黃瓜\\(Cucumissativus\\)是我國主栽蔬菜作物之一，其生長發育對水分的要求較高，干旱脅迫是影響黃瓜代謝和產量的重要非生物脅迫因子．有研究表明，干旱脅迫導致植物組織含水量下降、水勢降低、質膜透性增大，同時，活性氧大量增加而引起膜脂過氧化、丙二醛\\(MDA\\)含量增加、電解質外滲，從而影響植株生長發育．干旱脅迫下，黃瓜幼苗活性氧含量明顯積累，MDA、脯氨酸含量逐漸增加，膜質過氧化損傷嚴重;黃瓜幼苗的葉片相對含水率和凈光合速率顯著降低，生長受到顯著抑制．尋找提高植物抗旱性的方法以及探討其內在機理對調節植物的生長發育具有十分重要的意義．水楊酸\\(salicylicacid，SA\\)是一種內源信號分子，不僅可以誘導植物體內病程相關蛋白基因表達而產生抗病性，而且能夠提高植物抗鹽性、抗旱性、抗熱性等．近年來，關于外源SA通過調節植物多種生理代謝從而提高抗逆性的研究已經取得了一定的進展．有研究表明，外源SA使逆境下植物體內H2O2含量上升，進而誘導相關抗氧化酶基因的表達，提高相關抗氧化酶\\(SOD、POD、APX等\\)的活性，從而減輕活性氧\\(reactiveosygenspecies，ROS\\)積累帶來的傷害，并且誘導多種與脅迫反應有關的基因表達，提高植株抗逆性．SA還能夠減少膜脂過氧化產物MDA的積累，降低葉片質膜透性，提高植物體內的ATP含量，為各種物質代謝的正常進行提供充足的能量，從而提高植物抵抗高鹽、低溫、重金屬等環境脅迫的抗性．此外，適宜濃度的SA能夠提高植物的光合作用，進而提高生理代謝能力和脅迫適應能力．外源SA能夠維持高溫、高鹽等脅迫下植物葉片中較高的PSⅡ最大光化學效率、PSⅡ潛在活性、光化學猝滅系數和PSⅡ實際光化學效率，對PSⅡ反應中心具有一定的保護作用，在一定程度上促進了凈光合速率的提高．目前，關于外源SA提高植物抗旱性的作用機制研究較少．因此，本文以黃瓜幼苗為材料，采用定量澆水模擬不同程度干旱脅迫并結合根施外源SA的處理方法，從膜脂過氧化、水分利用效率及葉綠素熒光參數等角度，研究外源SA在植物抵抗干旱脅迫過程中的生理功能及其作用機理，為SA作為抗旱誘導劑在植物生產上的推廣應用提供理論依據．
1、材料與方法
1.1供試材料
2010年4—6月，試驗于中國農業科學院蔬菜花卉研究所進行．供試黃瓜品種為“中農203”，由中國農業科學院蔬菜花卉研究所提供．
1.2試驗設計
先將黃瓜種子在清水中浸泡2h，然后用5%NaClO消毒10min，再用清水沖洗5遍，于\\(28±0.5\\)℃恒溫培養箱中催芽．待胚根長出后，挑選萌發一致的種子播于塑料營養缽中，每缽1粒，采用3∶1\\(V/V\\)的蛭石和石英砂作育苗基質．再將營養缽放入人工氣候箱中，晝夜溫度為28℃/18℃，光周期10h/14h，光強300μmol·m－2·s－1，相對濕度70%～85%．待子葉展開后用1/2濃度的Hoag-land營養液\\(pH6.5\\)澆灌．播種后20d，幼苗二葉一心時進行干旱脅迫處理．在預備試驗的基礎上，篩選出SA的最佳濃度為0.1mmol·L－1．處理前，分別以3倍基質飽和含水量的含0.1mmol·L－1SA的1/2濃度Hoagland營養液和不含SA的Hoagland營養液澆一次透水，采用自然干旱和稱量法，2d后保持基質相對含水量分別為80%、60%和50%．