶展开时以插接法嫁接，共3种嫁接组合（表1），每处理10株。嫁接苗遮阴保湿7d后定植于南圃场试验基地，行距100cm，株距30cm，常规田间管理。

定植15d后开始进行硅喷施处理，配制浓度分别为10、50、100mmol·L^-1Na₂SiO₃溶液，以ddH₂O为对照，清晨均匀喷施于各嫁接组合接穗茎尖及顶端幼叶，每株苗喷施约20mL，每隔2d喷施1次，共喷施7次。每个Na₂SiO₃浓度各包括3种嫁接组合，设置3次重复。

1.3测定项目和方法

1.3.1生长指标定植14d和28d后对各嫁接组合株高进行测定，每次测定10株，以未喷施Na₂SiO₃的对照组中各嫁接组合的植株高度为100%，对喷施不同浓度Na₂SiO₃处理下的植株高度测定数据计算相对生长率。果实长至21 DAP（Dav After Polli-nation，授粉后时间）时对植株叶片伤情进行调查分级，每个嫁接组合、每处理分别调查50片植株叶片，依据如下：Ⅰ级一叶片全绿，完全没有病斑或极少病斑；Ⅲ级一叶片全绿，病斑直径不超过2mm；Ⅴ级一叶片生长受限，叶色发黄，病斑直径不超过1cm；Ⅶ级一叶片生长受限，叶片病斑成片连接，面积不超过叶面积1/2；Ⅸ级一叶片生长受限，叶面大部分枯黄。

1.3.2果面蜡粉含量测定 从各嫁接组合中选取开花时间相同的果实4个，取样时间为开花后3d（幼果）、开花后7d（中果）、开花后14d（大果）和开花后21d（老果）。利用HP-200型色差计参照胡军等的方法测定果实表面明度差。

1.3.3硅元素含量测定 取植株幼叶、果实邻近叶、成熟老叶、果皮1～2mm厚组织、果皮下5-10mm果肉，参照胡军等的方法进行硅含量（以鲜质量计）测定：称取鲜样100mg，加入新配0.4mL1mol·L^-1HCl提取液研磨成匀浆，再加入0.4mL1mol·L^-1HCl浸提10min，12000r·min^-1离心5min。取上清液0.1mL转入离心管，加入0.4mL1mol·L^-1HCl和5%钼酸铵0.24mL混匀，于90℃沸水浴孵育1min，加入硫酸/草酸混合液0.8mL，6%硫酸亚铁铵（含2%硫酸）0.32mL混匀，分光光度计测定810nm吸光度。

1.4数据统计与分析

试验采用Excel 2013和SPSS 23.0进行数据统计分析。endprint

2结果与分析

2.1砧木对嫁接苗营养生长的影响

定植14d后低浓度Na₂SiO₃处理对3种嫁接组合的植株相对高度影响不大，较高浓度Na2Si03处理抑制各嫁接组合植株高度，在100mmol·L^-1处理下，‘1184，‘277和‘1184/‘1184株高分别比‘1184/‘488降低11%和14%（图1-A）。定植28d后，较高浓度Na₂SiO₃处理对各嫁接组合植株高度的抑制作用进一步加强，在100mmol·L^-1处理下，‘1184/‘277和‘1184/‘1184株高分别是‘1184，‘488的72%和55%（图1-B）。

根据施硅处理后叶片表面出现的枯斑面积，将叶片伤情分为5级（图1-C），调查各嫁接组合中不同级别伤情叶片数占该嫁接组合调查叶片总数的百分比（图1-D）。‘1184/‘488出现Ⅴ级以上病叶的百分比最低，表明以南瓜为砧木进行嫁接缓解了叶片外源施硅对嫁接苗在植株高度、叶片伤情等方面的影响，并且去蜡粉能力较强的南瓜砧木效果更明显，说明南瓜砧木参与了嫁接苗地上部对外源硅元素胁迫的响应过程。

