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标题

不同CaCl2浓度对低温胁迫下豇豆幼苗生理指标的影响

范文

向娟　潘绍坤　鲁荣海　吴传秀　林立金　曹艺兰　钟莉莎　陈玲

摘? ? 要：为研究CaCl2对蔬菜低温胁迫的缓解效应，以豇豆幼苗为试验材料，在10 ℃低温处理条件下用不同浓度（0、5、10、20、40 mmol·L-1）CaCl2喷施豇豆幼苗叶片。结果表明，喷施CaCl2能普遍提高豇豆幼苗生物量、相对含水量、光合色素含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量及抗氧化酶活性，降低其相对电导率及丙二醛含量。且10 mmol·L-1 CaCl2处理后，豇豆幼苗各部分生物量、光合色素含量达到最大，超氧化物岐化酶活性较对照增加99.6%、过氧化氢酶活性较对照增加29.49%，且相对电导率、丙二醛含量分别较对照降低62.07%、36.15%。因此，CaCl2能够缓解低温胁迫对豇豆生理生态的影响，且浓度为10 mmol·L-1的CaCl2效果最好。

关键词：豇豆幼苗; CaCl2; 低温胁迫; 生理生态

Effect of different concentrations of CaCl2 on physiological characteristics of cowpea seedlings under low temperature

XIANG Juan1， PAN Shaokun1， LU Ronghai1， WU Chuanxiu2， LIN Lijin3， CAO Yilan4， ZHONG Lisha4， CHEN Ling1

（1. Institute of Horticulture， Chengdu Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Chengdu 611130， Sichuan， China; 2. Agricultural Department of Sichuan Province， Chengdu 610041， Sichuan， China; 3. Institute of Pomology and Olericulture， Sichuan Agricultural University， Chengdu 611130， Sichuan， China; 4. College of Horticulture， Sichuan Agricultural University， Chengdu 611130， Sichuan， China）

Abstract： In order to study the alleviation effect of different concentrations of CaCl2 on physiological characteristics of cowpea seedlings under low temperature. The leaves of cowpea seedlings were foliage sprayed with different concentrations （0， 5， 10， 20， 40 mmol·L-1） of CaCl2 under low temperature treatment （10 ℃）. The results showed that the biomass， relative water content， photosynthetic pigment content， proline content， soluble sugar content and the activities of antioxidant enzymes of cowpea seedlings were all increased after foliage spraying with CaCl2， the relative conductivity and malondialdehyde content of cowpea seedlings were decreased.? The biomass and content of photosynthetic pigment reached the maximum under 10 mmol·L-1 CaCl2 concentration treatment， compared with the control， the activity of superoxide dismutase increased 99.6%， the catalase activity increased 29.49%， the relative conductivity and malondialdehyde content decreased 62.07%， 36.15% respectively. In conclusion， 10 mmol·L-1 CaCl2 showed the best? alleviation effect on the cowpea seedlings under low temperature.

Key words： Cowpea seedlings; CaCl2; Low temperature stress; Physiology

我國初春季节常有“倒春寒”发生，低温胁迫是自然界主要的非生物胁迫之一，是限制作物产量和品质的重要因素。低温对植物的不可逆伤害首先体现在生物膜系统类脂分子的相变上，低温能改变细胞膜的流动性，而细胞膜的流动性与植物抗寒性密切相关[1-3]。低温胁迫造成的细胞膜损伤可能与自由基和活性氧引起的膜脂过氧化和蛋白质破坏有关[4-5]。同时，低温也能影响植物光合作用、呼吸作用，其原因主要是低温胁迫导致叶绿体和类囊体双层膜结构的完整性丧失[6]。目前，利用外源Ca2+提高作物抗寒性已成为一种新的趋势[7-10]，Ca2+作为一个主要的第二信使，有防止细胞膜损伤和渗漏、稳定膜结构以及维持膜完整性的作用，在植物对逆境的适应调节中起着重要作用[9， 11]。豇豆原产于亚热带地区，耐热性强而不耐低温，植株生长的适宜温度为15～30 ℃[12]，低温常常导致豇豆种苗无法正常发育甚至死亡，对豇豆的高效生产造成巨大影响。喷施外源氯化钙（CaCl2）为缓解豇豆低温胁迫提供了新途径，但目前外源Ca2+对低温胁迫下蔬菜生理生态影响的研究主要集中在番茄上[9-10， 13-14]，而CaCl2应用于豇豆的抗冷研究还未见报道。因此，笔者在低温胁迫下，研究喷施不同浓度CaCl2对豇豆幼苗生理生态的影响，探讨CaCl2增强豇豆抗寒性的最适浓度，为应用CaCl2作为外源调节物质，增强蔬菜抗寒性提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为豇豆新材料‘7104，由成都市农林科学院园艺研究所提供。

