辛亞軍 陳思謹 邵發(fā)琦 王騁臻 周彬 陳麗妍 李金霞 孫小妹

摘? ? 要： 為了明確參試西瓜材料的抗旱性強弱及抗旱機制，采用盆栽控水試驗?zāi)M干旱脅迫，研究干旱脅迫對4個西瓜品種幼苗期的形態(tài)、生理特性的影響，利用隸屬函數(shù)法比較參試材料的抗旱性強弱。結(jié)果表明，干旱脅迫下，除‘金城5號外其他3個品種的MDA含量顯著上升。水分虧缺時可溶性糖含量在4個品種中顯著增加，其中‘金城5號的絕對值顯著高于其他3個品種;可溶性蛋白在‘甜籽1號‘金城5號和‘sweet crimson中顯著上升，在‘京欣二號中變化不顯著。分析滲透調(diào)節(jié)物的結(jié)果表明，在‘甜籽1號和‘sweet crimson中，可溶性蛋白是應(yīng)對干旱脅迫的主要滲透物質(zhì);‘京欣二號中可溶性糖較可溶性蛋白的滲透調(diào)節(jié)作用要強;‘金城5號中可溶性糖和可溶性蛋白均在滲透調(diào)節(jié)過程中起作用。水分脅迫下4個品種的光合速率顯著下降，胞間CO2濃度顯著上升;除‘金城5號外，其他3個品種的蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和整株生物量顯著下降，表明‘甜籽一號‘京欣二號和‘sweet crimson的光合速率隨水分虧缺下降的內(nèi)在原因為非氣孔限制;‘金城5號胞間CO2濃度的升高和光合速率的下降，是葉肉細胞的光合活性減弱的結(jié)果。利用隸屬函數(shù)法綜合比較發(fā)現(xiàn)，‘金城5號的抗旱性強于其他3個品種。

關(guān)鍵字： 西瓜;干旱脅迫;生理響應(yīng);抗旱性

Drought resistance characteristics of different watermelon varieties at seedling stage

XIN Yajun1， CHEN Sijin2， SHAO Faqi1， WANG Chengzhen1， ZHOU Bin1， CHEN Liyan1， LI Jinxia1， SUN Xiaomei1

（1. School of Resource and Environmental Sciences， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， Gansu， China; 2. Collage of Life Science and Technology， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， Gansu， China）

Abstract： In order to clarify the drought tolerance and mechanism of pot-grown four watermelon varieties faced with water deficiency， the influence of drought stress on their morphological and physiological indexes was studied. Drought resistance of these watermelon varieties was preliminarily confirmed by membership function evaluation method. The results showed that， except for ‘Jincheng No. 5， the concentrations of MDA increased with increasing drought stress in other three varieties. Soluble protein content significantly increased in ‘Tianzi No. 1 and ‘Jincheng No. 5 following water deficiency， while drought stress had no significant effect on soluble protein content in ‘Jingxin No. 2. Soluble sugar content significantly increased with increasing water stress in four watermelon varieties. Except for ‘Jincheng No. 5， transpiration rate， stomatal conductance and biomass of per plant decreased with increasing water deficiency in other three varieties， suggesting that non-stomatal limitation contribute to decreasing physiological rate and increasing intercellular CO2 concentration. Increased photosynthetic activity of mesophyll cells was the reason for increasing intercellular CO2 concentration and decreasing photosynthetic rate in ‘Jincheng No. 5 under water stress. The result of membership function evaluation method showed that the drought resistance of ‘Jincheng No. 5 was stronger than other three varieties.