試驗共設6個處理:1\\)對照\\(CK\\):基質相對含水量為80%;2\\)輕度脅迫\\(L\\):基質相對含水量為60%;3\\)重度脅迫\\(S\\):基質相對含水量為50%;4\\)SA+CK:對照處理下，添加SA;5\\)SA+L:輕度脅迫下，添加SA;6\\)SA+S:重度脅迫下，添加SA．試驗隨機區組設計，3次重復，每處理小區50株．苗期管理采用常規方法，保持各處理小區一致．干旱脅迫后2、4、6、8和10d，每處理取5株測定植株的凈光合速率\\(Pn\\)和熒光參數．取各處理植株第2片真葉，一部分用于測定電解質滲出率;另一部分液氮速凍后于－80℃冰箱中保存，用于MDA含量的測定;再一部分于105℃下殺青15min后，60℃烘干至恒量，用于脯氨酸含量的測定．
1.3測定方法
1.3.1生長指標的測定脅迫處理后第15天，每處理小區取樣5株，用游標卡尺測量幼苗莖粗\\(子葉節下1cm處的粗度\\)，用直尺測量株高\\(基質表面到生長點之間的距離\\)，用萬分之一天平稱量植株的鮮質量和干質量，計算植株相對含水量\\(RWC\\)=\\(植株鮮質量－植株干質量\\)/\\(植株鮮質量\\)．
1.3.2MDA和電解質滲出率的測定MDA含量參照El-Tayeb的方法測定，電解質滲出率參照Kuo的電導法測定．
1.3.3脯氨酸含量的測定采用茚三酮顯色法測定脯氨酸含量．
1.3.4Pn的測定和水分利用率的計算采用Li-6400便攜式光合測定儀\\(LicorInc，Lincoln，NE，USA\\)，在測定光量子通量密度\\(PFD\\)為600μmol·m－2·s－1下，于脅迫后第2、4、6、8、10天10:00測定黃瓜第2片真葉的Pn和蒸騰速率\\(Tr\\)，計算水分利用效率\\(WUE\\)=Pn/Tr．1.3.5葉綠素熒光參數的測定采用Li-6400便攜式光合儀及熒光葉室\\(LicorInc，Lincoln，NE，USA\\)測定真葉葉綠素熒光參數．葉片經過暗適應一個黑夜后設置原初熒光參數，關閉光化學光和遠紅光，先照射檢測光\\(＜0.05μmol·m－2·s－1\\)測定葉片的初始熒光\\(Fo\\)，再照射7mmol·m－2·s－1飽和強閃光，脈沖0.8s后測得暗適應最大熒光\\(Fm\\)，然后將葉片在光下適應1h，當熒光基本穩定時，打開光化學光\\(光強600μmol·m－2·s－1，藍光占10%\\)測定穩態熒光\\(Fs\\)和光適應下最大熒光綠素\\(Fm'\\)，同時打開遠紅光測得光適應下初始熒光\\(Fo'\\)．計算出可變熒光Fv、Fv/Fm、ΦPSⅡ、PSⅡ有效光化學效率\\(Fv'/Fm'\\)、qP和非光化學猝滅系數\\(NPQ\\)等指標．其中，Fv=Fm－Fo，ΦPSⅡ=\\(Fm'－Fs\\)/Fm'，Fv'=Fm'－Fo'，qP=\\(Fm'－Fs\\)/\\(Fm'－Fo'\\)，qN=\\(Fm－Fm'\\)/Fm'．1.4數據處理用Excel2003軟件對試驗數據進行處理，用DPS軟件進行方差分析，采用最小顯著差異法\\(LSD\\)進行多重比較\\(α=0.05\\)，用Original軟件作圖．
