不同设施自然低温对丝瓜幼苗生长和生理特性的影响

张爱冬,张圣美,朱宗文,尚 静,田守波,吴雪霞*

(1.上海市农业科学院 园艺研究所,上海 201403;2.上海市设施园艺技术重点实验室,上海 201403)

丝瓜为葫芦科(Cucurbitaceae)丝瓜属(LuffaMill.)一年生攀缘性草本植物，其喜高温潮湿,耐热性强,生育适温25～30 ℃,在15 ℃以下生长缓慢[1,2]。近年来由于丝瓜的食用价值、药用价值及工业应用价值提升,其栽培面积不断扩大。低温冷害是制约丝瓜早春栽培的关键因素之一,早春低温冷害主要出现在丝瓜苗期阶段[3,4]。目前,国内外学者对丝瓜栽培技术、品种选育方面的研究较多[5,6],但对低温影响下丝瓜幼苗生长、抗氧化酶活性和渗透调节物质动态变化的研究较少。为此,本文在不同设施覆盖条件下研究了低温对丝瓜幼苗叶片生理生化特性的影响，探讨了丝瓜幼苗在低温逆境下抗氧化酶体系的应激反应和防御能力,旨在为丝瓜耐低温品种选育及苗期管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试丝瓜品种为“江蔬1号”,种子由江苏省农业科学院提供。

1.2 试验处理

将丝瓜种子在55 ℃温水中浸种16 h后,播种于50孔的穴盘内,然后放在人工气候室内,温度设置为28 ℃(白天)/22 ℃(黑夜),光照时间设置为14 h(白天)/8 h(黑夜)。待幼苗长 至3～4片真叶时在上海市农业科学院庄行试验站进行处理。本试验依照生产中栽培方式,设4种不同覆盖方式处理：对照(CK),放置在人工气候室内;双层薄膜覆盖,以T1表示;单层薄膜覆盖,以T2表示;露地,以T3表示。每处理3个重复,每个重复20株。试验开始日期为2019年2月25日,处理至3月1日时取样,露地丝瓜叶片已经皱缩且黄化(见图1)。

图1 不同设施自然低温处理下丝瓜叶片的生长情况

1.3 测定指标与方法

1.3.1 空气温度的测定 在大棚前部0.2 m处放置一套空气温度自动记录仪(WS-TH,杭州尽享科技有限公司),空气温度仪探头用纸杯进行遮光,设定每30 min记录一次数据。

1.3.2 叶绿素含量的测定 叶绿素含量的测定参照吴雪霞等[7]的方法。取0.1 g叶片置于 50 mL刻度试管中,加入15 mL 95%乙醇在黑暗下浸提12 h,分别测定A665 nm、A649 nm,计算叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素的含量。

1.3.3 活性氧代谢相关酶活性等的测定 丙二醛(MDA)含量、超氧阴离子(O2·-)产生速率、过氧化氢(H2O2)含量,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)活性以及脯氨酸(Pro)、可溶性糖和可溶性蛋白含量的测定均采用苏州科铭试剂盒。

1.4 统计分析

对试验数据采用Origin 7.5软件绘图,用SPSS 19.0统计软件对平均数用Duncan’s新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 处理期间(2019年2月25日～3月1日)不同设施的温度变化

从图2可以看出2019年2月27日不同设施对照(CK)、T1、T2和T3的空气温度变化情况。4个处理早上7:00至12:30的温度一直呈直线上升的趋势,对照从20.5 ℃上升到36.0 ℃,T1从7.6 ℃上升到33.2 ℃,T2从5.9 ℃上升到29.4 ℃,T3从7.9 ℃上升到20.0 ℃。对照、T1、T2和T3的日平均温度分别为23.42、15.14、13.55和9.79 ℃。

2.2 不同设施低温对丝瓜幼苗生长的影响

由表1可以看出,丝瓜幼苗生长受到低温抑制,温度越低,抑制效果越明显。与对照(CK)相比,T1、T2和T3处理的丝瓜株高、茎粗和地上部鲜重均显著降低，其中T1处理的分别降低了24.41%、11.20%和24.99%,T2处理的分别降低了35.57%、14.84%和38.20%,T3处理的分别降低了42.85%、21.59%和39.47%。

图2 不同设施内空气温度的变化

与对照(CK)相比,T1、T2和T3处理的叶片电导率均显著升高,分别增加了14.46%、27.41%和62.87%；T1、T2和T3处理之间叶片电导率均呈显著差异,表现为T1

2.3 不同设施低温对丝瓜幼苗叶片叶绿素含量的影响

由表2可知,随着温度的降低,叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量和叶绿素a/b均呈下降趋势。与对照(CK)相比,T1、T2和T3处理的以上4个指标均显著降低,T1处理的分别降低了45.70%、40.77%、44.48%和8.46%,T2处理的分别降低了76.05%、56.62%、71.23%和44.81%,T3处理的分别降低了80.47%、58.92%、75.13%和52.52%。除T2和T3处理间叶绿素b含量无显著差异外,其余处理之间均呈显著差异,均表现为T3

表1 不同设施低温对丝瓜幼苗生长和叶片电导率的影响

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

表2 不同设施低温对丝瓜幼苗叶片叶绿素含量的影响

2.4 不同设施低温对丝瓜幼苗叶片MDA含量、O2·-产生速率和H2O2含量的影响

由表3可以看出,随着温度的降低,丝瓜幼苗叶片MDA含量、O2·-产生速率和H2O2含量均呈现上升的趋势。与对照(CK)相比,除T1处理的MDA含量增加不显著外,其余均显著增加。除T1和T2之间MDA含量无显著差异外,在T1、T2和T3处理之间上述3个指标均有显著差异,均表现为T1

