高温胁迫下外源物质对黄瓜幼苗叶绿素荧光和抗氧化酶活性的影响

王立涵 王翔 李世斌

摘 要：以“津研4号”黄瓜品种为试材，研究了外源精胺（Spm）、亚精胺（Spd）、硝普钠（SNP，一氧化氮供体）和硫氢化钠（NaHS，硫化氢供体）对高温胁迫下黄瓜幼苗的叶绿素荧光特性、抗氧化酶活性和生长的影响。结果表明，高温胁迫致使黄瓜幼苗叶片的潜在光化学活性（Fv/Fo）、最大光化学效率（Fv/Fm）、光化学猝灭系数（qP）、实际光化学效率（ΦPSII）显著下降，而非光化学猝灭系数（qN）显著升高，抗氧化酶（SOD、 POD、 CAT、 APX）活性降低，最终幼苗生长受到抑制。叶片喷施外源物质Spm、Spd、SNP和NaHS，可抑制高温胁迫下幼苗Fv/Fo、Fv/Fm、qP和ΦPSII的降低，进一步提高qN，并促使抗氧化酶活性趋于正常水平，恢复幼苗生长。表明外源喷施Spm、Spd、SNP和NaHS，皆可减轻高温胁迫对黄瓜幼苗光合器官的伤害，维持抗氧化酶的功能，进而提高黄瓜植株的耐热能力。综合各因素分析，各外源物质的缓解效果无显著差异，外源Spd的保护效果稍好。

关键词：黄瓜;高温胁迫;外源物质;叶绿素荧光;抗氧化酶

中图分类号 S63文献标识码 A文章编号 1007-7731（2019）10-0020-04

Abstract： Effects of spermine （spm），spermidine （spd），sodium nitroprusside （SNP，nitric oxide donor） and sodium hydrosulfide （NaHS，hydrogen sulfide donor） on chlorophyll fluorescence parameters ，antioxidant enzyme activities in leaves and growth of cucumber seedlings with spraying exogenous were investigated，using cucumber variety of ‘Jinyan 4 under high temperature stress.Results showed that the potential photochemical activity （Fv/Fo），maximum photochemical efficiency （Fv/Fm），photochemical quenching coefficient （qP），actual photochemical efficiency （ΦPSII） decreased significantly，the non-photochemical quenching coefficient （qN） increased significantly，and the activities of antioxidant enzymes （SOD，POD，CAT，APX） decreased after treated with high temperature of 42℃.Finally，the growth of seedlings was inhibited by high temperature stress.The decrease of Fv/Fo，Fv/Fm，qP and ΦPSII were inhibited，the qN was further improved，the activity of antioxidant enzymes were promoted to normal levels，the inhibition of seedling growth was repaired under high temperature stress with spraying exogenous substances spm，spd，SNP and NaHS.These indicated that exogenous spm，spd，SNP and NaHS could alleviate the damage of photosynthetic organs of cucumber seedlings under high temperature stress，maintain the function of antioxidant enzymes，and improve the heat tolerance of cucumber plants.Based on the analysis of various factors，there was no significant difference in the alleviation effect of each exogenous substance，and the protective effect of exogenous spd was slightly better.

Key words： Cucumber; High temperature stress; Exogenous substance; Chlorophyll fluorescence parameters; Antioxidant enzyme

黄瓜（Cucumis sativus L.）是我國重要的蔬菜作物之一。近年来，随着我国农业产业结构的调整和乡村振兴战略的实施，以及设施园艺生产的迅速发展，黄瓜作为蔬菜设施栽培中的主要作物种类，栽培面积持续扩大。黄瓜起源于温暖湿润的喜马拉雅山南麓的热带雨林及印度北部地区，喜温暖但不耐高温，适宜温度为25～30℃，超过35℃就会产生高温伤害[1]。在我国夏季露地以及夏秋茬日光温室或塑料大棚内，高温是影响黄瓜生长发育的主要环境因子，高温导致黄瓜代谢失调，生长受抑，品质下降，植株早衰，产量降低[2，3]。

