外源壳聚糖对高温胁迫下黄瓜幼苗生长及生理生化的影响

陈永快，王 涛，廖水兰，黄语燕，吴宝意，康育鑫

（福建省农业科学院数字农业研究所，福州350003）

黄瓜（Cucumis sativusL.）是葫芦科的重要经济作物，也是中国各地夏季主要食用菜蔬之一，在中国广泛栽培，且许多地区都是在温室或塑料大棚中栽培［1］。黄瓜是一种喜温蔬菜，适宜的生长温度为15—32℃，当温度高于35℃时，黄瓜的生长发育受到阻碍，导致植株早衰，果实生长畸形［2］。夏季，特别是在封闭的温室中，通常温度高于35℃，这对黄瓜生产极为不利。因此，采取有效措施解决高温伤害在生产上具有重要的意义。目前，缓解蔬菜高温胁迫伤害的途径主要有物理、生物、化学等3个方面，物理途径主要通过环境调控来实现，生物途径通过基因调控实现，化学途径是采用外源物质处理［3］，而施用外源物质能够缓解多种逆境伤害且经济有效。

壳聚糖（Chitosan）又称脱乙酰甲壳素，学名为聚 β-（1，4）-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，是甲壳素的脱乙酰产物，广泛存在于甲壳类动物的壳中，例如虾和蟹，以及真菌的细胞壁中，在自然界中的储备量仅次于纤维素［4］。壳聚糖是一种天然高分子化合物，具有生物官能性、相容性、微生物降解性等多种优良性能，被广泛应用于医药、食品、化工、生化、医学等领域［5］。目前已有的研究表明，壳聚糖具有广泛的生理效应，如促进小麦［6］、棉花［7］、水稻［8］、菜豆［9］等种子萌发，调控植株生长发育［10］，提高果实产量和品质［11］，提高果实贮藏性［12］，诱导植物产生抗病性［13-14］，提高番茄对根腐病的抗性［15-16］，诱导小麦抗禾谷镰刀菌［17］，增强植物对干旱［18］、盐［19］、重金属［20］、低温［21］、臭氧［22］胁迫的抗性，但迄今国内关于壳聚糖抗热性的研究较少［23-27］。

本试验以‘夏之光’黄瓜为试材，针对福建地区夏季设施大棚内高温现象，研究高温胁迫环境下，不同浓度壳聚糖处理后，黄瓜幼苗形态指标和生理指标的变化，探讨壳聚糖诱导黄瓜耐高温的作用效果，为提高黄瓜的抗高温逆境栽培提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验品种为‘夏之光’黄瓜，由山东金种子农业发展有限公司提供。试验基质为草炭∶珍珠岩＝2∶1（V/V），采用72孔穴盘（长×宽×高为54 cm×28 cm×4 cm）育苗。

1.2 试验方法

试验于2018年8月8日—29日在福建省农业科学院中以示范农场薄膜温室、玻璃温室和生理生化实验室进行。黄瓜播种后置于玻璃温室植物工厂育苗，营养液配方为每200 L添加A：Ca（NO3）216 kg，KNO36 kg；B：KHPO43 kg，MgSO410 kg，EDTA-Fe 460 g，MnSO4120 g，ZnSO460 g，CuSO44 g，NH4Mo 1.5 g，HBO360 g。植物工厂温度采用中央空调调节，设定温度为25℃/18℃（昼/夜），以韩国进口LED育苗灯作为光源，每天照光8 h。黄瓜幼苗长至两叶一心时，于每天下午4点，用25 mg/L（T1）、50 mg/L（T2）、100 mg/L（T3）、200 mg/L（T4）的壳聚糖溶液喷施黄瓜叶片，以去离子水作为对照（CK），每个处理 3次重复。叶片以正反两面喷施至有水滴留下为准，喷施3 d后移至薄膜温室进行高温胁迫处理，分别测定高温处理前（0 d）、高温处理5 d后黄瓜幼苗叶片的形态指标和生理指标，每个处理选择3株长势一致的植株，各指标重复测定3次。高温处理结束后，于8月29号将黄瓜幼苗定植于薄膜温室椰糠基质条中。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 形态指标

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的直径；地上/地下部鲜质量：用感量为0.001 g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，置于烘箱以105℃杀青15 min，75℃烘干至恒重，用感量为0.001 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

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）含量采用硫代巴比妥酸法，脯氨酸（Pro）含量采用磺基水杨酸法，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑（NBT）法，过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法，过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收比色法［28］；叶绿素（Chl）含量采用陈建勋等［29］的乙醇-丙酮混合法。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2010、DPS 7.05数据处理软件进行统计和分析。

