镁营养对西瓜叶绿素荧光特性及生理代谢的影响

尤垂淮，林丽琳，陈 晟，吴宇芬，赵依杰，柯 彦，林新萍，施木田

（1. 福建农林大学园艺学院 福州 350002；2. 福建农林大学生命科学学院 福州 350002；3. 福建省农业科学院农业生物资源研究所 福州 350003；4. 福州市农业科学研究所 福州 350019；5. 漳州城市职业学院 漳州 363000）

0 引言

【研究意义】西瓜（Citrullus lanatus）素有天生白虎汤之称，原产地为非洲，滋味甘甜，细爽多汁，素有“夏季水果之王”的美誉，另外，西瓜因富含糖、酸、盐等物质而具有降血压、治疗肾炎的作用，兼具美容功效，常吃西瓜能增加皮肤的光泽度和弹性[1]。我国是世界上西瓜种植面积最大，产量最高，且消费量最大的国家[2]。然而在西瓜种植过程中经常出现镁肥施用不当而间接影响西瓜产量和品质，造成严重经济损失[3]。课题组前期调研，发现不少西瓜产区叶片缺镁现象严重，初步研究表明缺镁导致西瓜叶片叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白含量下降[4-5]。镁元素（magnesium，Mg）是植物生长发育不可或缺的中量元素，是植物体内叶绿素的重要成分，在维持叶绿体结构与功能等方面起着重要作用[6]。研究发现在我国耕地面积中，土壤缺镁面积占6%[7]，另外随着工业现代化的迅速发展，许多地区酸雨频发，导致酸性土壤Mg2+流失严重[8]，使耕作土壤缺镁问题更加突出。此外，在追求作物高产和经济高效的过程中，当矿物质肥料没有及时补施时，农作物的高强度轮作和密集种植进一步加剧了土壤镁元素的消耗。同时，过量施用镁肥不仅会造成肥料浪费且也会抑制植物生长发育，这又直接阻断了农民为了补充植物镁素营养大量施用镁肥的途径。因此，开展镁素营养对西瓜生长发育的影响及其生理响应的差异研究，明确西瓜生长所需的镁素浓度范围，对生产上指导西瓜栽培具有重要意义。【前人研究进展】前人研究表明镁是植物生长和发育过程中所必需的中量营养元素，其含量的缺乏和过量均会对植物的正常生长及产量和品质造成影响[9]。植物代谢过程中关键酶活性和细胞色素的合成会因缺镁而受阻[10]。缺镁导致叶片过氧化氢（hydrogen peroxide H2O2）、超 氧 阴 离 子（·O2-）及 丙 二 醛（malondialdehyde MDA）含量积累，细胞膜系统和叶绿体结构被破坏，植物的光合色素含量减少，进而导致净光合速率和叶绿素荧光动力学参数[Fv/Fm和Y（Ⅱ）]的降低，抑制作物生长[911-12]。王芳等[13]等研究表明，大豆（Glycine max）经缺镁处理后，叶片MDA含量显著上升，反之，施镁后大豆叶片MDA含量显著下降，大豆抗膜脂过氧化胁迫的能力提高。课题组前期研究发现镁元素显著影响小白菜（Brassica chinensis）和苦瓜（Momordica charantia）生物量的积累，小白菜、苦瓜在缺镁处理下产生大量·O2

-，叶片MDA含量增加，叶绿素含量下降，而适量施用镁肥（40 ～50 mg·L-1）能够显著提高小白菜和苦瓜的光合速率及抗氧化酶活性，促进作物生长[14-15]。与此同时，为了补充植物缺镁现象，过量施用镁肥也会抑制植物生长发育[16-18]。在镁过量处理条件下，植株叶绿素含量会下降，生长受抑制，影响植物抗氧化系统，导致植株的株高、茎粗、根长、根系活力等均降低[16-18]。【本研究的切入点】目前，有关镁缺失或过量对西瓜的生长及生理生化响应的研究仅课题组前期进行初步研究[4-5]，尚未见镁营养对西瓜叶绿素荧光特性的影响及其生理响应差异的研究。本研究利用砂培试验技术，选用农业生产上较为常用的西瓜品种—黑美人，分析5个不同Mg2+浓度对西瓜农艺性状、果实品质、叶绿素荧光特性、细胞膜透性、抗氧化系统的影响。【拟解决的关键问题】本研究旨在探讨西瓜响应镁胁迫的生长特性和生理代谢变化，明确西瓜对镁素需求的适宜范围，为指导镁高效利用西瓜品种的选育及其科学种植提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

