稀土钆对硝酸盐胁迫下西瓜幼苗抗氧化酶活性等生理特性的影响

张　皓，陆晓民，李　坤，吴　秀

(安徽科技学院， 安徽 凤阳 233100)



稀土钆对硝酸盐胁迫下西瓜幼苗抗氧化酶活性等生理特性的影响

张皓，陆晓民，李坤，吴秀

(安徽科技学院， 安徽 凤阳 233100)

摘要：采用硝酸盐[Ca(NO3)2]胁迫处理，研究了稀土钆[Gd2(CO3)3]对嫁接西瓜幼苗生长与相关生理特性的影响。结果表明：与对照相比，Ca(NO3)2胁迫下嫁接西瓜幼苗叶片超氧阴离子)产生速率及过氧化氢(H2O2)、丙二醛(MDA)含量增加，膜透性增强，致使其净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)分别显著下降64.2%、81.6%、27.1% 和71.5%，幼苗干物质积累减少38.9%，生长显著受抑。叶面喷施Gd2(CO3)3可提高Ca(NO3)2胁迫下嫁接西瓜幼苗叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶活性，降低产生速率、H2O2和MDA含量及细胞膜透性，缓解Ca(NO3)2胁迫下Pn、Gs、Tr值的下降幅度，促进干物质的积累，幼苗干重增加29.2%，生长加快。可见，Gd2(CO3)3可通过调节Ca(NO3)2胁迫下嫁接西瓜幼苗抗氧化性，减少其膜脂过氧化程度，进而维持其较高的光合性能，有效促进了Ca(NO3)2胁迫下嫁接西瓜幼苗的生长。

关键词：嫁接西瓜；硝酸钙胁迫；碳酸钆；抗氧化酶活性；光合

西瓜(Citrulluslanatus)起源于非洲，在世界园艺生产中占有重要地位。据报道，2012年我国西瓜种植面积达200余万hm2，西瓜总产7 000万t以上，分别占约世界西瓜总种植面积和总产量的60%和70%，现已成为是世界上最大的西瓜产地。

近年来，我国设施西瓜栽培面积不断扩大，利用嫁接育苗移栽可有效克服土传性病害、连作障碍以获得西瓜的高产高效。在设施西瓜栽培中，过量施肥导致棚室土壤次生盐渍化日趋严重，西瓜产量和品质下降[1]。研究表明，设施次生盐渍化土壤中的阴、阳离子分别以NO3-和Ca2+为主，前者约占阴离子总量的56%～76%，而后者占阳离子总量的60%以上，Ca(NO3)2的过量积累导致设施作物发生生理性干旱而生长异常，严重阻碍了其可持续发展[2-3]。因此，如何克服和缓解以硝酸盐积累为主要特征的土壤次生盐渍化所带来的危害已成为当前设施西瓜生产亟需解决的问题。

稀土(RE或R)是具有生理活性的金属元素。研究表明，适宜浓度的稀土不仅能够促进种子萌发、增强光合性能、加速幼苗生长、提升产量、改善产品品质[4-5]，而且还能提高植物抗寒[6]、抗旱[7]、抗盐[8]、抗酸雨[9]和抗菌性[10]等性能，缓解逆境对植物的伤害。如今，稀土已在农作物生产上得到越来越广泛的应用。随着稀土分离与提纯技术的进步及稀土农用研究的逐渐深入，单一稀土的农用研究与利用已成为新的热点，目前报道多集中在镧[11]、铈[9]、钕[12]等稀土元素方面，而有关稀土元素钆在农用方面的研究鲜有报道。为此，在我们依据稀土在我国工农业生产上的应用和设施土壤次生盐研究的情况以及前期预试验研究的基础上，本研究采用营养液浇灌方法模拟硝酸钙积累而形成胁迫，叶面喷施稀土元素钆，检测嫁接西瓜幼苗营养生长、抗氧化系统及光合等指标的变化，探讨硝酸钙胁迫下稀土元素钆对嫁接西瓜幼苗的影响，为克服设施西瓜栽培土壤次生盐渍障碍、以及稀土元素钆减轻作物土壤次生盐胁迫伤害方面提供参考。

