高温胁迫下外源壳聚糖对黄瓜幼苗生长的影响

王涛 黄语燕 陈永快 廖水兰 刘现 康育鑫

摘要：以夏之光黄瓜品种为试验材料，研究用不同浓度壳聚糖（0、25、50、100、200 mg/L）在高温（昼—夜温度周期为36 ℃—28 ℃）条件下处理1、3 d及恢复常温2 d后，黄瓜幼苗形态指标和生理指标的变化。结果表明，在高温胁迫环境下，外源壳聚糖能够增加黄瓜幼苗的茎粗、叶面积和根体积，提高壮苗指数和根冠比，降低丙二醛含量，提高叶绿素、脯氨酸和可溶性蛋白含量，增强抗氧化酶[超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）]活性，缓解高温胁迫对黄瓜幼苗的伤害，以100 mg/L壳聚糖处理的效果最优。

关键词：黄瓜;高温胁迫;壳聚糖;生长;生理

中图分类号： S642.201 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）23-0142-05

黄瓜（Cucumis sativus L.），又名胡瓜、青瓜等，为葫芦科植物，广泛分布于我国，是我国设施栽培的主要蔬菜种类之一[1]。黄瓜原产于温带和热带地区，性喜温，不耐寒冷和高温，生长适温为10～32 ℃，超过35 ℃会导致伤害[2]。在夏秋季节，尤其在我国南方利用日光温室和塑料大棚进行栽培时，午后室内温度常常高于40 ℃，容易造成植株生理代谢失调、光合作用下降、生长发育不良，从而使黄瓜的产量和品质受到显著影响[3]。因此，提高黄瓜的耐热性对于设施栽培具有重要的意义。

壳聚糖是一种通过甲壳素脱乙酰化得到的聚葡萄糖胺[4]。甲壳素在自然界中含量丰富，是地球上除了纤维素外的第二大可再生资源，是一种非常经济的化学物质，被认为是一种很有前景的非生物胁迫抗性诱导剂[5]。研究发现，外源壳聚糖处理可以提高盐胁迫下黄瓜[6]、豇豆[7]的超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性，并可显著减轻盐害症状。曲丹阳等研究发现，壳聚糖可以促进镉胁迫下玉米幼苗的根系生长和叶片光合作用，增加根系抗氧化酶活性和提高内源激素水平，还可以调控镉胁迫下玉米幼苗叶片中的抗坏血酸-谷胱甘肽（AsA-GSH）循环[8-10]。朱云林等研究发现，在水稻苗期喷洒壳聚糖可以提高水稻幼苗的抗寒性，减少或避免低温对水稻幼苗的伤害[11]。王聪等研究表明，外源壳聚糖可减缓NaCl胁迫下菜用大豆干质量的下降，显著降低叶绿体H2O2含量，显著提高抗氧化酶活性，促进菜用大豆叶绿体内的AsA-GSH循环[12-14]。此外，壳聚糖还可作为作物的生长调节剂，促进大豆[15]、玉米[16]、小麥[17-18]等作物种子的萌发、幼苗的生长发育，从而提高农作物的产量。

目前，壳聚糖诱导植物抵抗低温、干旱、重金属、盐害等非生物胁迫的研究已有大量报道，而对高温胁迫的抗性研究较少。本试验以夏之光黄瓜为材料，在高温条件下研究壳聚糖对黄瓜幼苗生长、生理代谢的影响，探讨外源壳聚糖对黄瓜抵抗高温逆境的生理作用，以期为壳聚糖在设施栽培中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验在福建省农业科学院玻璃温室及生理生化实验室内进行。

1.2 试验方法

试验时间为2018年8月8—28日。试验黄瓜品种为夏之光，由山东金种子农业发展有限公司提供。黄瓜播种时间为8月8日，试验共设5个处理，每个处理设3次重复。试验基质为草炭+珍珠岩（体积比为2 ∶ 1），育苗穴盘采用72孔穴盘（长×宽×高为54 cm×28 cm×4 cm）。播种后置于温度为25 ℃、光照度为12 000 lx、空气相对湿度为75%的智能光照培养箱（GTOP-B/D）中培养。营养液配方如下：在 200 L 营养液中分别添加母液A[16 kg Ca（NO3）2，6 kg KNO3]、母液B[3 kg KH2PO4，10 kg MgSO4，460 g EDTA-Fe，120 g MnSO4，60 g ZnSO4，4 g CuSO4，1.5 g （NH4）6Mo7O24·4H2O，60 g H3BO3]。待黄瓜幼苗长至2叶1心期（8月20日）时，于每天16：00用0（CK）、25（T1）、50（T2）、100（T3）、200（T4）mg/L壳聚糖溶液喷施黄瓜叶片，以去离子水作为对照，连续喷施3 d，叶片喷施标准以正反2面喷施至有水滴流下为准。喷施3 d后（8月23日），将温度调至昼—夜温度（光照）周期为36 ℃（12 h）—28 ℃（12 h）进行高温胁迫，分别在处理1 d（8月24日）、3 d（8月26日）时取样，测定生长指标和生理指标，之后将昼—夜温度（光照）周期调至28 ℃（12 h）—18 ℃（12 h），高温处理3 d后恢复常温培养2 d，于8月28日测定黄瓜幼苗叶片的生长指标和生理指标，每个处理选择10株长势一致的植株，各个指标重复测定3次。