Key words： Watermelon; Drought stress; Physiological response; Drought tolerance

西瓜（Citrullus lanatus）屬葫蘆科一年生草本植物，是世界上重要的經(jīng)濟作物[1]。我國是世界上大面積種植西瓜的國家之一，產(chǎn)量、銷量居于世界首位。因此，西瓜產(chǎn)業(yè)可謂是我國具有較強國際競爭力和較大經(jīng)濟增長空間的重要園藝產(chǎn)業(yè)之一[2]。旱砂田是西北干旱半干旱地區(qū)一種特殊的耕作模式，然而近年來旱災(zāi)頻發(fā)，嚴重制約著旱砂田西瓜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。據(jù)相關(guān)資料所知，目前推廣的西瓜品種多是在灌溉條件下選育，難以適應(yīng)西瓜抗旱栽培的需要。國內(nèi)針對砂田等旱作條件的專用西瓜品種只有‘隴抗九號‘寧農(nóng)科三號等少數(shù)幾個，因此，選育西瓜抗旱品種不但至關(guān)重要而且十分迫切[3]。

1996年楊安平等[4]基于持續(xù)干旱對引種的非洲野生西瓜材料展開了最初研究，現(xiàn)如今在國家現(xiàn)代西瓜甜瓜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的支持下人們展開了大量關(guān)于不同西瓜基因型對干旱脅迫響應(yīng)及其抗旱性評價的研究。雖然已經(jīng)鑒定了一些種質(zhì)資源，但是在旱砂田中推廣的品種甚少，加之之前的研究由于材料特性、水分控制梯度、地理位置差異等因素，關(guān)于西瓜材料抗旱特性的研究還需更多的實證[5]。

植物在適應(yīng)外界環(huán)境過程中，葉片是對環(huán)境較敏感且可塑性強的植物器官[6]，較高的葉片可塑性常與植物對環(huán)境具有較高的潛在適應(yīng)能力緊密聯(lián)系[7]。其次抗旱性是一個受多基因控制的復(fù)雜性狀，單一指標(biāo)難以全面準確地反映抗旱性強弱。因此，筆者采用盆栽控水試驗，比較4個西瓜品種幼苗期葉片的形態(tài)和生理指標(biāo)對干旱脅迫的響應(yīng)特征，探究這4份西瓜材料對干旱脅迫響應(yīng)的內(nèi)在機制，為西瓜的抗旱品種改良和耐旱機制研究提供理論參考，以促進我國西北干旱、半干旱地區(qū)旱砂田西瓜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料分別為‘金城5號（甘肅省蘭州市種子管理站育成）、‘甜籽一號（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)育成的保健籽瓜新品系）、‘京欣二號（北京市蔬菜研究中心育成）和 ‘sweet crimson（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)保存的資源）。

1.2 方法

采用隨機區(qū)組設(shè)計，在15 cm×8 cm×20 cm的盆中裝4 kg培養(yǎng)基質(zhì)（V蛭石︰V珍珠巖=3︰1），先測得培養(yǎng)基質(zhì)的最大持水量，按其最大持水量的百分數(shù)控水：80%～85%（CK）、60%～65%（輕度脅迫）、40%～45%（中度脅迫）。于2016年4月初播種，用塑料薄膜封盆口，減少水分散失，每品種5盆，1盆4株，3次重復(fù)，定期澆灌1/2 Holgland營養(yǎng)液。事先確定各花盆的飽和質(zhì)量，計算出各處理達到設(shè)定含水量時的花盆總質(zhì)量，每日16：00稱每盆質(zhì)量并補水，補水至事先設(shè)定的最大質(zhì)量。待到4葉1心期開始處理，在第3天測定丙二醛、可溶性糖與可溶性蛋白含量，第5天測定光合特性，第15天測定整株生物量。

1.3 指標(biāo)測定與方法：

丙二醛（MDA）含量的測定參照李合生《植物生理生化試驗技術(shù)與方法》[8];可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法[8];可溶性蛋白含量的測定采用考馬斯亮藍G-250法[8]。

選擇在晴天9：00—11：30用便攜式光合測定系統(tǒng)CIRAS-2同步測定功能葉片氣體交換參數(shù)。每個處理選擇5株長勢相近的植株，選取每株同一節(jié)位的1片功能葉片，每個葉片記錄5組穩(wěn)定數(shù)據(jù)，每個處理3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