供试西瓜品种为黑美人，农业生产上较为常用的品种，由福建省农业科学院农业生物资源研究所提供。试验于2014年3月在福州市农科所玻璃温室开展，采用砂质培养（从花卉市场购买纯石英砂粒作为植物生长介质），营养液配方（Hoagland &Arnon配方）如表1所示[19]，选均匀一致且饱满的西瓜种子，用温汤浸种法进行处理，水冷后连续浸泡8 h，待种子吸水膨胀后，置30 ℃培养箱。待种子大部分露白后，将其播种到育苗盘上，保持一定的温湿度。待小苗长两叶一心时定植于装有砂子的盆中，盆规格（35 cm×40 cm×40 cm），5 d后开始处理。

表1 营养液配方Table 1 Formulation of nutrient solution

本试验镁质量浓度设为0 （缺镁处理）、24、48、96、192 mg·L-1等5个处理，镁源为MgSO4·7H2O，0 mg·L-1处理缺少的SO42-以K2SO4代替，每个处理6组重复，每组6株。前期间隔1 d浇一次营养液，待到瓜蔓旺盛生长时1 d浇一次，膨瓜期时遇炎热天气早晚各浇一次，每次300 mL，其他均按科学管理措施进行。分别于伸蔓期、盛花期和膨瓜期取西瓜上部相同部位叶片进行生理生化指标测定，样品用液氮冷冻后保存于-80 ℃备用。

1.2 测定指标与方法

在膨瓜期对西瓜的农艺性状进行测定，其中，株高：用直尺测量植株茎基部到生长点的高度；根长：用直尺测量根基部到根系末端的长度；根系体积：采用排水法测定根系体积；植株干重（包含根、茎、叶总和）：取长势相似的植株，用蒸馏水冲洗干净，用滤纸吸干植株表面的水分后置于105 ℃烘箱杀青15 min，70 ℃烘干至恒重，用电子天平测量干重。

西瓜生长至伸蔓期、盛花期和膨瓜期时分别对其叶片进行叶绿素荧光诱导动力学测定，方法如下：利用多功能植物效率分析仪（M-PEA，Hansatech，英国）经3000 μmol·m-2·s-1的脉冲光诱导，分别在西瓜伸蔓期、盛花期和膨瓜期的晴天早上10:00—11:00西瓜叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线（OJIP）进行检测分析，叶片选择以主蔓及第一侧蔓的第3或第4片功能叶为佳。参考李鹏民等[20]的计算方法，从OJIP诱导曲线中可获得能够反映西瓜光系统Ⅱ（PSⅡ）的指标，包括如下参数：初始（最小）荧光值Fo，最大荧光值Fm，放氧复合体OEC，单位面积有活性反应中心数目用RC/CSo表示，VJ表示J点相对可变荧光，Mo表示QA被还原的最大速率，Sm表示标准化后的在OJIP荧光诱导曲线和F=Fm之间的面积，用Ψo表示捕获的激子将电子传递到电子传递链中超过QA－的其他电子受体的概率，φEo表示电子传递的量子产额，DIo/RC表示单位反应中心耗散掉的能量，ABS/RC表示单位反应中心吸收的光能，TRo/RC表示单位反应中心捕获的用于还原QA的能量。

