淹水胁迫对不同倍性西瓜幼苗生理的影响

何 楠，王伟伟，赵胜杰，路绪强，朱红菊，孙小武，刘文革

（1.中国农业科学院郑州果树研究所 郑州 450009； 2.湖南农业大学园艺学院 长沙 410128；3.安阳市疾病预防控制中心 河南安阳 455099）

淹涝灾害是影响植物生长发育重要的非生物逆境胁迫。随着全球气温的升高，温室效应在逐渐加剧，世界各地淹涝灾害不断发生，淹水胁迫常常影响植物的生长发育，过多的水分阻碍了植物与大气环境间的气体交换，造成植物受淹组织缺氧，严重影响植物的生理代谢，使其产量和品质逐渐降低，甚至造成绝产或大面积死亡。植物遭受涝害后，会积极调整自身形态结构和生理代谢，缓解涝害产生的不良影响，减少涝害损失。不同植物种类及品种对涝害的适应能力差异很大，耐涝性、淹水深度及淹水持续时间也对植物具有重要的影响。

西瓜（L.）是深受中国消费者喜爱的水果之一，同时也是重要的农业经济作物。西瓜属于葫芦科作物，起源于非洲，属于耐旱性植物，对淹水非常敏感，缺乏有效的耐淹防御机制。研究表明作物在淹水逆境条件下，生理生化代谢会产生变化来适应不良环境。刘文革等通过对西瓜幼苗在淹水胁迫下的叶片形态变化、细胞保护酶（SOD，POD）活性、可溶性蛋白质（PRO）含量、膜脂过氧化产物丙二醛（MDA）含量等生理生化指标的变化进行研究，为西瓜育种技术提供理论依据。2008 年陈传红等通过试验测定西瓜幼苗在淹水胁迫条件下的叶片形态变化、细胞保护酶（SOD、POD）活性及可溶性蛋白质（PRO）、还原糖、游离脯氨酸含量等生理生化指标来探索西瓜遇淹水时的生理变化情况，结果表明，随着幼苗生长，POD 活性表现出逐渐增加的趋势；SOD 活性表现出先上升后下降的趋势，还原糖含量表现出先上升后下降再上升的趋势；脯氨酸含量则呈现升-降-升的变化趋势。笔者前期预试验结果表明，不同倍性西瓜品种间抗逆性差异较大，对水分的耐受性不同，不同的生长发育阶段、不同水分胁迫强度及胁迫时间对西瓜的生长发育、生理过程均有不同的影响，通过研究不同倍性西瓜幼苗在淹水胁迫条件下的叶片色素、光合作用、电导率和根系活力的变化，以期阐明西瓜植株的耐淹机制，为西瓜育种以及西瓜在多雨地区栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为蜜枚的3 个同基因型不同倍性西瓜品种，分别为蜜枚二倍体（M2x）、蜜枚三倍体（M3x）、蜜枚四倍体（M4x），均由中国农业科学院郑州果树研究所选育，种子成熟、饱满、大小均一，纯度≥98%，净度≥99%，发芽率≥95%。

1.2 方法

1.2.1 种子处理与育苗 2020 年5—6 月，试验在郑州果树研究所南地玻璃温室进行。西瓜种子播种前1 d，种子破壳后用冷水浸泡3 h，置于34 ℃的恒温种子培养箱中催芽1～2 d，种子萌发率达70%左右即可播种。出芽后播于装有育苗基质（拌有多菌灵）的穴盘（32 孔，外形540 mm×280 mm，上口径60 mm，底部28 mm，深度53 mm）中，置于昼（26±1）℃/夜（23±1）℃玻璃温室中，光照12 h 进行幼苗培养。出芽后每天喷水1 次，当幼苗长到4 叶1 心时待用。

1.2.2 试验设计 选取长势基本一致的幼苗进行淹水套盆处理，将种植幼苗的穴盘放入长方形塑料箱（外尺寸：长595 mm，宽490 mm，高350 mm）进行淹水试验：半淹水处理（T1）为水面超过西瓜根部基质约1 cm；全淹水处理（T2）为水面刚淹过西瓜生长点；CK 为正常生长处理。注意每天及时补充散失的水分，确保处理所需的水面高度不变，分别在淹水1、3、5、7 d 时取样，试验采用随机区组设计，不同倍性的植株每个处理50 株，3 次重复，共450 株。

1.2.3 测定指标与方法 光合参数测定：用光合作用测定仪（CIRAS-3，汉莎科学仪器有限公司）在09：00—11：00 测定净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO浓度。

叶绿素含量测定：将采回不同倍性的叶子洗净擦干，除去叶脉，称取约0.2 g，剪碎放入25 mL 试管中，加入10 mL 95%乙醇，封口，置于暗处过夜浸提，待叶子完全变白后，用紫外分光光度计（TU-1900双光束紫外可见分光光度计）测定663、645、470 nm波长下的光密度值，每个处理3 次重复。