1材料和方法

1.1供试材料与处理

试验采用单因素随机区组设计，2013年4月至6月于校种植科技园园艺实习基地，以8424西瓜品种为试材，精选作为砧木瓠瓜种子，浸种、催芽后播于装有基质(蛭石和沙按1∶1配制)的13 cm×15 cm营养钵中，每钵一粒，砧木苗子叶展平时播接穗用的8424西瓜种子，待西瓜子叶叶展平时采用顶插接方式进行嫁接，Hoagland营养液浇灌，加强苗期均一管理，当嫁接西瓜幼苗3叶1心时选大小一致的苗进行处理。试验处理分设Ⅰ(对照)、Ⅱ(硝酸钙胁迫)、Ⅲ(硝酸钙胁迫+叶面喷施碳酸钆溶液)3个处理。其中，对照营养液不额外添加硝酸钙，Ⅱ、Ⅲ处理营养液添加70 mmol·L-1的硝酸钙，同时Ⅲ处理叶面喷施10 mg·L-1的碳酸钆溶液，其它处理喷施相应量的清水，营养液每隔2天浇灌一次，每次500 mL，叶面喷施以叶面布满一层液滴而不滴下为度，4天一次，共3次。每个处理30株苗，3次重复。12天后，测定嫁接西瓜幼苗植株根、茎、叶等营养生长指标以及生理指标。

1.2指标测定

生长指标以及叶片SOD、POD、CAT活性、超氧阴离子产生速率、过氧化氢含量，丙二醛含量、膜透性测定参照陆晓民和杨威[13]方法，酶活性单位均以U·g-1表示，其中SOD活性以抑制NBT光化学反应50%为一个酶活性单位(U)表示，POD活性以OD470每分钟增加1为一个酶活性单位(U)，CAT活性以使OD240每分钟减少0.1为一个活性单位(U)。利用TPS-2便携式光合仪(美国PP SYSTEMS公司制造)测定叶片(上数第3片叶)的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)等光合参数[14]，测定时使用开放气路，光强控制由测定仪的可调内置光源控制，为800 μmol·m-2·s-1，叶室温度控制在25±1℃，参比室CO2浓度为380±10 μmol·L-1，相对湿度为60%～70%。各指标测定均采用鲜重表示。

1.3数据分析

用Microsoft Excel 2003以及 DPS 7.05软件进行数据处理、分析，Duncan,s法进行多重比较。

2结果与分析

2.1稀土钆对硝酸盐胁迫下嫁接西瓜幼苗生长的影响

与对照相比，在硝酸钙胁迫下嫁接西瓜幼苗生长缓慢，植株矮小，幼苗生长受抑，具体情况见表1。由表1可以看出，在硝酸钙胁迫下嫁接西瓜幼苗的株高、鲜重、干重等相关生长指标均较对照显著下降，其植株鲜质量及总干质量等分别比对照下降了44.7%和38.9%，而硝酸钙胁迫下进行叶面喷施碳酸钆后，嫁接西瓜幼苗株高、鲜质量及地下部干质量均比单纯硝酸钙胁迫有所增加，但差异均不显著，嫁接西瓜幼苗地上部干质量及总干质量却分别比单纯硝酸钙处理显著提高了31.5%和29.2%，幼苗受抑减轻。由此可见，碳酸钆处理有利于嫁接西瓜幼苗干物量的积累，缓解了硝酸钙对嫁接西瓜幼苗生长的抑制程度。

注：同列中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

Note： Different small letters in the column meant significant difference at 0.05 level. hereinafter.

2.2稀土钆对硝酸盐胁迫下嫁接西瓜幼苗抗氧化酶活性的影响

与对照相比，硝酸钙胁迫下嫁接西瓜幼苗SOD、POD、CAT活性显著降低，分别下降了39.8%、41.2%和45.6%，而叶面喷施碳酸钆后嫁接西瓜幼苗叶片SOD、POD和CAT活性较单纯硝酸钙胁迫处理分别显著提高了30.4%、32.7%和35.7%，进一步提高了硝酸钙胁迫下嫁接西瓜幼苗抗氧化酶活性。可见，硝酸钙胁迫下采用碳酸钆对嫁接西瓜幼苗进行叶面喷施处理可通过调节其抗氧化酶活性，进而提高嫁接西瓜幼苗植株对硝酸钙胁迫逆境的抗性，对嫁接西瓜幼苗生长起到有效的保护作用。

2.3稀土钆对硝酸盐胁迫下嫁接西瓜幼苗超氧阴离子产生速率和过氧化氢含量的影响

从图2可以看出，硝酸钙胁迫下嫁接西瓜幼苗超氧阴离子产生速率加大，过氧化氢含量升高，分别比对照提高113.2%和127.3%，活性氧代谢失衡。而碳酸钆处理的超氧阴离子产生速率、过氧化氢含量虽比对照显著增加，但其增幅却比单纯硝酸钙胁迫显著减少，其值仅为单纯硝酸钙胁迫处理的75.3%和72.4%，可见碳酸钆明显减缓硝酸钙胁迫下嫁接西瓜幼苗过氧化氢和超氧阴离子的生成速率，降低活性氧伤害。

