西瓜苗期耐热性评价及耐热指标选择

李 帅, 陈 甦, 高青海, 刘慧敏, 王向向

(安徽科技学院 农学院,安徽 凤阳 233100)

西瓜(CitrulluslanatusL.)是一年生葫芦科西瓜属蔓生作物[1],在世界各国广泛种植,是夏季降温解暑的重要水果型蔬菜之一[2-3]。在温室效应不断加剧的大背景下,高温这一环境因子对农业生产和发展的影响愈加明显[4]。近年来,大棚西瓜因经济效益好,种植面积逐年增加,但夏季大棚内温度高达40 ℃以上,极端高温可达45 ℃,严重影响西瓜的生长发育,降低产量和品质。前人在玉米[5]、黄瓜[6]、番茄[7]、甜瓜[8]等植物耐高温方面做了大量研究,提出耐高温鉴定方法和指标,为耐高温品种筛选提供了方法。不同作物在耐高温方面的响应不同,所以评价作物耐高温与否,需要选择科学、准确、有效的方法和科学指标来进行评价[9]。因此,前人在研究作物耐高温方面多采用生理指标和生物量指标进行综合评价的方法[10-11]。为满足市场需求,西瓜新品种越来越多,因此有必要筛查出耐热品种并建立西瓜耐热指标体系。本试验选用生产中常用的10个西瓜品种作为试验材料,探讨在设施高温环境下,西瓜苗期生长、生理和热害等指标的变化情况,采用相关性分析、主成分分析、聚类分析等对10个品种西瓜苗期的耐高温特性进行综合性评价,初步筛选出耐高温的西瓜品种,并建立西瓜苗期耐热评价体系,为西瓜耐热品种筛选提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验所用的10个西瓜品种由安徽科技学院农学院西瓜课题组提供,各品种名称及产地见表1。

表1 供试西瓜品种的生物特性

1.2 试验方法

试验于2022年6—10月在安徽科技学院种植园5号大棚内进行。采用32孔穴盘进行育苗,将穴盘放置在光照培养箱中,温度设置为 30 ℃/20 ℃,光周期为14 h/10 h,相对湿度为70%～80%。待西瓜幼苗长至四叶一心时,每品种选择20株长势整齐的西瓜幼苗,重复3次,7月份高温季节置于大棚内进行处理,通过控制通风口使大棚温度在08:00～18:00维持在39～43 ℃,营造高温胁迫环境,用温度计记录大棚内温度变化情况(图1)。对照组继续置于光照培养箱中进行培养。10 d后每个处理随机取10株西瓜幼苗测定形态和生理指标。

1.3 项目测定及分析方法

在高温处理10 d后,从每个西瓜品种中各选取1株幼苗,处理干净泥土、水渍,测定相关指标。

1.3.1 热害指数 热害分级标准:0级,无热害症状;1级,1～2片1/2叶变黄;2级,3～4片叶变黄;3级,1～2片叶萎蔫;4级,整株萎蔫。热害指数=∑(各级株数×株数)/(最高级数×总株数)[12]。

1.3.2 株高 用直尺测定根茎处到生长点的距离。

1.3.3 地上部和地下部鲜质量测定 用万分之一天平进行称量。

1.3.4 生理指标测定 西瓜幼苗叶片SOD活性、POD活性、CAT活性分别采用氮蓝四唑(NBT)还原法[13]、愈创木酚显色法[14]、硫代巴比妥酸法[15]测定。

1.3.5 隶属函数值X(μ)X(μ)=(X-Xmin) /(Xmax-Xmin)。其中,X表示某一综合指标值;Xmax表示该指标的最大值;Xmin表示该指标的最小值[16]。

1.4 数据处理

各指标相对值等于各指标高温胁迫条件下数值/对照条件下数值。采用 Excel 2010 和 SPSS 27. 0 软件处理数据。

2 结果与分析

2.1 西瓜苗期热胁迫下各指标相对值

统计和对照高温胁迫下西瓜的形态、生理、热害指标,并计算相对值(表2)。

表2 西瓜苗期热胁迫下各指标的相对值

从表2可以发现,高温胁迫下西瓜苗期各指标差异很大,并且13个指标的相对值均不高于1,说明高温胁迫阻碍了西瓜植株的生长发育。10个西瓜品种苗期的同一个相对指标值也有较大变化,10号西瓜品种苗期相对株高、茎粗、地上部鲜质量、根系鲜质量、地上部干质量、根系干质量、根冠比、壮苗指数、根系活力、POD活性、CAT活性最大,分别为0.89、0.54、0.83、0.46、0.47、0.63、0.75、0.38、0.84、0.54、0.64;9号西瓜品种幼苗相对SOD活性最大,为0.55;3号西瓜幼苗相对热害指数最大,为0.87;1号相对茎粗、地上部鲜质量、根系鲜质量、地上部干质量、根系干质量、根冠比最小,分别为0.30、0.22、0.08、0.15、0.18、0.25;4号相对株高、壮苗指数最小,分别为0.31、0.17;3号相对根系活力、POD活性、CAT活性最小,分别为0.15、0.20、0.32;7号相对SOD活性最小,为0.18;10号相对热害指数最小,为0.30。由此可见,不同品种西瓜苗期适应高温胁迫的程度也有所不同。

2.2 西瓜苗期相对指标的相关性分析

对 10 个西瓜幼苗高温胁迫后13个相对指标进行相关性分析,各变量间的相关系数见表3。从表3中可以看出,少数指标之间不存在显著相关关系,其余指标之间均存在显著或极显著相关关系。其中相对热害指数和相对株高之间呈显著负相关性;相对热害指数和相对根系活力、相对CAT活性之间都呈极显著负相关性;相对株高和相对地下部干质量、相对CAT活性等均呈显著相关性;相对株高和相对茎粗、相对地上部鲜质量等呈极显著正相关性。为了更好地研究西瓜苗期生长发育受高温胁迫的影响,需要对变量进行主成分分析。

