瓠瓜对高温胁迫的生理生化响应及耐热性评价

田守波,陈春宏,张兆辉*

(1 上海市农业科学院设施园艺研究所,上海市设施园艺技术重点试验室,上海201403;2上海市农业科学院庄行综合试验站,上海201415)

瓠瓜(Lagenariasiceraria)俗称蒲瓜、葫芦、夜开花等,是葫芦科葫芦属的一种瓜类蔬菜,在全国各地均有栽培,是重要的蔬菜作物之一[1-3]。 温度是影响蔬菜作物生长发育的重要因素,也是制约瓠瓜生产的重要因子,当温度高于瓠瓜生长所需的适宜温度时,瓠瓜就会发生热害胁迫[4-5]。 目前,国内外关于蔬菜作物热害方面的研究比较多,研究主要集中在高温胁迫引起的膜系统、渗透调节系统和保护酶系统等方面[6]。 张冉等[6]研究了高温对茄子幼苗的影响,指出可溶性糖含量与热害指数、相对电导率之间的相关关系,认为这三个指标可以用来评价茄子的耐热性。 孙胜楠等[7]研究了高温胁迫对设施黄瓜的影响,结果表明,黄瓜的SOD、POD 等酶活性均先升高后降低,说明高温强光下可通过增强抗氧化酶活性缓解高温强光伤害;姜燕等[8]研究了不同的辣椒品种对高温的响应,结果表明,SOD 活性、脯氨酸、MDA 含量可以作为辣椒耐热性的评价指标;邓朝艳等[9]研究指出,耐热转录因子CaMBF1c对辣椒耐热性起正调控作用;吴晓花等[5]研究了不同瓠瓜材料的耐热性,认为生理生化指标可以用来评价瓠瓜的耐热性。

本研究以23 份瓠瓜自交系为试验对象,研究不同瓠瓜自交系对高温胁迫的生理生化响应及耐热性评价,有利于采取相应的栽培措施来减轻高温对植物体的伤害,可为耐热瓠瓜的新种质创制及新品种选育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验采用23 份稳定的瓠瓜多代自交系,其编号分别为B-1、B-2、B-3、B-4、B-5、B-6、B-7、B-8、B-9、B-10、B-11、B-12、B-13、B-14、B-15、B-16、B-17、B-18、B-19、B-20、B-21、B-22、B-23,瓠瓜的引种来源见表1。

表1 瓠瓜材料及其来源Table 1 The materials and sources of bottle gourds

1.2 高温胁迫处理

试验于2018 年10 月15 日进行,选取饱满、色泽一致的种子按常规方法浸种、催芽,用50 孔穴盘育苗。 当瓠瓜生长至三叶一心时,选取生长健壮、苗龄一致的瓠瓜幼苗进行高温胁迫处理,处理采取随机区组设计,每个处理10 株,设3 次重复。

高温处理:使用人工气候室(740FHLED)模拟高温胁迫环境,昼∕夜温度为42 ℃∕30 ℃,湿度60%—65%,光周期为12 h∕12 h,光照强度为8 000 lx,处理时间为5 d,处理后常温恢复4 h[5]取瓠瓜幼苗叶片测定相关指标。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 热害指数的测定

分级标准参照詹旺等[10]、康俊根等[11]的方法统计,根据受害级别计算热害指数。 公式:热害指数=∑(各级株数×级值)/(调查总株数×最高级代表值)。

受害级别:0 级-生长正常且未受伤害;1 级-仅少数叶片边缘出现轻度褶皱萎缩;2 级-半数以下叶片出现萎焉死亡;3 级-半数以上叶片出现萎焉死亡;4 级-整个植株全部死亡。

瓠瓜耐热性的判定标准为:DI≤50%,耐热;50% ＜DI＜70%,中等耐热;DI≥70%,不耐热。

1.3.2 瓠瓜幼苗生理生化指标的测定

(1)SOD 活性的测定:参照李合生[12]的方法,稍做调整;(2)POD 活性的测定:参照张志良等[13]的方法;(3)可溶性糖含量的测定:参照李合生[12]的方法;(4)脯氨酸含量的测定:参照王学奎[14]的方法;(5)谷胱甘肽的测定:参照高俊凤[15]的方法。

1.4 统计分析

数据用Excel 2007 软件作图和计算,用SAS 8.1 软件的ANOVA 过程进行方差分析(新复极差法,为0.05 显著水平)及CORR 过程进行直线相关分析。