隸屬函數(shù)DM=（DC-Dmin）/（Dmax-Dmin），DC為指標(biāo)測定值，Dmax為指標(biāo)最大值，Dmin為指標(biāo)最小值。數(shù)據(jù)處理及圖表繪制采用Microsoft Excel 2007和SPSS 22.0，方差分析采用Duncan 多重比較法比較不同處理間和品種間對水分處理的差異性響應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對西瓜苗期葉片丙二醛含量的影響

由圖1可知，正常灌水條件下（CK），‘金城5號的MDA含量明顯高于其他3個品種，分別高42.7%、60.9%和58.6%。與對照相比，除‘金城5號外，其他3個品種的MDA含量隨著水分脅迫程度的加劇而顯著增加，但在輕度和中度水分脅迫之間MDA含量差異不顯著。與對照相比，在輕度和中度水分脅迫條件下，‘甜籽1號‘金城5號‘京欣二號‘sweet crimsonMDA含量的增幅分別為38.1% 和 29.2% 、-9.7%和-8.6% 、66.2%和64.7%、64.9%和63.7% 。結(jié)果表明，‘京欣二號和‘sweet crimson的葉片丙二醛含量對水分虧缺響應(yīng)的敏感度要大于‘甜籽一號和‘金城5號，即‘金城5號抗旱性較強，其次為‘甜籽1號，‘京欣二號和‘sweet crimson抗旱性相對較弱。

2.2 干旱脅迫下西瓜苗期葉片滲透調(diào)節(jié)對物質(zhì)含量的影響

2.2.1 水分脅迫下葉片可溶性蛋白含量的變化 由圖2可知，在對照處理下，‘京欣二號的可溶性蛋白含量明顯高于‘甜籽一號和‘金城5號，‘京欣二號的可溶性蛋白含量分別比‘甜籽1號‘金城5號和‘sweet crimson高26%、24.5%和20.9%。與對照相比，在輕度和中度水分脅迫條件下，‘甜籽1號‘金城5號‘京欣二號‘sweet crimson的可溶性蛋白含量的增幅分別為 34.4% 和21.6%、31.8% 和23.1%、-13.2% 和 -26.1%、29.1%和18.1%，表明葉片可溶性蛋白含量對水分虧缺響應(yīng)的敏感度為‘甜籽1號>‘金城5號>‘sweet crimson>‘京欣二號，即遭遇水分虧缺時可溶性蛋白作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在‘甜籽1號‘金城5號和‘sweet crimson中應(yīng)對干旱脅迫時起作用，但是對‘京欣二號而言，起滲透調(diào)節(jié)作用的是其他物質(zhì)。

2.2.2 水分脅迫下葉片可溶性糖含量的變化 由圖3可知，正常灌水條件下（CK），4個品種的可溶性糖含量差異不明顯。隨著水分脅迫程度加重，‘京欣二號葉片可溶性糖含量顯著增加，‘金城5號的先顯著增加后降低，‘甜籽1號和‘sweet crimson可溶性糖含量在輕度和中度脅迫條件下差異不顯著。與對照相比，在輕度和中度水分脅迫條件下，‘甜籽1號‘金城5號‘京欣二號‘sweet crimson的可溶性糖含量的增幅分別為76.9%和80.9%、91.3%和88.3%、74.4%和88.8%、64.8%和71.7%，結(jié)果表明，可溶性糖含量在‘金城5號中的增幅最大，即可溶性糖在‘金城5號中起滲透調(diào)節(jié)的作用要高于其他品種。對‘京欣二號而言，在滲透調(diào)節(jié)過程中可溶性糖較可溶性蛋白的作用要強。