1.2 方法

试验于2018年3—6月在成都市农林科学院园艺研究所培养室进行试验。选取粒大、饱满、大小一致的种子，用2 %次氯酸钠消毒15 min后，播种到营养钵（V营养土∶V蛭石=1∶1）中，置于人工气候箱（25 ℃，相对湿度85%）中育苗。待豇豆幼苗长到2叶1心时，选取无病虫害、健壮、生长势均一的幼苗每30株为1组，共5组置于气候箱中进行低温处理：白天（10±0.5）℃，夜晚（5±0.5） ℃，光照/暗各12 h，光照度为200 μmol·m-2·s-1 [15]，各处理每天分别用0（CK）、5、10、20、40 mmol·L-1的CaCl2进行叶面喷施处理1次（以叶面凝成水滴，又不滴下為准），每个处理重复3次。低温处理9 d后测定幼苗各部分（根、茎、叶）生物量、根冠比、各部分相对含水量;从上往下数第3片（成熟叶片）的光合色素（叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素）含量、抗氧化酶（SOD、POD和CAT）活性、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量、相对电导率及丙二醛含量。

1.3 测定指标与方法

生物量用天平称量，相对含水量采用烘干法测定[16]，光合色素（叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素）含量采用乙醇-丙酮比色法测定[17]。SOD活性采用氮蓝四唑法测定[18]，POD活性采用愈创木酚比色法测定[17]，CAT活性采用高锰酸钾滴定法测定[17]。可溶性蛋白含量采用考马斯亮兰G-250法测定[19]，脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法测定[17]，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[18]，相对电导率用电导率仪测定[17]，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法测定[17]。

1.4 数据处理

试验数据用SPSS 22.0软件进行数据分析，Microsoft Excel 2013软件绘制图表。根冠比=根系生物量/地上部生物量[20]。

2 结果与分析

2.1 不同浓度CaCl2处理对低温胁迫下豇豆幼苗生物量的影响

由图1可知，随着CaCl2浓度的增加，豇豆幼苗各部分生物量总体呈现先增加后下降再增加的趋势，均高于对照。除根系生物量外，茎秆、叶片及地上部分生物量均以10 mmol·L-1 CaCl2处理最大，显著高于对照，分别为对照的2.115、2.166、2.145倍。5 mmol·L-1 CaCl2处理的根系生物量最高，为对照的2.439倍，但与10 mmol·L-1 CaCl2处理的根系生物量差异不显著。5 mmol·L-1 CaCl2处理的豇豆幼苗根冠比最大，较对照增加114.5%。

2.2 不同浓度CaCl2处理对低温胁迫下豇豆幼苗相对含水量的影响

如图2所示，随着CaCl2浓度的增加，幼苗相对含水量呈现波浪式变化，普遍高于对照。5 mmol·L-1 CaCl2处理的豇豆幼苗及20 mmol·L-1 CaCl2处理的豇豆幼苗根系和茎秆相对含水量相互不显著，但显著高于对照及其他处理。5 mmol·L-1 CaCl2处理的根系及茎秆相对含水量分别较对照增加1.432%、3.158%，20 mmol·L-1 CaCl2处理的豇豆幼苗根系及茎秆相对含水量分别较对照增加1.315%、3.08%，40 mmol·L-1 CaCl2处理的豇豆幼苗叶片相对含水量最高且显著高于对照及其他处理，较对照提高了0.887%，地上部相对含水量为5 mmol·L-1 CaCl2处理最高，与对照相比，提高了0.349%。

