锑胁迫对西瓜光合生理特性的影响

许 炜，罗剑锋，何子煜，朱赞江，敬媛蓉，党建成，夏冰龙，戴海涛，高 胜，罗育才

（1.湖南人文科技学院 湖南娄底 417000； 2.娄底市农业技术推广中心 湖南娄底 417000）

锑（Sb）是一种全球性污染金属元素，金属锑及其化合物具有潜在的高危性和慢性毒性，被美国和欧盟列为优先关注的污染物[1]。锑在工业方面的应用效果显著，可制作成阻燃剂、催化剂、硬化剂和脱渗剂等含锑产品[2]。由于含锑化合物的广泛使用，大量锑元素进入环境中，土壤和河流受Sb 污染日益加剧，进而对动植物造成伤害，过高浓度锑会影响植物的正常生长发育，如生长受限、抑制光合作用、营养元素吸收受限、产量和品质下降等[3]。此外，Sb 还可以通过食物链方式进入人体，导致癌症、心血管疾病、肝脏疾病和呼吸系统疾病发生，危及人体健康[4]。我国拥有世界上最多的重金属Sb[5]，长期的开采不仅迅速消耗Sb 资源，同时也对土壤产生了严重污染。湖南冷水江锡矿山地区有“世界锑都”之称，长时间开采锑矿，使得锑矿周边的农用土壤锑含量较高，锑矿周边同时还伴生着其他的重金属[6-7]，当地农作物生长受到严重危害。目前，国外学者对全世界存在的锑污染现状及锑污染土壤修复进行了相关研究[8]，国内专家学者在受锑污染的土壤中进行大豆[9]、水稻[10]、玉米[11]等农作物相关方面的研究，但对锑超标土壤情况下正常种植蔬菜方面的研究不足。

西瓜味甜汁多，是人们夏季消暑的主要水果。湖南省地理位置优越，西瓜种植历史悠久，种植面积广，生产产量高，有较高的商业价值，带动了地方经济发展，成为湖南省的重要园艺作物[12]。目前冷水江锡矿山地区的土壤受到锑污染，成为该地区西瓜大面积推广种植的关键影响因素。锑污染对西瓜植株生长影响的研究还未见报道，笔者以3 个西瓜品种为试材，采用盆栽试验，研究不同锑浓度对西瓜光合生理特性的影响，以期为锑胁迫下西瓜抗性品种筛选及实际生产应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

西瓜品种：麒麟先锋F1（购于河北盈优种子有限公司）、欣红888（购于兴城市种旺种子有限公司）、澳华西农八号（购于澳华科农生物科技有限公司），3 个西瓜品种均为杂交种。

试验药品：三价锑酒石酸锑钾（SbIII，分析级），由西陇科学有限公司生产。

试验仪器：便携式叶绿素仪（SPAD-520Plus，日本生产）、iFL 便携式光合荧光复合测量系统来自澳作生态仪器有限公司。

丙二醛（MDA）含量以及过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性等指标测定试剂盒均购于北京盒子生工科技有限公司。

1.2 方法

试验于2022 年4-7 月在湖南人文科技学院校内基地进行。供试土壤经过自然风干，剔除动植物残体、碎石等异物，过4 mm 尼龙筛备用，然后装入内口径30 cm×24 cm，高26 cm 塑料盆，每盆7.0 kg。事先将盆中的土壤进行锑胁迫处理，用酒石酸锑钾溶解于水的形式施入土壤，设置5 个浓度（w，后同）梯度，分别为0（CK）、50、100、200 和400 mg·kg-1，锑胁迫土壤老化30 d。在50 孔穴盘内育苗至2 叶1 心时，于4 月20 日选取长势一致的西瓜苗，移栽至塑料盆中，每盆1 株，每个处理种植5 盆，3 次重复。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 酶活性指标 采集西瓜成熟期同一部位的新鲜叶片，用蒸馏水清洗干净、晾干，置于冰水浴条件下研磨，取上清液置于冰中进行酶活性测定。按照北京盒子生工科技有限公司生产的试剂盒说明书测定以下各指标。采用TBA 法测定丙二醛含量（b，后同），采用可见光法测定过氧化氢酶活性，采用羟胺法测定超氧化物歧化酶活性，采用比色法测定过氧化物酶活性。

