茄子耐低溫研究新進(jìn)展

張馨宇杜雪晶張志博張偉春

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110161)

茄子(SolanummelongenaL.)是一種重要的蔬菜作物,據(jù)FAO數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)是世界上茄子栽培面積最大的國(guó)家,2019年播種面積為78.30 萬(wàn) hm2,總產(chǎn)量3 559萬(wàn)t,占世界總栽培面積的42.37%。近年來(lái),隨著市場(chǎng)周年化需求量逐年增加,特別是對(duì)冬、春季茄子上市要求逐年提高,促使我國(guó)北方地區(qū)茄子設(shè)施栽培面積不斷增加。茄子屬喜溫作物,低溫逆境成為北方日光溫室栽培中最大的限制因素,產(chǎn)業(yè)的需求對(duì)茄子在冬、春季設(shè)施栽培中品種的耐低溫性、設(shè)施條件和栽培技術(shù)提出了更高要求。因此,國(guó)內(nèi)外科研人員為研究低溫對(duì)茄子生長(zhǎng)發(fā)育的影響、選育耐低溫品種付出了巨大努力,也取得了豐碩的研究成果。

1 低溫對(duì)茄子生長(zhǎng)發(fā)育的影響

茄子與辣椒相似,在北方設(shè)施栽培中耐低溫能力較番茄和黃瓜要差[1]。低溫會(huì)導(dǎo)致茄子植株內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化酶、光合作用、內(nèi)源激素等產(chǎn)生明顯變化,從而引起生長(zhǎng)減緩或停止,進(jìn)而形態(tài)發(fā)生變化。低溫脅迫的加重可造成茄子株高、莖粗的增長(zhǎng)量也隨之降低[2]。低溫使茄子發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用并對(duì)茄子葉片光合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和活性造成傷害,并且隨著低溫時(shí)間延長(zhǎng),茄子葉片中游離脯氨酸(Pro) 含量、丙二醛(MDA) 含量和電解質(zhì)滲透率有不同程度的升高,變化幅度逐步增大[3]。低溫脅迫加速了茄子幼苗葉片中葉綠素的降解,使葉綠素含量明顯降低,造成光補(bǔ)償點(diǎn)、光合速率和表觀量子效率(AQY)的降低[4,5]。隨著光合速率的降低,氣孔導(dǎo)度(Gs)、細(xì)胞間CO2濃度(Ci)也隨光合速率(Pn)呈類似的下降趨勢(shì),說(shuō)明低溫條件下茄子光合作用受限制的原因是氣孔限制[6]。低溫破壞了細(xì)胞膜的完整性,表現(xiàn)為MDA含量和活性氧(ROS)水平顯著提高。為抵御低溫脅迫,茄子幼苗葉片中Pro、可溶性糖、可溶性蛋白含量均隨之增加,并通過(guò)提高過(guò)氧化物酶(POD)、超氧化歧化酶(SOD) 和過(guò)氧化氫酶(CAT)的活性,增強(qiáng)植株對(duì)冷害的抗性[4,5,7,8,9,10]。低溫脅迫下,茄子幼苗脫落酸(ABA)、吲哚-3-乙酸(IAA)、赤霉素(GA3) 含量顯著上升,玉米素(ZT)含量則顯著下降[11]。

茄子苗期低溫脅迫會(huì)降低根系活力,使總吸收面積、活躍吸收面積和比表面積降低,提高根系內(nèi)可溶性糖含量[12]。低溫同樣會(huì)對(duì)嫁接茄子根系產(chǎn)生影響,使 MDA含量、冷害指數(shù)、POD 活性、Pro含量、可溶性蛋白含量等迅速增加, 而根系呼吸速率、SOD、CAT 活性等迅速降低。但采用耐低溫性較強(qiáng)的砧木品種嫁接苗恢復(fù)能力更強(qiáng),而耐低溫性較弱的砧木品種嫁接苗與自根苗恢復(fù)能力均較差[13]。

茄子苗期低溫會(huì)對(duì)根系吸收礦質(zhì)元素的能力也產(chǎn)生影響,經(jīng)過(guò)低溫處理的幼苗,正常栽培后果實(shí)中礦質(zhì)元素含量降低,但抗氧化活性升高,也就是說(shuō)低溫誘導(dǎo)使植株產(chǎn)生了脅迫記憶[14]。