叶绿素含量（，后同）/（mg·g）=色素浓度×提取液体积/叶片鲜质量。

质膜透性的测定：选取新鲜的叶片，用蒸馏水洗净、擦干，去除叶脉，称取0.3 g 剪碎，放入50 mL试管中，加入20 mL 蒸馏水，浸没叶片，封口，静置24 h，静置过程中摇晃4～5 次，用电导仪（DDSJ-308F型电导率仪，上海仪电科学仪器股份有限公司）测定溶液电导率，测完之后放到100 ℃的水浴锅中水浴30 min，以杀死植物组织，取出后冷却，测其煮沸后溶液的电导率，每个处理3 次重复。

电导伤害率/%=处理电导率/煮沸后的电导率×100。

根系活力的测定：取根尖样品放入小烧杯中，加入0.4%TTC 溶液和1/15 PBS 各5 mL，黑暗条件下37 ℃保温，然后加1 moL·L硫酸2 mL 终止反应。取出材料，滤纸吸干后，加入乙酸乙酯研磨，取红色浸提液，用乙酸乙酯定容至10 mL，用分光光度计（TU-1900 双光束紫外可见分光光度计）测定OD值。

1.3 数据分析

数据采用Excel 2007 进行数据统计和作图。使用SPASS 20.0 进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 淹水胁迫对不同倍性的西瓜幼苗的外部形态的影响

在淹水胁迫当天，西瓜幼苗叶片为灰绿色；3 个倍性的西瓜幼苗全淹水处理3 d 后，将穴盘的西瓜幼苗拿出长方形塑料箱，解除胁迫，植株出现短暂的萎蔫，之后植株可以恢复正常，但植株下面的叶子变黄；全淹水处理5 d 后，解除胁迫，蜜枚二倍体和三倍体幼苗在前2 h 内观察正常，2 h 后出现萎蔫，之后不能恢复正常，蜜枚四倍体的幼苗顶端叶片能够恢复正常（图1）；全淹水处理7 d 后，解除胁迫，三种西瓜幼苗都萎蔫，不同倍性幼苗均不能恢复正常。半淹水处理7 d 后，不同倍性幼苗均可正常生长。

图1 蜜枚三个倍性西瓜幼苗全淹5 d 解除胁迫后的情况

2.2 淹水胁迫对不同倍性西瓜幼苗光合作用的影响

图3 淹水胁迫对蜜枚不同倍性西瓜幼苗气孔导度的影响

图4 淹水胁迫对蜜枚不同倍性西瓜幼苗净光合速率的影响

图5 淹水胁迫对蜜枚不同倍性西瓜幼苗蒸腾速率的影响

由图2～5 可知，T1 半淹水处理的蜜枚二倍体和三倍体的胞间CO浓渡呈先升后降再升高的趋势，蜜枚四倍体的胞间CO浓度随淹水胁迫天数的增加而逐渐上升，T2 全淹水处理的3 个倍性的幼苗胞间CO浓度随淹水胁迫天数的增加而逐渐上升；T1半淹水处理的蜜枚二倍体的气孔导度在1～3 d 比CK 显著上升，到3 d 达到最高，为238 μmol·m·s，T2全淹水处理的3 个倍性的幼苗气孔导度和蒸腾速率随着淹水胁迫天数增加而逐渐上升；T1 半淹水处理的蜜枚二倍体和三倍体幼苗蒸腾速率随着淹水胁迫的天数增加出现先上升后下降的趋势，其中，蜜枚四倍体出现先降低后上升的趋势；T1 和T2 处理的3 个倍性的幼苗净光合速率随着淹水胁迫的天数增加而都出现先上升后下降的趋势。

图2 淹水胁迫对蜜枚不同倍性西瓜幼苗胞间CO2浓度的影响

2.3 淹水胁迫对不同倍性西瓜幼苗叶绿素含量的影响

由图6 可知，随着淹水时间的延长，蜜枚3 个倍性材料的叶绿素含量总体上都是在处理前3 d 逐渐增加，随后开始降低；其中，在T1 半淹水和T2 全淹水处理下，蜜枚二倍体处理3 d 叶绿素含量最高。

图6 淹水胁迫对蜜枚不同倍性西瓜幼苗叶绿素含量的影响

2.4 淹水胁迫对不同倍性西瓜幼苗质膜透性的影响

由图7 可知，在T2 全淹水处理下不同倍性的蜜枚在处理1 d 时比CK 显著下降之后上升，但在处理7 d 又开始下降。其中，在T1 半淹水处理下，蜜枚四倍体处理5 d 时的电导伤害率要明显高于其他时间的处理；在T2 全淹水处理下，不同倍性蜜枚处理5 d 时的电导伤害率要明显高于其他处理。