西瓜生长至伸蔓期、盛花期和膨瓜期时，取靠近新叶同一叶位，测定生理生化指标，测定方法如下：还原型抗坏血酸（reduced ascorbic acid， AsA）和脱氧抗坏血酸（deoxyascorbic acid， DAsA）采用钼蓝比色法测定，细胞膜透性采用电导法测定[21]；可溶性糖和可溶性蛋白分别采用蒽酮-硫酸法和考马斯亮蓝法进行测定[22]；超氧化物歧化酶（superoxide dismutase， SOD）采 用 氮 蓝 四 唑 （nitro-blue tetrazolium，NBT）光化还原法测定，过氧化氢酶（catalase，CAT）活性采用紫外吸收法测定，过氧化物酶（per oxidase，POD）活性采用愈创木酚法测定，MDA含量采用硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）比色法测定，游离脯氨酸（proline，Pro）含量用甲苯萃取法测定，抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase，APX）、脱氢抗坏血酸还原酶（dehydrogenation ascorbic acid reductase，DHAR）和单脱氢抗坏血酸还原酶（monodehydroascorbic acid reductase，MDAR）活性等的测定参照Nakano和Asada[23]的方法；谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase，GR）活性的测定参照Halliwell等[24]的方法；还原型谷胱甘肽（glutathione，GSH）、氧化型谷胱甘肽（oxidized glutathione，GSSG）含量的测定参照高俊风[25]的方法。中心和边缘可溶性固形物含量测定采用手持式折光仪测定。

1.3 数据分析

数据采用Office 2016和DPS 7.05软件进行统计学分析。

2 结果与分析

2.1 镁对西瓜生长发育及果实品质的影响

表2显示，随着镁质量浓度的增加（0 mg·L-1～192 mg·L-1），西瓜的株高、根长、根系体积、地上部干重、根干重及生物产量均呈先增后降的趋势，48 mg·L-1镁处理时各指标均达到最大值，各处理间上述指标基本都达到显著差异。与缺镁（0 mg·L-1）相比，在48 mg·L-1镁水平处理下西瓜株高、根长、根系体积、生物量分别增加58.25%、64.79%、113.75%、136.79%，而在缺镁处理中，西瓜上述指标均最低。结果表明，适量施镁能促进西瓜生长，提高西瓜生物量，且在镁为48 mg·L-1时促进效果最显著。

表2 不同施镁量对西瓜生长发育的影响Table 2 Effect of different magnesium application on growth and development of C. lanatus

表型观察发现（图1），西瓜整体的缺镁、低镁症状表现为植株矮小，叶片稀少并且薄小，叶柄细弱，植株下部老叶先失绿，叶片从叶缘与叶尖开始出现黄化现象并逐渐扩展到脉间叶肉，在膨瓜期时西瓜缺镁症状愈发严重，叶片叶尖焦枯，西瓜植株下部老叶几乎变黄。镁过量（192 mg·L-1）症状表现为西瓜植株矮小，叶片皱缩，叶缘轻微焦枯并向里卷曲，质地脆，严重时可见大面积的焦枯叶缘或整叶焦枯如灼烧状。在48 mg·L-1镁水平处理下西瓜未表现不良症状，其叶片厚大且颜色深绿。缺镁、低镁及镁过量时西瓜从盛花期开始叶片先后出现以上情况，进入膨瓜期其症状逐渐明显。

图1 不同施镁量对西瓜不同生育期叶片形态的影响Fig. 1 Effects of different magnesium application on leaf morphology of varied genotypes of C. lanatus at different growth stages

从表3可知，西瓜可溶性固形物（中心可溶性固形物和边缘可溶性固形物）、可溶性糖、可溶性蛋白、维生素C等物质的含量随镁质量浓度的增加均呈先增后降的趋势，且在48 mg·L-1镁处理下均达到最大值，且都达到显著性差异，当镁高于48 mg·L-1时各处理上述指标下降但都比缺镁处理的高，说明缺镁对西瓜品质的影响比过量镁大，施镁有助于提高西瓜果实品质。

表3 不同施镁量对西瓜果实品质的影响Table 3 Effect of different magnesium application on fruit quality of C. lanatus

2.2 镁对西瓜叶绿素荧光特性的影响

2.2.1 镁对西瓜叶片PSⅡ反应中心数量、反应中心闭合程度的影响 表4显示，在不同镁处理下西瓜三个生育期叶片RC/CS0大小均呈现相似的变化规律，即随着镁质量浓度的增加RC/CS0值表现出先升后降的趋势，在48 mg·L-1镁处理时达到峰值，缺镁时最小，低镁和镁过量处理略高于缺镁处理。由此说明西瓜在48 mg·L-1镁处理时有足够数量的活跃的PSⅡ反应中心参与光合作用，而缺镁、低镁和镁过量时PSⅡ的反应中心个数较少，光合作用减弱，缺镁胁迫影响较大。由表4可知，西瓜三个生育期VJ值随镁质量浓度的增加呈现先降后增的趋势，48 mg·L-1镁处理时值最小，缺镁处理值最大，其次是镁过量处理。说明48 mg·L-1镁处理PSⅡ反应中心闭合较少、累积少，向QB电子传递能正常进行，缺镁和镁过量处理下西瓜不同生长期有活性PSⅡ的反应中心不同程度的关闭并积累，阻碍了电子传递链中向QB的电子传递。