2 结果与分析

2.1 外源壳聚糖对高温胁迫下黄瓜幼苗生长的影响

从表1可以看出，0 d时，T3处理的黄瓜幼苗的株高显著高于其他处理，CK、T1、T2处理之间没有显著差异。茎粗、叶面积以T4表现最好，与其余处理差异显著。T2壮苗指数显著优于其余处理，T3根冠比、根体积表现最佳。高温处理5 d后，CK的株高显著高于T1、T2，比0 d时增加22.8%，T2茎粗最大，与CK、T1相比差异显著，与其余处理相比差异不显著。T3在壮苗指数、叶面积、根体积方面表现最好，与各处理之间差异显著。T4根冠比最大，但与T2、T3差异不显著。总体上，黄瓜幼苗的生长随着壳聚糖浓度的增加呈现出先升高后下降的趋势。

2.2 外源壳聚糖对高温胁迫下黄瓜幼苗生理指标的影响

2.2.1 丙二醛含量

由表2可知，0 d时，各处理的MDA含量较低，其中T4的MDA含量显著低于其余处理。高温胁迫5 d后，黄瓜幼苗叶片中的MDA含量升高，其中CK的MDA含量最高，与其余处理差异显著。处理T4最低，比CK下降39.5%，与其余处理达到显著性差异。MDA含量具体表现为CK＞T1＞T2＞T3＞T4，随着壳聚糖浓度的增加，MDA含量逐渐降低。

2.2.2 光合色素含量

0 d时，叶绿素和类胡萝卜素含量均以T3表现最佳。高温胁迫5 d后，黄瓜幼苗叶片的叶绿素和类胡萝卜素含量出现下降。但T3的叶绿素含量依旧最高，比CK高23.8%；T1处理的叶绿素含量与CK没有显著差异，而T4处理的叶绿素含量比CK少22.7%。类胡萝卜素以T3含量最高，但与T2差异不显著，与其余处理之间差异显著（表2）。总体上，黄瓜幼苗叶片的叶绿素和类胡萝卜素含量随壳聚糖浓度的增加，呈现出先上升后下降的趋势，表现为T3＞T2＞CK＞T1＞T4。

2.2.3 脯氨酸含量

0 d时，CK、T2、T3的脯氨酸含量显著高于 T1、T4，CK、T2、T3之间差异不显著，T1与 T4差异也不显著。高温处理5 d后，CK的脯氨酸含量与0 d时相比变化不大，T1的脯氨酸含量升高，但与CK相比没有显著性差异，处理T3的脯氨酸含量最大，比CK增加48.6%，与除T2外的其余处理之间差异显著。处理T4的脯氨酸含量出现下降，但依旧比CK高出31.9%，与CK相比差异显著（表2）。脯氨酸含量随壳聚糖浓度的增加先升高后降低，具体表现为T3＞T2＞T4＞T1＞CK。

2.2.4 可溶性蛋白含量

0 d时，T3可溶性蛋白含量最高，T4可溶性蛋白含量最低，CK、T1、T2之间含量相当。高温胁迫5 d后，各处理的可溶性蛋白含量显著下降。CK可溶性蛋白含量最低，但与T1、T2、T4相比差异不显著，T3可溶性蛋白含量显著高于其余处理（表2）。总体上，随着壳聚糖浓度的增大，可溶性蛋白含量呈现出先上升后下降的趋势，具体表现为T3＞T4＞T2＞T1＞CK。

表2 外源壳聚糖对高温胁迫下黄瓜幼苗生理指标的影响Table 2 Effect of exogenous chitosan on physiological indexes of cucumber seed lings under high temperature stress

2.3 外源壳聚糖对高温胁迫下黄瓜幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

2.3.1 SOD活性

从图1可知，0 d时，T3的SOD活性显著高于其余处理，CK的SOD活性显著低于其余处理。高温胁迫5 d后，黄瓜幼苗叶片的SOD活性仍保持较高水平。其中T3的SOD活性最强，比CK高出12.1%，与CK、T4相比差异显著，而与T1、T2相比差异不显著。T4处理的SOD活性比CK高4.1%，但两者差异不显著。SOD活性随壳聚糖浓度的增加先升高后下降，具体表现为T3＞T2＞T1＞T4＞CK。

2.3.2 POD活性

由图2可知，POD活性在0 d时以T3表现最佳，与其余处理之间存在显著差异。CK的POD活性最低，与T2、T3、T4相比差异显著，而与T1相比差异不显著。黄瓜幼苗叶片的POD活性在高温胁迫5 d后均维持在较高水平，处理T4的活性最高，与T2差异不显著，与其余处理之间差异显著。具体表现为T4＞T2＞T3＞T1＞CK。

图1 外源壳聚糖对高温胁迫下黄瓜幼苗SOD活性的影响Fig.1 Effects of exogenous chitosan on SOD activity of cucumber seed lings under high tem perature stress

图2 外源壳聚糖对高温胁迫下黄瓜幼苗POD活性的影响Fig.2 Effects of exogenous chitosan on POD activity of cucumber seed lings under high temperature stress