1.3 测定项目

1.3.1 形态指标的测定 株高：用直尺测量植株基部到顶端生长点的长度。茎粗：用游标卡尺测定植株子叶下2 cm处的直径。地上/地下部鲜质量：用感量0.001 g的电子天平称量。地上/地下部干质量：将称量后的植株放入纸袋中，置于烘箱中，于105 ℃杀青15 min，再于75 ℃烘干至恒质量，用0001 g电子天平称量。壮苗指数=（茎粗/株高+地下部干质量/地上部干质量）×植株干质量。根冠比=地下部鲜质量/地上部鲜质量。叶面积用YMJ-B（浙江托普云农科技股份有限公司）叶面积测量仪测定。根体积用排水法测定。

1.3.2 叶片生理指标的测定 可溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝G-250染色法;丙二醛（MDA）含量的测定采用硫代巴比妥酸法;脯氨酸（Pro）含量的测定采用磺基水杨酸法;超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定采用氮蓝四唑（NBT）法;过氧化物酶（POD）活性的测定采用愈创木酚法;过氧化氢酶（CAT）活性的测定采用紫外吸收比色法[19];叶绿素（Chl）含量的测定采用陈建勋等的乙醇-丙酮混合法[20]。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel、DPS（7.05）数据处理软件进行统计和分析。

2 结果与分析

2.1 高温胁迫下外源壳聚糖对黄瓜幼苗生长的影响

从表1可以看出，高温处理1 d时，T3处理在株高、根冠比、根体积方面显著优于其余处理，茎粗、叶面积以T4处理的表现最好，T2处理的壮苗指数表现最佳。高温处理3 d后，CK的株高显著高于T2、T3处理，与高温处理1 d相比增加了23.7%，T2处理的株高比处理1 d时增加了12.0%，T3处理的株高比处理1 d时增加了4.7%，T2、T3处理之间的差异没有达到显著水平。在茎粗、壮苗指数及叶面积方面，各处理在高温3 d时均显著优于CK，以T3处理表现最佳。根冠比、根体积在高温3 d时与高温处理1 d相比表现为下降，CK的根冠比、根体积最小，与除T1处理外的其余处理间差异显著，T3处理的根冠比、根体积显著优于其余处理。恢复常温处理2 d后，CK的株高依旧最高，与其余处理间差异显著，T2处理的茎粗、壮苗指数表现得最好，T3处理的根冠比、叶面积和根体积表现得最优。总体上看，黄瓜幼苗的生长随着壳聚糖浓度的增加呈现先上升后下降的趋势。

2.2 高温胁迫下外源壳聚糖对黄瓜幼苗生理指标的影响

2.2.1 丙二醛含量 由表2可知，黄瓜幼苗叶片的MDA含量随高温胁迫时间的延长而升高，胁迫3 d后，CK的MDA含量最高，T1、T2处理的MDA含量相近，与CK相比差异不显著。T4处理的MDA含量最低，其次是T3处理，与CK、T1、T2处理间差异显著。随着壳聚糖浓度的增大，T1、T2处理黄瓜幼

苗叶片MDA含量下降不明显，T3、T4处理MDA含量明显下降，T4处理的MDA含量比CK显著降低了40.5%。恢复常温处理2 d后，MDA含量下降但仍高于胁迫1 d后的MDA含量，T4处理的MDA含量依旧最低，与其他处理间差异显著。MDA含量总体表现为CK>T2>T1>T3>T4。