表4 不同施镁量对西瓜不同生长期叶片PSⅡ反应中心数量和闭合程度的影响Table 4 Effects of different magnesium application on PSⅡ RC/CS0 and closed extent of varied genotypes of C. lanatus

2.2.2 镁对西瓜叶片PSⅡ反应中心活性的影响 1/FO-1/FM值的大小可以反映西瓜叶片反应中心活性的强弱，从图2可以看出，不同镁质量浓度对西瓜叶片1/FO-1/FM值在伸蔓期时影响不大，此时1/FO-1/FM值总体上要高于其他两个生育期。盛花期和膨瓜期西瓜叶片1/FO-1/FM值随着镁质量浓度的增加呈现先升后降的趋势，在48 mg·L-1镁处理时最大，镁过量处理的值均大于低镁和缺镁处理。说明48 mg·L-1处理时西瓜叶片PSⅡ反应中心活性明显高于缺镁、低镁和镁过量处理。

OEC比例越小说明H2O的裂解受抑制越严重，图2显示，西瓜三个生育期叶片OEC比例均随镁质量浓度的增加呈现先增后降的趋势，48 mg·L-1镁处理时达最大值，且与其他处理均达到显著差异，镁过量处理大体上高于缺镁处理。说明缺镁、低镁和镁过量处理下叶片OEC受到严重伤害，而48 mg·L-1处理下OEC作用正常发挥，西瓜叶片光合作用正常进行。

图2 不同施镁量对西瓜不同生育期叶片1/FO-1/FM和OEC比例的影响Fig. 2 Effects of different magnesium application on leaf 1/FO-1/FM and OEC proportion of C. lanatus at different growth stages

由表5可知，西瓜在不同生育期叶片中的M0值随镁质量浓度的增加均呈先降后增的趋势，缺镁处理的M0值最高，48 mg·L-1镁处理时M0值最低，当镁质量浓度高于48 mg·L-1时M0值大体上随之升高但均低于缺镁处理，说明施镁可以降低西瓜叶片QA的积累，48 mg·L-1处理时西瓜叶片QA积累最少。不同生育期叶片的Sm、Area、Ψ0和φEo随镁质量浓度的增加均呈现先增后降的趋势，在48 mg·L-1镁处理时均达到最大值，而缺镁处理最低，其中镁过量处理下的这些指标值均高于缺镁、低镁处理，表明缺镁胁迫严重伤害西瓜叶片PSⅡ受体侧。

2.2.3 镁对西瓜叶片PSⅡ反应中心能量流动的影响 由图3可知，西瓜三个不同生育期叶片单位反应中心对光能的吸收（ABS/RC）、捕获（TR0/RC）以及耗散（DI0/RC）随着的增加均呈先降后增的趋势，在48 mg·L-1镁处理时均达到最小值，而当处理浓度高于48 mg·L-1时上述参数值有所上升，但都低于缺镁处理，且各施镁处理与缺镁处理相比大体上均存在显著差异。镁过量处理西瓜叶片的ABS/RC、DI0/RC总体上要低于缺镁和低镁处理。西瓜三个不同生育期叶片单位反应中心用于电子传递的能量（ET0/RC）随着的增加均表现出先升后降的趋势，在48 mg·L-1镁处理时均达到最大值，除了伸蔓期差异不显著外，盛花期和膨瓜期总体上存在显著差异，且随着生育期的延长叶片的ET0/RC值有所降低，另外镁过量处理ET0/RC值高于低镁和缺镁处理。这表明48 mg·L-1处理可以提高用于电子传递的能量，减少因热耗散而损失的能量，而镁过量和缺镁处理热耗散增加，能量的损失加大。

图3 不同施镁量对西瓜不同生育期叶片ABS/RC、TR0/RC、DI0/RC和ET0/RC的影响Fig. 3 Effects of different magnesium application on leaf ABS/RC, TR0/RC, DI0/RC, and ET0/RC of C. lanatus at different growth stages

