外源物质复配对低温胁迫下甜瓜幼苗光合障碍的缓解作用

冯路路，张惠敏，王曼曼，魏小云，王 康，闫洪朗

（江苏沿江地区农业科学研究所，江苏 南通 226001）

甜瓜是一种起源于热带、亚热带的重要园艺、经济作物，在我国具有悠久的栽培历史和广泛的种植面积，其具有生产周期短、经济效益高、受欢迎程度高等特点。随着设施农业的迅速发展，长江中下游地区的甜瓜栽培期可提前至1—2月，然而早春时期出现的低温会对甜瓜幼苗造成低温冷害，会严重制约甜瓜植株的生长发育，并且可能影响后期果实的品质和产量，造成较大的经济效益损失［1-2］。

低温胁迫会对植物的生长发育、光合作用、生物膜系统、渗透调节物质、抗氧化酶系统造成严重影响，其中植物的光合作用首先会受到抑制［3-4］。低温胁迫对植物光合作用的抑制不仅体现在破坏叶绿体结构、降低叶绿素含量、关闭气孔、影响光合酶活性等方面，同时还会通过影响正常的生理代谢间接抑制植物的光合特性［5］。邱喜岩等［6］在低温胁迫对不同耐低温南瓜材料影响的研究中发现，低温胁迫会导致不同南瓜种质的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、叶绿素荧光参数等显著下降，严重抑制南瓜正常的光合效率。张瑶等［7］研究发现黄瓜的叶绿素含量、最大光合效率(Pmax)、光饱和点(LSP)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和能量分配比率等光合参数均会随着低温胁迫程度的加深和低温胁迫时间的延长而逐渐下降。

大量研究表明外源物质能够提高植物对逆境胁迫的适应能力，但不同外源物质对植物生长发育、生理生化的调节作用不尽相同。褪黑素(MT)可以通过调节甜瓜幼苗氮代谢和渗透物质的积累，提高其在亚低温环境下的适应能力［8］。水杨酸(SA)可以缓解低温弱光对甜瓜幼苗叶片光合性能和保护酶系统的影响［9］。脯氨酸(Pro)作为一种渗透调节剂，其在植物的渗透调节系统中发挥着重要作用［10］。因此，不同外源物质复配使用可能具有一定的协同效应，可进一步提升植物对逆境胁迫的适应性。基于此，本研究以甜瓜幼苗为材料，将MT、Pro、SA等3种外源物质进行复配，研究其对低温胁迫下甜瓜幼苗的耐冷性和光合特性的影响，以期为外源物质复配提高甜瓜幼苗耐冷性提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及处理

供试品种为低温敏感型品种甜瓜417，是本课题组筛选得到的低温敏感型品种。挑选饱满、整齐一致的甜瓜种子进行浸种、催芽，待种子露白后播种于50孔穴盘，在大棚苗床进行育苗。待幼苗长至3叶1心时，选择长势一致的幼苗进行试验处理。

1.2 试验方法

1.2.1 外源物质复配最佳组合的筛选 设计褪黑素、脯氨酸、水杨酸3因素3水平的正交处理组合（表1），按不同处理每天对幼苗叶片进行喷施，以叶片表面均匀铺满水珠而不滴落为宜，同时设置清水喷施作为CK，连续处理3 d，在人工气候箱以常温条件（昼/夜温度25 ℃/18 ℃、12 h光/12 h暗）进行培养；喷施处理完成后在人工气候箱内以低温条件（昼/夜温度10 ℃/5 ℃、12 h光/12 h暗）处理5 d，在第5天对幼苗的冷害指数进行统计，冷害指数的统计参照于贤昌等［11］对黄瓜冷害指数的统计方法。每个处理设置3次重复，每次重复15株幼苗。

表1 正交试验处理代码及处理浓度 mmol/L

1.2.2 叶绿素相对含量的测定 以清水处理为CK，研究筛选出的最佳外源物质复配组合对低温胁迫下甜瓜幼苗叶绿素含量的影响。利用手持式叶绿素含量测定仪对甜瓜叶片的叶绿素相对含量(SPAD)进行测定，测定时间为喷施外源物质前、喷施外源物质3 d后、低温处理的第1、3、5天，统一选择幼苗的第2片真叶进行测定，每个叶片选择3个不同位置测定并取平均值，每次测量相同的5株幼苗。

