西瓜幼苗在硝酸钙胁迫下生长和生理指标的变化

韩志平 张海霞 张红利

摘要：采用营养液水培法，研究Ca（NO3）2胁迫下小型西瓜幼苗生长、膜脂过氧化和有机渗透调节物质的变化。结果表明，随Ca（NO3）2胁迫浓度的提高，幼苗株高、茎粗、叶片数、最大叶长、最大叶宽及地上部和根系的鲜质量、干质量均明显降低;叶片光合色素含量表现出“增加—降低”的规律，质膜透性与丙二醛、抗坏血酸、脯氨酸、可溶性糖含量则明显增加。说明硝酸钙胁迫扰乱了西瓜叶片光合色素代谢，造成膜脂过氧化，破坏了细胞膜结构，导致幼苗生长严重受抑，同时植株抗氧化能力和渗透调节能力增强，从而在一定程度上减轻了盐胁迫造成的伤害。

关键词：西瓜;生长;Ca（NO3）2胁迫;膜脂过氧化;渗透调节

中图分类号： Q945.78;S651.01  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）07-0138-04

随着人们对新鲜蔬菜需求量的日益增长，我国设施蔬菜产业在近30年来迅猛发展，于2010年成为全球栽培面积和产量最大的国家[1]。但由于设施内土壤长期得不到雨水淋洗，以及作物连作和肥水管理不当等，使得盐分逐年向土壤表层积聚，造成蔬菜作物生长和产量显著降低，设施利用效率也不断下降[2]。研究表明，Ca2+和NO3-大量积累既是设施土壤次生盐渍化的主要特征，也是引起设施作物生理障碍的主导因子[3]。Ca（NO3）2浓度过高，会导致土壤水势降低，渗透压增大，细胞失水引起生理干旱，还会抑制作物对其他有益元素，如镁、钾、磷的吸收，影响生理生化的代谢过程，从而造成蔬菜作物难以立苗，阻碍了植株生长，甚至造成植株死亡[4-5]。国内外对土壤盐渍化的研究主要集中于NaCl胁迫，有关Ca（NO3）2胁迫对植物的伤害以及植物适应Ca（NO3）2胁迫的生理机制研究较少。

西瓜（Citrulus lanatus M.）是世界性的主要园艺作物，也是国内外设施栽培的主要瓜类作物。西瓜是非盐生植物，其根系对盐渍环境反应敏感，设施土壤次生盐渍化的不断加重，使西瓜的产量和品质逐年下降[6]。目前关于Ca（NO3）2胁迫对西瓜植株影响的研究报道很少。为此，本研究采用营养液水培法，研究西瓜幼苗在Ca（NO3）2胁迫下的生长变化并测定了其生理指标，为深入研究西瓜植株对Ca（NO3）2胁迫的生理和分子响应奠定基础，为设施西瓜抗盐栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2015年4—5月在山西大同大学生命科学实验教学中心进行。供试材料为北京市特种蔬菜种苗公司提供的小型西瓜品种红小玉。

1.2 试验设计

取饱满一致的种子，用55 ℃温水烫种15 min后用清水浸种6 h，而后在28 ℃下避光催芽。发芽后播于石英砂基质中育苗，保持昼温18～25 ℃，夜温10～16 ℃，每天浇清水保持湿润。子叶展平后，开始浇灌0.5倍Hoaglands营养液。2叶1心时，选择整齐健壮的幼苗移栽于盛有Hoaglands营养液的35 L水槽中，通气培养（30 min/h）。3叶1心时，设置正常营养液培养（CK），含4 mmol/L Ca（NO3）2;胁迫处理共设Ca1、Ca2、Ca3、Ca4、Ca5 5个，Ca（NO3）2浓度分别为25、50、75、100、125 mmol/L。本试验对照和胁迫处理共6个，每个处理3次重复，每重复18株幼苗，完全随机排列。

1.3 指标测定

处理9 d后每个处理取8株幼苗，用常规方法测量株高、茎粗、根长、叶片数、最大叶长、最大叶宽，并称量地上部和根系的鲜质量和干质量，同时计算含水量。

取生长点下第2张完全展开叶测定各生理指标。光合色素提取参照沈伟其的方法[7]并略加改进，打孔取叶圆片置于乙醇丙酮混合液中，暗提取完全变白后测定D440 nm、D645 nm、D663 nm，按王素平等的公式[8]计算叶绿素a（Chla）、叶绿素b（Chlb）和类胡萝卜素（Car）含量。丙二醛（MDA）含量测定参照文献[9]，质膜透性测定用电导仪[10]，抗坏血酸（AsA）含量测定参照文献[11];脯氨酸含量测定用茚三酮法[12]，可溶性糖含量测定用蒽酮法[10]。125 mmol/L Ca（NO3）2胁迫的幼苗，第4天开始死苗，第9天死苗率超过50%，故未测定生理指标。

