亚低温条件下外源褪黑素和Ca2+对西瓜幼苗生理特性的影响

吴燕 耿书德 王向向 高青海 孟凡豹

摘    要：以西瓜品种8424种子和幼苗为试材，利用人工气候室进行亚低温处理（昼/夜18 ℃/12 ℃）20 d，研究外源褪黑素（MT）和Ca2+浸种处理对亚低温条件下西瓜种子萌发，西瓜幼苗抗氧化酶SOD、POD和CAT等活性，渗透调节物质可溶性糖和脯氨酸含量的影响。结果表明，亚低温处理的西瓜种子发芽率和发芽势仅为46.5%和40.5%，外源100 µmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1 Ca2+复合浸种处理西瓜种子发芽率和发芽势分别达到62.3%和58.5%。外源褪黑素和Ca2+浸种处理显著提高了抗氧化酶SOD、POD、CAT和APX活性，促进了渗透调节物质可溶性糖和脯氨酸的积累，有效缓解亚低温对西瓜种子萌发和幼苗生长影响;褪黑素和Ca2+复合浸种西瓜幼苗在出苗第20天时植株鲜质量达到8.21 g·株-1，达到对照处理的85.5%。综上，外源褪黑素和Ca2+能通过提高西瓜幼苗抗氧化酶活性和渗透调节能力等，缓解亚低温的不良影响，促进西瓜幼苗生长。

关键词：西瓜;幼苗;亚低温;褪黑素;Ca2+;生理特性

中图分类号：S651 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2022）02-061-06

Effects of exogenous melatonin and Ca2+ on physiological characteristics of watermelon seedlings under sub-low temperature

WU Yan1， GENG Shude2， WANG Xiangxiang1， GAO Qinghai1， MENG Fanbao3

（1. Anhui Science and Technology University， Fengyang 233000， Anhui， China; 2. Linyi County Natural Resources Bureau， Linyi 251500， Shandong， China; 3. Anhui Yifeng Ecological Agriculture Technology Co.， Ltd， Guzhen 233700， Anhui， China）

Abstract： The seeds and seedlings of watermelon cultivar 8424 were treated with sub-low temperature （day/night 18 ℃/12 ℃） for 20 days in an artificial climate chamber to study the effects of exogenous melatonin （MT） and Ca2+ on germination， activities of antioxidant enzymes （SOD， POD and CAT）， and contents of soluble sugar and proline. The results showed that the germination rate and germination potential of watermelon seeds treated with sub-low temperature were only 46.5% and 40.5%， and those treated with 100 μmol·L-1 melatonin and 5 mmol·L-1 Ca2+ were 62.3% and 58.5%， respectively. Exogenous melatonin and Ca2+ treatment significantly increased the activities of antioxidant enzymes （SOD， POD， CAT and APX）， promoted the accumulation of osmotic adjustment substances （soluble sugar and proline）， and effectively alleviated the effect of sub-low temperature on watermelon seed germination and seedling growth. The seedling fresh weight treated with melatonin and Ca2+ reached 8.21 g·plant-1 on the 20th day of emergence， which was 85.5% of the control.

Key words： Watermelon; Seedlings; Sub-low temperature; Melatonin; Ca2+; Physiological characteristics

西瓜為葫芦科西瓜属一年生水果型蔬菜。西瓜喜光耐热不耐寒，在世界上均有广泛栽培。在早春大棚西瓜栽培中经常遇到低温或亚低温环境，研究表明，低温不仅影响西瓜种子萌发[1]，同时也影响西瓜的生长发育，低温条件下，西瓜幼苗生长受到抑制、授粉受精不良、果实容易发育成畸形果[2]。低温逆境胁迫下，西瓜植株会产生大量活性氧自由基，西瓜为适应低温逆境环境会提高自身保护酶SOD、POD、CAT等的活性，促进可溶性糖、脯氨酸等渗透调节物质的积累[3-4]。

褪黑素（Melatonin，MT）是一类重要的吲哚类化合物，广泛存在于动植物体内[5]。前人研究表明，褪黑素不仅能提高苜蓿、黄瓜、番茄、香椿等[5-8]植物种子在逆境胁迫下的萌发，而且能通过提高植物抗氧化酶SOD、CAT和APX等的活性，增加细胞内脯氨酸含量，降低细胞相对电导率和丙二醛含量等途径提高植物抵御逆境胁迫。外源钙能够显著提高辣椒幼苗叶片抗氧化酶活性、增加可溶性糖含量、降低丙二醛含量，从而提高辣椒幼苗抗寒性[9]。目前针对外源物质褪黑素和钙提高作物耐寒性研究主要集中在黄瓜、甜瓜、茄子等[6，10-11]作物上，褪黑素和钙在提高西瓜耐寒性上是否有协同作用等目前还不清楚。为此，笔者以西瓜为材料，通过浸种处理西瓜种子，研究外源物质褪黑素和钙对西瓜耐寒性的影响，为西瓜耐寒性研究及生产应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