1.2.3 光合作用气体交换参数的测定 以清水处理为CK，研究筛选出的最佳外源物质复配组合对低温胁迫下甜瓜幼苗光合作用气体交换参数的影响。为防止外界环境条件对试验测定结果的干扰，在人工气候箱内进行测量。利用便携式光合仪LI-6800在每天上午9:00～11:00测定不同处理幼苗的净光合速率、蒸腾速率、胞间二氧化碳浓度、气孔导度、瞬时水分利用率(WUEt)和气孔限制值(Ls)等气体交换参数，光合仪的光照强度设置为300 μmol，CO2浓度设置为400 μmol，湿度设置为55%。测定时间为喷施外源物质前、喷施外源物质3 d后、低温处理第1、3、5天。每个处理选取3株，统一选择第2片真叶进行测定，每个叶片重复测量3次。其中WUEt和Ls的计算公式为：

式（1）～式（2）中，Ca为大气中CO2浓度，Ci为胞间CO2浓度。

1.3 数据处理

应用Microsoft Excel软件对测定数据进行统计分析，应用Origin 2022软件进行数据处理与作图。

2 结果与分析

2.1 不同外源物质复配组合对甜瓜幼苗冷害指数的影响

冷害指数可以直接体现植物耐低温能力的强弱。本研究在低温处理5 d后，对不同复配组合处理的甜瓜幼苗进行冷害指数的统计，并得到不同处理相较于CK下降的百分比。由表2可知，CK的甜瓜幼苗冷害指数最高，不同复配组合处理的甜瓜幼苗冷害指数均显著低于CK，说明复配试剂均可以有效提高甜瓜幼苗的耐冷性；不同复配组合处理之间幼苗的冷害指数存在显著差异，说明不同复配组合提升甜瓜幼苗耐冷性的效果不同，其中A3B2C1复配组合处理幼苗的冷害指数最低，与其他复配组合之间存在显著差异，该复配组合处理的幼苗冷害指数比CK降低了14.85%，明显要优于其他复配组合，这说明A3B2C1复配组合降低甜瓜幼苗冷害指数的效果最显著，提升甜瓜幼苗的耐冷性最佳。因此，选择A3B2C1复配组合作为最佳的外源物质复配组合。

表2 不同复配组合对甜瓜幼苗冷害指数的影响

2.2 低温胁迫下外源物质复配对甜瓜叶片SPAD值的影响

由图1可知，在常温条件下，喷施清水和复配试剂后，甜瓜叶片中的叶绿素相对含量均有一定程度上升，其中CK处理叶片的SPAD值升高4.22%，而外源物质复配处理后叶片的SPAD值升高6.1%，相较于CK，外源物质复配可以有效提高甜瓜幼苗的SPAD值；低温处理条件下，SPAD值会随着低温胁迫时间的延长而逐渐下降，相对于低温胁迫前幼苗的SPAD值，CK处理叶片SPAD值下降了7.04%，外源物质复配处理的叶片SPAD值下降了4.06%，这说明在低温胁迫下的甜瓜幼苗上喷施外源物质复配试剂可以降低叶片叶绿素相对含量的下降幅度。

图1 外源物质对甜瓜叶片SPAD值的影响

2.3 低温胁迫下外源物质复配对甜瓜幼苗净光合速率的影响

由图2可知，在常温和低温胁迫处理过程中，2种处理净光合速率具有相似的变化趋势；常温条件下，两组处理初始的Pn接近一致，喷施处理3 d时，复配试剂处理的Pn升高了56.94%，显著高于对照处理的34.92%，由此可以说明，喷施复配试剂可以在常温条件下有效提高甜瓜的净光合速率；低温胁迫1 d时，对照处理的Pn出现上升，而复配试剂处理的Pn则出现下降；低温胁迫3 d后，Pn均急剧下降，相较于低温胁迫第1天，CK的Pn下降了70.93%，下降率显著高于复配试剂处理的59.10%，此时复配试剂处理的Pn高于CK；随着低温胁迫时间的延长，Pn继续下降，低温胁迫5 d时，CK的Pn仅为0.496 μmol/(m2·s)，而复配试剂处理的Pn为1.523 μmol/(m2·s)，显著高于CK，这说明复配试剂能够有效延缓低温胁迫下甜瓜幼苗Pn的下降。

