高温期喷施外源钙对甜瓜幼苗叶片生理特性的影响

刘志刚，任红松，胡西旦·买买提，王瑞华，李海峰，胡国智

(1.新疆农业科学院吐鲁番农业科学研究所，新疆吐鲁番 838000；2.新疆农业科学院哈密瓜研究中心，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】甜瓜属喜温作物，其生长发育最适宜温度为25～35℃，40℃以上同化作用显著降低，45℃以上时，生殖生长受到干扰与破坏，即使短时间的高温，也会产生生理障碍[1]。新疆吐鲁番地区7～8月高温期正值秋季大田甜瓜种子萌发和幼苗生长阶段，高温容易发生死苗、小老苗和徒长苗等苗期问题，影响器官分化和生长发育[2,3]，后期甜瓜早衰，影响产量和品质[4]。高温胁迫条件下，植物体内的平衡遭到破坏，活性氧的产生与清除的失衡会引起膜蛋白和膜内脂的变化，对植物造成伤害[5]。钙作为信号物质，参与了热胁迫早期的信号传导[6-8]，钙也通过防止由热胁迫造成的活性氧对光合器官的伤害，提高植株的抗热性[8]。吐鲁番地区秋季大田甜瓜多为规模化种植，高温期调控培育甜瓜壮苗技术研究已成为严重影响甜瓜生产中高产、稳产的关键环节。研究高温期喷施外源钙培育甜瓜壮苗调控技术，对促进吐鲁番哈密瓜产业的发展具有重要意义。【前人研究进展】钙(Calcium)作为植物必需的营养元素，能与作为胞内信使的钙调蛋白结合，调节植物体的许多生理代谢过程[9-10]。外源钙能缓解和减轻高温胁迫对植物细胞膜的伤害，提高植物的抗热性。【本研究切入点】目前，对Ca2 +缓解植物高温伤害[11-13]的研究已逐步深入，多集中在辣椒[12]、烟草[13]、花生[18]、玉米[15]、葡萄[16]、番茄[17-18]等作物，但关于甜瓜的研究不多。关于在夏秋7～8月自然高温条件外源钙对甜瓜幼苗生理特性等方面的研究鲜见报道。研究不同浓度CaCl2对秋季大田甜瓜幼苗叶片叶绿素相对含量、可溶性蛋白含量、保护酶活性及MDA含量的影响。【拟解决的关键问题】以秋季大田甜瓜幼苗为研究对象，研究高温期喷施不同浓度CaCl2对甜瓜幼苗生理特性的影响，得出最佳CaCl2喷施浓度和频次，分析高温环境外源钙对甜瓜幼苗生理调节作用的关系，为预防苗期生理病害，培育健康壮苗，提高秋季大田甜瓜苗期科学管理能力提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料为当地大田主栽厚皮甜瓜品种西州密17号，中熟杂交种，厚皮型，果实发育期50～57 d，果实椭圆形，果皮黑麻绿底，网纹中密全，果肉橘红，肉厚3.2～4.7 cm，中心可溶性固形物15.2%～17.0%，肉质细、松、脆，风味甜蜜、爽口，平均单果重2.5 kg左右。植株生长势较强，茎蔓粗壮，易坐果。种子市售(每袋20 g)，由新疆葡萄瓜果技术开发服务公司生产。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

吐鲁番盆地是全疆气温最高的地区，年积温4 500～5 400℃，日最高气温在35℃以上的天数达100 d，绝对最高气温达47.6℃[19]。

试验于2018年、2019年7至8月新疆农业科学院吐鲁番农业科学研究所大田试验基地在自然高温环境下进行，采用营养钵盆栽方式，营养钵规格为高20 cm×宽20 cm，基质为草炭∶珍珠岩∶蛭石∶园土=9∶3∶1∶5，基质混合均匀后装入营养钵，统一安装滴灌装置滴水，7月1日播种，在播种前1 d将营养钵中基质土滴一个透水，直接将种子播种于营养钵中心，每盆播2粒种子，播完后再滴1次水，幼苗破心时选长相一致的植株定苗1株，3叶期前中午12:00至17:00为甜瓜幼苗进行适当遮阴，不追肥，只在幼苗开始萎蔫时滴水。