表3 变量间的相关系数

2.3 西瓜苗期耐高温胁迫主成分分析

表4为13个指标相对值的主成分分析。由表4可知,通过计算得到的3个主成分的累计贡献率大于85%,达到89.281%,说明前面的13个指标通过这3个综合指标展现出89.281% 的信息,为了方便运算,用 P1、P2和P3这3个综合指标替代前面的13个单项指标。其中 P1中株高、P2中根冠比、P3中热害指数特征向量最大,分别是 0.945、0.873和0.514,说明 这3个主成分主要与株高、根冠比和热害指数相关。

表4 各主成分的相关指标

2.4 西瓜苗期耐高温胁迫的综合评价

通过各指标的指标系数和各单项指标的相对值求出10个西瓜品种的综合指标值CI(表5)。10个西瓜品种各综合指标的隶属函数值(μ)、权重(ωj)、综合评价值(D)见表5。

表5 西瓜品种苗期耐高温的综合评价

表5中,D为10份西瓜苗期耐高温综合评价值,该值是在高温胁迫下用综合指标评价求得。通过表中D值的不同,排列出10个西瓜品种对高温胁迫耐受程度的高低,其中‘金玉玲珑’D值最小,表明‘金玉玲珑’耐高温胁迫能力最弱,‘西农八号’D值最大,表明‘西农八号’耐高温胁迫能力最强(表5)。通过D值的不同进行聚类分析(图2),可以发现,10个西瓜品种苗期耐高温胁迫强弱分为3类,1号和4号属于第一类,为苗期热敏感型西瓜;10号属于第二类,为苗期耐热型西瓜;剩余7种属于第三类,为苗期中等耐热型西瓜。

图2 10个西瓜材料幼苗期耐高温胁迫聚类图Fig.2 Cluster diagram of high temperature resistance stress of ten watermelon materials at seedling stage

2.5 耐高温指标的筛选

10份西瓜品种耐热综合评价值为因变量,其单项指标的相对值为自变量,运用逐步回归分析法得到最优回归方程为:

D=-0.90+0.476X3+1.266X4

其中,X3代表相对地上部鲜质量,X4代表相对地下部鲜质量,方程决定系数R2=0.984,按照共线性统计VIF值为2.283,小于10,说明不存在多重共线性。由该方程可知,相对地上部鲜质量和地下部鲜质量2个指标对西瓜幼苗期耐高温胁迫有显著影响,因此,这2个指标可以作为鉴定西瓜苗期耐热性关键指标,以简化西瓜苗期耐热鉴定工作。运用上述方程求得的10个西瓜品种苗期的耐高温胁迫VP值与D值之间的相关系数为 0.992,呈极显著正相关,表明此方程对西瓜苗期耐热性的预测效果较好,且准确性较高。

3 结论与讨论

高温胁迫已经成为危害植物生长和发育的主要非生物逆境之一。高温胁迫破坏了植物体内的养分平衡,同时植物吸取和转运其它营养元素也遭到不同程度的遏制,植株细胞内各种离子浓度受到了极大的改变,细胞的膜结构完整性遭到了严重的破坏,酶的活性功能显著降低[17-20],造成脂质过氧化伤害[21],严重影响了作物产量,缩短了植物的生命周期,加速了植物的衰老[22]。植物的光合作用在高温胁迫下也会受到显著的影响[23]。本试验发现,10个西瓜品种对高温胁迫影响给出了不同的反馈。聚类分析结果显示,10个西瓜品种苗期的耐高温胁迫强弱不同,其中‘金玉玲珑’和‘特小凤’苗期耐高温胁迫能力较弱,‘西农八号’苗期耐高温胁迫能力最强,剩余7个西瓜品种苗期耐高温胁迫能力中等。

根系是植物吸收、转运矿质元素和水分的主要器官,同时根系也参与植物体一系列的相关代谢[24]。对植物根系生长具有重要作用的环境因子就是土壤温度,土壤高温则抑制植株根系生长,改变分散在土壤中的根系和根系在土壤中的生长形态。与常温处理相比养分的积累也有明显的下降。程智慧等[25]对黄瓜的研究结果表明,子叶鲜质量、活力指数可以作为黄瓜苗期耐高温鉴定指标;林锦英等[26]对节瓜的试验发现,叶片萎蔫指数、相对电导率和胚根生长速度等可以作为其苗期耐高温鉴定指标。对于茄子耐高温的筛选,李威等[27]提出的鉴定指标是细胞膜相对电导率、脯氨酸含量、MDA及热害指数。对于速生白菜材料耐高温的筛选,庞强强等[28]提出的鉴定指标是活力指数、芽长和根长。本研究结果表明,受高温胁迫影响较大的是西瓜根系的生长。通过分析、对比和剔除,舍去高温胁迫条件下对西瓜苗期生长发育耐受性影响略小的一些指标,获得西瓜苗期耐热性方程,表明在西瓜苗期耐高温胁迫鉴定中,相对根系鲜质量和相对地上部鲜质量可作为重要鉴定指标。这可能是由于不同作物种类对高温胁迫响应不同,西瓜作物较耐热。基于耐高温胁迫的繁琐性,对于试验获得的指标能否科学、准确、有效地鉴定西瓜其它生长发育阶段甚至全生育阶段的耐热性,还有待进一步的研究与探讨。