2.3.3 CAT活性

图3 外源壳聚糖对高温胁迫下黄瓜幼苗CAT活性的影响Fig.3 Effects of exogenous chitosan on CAT activity of cucumber seedlings under high temperature stress

从图3可知，0 d时，T2的CAT活性显著高于其他处理，CK活性最低，与各个处理之间差异显著。高温处理5 d后，黄瓜幼苗叶片的CAT活性随壳聚糖浓度的增加而升高，具体表现为T4＞T3＞T2＞T1＞CK。

3 讨论

3.1 外源壳聚糖对高温胁迫下黄瓜幼苗生长的影响

在逆境条件下，幼苗植株的生长将受到显著影响，植株的健壮性与植物抵抗逆境的能力密切相关［30］。李红斌［31］研究发现，适宜浓度的壳聚糖处理可以促进高温下黄瓜幼苗新根的萌发，进而促进整株植物的生长；丁雨霜等［32］发现在高温条件下适宜浓度的壳聚糖溶液能促进毛棉杜鹃植株生长。本试验表明，在高温胁迫环境下，外源壳聚糖处理能缓解黄瓜幼苗徒长，且壳聚糖处理的幼苗长势均优于对照，除株高、茎粗、根冠比外，根体积、叶面积和壮苗指数均以100 mg/L壳聚糖处理效果最佳。

3.2 外源壳聚糖对高温胁迫下黄瓜幼苗生理指标的影响

可溶性蛋白是植物细胞中重要的渗透调节物质之一，高温会造成正常蛋白合成减弱、分解加剧，从而使细胞内可溶性蛋白含量下降［33］。本研究发现，高温胁迫5 d后，黄瓜幼苗叶片的可溶性蛋白含量显著下降，但壳聚糖处理的可溶性蛋白含量高于CK，且随着壳聚糖浓度的增加先上升后下降，以100 mg/L壳聚糖处理的可溶性蛋白含量最高。

一般情况下，植物体内游离脯氨酸的含量极低，但在逆境条件下，脯氨酸含量会上升数十倍至百倍。因此植株体内脯氨酸含量在一定程度上反映植株的抗逆性［34］。本研究中，除T1外，其余浓度处理的脯氨酸含量均高于CK，说明壳聚糖处理能够促进黄瓜幼苗叶片的脯氨酸积累，维持细胞膜的稳定性，与杨华庚等［27］研究壳聚糖对蝴蝶兰幼苗的耐热性作用得到的结果相似。

叶绿素是植物进行光合作用的物质基础，能够接收光能和转换能量，其含量的多少与叶片的光合能力密切相关［35］。本试验表明，高温胁迫会抑制叶绿素的合成，加剧叶绿素的分解和破坏，导致叶绿素含量降低，植物的光合能力下降。适宜浓度的壳聚糖处理，可以提高黄瓜幼苗叶片的叶绿素含量和类胡萝卜素含量，其中100 mg/L壳聚糖处理的黄瓜幼苗的叶绿素和类胡萝卜素含量最高。而200 mg/L壳聚糖处理却显著降低了叶绿素和类胡萝卜素含量，可能是因为高浓度壳聚糖对光合色素合成具有抑制作用。

在逆境条件下，通常会发生膜脂过氧化作用，MDA是膜脂过氧化最重要的产物之一，它的产生会加剧膜的损伤，在植物抗性生理研究中MDA含量是一个常用指标，可通过MDA了解膜脂过氧化程度，以间接测定膜系统受损程度以及植物的抗逆性［36］。试验表明，高温胁迫下，黄瓜幼苗叶片的MDA含量升高，而喷施不同浓度的壳聚糖能不同程度地降低高温胁迫下黄瓜幼苗叶片的MDA含量，其中以200 mg/L壳聚糖处理效果最佳，与李红斌［31］利用壳聚糖处理菠菜叶片得到的研究结果一致。

植物在逆境条件下活性氧自由基（ROS）大量产生，对植物的细胞膜以及蛋白质等大分子物质产生破坏作用，进而影响到植物正常的生长发育，而植物能够通过自身的保护酶系统，即抗氧化酶（SOD、POD、CAT）系统，来消除体内多余的自由基［37］。本试验结果表明，随着壳聚糖浓度的增加，SOD、POD、CAT活性先升高后下降，且显著高于CK，说明适宜浓度的壳聚糖处理能够提高黄瓜幼苗清除活性氧的能力，减轻高温对幼苗的伤害，这与贾娇等［25］利用壳聚糖处理莴苣得到的结论相似。

4 结论

综上所述，高温胁迫环境下，适宜浓度的壳聚糖处理能够促进黄瓜幼苗的生长，增强植株的壮苗指数和根冠比，提高SOD、POD、CAT活性，降低幼苗叶片的MDA含量，增加光合色素、脯氨酸和可溶性蛋白含量，提高黄瓜幼苗对高温环境的适应能力，且以100 mg/L壳聚糖处理效果最佳。