2.3 镁对西瓜叶片渗透调节物质及细胞膜透性的影响

图4显示，施镁处理对西瓜不同生育期叶片MDA和Pro含量的影响一致，即随着镁质量浓度的增加MDA和Pro含量均呈先降后增的趋势，在48 mg·L-1镁处理时西瓜叶片MDA和Pro含量最小，且与其他处理都达到显著差异，当镁质量浓度超过48 mg·L-1时MDA和Pro含量开始增加但均低于缺镁和低镁处理，缺镁处理下西瓜叶片MDA和Pro含量最大。从不同生育期看，在膨瓜期时叶片这两个指标含量要高于前面两个生育期，表明缺镁和镁过量胁迫在膨瓜期对西瓜叶片伤害最大。不同生育期叶片细胞膜透性均随镁质量浓度的增加呈先降后增趋势，在48 mg·L-1镁处理时细胞膜透性最小，而其他处理的细胞膜透性增加，且都达到显著差异，其中缺镁、镁过量处理细胞膜透性也较大，尤其是缺镁处理。由此说明，缺镁和镁过量处理下西瓜叶片细胞发生了膜脂过氧化反应，对叶片产生损伤，其中缺镁伤害最严重。

图4 不同施镁量对西瓜不同生育期叶片MDA和Pro含量以及细胞膜透性的影响Fig. 4 Effects of different magnesium application on MDA and Pro contents and membrane permeability of C. lanatus at different growth stages

2.4 镁对西瓜叶片抗氧化物质及抗氧化酶类防御系统的影响

2.4.1 镁对西瓜叶片SOD、POD、CAT活性的影响 随着镁质量浓度的增加，西瓜不同生育期叶片SOD、POD、CAT活性均表现出先升后降的趋势，48 mg·L-1镁处理时活性最强，当镁质量浓度超过48 mg·L-1时酶活性总体上开始下降但都高于缺镁处理，其他施镁处理与缺镁处理之间均存在显著差异，镁过量处理西瓜叶片的活性略高于低镁和缺镁处理（图5）。说明施镁处理在一定范围内可以提高西瓜叶片SOD、POD、CAT活性，缺镁和低镁处理一定程度上抑制这三个酶活性，且缺镁胁迫影响最大。

图5 不同施镁量对西瓜不同生育期叶片SOD、POD和CAT活性的影响Fig. 5 Effects of different magnesium application on SOD, POD, and CAT activities of C. lanatus at different growth stages

2.4.2 镁对西瓜叶片AsA-GSH循环代谢活性的影响

随着镁质量浓度的增加，西瓜不同生育期叶片中APX、MDAR、GR活性均呈现先降后增的趋势（图6），缺镁处理活性最大，在48 mg·L-1镁处理时活性最弱，当浓度超过48 mg·L-1时这三个酶活性开始增强但整体上都低于缺镁处理和低镁处理，差异达到显著水平。从不同生育期分析发现，随着生育期的推进，西瓜叶片中APX、GR、MDAR活性逐渐增强，即膨瓜期＞盛花期＞伸蔓期。不同生育期叶片DHAR活性随镁质量浓度的增加呈现先增后降的趋势，在48 mg·L-1镁处理时DHAR活性最强，缺镁处理最弱，镁过量处理西瓜叶片DHAR活性大体上高于缺镁处理和低镁处理；西瓜叶片DHAR活性膨瓜期＞盛花期＞伸蔓期。

图6 不同施镁量对西瓜不同生育期叶片APX、MDAR、GR和DHAR活性的影响Fig. 6 Effects of different magnesium application on APX, MDAR, GR, and DHAR activities of C. lanatus at different growth stages

从图7可知，西瓜不同生育期叶片GSH含量随着镁质量浓度的增加均呈现先增后降的趋势，在48 mg·L-1镁处理时含量最高，缺镁处理时含量最低，差异显著。西瓜不同生育期叶片GSSG含量随镁质量浓度的增加呈先降后增的趋势，在48 mg·L-1处理时含量最低，缺镁处理含量最高。不同生育期叶片GSH/GSSG比值随镁处理浓度的增加呈先增后降的趋势，在48 mg·L-1处理时比值最高，缺镁处理时比值最低。