2.2砧木对嫁接苗叶片硅元素含量的影响

由图2可知，各嫁接组合硅元素含量随外源施硅浓度的增加均有不同程度的增加，说明通过叶片喷施有效提高植株硅元素含量。硅元素在叶片中含量排序分别为幼叶<果实邻近叶<成熟叶片，说明硅元素在植株体内的再分配具有选择特异性。

进一步研究硅元素在不同嫁接组合中再分配的特征发现，幼叶中‘1184/‘488硅元素含量分别是‘1184/‘277和‘1184/‘1184的48%和41%，并且随施硅浓度增加呈先升高再降低趋势（图2-A）。成熟叶片中，‘1184/‘488硅元素含量分别为‘1184/‘277和‘1184/‘1184的58%和41%，并且3种嫁接组合硅元素含量随外源施硅浓度增加而升高，且为各自对照组的3倍左右（图2-B）。在果实邻近叶片中，对照组中‘1184/‘488硅元素含量仅分别为‘1184/‘277和‘1184/‘1184的56%和45%。随着喷施硅浓度的升高，‘1184/‘488嫁接组合果实邻近叶中的硅含量明显增长，增幅达到36%和44%（图2-C）。以上结果说明，去蜡粉砧木‘488嫁接使植株硅元素倾向于果实邻近叶片转运，以避免在幼叶中沉积。

2.3砧木对嫁接苗果实硅元素含量的影响

硅元素经叶片喷施进入黄瓜植株体内后，由维管组织向果实器官进行转运和再分配。对3种嫁接组合果实各发育阶段（3、7、14、21DAP）测定结果显示，‘1184/‘488果皮硅元素含量最低，至21DAP时仅为‘1184/‘277、‘1184/‘1184的45%和46%，且随外源施硅浓度增加并未发生明显升高，降低幅度分别为1%和13%（图3-A、C、E）。‘1184/‘488果肉硅元素含量也最低，至21DAP时仅为‘1184/‘277、‘1184/‘1184的23%和27%，且随外源施硅浓度增加呈明显升高趋势，增长幅度分别为24%和21%（图3 B、D、F）。以上结果说明，去蜡粉砧木‘488使嫁接植株硅元素倾向果肉转运，而不倾向果皮转运。

2.4砧木对嫁接苗果面蜡粉含量的影响

3种嫁接组合对照组果面蜡粉含量均随果实发育成熟而减少，至21 DAP时分别降低至3 DAP的42%、54%和48%。其中，‘1184/‘488果實蜡粉含量最低，至果实成熟时仅为‘1184/‘277、‘1184/‘1184的70%和73%，且随外源施硅浓度增加未发生明显变化（图4）。以上结果说明去蜡粉砧木‘488对于外源喷施硅诱导果面蜡粉形成过程表现出抑制作用。

3讨论

3.1南瓜砧木对硅元素在嫁接苗体内转运和再分配具有调控作用

土壤溶液中的硅酸盐复合物或硅溶胶在黄瓜根系表面以单体Si（OH）₄形式由硅转运蛋白吸收，并随蒸腾流向地上部转运。目前已在水稻、玉米、番茄、黄瓜等植物中鉴定出硅转运蛋白家族的多个成员。硅转运蛋白是一类水通道蛋白，水稻硅转运蛋白Lsi1和Lsi2在根细胞凯氏带两侧存在极性定位，介导硅元素从根系向木质部的跨膜主动运输。此外，硅转运蛋白在叶片、叶柄维管束中也有表达，参与硅元素向库器官的转运和卸载。目前已在南瓜中鉴定出3个硅转运蛋白基因，分别为CmLsi1、CmLsi2和CmLsi3。对不同去蜡粉能力南瓜砧木根系的研究显示，CmLsil基因编码区存在单碱基差异，导致硅转运蛋白亚细胞定位不同；此外，CmLsi2和CmLsi3基因表达模式也不相同，从而影响硅元素的吸收和转运，最终导致黄瓜接穗果实表面分泌的蜡粉含量差异。