西瓜品种为早佳8424，为长三角地区主栽西瓜品种，由安徽科技学院农学院园艺教研室提供。试验于2020年1—5月在安徽科技学院种植科技园日光温室及园艺实验室进行。

1.2 试验设计

选择大小一致无病虫害的西瓜种子，每个处理100粒，3次重复，将精选西瓜种子在28 ℃条件下浸种24 h，中间换水6次，浸种处理分别为蒸馏水（CK）、蒸馏水（LT，亚低温处理）、100 μmol·L-1MT溶液（LT+MT）、5 mmol·L-1 CaCl2溶液（LT+Ca2+）、100 μmol·L-1MT+5 mmol·L-1 CaCl2溶液（LT+MT+Ca2+）;然后放置在人工氣候箱中，控制不同的温度条件进行催芽。其中，对照处理西瓜种子放置28 ℃条件下催芽，其余亚低温处理则放置在昼/夜18 ℃/12 ℃条件下进行催芽，光照时间为每天12 h。

待种子发芽后开始统计发芽率。将发芽的种子播种于装有基质的32孔穴盘中，然后继续在培养箱中培养。在西瓜出苗后第5、第10、第15、第20天时测定西瓜幼苗的鲜质量。在第20天时取样测定西瓜幼苗的生理指标，各生理指标重复测定3次。

1.3 测定指标及方法

1.3.1    发芽率和发芽势的测定    对照处理催芽的西瓜种子第3天开始统计发芽率和发芽势;亚低温处理催芽的西瓜种子在第5天开始统计发芽势，第7天统计发芽率。

发芽率/%=[发芽种子数种子总数]×100;

发芽势/%=[规定天数发芽种子数种子总数]×100。

1.3.2    西瓜植株鲜质量测定    将西瓜幼苗用清水洗净，植株表面的水分用纸巾吸干，尽量避免损坏根系与叶片，称量西瓜整株鲜质量，每个处理取5株，4次重复。

1.3.3    抗氧化酶活性的测定    在亚低温处理第20天时，每处理分别称取0.5 g新鲜叶片，在研钵中用液氮研磨成粉末，将研磨后的粉末混匀到10 mL含有1 mmol·L-1 EDTA和1%聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的50 mmol·L-1的磷酸缓冲液（pH 7.0）中。4 ℃ 15 000 r·min-1高速冷冻离心20 min，取上清液用于酶的活性检测。参照李合生[12]的方法进行过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性的测定，参照Zhu等[13]的方法进行抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性的测定。

1.3.4    叶片相对电导率和MDA含量的测定    在亚低温处理第20天时，测定西瓜幼苗叶片相对电导率和丙二醛（MDA）含量，具体试验步骤参照高俊凤[14]的方法。

1.3.5    叶片脯氨酸和可溶性糖含量测定    在亚低温处理第20天时，测定西瓜幼苗叶片脯氨酸和可溶性糖含量，具体试验步骤参照高俊凤[14]的方法。

1.4 数据处理

采用WPS 2016和SPSS 19.0软件对数据进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 亚低温条件下外源MT和Ca2+对西瓜种子发芽率和发芽势的影响

从图1和图2中可以看出，与对照相比，亚低温处理显著影响西瓜种子的发芽，西瓜种子的发芽率和发芽势显著降低。亚低温处理下，外源100 µmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1Ca2+浸种处理可以促进西瓜种子萌发，外源褪黑素处理的西瓜种子发芽率和发芽势分别为58.39%和50.58%，外源100 µmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1Ca2+复合浸种处理西瓜种子达到发芽率和发芽势分别为62.30%和58.52%，而亚低温处理的西瓜种子发芽率仅为46.51%。由此说明外源褪黑素和Ca2+浸种可以促进西瓜种子萌发，二者复合浸种促进效果更为显著。

2.2 亚低温条件下外源MT和Ca2+对西瓜幼苗生长的影响

由图3可以看出，与常温处理相比，亚低温条件下西瓜幼苗生长缓慢，植株鲜质量增加较少，而外源物质浸种处理可以促进西瓜幼苗的生长。在幼苗生长到20 d时，亚低温处理的西瓜幼苗单株鲜质量为6.10 g，外源100 µmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1 Ca2+浸种可以促进西瓜幼苗的生长，尤其是褪黑素和Ca2+复合浸种西瓜，西瓜幼苗在20 d时单株鲜质量达到8.21 g，达到对照处理的85.42%。由此说明，外源褪黑素和Ca2+浸种处理可以促进西瓜幼苗在亚低温条件下生长。

2.3 亚低温条件下外源MT和Ca2+对西瓜幼苗叶片SOD和POD酶活性的影响

从图4和图5中可以看出，与常温处理相比，亚低温处理下西瓜幼苗叶片保护酶SOD和POD活性升高，外源100 µmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1 Ca2+浸种处理可显著提高西瓜幼苗的SOD和POD活性，尤其是外源褪黑素和Ca2+复合浸种处理，西瓜幼苗SOD和POD活性分别达到69.43 U·mg-1和23.61 U·mg-1，比对照处理提高94.94%和306.90%。由此说明，亚低温处理下，外源褪黑素和Ca2+浸种处理可以提高西瓜幼苗保护酶SOD和POD活性。