图7 不同施镁量对西瓜不同生育期叶片GSH和GSSG含量以及GSH/GSSG的影响Fig. 7 Effects of different magnesium application on GSH and GSSG contents and GSH/GSSG of C. lanatus at different growth stages

AsA和DAsA在植物抗逆中扮演着重要角色，DAsA在DHAR催化下可转变为AsA。西瓜不同生育期叶片的AsA含量随镁质量浓度的增加呈先增后降的趋势，在48 mg·L-1镁处理时达到最高，缺镁处理时最低，且低镁和缺镁处理均比镁过量处理低，彼此间差异显著（图8）。随着镁处理浓度的增加，不同生育期叶片的DAsA含量呈先降后增的趋势，在48 mg·L-1镁处理时达到最低，缺镁处理时最高，镁过量处理低于缺镁和低镁处理，处理间存在显著差异（图8）。西瓜叶片AsA/DAsA比例可以反映西瓜体内抗氧化物的抗氧化能力，一般AsA/DAsA比值越大，相应物质的抗氧化能力也越强。不同生育期叶片AsA/DAsA比值随镁质量浓度的增加呈先增后降的趋势，在镁质量浓度为48 mg·L-1时达到最高值，缺镁、镁水平低于或高于48 mg·L-1时AsA/DAsA值都减小，缺镁处理最低，且差异达到了极显著水平。

3 讨论

3.1 镁缺乏和过量胁迫对西瓜PSⅡ光合特性的影响

镁元素是植物叶绿素的重要组成成分，参与多种光合酶的合成，对植物的光合作用具有重要意义，因此镁缺乏或过量都会影响植物的正常生长[6]。叶绿素荧光诱导动力学参数能够用于描述植物光合作用的机理和光合生理情况，可作为检测植物遭受胁迫伤害程度的指标[12]。RC/CS0参数表示被测西瓜叶片单位面积上有活性PSⅡ的反应中心个数，当叶片处于不正常光合作用状态时有活性的PSⅡ反应中心个数偏少，光合作用减弱；1/FO-1/FM值的大小可以反映西瓜叶片反应中心活性的强弱；VJ参数表示光反应2 ms时有活性的PSⅡ反应中心闭合程度，同时PSⅡ受体侧的累积情况也可以由VJ参数反映出，VJ逐渐升高，表明向QB的电子传递受阻[26]，本试验中西瓜叶片RC/CS0值和1/FO-1/FM值随着镁质量浓度的增加均呈先增后降的趋势，在48 mg·L-1处理时最大，缺镁时最小；VJ值呈现先降后增的趋势，48 mg·L-1镁处理时值最小，缺镁处理值最大，表明48 mg·L-1镁处理时西瓜叶片有足够数量的活跃的PSⅡ反应中心参与光合作用，而缺镁（0 mg·L-1）和镁过量（192 mg·L-1）处理时西瓜叶片活跃的PSⅡ反应中心个数少，反应中心活性弱，光合作用弱，PSⅡ的电子传递能力严重受阻，在QA－到QB电子传递受到的抑制程度较大，导致PSⅡ反应中心关闭并积累。

植物中放氧复合体（OEC）的作用是裂解H2O并释放O2，OEC是PSⅡ反应中心的电子供体，它使被捕获的光能可以以电子形式持续在电子传递链中传递，当植物受到不良环境因子胁迫时，OEC受损害，H2O的裂解受抑制，影响PSⅡ电子供体的正常供应[27]。本研究发现西瓜不同生育期叶片OEC活性在48 mg·L-1镁处理时最高，缺镁和镁过量处理较低，说明缺镁、镁过量处理西瓜叶片受伤害，造成放氧过程中H2O的不完全裂解，导致H2O2的产生，PSⅡ电子传递受阻。