2 结果与分析

2.1 瓠瓜的耐热性差异

热害指数可作为鉴定植物耐热性强弱的灵敏指标,其热害指数越大耐热性也越差[16]。 由表2 可以看出,高温胁迫下不同基因型瓠瓜的抗热性存在明显差异,其中B-1、B-2、B-6、B-7、B-13、B-14、B-16、B-19、B-22的热害指数均超过了0.70,表现为不耐热,为热敏感类型;B-8、B-11、B-15、B-17、B-18、B-21、B-23 的热害指数在0.50—0.70,表现为中耐热,为中间类型;B-3、B-4、B-5、B-9、B-10、B-12、B-20 的热害指数均低于0.50,表现为耐热,为耐热类型。

表2 不同基因型瓠瓜的热害指数Table 2 The heat injury index of different-genotype bottle gourds

2.2 高温胁迫对瓠瓜渗透调节物质的影响

2.2.1 对瓠瓜可溶性糖含量的影响

高温胁迫下,不同瓠瓜幼苗叶片中可溶性糖的含量存在显著差异(表3),结果表明:B-3、B-4、B-9、B-10、B-11、B-12、B-18、B-20、B-23 的可溶性糖含量最高,均超过了0.90%,显著高于B-1、B-2、B-6、B-7、B-13、B-14、B-16、B-19、B-22;B-5、B-8、B-15、B-17、B-21 的可溶性糖含量次之,处于0.9%—0.79%,也显著高于B-1、B-2、B-6、B-7、B-13、B-14、B-16、B-19、B-22;B-1、B-2、B-6、B-7、B-13、B-14、B-16、B-19、B-22 的可溶性糖含量最低,均低于0.79%。

表3 高温胁迫对瓠瓜渗透调节物质的影响Table 3 Effects of high temperature stress on osmotic regulatory material of bottle gourds

2.2.2 对瓠瓜游离脯氨酸含量的影响

高温胁迫下,不同瓠瓜幼苗叶片中游离脯氨酸的含量存在显著差异(表3),结果表明:B-3、B-4、B-9、B-10、B-11、B-12、B-18、B-20、B-23 的游离脯氨酸的含量最高,均超过了25.0 μg∕g,显著高于B-1、B-2、B-6、B-7、B-13;B-5、B-8、B-14、B-15、B-16、B-17、B-19、B-21、B-22 的可溶性糖含量次之,处于21.0—25.0 μg∕g;B-1、B-2、B-6、B-7、B-13 的游离脯氨酸含量最低,均低于21.0 μg∕g。

2.3 高温胁迫对瓠瓜幼苗抗氧化酶活性及GSH 含量的影响

2.3.1 对瓠瓜SOD 活性的影响

高温胁迫下,不同瓠瓜幼苗叶片中SOD 活性存在明显差异(表4),其中B-3、B-4、B-5、B-8、B-9、B-10、B-11、B-12、B-15、B-17、B-18、B-20、B-21、B-23 的SOD 活性显著高于其他瓠瓜品系,均超过390.0 U∕g;B-1、B-2、B-6、B-7、B-13、B-14、B-16、B-19、B-22 的SOD 活性显著低于其他瓠瓜品系,均低于360 U∕g。

表4 高温胁迫对瓠瓜抗氧化酶活性及谷胱甘肽的影响Table 4 Effects of high temperature stress on antioxidant enzymes activity and GSH of bottle gourds

2.3.2 对瓠瓜POD 活性的影响

高温胁迫下,不同瓠瓜幼苗叶片中POD 活性存在明显差异(表4),其中B-3、B-4、B-5、B-9、B-10、B-12、B-18、B-20、B-21、B-23 的POD 活性显著高于其他瓠瓜品系,均超过150.0 U∕(g·min);B-1、B-2、B-6、B-7、B-8、B-11、B-13、B-14、B-15、B-16、B-17、B-19、B-22 的POD 活性显著低于其他瓠瓜品系,均低于145.0 U∕(g·min)。

2.3.3 对瓠瓜GSH 含量的影响

高温胁迫下,不同瓠瓜幼苗叶片中GSH 含量存在明显差异(表4),其中B-3、B-4、B-5、B-9、B-10、B-11、B-12、B-15、B-18、B-20、B-21、B-23 的GSH 含量较高,均超过了2.9 mmol∕L,显著高于其他瓠瓜品系;B-1、B-2、B-6、B-7、B-8、B-13、B-14、B-16、B-17、B-22 的GSH 含量均较低,均低于2.4 mmol∕L,显著低于其他瓠瓜品系。

2.4 瓠瓜耐热性指标的相关关系分析

从表5 可以看出,瓠瓜的耐热性指标之间存在显著相关性,其中瓠瓜的热害指数与可溶性糖含量、游离脯氨酸含量、SOD 活性、POD 活性、GSH 之间存在极显著负相关,可溶性糖含量、游离脯氨酸含量、SOD活性、POD 活性、GSH 之间则呈极显著正相关。