2.4 亚低温条件下外源MT和Ca2+对西瓜幼苗叶片CAT和APX酶活性的影响

从图6和图7中可以看出，与常温处理相比，亚低温处理下西瓜幼苗叶片保护酶CAT和APX活性升高，外源100 µmol·L-1褪黑素和5 mmol·L-1Ca2+浸种处理可显著提高西瓜幼苗CAT和APX活性，尤其是外源褪黑素和Ca2+复合浸种处理，西瓜幼苗CAT和APX活性分别为3.62 U·mg-1和50.21 U·mg-1，比对照处理提高了227.27%和48.52%。由此说明，亚低温处理下，外源褪黑素和Ca2+浸种处理可以提高西瓜幼苗保护酶CAT和APX活性。

2.5 亚低温条件下外源MT和Ca2+对西瓜幼苗叶片可溶性糖和脯氨酸含量的影响

从图8和图9中可以看出，与常温处理相比，亚低温处理下西瓜幼苗叶片渗透调节物质可溶性糖和脯氨酸含量均显著升高，外源100 µmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1Ca2+浸种处理可显著提高西瓜幼苗叶片渗透调节物质的积累。其中，褪黑素处理西瓜幼苗叶片可溶性糖和脯氨酸含量分别为60.13 mg·g-1和46.71 μg·g-1，外源Ca2+浸种处理西瓜幼苗叶片可溶性糖和脯氨酸含量分别为59.40 mg·g-1 和43.52 μg·g-1，外源褪黑素和Ca2+复合浸种处理效果更加显著。

2.6 亚低温条件下外源MT和Ca2+对西瓜幼苗叶片MDA含量和相对电导率的影响

由图10和图11中可以看出，与常温处理相比，亚低温处理下西瓜幼苗叶片MDA含量和相对电导率值显著升高，外源100 µmol·L -1褪黑素和5 mmol·L-1 Ca2+浸種处理可显著降低西瓜幼苗MDA含量和相对电导率，尤其是外源褪黑素和Ca2+复合浸种处理，西瓜幼苗MDA含量和相对电导率分别为2.90 nmol·g-1和23.82%，比亚低温处理西瓜幼苗叶片MDA含量和相对电导率分别降低了25.64%和19.05%。由此说明，亚低温处理下，外源褪黑素和Ca2+浸种处理可以降低西瓜幼苗叶片细胞膜受损。

3 讨论与结论

亚低温为一种常见的逆境气候条件，尤其是早春设施栽培中经常遇到。亚低温条件不仅抑制植物的生长，植株生长缓慢，而且可引起植物落花落果，果实发育畸形[10，15]。前人研究表明，17 ℃以下的低温处理显著降低了西瓜种子的发芽率和发芽势[1]。本研究结果表明，亚低温处理降低了西瓜种子的发芽率和发芽势，外源褪黑素和Ca2+浸种处理可以显著提高西瓜种子的发芽率和发芽势，促进西瓜幼苗的生长。在外源褪黑素促进作物种子萌发时，不同作物对褪黑素浓度需求有所差异，陈莉等[16]在棉花上的研究显示，低浓度褪黑素具有提高棉花种子发芽率和发芽势、增加幼苗生物量的效果。

作为一种广泛存在于植物体内的调节物质褪黑素，能调节植物抗氧化酶活性，促进渗透调节物质脯氨酸的积累。前人研究结果发现，外源褪黑素可以提高黄瓜叶片SOD、POD、CAT等抗氧化酶的活性，缓解低温胁迫对植物细胞造成的伤害，提高植物的抗寒性[17-18]。本研究结果表明，亚低温条件下西瓜幼苗叶片保护酶SOD、POD、CAT和APX活性显著升高，外源褪黑素和Ca2+浸种可以显著提高西瓜幼苗叶片保护酶活性，尤其是褪黑素和Ca2+复合浸种效果更好。这是由于亚低温条件下，植物细胞内活性氧清除能力下降，导致叶片中H2O2 和O2-含量的增加，细胞膜受到破坏，表现在细胞相对电导率和MDA含量增加，作物生长受到抑制[19];外源褪黑素和Ca2+处理可显著提高西瓜叶片保护酶活性，促进渗透调节物质的积累，有效缓解亚低温环境对西瓜细胞膜造成的不利影响，表现在西瓜幼苗相对电导率和MDA含量显著降低，进而起到缓解低温胁迫效果，促进作物在亚低温环境下生长。吴雪霞等[11]在茄子上也有类似研究结果。

总之，亚低温环境条件抑制了西瓜种子萌发，种子发芽率和发芽势显著降低，幼苗生长受到明显抑制;外源褪黑素和Ca2+浸种处理显著提高了西瓜幼苗抗氧化酶SOD、POD、CAT和APX活性，促进了西瓜幼苗渗透调节物质可溶性糖和脯氨酸的积累，有效缓解亚低温对西瓜种子萌发和幼苗生长的影响。本试验条件下，外源褪黑素和Ca2+复合处理缓解亚低温效果较好。

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