采用外源物质进行化学调控，激发植物自身的耐热性，是缓解高温胁迫对植物伤害的方便快捷的途径。近年来的多项研究表明，不同外源化学物质如精胺（Spermine，Spm）[4]、亚精胺（Spermidine，Spd）[5，6]、一氧化氮（Nitric oxide，NO）[7，8]等均能缓解植物高温胁迫。硫化氢（Hydrogen sulfide，H2S）被认为是继一氧化氮和一氧化碳之后的新型气体信号分子，参与介导种子萌发[9]、气孔运动[10]和器官衰老[11]等多种生理过程，并能通过提高抗氧化酶活性，调控离子通道活性及基因表达等，从而提高了植物的抗逆能力，减轻了逆境伤害[12-14]。但目前对黄瓜抗高温方面的研究甚少，其与外源物质之间的比较则更少见报道。叶绿素荧光参数可反映植物的光合作用反应中心状况，电子传递效率和热耗散情况，具有快速无损的检测特点。为此，本试验以“津研4号”黄瓜幼苗为试材，研究叶面喷施Spm、Spd、硝普钠（SNP，NO供体）、硫氢化钠（NaHS，H2S供体）对高温胁迫下黄瓜幼苗叶绿素荧光特性、抗氧化酶活性和生长的影响，以期从光合角度探讨外源物质在提高黄瓜幼苗耐热性中的生理机理，为外源物质在黄瓜生产中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料 试验于2017年5月至2018年5月在潍坊学院试验站和生物化学与分子生物学重点实验室进行。供试黄瓜品种为“津研4号”。试剂硝普钠、精胺、亚精胺、硫氢化钠购自美国Sigma公司。

1.2 材料处理 黄瓜种子经消毒后浸泡12h，于28℃生化培养箱中催芽，挑选整齐、健壮的露白种子播种于10cm×10cm的营养钵内，每钵3株。育苗基质为草炭（V）︰蛭石（V）=2︰1，自然光下培养，清水浇灌。待幼苗长至3叶1心时选取长势一致的幼苗，转到人工气候室中培养。光照强度设定为600μmol·m-2·s-1，光周期12h/12h，昼夜温度28℃/18℃，相对湿度70%～75%，箱内适应3d以备用于试验处理。选用63株无病、健壮、生长势均一的黄瓜幼苗，分为7个不同的处理，每个处理9株黄瓜幼苗。人工气候箱内适应3d后将54株幼苗转入昼夜温度设置为42℃/32℃的气候箱内，另9株维持之前的培养条件。开始高温处理后，每天17︰00用小型喷雾器对幼苗进行叶面喷施，叶片两面喷洒均匀，以处理液附于叶面全部湿润但不下滴为度。本试验处理如下：H2O（28℃），温度设置28℃/18℃，叶面不喷施;HT（42℃），温度设置42℃/32℃，叶面不喷施;H2O（42℃），温度设置42℃/32℃，叶面喷施去离子水;Spm（42℃），温度设置42℃/32℃，叶面喷施1mmol·L-1 Spm;Spd（42℃），温度设置42℃/32℃，叶面喷施1mmol·L-1 Spd;SNP（42℃），温度设置42℃/32℃，叶面喷施0.1mmol·L-1 SNP;NaHS（42℃），温度设置42℃/32℃，叶面喷施0.1mmol·L-1 NaHS。处理2d后测定叶绿素荧光参数和抗氧化酶活性，7d后取样进行幼苗生物量（株高、茎粗和叶面积）测定，所有指标均重复3次，取平均值。

1.3 测定方法

1.3.1 生长量 用直尺测定株高，用游标卡车测定茎粗，用叶面积仪测定第3片真叶的叶面积。

1.3.2 叶绿素荧光特性 将黄瓜幼苗第3片真叶暗处理20min后，采用Imaging-PAM调制荧光成像系统（德国，Walz），检测获得叶绿素荧光参数：潜在光化学活性Fv/Fo、最大光化学效率 Fv/Fm、光化学猝灭系数qP、非光化学猝灭系数qN和实际光化学效率ΦPSII。

1.3.3 抗氧化酶活性的测定 用南京建成公司生产的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）试剂盒参照其说明书测定SOD、CAT、POD和APX活力。

1.4 数据分析 用Microsoft Excel进行处理数据和作图，用SPSS统计软件对数据进行差异显著性检验（Duncan，p=0.05）。

2 结果与分析

2.1 外源物质对高温胁迫下黄瓜幼苗生长的影响 如表1所示，高温胁迫7d，与常温对照相比，黄瓜幼苗的株高、茎粗和叶面积均显著降低，分别比对照降低了39.81个百分点、27.91个百分点和38.07个百分点，而在高温胁迫下叶面喷施Spd、Spm、SNP和NaHS处理，均显著提高了黄瓜幼苗的株高、茎粗和叶面积，各外源物质间无明显差异。其中，以喷施Spd处理的缓解效果最好，黄瓜幼苗的株高、茎粗和叶面积分别比高温胁迫处理增加41.88个百分点、23.87个百分点和39.20个百分点。与单独高温胁迫相比，高温下喷施去离子水可以稍缓解高温伤害，但无明显效果。这说明叶面喷施外源物质Spd、Spm、SNP和NaHS，能缓解高温对黄瓜幼苗生长的抑制，促进幼苗生长。