西瓜叶片光合电子传递链中QA被还原的速率可以由M0值反映出来[28]。PSⅡ受体侧的PQ库容量由Sm的值可以反映出来，PQ库容量即为完全还原QA所需能量；进入电子传递链的电子数量越多则被还原QA的越多，Sm值则越大；PSⅡ受体库大小可由Area值反映出来；φEo和Ψ0表示叶绿素反应中心捕获的激子和光能分别将电子传递到电子传递链中那些超过QA的其他电子受体的概率，可以反映叶片将所捕获的激发能转化为电子并继续传递的效率高低[29]。在本试验中，48 mg·L-1镁质量浓度处理不同生育期叶片中的M0值最低，而缺镁和镁过量处理较高；叶片Sm、Area、Ψ0和φEo在48 mg·L-1处理时最高，而在缺镁和镁过量处理时较低，表明缺镁和镁过量胁迫会造成西瓜叶片PSⅡ受体侧的严重损害，缺镁胁迫影响较大。

PSⅡ反应中心捕光天线色素的大小用ABS/RC表示 ，该比例升高表明叶片捕光天线色素增加，预示部分PSⅡ反应中心的失活；当ABS/RC和TR0/RC两个比例增加，叶片增强捕光天线色素的大小以及对光的捕获能力，从而增强单一反应中心对光的吸收与捕获能力[30]。西瓜叶片单位面积的热耗散（DI0/RC）在缺镁和镁过量胁迫下升高，ET0/RC减少，西瓜叶片减少用于电子传递的量子份额，通过增加热耗散来将过多的光能耗散掉，来减少光抑制对叶片产生的伤害。在本试验中φEo下降，VJ、ABS/RC和TR0/RC升高，表明缺镁和镁过量胁迫导致西瓜叶片PSⅡ反应中心失活，PSⅡ电子传递受阻，叶片发生了光抑制，导致其叶片光能利用率降低。

综上所述，施镁处理对西瓜叶片光合生理产生显著影响，通过对生育期西瓜叶片观察，缺镁和镁过量处理下茎细弱，叶薄小，叶片皱缩，叶片发黄，叶尖焦枯，而在48 mg·L-1镁处理下叶片没有上述症状，叶片厚大且颜色深绿，与叶绿素荧光诱导动力学参数相互佐证。进一步对西瓜生长相关指标观测发现，西瓜的株高、根长、根系体积、地上部干重、根干重、生物产量、可溶性糖、可溶性蛋白、维生素C、可溶性固形物等含量在48 mg·L-1镁处理时均达到最大值，当镁质量浓度低于或高于48 mg·L-1时，西瓜各项生长指标增长幅度有所下降，即缺镁、低镁和高量镁处理下会抑制西瓜的生长，这与申燕[15]、田斌[16]等的研究结果相符。以上结果表明，镁质量浓度在48 mg·L-1时西瓜叶片光合色素含量高[18]、PSⅡ稳定，有助于提升叶片光合速率，促进西瓜植株的生长，提高果实品质。

3.2 镁缺乏和过量胁迫对西瓜抗氧化能力的影响

镁缺乏或过量都会对植物生长产生影响，植物的生理生化指标能够反映出植物在镁胁迫条件下的应答情况，通常被作为植物抗逆性的评价指标[31]。Pro作为一种重要的植物渗透调节物质，能够调节细胞渗透势，增强细胞保水能力，减轻膜脂过氧化程度，保护蛋白分子与酶活性，在提高植物抗性方面具有极其重要的意义[32]。MDA是膜脂过氧化的有毒代谢产物之一，是活性氧毒害作用通常表现为MDA含量累积，因此，MDA可作为质膜受损的衡量指标，反映植物细胞膜脂过氧化程度、衰老程度和对逆境因子的应答强弱[33]，胁迫程度越剧烈，MDA含量越多[34]。已有研究表明，镁缺乏和过量下植物MDA含量增加[13]，逆境胁迫使植物细胞质膜的结构和功能受损[35]。本研究结果显示，缺镁和镁过量处理下西瓜叶片MDA和Pro含量明显增加，细胞膜透性也增加，而48 mg·L-1处理时细胞膜透性降低，叶片Pro、MDA含量减少，说明缺镁和镁过量处理西瓜叶片受到损伤，而适量施镁可以减轻逆境对细胞膜的损伤，提高植物抵御逆境胁迫的能力。

POD、SOD和CAT等是植物体内重要的抗氧化酶和细胞保护酶系统[36]，在逆境条件下能够清除活性氧和自由基，从而避免膜损伤，以维持植物的代谢平衡[37]。已有研究表明，缺镁处理显著降低植物叶片SOD和CAT活性[13]。本试验结果与前人研究相似，缺镁和镁过量处理下西瓜叶片POD、SOD和CAT活性显著降低，缺镁胁迫下降幅度最大，而当镁质量浓度控制在48 mg·L-1左右时能显著提高西瓜叶片POD、SOD和CAT活性，表明适量增施镁肥可以提高植物抗氧化酶活性。