图2碳酸钆对硝酸钙胁迫下嫁接西瓜幼苗超氧阴离子产生速率和过氧化氢含量的影响

Fig.2Effects of Gd2(CO3)3on the superoxide anion production rate, hydrogen peroxide contents of

grafted watermelon seedling leaves under calcium nitrate stress

2.4稀土钆对硝酸盐胁迫下嫁接西瓜幼苗叶片丙二醛含量及膜透性的影响

由图3可知，与对照相比，嫁接西瓜幼苗在硝酸钙胁迫下，其叶片的MDA含量、相对电导率分别提高了130.9%和90.1%，且差异显著，而硝酸钙胁迫下喷施碳酸钆后，嫁接西瓜幼苗MDA含量、相对电导率比单纯硝酸钙胁迫下降25.3%和22.7%。说明碳酸钆可减少硝酸钙胁迫下嫁接西瓜幼苗叶片膜脂过氧化及细胞膜相对透性，从而提高其对硝酸钙胁迫的耐性。

图3碳酸钆对硝酸钙胁迫下嫁接西瓜幼苗叶片丙二醛含量及膜透性的影响

Fig.3Effects of Gd2(CO3)3on MDA and cell membrane permeability of grafted

watermelon seedling leaves under calcium nitrate stress

2.5稀土钆对硝酸盐胁迫下嫁接西瓜幼苗光合参数的影响

由表2可知，硝酸钙胁迫下嫁接西瓜幼苗的Pn比对照相显著降低了64.2%，其Gs、Tr和Ci也分别显著下降了81.6%、71.5%和27.1%，采用碳酸钆处理后嫁接西瓜幼苗Pn、Gs和Tr分别比单纯硝酸钙胁迫处理显著提高了68.6%、51.7%和43.2%，但Ci比单纯的硝酸钙胁迫处理下降了17.0%。

3讨论

土壤中盐分含量的高低严重影响植物的生长发育[15]。研究表明，在设施次生盐渍化土壤中，NO3-离子浓度的不断升高会形成硝酸盐的积累，使得土壤溶液的浓度和渗透压提高，引起植物抗氧化系统紊乱，从而导致植株光合作用降低、生长受抑[16-17]。陆晓民等[3]采用1/2 Hoagland营养液添加70 mmol·L-1的硝酸钙对黄瓜幼苗胁迫9 d后，其植株干、鲜重较对照均显著下降，生长受到了显著的抑制。高青海等[11]研究表明，140 mmol·L-1硝酸盐胁迫下第12天，黄瓜植株的生长严重受抑。本研究表明硝酸钙胁迫下嫁接西瓜幼苗的植株鲜质量及总干质量均较对照显著下降，Ca(NO3)2胁迫显著抑制了嫁接西瓜幼苗的生长。

近年来，大量研究表明：作物受逆境胁迫时，科学合理地施用稀土能提高作物的抗性，促进作物生长，其机理可能在于：稀土离子能够与植物细胞膜上的磷脂结合，有效地调节钙代谢，从而改变植物细胞膜的透性以及稳定性，以提高细胞膜的保护功能，稀土离子能有效提高植物体内的抗氧化酶活性，减少ROS积累，增强植物对不良环境的抗性，某些稀土元素在低浓度范围内能诱导叶绿素蛋白质合成，从而能提高植物的叶绿素含量和光合作用速率[24]。据高青海等[25]研究，LaCl3可提高硝酸盐胁迫下黄瓜幼苗SOD、POD、APX、GR等活性，降低电解质渗漏率及丙二醛含量，提高期光合效率，显著增加黄瓜幼苗单株质量，有效缓解了硝酸盐对黄瓜幼苗生长的抑制作用。张美萍等[26]研究了盐胁迫下稀土微肥对黄豆幼苗抗氧化酶活性的影响表明，盐胁迫下黄豆幼苗膜脂过氧化加剧，其体内的MDA大量积累，细胞膜透性增大，而盐胁迫下施用稀土微肥后黄豆幼苗的SOD、CAT活性增大，MDA降低，细胞膜透性变小，证明了稀土对盐胁迫造成黄豆幼苗的损伤具有一定的修复作用。唐加红等[23]研究也表明稀土微肥能降低干旱胁迫下小麦叶片MDA含量及质膜相对透性，提高干旱叶片相对含水量，缓解膜脂过氧化，并使脯氨酸、可溶性蛋白等渗透调节物质的含量趋于正常水平，增强了其渗透调节能力，诱导小麦叶片叶绿素合成，进而提高净光合速率，缓解干旱胁迫对小麦的伤害。本试验结果表明，Ca(NO3)2胁迫下嫁接西瓜幼苗叶片膜脂过氧化程度显著加剧，其超氧阴离子产生速率、过氧化氢和MDA含量、膜透性显著升高，光合速率的下降，干物质合成减少，碳酸钆可提高硝酸钙胁迫下嫁接西瓜叶片SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性，降低其超氧阴离子产生速率、过氧化氢和丙二醛含量以及细胞膜透性，使得光合速率的下降幅度减缓，嫁接西瓜幼苗干重增加，究其原因可能在于：光合作用是植物合成有机物质和获得能量的源泉，植物叶片叶肉细胞内含叶绿体和线粒体等重要细胞器，其不仅是植物进行光合代谢活动的主要场所，同时也是活性氧产生的主要部位和易脂质过氧化的细胞器，维持它们正常的结构和功能是细胞能够进行正常生理代谢的基础，而在Ca(NO3)2胁迫下，由于膜脂过氧化加剧，使得植物叶肉细胞及其内含细胞器原有正常的结构和功能受到影响，导致光合速率的下降，生长受抑，而碳酸钆可以减缓Ca(NO3)2胁迫下膜脂过氧化程度，修复或缓解Ca(NO3)2胁迫对叶肉细胞及其细胞器的伤害，保持其膜结构及功能的相对稳定性，维持了较高的光合性能，缓解了Ca(NO3)2胁迫对嫁接西瓜幼苗的伤害度。