2.2 外源物质对高温胁迫下黄瓜幼苗叶绿素荧光的影响 如图2所示，高温胁迫下黄瓜幼苗潜在光化学活性Fv/Fo、最大光化学效率Fv/Fm、光化学猝灭系数qP、实际光化学效率ΦPSII显著下降，分别比常温对照降低了40.84个百分点、11.34个百分点、13.26个百分点和11.80个百分点，而非光化学猝灭系数qN显著升高，比对照增加了16.33个百分点。高温胁迫下叶面喷施外源Spd、Spm、SNP和NaHS，明顯抑制幼苗Fv/Fo、Fv/Fm、qP和ΦPSII的降低，其中喷施Spd处理的效果最明显，幼苗Fv/Fo、Fv/Fm、qP和ΦPSII比单独高温胁迫分别提高了33.37个百分点、7.10个百分点、8.29个百分点和9.85个百分点，但各外源物质间差异不明显。叶面喷施外源物质进一步提高了高温胁迫下幼苗qN，但喷施Spm处理的效果不显著，喷施Spd、SNP和NaHS处理的幼苗qN值比单独高温胁迫分别增加12.99个百分点、6.99个百分点和9.85个百分点。

2.3 外源物质对黄瓜幼苗抗氧化酶活性的影响 如图3所示，高温胁迫显著抑制了黄瓜幼苗抗氧化酶系统的活性，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）活力比常温对照分别显著降低40.37个百分点、37.94个百分点、63.64个百分点和72.67个百分点。叶面喷施外源Spd、Spm、SNP和NaHS，显著降低了高温对抗氧化酶活性的抑制，并且各外源物质的效果类似。

3 讨论

高温会导致黄瓜光化学效率降低，光合组织损伤，影响叶片对光能的有效利用，抑制植株生长[2]。叶绿素荧光参数的变化可反映出不良环境对植物光合性能的影响，其中PSII的最大光化学效率Fv/Fm，反映植物的潜在最大光合能力，是光抑制的敏感指标，Fv/Fo是PSII反应中心的潜在活性，光化学猝灭系数qP值的大小可反映PSII开放中心的数目和植物光合活性的高低，非光化学猝灭系数qN值反映了植物耗散过剩光能为热的能力，即光保护能力，某一光照状态下的实际光合效率ΦPSII反映植物对光能的利用情况[15，16]。本研究中，高温处理（42℃/32℃）2d后，黄瓜幼苗叶片的Fv/Fo、Fv/Fm、qP和ΦPSII顯著下降，qN大幅升高，说明高温破环了光化学反应中心PSII，抑制了光合电子传递，虽然植物提高了热耗散，进行自我保护，但PSII的实际光化学效率降低。此时，植物吸收的光能超过光合利用能力，会产生大量活性氧，而抗氧化酶活性降低，清除自由基能力减小，活性氧平衡被破坏，最后植物生长受到抑制[2]。本试验中，高温处理显著降低了黄瓜抗氧化酶的活性，致使黄瓜幼苗的株高、茎粗和叶面积显著降低。

Spm、Spd、NO和H2S可通过提高抗氧化酶活性、保护光合组织、维持线粒体功能等缓解不良环境对植物的伤害[4，5，8，12]。本试验研究了叶面喷施Spm、Spd、NO供体SNP、H2S供体NaHS对高温胁迫下黄瓜幼苗叶绿素荧光特性、抗氧化酶活性和生长的影响。结果表明，以上外源物质都能抑制高温下Fv/Fo、Fv/Fm、qP、ΦPSII、抗氧化酶活性的降低，进一步提高了qN值。说明Spm、Spd、NO、H2S可通过抑制PSII潜在活性的下降，提高热耗散能力，减轻高温对PSII的伤害程度，使黄瓜叶片吸收的光能最大程度地用于光合电子传递，提高了光合作用效率，同时提高了活性氧清除能力，最终缓解了高温对植株生长的抑制。4种外源物质比较而言，仅喷施Spm处理对高温胁迫下黄瓜qN值的提高效果不显著，其他缓解效果都达到了显著水平。综合各因素分析，各外源物质的缓解效果无显著差异，外源Spd的保护效果稍好。

总之，外源喷施Spm、Spd、SNP和NaHS均可增强电子传递效率，提高抗氧化酶活性，有效地缓解高温胁迫对黄瓜幼苗光合性能的伤害，保证植株有较好的能量转化和有机物同化效率，增强黄瓜幼苗的耐热性，促进植物生长。基于本试验结果，建议优先选择Spd。

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（责编：张宏民）