在正常生长条件下，植物体内清除活性氧的酶类活性较强，可及时清除植物受环境胁迫时产生的过量活性氧，从而使其保持一种动态平衡[38]。抗坏血酸—谷胱甘肽（AsA-GSH）循环是存在于植物体内的重要H2O2清除系统，在清除活性氧过程中起着很重要的作用[39]。AsA-GSH循环存在于植物叶绿体内，是一系列连续的生化反应，APX的酶促反应产生了MDHA，MDHA很不稳定，一部分被氧化生成DHA，另一部分被MDAR还原为AsA ；DHA以GSH作为电子供体，在DHAR的作用下生成AsA[40]。上述反应产生的GSSG又在GR的催化下被还原成GSH[41]。APX是AsA-GSH循环的第一个酶，该酶能专一性地催化AsA与H2O2反应形成MDHA，在降低H2O2对植物产生的损伤方面发挥着重要作用[42]。GR是一种重要的抗氧化酶类，能够将氧化型GSSG还原成还原型GSH，为清除活性氧提供还原力，避免植物受到损伤[43]。还原型GSH是植物体内重要的抗氧化剂和信号物质，对植物新陈代谢的维持起到很重要的作用，具有清除自由基、抵抗过氧化损伤、保护酶和结构蛋白及膜系统的功能[44]，前人研究植物的抗逆境胁迫能力时通过测定GSH含量的高低来衡量[45]。DHAR是一种重要的植物抗氧化酶，也是植物AsA-GSH循环中能够促进AsA再生的关键酶。本研究结果显示，缺镁和镁过量胁迫下西瓜叶片APX、GR、MDAR活性增强，DHAR减弱。APX和MDAR活性增强，说明镁胁迫下植物体内产生较多的H2O2，为了减轻自身损伤，植物体启动了AsAGSH循环，首先增强APX活性，促使AsA与H2O2反应形成MDHA；为了APX酶促反应持续提供还原底物AsA保证正常还原过氧化氢，镁胁迫下刺激体内MDAR和GR活性增强。但可能由于镁胁迫强度过大，西瓜光合作用受到严重影响，叶片内光合PSⅡ系统紊乱，电子传递受阻，NADPH和NADH大量减少，MDHA和DHA很难及时被还原为AsA，造成AsA总量减少，AsA/DAsA比率下降；与此同时，由于GSSG的还原需要NADPH提供电子，这样又阻碍GSH的生成进而导致GSH/GSSG比率降低。说明，缺镁和镁过量处理下植物体内AsA-GSH循环无法正常运转，不能及时清除H2O2，导致体内活性氧大量积累，对植物体造成巨大损伤，缺镁处理影响最大。镁质量浓度为48 mg·L-1时，西瓜叶片APX、GR、MDAR活性处于较低水平，DHAR活性较高，叶内GSH、AsA含量及AsA/DAsA、GSH/GSSG比率显著高于其他处理，促进AsA-GSH循环，提高植物逆境综合防御能力。

4 结论

通过分析5个不同Mg2+浓度对西瓜农艺性状和生理特性的影响，结果显示，缺镁（0 mg·L-1）和镁过量（192 mg·L-1）胁迫造成西瓜放氧复合体（OEC）受到伤害，PSⅡ的光合电子传递受阻，抑制了PSⅡ的活性，导致叶片SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性下降，抑制西瓜生长。增施适量镁肥（24～96 mg·L-1)可明显提高西瓜抗氧化物质含量及抗氧化酶活性，促进AsA-GSH循环，减轻膜脂过氧化程度及活性氧积累，保护细胞膜和光系统的稳定性，通过热耗散降低过剩光能对光合系统的破坏，有助于增强光合作用，促进西瓜生长发育，提高西瓜营养物质积累。在供试条件下，48 mg·L-1镁处理下西瓜在生理生化指标上表现为多方面的综合防御，故48 mg·L-1为西瓜栽培最适宜施镁质量浓度。