2 提高茄子耐低溫能力的研究

研究發(fā)現(xiàn)選用耐低溫能力強(qiáng)的品種、嫁接、應(yīng)用植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、亞低溫馴化等方法都可以有效提高茄子的耐低溫能力。不同品種對(duì)低溫條件下的表現(xiàn)并不相同,往往栽培中被認(rèn)為耐低溫性強(qiáng)的品種,可以保持旺盛的生長(zhǎng),具有較高的株高和莖粗,并且POD活性和SOD活性更高一些,滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如Pro、可溶性糖、可溶性蛋白等增幅更大[5,15,16]。綠萼紫茄在耐低溫性上較紫長(zhǎng)茄、紫圓茄、綠茄、紫線茄表現(xiàn)更強(qiáng)[17]。耐低溫品種的光合速率、根系活力受低溫影響更小,降低的幅度也更小,并且根系的調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)[5,6,12]。一些耐低溫野生種表現(xiàn)更加突出,其抗氧化酶類活性更高,滲透調(diào)節(jié)能力也更強(qiáng)[4]。

研究發(fā)現(xiàn),采用耐低溫的砧木材料嫁接可以有效降低低溫對(duì)茄子根系的損傷程度,耐低溫的砧木根系抗氧化和滲透調(diào)節(jié)能力更強(qiáng),并且解除低溫脅迫后的恢復(fù)能力更好[13]。低溫脅迫可以降低茄子葉片的光合能力,但耐低溫砧木嫁接可以明顯減少光合參數(shù)的降低,并且恢復(fù)正常溫度后,植株的光合參數(shù)恢復(fù)也更加迅速[7]。

茄子幼苗外源噴施10 mg/L ABA和1 000 mg/L氯化鈣能夠使茄子的冷害指數(shù)顯著下降,并且明顯降低茄子幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量,提高葉綠素含量和光合速率,提高保護(hù)酶和葉綠體膜ATP酶含量,對(duì)冷害具有緩解作用[18]。隨著茄子幼苗施用外源褪黑素(Melatonin)的濃度逐步升高至200 μmol/L,葉片Pn、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和光能利用效率(LUE)首先提高, Ci保持相對(duì)穩(wěn)定,水分利用效率(WUE)表現(xiàn)降低趨勢(shì)。表明褪黑素顯著提高茄子幼苗在低溫下的光合能力[19]。茄子幼苗外源噴施10 μmol/L 6-芐氨基嘌呤(6-BA)可促進(jìn)低溫脅迫下茄子植株生長(zhǎng),抑制葉綠素含量降低,緩解低溫造成的活性氧升高和膜質(zhì)過(guò)氧化作用,提高SOD、POD、CAT、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)、谷胱甘肽還原酶(GR)活性,通過(guò)AsA-GSH循環(huán)積累抗壞血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH),提高Pro和可溶性蛋白濃度,從而提高茄子耐低溫性[20]。同樣,外源施用0.1 μmol/L表油菜素內(nèi)酯(24-Epibrassinolide)也可以顯著提高低溫脅迫下茄子幼苗的光合能力,降低活性氧傷害和脂質(zhì)過(guò)氧化作用,提高過(guò)氧化物酶活性[21,22]。應(yīng)用0.1 mmol/L水楊酸(SA)+3%硝酸鉀溶液浸泡茄子種子可以顯著提高低溫下種子萌發(fā)和出苗,并且種子4 ℃儲(chǔ)存30 d后,這種促進(jìn)效應(yīng)仍然存在[23]。

茄子幼苗經(jīng)過(guò)2～4 d 亞低溫處理后其滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與活性氧清除物質(zhì)都向著有利于提高其抗性的方向變化,有利于提高耐低溫性,起到一種冷馴化作用。亞低溫甚至可以使某些耐低溫品系基因表達(dá)發(fā)生改變而誘發(fā)合成特異性蛋白質(zhì)[16,24,25]。

應(yīng)用秸稈反應(yīng)堆技術(shù)不僅可以提高設(shè)施內(nèi)氣溫、地溫和CO2濃度,還可以顯著增強(qiáng)茄子葉片抗氧化酶活性,提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量,減少膜脂過(guò)氧化,提高根系活力,可以很好的提高茄子耐低溫能力[26]。