2.2.2 光合色素含量 高温处理1 d后，T3处理的叶绿素含量最高，与其余处理之间存在显著差异;T1、T2、T4处理之间的叶绿素含量差异不显著，而与CK相比差异显著，CK的叶绿素含量最低。高温胁迫3 d后，各处理的叶绿素含量下降，T3处理的叶绿素含量依旧最高，与CK、T1、T2处理相比，差异显著;与T4处理相比，差异不显著。恢复常温2 d后，各处理的叶绿素含量回升，其中T2、T3、T4处理的叶绿素含量恢復到胁迫1 d时的水平，T2、T3、T4处理之间没有显著差异，而与CK、T1处理相比差异显著。总体上看，叶绿素含量随着壳聚糖浓度的增加呈现出先上升后下降的趋势。类胡萝卜素含量在高温胁迫1 d后，以T3处理最高，其次是T2处理。高温胁迫3 d后，各处理的类胡萝卜素含量均降低，T1处理的类胡萝卜素含量最低，与CK差异显著;T2、T3、T4处理之间含量相当，差异没有达到显著水平。解除高温胁迫2 d后，各处理的类胡萝卜素含量升高，T3处理的类胡萝卜素含量与T4处理间差异不显著，与CK、T1、T2处理之间差异显著。

2.2.3 脯氨酸含量 高温胁迫1 d后，CK、T2、T3处理的叶片脯氨酸含量相近，与T1、T4处理差异显著。T4处理的脯氨酸含量最低，其次是T1处理。高温胁迫3 d后，T2处理的脯氨酸含量最高，与其余处理之间差异显著，T4处理的脯氨酸含量显著低于CK。解除高温胁迫2 d后，各处理的脯氨酸含量下降，其中T2处理的脯氨酸含量依旧最高，与CK、T4处理差异显著，但与T1、T3处理间差异不显著。脯氨酸含量总体表现为T2>T3>T1>CK>T4，随着壳聚糖浓度的上升，脯氨酸含量呈现先上升后下降的趋势。

2.2.4 可溶性蛋白含量 高温胁迫1 d后，CK、T1、T2、T3处理间的可溶性蛋白含量没有显著差异，T3处理的可溶蛋白含量最高，T4处理的可溶性蛋白含量最低，与CK、T1、T2、T3处理间差异显著。高温处理3 d后，T3处理的可溶蛋白含量最高，达到 12.64 mg/g，与其余处理之间存在显著差异。T1、T2处理之间的可溶性蛋白含量无显著差异，与CK差异显著。T4处理的可溶性蛋白含量显著低于其他各个处理。恢复常温2 d后，各处理的可溶性蛋白含量几乎没有下降，仍维持在高温胁迫时的水平。总体上看，随着壳聚糖浓度的升高，黄瓜幼苗叶片的可溶性蛋白含量呈现先上升后下降的趋势，表现为T3>T2>T1>CK>T4。

2.3 高温胁迫下外源壳聚糖对黄瓜幼苗SOD、POD、CAT活性的影响

从图1可知，高温胁迫1 d后，T3处理的SOD活性最高，CK的活性最低，与其余处理相比差异显著。高温处理3 d后，SOD活性升高，以T2处理的活性最强，其次是T3处理，CK的活性最弱，各处理之间差异显著。解除高温2 d后，SOD活性下降，并低于高温胁迫1 d时的水平。总体上看，SOD活性随壳聚糖浓度增大呈现出先升高后降低的趋势，具体表现为T2>T3>T1>T4>CK。

由图2可知，高温处理1 d后，各处理的POD活性较低。高温胁迫3 d后，各处理的POD活性升高，其中T3处理的活性最强，CK的活性最弱，显著低于其余处理;T1、T2处理之间差异显著，但与T4处理相比差异不显著;高温胁迫解除 2 d 后，POD活性减弱，但仍高于高温胁迫1 d时的水平。随着壳聚糖浓度的增大，POD活性总体表现为T3>T2>T4>T1>CK。

由图3可知，高温胁迫1 d后，T2处理的CAT活性最强，与其余处理之间差异显著;T1、T3、T4处理之间没有显著差异，与CK相比差异显著。高温处理3 d后，各处理的CAT活性升高，以T2处理的活性最高，其次是T3处理，CK的活性最弱，各个处理之间存在显著差异。恢复常温处理2 d后，CAT活性下降，T2处理活性依旧最高，与CK相比差异显著，与其余处理相比差异不显著。总体上看，随着壳聚糖浓度的增大，CAT活性先增强后减弱。