图2 外源物质对甜瓜幼苗净光合速率的影响

2.4 低温胁迫下外源物质复配对甜瓜气孔导度的影响

气孔的开闭程度与植物和外界环境进行物质交换密切相关。由图3可知，2个处理在常温条件下的气孔导度Cs基本一致，喷施处理3 d后，2个处理的Gs均有升高，其中复配试剂处理的Gs提升程度高于CK；在低温胁迫1 d时，幼苗叶片的Gs均显著升高，其中CK的Gs比T2时相应检测值提高了233.42%，复配试剂处理也提高了86.49%；随着低温胁迫时间的延长，Gs出现了迅速下降，随后下降趋势逐渐减缓，其中复配试剂处理的Gs的下降程度显著低于CK，且最终复配试剂处理的Gs要高于CK，这说明复配试剂可以有效缓解低温胁迫下甜瓜Gs的下降程度。

图3 外源物质对甜瓜幼苗气孔导度的影响

2.5 低温胁迫下外源物质复配对甜瓜胞间CO2浓度的影响

由图4可知，CK和复配试剂处理的胞间CO2浓度Ci在常温条件下均有缓慢上升，此期间Ci的上升有利于植物的碳同化进程；低温胁迫1 d时，Ci的上升可能是由Gs过度升高引起的；低温胁迫3 d时，Gs大幅下降导致Ci开始出现回落；低温胁迫5 d时，Gs持续下降，Ci出现上升，可能是由于低温严重影响了甜瓜叶片的生理生化反应，CO2利用率明显下降。低温胁迫过程中，2个处理的Ci均呈现出先下降后上升的趋势，其中CK的Ci的下降和上升速率均要高于复配试剂处理的，这说明复配试剂有助于在低温胁迫下调节甜瓜叶片的气孔导度以及保护叶片内的生理生化反应环境。

图4 外源物质对甜瓜胞间幼苗CO2浓度的影响

2.6 低温胁迫下外源物质复配对甜瓜蒸腾速率的影响

由图5可知，在从常温处理到低温胁迫处理的过程中，甜瓜叶片的蒸腾速率Tr呈先上升后下降的趋势；复配试剂处理的Tr在常温条件下提高了220.28%，高于CK的201.89%；低温胁迫1 d时，CK的Tr要高于复配试剂处理，可能是因为此时CK的Gs要远大于复配试剂处理；从低温胁迫第1天到低温胁迫第5天，Tr呈现出先迅速下降而后缓慢下降的趋势，其中复配试剂处理的Tr降低了54.51%，远低于CK的84.21%，最终复配试剂处理的Tr要高于CK，这说明复配试剂可以有效缓解低温胁迫下甜瓜Tr的下降程度。

图5 外源物质对甜瓜幼苗蒸腾速率的影响

2.7 低温胁迫下外源物质复配对甜瓜叶片瞬时水分利用率的影响

由图6可知，在常温和低温胁迫条件下，CK和复配试剂处理的瞬时水分利用率WUEt的变化趋于一致；常温处理期间，由于叶片的Pn上升速率远小于Tr，因此导致WUEt出现下降；低温胁迫第3天时，由于Tr的下降速率高于Pn的下降速率，导致WUEt出现短暂上升；低温胁迫第5天时，WUEt显著降低，说明低温胁迫第3～5天期间，Pn的下降速率显著高于Tr的下降速率。值得注意的是，复配试剂处理的WUEt在常温和低温条件下均高于CK，这说明复配试剂可以有效提高甜瓜叶片的瞬时水分利用率。

图6 外源物质对甜瓜叶片瞬时水分利用率的影响

2.8 外源物质复配对甜瓜叶片气孔限制值的影响

气孔限制值Ls是判定一定条件下影响植物光合作用的主要因子。由图7可知，在常温和低温胁迫条件下，CK和复配试剂处理的Ls变化趋势基本一致，且随着低温胁迫时间的延长，Ls均呈现出先上升后下降的趋势。由此判断，在低温胁迫下，影响CK和复配试剂处理甜瓜幼苗光合能力的因素可能是一致的。

图7 外源物质对甜瓜叶片气孔限制值的影响

2.9 低温胁迫下甜瓜不同性状的相关性分析

为研究低温胁迫下不同性状之间的关系，将低温胁迫时间与测定的不同性状进行相关性分析。由表3可知，低温胁迫时间与SPAD值、Pn、Gs、Tr呈极显著负相关，但与Ci、WUEt、Ls没有显著相关性；SPAD值与Pn、Gs、Tr呈极显著正相关，但与Ci、WUEt、Ls没有显著相关性；Pn与Tr、Gs呈极显著正相关，但与Ci、WUEt、Ls没有显著相关性；Gs与Tr呈极显著正相关，与Ci、WUEt、Ls没有显著相关性；Tr与Ci、WUEt、Ls没有显著相关性；Ci与WUEt和Ls呈极显著负相关；WUEt与Ls没有显著相关性。

