4种外源物质对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗生长生理的影响

杨 雨, 高新生, 陈艳丽, 刘金伟, 张旭阳, 王铃钰, 靳卓宇

(1.海南省热带园艺作物品质调控重点实验室,海南大学园艺学院, 海口 570228;2.中国热带农业科学院橡胶研究所, 海口 570216)

有棱丝瓜(Luffaacutangular(Linn.)Roxb.),为葫芦科丝瓜属一年生攀缘草本植物,分为长绿型和大肉型两类,其中大肉棱丝瓜果实脆嫩、味清爽口、营养丰富,是一种菜药兼用的特色蔬菜,种植效益较好,具有较高的经济价值[1]。大肉棱丝瓜喜温惧寒,最适生长温度为20～30 ℃,低于15 ℃时生长缓慢,低于10 ℃时生长受到抑制甚至出现冷害[2]。因此,大肉棱丝瓜在北方温棚冬春季节不宜种植,但海南光热资源丰富,具有利用季节差种植有棱丝瓜的独特地域优势[3]。近年来,在海南五指山以北地区,冬春季温度低至8 ℃左右,对有棱丝瓜的产量和品质造成了很大影响,特别是冬春茬有棱丝瓜育苗时期的低温胁迫对有棱丝瓜幼苗的生长发育造成不利影响[4]。

在农业生产中,为缓解低温对植物造成的伤害,常采用的措施包括设施栽培、良种选育、喷施植物生长调节剂等。其中喷施外源物质最为常见,性价比最高,对缓解植物冷害具有重要的调节作用[5-6]。研究表明,褪黑素(MT)、抗坏血酸(AsA)、钙(Ca)、硅(Si)这4种外源物质具有提高植物耐冷性的作用,缓解低温伤害[7-10]。其中,MT是色氨酸的吲哚衍生物,作为一种良好的抗氧化剂,可清除内源自由基,提高植物对低温胁迫的抵御能力[11],已在黄瓜[12]、甜瓜[13]、番茄[14]等蔬菜作物得到证明。而AsA、Ca和Si喷施对提高植物抗冷性的效果也有报道。王宁等[15]研究表明,在植株上施用人工合成的AsA能控制脂质过氧化,降低胁迫植株中MDA含量。刘晓辉[16]研究表明,在西瓜幼苗叶片上喷施一定浓度外源AsA可以显著提高叶片抗氧化酶的活性,减少活性氧(ROS)的积累,缓解低温胁迫对其造成的伤害。李天来等[17]研究表明,在薄皮甜瓜上喷施外源Ca能够明显提高甜瓜株高、茎粗、果实横径、纵径和叶片的保护酶活性,同时降低O2·-产生速率,增强植株对亚低温胁迫的耐受性。陈德伟等[18]研究表明,外源CaCl2可提高植物抗氧化酶活性,保护细胞膜免受冷害伤害,减少MDA的累积,提高植物对低温的耐受性。刘月等[19]认为,Si对提高植物的抗冷性有显著作用。郭树勋等[20]研究表明,外源Si可通过保持抗氧化酶系统稳定运行,缓解活性氧积累,降低膜脂过氧化程度,维持细胞膜的完整性,进而增强番茄对低温胁迫的抵御能力。

近年来,外源物质对低温胁迫下植物耐冷性的影响已有报道,但针对大肉棱丝瓜耐冷性的研究较少。因此,为寻找增强海南大肉棱丝瓜耐冷性的新方法,本研究选用MT、AsA、Ca、Si等4种能够增强植物耐冷性的外源物质,在前人研究的基础上,对低温胁迫下的大肉棱丝瓜进行喷施处理,综合比较低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗生长、抗氧化系统及光合作用,比较喷施效果,为生产上缓解低温逆境对大肉棱丝瓜生长的影响提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2021年11月至2022年4月在中国热带农业科学院橡胶研究所新品种培育实验室进行。供试大肉棱丝瓜品种为华玉1号,外源物质MT、AsA、CaCl2、Na2SiO3·9 H2O为粉剂,购于海南科贸生物科技有限公司。

1.2 试验设计

选取籽粒饱满、大小一致的大肉棱丝瓜种子,55 ℃热水浸泡10 min,冷却至室温浸种4 h,之后外裹湿毛巾置于人工气候箱(30±1)℃条件下催芽,露白后将种子播种于育苗杯中,置25 ℃恒温育苗室育苗,相对湿度为60%,光照强度为400 μmol/(m2·s),光周期为昼12 h/夜12 h。

