低温胁迫下不同基因型西瓜抗寒性综合评价

李冰 张敬敬 高秀瑞 史宇凡 潘秀清 武彦荣

摘    要： 研究不同材料西瓜幼苗的耐低温特性，为抗寒种质创新及品种选育提供依据。以7个不同基因型西瓜为试验材料，经人工模拟低温环境，测定分析低温弱光下不同基因型西瓜幼苗的冷害指数、相对电导率、丙二醛含量、超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性和过氧化氢酶活性生理指标，并采用隶属函数法和聚类分析法对西瓜材料的抗寒性进行综合评价。结果表明，与田间对照相比，低温胁迫6 d后电导率、丙二醛和过氧化物酶含量升高，而超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性降低，综合评价结果表明：‘双星99K相对‘双星37和‘星研七号抗寒性最强，‘美佳和‘早佳抗寒性中等，‘901×新和‘美胜抗寒性最弱。

关键词： 西瓜; 抗寒性; 聚类分析; 综合评价

Comprehensive evaluation of cold resistance of different watermelon under low temperature stress

LI Bing， ZHANG Jingjing， GAO Xiurui， SHI Yufan， PAN Xiuqing， WU Yanrong

（ Institute of Cash Crops， Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Shijiazhuang 050051， Hebei， China）

Abstract： The cold resistance of different watermelon varieties were studied in order to provide an evaluation method for the development of cold resistance watermelon germplasm. Seven watermelon varieties were used as the test materials in artificial simulated low temperature environment. Chilling injury index， relative conductivity， malondialdehyde content， superoxide dismutase activity， peroxidase activity and catalase activity were detected and analyzed. Cold resistance of watermelon was comprehensively evaluated by using membership function and cluster analysis based on cold resistant coefficient of these indices. The results showed that relative conductivity， malondialdehyde， superoxide dismutase and catalase were improved while the peroxidase was declined under six days of low temperature stress comparing with that in the field. The ‘Shuangxing 99K， ‘Shuangxin 37， ‘Xingyan No. 7 formed  high cold resistance group， while ‘Meijia and ‘Zaojia in medium cold resistance group， ‘901×Xin and ‘Meisheng in weak cold resistance group.

Key words： Watermelon; Cold resistance; Cluster analysis; Comprehensive evaluation

西瓜（Citrullus lanatus）原產非洲，是人们喜食的重要瓜类作物之一。它喜温耐热，对冷敏感，近年来极端低温气候频繁，给西瓜生产带来了巨大挑战。随着我国反季节设施栽培的发展，西瓜冷害问题日益突出，严重制约了西瓜产业的发展[1]。因此，探明西瓜低温弱光下的生理生化变化特点，培育抗寒性强的西瓜品种尤为重要。

植物的低温胁迫反应是高度复杂的事件，改变细胞的生化组成，以保护植物免受低温伤害[2]。前人研究表明，可以通过细胞膜相变、渗透调节物质含量、膜脂过氧化程度和保护酶活性等来鉴定植物受寒害程度[3]。但单一的评价指标不能全面准确反映植株抗寒性的强弱，需要结合多个指标进行综合评价[4]。本研究参照许勇等[5]方法对不同基因型西瓜材料进行耐寒性鉴定，测定了低温胁迫前后西瓜幼苗主要生理生化指标，采用隶属函数和聚类分析方法对各个指标进行综合分析，评价材料的抗寒性，为西瓜抗寒性早期鉴定和抗寒育种提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以‘901×新‘美佳‘早佳‘美胜（河北省农林科学院经济作物研究所提供）和‘双星99K‘双星37‘星研七号（河北双星种业股份有限公司提供）为试验材料，2018年在河北省农林科学院试验田和生理生化实验室进行。2018年2月5日温室播种，营养钵育苗，当植株长到3叶1心时，选择生长一致的幼苗置于人工气候室中，在温度10 ℃，光照100 μmol·m-2·s-1，光照时间12 h/12 h（白天/夜间）条件下处理6 d，每个材料选取10株进行冷害指数调查，并选取第2～第3片真叶进行生理生化指标测定，以温室正常生长的植株为对照，3次重复。

1.2 试验方法

1.2.1 冷害指数调查 根据西瓜种质资源描述规范[6]，植株受冷害情况分为6级。0级：无任何症状;1级：老叶边缘黄化或皱缩，花叶，变形;2级：少数功能叶边缘黄化或皱缩花叶，变形，其它部分完好;3级：功能叶缘以至全部皱缩或失绿，心叶完好;4级：功能叶完全变黄，失绿，萎蔫，心叶受伤害;5级：心叶受害严重，植株受冷害而全部萎蔫或死亡。冷害指数=（级数×株数）/（最高级数×总株数）。

1.2.2 生理生化指标测定 电解质渗透率（El）采用电导法测定;丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）反应法测定;过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚氧化法测定;超氧化物歧化酶（SOD）活性采用NBT还原法测定;过氧化氢酶（CAT）活性采用过氧化氢法测定[7]。

1.2.3 抗寒性综合评价 应用Fuzzy隶属函数法[4]对西瓜抗寒性进行综合评价。为避免参试材料间基础性状不同对结果造成的影响，采用各指标的相对变化率进行评价和隶属函数值计算[8]。相对变化率=（测定值-对照测定值）/对照测定值×100%。当测定指标的变化率与抗寒性呈正相关，则采用Xu=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）;当测定指标的变化率与抗寒性呈负相关，则采用Xu=1-（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）来计算隶属函数值。式中：Xu表示某一测定指标的变化率;Xmin表示7个基因型中测定指标最小的变化率;Xmax表示7个基因型中测定指标最大的变化率。最后以所有指标变化率的平均隶属函数值作为抗寒性的评价标准。按照平均隶属度将抗寒性分为3级，I级：0.60～1.00，为高抗寒品种;II级：0.30～0.59，为中抗寒品种;III级：0～0.29，为低抗寒品种[9]。