2、結果與分析
2.1SA對干旱脅迫下黃瓜幼苗生長的影響
從表1可以看出，干旱脅迫下，黃瓜幼苗的株高、莖粗，以及植株鮮質量、干質量和相對含水量等生長指標均顯著低于對照，表明干旱脅迫下黃瓜幼苗的生長發育受到明顯抑制．添加SA后，脅迫植株的各生長指標均有不同程度的提高．其中，在輕度脅迫下，添加SA的黃瓜幼苗的株高及植株鮮質量、干質量、相對含水量與未添加SA脅迫處理相比差異均達顯著水平;在重度脅迫下，添加SA顯著提高了黃瓜幼苗的株高、莖粗和植株相對含水量，說明添加SA可有效緩解水分虧缺對黃瓜幼苗生長的抑制作用．
2.2SA對干旱脅迫下黃瓜幼苗MDA含量和電解質滲出率的影響
MDA和電解質滲出率是反映細胞膜傷害程度的重要指標．從圖1可以看出，與對照相比，干旱脅迫導致黃瓜幼苗葉片MDA含量顯著上升，而且上升幅度隨著脅迫程度的增加和脅迫時間的延長而增大，說明干旱脅迫下黃瓜幼苗葉片的細胞膜受到了不同程度的破壞．添加SA后，脅迫植株的MDA含量與未添加SA脅迫處理相比顯著下降，在整個處理期間，輕度脅迫下平均下降了11.7%，重度脅迫下平均下降了10.4%．這反映出SA可以減少黃瓜幼苗葉片中細胞膜脂過氧化產物MDA的積累，緩解干旱脅迫對細胞膜的傷害．電解質滲透率的變化趨勢與MDA一致．干旱脅迫下黃瓜幼苗的電解質滲透率與對照相比顯著上升，升高幅度隨著脅迫程度的增加和脅迫時間的延長不斷增大．添加SA顯著降低了干旱脅迫下葉片的電解質滲透率，在整個處理期間，輕度脅迫下平均下降了9.45%，重度脅迫下平均下降了14.34%．在整個處理期間，與對照相比，添加SA后，黃瓜幼苗葉片MDA含量和電解質滲出率均分別升高6.6%和5.2%，差異未達顯著水平，說明在正常水分條件下，添加適量的SA不會對黃瓜幼苗葉片細胞膜造成傷害．
2.3SA對干旱脅迫下黃瓜幼苗脯氨酸含量的影響
從圖2可以看出，干旱脅迫顯著促進了黃瓜幼苗葉片脯氨酸含量的積累，重度脅迫下脯氨酸含量上升幅度顯著高于輕度脅迫．輕度脅迫下，添加SA促進了脯氨酸的積累，在脅迫第2和4天與未添加SA脅迫處理之間差異達顯著水平;重度脅迫下，添加SA后，葉片脯氨酸含量在脅迫第2和4天高于未添加SA脅迫處理，脅迫第2天升高幅度最大，為21.2%，而脅迫后第6、8、10天低于未添加SA脅迫處理．與對照相比，添加SA顯著提高了葉片脯氨酸含量，表明在正常水分條件下，外源SA對黃瓜幼苗葉片脯氨酸積累有顯著的促進作用．
2.4SA對干旱脅迫下黃瓜幼苗葉片Pn和水分利用效率的影響
光合作用為植物的生長發育提供物質和能量，是植物生長發育的基礎，光合性能的變化可以直接反映出干旱脅迫對植物的傷害程度．從圖3可以看出，與對照相比，干旱脅迫下黃瓜幼苗葉片Pn顯著下降，下降幅度隨著脅迫程度的增加和脅迫時間的延長而不斷增大，其中，Pn在輕度脅迫下下降了25.2%～52.9%，在重度脅迫下下降了41.3%～73.7%．添加SA可以顯著減緩Pn的下降幅度．在整個處理期間，與未添加SA脅迫處理相比，添加SA的Pn在輕度脅迫下增加了15.9%～29.4%，重度脅迫下增加了12.2%～53.4%．