2.3 干旱脅迫對西瓜苗期葉片的光合參數(shù)的影響

2.3.1 不同水分條件對西瓜苗期葉片光合速率的影響 如圖4所示，正常灌水條件下（CK），各品種葉片光合速率為‘京欣二號>‘金城5號≥‘甜籽1號>‘sweet crimson;在中度水分脅迫條件下，‘金城5號和‘京欣二號的光合速率明顯高于其他2個品種?！畇weet crimson的光合速率隨水分虧缺加劇顯著下降，而‘京欣二號‘金城5號和‘甜籽1號的光合速率則先降低后升高，但均顯著低于對照。與對照相比，水分脅迫使4個參試品種的葉片光合速率顯著下降，降幅分別為87.21%、72.50%、76.20%、40.73%（輕度脅迫）和67.32%、47.12%、66.28%、85.99%（中度脅迫）。

2.3.2 不同水分條件對西瓜苗期葉片蒸騰速率的影響 由圖5可知，4個品種在正常灌水條件下的蒸騰速率分別為‘京欣二號>‘金城5號≥ ‘sweet crimson>‘甜籽1號。除‘金城5號外，其他3個品種的蒸騰速率在水分虧缺時均有不同程度的下降，其中尤以‘京欣二號的降幅最大，降幅分別為59.4%（輕度脅迫）和48.7%（中度脅迫），其次是‘sweet crimson，降幅分別為36.17%（輕度脅迫）和37.77%（中度脅迫），大于‘甜籽1號和‘金城5號。

2.3.3 不同水分條件對西瓜苗期葉片胞間CO2濃度的影響 由圖6可知，對照水平下各品種的胞間CO2濃度為‘sweet crimson>‘京欣二號>‘金城5號>‘甜籽1號;在輕度和中度脅迫條件下，各品種的胞間CO2濃度為‘sweet crimson>甜籽1號>‘金城5號>‘京欣二號。隨水分虧缺加劇，除‘sweet crimson胞間CO2濃度顯著上升外，其他品種都是先上升后下降，但是總體上都顯著大于對照，輕度脅迫時達到最大值。

2.3.4 不同水分條件對西瓜苗期葉片氣孔導(dǎo)度的影響 由圖7可知，氣孔導(dǎo)度決定植物CO2的吸收以及水分的蒸騰，由于品種特性差異，在水分脅迫下氣孔張開程度不盡相同。在正常灌水條件下（CK），品種間的葉片氣孔導(dǎo)度大小依次為：‘京欣二號>‘金城5號>‘sweet crimson>‘甜籽1號。隨水分脅迫加劇，‘sweet crimson的氣孔導(dǎo)度顯著下降，‘甜籽1號和‘京欣二號先下降后上升，‘金城5號則表現(xiàn)為先上升后下降。與對照相比，‘甜籽1號‘金城5號‘京欣二號和‘sweet crimson在輕度和中度脅迫下的降幅分別為36.17%、-30.96%、57.72%、15.37%和-22.33%、-4.57%、47.29%、21.53%，其中‘京欣二號的降幅要大于‘sweet crimson和‘甜籽1號。

2.4 水分脅迫下植株生物量的變化

由圖8可知，在正常灌水處理和中度水分脅迫條件下，各品種單株生物量為‘甜籽1號>‘金城5號>‘京欣二號> ‘sweet crimson。在輕度和中度水分脅迫下，‘金城5號的單株生物量在各處理間變化差異不顯著，‘甜籽1號‘京欣二號和‘sweet crimson的單株生物量的降幅分別為8.3%和31.3%、23.2%和34.4%、5.5%和43.9%，表明3者的單株生物量對水分虧缺的響應(yīng)更為敏感。

2.5 參試材料的抗旱性綜合評價

由表1可知，同一品種在不同指標(biāo)上變化不一致，作物抗旱性不是由單一指標(biāo)決定，而是多個指標(biāo)共同作用的結(jié)果。通過應(yīng)用隸屬函數(shù)法對4個參試西瓜品種抗旱性強弱進行綜合評價，在輕度脅迫下抗旱性大小順序為：‘金城5號>‘sweet crimson>‘京欣二號>‘甜籽1號，在中度脅迫下抗旱性大小順序為：‘金城5號>‘甜籽1號>‘京欣二號>‘sweet crimson。表明‘金城5號的綜合抗旱性要強于其他3個品種。