数据用SPSS软件进行方差分析，用Excel软件作图。

2 结果与分析

2.1 Ca（NO3）2胁迫下西瓜幼苗生长的变化

2.1.1 形态指标 表1中的数据显示，除茎粗和根长在 25 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下、叶片数在25、50 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下与CK无显著差异外，其他各形态指标均随Ca（NO3）2浓度的提高而降低，且与CK差异显著。在 100 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下，株高、茎粗、根长、叶片数、最大叶长、最大叶宽分别比CK降低57.34%、15.92%、31.83%、38.23%、27.89%、31.66%;在125 mmol/L Ca（NO3）2 胁迫下，株高、茎粗、根长、叶片数、最大叶长、最大叶宽分别比CK降低61.30%、20.40%、46.33%、43.60%、37.61%、35.47%。说明Ca（NO3）2胁迫显著抑制了西瓜幼苗的形态建成，且随Ca（NO3）2浓度增大，抑制作用明显增大。

2.1.2 生物量和含水量 由表2可知，除地上部含水量和根系鲜质量在25、50 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下、根系含水量在 100 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下与CK无显著差异外，地上部和根系的鲜质量、干质量和含水量均随Ca（NO3）2浓度提高而降低，且与CK差异显著。地上部鲜质量、干质量、含水量在100 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下，分别比CK降低49.82%、25.85%、5.55%;在125 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下，分别比CK降低62.08%、36.10%、7.82%。根系鲜质量、干质量、含水量在100 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下，分别比CK降低45.45%、38.79%、0.78%;在125 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下，分别比CK降低67.57%、57.17%、2.19%。说明Ca（NO3）2胁迫显著抑制了西瓜幼苗的生物量积累，且隨Ca（NO3）2浓度增大，抑制程度明显增大，且对地上部含水量的抑制程度明显大于根系。

2.2 Ca（NO3）2胁迫下西瓜幼苗光合色素含量的变化

图1显示，叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均随Ca（NO3）2浓度的提高表现为“升高—降低”的规律，在 75 mmol/L Ca（NO3）2处理下达到最高值。在25、100 mmol/L Ca（NO3）2处理下，叶绿素b和类胡卜素含量与CK均无显著差异;在50 mmol/L Ca（NO3）2处理下，叶绿素a和类胡卜素含量显著高于CK;在75 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下，各光合色素含量均显著高于CK。叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量在 50 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下，分别比CK增加27.03%、11.88%、18.94%;在75 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下，分别比CK增加、33.64%、18.94%、27.22%;在100 mmol/L Ca（NO3）2 胁迫下，分别比CK增加16.59%、4.48%、12.21%。说明Ca（NO3）2胁迫导致西瓜幼苗光合色素代谢紊乱，使其含量随Ca（NO3）2浓度的提高而发生明显波动。

2.3 Ca（NO3）2胁迫下西瓜幼苗膜质过氧化的变化

由图2可知，除MDA含量在25 mmol/L Ca（NO3）2处理下与CK无显著差异外，叶片MDA含量、相对电导率和抗坏血酸含量均随Ca（NO3）2浓度提高而明显增加，与CK差异显著。MDA含量、相对电导率和抗坏血酸含量在75 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下，分别比CK增加42.30%、49.10%、81.79%;在100 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下，分别比CK增加67.09%、70.63%、101.52%。说明Ca（NO3）2胁迫对西瓜幼苗造成了过氧化伤害，细胞膜结构被严重破坏，胞内电解质大量外渗，且随Ca（NO3）2浓度提高，膜质过氧化伤害程度加剧;同时抗坏血酸含量显著增加，有利于增强Ca（NO3）2胁迫下幼苗的抗氧化能力。

2.4 Ca（NO3）2胁迫下西瓜幼苗有机渗透调节物质含量的变化

由图3可以看出，叶片脯氨酸和可溶性糖含量均随 Ca（NO3）2 浓度提高而明显增加， 与CK差异显著， 且脯氨酸含量的增加幅度远大于可溶性糖含量。脯氨酸、可溶性糖含量在 75 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下，分别比CK增加933.78%、19.50%;在100 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下，分别比CK增加 1 339.41%、26.14%。说明Ca（NO3）2胁迫促进了西瓜幼苗体内脯氨酸和可溶性糖的合成和积累，这些物质的积累有利于提高植株的渗透调节能力，减轻渗透胁迫对幼苗的伤害。