共设4个处理：以喷等量清水作为处理1(对照)，喷施浓度分别为20、10、5 mmol/L的CaCl2溶液(分别为处理2、处理3和处理4)。每个处理3次重复，每个重复种植30盆，并将每个处理分为2个区即“观测区”和“采样区”，用于形态变化指标测定和生理指标检测采样。从分别在甜瓜幼苗1叶期、3叶期、5叶期、7叶期、9叶期5个时期，选择晴天下午18:00～19:00喷施不同浓度CaCl2溶液，喷至全株叶面都有均匀大小液珠但不下滴为止。

1.2.2 测定指标

每处理分别在试验盆栽幼苗“观测区”随机选取3株，共9株挂牌标记，在规定的叶期测定叶绿素含量，在“采样区”随机选取3株植株样，采样标记后放入冰盒到实验室进行处理，测定叶片可溶性蛋白质含量及各种酶活性。叶绿素含量测定采用TYS-B手持式叶绿素测定仪测定叶绿素相对含量SPAD值，每株选取第1片叶，每片叶随机选取5个不同部位测定，重复3次，测定并记录叶绿素仪显示的数据，求平均值；可溶性蛋白质含量、丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性均参照李合生的方法[20]测定。

1.3 数据处理

利用Exce12007软件制作图表，2年观测的数据取平均数，用DPS14.5软件进行数据单因素方差分析，数据显著性差异运用Dun-can's新复极差法进行多重比较分析，不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

2 结果与分析

2.1 近2年吐鲁番试验地高温期(7～8月)间温度变化动态

研究表明，2018～2019年连续2年监测实验地7～8月高温期温度，生理指标的采样检测就是从7月上旬持续到8月中旬。2018年、2019年7～8月共62 d，其中日平均温度为超过30℃的天气为51 d，其中日最高温度低于35℃的天气仅有1 d，持续35℃以上天气长达31 d，超过40℃的天气40 d，持续40℃以上的天气10 d；2019年7～8月平均温度为超过30℃的天气为57 d，其中日最高温度35℃以上的天气长达59 d，持续35℃以上的天气长达37 d，40℃以上的天气50 d，持续40℃以上天气21 d。图1

图1 2018年、2019年7～8月日最高温变化

2.2 不同浓度CaCl2对甜瓜幼苗叶片叶绿素含量的影响

研究表明，随着幼苗生长和对外界高温环境的适应，各处理幼苗叶绿素含量均逐渐上升，与处理1(对照)相比，Ca2+处理能不同程度的提高甜瓜幼苗叶片叶绿素的含量，从3叶期开始叶片叶绿素含量顺序始终是处理4>处理3>处理2>处理1(对照)；处理2和处理3之间在3叶期和5叶期叶绿素相对含量差异显著，在7叶期和9叶期差异不显著；在9叶期时处理4叶绿素相对含量最高，为40.51 SPAD，处理1(对照)叶绿素含量为34.43 SPAD，比对照处理高17.7%，与对照处理呈显著差异，而处理2、处理3与对照处理相比差异不显著。图2

2.3 不同浓度CaCl2对甜瓜幼苗叶片可溶性蛋白含量的影响

研究表明，随着幼苗的生长，叶片可溶性蛋白含量呈“S”曲线变化。喷施不同浓度Ca2+后，随着外界高温环境的影响，幼苗的耐热性在3叶期前逐渐得到锻炼提高，幼苗叶片可溶性蛋白含量缓慢下降，在3叶期时达到最低值，在3叶期到5叶期叶片可溶性蛋白含量迅速上升，处理3达到最高值，为8.27 mg/g，对照处理最低，为6.36 mg/g，增幅分别为3.7和2.4倍，相比顺序为处理3>处理2>处理4>处理1(对照)，各处理间呈显著差异(P<0.05)；5叶期之后到9叶期这段时期都是缓慢上升，相比顺序为处理4>处理3>处理2>处理1(对照)，处理4比对照处理提高23.61%，各处理间呈显著差异(P<0.05)。图3