表3 低温胁迫下甜瓜不同性状的相关性分析结果

3 结论与讨论

植物光合作用是一项为植物生长发育提供物质和能量的重要生理活动，极易受到逆境胁迫的抑制。大量研究表明低温胁迫会造成植物叶绿素含量、气体交换参数、荧光参数、植物碳同化能力出现明显的下降，导致植物生长缓慢、器官发育不良，严重的甚至造成植物死亡［12］。本研究中，甜瓜幼苗叶片的叶绿素含量、Pn、Tr、Gs在低温胁迫下出现显著下降，该结果与李云玲［13］在黄瓜中的研究和许永安［14］对不同甜瓜种质的研究结果一致。在低温胁迫时间与测定的光合参数的相关性分析中发现低温胁迫时间与SPAD值、Pn、Tr、Gs呈极显著负相关，说明甜瓜幼苗光合作用的受抑制程度会随低温胁迫时间的延长而不断加剧。

叶绿素主要负责完成植物对光能的吸收、传递和转化，其含量与植物光合作用的能力密切相关。低温胁迫会抑制植物体内叶绿素的合成，加速其降解，从而影响植物对光能的吸收利用，最终导致植物叶片光合能力的下降［15］。在外源物质提升植物耐冷性的研究中，已有较多外源物质被证明可以提高植物叶片的叶绿素含量［16-18］。在本试验中，3种外源物质的复配试剂显著提高了常温条件下甜瓜幼苗叶片的相对叶绿素含量，并抑制了低温胁迫下甜瓜幼苗叶片相对叶绿素含量的下降速率，该结果与刘彤彤［19］关于外源物质复配对黄瓜幼苗耐冷性的研究结果一致。

Pn、Gs、Ci、Tr、WUEt是分析植物光合性能的重要参数［20］。气孔是植物体与外界环境进行气体、水分交换的重要通道，会对Ci和Tr产生影响，进而影响到Pn［21］。在多数低温胁迫引起Pn下降的研究中，根据Ci和Gs、Ls的变化趋势可分为气孔限制因素和非气孔限制因素［22-23］。本研究结果表明：CK的Pn会随低温胁迫时间的延长而逐渐下降，低温胁迫1～3 d期间，Gs、Tr和Ci均呈下降趋势，Ls为上升趋势，这说明此期间Pn的下降是由气孔限制了植物与外界环境物质交换导致的；而在低温胁迫3～5 d时，Gs、Tr和Ls出现下降，Ci则出现上升，这说明在此期间Pn的下降不是由气孔导度下降引起的，可能是由光合色素含量减少、光合酶活性降低、活性氧过度积累等非气孔限制因素导致，该结果与顾慕容等［24］在低温胁迫中对测钝叶草光合性能的研究结果一致。目前，关于外源物质如何缓解低温胁迫导致的光合障碍已有较多研究［25-26］。杨芬芬等［27］研究发现外源海藻糖可以促进低温胁迫下哈密瓜光合色素的积累，提高叶片的Pn、Gs和Tr，从而缓解低温导致的光合能力减弱。程琳琳等［28］研究发现以脱落酸(ABA)、壳寡糖、CaCl2为主成分的复配涂封剂可以显著提高低温胁迫下橡胶苗叶片的Pn、Gs、Ci、Tr、Fv/Fm和ΦPSⅡ，减少低温对光合系统的损害。本研究结果显示：与CK相比，外源物质复配处理显著提高了常温和低温胁迫下甜瓜幼苗叶片的Pn、Gs、Tr和WUEt，由此缓解了低温胁迫对光合系统的抑制作用，结合上述Pn在低温胁迫下先后受到气孔限制和非气孔限制因素影响的结果，说明复配试剂除在气孔因素方面帮助提高甜瓜叶片Pn外，还可能在提高相关酶活性、降低有害物质积累等非气孔因素方面发挥积极作用，从而提升甜瓜叶片的Pn，进一步提高甜瓜幼苗的耐冷性。

综上所述，喷施适当浓度的MT、Pro和SA等3种外源激素复配的试剂可显著提高常温和低温胁迫下甜瓜幼苗的SPAD值、Pn、Gs、Tr和WUEt，减少低温胁迫对甜瓜叶片生理生化的损害，促使甜瓜叶片在光能的吸收、传递和转化，叶片和大气之间的气体交换、叶片的生理生化反应均保持在较高水平，从而缓解低温胁迫对甜瓜幼苗的光合障碍，提高甜瓜幼苗的耐冷性。