3 讨论与结论

由于盐胁迫可引发渗透胁迫、离子毒害、矿质营养缺乏和过氧化伤害等次生胁迫，非盐生植物在盐渍环境下生长会受到严重抑制[13-14]。本研究中，Ca（NO3）2胁迫下西瓜幼苗的生长受到了显著抑制，75 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下幼苗生长显著降低，但仍能维持生长发育;100 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下植株萎蔫、濒临死亡;125 mmol/L Ca（NO3）2胁迫下幼苗死亡率超过50%。结合生长和生理指标的变化，75 mmol/L是西瓜幼苗对Ca（NO3）2胁迫耐受性的阈值浓度。

环境因子的改变会引起光合色素含量的变化，最终影响到作物的生长、产量和品质[15]。许多研究表明，盐胁迫抑制了光合色素的合成，促进其分解，导致其含量显著降低[16-17]。但也有报道表明，盐胁迫下叶片光合色素含量增加[8，18]。本试验中，叶片光合色素含量随Ca（NO3）2浓度提高呈“增加—降低”的规律，在75 mmol/L Ca（NO3）2处理下达到最大值，在 125 mmol/L Ca（NO3）2处理下观察到存活的幼苗叶片小而枯黄。结合形态指标和前人的研究，推测50 mmol/L Ca（NO3）2以下浓度生长降低幅度很小而叶绿素含量增加是由于幼苗对Ca2+和N的吸收促进了叶绿素的合成;75 mmol/L Ca（NO3）2处理下叶绿素含量增加是由于盐胁迫下叶片生长缓慢，导致叶绿体收缩，产生了“浓缩”效应[19];在100 mmol/L Ca（NO3）2 胁迫下叶绿素含量仍高于对照，则是由于叶绿素酶活性提高，同时叶绿素与叶绿体蛋白间的结合变得松弛，使其易于提取，导致测得的含量增加[20]。

盐胁迫导致细胞内活性氧大量产生，造成植物的原初伤害——膜脂中不饱和脂肪酸的过氧化，导致其终产物MDA含量和质膜透性显著增加[19，21]。这种情况诱导细胞内保护酶活性和非酶抗氧化剂含量增加，从而减轻或消除活性氧对膜脂的伤害[14]。抗坏血酸是植物体内天然的非酶抗氧化剂，能够在抗坏血酸过氧化物酶催化下将H2O2分解成H2O[21-22]。本研究中，随Ca（NO3）2浓度的提高，西瓜幼苗MDA含量、质膜透性和抗坏血酸含量显著增加。说明 Ca（NO3）2 胁迫下细胞内自由基大量生成，造成膜脂过氧化加剧，细胞膜结构被严重破坏，同时诱导幼苗抗氧化能力增强，以清除大量产生的活性氧，有助于部分缓解Ca（NO3）2胁迫对幼苗的过氧化伤害。

盐胁迫对植物伤害的原因之一是渗透胁迫造成细胞水分的亏缺。植物为维持正常的生理代谢，需要通过渗透调节降低细胞水势，促进细胞吸收外界水分[23]。非盐生植物在盐胁迫下可通过大量合成和积累脯氨酸、可溶性糖、甜菜碱等小分子溶质，降低细胞渗透势，促进细胞吸收水分，维持胞质溶胶与环境的渗透平衡，同时缓解活性氧对细胞的过氧化伤害，保证膜结构的稳定性和完整性[14，21，24-25]。本试验中，幼苗脯氨酸和可溶性糖含量均随Ca（NO3）2浓度提高而显著增加，说明Ca（NO3）2胁迫下植株的渗透调节能力增强，且脯氨酸在渗透调节中的贡献大于可溶性糖，這是西瓜植株对盐胁迫的一种适应性反应，有利于增强植株对盐胁迫的抵抗能力。

总之，Ca（NO3）2胁迫下西瓜幼苗光合色素代谢紊乱、膜脂过氧化加剧，使植株生长严重受抑，同时细胞抗氧化能力和渗透调节能力增强，在一定程度上减轻了盐胁迫造成的伤害。在设施西瓜生产中，除了培育耐盐西瓜品种、合理施肥灌水等措施外，还可通过转基因、施用外源物质等方法提高植株的抗氧化或渗透调节能力，从而保证其正常的生长发育。

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