图3 不同浓度CaCl2下甜瓜幼苗叶片可溶性蛋白含量变化

2.4 不同浓度CaCl2对甜瓜幼苗叶片CAT活性的影响

研究表明，外界高温条件影响下，各处理过氧化氢酶(CAT)活性呈先升高后降低的趋势。各处理在3叶期前过氧化氢酶(CAT)活性被迅速激活，均在3叶期达到最高值，处理3过氧化氢酶(CAT)活性最高，为10.05 U/(g·min)，处理1(对照)最低，为6.83 U/(g·min)，处理3比对照提高47.14%，二者呈显著差异(P<0.05)；3叶期至5叶期迅速下降，之后一直到9叶期都在平缓波动的趋势。过氧化氢酶(CAT)活性在9叶期时处理4最高，为3.28 U/(g·min)，比对照处理高115.8%，各处理与对照处理相比差异显著(P<0.05)。图4

图4 不同浓度CaCl2下甜瓜幼苗叶片CAT活性变化

2.5 不同浓度CaCl2对甜瓜幼苗叶片SOD活性的影响

研究表明，随着外界高温的影响，幼苗的逐渐长大和抗逆性的增强，叶片中超氧化物歧化酶(SOD)活性先升高后降低。高温胁迫下，3叶期前超氧化物歧化酶(SOD)活性缓慢升高，其中各处理在3叶期均达到最高，排序为处理4>处理3>处理2>处理1(对照)，其中处理4最高，为193.54 U/(g·min)，处理1(对照)最低，为166.19 U/(g·min)，比处理1(对照)高16.46%，二者呈显著差异(P<0.05)；3叶期至5叶期活性迅速下降，5叶期至9叶期都有平缓波动的趋势，在5叶期除处理4的其他处理叶片中超氧化物歧化酶(SOD)活性均降到最低，排序仍为处理4>处理3>处理2>处理1(对照)，其中处理4最高为30.87 U/(g·min)，相比处理1(对照)高57.42%，二者呈显著差异(P<0.05)。图5

图5 不同浓度CaCl2下甜瓜幼苗叶片SOD活性变化

2.6 不同浓度CaCl2对甜瓜幼苗叶片POD活性的影响

研究表明，随着时间的推移和对高温环境的适应，幼苗叶片的 POD活性呈现先升高后降低的趋势。在高温胁迫下，3叶期前POD活性迅速升高，各处理在3叶期均达到最高，排序为处理4>处理3>处理2>处理1(对照)，其中处理4最高，为11.90 min/g，处理1(对照)最低，为7.33 min/g，比处理1(对照)高62.34%，二者呈显著差异(P<0.05)；3叶期至5叶期各处理叶片POD活性迅速下降，5叶期至9叶期有缓慢下降的趋势，在9叶期各处理叶片中POD活性均降到最低，排序仍为处理4>处理3>处理2>处理1(对照)，其中处理4最高为4.36 min/g，处理1(对照)最低，为2.84 min/g，相比处理1(对照)高53.52%，二者呈显著差异(P<0.05)。图6

图6 不同浓度CaCl2下甜瓜幼苗叶片POD活性变化

2.7 不同浓度CaCl2对甜瓜幼苗叶片MDA含量的影响

研究表明，随着幼苗的生长和外界高温环境的影响，各处理叶片MDA含量均表现为先升高后降低的趋势。各处理均在3叶期MDA含量达到最高值，其中对照处理叶片MDA含量最高，为8.09 μmol/g，处理4叶片MDA含量最低，为6.30 μmol/g，比对照处理低22.13%，二者呈显著差异(P<0.05)；各处理叶片MDA含量均在5叶期迅速下降，在5叶期至9叶期在一定的范围内波动，最后逐渐回落到一个较低水平，总体保持植株细胞的平衡。图7