水分利用效率是植物消耗單位質量水分所固定的CO2數量，當植物的供水出現緊張時，植物一般趨向于通過調節氣孔的開放程度以提高水分利用效率，同時維持較高的光合速率，尤其是環境水分供應出現不足時，植物會盡量降低蒸騰速率來提高水分的利用效率，這是植物對環境的適應特征．從圖3可以看出，干旱脅迫后，黃瓜幼苗的水分利用效率整體呈下降趨勢．干旱脅迫2～4d，水分利用效率高于同期對照，隨著脅迫時間的延長，水分利用效率不斷下降．添加SA后，不同程度地提高了黃瓜幼苗的水分利用效率．其中，輕度脅迫下6～10d，添加SA后顯著提高了植株的水分利用效率\\(P＜0.05\\)，在脅迫第10天表現最突出，提高了7.2%;重度脅迫下，添加SA后植株的水分利用效率在整個處理期間均顯著高于未添加SA脅迫處理．此外，在脅迫后2～4d，與對照相比，干旱脅迫處理和添加SA脅迫處理均提高了植株的水分利用效率，其中，脅迫后第2天，添加SA后，輕度脅迫下比對照提高了6.5%，重度脅迫下提高了5.6%．可見，短時間內適度的干旱脅迫有利于黃瓜幼苗的水分利用，而且添加SA對此過程有促進作用，這可能與SA可以減小氣孔開度，使蒸騰速率下降有關．
2.5SA對干旱脅迫下黃瓜幼苗葉片葉綠素熒光參數的影響
從圖4可以看出，不同程度的干旱脅迫對黃瓜幼苗PSII產生顯著影響．與對照相比，干旱脅迫后PSII最大光化學效率\\(Fv/Fm\\)和開放反應中心的激發能捕獲效率\\(Fv'/Fm'\\)均顯著下降，而且下降幅度隨脅迫程度的增加和脅迫時間的延長不斷增大．這說明干旱脅迫使黃瓜葉片光能轉換效率下降，導致吸收的光能用于光化學反應的比例降低．與對照相比，黃瓜幼苗的PSII光化學量子效率\\(ΦPSⅡ\\)、PSⅡ潛在活性\\(Fv/Fo\\)和光化學猝滅系數\\(qP\\)均顯著下降，非光化學猝滅系數\\(qN\\)先上升后下降．說明干旱脅迫下，PSⅡ實際光能轉換效率和PSⅡ潛在活性受到抑制，直接影響了光合作用的電子傳遞和CO2的同化過程，過剩的光能以熱耗散的方式散失．在整個處理期間，添加SA脅迫處理的Fv/Fm高于未添加SA處理，其中，在輕度脅迫下第10天和重度脅迫下4～10d，二者差異達顯著水平;添加SA顯著提高了輕度脅迫下4～8d的Fv'/Fm'，而在重度脅迫下的整個處理期間，添加SA后Fv'/Fm'均顯著高于未添加SA脅迫處理;處理4～8d，輕度脅迫和重度脅迫下添加SA后Fv/Fo均顯著高于未添加SA脅迫處理．說明添加SA提高了干旱脅迫下黃瓜幼苗PSⅡ反應中心原初光能轉化效率和PSⅡ潛在活性，而且在重度脅迫下比輕度脅迫表現更明顯．在整個處理期間，添加SA脅迫處理的植株ΦPSⅡ均高于未添加SA脅迫處理，在輕度脅迫的第10天和重度脅迫的4～10d，二者差異達顯著水平，表明添加SA能緩解干旱脅迫對光反應中心PSⅡ的光抑制．添加SA減緩了脅迫植株qP的下降．在整個處理期間，添加SA輕度脅迫處理的qP均高于未添加SA脅迫處理，在脅迫4～6d，二者差異達顯著水平，其中第4天提高幅度最大，為7.0%;重度脅迫下添加SA在脅迫4～10d的qP顯著高于未添加SA脅迫處理．添加SA顯著降低了輕度脅迫下整個處理期間的qN，以及重度脅迫下處理前期\\(2～6d\\)的qN．說明與脅迫處理相比，添加SA在一定程度上降低了非光化學反應的損耗，使脅迫植株吸收的光能更多用于光合作用．