2.3 不同浓度CaCl2处理对低温胁迫下豇豆幼苗光合色素含量的影响

由图3可知，适宜浓度的CaCl2能够显著提高豇豆幼苗叶片光合色素含量。叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量及类胡萝卜素含量随着CaCl2浓度的增加先增加后下降，最大值均出现在CaCl2浓度为10 mmol·L-1时，且与对照及其他处理差异显著。此时叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量及类胡萝卜素含量分别为对照的1.113、1.904、1.211、1.201倍，此时叶绿素a/b比值最小，较对照降低41.77%。

2.4 不同浓度CaCl2处理对低温胁迫下豇豆幼苗叶片渗透调节物质含量的影响

由表1可知，CaCl2处理后豇豆幼苗叶片可溶性蛋白含量有所上升，但各处理与对照差异不显著。适宜的CaCl2处理能明显增加豇豆幼苗叶片脯氨酸含量，各处理脯氨酸排序为：20 mmol·L-1>10 mmol·L-1>5 mmol·L-1>0>40 mmol·L-1，除40 mmol·L-1浓度下脯氨酸含量与对照差异不显著，其余各处理均显著高于对照，分别较对照增加89.88%、77.89%、62.26%。可溶性糖含量随CaCl2浓度的增加先增加后减少，除10 mmol·L-1 CaCl2处理的可溶性糖含量显著高于对照外，其余各处理与对照差异不显著或显著低于对照，与对照相比，10 mmol·L-1 CaCl2浓度下可溶性糖含量增加42.80%。

2.5 不同浓度CaCl2处理对低温胁迫下豇豆幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

从表2可知，CaCl2处理能显著提高豇豆幼苗叶片抗氧化酶的活性。SOD、POD及CAT活性均随CaCl2浓度的增加先上升后降低，各处理SOD活性排序为：10 mmol·L-1>5 mmol·L-1>40 mmol·L-1>20 mmol·L-1>0，分别为对照的2.177、1.996、1.336、1.314倍。各处理POD活性排序为：20 mmol·L-1>40 mmol·L-1>10 mmol·L-1>5 mmol·L-1>0，分别较对照增加76.31%、54.50%、49.60%、30.54%。各处理CAT活性排序为：10 mmol·L-1>5 mmol·L-1>0 >20 mmol·L-1>40 mmol·L-1，10 mmol·L-1 CaCl2处理的CAT活性较对照增加29.49%，40 mmol·L-1 CaCl2处理的CAT活性较对照减少30.04%。

2.6 不同浓度CaCl2处理对低温胁迫下豇豆幼苗相对电导率及丙二醛含量的影响

由图4～5可知，随着CaCl2浓度的增加，豇豆幼苗相对电导率及丙二醛含量大致呈现先降后升的趋势，二者同时在10 mmol·L-1 CaCl2时达到最低。与对照相比，10 mmol·L-1 CaCl2处理后豇豆幼苗相对电导率下降了62.07%，40 mmol·L-1 CaCl2处理后豇豆幼苗相对电导率最高，为43.45%，较對照上升11.58%。各处理丙二醛含量排序为：0>20 mmol·L-1>40 mmol·L-1>5 mmol·L-1>10 mmol·L-1，10 mmol·L-1 CaCl2处理后豇豆幼苗丙二醛含量较对照下降了36.15%，20 mmol·L-1 CaCl2处理后豇豆幼苗丙二醛含量较对照下降了11.07%。