3 茄子耐低溫性鑒定與遺傳研究

茄子種質(zhì)資源耐低溫性鑒定評(píng)價(jià)與遺傳規(guī)律的研究對(duì)選育耐低溫品種至關(guān)緊要。大量研究表明耐低溫材料可以通過(guò)調(diào)節(jié)自身的保護(hù)系統(tǒng)減輕低溫脅迫的傷害,低溫脅迫提高了茄子的 MDA 含 量、O-·產(chǎn)生速率和 HO含量,增加了抗氧化酶 SOD、POD、CAT、APX、DHAR 和GR的活性、抗氧化劑 AsA和 GSH 的含量,以及Pro和可溶性蛋白質(zhì)的含量,說(shuō)明低溫脅迫不僅會(huì)提高細(xì)胞活性氧水平,也可誘發(fā)植物防御體系的建立,從而避免或減輕活性氧對(duì)植株的傷害[2,8,9]。耐低溫性與莖粗、地上鮮重、可溶性糖、電導(dǎo)率、葉綠素降低值、MDA含量、產(chǎn)生速率、POD 活性、SOD活性、CAT活性密切相關(guān)[2,15,27],與ABA、IAA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)顯著水平[10],與株高下降值、Pro和可溶性蛋白含量增加值關(guān)系較小[2]。因此,抗氧化酶活性、抗氧化劑含量和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及光合速率、葉綠素?zé)晒?、?nèi)源ABA、IAA含量等參數(shù)被應(yīng)用在茄子耐低溫材料的篩選上。如陳磊等篩選出早熟材料142和單性結(jié)實(shí)材料D-6-1對(duì)低溫弱光的耐受性較強(qiáng)[9],陳建林發(fā)現(xiàn)野生種Eg193的低溫受損程度較夏秋季露地品種Eg12小[4],閻世江在10份茄子高代自交系中選出2份材料耐低溫性較強(qiáng)[15],程志芳利用葉綠素?zé)晒鈪?shù)在14個(gè)圓茄品種中選出3個(gè)對(duì)低溫耐性較強(qiáng)的品種[28],任國(guó)三認(rèn)為‘濟(jì)農(nóng)世紀(jì)星’長(zhǎng)茄較其他兩個(gè)品種對(duì)低溫的耐受性更強(qiáng)[5]。高青海認(rèn)為赤茄砧木嫁接苗較臺(tái)茄砧木嫁接苗和自根苗耐低溫性更強(qiáng)[13]。包崇來(lái)在100份茄子種質(zhì)資源中篩選出了耐低溫基因型材料E659和低溫敏感基因型材料E646[29]。

由于育種實(shí)踐中往往需要同時(shí)篩選的耐低溫資源材料較多,特別是分離系選后代多為單株,無(wú)法進(jìn)行大量酶活性、激素含量、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等測(cè)定。為方便評(píng)價(jià)篩選,程志芳認(rèn)為葉綠素?zé)晒鈪?shù),即實(shí)際光能轉(zhuǎn)化效率、光下最大熒光、光下最大可變熒光、開放PSII有效光能轉(zhuǎn)化效率、光化學(xué)猝滅系數(shù)和非光化學(xué)猝滅系數(shù),可以用來(lái)鑒定茄子品種的耐低溫能力[28]。查丁石提出利用茄子種子在 17.5 ℃時(shí)144 h的發(fā)芽率、0～1 ℃時(shí)幼苗冷害指數(shù)、10 ℃/20 ℃細(xì)胞質(zhì)膜相對(duì)透性、遮光處理30 d后幼苗干重、莖粗、葉綠素相對(duì)含量及光照強(qiáng)度為250 μmol/m2·s和500 μmol/m2·s時(shí)凈光合速率可作為茄子耐低溫、耐弱光性能的鑒定指標(biāo)[30]。但從目前研究結(jié)果來(lái)看,茄子耐低溫性很難用任何單一的指標(biāo)來(lái)真正反映其耐低溫實(shí)際狀況,應(yīng)采取綜合指標(biāo)進(jìn)行鑒定[31]。閻世江認(rèn)為只考慮形態(tài)學(xué)性狀,如株高、莖粗等,或生理指標(biāo),如POD 活性等,均較片面。運(yùn)用逐步回歸分析的方法,在測(cè)定的大量性狀中選擇對(duì)茄子耐低溫性貢獻(xiàn)較大的因子,剔除影響較小的因子,建立回歸方程。這樣建立的鑒定體系充分考慮苗期形態(tài)及生理指標(biāo)的表現(xiàn),既考慮宏觀表現(xiàn),又考慮內(nèi)在生理生化特性發(fā)生的變化,更為全面可靠[15]。

在耐低溫性遺傳分析中,閻世江利用耐低溫性不同的6份茄子材料及其雙列雜交組合進(jìn)行耐低溫性、株高、株幅、結(jié)果數(shù)、產(chǎn)量、單果重等性狀的遺傳規(guī)律及相互間關(guān)系分析,認(rèn)為耐低溫性、結(jié)果數(shù)、產(chǎn)量和單果重的遺傳符合加性—顯性模型,廣義遺傳力分別為 84.030%、68.110%、94.711% 和58.921%,狹義遺傳力分別為75.821%、60.801%、6.191%和49.632%。相關(guān)分析表明,結(jié)果數(shù)與耐低溫性相關(guān)性較其他性狀更強(qiáng),可應(yīng)用于耐低溫品種選育中[32]。該結(jié)果也與生產(chǎn)實(shí)際中低溫期坐果率下降相符合。