1.3.2 叶绿素含量 使用SPAD-502 叶绿素仪测定坐果期和成熟期西瓜叶片的叶绿素含量，每株西瓜选择相同部位长势较好的2 片叶进行测定，每个处理3 次重复，取平均值。用SPAD 值表示叶绿素相对含量。

1.3.3 光合指标 采用iFL 便携式光合荧光复合测量系统在晴朗的09：00-11：00，测定光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度等指标。在西瓜伸蔓期、坐果期和成熟期，分别选择相同部位长势一致的西瓜叶片中部进行测定，每个处理3 次重复。

1.4 数据处理

采用WPS office 进行试验数据处理和作图，采用SPSS26 软件进行方差分析和差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 锑胁迫对西瓜叶片叶绿素含量的影响

由表1 可知，随着锑处理浓度的增加，不同西瓜品种叶片的叶绿素含量变化趋势并不一致。在坐果期和成熟期，澳华西农八号叶绿素含量均呈降-升-降-升趋势，麒麟先锋F1叶绿素含量呈现降-升-降趋势，而欣红888 叶绿素在坐果期呈现降-升趋势，成熟期呈现降-升-降趋势。3 个西瓜品种在不同锑浓度处理下的叶绿素含量和CK 相比均未显著增加。澳华西农八号在100 和400 mg·kg-1锑浓度处理下，坐果期的叶绿素含量均高于CK，成熟期的叶绿素含量仅在50 mg·kg-1锑浓度处理下低于CK；在坐果期和成熟期，麒麟先锋F1的叶绿素含量在锑胁迫下均低于CK；在坐果期，欣红888 的叶绿素含量仅在400 mg·kg-1锑浓度处理下高于CK，成熟期仅在200 mg·kg-1锑浓度处理下高于CK。同一锑浓度处理下，在西瓜的生长时期，各品种叶绿素含量均呈现逐渐增加的趋势，说明西瓜接近成熟时，叶片长势好，体内叶绿素含量高。

表1 锑胁迫下对西瓜叶片叶绿素含量的影响Table 1 Effect of antimony stress on chlorophyll content of watermelon leaves SPAD

2.2 锑胁迫对西瓜叶片光合特性的影响

从表2 可以看出，在同一锑浓度处理下，随着生长发育的进行，澳华西农八号的光合速率在50、100 mg·kg-1锑浓度处理下呈现出降-升趋势，在其他浓度下呈现下降趋势；蒸腾速率在成熟期均高于坐果期，呈现降-升趋势；胞间CO2浓度在CK 下呈现为升-降趋势，在100、200 mg·kg-1锑浓度处理下呈现降-升趋势，在50 和400 mg·kg-1锑浓度处理下呈现上升趋势；气孔导度在CK 下呈现下降趋势，其他浓度呈现降-升趋势。在不同锑浓度处理下，光合速率在伸蔓期呈现升-降-升-降趋势，在坐果期呈现降-升-降趋势，在成熟期呈现升-降趋势；蒸腾速率在伸蔓期呈现降-升-降趋势，其他时期呈现为升-降趋势；胞间CO2浓度在成熟期呈现上升趋势，其他时期呈现降-升-降趋势；气孔导度在坐果期呈现降-升-降趋势，其他时期呈现为升-降趋势。其中在伸蔓期，光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度均在200 mg·kg-1锑浓度处理下最大；在坐果期，光合速率、蒸腾速率和气孔导度均在200 mg·kg-1锑浓度处理下最大，胞间CO2浓度在CK 下最大，但与其他处理差异不显著；在成熟期，光合速率在100 mg·kg-1锑浓度处理下最大，蒸腾速率和气孔导度均在200 mg·kg-1锑浓度处理下最大，与CK呈显著差异，胞间CO2浓度在400 mg·kg-1锑浓度处理下最大，与CK 呈显著差异。

表2 锑胁迫对澳华西农八号光合特性的影响Table 2 Effect of antimony stress on photosynthetic characteristics of Aohua Xinong No.8