表5 高温胁迫下不同瓠瓜生理生化指标之间的相关性Table 5 Correlations between physiological and biochemical indicators of different gourd bottlesunder high temperature stress

2.5 瓠瓜耐热性的聚类分析

采用SAS 8.0 软件,对与瓠瓜耐热性相关的热害指数、可溶性糖含量、游离脯氨酸含量、SOD 活性、POD 活性及GSH 活性等指标进行聚类分析(图1),在D=0.35 处可将23 个不同瓠瓜品系分为三大类群,第一类群为B-1、B-2、B-6、B-7、B-13、B-14、B-16、B-19、B-22,第二类群为B-3、B-4、B-5、B-9、B-10、B-12、B-18、B-20、B-23,第三类群为B-8、B-11、B-15、B-17、B-21。 结合表2、表3 对不同瓠瓜品系的耐热性进行综合评价,第一类群的9 个瓠瓜品系受热害最重,热害指数也最高,表现为不耐热;第二类9 个品系受热害最轻,热害指数也最低,表现为耐热;第三类5 个品系受热害稍重,热害指数也较低,为中等耐热。

3 讨论

3.1 高温胁迫对瓠瓜耐热性差异及生理生化指标的影响

温度过高会对植物细胞内的脂类产生影响,导致细胞膜系统损伤,进而导致了植物生理生化变化,最后导致植株死亡。 大量研究表明,与蔬菜作物耐热性相关的酶、热害指数等可以作为耐热性评价的重要指标,通过苗期的耐热性评价在一定程度上有利于蔬菜耐热新品系选育[4,16-17]。

苏小俊等[18]研究表明过氧化物酶活性与大白菜品种的耐热性呈正相关关系,耐热品种的过氧化物酶活性与热敏品种间差异极显著,且热害指数与大白菜品种的耐热性呈负相关。 孟焕文等[19]研究表明可溶性蛋白含量、SOD 活性均能反映出黄瓜品种间耐热性差异,亦可作为黄瓜耐热性鉴定指标。 马宁等[20]研究表明高温胁迫南瓜幼苗叶片中POD 活性、CAT 活性、SOD 活性、脯氨酸含量等均产生了显著影响。 本研究结果表明,不同瓠瓜幼苗叶片中可溶性糖含量、游离脯氨酸含量、SOD 活性、POD 活性及GSH 活性均存在显著差异,并且耐热性强的瓠瓜品系的5 个生理生化指标的含量或活性也较高。 而且热害指数与可溶性糖含量、游离脯氨酸含量、SOD 活性、POD 活性、GSH 之间存在极显著负相关,这与聚类分析结果相一致。

吴晓花等[5]研究表明采用外部形态指标和生理生化指标可以正确评价瓠瓜的耐热性。 赵东风等[21]用耐热指数、丙二醛含量、脯氨酸含量、根系活力等指标评价了辣椒的耐热性。 宋波等[22]研究了热处理下普通白菜叶片中保护酶活性及脯氨酸含量,并可以通过这些指标显著区分普通白菜的耐热性。 余炳伟等[23]研究表明随高温胁迫提高了黄瓜幼苗体内的抗氧化酶活性、谷胱甘肽(GSH)的含量,并通过这些指标筛选出了黄瓜耐热性强的材料。 本研究表明不同瓠瓜品系的耐热性存在显著差异,并且与对瓠瓜生理生化指标的聚类分析结果相一致,因此可以用热害指数、可溶性糖含量、游离脯氨酸含量、SOD 活性、POD活性及GSH 活性等作为瓠瓜耐热性的评价的指标。

3.2 高温胁迫下不同瓠瓜品系耐热性的聚类分析

本研究通过对不同瓠瓜品系生理生化指标的聚类,可以将23 个瓠瓜多代自交系分为三大类群,其中以第二类B-3、B-4、B-5、B-9、B-10、B-12、B-18、B-20、B-23 等9 个品系受热害最轻,热害指数也最低,耐热性最强。

综上所述,通过对23 份瓠瓜多代自交系的耐热性进行综合分析,筛选出了耐热性强的瓠瓜多代自交系,为瓠瓜耐热新品系的选育奠定了基础。 但对于如何选育耐热强、丰产、优质的越夏瓠瓜新品系仍有待于继续开展相关的研究工作。

4 结论

在高温胁迫下,瓠瓜幼苗受到一定程度的伤害,但由于不同瓠瓜自交系的基因型存在差异,因此其受到的伤害也各不相同,其耐热性也存在较大差异。 瓠瓜受到高温胁迫时,其植株体内的渗透调节系统、抗氧化酶系统均在一定程度上起到了保护作用,这说明高温胁迫促使瓠瓜幼苗产生应答响应机制,而且不同基因型瓠瓜对高温胁迫的应答响应差异较大。