3 讨论

3.1 高温胁迫下外源壳聚糖对黄瓜幼苗生长的影响

黄瓜幼苗的株高、茎粗、叶面积等形态指标是鉴定黄瓜抗逆性强弱的重要指标[21]。研究表明，壳聚糖能够促进植物根、茎、叶的生长，增加作物产量，提高品质[22]。王春玮等的研究表明，适宜浓度的壳聚糖能够增加萝卜幼苗的干湿质量，促进芽长和根长生长[23]。刘婷等研究发现，壳聚糖处理能够促进干旱胁迫下小麦根系的发育，增加株高、根干质量和根冠比[24]。本试验结果表明，高温胁迫环境会引起植株徒长，植株的徒长导致地上部的光合产物大于地下部，从而使根冠比、根体积下降。在本试验中，高温处理3 d时，T3处理的株高较处理1d时增加4.7%，与其他处理相比表现为缓慢增加，根冠比较处理1d时下降10.1%，与其他处理相比表现最优，说明T3处理的黄瓜幼苗在高温胁迫下受到的影响小，徒长量小，并且茎粗、壮苗指数、根冠比、叶面积及根体积均优于其余处理。解除高温胁迫后，黄瓜幼苗继续生长，根冠比、根体积得到提高。总体上看，黄瓜幼苗的生长随着壳聚糖浓度的增加呈现出先上升后下降的趋势，可能是由于高浓度的壳聚糖对黄瓜幼苗的生长具有一定的抑制作用。

3.2 高温胁迫下外源壳聚糖对黄瓜生理生化特性的影响

在高温胁迫下，植物细胞会发生膜脂过氧化作用，MDA含量作为脂质过氧化指标，可以反映植物细胞膜脂质的过氧化程度[25]。在本试验中，对照的MDA含量高于其他有壳聚糖的处理，T4处理的MDA含量最低，其次是T3处理，说明喷施壳聚糖可以降低黄瓜幼苗叶片的MDA含量，减轻高温胁迫引起的损伤，增强植株的抗逆性。恢复常温处理后，MDA含量下降，以T4处理的表现最优，说明T4处理对高温的耐受性更强。叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，其含量可直接反映植物的光合效率和有机物的积累，而类胡萝卜素作为保护叶绿素的辅助色素，是植物生理的重要指标[26]。本试验结果表明，除T1处理外，其他处理的叶绿素含量均高于CK，壳聚糖处理的类胡萝卜素含量整体上优于CK，说明施用壳聚糖可以诱导高温胁迫环境下黄瓜幼苗叶片光合色素的合成，提高叶片的叶绿素、类胡萝卜素含量，保护光合作用正常进行，其中T3处理的效果最佳。解除高温胁迫后，叶绿素和类胡萝卜素含量升高，T3处理表现最佳，说明T3处理的恢复力更强。可溶性蛋白、脯氨酸是植物体内的重要渗透调节物质，在植物的逆境胁迫中发挥着重要作用[27-29]。在本试验中，除T4处理外，其他处理的脯氨酸、可溶性蛋白含量整体上优于CK，其中脯氨酸含量以T2處理最高，可溶性蛋白含量以T3处理最优。说明适宜浓度的壳聚糖处理能够促进高温胁迫下黄瓜幼苗叶片的脯氨酸、可溶性蛋白积累，提高黄瓜幼苗的渗透调节能力，从而在一定程度上缓解高温带来的伤害。恢复2 d后，脯氨酸含量下降，可溶性蛋白含量仍维持在胁迫时的水平。在植物正常生长的情况下，植株体内的活性氧产生和清除处于动态平衡状态[30]。在逆境胁迫下，细胞内的活性氧大量积累而对细胞造成伤害，通过诱导抗氧化酶活性提高，以清除活性氧伤害[31]。在本试验中，高温胁迫下壳聚糖处理的黄瓜幼苗叶片的SOD、POD、CAT活性均高于CK，其中POD活性均以T3处理最佳，SOD、CAT活性以T2处理最优。说明SOD、POD、CAT活性的提高能够清除高温逆境产生的自由基，减轻膜脂过氧化作用对细胞造成的伤害，保护细胞膜的稳定性，提高黄瓜幼苗的耐高温能力。解除高温胁迫后，SOD、CAT活性基本恢复到高温处理1 d时的水平，而POD活性恢复得较慢。

4 结论

综上所述，在高温胁迫下，外源壳聚糖能够促进黄瓜幼苗的生长，提高植株的壮苗指数，降低幼苗叶片的MDA含量，增加叶绿素、类胡萝卜素含量，提高渗透调节物质脯氨酸、可溶性蛋白含量，增强抗氧化酶（SOD、POD、CAT）的活性，从而提高黄瓜幼苗的抗逆性，减轻高温对植株的伤害。本试验结果表明，T3处理（100 mg/L壳聚糖）的效果最佳。

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收稿日期：2019-02-21

基金项目：2018福建省区域发展项目（编号：2018N3007）;福建省农业科学院数字农业科技服务团队（编号：kjfw22）;德化道畋生态旅游农业示范园（编号：Sfjd1829）;德化道畋智慧农业体验谷建设（编号：A2017-32）。

作者简介：王 涛（1992—），男，福建福州人，硕士，研究实习员，研究方向为设施农业。E-mail：793831167@qq.com。

通信作者：陈永快，硕士，助理研究员，主要从事设施农业、循环农业方面的研究。E-mail：stonecyk@126.com。