图7 淹水胁迫对蜜枚不同倍性西瓜幼苗质膜透性的影响

2.5 淹水胁迫对不同倍性西瓜幼苗根系活力的影响

由图8 可知，在T1 半淹水处理下不同倍性蜜枚西瓜幼苗的根系活力先是呈下降趋势，在处理3 d时根系活力上升后又开始下降；在T2 全淹水处理下，不同倍性蜜枚的根系活力均呈下降趋势。其中，在T1 半淹水处理下蜜枚四倍体处理7 d 时的根系活力低于其他倍性；在T2 全淹水处理下，蜜枚四倍体处理7 d 时的根系活力高于其他倍性。

图8 淹水胁迫对蜜枚不同倍性西瓜幼苗根系活力的影响

3 讨论与结论

在淹水胁迫条件下，植物为了适应环境变化，会在形态和代谢方面发生相应的调整；并且淹水对许多植物的生长具有显著的抑制作用。根系是受淹水胁迫伤害最直接的器官，地上部分伤害症状是由根系受伤害后引起的次级伤害，测定根系活力是反映植物根系抗逆性强弱的一个重要指标，能综合地反映根系吸收、合成能力及呼吸作用。在淹水胁迫下，植物的根系活力一般呈下降趋势，下降的原因可能是在淹水环境下自由基积累伤害了组织细胞。陈大清等研究表明，耐涝材料的根系活力显著高于不耐涝材料；刘华山等研究表明，芝麻幼苗经淹水处理后其根系活力低于对照，同时，随着淹水时间的延长根系活力逐渐下降，且抗涝品种具有较高的根系活力；汪贵斌等研究表明，喜树在受到淹水胁迫时，根系活力随着淹水时间的増加不断下降。笔者研究发现，在T1 半淹水处理下不同倍性蜜枚的根系活力在处理1 d 时都急剧下降，随后又有所上升，这是因为根系对淹水的响应机制有所反应，对逆境有了一定的适应能力，3 d 后根系活力持续下降，在淹水后期几乎接近于0。在T2 全淹水胁迫下，不同倍性的植株根系活力不断下降，不同于半淹水胁迫下的先上升后下降趋势。在处理1～7 d 蜜枚四倍体的根系活力都比相应时间的三倍体和二倍体高，而随着淹水时间的延长，四倍体的根系活力较强，由此可见，蜜枚四倍体根系的耐涝性相对于三倍体和二倍体具有一定的优势。

在淹水条件下，植物保持较高的光合速率和正常的光合特性是植物耐受淹水的重要原因之一。通过光合仪测定植株叶片胞间CO浓度和净光合速率呈正相关关系，胞间CO浓度越高，净光合速率越高；胞间CO浓度较高时，净光合速率下降趋势平缓；当胞间CO浓度降至较低水平后，净光合速率下降幅度明显，甚至出现直线相关性，这种正相关说明净光合速率的升高是胞间CO浓度升高的结果，是二者关系的规律性反映。在全淹水胁迫下，植物最早发生的变化是气孔阻力，而较抗涝的植物则表现为气孔阻力随淹水时间延长急剧上升，直至气扎完全关闭。在本试验中，植株净光合速率下降的原因可能是与全淹水条件下植株的叶片叶绿素含量下降、蒸腾作用受阻等有关，但其中，蜜枚四倍体相比较于三倍体和二倍体的气孔导度小。

在各种不良的外部环境下，比如极端温度、干旱、重金属离子、淹水等都会影响植物细胞质膜，使其受到不同程度的损伤，这种损伤一般表现在膜的透性变大，使细胞内的电解质外渗，引起外液的电导率增大。笔者测定了植株质膜电导率，结果符合植物的抗逆性越强，植物细胞膜的伤害程度就越小，电导伤害率也越小的结论。

叶绿素是进行光合作用的基础物质，叶绿素含量、比例对叶片光合作用有着重要的影响；而在胁迫前期，叶绿素含量的升高是一种适应行为，罗芳丽等和卢雪琴等也有同样的报道；后期淹水胁迫逐渐使叶片叶绿素含量降低，叶片中的光合色素是叶片光合作用的物质基础，环境因子的改变可以引起光合色素含量的变化，光合色素含量的高低在很大程度上反映了植物的生长状况和叶片的光合能力。在本试验中，在全淹水胁迫下，蜜枚三倍体和四倍体植株叶绿素含量在逐渐下降，说明淹水胁迫对不同倍性西瓜幼苗的光合作用产生了负面影响；而蜜枚四倍体叶绿素含量比蜜枚三倍体下降慢，符合前人的研究结果——抗涝品种比不抗涝品种的叶绿素含量下降慢。

蜜枚不同倍性幼苗在全淹水条件下，随着淹水时间的增加，光合色素含量、叶片的质膜透性及根系活力都有下降趋势，它们之间具有一定的相关性。在全淹水条件下，蜜枚四倍体较三倍体和二倍体的光合色素含量、叶片质膜透性及根系活力下降更明显，抗淹水性更强，耐淹水能力为蜜枚四倍体＞蜜枚三倍体＞蜜枚二倍体。