3 讨论

低温胁迫是影响植物物种地理分布和组成的主要环境因素之一，不仅影响作物品质，严重时甚至影响产量。研究表明低温胁迫下，植物相对含水量下降，植株代谢活动能力减弱，进而影响植株生长[21]。植物受低温胁迫后，光合功能的降低与光合色素的变化有关，其原因可能是低温造成植株叶绿体双层膜结构完整性丧失，基质和基质片层变得松散，影响叶绿体的功能[10]。本试验中，经10 mmol·L-1 CaCl2处理后豇豆幼苗各部分生物量、根冠比较对照显著提升，根、茎、叶的相对含水量较对照有所增加，叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量均显著高于对照，且叶绿素a/b比值达到最低，表明10 mmol·L-1 CaCl2能提高豇豆幼苗相对含水量，缓解植株水分亏缺，保护幼苗叶绿素类囊体膜结构完整性，促进豇豆幼苗在低温胁迫下的光合作用，缓解低温对豇豆幼苗生长的抑制，促进植株生长发育，利于形成壮苗，增强豇豆幼苗抗寒性。

可溶性蛋白、游离脯氨酸和可溶性糖是植物细胞内重要的渗透调节物质，通过调节渗透浓度来增加植物抗寒性[22-23]。可溶性蛋白具有较强的亲水性，通过增加束缚水含量和原生质弹性从而增强植物抗寒性[24]。脯氨酸对原生质的保水能力及蛋白质胶体的稳定性有一定的作用，而且在稳定生物大分子如酶蛋白的功能、解毒、降低冰点、增强膜中蛋白质分子间的水合力，调节渗透压及保护原生质膜等方面具有重要作用[25]。可溶性糖能够提高细胞液的浓度，增加细胞持水组织中的非结冰水，从而降低细胞的结冰温度，减轻植物冻害[26]。本试验中，经10 mmol·L-1 CaCl2处理后豇豆幼苗叶片可溶性蛋白含量变化不明显，但脯氨酸含量、可溶性糖含量显著增加，表明10 mmol·L-1 CaCl2能增加豇豆幼苗叶片中各渗透调节物质含量，提高豇豆抗寒性，这与前人研究的结果一致[21-23]。

植物生长过程中，不可避免会产生活性氧，正常情况下，细胞内活性氧会被抗氧化酶系统清除，并不会导致细胞的损伤[27]。低温会导致活性氧大量积累，当细胞内活性氧含量超过抗氧化酶系统的清除能力后将引起细胞膜脂过氧化，破坏膜的结构，改变细胞膜通透性，造成细胞内的电解质、蛋白质、碳水化合物等物质外渗，同时产生丙二醛[28]。相对电导率和丙二醛含量越高，说明细胞膜的损伤程度越严重。在该试验中，随CaCl2浓度的增加，SOD、POD及CAT活性先上升后下降，除20、40 mmol·L-1 CaCl2使豇豆幼苗CAT活性较对照有所降低外，其余各浓度CaCl2均使豇豆幼苗SOD、POD及CAT活性较对照不同程度增加，且10 mmol·L-1 CaCl2处理的豇豆幼苗SOD、CAT活性达到最大。豇豆幼苗相对电导率及丙二醛含量与抗氧化酶活性变化趋势相反，CaCl2浓度为10 mmol·L-1时，以上两指标均达到最低值，分别较对照降低62.07%，36.15%，即10 mmol·L-1 CaCl2能显著提高豇豆幼苗抗氧化酶活性，保护其免受低温的胁迫，提高豇豆幼苗的抗寒性。

4 结论

喷施CaCl2能够普遍提高豇豆幼苗生物量、根冠比、相对含水量、光合色素含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量及SOD、POD、CAT活性，降低其相对电导率及丙二醛含量，且喷施10 mmol·L-1 CaCl2的豇豆幼苗生物量达到最大，地上部分为对照的2.145倍，相对含水量显著高于对照，叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量及类胡萝卜素含量分别为对照的1.113、1.904、1、211、1.201倍，脯氨酸含量、可溶性糖含量分别较对照增加77.89%、42.80%。SOD、POD、CAT活性显著高于对照，且SOD、CAT活性达到最大。其相对电导率及丙二醛含量达到最低，分别较对照下降62.07%、11.07%。表明CaCl2预处理能够提高豇豆幼苗的抗寒性，缓解低温对豇豆幼苗的胁迫，且浓度为10 mmol·L-1最佳。

参考文献

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