从表3 可以看出，随着生长发育的进行，麒麟先锋F1成熟期的光合速率在0、50、400 mg·kg-1锑浓度处理下均高于坐果期，呈现出降-升趋势，在其他浓度下呈现下降趋势；蒸腾速率在各浓度下均呈现降-升趋势；胞间CO2浓度和气孔导度在400 mg·kg-1锑浓度处理下表现为上升趋势，其余浓度则呈现降-升趋势。在不同锑浓度处理下，光合速率在伸蔓期呈现升-降-升-降趋势，在坐果期呈现升-降趋势，在成熟期呈现升-降-升趋势；蒸腾速率在伸蔓期呈现升-降-升-降趋势，在坐果期呈现上升趋势，在成熟期呈现降-升-降趋势；胞间CO2浓度在伸蔓期呈现降-升-降趋势，在坐果期表现为上升趋势，在成熟期呈现降-升-降-升趋势；气孔导度在伸蔓期呈现升-降-升-降趋势，在坐果期呈现上升趋势，在成熟期呈现升-降-升趋势。其中在伸蔓期，光合速率、蒸腾速率和气孔导度均在200 mg·kg-1锑浓度处理下最大，与CK 呈显著差异，胞间CO2浓度在CK 下最大，与其他处理差异不显著；在坐果期，光合速率在200 mg·kg-1锑浓度处理下最大，与CK 呈显著差异，蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度均在400 mg·kg-1锑浓度处理下最大，与CK 呈显著差异；在成熟期，光合速率和气孔导度均在50 mg·kg-1锑浓度处理下最大，蒸腾速率在CK 下最大，与其他处理差异不显著，胞间CO2浓度在100 mg·kg-1锑浓度处理下最大，与CK 和其他处理呈显著差异。

表3 锑胁迫对麒麟先锋F1光合特性的影响Table 3 Effect of antimony stress on photosynthetic characteristics of Kylin Pioneer F1

从表4 可以看出，在同一锑浓度处理下，欣红888 随着生长发育的进行，光合速率在400 mg·kg-1锑浓度处理下表现为下降趋势，而在其他处理下呈现出降-升的变化趋势；蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度呈降-升的变化趋势，均在坐果期最低。在不同锑浓度处理下，光合速率在伸蔓期呈现降- 升趋势，在坐果期和成熟期呈现升-降-升趋势；蒸腾速率在伸蔓期呈现降-升-降趋势，在坐果期呈现升-降-升趋势，在成熟期呈现升-降趋势；胞间CO2浓度在坐果期呈现升-降-升趋势，在伸蔓期和成熟期呈现降-升-降趋势；气孔导度在伸蔓期呈现降-升趋势，在坐果期呈现升-降-升趋势，在成熟期呈现降-升-降趋势。其中在伸蔓期，蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度均在200 mg·kg-1锑浓度处理下最大，与CK 和其他处理差异不显著；在坐果期，光合速率、蒸腾速率和气孔导度均在400 mg·kg-1锑浓度处理下最大，与CK 呈显著差异；在成熟期，蒸腾速率和气孔导度均在100 mg·kg-1锑浓度处理下最大，光合速率在400 mg·kg-1锑浓度处理下最大，胞间CO2浓度在CK 下最大，其中，在CK 和其他处理间的光合速率、胞间CO2浓度和气孔导度均无显著差异。

表4 锑胁迫对欣红888 光合特性的影响Table 4 Effect of antimony stress on photosynthetic characteristics of Xinhong 888

2.3 锑胁迫对西瓜叶片生理指标的影响

2.3.1 锑胁迫对西瓜叶片SOD 活性的影响 由图1 可知，3 个西瓜品种在不同锑浓度胁迫下，SOD活性含量变化不同。麒麟先锋F1的SOD 活性随着锑浓度增加而逐渐降低，在400 mg·kg-1锑浓度处理下降到最低值，较CK 显著下降52.9%；澳华西农八号的SOD 活性在200 mg·kg-1锑浓度处理下最低，显著低于其他处理，较CK 显著降低23.0%，在400 mg·kg-1锑浓度处理下SOD 活性最高，显著高于其他处理，较CK 显著提高73.1%；欣红888 在50 mg·kg-1锑浓度处理下SOD 活性降到最低值，较CK 显著降低23.5%，在400 mg·kg-1锑浓度处理下SOD 活性最高，显著高于其他处理，较CK 显著提高38.3%。整体来看，400 mg·kg-1锑浓度处理会显著提高澳华西农八号和欣红888 的SOD 活性，而显著降低麒麟先锋F1的SOD 活性。