大肉棱丝瓜幼苗长至2叶1心时,挑选出体态匀称、长势一致的大肉棱丝瓜幼苗,平均分设6个处理,分别为:RTCK(25 ℃常温清水)、LTCK(8 ℃低温清水)、MT组(100 μmol/L MT)、AsA组(50 mg/L AsA)、Ca组(12 mmol/L CaCl2)、Si组(1.7 mmol/L Na2SiO3·9 H2O),之后对每组幼苗的叶片进行喷施处理,每天喷1次,以叶片全部湿润为宜,连喷3 d后将常温对照置于25 ℃光照培养箱,其他5组处理置于8 ℃光照培养箱,相对湿度为60%,光照强度为400 μmol/(m2·s),光周期为昼12 h/夜12 h,每处理30株,重复3次。3 d后测定大肉棱丝瓜幼苗的生长生理指标。

1.3 测定指标及方法

用直尺测量株高,用游标卡尺测量茎粗,用千分之一天平称量大肉棱丝瓜幼苗的干鲜重,根据公式计算出壮苗指数[21],采用电导率仪法测定相对电导率[22],采用TTC染色法测定根系活力[22]。

冷害指数(CI)=∑(n×Sn)/(处理株数×最高冷害级别),式中,n为冷害级别,Sn为对应冷害级别的幼苗株数。

采用NBT还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性[22],采用紫外吸收法测定过氧化氢酶(CAT)活性[22],采用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性[22],采用硫代巴比妥酸比色法测定丙二醛(MDA)含量[22],采用酸性茚三酮比色法测定游离Pro含量[22],采用考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量[22],采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量[22],叶绿素含量的测定参考王学奎[23]的方法。每个处理30株幼苗,重复3次。

1.4 运用隶属函数法对大肉棱丝瓜幼苗进行综合评价

不同外源物质对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗综合评价应用隶属函数法。采用模糊数学的隶属函数计算不同外源物质处理各相关指标的隶属度。隶属函数值越大,说明缓解效果越佳。隶属函数公式:

X(μ)=(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin),其中,Xi为各处理第i个指标测定值,Ximax为第i个指标测定值的最大值,Ximin为第i个指标测定值的最小值。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 23软件进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 4种外源物质对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗形态指标的影响

由表1可知,与25 ℃常温对照相比,8 ℃低温处理下的大肉棱丝瓜幼苗鲜重显著降低,壮苗指数下降,受冷害严重;而喷施特定浓度的4种外源物质均可缓解低温对大肉棱丝瓜幼苗造成的伤害。8 ℃低温条件下,AsA处理组的大肉棱丝瓜幼苗株高显著高于MT处理组和对照组,其中高于对照10.51%,其他外源物质处理组与对照组差异不显著;各外源物质处理组幼苗茎粗和地上部鲜重均高于对照组;地下部鲜重方面,AsA、Ca处理组最高,显著高于MT处理组和对照组;地上部干重方面,Si处理组显著高于Ca处理组和对照组,与MT和AsA处理组差异不显著;地下部干重方面,4组外源物质处理组均与低温对照组差异显著,分别高于低温对照22.86%,77.14%,57.14%,40%;壮苗指数方面,AsA、Ca处理组与对照组差异显著,分别高于对照25.13%,17.37%;冷害指数方面,MT、AsA、Ca、Si处理组与低温对照组差异显著,分别低于对照12.05%,8.15%,10.70%,14.53%。

表1 4种外源物质对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗生长的影响Table 1 Effects of the four exogenous substances on the growth of Luffa acutangular (Linn.) Roxb. seedlings under cold stress

2.2 4种外源物质对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗抗逆指标的影响

由表2可知,与常温对照相比,8 ℃低温处理下的大肉棱丝瓜幼苗相对电导率显著升高,MDA、Pro含量增加,可溶性蛋白和可溶性糖含量显著增加。低温条件下,喷施一定浓度外源物质的处理组叶片相对电导率均高于低温对照组,其中AsA、Ca处理组相对电导率最低,与对照组差异显著,与MT和Si处理组差异不显著;MT、AsA、Ca处理组MDA含量最低,分别低于低温对照组8.76%,5.18%,10.23%。

表2 4种外源物质对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗抗逆指标的影响Table 2 Effects of four exogenous substances on resistance indexes of Luffa acutangular (Linn.) Roxb. seedlings under cold stress

低温条件下,Si处理组可溶性蛋白含量最高,与MT、AsA、Si处理组差异不显著,与低温对照组差异显著,高于低温对照组25.07%;AsA、Si处理组可溶性糖含量显著高于其他处理组,与对照组相比分别增长17.45%,27.52%;MT、AsA、Si处理组Pro含量最高,与对照组和Ca处理组差异显著,分别高于对照56.49%,50.42%,46.54%。