已有研究表明，向黄瓜根系施加外源Na2Si03能提高植株体内硅元素含量，植株生长势及营养品质也会相应升高。笔者进一步研究了砧木对黄瓜嫁接苗地上部硅元素的调控作用。为避免砧木根系从土壤中吸收硅元素能力的不同，采用向幼叶喷施Na₂SiO₃的处理方法，有效提高嫁接植株地上部硅元素含量。已有研究表明，嫁接过程中砧穗之间存在信号交互，对同一接穗性状将产生不同影响，黄瓜接穗本身的基因型对转运至果实中的硅元素也具有调控作用，砧木有可能影响定位在接穗果柄或果实维管束中的硅转运蛋白，降低硅元素从木质部向果皮的主动运输，最终降低果实表面蜡粉含量；此外，硅元素含量本身可能也对维管束特定细胞附近的硅转运蛋白转录水平或活性具有反馈调控作用。

3.2砧木对硅元素向叶片转运的调控

通常认为，进入植物体内的硅元素随着木质部蒸腾流在植株体内进行转运和再分配，其在植物叶片组织的积累与叶片生长时间有关，本试验中各嫁接组合幼叶中的硅元素含量明显低于成熟叶片和果实邻近叶，这与前人部分研究结果一致。同时，本试验结果进一步显示，随着外源施加Na₂SiO₃浓度的升高，不同去蜡粉能力的砧木对已转入植株体内的硅元素再分配途径表现出明显差异：去蜡粉砧木嫁接苗的硅元素同时向成熟叶片和果实邻近叶片转运的趋势增强，向幼叶转运趋势减弱，而非去蜡粉砧木嫁接苗和自根苗的硅元素仅仅向果实成熟叶片转运趋势增强，但向果实邻近叶转运增加的趋势并不明显，表明去蜡粉砧木使果实邻近叶片成为植物体内硅元素的一个新库，从而避免幼叶与果实受到硅元素毒害。

3.3砧木对硅元素向果实转运和再分配的调控作用

砧木对土壤硅元素的吸收能力影响硅元素在果实器官的积累。本试验结果显示，去蜡粉砧木明显降低嫁接苗硅元素在果皮中的分布，与前人研究结果一致。同时，本试验结果还显示，向叶片外源喷施高浓度硅元素时，去蜡粉能力较强的砧木使硅元素优先向果肉中转运，而向果皮转运趋势不明显，这表明果肉是植株体内硅元素转运和再分配的重要去向之一。有研究指出，南瓜砧木嫁接会不同程度地降低黄瓜接穗果实的口感风味，利用固相微萃取气象色谱一质谱联用技术检测到黄瓜心腔中与果实清香相关的挥发性代谢物质含量在去蜡粉能力较强的砧木组合中降幅更大，这与硅元素转运和再分配是否有关，有待进一步探讨。

此外，在向叶片喷施蒸馏水的对照组中，无论是嫁接苗还是自根苗，果皮硅元素含量随果实发育时间的推移均呈降低趋势，与前人研究结果一致。本试验结果进一步显示，向叶片外源喷施高浓度硅元素时，各嫁接组合中果皮硅元素含量并未随Na₂SiO₃浓度升高而发生明显变化，可能是果皮中的硅元素含量已达饱合状态，多余的硅元素将被动态转运到其他部位或通过泌外机制转运到果皮表面形成蜡粉并伴有风干脱落，其机制有待进一步研究。

4结论

嫁接作为育种工作中一项传统而重要的园艺手段，在提高园艺作物抗病性及改良果实品质方面发挥着重要作用。长久以来一直致力于研究嫁接对果实品质改良的调控机制，近年来利用转录组测序、非损伤微测技术等技术手段，在砧穗互作机制方面取得许多突破。笔者研究发现，砧木有可能增强硅元素向库器官转运的选择性，由此产生对果肉等库器官在风味和口感方面的影响，这有待进一步探讨；此外，未来有必要继续探明不同类型的南瓜砧木对嫁接苗各器官组织硅转运蛋白定位及转运活力的调控作用；在筛选黄瓜抗病、抗逆等各类型砧木时，需兼顾果实外观和口感性状，综合考虑砧木对地上部生长及果实物质积累的影响。endprint