表3 不同设施低温对丝瓜幼苗叶片MDA含量、O2·-产生速率和H2O2含量的影响

2.5 不同设施低温对丝瓜幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

由表4可以看出,随着温度的降低,丝瓜幼苗叶片SOD、POD、CAT和APX活性均呈增加趋势,温度越低,增加效果越显著。与对照(CK)相比,除T1处理的CAT活性增加不显著外,T1、T2和T3处理的以上4种酶活性均显著增加。T1处理的SOD活性与T2处理的无显著差异,但显著低于T3处理的;T2处理的SOD活性也显著低于T3处理的。在T1、T2和T3处理间POD、CAT和APX活性均呈显著差异,均表现为T1

表4 不同设施低温对丝瓜幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

2.6 不同设施低温对丝瓜幼苗渗透调节物质含量的影响

由表5可知,随着温度的降低,脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量呈增加趋势,温度越低,增加幅度越大。与对照(CK)相比,T1处理的脯氨酸、可溶性糖含量无明显变化,可溶性蛋白含量显著增加;T2、T3处理的上述3个指标均显著增加。在T1、T2和T3处理之间脯氨酸含量均呈显著差异,可溶性糖和可溶性蛋白含量均无显著变化。

3 讨论

3.1 低温胁迫对丝瓜幼苗生长的影响

低温胁迫是自然界主要的非生物胁迫之一,是限制作物产量和品质的重要因素。李丽杰等[8]的研究结果表明低温胁迫后玉米幼苗地上部鲜重、根系鲜重、叶面积和株高均显著低于对照；刁倩楠等[9]发现低温胁迫处理明显抑制了甜瓜幼苗的生长,植株的株高、茎粗和地上鲜重显著低于对照。本研究发现,低温胁迫明显抑制了丝瓜幼苗的株高、茎粗、地上鲜重,且随着胁迫温度的降低,这些生长指标明显降低。同时,在低温胁迫处理下,丝瓜幼苗叶片的相对电导率明显高于对照,说明低温胁迫会使细胞膜受到损伤,细胞膜透性增大,使丝瓜幼苗产生冷害性状。这与前人在西瓜[10]、豇豆[11]等作物上的研究结果一致。

表5 不同设施低温对丝瓜幼苗叶片脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白质含量的影响

3.2 低温胁迫对丝瓜幼苗叶片光合色素含量的影响

前人研究结果表明,在低温胁迫下,作物叶片叶绿素的合成受阻，降解速度加快,导致叶绿素含量下降,从而使光合作用受到抑制,光合速率下降[12]。本研究表明,在低温胁迫下,丝瓜叶片的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素(a+b)含量均降低,且温度越低,降低效果越明显。这与低温胁迫下甜瓜[13]、豇豆[11]等的研究结论一致。

3.3 低温胁迫对丝瓜幼苗叶片生物膜系统的影响

低温胁迫使植物体内积累大量的活性氧自由基(OH-、O2·-),细胞膜透性增大,胞内电解质外渗,加剧膜质过氧化作用,使植物代谢紊乱[14,15]。本试验结果表明,低温胁迫下丝瓜幼苗叶片中MDA含量、O2·-产生速率和H2O2含量均显著高于对照,说明低温破坏了细胞膜结构,导致细胞膜透性增大,电解质外渗。陈汇林等[16]研究发现,在低温条件下豇豆电导率、MDA含量均升高,且与低温胁迫时间及低温程度呈正相关关系。李海燕等[17]研究发现,低温胁迫使玉米MDA含量、O2·-产生速率和H2O2含量显著增加,低温时间越长,增加趋势越明显。

3.4 低温胁迫对丝瓜幼苗叶片保护酶系统的影响

在低温胁迫下,植物体内活性氧的清除与产生动态平衡被破坏,植物保护酶(SOD、POD、CAT和APX)活性被诱导,从而减轻或避免活性氧对植物细胞造成的伤害[18]。在本研究中,不同低温处理下,丝瓜幼苗叶片SOD、POD、CAT和APX活性较CK增加,温度越低,增加越明显，表明丝瓜幼苗保护酶体系在低温逆境中对活性氧自由基产生了应激和防御反应,试图通过提高这些保护酶活性来降低活性氧的积累。这与陈汇林等[16]在豇豆上的研究结论一致。

3.5 低温胁迫对丝瓜幼苗渗透调节物质含量的影响

脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白是植物体内重要的渗透调节物质。前人的研究结果表明：脯氨酸含量增加对植物有一定的保护作用；可溶性糖含量升高可能是低温诱导了水解酶的活性,促使淀粉迅速分解；可溶性蛋白含量升高可能是有新的蛋白质合成[8]。本研究结果表明,在低温胁迫下,丝瓜幼苗叶片积累了大量的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白,且随着温度的降低出现不同程度的升高,说明三者共同作用来抵御外界低温伤害。这与李海燕等[17]在玉米上、向娟等[11]在豇豆上的研究结果一致。

综上所述,在不同设施自然低温胁迫下,丝瓜幼苗生长受到抑制,叶片叶绿素含量降低,电导率、MDA含量、O2·-产生速率和H2O2含量增加,SOD、POD、CAT和APX活性上升，脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量升高,温度越低,变化幅度越大。说明低温胁迫不仅能提高丝瓜幼苗的细胞活性氧水平,也能诱发保护酶活性,从而减轻活性氧对丝瓜幼苗的伤害。本研究结果为丝瓜耐低温机制研究奠定了一定的理论基础,可为丝瓜早春种植提供参考。