图1 锑胁迫对西瓜叶片SOD 活性的影响Fig.1 Effect of antimony stress on SOD activity of watermelon leaves

2.3.2 锑胁迫对西瓜叶片CAT 活性的影响 由图2 可知，麒麟先锋F1在50 和200 mg·kg-1锑浓度处理下，CAT 活性分别比CK 显著提高37.1%和33.9%，在400 mg·kg-1锑浓度处理下显著低于CK；澳华西农八号在50 和100 mg·kg-1锑浓度处理下CAT 活性显著高于CK，其中100 mg·kg-1锑浓度处理CAT 活性达到最大值，比CK 显著提高46.8%；欣红888 仅在100 mg·kg-1锑浓度处理下的CAT 活性高于CK，但差异不显著。整体来看，低浓度（50～200 mg·kg-1）锑处理会提高3 个西瓜品种叶片的CAT 活性，而高浓度锑处理则表现出抑制作用。

图2 锑胁迫对西瓜叶片CAT 活性的影响Fig.2 Effect of antimony stress on CAT activity of watermelon leaves

2.3.3 锑胁迫对西瓜叶片POD 活性的影响 由图3 可知，3 个西瓜品种在不同锑浓度处理下的POD活性均高于CK。其中麒麟先锋F1在50 mg·kg-1锑浓度处理下，POD 活性达到最大值，较CK 显著升高192.5%；澳华西农八号在100 mg·kg-1锑浓度处理下，POD 活性达到最大值，较CK 显著升高131.4%；这2 个西瓜品种的POD 活性随着锑浓度升高，总体表现出“低促高抑”现象。欣红888 随着锑浓度的升高，叶片POD 活性不断升高，在400 mg·kg-1锑浓度处理下，POD 活性达到最大值，较CK 显著升高133.2%。

2.3.4 锑胁迫对西瓜叶片MDA 含量的影响 由图4 可知，麒麟先锋F1在50、100 和400 mg·kg-1锑浓度处理下的MDA 含量均显著高于CK，其中50 mg·kg-1锑浓度下MDA 含量最高，显著高于其他处理，比CK 显著增加121.6%；澳华西农八号在50 mg·kg-1锑浓度处理下的MDA 含量最高，显著高于100 mg·kg-1锑浓度处理，与CK 和其他处理差异不显著；欣红888 在200 mg·kg-1锑浓度处理下的MDA 含量最高，显著高于CK 和其他处理，比CK 显著增加94.3%。总体来看，澳华西农八号和欣红888 的MDA 含量呈现升-降-升-降趋势，麒麟先锋F1的MDA 含量呈现升-降-升趋势，3个西瓜品种的MDA 含量最大值出现在不同的锑浓度处理中，其中50 mg·kg-1锑浓度能促进麒麟先锋F1和澳华西农八号MDA 含量的增加，而200 mg·kg-1锑浓度能促进欣红888 MDA 含量的增加。

图4 锑胁迫对西瓜叶片MDA 含量的影响Fig.4 Effect of antimony stress on MDA content of watermelon leaves