3 討論與結(jié)論

植物遭遇水分虧缺時，往往發(fā)生膜脂過氧化，丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的最終分解產(chǎn)物，其含量可以反映植物遭受逆境傷害的程度。本研究結(jié)果表明，水分脅迫下4個參試品種的MDA含量有不同程度的增加（圖1）。這與邵艷軍等[9]的研究結(jié)果一致，在干旱脅迫下MDA含量迅速上升?！┬蓝柡汀畇weet crimson的葉片MDA含量對水分虧缺響應(yīng)的敏感度要高于其他2個品種，表明這2個品種的抗旱性相對較弱。

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的增加是植物應(yīng)對水分脅迫初期主要的生理代謝過程，無機離子（K+、Na+、NO3-、Ca2+、Mg2+）[10-11]和有機溶質(zhì)（可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、甜菜堿）[12-13]等物質(zhì)含量在滲透調(diào)節(jié)過程中會呈不同比例的改變。本試驗結(jié)果表明，水分脅迫下，4個參試品種的可溶性糖和可溶性蛋白含量都有不同程度的增加，以應(yīng)對水分虧缺對西瓜幼苗的傷害。張凱等[14]在水分脅迫下對春小麥品種‘和尚頭‘寧春4號和‘西旱2號的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸）的研究發(fā)現(xiàn)，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對干旱脅迫的響應(yīng)有主次之分，同一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在不同春小麥品種中抵御干旱脅迫的貢獻率是不同的。筆者也發(fā)現(xiàn)可溶性蛋白作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在‘甜籽1號‘金城5號和‘sweet crimson中應(yīng)對干旱脅迫時起作用，對‘京欣二號而言，在滲透調(diào)節(jié)過程中可溶性糖較可溶性蛋白的作用要強。

光合特性是植物適應(yīng)環(huán)境最重要的特征和物質(zhì)積累代謝的基本單元，會影響作物生產(chǎn)過程中的水分和光能利用效率，是決定植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)和干物質(zhì)生產(chǎn)量以及經(jīng)濟產(chǎn)量高低的決定性因素[15]。大量研究表明，植物在水分脅迫條件加劇的情況下，蒸騰速率和凈光合速率下降[16-17]，這與本試驗得出的結(jié)果一致。在本試驗中，‘甜籽一號‘京欣二號和‘sweet crimson在輕度干旱脅迫時表現(xiàn)為：氣孔導(dǎo)度變小，光合速率下降，胞間CO2濃度升高，表明這3個品種的光合速率隨水分虧缺下降的內(nèi)在原因為非氣孔限制;‘金城5號在輕度水分脅迫時氣孔導(dǎo)度較對照顯著上升，相對應(yīng)的是光合速率下降和胞間CO2濃度的升高，‘金城5號為氣孔限制;胞間CO2濃度和光合速率間的這種負相關(guān)關(guān)系主要是葉肉細胞的光合活性減弱的結(jié)果[18]。

綜上所述，‘甜籽一號和‘金城5號葉片MDA含量對水分虧缺響應(yīng)的敏感度要低于‘京欣二號與‘sweet crimson，表明‘甜籽一號和‘金城5號的抗旱性相對較強。在‘甜籽1號和‘sweet crimson中，可溶性蛋白是應(yīng)對干旱脅迫起的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì);在‘京欣二號中，在滲透調(diào)節(jié)過程中可溶性糖較可溶性蛋白的作用要強;‘金城5號的可溶性糖和可溶性蛋白均在滲透調(diào)節(jié)過程中起作用?！鹱岩惶枴┬蓝柡汀畇weet crimson這3個品種的光合速率隨水分虧缺下降的內(nèi)在原因為非氣孔限制;‘金城5號胞間CO2濃度的升高和光合速率的下降，是葉肉細胞的光合活性減弱的結(jié)果。利用隸屬函數(shù)綜合比較，‘金城5號的抗旱性強于其他3個品種。

參考文獻

[1] 史聯(lián)聯(lián)，尚鵬輝.旱地西瓜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效栽培技術(shù)探討[J].西北園藝，1999，24（3）：31-32.