2.3 4种外源物质对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗叶片中抗氧化酶活性的影响

由图1可知,与常温对照相比,低温条件下大肉棱丝瓜幼苗SOD、CAT、POD活性显著增加。低温条件下,各外源物质处理组能显著提高幼苗叶片的SOD、CAT、POD活性。其中,AsA处理组SOD活性最高,高于低温对照28.27%;MT、AsA、Ca、Si处理组CAT活性差异不显著,与低温对照组差异显著,分别高于对照5.23%,5.05%,4.99%,8.45%;AsA、Ca、Si处理组POD活性差异不显著,与MT和低温对照组差异显著。由此可见,低温环境下叶面喷施100 μmol/L MT、50 mg/L AsA、12 mmol/L CaCl2、1.7 mmol/L Na2SiO3·9 H2O能够提高大肉棱丝瓜幼苗的SOD、CAT、POD活性,减弱低温下叶片膜脂过氧化作用。

注:不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。图1 4种外源物质对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗叶片中抗氧化酶活性的影响Fig.1 Effects of four exogenous substances on antioxidant enzyme activities in leaves of Luffa acutangular (Linn.) Roxb. seedlings under cold stress.

2.4 不同外源物质对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗根系活力和光合色素含量的影响

由表3可知,与常温对照相比,低温下大肉棱丝瓜幼苗叶片根系活力,叶绿素a,叶绿素b含量以及叶绿素a+叶绿素b含量均显著降低。低温条件下,喷施一定浓度外源物质的处理组,根系活力均高于低温对照组,其中AsA、Ca、Si处理组根系活力与MT和对照组差异显著,分别高于对照组40.55%,46.08%,37.61%;MT、AsA、Si处理组叶绿素a含量均高于低温对照组;AsA、Ca处理组叶绿素b含量和叶绿素a+叶绿素b含量最高,显著高于低温对照组,其中叶绿素b含量分别比对照提高34.75%,29.71%,叶绿素a+叶绿素b含量分别比对照提高23.40%,15.60%。

表3 不同外源物质对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗根系活力和光合色素含量的影响Table 3 Effects of different exogenous substances on root activity and photosynthetic pigments of Luffa acutangular (Linn.) Roxb. seedlings under cold stress.

2.5 不同外源物质对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗缓解效应的综合评价

以单一指标评价大肉棱丝瓜缓解效应,难以客观真实地反映其本质属性,而平均隶属度可以综合反映各处理缓解效果。本研究采用隶属函数值综合评价方法,对不同外源物质处理低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗缓解效应的20个指标进行综合分析。结果(表4)表明,AsA处理组隶属平均值最高,说明4组处理中,50 mg/L AsA对低温下大肉棱丝瓜的缓解效果最好,其次是Si、Ca、MT处理组。

表4 各项指标的隶属函数值及不同处理的综合排名Table 4 Membership function values of each indicator and comprehensive ranking of the different treatments

3 讨 论

3.1 4种外源物质对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗形态及根系活力的影响

低温胁迫对植物最直观的影响表现在外部形态上,低温胁迫下植物分生组织细胞膨压降低,细胞分裂速度减慢或停止,同时细胞伸长受到抑制,生长速度明显减慢[24]。陈瑶瑶等[25]研究表明,适宜浓度的外源物质能有效增强植物幼苗的株高、茎粗、鲜质量和干质量,促进壮苗的培育。朱恒达等[26]研究表明,喷施MT显著增加了黄瓜幼苗株高和茎粗,促进了低温下幼苗的生长,缓解了低温对幼苗的伤害。本研究结果表明,与常温对照相比,低温下大肉棱丝瓜幼苗的干鲜重、壮苗指数以及根系活力显著降低,说明低温抑制大肉棱丝瓜幼苗的生长,植株生长缓慢。喷施外源物质的大肉棱丝瓜幼苗的茎粗、干鲜重均高于低温对照组,其中AsA处理组植株茎粗最粗;地上部干鲜重最高,且显著高于其他处理组;AsA、Ca和Si处理组冷害指数最低;AsA和Ca处理组壮苗指数和根系活力最高,且均与低温对照组差异显著,说明一定浓度的AsA、CaCl2、Na2SiO3·9 H2O能够缓解低温对大肉棱丝瓜造成的伤害,这与阮淑洁等[27]和唐宽强等[28]在番茄上的研究效果一致。