3、討論
外源物質\\(SA、ABA、多胺等\\)可以有效減輕干旱脅迫對植株造成的傷害，如增加植物組織含水量，提高水勢，減少膜脂過氧化產物MDA含量，防止電解質外滲等．本研究表明，干旱脅迫下，黃瓜幼苗MDA積累，電解質滲出率增加，而施用外源SA降低了MDA含量及電解質滲出率，說明SA能夠在一定程度上緩解干旱脅迫對細胞膜的傷害，并且與輕度干旱相比，重度干旱脅迫下表現更明顯．另外，不同濃度的SA作用效果不同．種培芳和楊江山研究表明，較低濃度SA\\(0～500μmol·L－1\\)可以降低甜瓜葉片MDA含量，保持細胞的穩定性和活力，當濃度超過500μmol·L－1時，膜脂過氧化作用增強，細胞膜可能受損．劉艷等研究發現，10和100μmol·L－1SA預處理明顯減少了干旱脅迫下草莓植株MDA的積累，而1000μmol·L－1SA預處理增加了MDA的積累，加劇了干旱脅迫對細胞膜的傷害．
由此可以推測，外源SA對干旱脅迫下MDA積累的抑制作用與SA濃度以及脅迫強度具有密切關系，低濃度SA在輕度干旱脅迫下作用較強，而高濃度SA在重度干旱脅迫下作用較強．植物體內能夠通過酶促和非酶促抗氧化防御系統來清除逆境條件下形成的過量活性氧，以保護細胞免受氧化傷害．SA作為信號分子，可以激活多種與脅迫反應有關的基因啟動子，并且通過調節活性氧、抗氧化酶及非酶促抗氧化體系而提高植物的抗逆性．活性氧特別是H2O2的產生被認為是防御脅迫反應信號轉導鏈的一部分，但濃度過高則會造成細胞膜過氧化傷害．本研究中，外源SA降低了干旱脅迫下黃瓜幼苗的質膜氧化程度，減小細胞膜透性，這可能歸因于抗氧化能力的提高，這也是增強植株抗旱能力的重要環節．大量的有關外源SA提高干旱脅迫下植物抗氧化能力的研究證實了這一點．例如，經SA預處理積累的H2O2誘導黃瓜幼苗APX和CAT活性上升，進而清除所產生的H2O2;適宜濃度SA預處理可以促進干旱脅迫下草莓活性氧的早期積累，并有效激活保護酶SOD、POD和APX的活性，減小膜脂過氧化損傷程度．而羅英研究表明，SA預處理首先明顯降低了鳳仙花幼苗葉片CAT和APX活性，之后POD、CAT、APX和SOD活性顯著升高，它們的共同作用降低了H2O2濃度，減輕氧化傷害．
另外，本研究中，外源SA促進了黃瓜葉片脯氨酸的積累，可使細胞滲透勢降低，增大滲透調節能力，以降低細胞水勢，減少水分散失，使組織含水量維持在細胞傷害的臨界點之上，并且滲透調節可使細胞維持一個恒定的膨壓，從而使和膨壓相關的一些生理生化過程能順利進行，這是植物適應干旱脅迫的一個重要生理機制．水分利用效率是評價干旱脅迫下植物生長的一個綜合指標，水分利用效率高，表明固定單位質量CO2所需的水量小，水分生產力高．本研究表明，黃瓜幼苗經過干旱脅迫處理后，葉片水分利用效率在干旱脅迫初期升高，其原因可能是由于黃瓜幼苗在一個相對短暫的干旱脅迫下，通過關閉部分氣孔使蒸騰速率下降，減少了蒸騰失水．而后期水分利用效率隨著脅迫時間延長和脅迫程度的增大急劇下降，其原因可能是由于在脅迫處理后期，水分虧缺引起的膜脂過氧化作用對葉綠體膜系統造成損傷，導致光合機構受損，光合速率嚴重下降，從而導致水分利用效率下降，限制幼苗生長．SA能夠提高Pn和水分利用效率，進而提高生理代謝能力和脅迫適應能力．Fariduddin等發現，外源SA可以提高胞間CO2濃度、水分利用效率和氣孔導度，并認為氣孔導度變化可能是Pn提高的主要原因．SA還能夠緩解高溫強光、鹽害等逆境造成的膜脂過氧化對膜系統的氧化損傷，在一定程度上保護了葉片的類囊體膜結構，從而提高Pn．本研究中，添加SA后的脅迫植株葉片水分利用率和Pn大幅度提高，促進幼苗生長．