综上所述，硝酸钙胁迫抑制嫁接西瓜幼苗生长，叶面喷施碳酸钆可显著提高硝酸钙胁迫下嫁接西瓜幼苗叶片的抗氧化酶活性，降低其活性氧含量及膜脂过氧化程度，维持了较高的光合性能，从而提高了嫁接西瓜幼苗对硝酸钙胁迫的耐性，有效促进Ca(NO3)2胁迫下幼苗的生长。另外，今后将在此基础上针对光合作用主要细胞器叶绿体，从其结构、抗氧化系统、多胺变化、蛋白及基因表达等方面进一步深入研究碳酸钆调节Ca(NO3)2下西瓜光合性能的生物学作用机制。

参 考 文 献：

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Effects of rare earth gadolinium on antioxidase activity and other physiological characteristics of watermelon seedling under nitrate stress

ZHANG Hao, LU Xiao-min, LI Kun, WU Xiu

(AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Fengyang,Anhui233100,China)

Keywords:grafted watermelon; calcium nitrate stress; Gd2(CO3)3; antioxidase activity; photosynthesis

Abstract：An experiment was conducted to investigate the effects of Gd2(CO3)3on the antioxidase activity and other physiological characteristics of grafted watermelon seedlings under nitrate stress. Compared with the control, nitrate stress significantly increased the superoxide anion) production rate, hydrogen peroxide (H2O2) contents, malondialdehyde (MDA) contents and cell membrane permeability of grafted watermelon seedling leaves, while decreased the leaf net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), intercellular CO2concentration (Ci) and transpiration rate (Tr) by 64.2%, 81.6.%, 27.1% and 71.5%, respectively, and dry matter accumulation was reduced by 38.9%. However, applying Gd2(CO3)3could improve the activities of superoxide (SOD), peroxidase (POD) and catalase (CAT), decrease theproduction rate, H2O2contents, MDA contents and cell membrane permeability, alleviate the drop range fromPn,GsandTr, and increase the dry matter accumulation by 29.2%. Therefore, Gd2(CO3)3treatment could keep a high photosynthetic performance, and effectively promote grafted watermelon seedlings growth through the adjustment of the protective enzyme activity and reduction of membrane lipid peroxide level under nitrate stress.

文章编号：1000-7601(2016)03-0169-05

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.27

收稿日期：2015-06-15

基金项目：安徽省现代农业产业技术体系专项“蔬菜产业技术体系”(AHCYTX-13)；安徽高校省级自然科学研究项目(KJ2013Z040)；安徽科技学院专项(ZRC2013348)及大学生创新创业训练计划项目(201410879019)

作者简介：张皓(1992—),男,安徽安庆人,主要从事设施园艺与无土栽培方面的研究。E-mail:2577338913@qq.com 通信作者：陆晓民(1969—),男,安徽固镇人,教授，博士，硕士生导师，主要从事设施作物生理生态研究。E-mail:luxiaomin88@163.com

中图分类号：Q945.78; S651

文献标志码：A