3.2 4种外源物质对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗膜脂过氧化的影响

低温等逆境条件下,植物细胞中自由基和活性氧的产生及清除的平衡状态被破坏,自由基积累致使细胞膜系统首先遭受伤害,造成膜脂过氧化,膜结构被破坏,细胞膜透性和MDA含量可以反映植物细胞质膜的损伤程度,SOD、CAT、POD作为植物酶促防御系统中清除自由基的重要酶之一,在减轻细胞膜脂过氧化和稳定膜结构方面也起到重要作用[29-31]。丁东霞等[32]研究表明,叶面喷施外源物质能够降低低温胁迫下辣椒叶片电导率以及超氧阴离子含量,提高叶片抗氧化能力,从而增加植株的抗逆性。杨庆贺和郑成淑[33]研究表明,外源AsA、CaCl2和AsA+CaCl2处理可通过提高抗氧化剂AsA水平,减少了H2O2对植物的氧化损伤,提高了菊花抗低温弱光性。本实验中,低温下大肉棱丝瓜幼苗叶片中的电导率、MDA、SOD、CAT、POD活性较常温对照组显著升高。其中AsA和Ca处理组大肉棱丝瓜叶片电导率最低,与低温对照组差异显著;AsA处理组MDA含量最低;各外源物质处理组SOD活性均显著高于低温对照组,其中以AsA处理组最高;各外源处理组CAT活性均升高,且以Si处理组最高;AsA、Ca和Si处理组POD活性显著高于MT和低温对照组。以上结果说明喷施一定浓度的AsA、CaCl2、Na2SiO3·9 H2O能够降低叶片电导率、MDA含量,从而降低细胞膜的破坏程度,通过增加幼苗叶片中SOD、CAT、POD的活性,避免活性氧等各种自由基的大量积累,减轻膜脂过氧化作用,与幼苗的耐冷性呈正相关,这与陈小凤等[34]在苦瓜苗期上的研究结果一致。

3.3 4种外源物质对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗渗透调节物质的影响

低温胁迫下,某些植物会在细胞内积累可溶性糖、可溶性蛋白和Pro等渗透调节物质,以调节渗透势,维持膨压及其原有代谢过程[35]。吴燕等[8]研究表明,外源MT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。本研究表明,与常温对照相比,低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗叶片Pro含量升高,可溶性蛋白和可溶性糖含量显著升高。其中AsA、Si处理组叶片可溶性糖、可溶性蛋白、Pro含量均显著高于低温对照组,说明喷施50 mg/L AsA、1.7 mmol/L Na2SiO3·9 H2O能够提高低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗的渗透调节物质积累水平,对叶片膜结构和功能的稳定起到积极的保护作用,并提高大肉棱丝瓜幼苗的耐冷性,这与郭树勋等[20]在番茄幼苗上的研究结果一致。

3.4 4种外源物质对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗光合色素含量的影响

低温逆境条件下,植物的叶绿素生物合成量减少,叶绿素发生降解,同时光合作用也受到抑制[36]。李恭峰等[37]研究表明,叶面喷施适宜浓度外源物质能显著促进植株生长和叶片光合作用。李进等[38]研究表明,喷施α-萘乙酸钠等4种外源物质,可提高棉花的叶绿素和类胡萝卜素含量,从而提高棉花抗低温能力。本研究结果表明,低温条件下,MT、AsA、Si处理组叶绿素a含量高于低温对照组;MT、AsA、Ca、Si处理组叶绿素b和叶绿素a+叶绿素b含量显著高于对照组,说明喷施一定浓度的外源物质能够减缓叶片中叶绿素的降解,且以喷施100 μmol/L MT和1.7 mmol/L Na2SiO3·9 H2O的效果最好,这与吴燕等[8]和刘晓辉[16]在西瓜上的研究结果一致。

综上所述,和常温对照相比,低温下大肉棱丝瓜幼苗的干鲜重、根系活力显著降低,叶片中的SOD、CAT、POD活性、可溶性蛋白和可溶性糖含量显著升高,叶绿素含量显著下降,这些变化对大肉棱丝瓜幼苗的生长极为不利。低温条件下,叶面喷施100 μmol/L MT、50 mg/L AsA、12 mmol/L CaCl2、1.7 mmol/L Na2SiO3·9 H2O能够通过降低大肉棱丝瓜幼苗叶片的电导率、MDA含量,增加根系活力、抗氧化酶活性和渗透调节物质,提高大肉棱丝瓜幼苗的耐冷性,缓解低温对大肉棱丝瓜的伤害。通过隶属函数综合分析比较,50 mg/L AsA对低温胁迫下大肉棱丝瓜幼苗缓解效果最好,其次是1.7 mmol/L Na2SiO3·9 H2O、12 mmol/L CaCl2和100 μmol/L MT。本研究结果为合理使用外源MT、AsA、Ca和Si提高低温下大肉棱丝瓜幼苗耐冷性提供了理论基础。