3 讨论与结论

随着锑浓度升高，更多的锑会进入植物细胞中，与叶绿体蛋白质的巯基组结合，破坏叶绿体的结构和功能，干扰平衡的叶绿素酶活性比率，进而使叶绿素含量下降[13]。因此，叶绿素含量是评价植物受锑胁迫的重要生理指标。笔者的研究结果表明，不同锑浓度处理的麒麟先锋F1的叶片叶绿素含量在坐果期和成熟期均低于CK，说明锑胁迫处理会降低叶绿素含量，与前人研究结果一致[13]。但不同西瓜品种响应锑胁迫的表现并不一致，澳华西农八号坐果期和成熟期的叶片叶绿素含量均在100 mg·kg-1锑浓度处理下达到最大值；而欣红888坐果期的叶片叶绿素含量在400 mg·kg-1锑浓度处理下达到最大值，成熟期的叶片叶绿素含量在200 mg·kg-1锑浓度处理下达到最大值，均与CK 差异不显著。这可能是不同品种响应锑胁迫的浓度不同造成的。光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度和气孔导度作为重要的光合参数，是衡量植物逆境胁迫下光合强度的重要指标。笔者的试验结果表明，成熟期锑胁迫下澳华西农八号的光合速率、蒸腾速率和气孔导度随处理浓度增大呈先升高后降低趋势，而胞间CO2浓度逐渐升高，与贾茜茹等[14]研究结论相似。坐果期锑胁迫下麒麟先锋F1的光合速率、蒸腾速率随处理浓度增大呈先升高后降低的趋势，胞间CO2浓度和气孔导度逐渐升高，而坐果期欣红888 在0～100 mg·kg-1锑浓度处理下的光合速率、蒸腾速率和气孔导度呈先升高后降低的变化趋势，与李二豹等[15]研究结果一致。李亚藏等[16]研究认为，胞间CO2浓度的大小是评判气孔限制和非气孔限制的依据，当光合速率、胞间CO2浓度和气孔导度同时下降时，光合作用主要受到气孔限制；如果叶片中光合速率降低，胞间CO2浓度升高，则可说明限制光合作用的因素是非气孔。在笔者的试验中，0～100 mg·kg-1锑浓度胁迫对欣红888 叶片光合作用的限制由气孔因素引起，气孔导度升高导致光合结构和叶功能受到损害，进而引起光合作用减弱[17]。

植物在遭受干旱、寒冷、重金属等胁迫条件下会产生活性氧（ROS），而过剩的ROS 会导致DNA、蛋白质的功能受损甚至细胞死亡。笔者的试验结果表明，锑胁迫下澳华西农八号和欣红888 在0～50 、100～200 mg·kg-1锑浓度下MDA 含量均升高；而麒麟先锋F1在0～50、200～400 mg·kg-1锑浓度下MDA 含量均升高。通过MDA 含量能看出，澳华西农八号受到的胁迫要小于麒麟先锋F1和欣红888，说明锑胁迫对澳华西农八号的生长影响较小，澳华西农八号和欣红888 在低浓度下提高MDA 含量，而在高浓度下抑制MDA 积累，与刘朝荣等[18]研究结果相似，可能是锑破坏了植物自身活性氧平衡及清除系统平衡，植物发生膜伤害。植物为了清除活性氧带来的不利影响，体内启动各种抗氧化酶，如POD、SOD、CAT 都会参与解除ROS 的毒害作用，而SOD 与清除活性氧自由基有关，POD、CAT 与清除H2O2有关[19]，当植物体内活性氧自由基的产生速度超出了植物清除活性氧的能力，就会引起伤害[20]。在笔者的研究中，澳华西农八号在0、50、100 mg·kg-1锑处理下SOD 活性变化不大，高浓度400 mg·kg-1锑处理下SOD 活性显著提高，说明高浓度锑胁迫影响了澳华西农八号叶片清除活性氧的能力；麒麟先锋F1随着锑浓度增加，SOD 活性受到抑制；欣红888 存在“低抑高促”现象，与前人研究结论相似。Chal 等[21]研究表明，锑能降低苎麻的SOD 活性，也存在明显浓度效应，澳华西农八号和欣红888 在50 mg·kg-1锑浓度处理下降低了SOD活性，随着锑浓度增加，在400 mg·kg-1锑浓度处理下SOD 活性升高，这与耿丽莎等[19]的研究结论相似，可能是西瓜对高浓度锑胁迫产生适应机制，在高浓度锑胁迫下SOD 活性升高。

综上所述，锑胁迫对西瓜叶片的光合生理特性具有重要影响，引发生理指标的变化。澳华西农八号在成熟期的光合速率、蒸腾速率和气孔导度随着锑浓度的增加呈先升高后降低的趋势，胞间CO2浓度呈升高趋势。澳华西农八号和欣红888 的SOD活性出现“低抑高促”现象，澳华西农八号和麒麟先锋F1的CAT 活性出现“低促高抑”现象；3 个西瓜品种在不同锑浓度处理下的POD 活性均高于CK。3 个西瓜品种对锑胁迫的生理反应有一定差异，澳华西农八号内部响应锑胁迫的机制更为完善。