此時，葉片水分利用效率的提高與Pn的大幅度提高關系密切，并且前期研究表明，外源SA能夠誘導氣孔關閉，降低氣孔導度，從而使蒸騰速率下降，減少了蒸騰作用而導致的水分耗散．另外，添加SA對干旱脅迫下葉片水分利用效率的提高，還與黃瓜幼苗細胞膜的穩定性增大及滲透調節能力的增強密切相關．因為在干旱脅迫下，SA能夠使植物的滲透調節物質如脯氨酸等含量增加，降低了細胞水勢，使細胞能在干旱環境中取得盡可能多的水分．這些物質多為親水膠體，對水分子的束縛能力強，使吸收的水分不易通過蒸騰而散失，從而改變了細胞內束縛水與自由水的比例，提高了植物的水分利用效率．環境脅迫對植物Pn的影響是一個復雜的過程．葉綠素熒光動力學能夠快速、靈敏、無損傷地反映PSⅡ的狀況，是研究植物光合生理方法及植物與逆境脅迫關系的理想探針．本研究表明，干旱脅迫導致黃瓜幼苗葉綠素熒光參數Fv/Fm、ΦPSⅡ、Fv'/Fm'、Fv/Fo、qP均下降，其下降幅度隨脅迫時間延長和脅迫程度增加而不斷增大，而Pn的變化趨勢與上述葉綠素熒光參數變化趨勢一致，說明在干旱脅迫下，PSⅡ最大光化學效率與PSⅡ實際量子產量的下降，導致PSⅡ反應中心的電子傳遞受阻，從天線色素捕獲的光能用于光化學反應的份額減少，PSⅡ反應中心的光化學活性降低，最終導致Pn的下降．添加外源SA后，脅迫植株的Pn、Fv/Fm、ΦPSⅡ、Fv/Fo、Fv'/Fm'、qP均顯著提高，qN下降并維持在一個較穩定的水平，說明SA能夠減緩干旱脅迫對PSⅡ反應中心的破壞，使黃瓜葉片在干旱脅迫下保持較高的PSⅡ光化學效率，qN下降還說明SA將吸收的光能更多用于光合作用，減少用于非光化學耗散，提高光合效率．
這與高溫強光下黃瓜葉片熒光參數的變化相似，即在強光脅迫下，SA通過提高抗氧化酶活性，降低膜脂過氧化產物的積累，減輕了氧化損傷，維持較高的Fv/Fm、Fv/Fo、qP和ΦPSⅡ，對PSⅡ反應中心具有一定的保護作用．這可能是由于外源SA使CO2同化力升高，葉綠體中ATP和NADPH需求增加，促使PSⅡ潛在活性中心活性及光合作用原初反應的增強，使整個電子傳遞鏈的電子傳遞速度加快，并且LHCⅡ進行蛋白磷酸化后，能在類囊體膜中橫向遷移，通過改變PSⅠ與PSⅡ的捕光截面，調節激發能在PSⅠ與PSⅡ之間的分配，達到平衡狀態，進而促進Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP升高，降低qN．這是外源SA提高干旱脅迫下光合作用的可能機制之一．綜上所述，添加外源SA降低了干旱脅迫下黃瓜幼苗葉片的膜脂過氧化程度，通過增強PSⅡ反應中心活性提高了Pn，進而有利于水分的利用，同時增加滲透調節物質脯氨酸的含量，增大滲透調節能力，來降低細胞的水勢，減少水分的散失，提高水分利用效率，從而增強植株對干旱的適應能力．