1.2.4 数据分析 采用Microsoft Excel 2010和SPSS 18.0软件进行数据处理和差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫下植株冷害指数与生理生化变化分析

由表1可知，CAT在试验材料中的相对变化率从2.23%～51.86%，变化幅度最大。除SOD外，‘美胜的各项指标数值均最高;而‘双星99K‘双星37和‘星研七号的各项指标数值均极显著低于其他材料，表明受冷害后细胞伤害程度较轻，抗性较强。

2.2 低温胁迫下植株冷害指数与生理指标间相关性分析

由表2可以看出，各项指标间存在相关性。其中POD和CAT之間相关性最强达0.986，MDA与POD和CAT之间的相关性较强分别为0.973和0.959，冷害指数与POD和CAT之间的相关性分别为0.955和0.943。而MDA和SOD之间的相关性仅为0.346，为弱相关。

2.3 不同基因型西瓜材料抗寒性的综合评价

为了较全面地反映试验材料的抗寒性，通过平均隶属度来评价确定材料的抗寒性。由表3可以看出，试验材料可以分为3类，‘双星99K‘双星37和‘星研七号为高抗寒材料;‘早佳和‘美佳为中抗寒材料，‘901×新和‘美胜为低抗寒材料。

2.4 不同基因型西瓜材料抗寒性聚类分析

基于相对变化率，采用Ward离差平方和法对7个西瓜材料进行抗寒性聚类分析。由图1可以看出，将试验材料聚为3类：‘双星99K‘星研七号和‘双星37为强抗寒性材料，‘美佳和‘早佳为中等抗寒性材料，‘901×新和‘美胜为弱抗寒性材料。

3 讨 论

低温胁迫下，细胞脱水导致膜脂过氧化，植物体内活性氧代谢失衡，细胞膜受害，植株萎蔫。MDA作为膜脂过氧化的重要产物，是衡量细胞膜受损害程度的重要指标。SOD和CAT作为植物体内活性氧清除系统的主要保护酶，能够高效清除细胞内的H2O2和O2-，减轻细胞伤害。POD具有双重作用，在低温胁迫初期对植物具有保护作用，但在胁迫后期参与活性氧的生成，对植物具有伤害作用[10]。许勇等[11]对不同品种西瓜幼苗进行耐冷机制研究，发现低温条件下叶片内SOD和CAT活性下降，野生耐冷材料‘PI 482322比冷敏感品种‘97103的下降幅度小，是野生材料耐冷性强的主要生理原因。王微微等[1]研究表明，低温下西瓜幼苗MDA含量上升，变化幅度与品种耐冷性相关，可作为西瓜耐低温品种筛选的鉴定指标。为消除试验材料间遗传背景的差异，本研究中各指标采用相对变化率来表示。研究结果显示，低温胁迫6 d后西瓜幼苗叶片MDA含量升高，SOD和CAT活性降低，POD活性升高，抗寒性强材料变化幅度较小，与前人研究结果一致，可作为西瓜抗寒品种筛选的鉴定指标。

植物的抗寒性是其生理生化特征综合作用的体现，因此单一抗寒指标很难全面准确判断植物对寒冷的综合适应能力。前人采用隶属函数法对西瓜[8]、核桃[9]、马铃薯[12]等作物进行抗寒性评价，本试验选取7份试验材料，采用冷害指数、El、MDA、SOD、POD和CAT生理指标对西瓜进行综合抗寒性评价，并采用隶属函数和聚类分析方法对材料进行综合评价。根据隶属函数值的大小和聚类结果对试验材料的抗寒性差异进行分析，2种方法评价结果一致，结果表明试验材料抗寒性分为3类：‘双星99K‘星研七号和‘双星37为一类，‘美佳和‘早佳为一类，‘901×新和‘美胜为一类。苗期抗性指标的测定为西瓜抗寒性的早期鉴定奠定了基础，但具体评价西瓜材料抗寒性时，还应结合田间观察综合考虑，才能使结果更加科学、准确。

参考文献

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[2] EREMINA M，ROZHON W，POPPENBERGER B.Hormonal control of cold stress responses in plants[J].Cellular and Molecular Life Sciences，2016，73（4）：797-810.

[3] 王飞，陈登文，王卿，等.杏品种的需寒量与抗寒性的相关研究[J].中国农业科学，2001，34（5）：486-490.

[4] 董万鹏，罗充，龙秀琴，等.低温胁迫对西番莲抗寒生理指标的影响[J].植物生理学报，2015，51（5）：771-777.

[5] 许勇，王永健，张峰，等.西瓜幼苗耐低温研究初报[J].华北农学报，1997，12（2）：93-96.

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[10] ZHANG J，KIRKHAM M B.Drought-stress-induced changes inactivities of superoxide dismutase，catalase，and peroxidase inwheat species[J].Plant Cell Physiology，35（5）：785-791.

[11] 许勇，张海英，康国斌，等.西瓜野生种质幼苗耐冷性的生理生化特性与遗传研究[J].华北农学报，2000，15（2）：67-71.

[12] 杨慧菊，郭华春.马铃薯不同品种抗寒性综合评价[J].分子植物育种，2017，15（2）：716-724.