图7 不同浓度CaCl2下甜瓜幼苗MDA含量变化

3 讨 论

高温损伤叶绿体的结构，引起光合色素降解，进而抑制光合作用[21]。宰学明等[14]研究得出，花生幼苗在高温42℃处理过程中，Ca2+处理下的叶绿素含量随处理时间的延伸而下降，但与对照比较，Ca2+处理能延缓花生幼叶叶绿素在高温胁迫下的降解；杨秋珍等[22]试验表明，高温胁迫后，甜瓜幼苗叶片叶绿素含量均下降，耐热性强的品种下降幅度<耐热性弱的品种，叶绿素下降的温度为≥41℃，叶片叶绿素的指数可作为鉴定甜瓜耐热性的指标。研究得出，在外界高温条件下，3叶期前适当遮阴，将幼苗进行高温锻炼，适宜浓度的Ca2+处理，甜瓜幼苗叶绿素相对含量相比处理1(对照)逐渐升高，其中5 mmol/L CaCl2(处理4)对缓解和降低高温对叶绿体伤害的效果较理想；研究还发现在外界高温胁迫下，甜瓜幼苗3叶期是可溶性蛋白含量、叶片抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)和MDA含量变化的转折期，这可能由于3叶期是幼苗根系与地上部的生长处于失衡状态d的特殊性时期导致[23]。

高温条件下蛋白质的合成和降解速率与植物的抗热性有关，耐热种类或品种在高温下能保持较高的蛋白质合成速率和较低的蛋白质降解速率[24]，耐热品种可溶性蛋白含量升高[4,25]。研究显示，在外界高温条件下，随着幼苗的生长和对环境的适应，叶片可溶性蛋白含量总体呈“缓慢下降-迅速上升-缓慢上升”的三段式“S”曲线变化，与处理1(对照)相比，喷施5 mmol/L CaCl2对甜瓜耐热品种幼苗提高可溶性蛋白含量效果较理想，这与Gong等[15]的研究结果基本一致。

高温会抑制早期幼苗的生长，幼苗通过提高体内抗氧化酶活性，降低活性氧，从而减缓膜损伤，提高对温度的适应性[4]，施钙能提高了植物体内抗氧化酶(SOD、POD、CAT)的活性[26]，有效地抑制高温下叶片MDA含量的增加[16]，并显著降低MDA含量[17]，减少活性氧物质的含量从而降低植物细胞内活性氧自由基对质膜和膜脂过氧化作用水平的伤害。研究得出，随着幼苗的生长和对外界高温环境的适应，甜瓜幼苗叶片抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)呈先升后降的趋势，甜瓜品种耐热性较强，并且能通过自身调节抗氧化酶活性来提高对高温的适应性，这与齐明芳等[17]和李天来等[18]的研究结果基本一致，不同的是，虽然钙处理相比对照均能显著降低MDA含量，但整体呈持续上升的趋势；而研究在高温环境下外源钙处理后MDA含量呈先升高后降低的趋势，与涂三思等[27]的研究结论一致。

4 结 论

4.1在高温胁迫下，叶绿素含量、可溶性蛋白含量、叶片抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)和MDA含量的变化规律不仅与胁迫的温度、时间、程度有关，而且与胁迫植物的种类、品种、生育期、耐热性等指标密切相关。

4.2高温期喷施5 mmol/L浓度的CaCl2，与对照处理相比，能够显著提高耐热性甜瓜幼苗叶绿素和可溶性蛋白含量，增强了抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)，明显降低MDA含量，在提高幼苗耐热性方面效果显著。

4.3受外界高温环境影响，从甜瓜幼苗1叶期至3叶期间叶绿素含量、抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)和MDA含量显著升高，在3叶期至5叶期之间均迅速下降，5叶期至9叶期之间缓慢下降或一定范围波动。

4.4甜瓜幼苗3叶期前在高温胁迫下细胞质膜逐渐受到伤害，过氧化作用促使叶片MDA含量增加，而3叶期至5叶期高温胁迫已超出细胞抵御能力后代谢紊乱造成MDA含量迅速下降，随着幼苗多种抗氧化防御系统的作用和耐热性的逐渐提高，5叶期至9叶期的胁迫使叶片MDA含量缓慢下降，维持在相对较低的水平。