[2] 包文風(fēng)，王吉明，尚建立，等.西瓜甜瓜質(zhì)量性狀的分子標(biāo)記與定位研究進展[J].植物遺傳資源學(xué)報，2009，10（3）：480-485.

[3] ZHANG H，GONG G，GUO S，et al.Screening the USDA watermelon germplasm collection for drought tolerance at the seedling stage[J].HortScience，2011，46（9）：1245-1248.

[4] 楊安平，王鳴，安賀選.非洲西瓜材料苗期抗旱性研究[J].中國西瓜甜瓜，1996，9（1）：6-9.

[5] 莫言玲，鄭俊鶱，楊瑞平，等.不同西瓜基因型對干旱脅迫的生理響應(yīng)及其抗旱性評價[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2016，27（6）：1942-1952.

[6] 李翠，程明，唐宇丹，等.青藏高原2 種柳屬植物葉片解剖結(jié)構(gòu)和光合特征的比較[J].西北植物學(xué)報，2009，29（2）：275-282.

[7] VALLADARES F，WRIGHT SJ ，LASSO E.Plastic phenotypic response to light of 16 congeneric shrubs from a Panamanian rainforest[J].Ecology，2000，81（7）：1925-1936.

[8] 李合生.植物生理生化試驗技術(shù)與方法[M].北京：高等教育出版社，2000：164-261.

[9] 邵艷軍，山侖.植物耐旱機制研究進展[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2006，76（4）：16-20.

[10] ALDESUQUY S，ABBAS A，ABOHAMED A，et al.Does glycine betaine and salicylic acid ameliorate the negative effect of drought on wheat by regulating osmotic adjustment through solutes accumulation[J].Journal of Stress Physiology & Biochemistry，2013，9（3）：6-22.

[11] NIO A，CAWTHRAY R，WADE J，et al.Pattern of solutes accumulated during leaf osmotic adjustment as related to duration of water deficit for wheat at the reproductive stage[J].Plant Physiology & Biochemistry，2011，49（10）：1126-1137.

[12] BARCIA A，PENA B，ZAWOZNIK S，et al.Osmotic adjustment and maintenance of the redox balance in root tissue may be key points to overcome a mild water deficit during the early growth of wheat[J].Plant Growth Regulation，2014，74（2）：107-117.

[13] KONIGSHOFER H.& LOPPERT H G.Regulation of invertase activity in different root zones of wheat （Triticum aestivum L.） seedlings in the course of osmotic adjustment under water deficit conditions[J].Journal of Plant Physiology，2015，183：130-137.

[14] 張凱.不同抗旱性春小麥品種資源利用效率及其權(quán)衡[D].蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[15] CJEN W，GONG L，GUO Z L，et al.A novel integrated method for large-scale detection，identification，and quantification of widely targeted metabolites：application in the study of rice metabolomics[J].Molecular Plant，2013，6（6）：1769-1780.

[16] 柯世省.干旱脅迫對夏蠟梅光合特性的影響[J].西北植物學(xué)報，2007，32（6）：1209-1215.

[17] 李磊，賈志清，朱雅娟，等.我國干旱區(qū)植物抗旱機理研究進展[J].中國沙漠，2010，30（5）：1053-1059.

[18] 陳根云，陳娟，許大全.關(guān)于凈光合速率和胞間CO2濃度關(guān)系的思考[J].植物生理學(xué)通訊，2010，46（1）：64-66.