4 茄子耐低溫相關(guān)基因挖掘與分子標(biāo)記開發(fā)

茄科作物中耐低溫相關(guān)基因研究最多的是番茄和煙草,而茄子耐低溫相關(guān)基因研究較少。茄子耐低溫相關(guān)基因主要集中于擬南芥中已明確耐低溫作用的相關(guān)基因分析和基于高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)野生茄子耐低溫基因的挖掘。蔡霞成功將擬南芥冷調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子atCBF3基因?qū)肭炎踊蚪M,測(cè)定轉(zhuǎn)基因植株抗寒性相關(guān)的生理生化指標(biāo)發(fā)現(xiàn),atCBF3基因?qū)S持質(zhì)膜穩(wěn)定和細(xì)胞滲透壓作用明顯,認(rèn)為atCBF3基因的過(guò)量表達(dá)是轉(zhuǎn)基因茄子抗寒性提高的直接因素[33]。Lu Zhou 研究發(fā)現(xiàn)SmICE1a基因是茄子抗寒基因家族SmCBFs的轉(zhuǎn)錄因子,可正向調(diào)控SmCBFs表達(dá),將茄子SmICE1a基因轉(zhuǎn)入擬南芥,并使其在低溫條件下過(guò)量表達(dá)發(fā)現(xiàn),擬南芥atCBFs和它的靶基因AtCOR15A、AtCOR47、AtKIN1 和AtRD29A被上調(diào),生化指標(biāo)顯示轉(zhuǎn)SmICE1a基因擬南芥耐寒性高于對(duì)照野生品種[34]。Xu Yang利用高通量測(cè)序技術(shù)研究了低溫下野生刺茄miRNA及其靶基因,得到并驗(yàn)證了9個(gè)顯著差異表達(dá)的miRNA和12個(gè)靶向的mRNA[35]。

茄子分子標(biāo)記開發(fā)工作已取得許多成效。Barchi等基于簡(jiǎn)化基因組測(cè)序(RAD tag sequencing)數(shù)據(jù)305E40和67/3兩份茄子自交系中檢測(cè)到了約10 000 個(gè)SNPs、1 000個(gè) InDels和2 000個(gè)SSR 位點(diǎn)[36]。隨后,Barchi和Portis利用388個(gè)SNP標(biāo)記、43個(gè)SSR標(biāo)記、3個(gè)CAPS 標(biāo)記、11 個(gè)RFLP標(biāo)記和 27 個(gè)COSⅡ標(biāo)記,以 305E40和67/3及其F2 為材料,構(gòu)建了茄子遺傳圖譜,并對(duì)花青素和產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀進(jìn)行QTL定位分析[37,38]。吉康娜利用2份在果實(shí)與抗性上存在顯著差異的茄子的全基因重測(cè)序數(shù)據(jù),鑒定出151 327個(gè)InDel位點(diǎn),在隨機(jī)選取的180個(gè)InDel 標(biāo)記中有62個(gè)標(biāo)記具有多態(tài)性,多態(tài)率為34.7%[39]。雖然茄子的多態(tài)性標(biāo)記開發(fā)較多,但能夠鑒定茄子耐低溫性的功能性分子標(biāo)記還沒(méi)有得到有效開發(fā)和應(yīng)用。

5 總結(jié)與展望

已有茄子低溫脅迫相關(guān)研究表明,低溫脅迫會(huì)產(chǎn)生超氧自由基和過(guò)氧化物破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和光合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及活性,進(jìn)而激發(fā)抗氧化酶活性,誘發(fā)建立茄子自身防御體系,產(chǎn)生滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),調(diào)節(jié)內(nèi)源激素,以減輕和緩解低溫脅迫造成的傷害。很顯然不同茄子種質(zhì)資源材料的耐低溫能力是不同的,人們通過(guò)破壞程度、修復(fù)能力、調(diào)節(jié)能力和恢復(fù)能力4個(gè)方面來(lái)綜合篩選和評(píng)價(jià)材料的耐低溫能力,分析了茄子耐低溫性的遺傳規(guī)律及與其它性狀的相關(guān)性,挖掘了一些耐低溫相關(guān)基因,也探索了一些栽培措施來(lái)提高茄子的耐低溫性。總體目的是要從育種和栽培兩方面克服低溫環(huán)境,延長(zhǎng)種植期,提高茄子總體生產(chǎn)效益。但就目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看,茄子耐低溫性的分子機(jī)理尚不清楚,有效的耐低溫分子標(biāo)記尚待開發(fā),評(píng)價(jià)方法不夠準(zhǔn)確高效,研究水平較番茄、煙草等茄科作物仍有較大差距。現(xiàn)有研究多集中在茄子苗期進(jìn)行,隨著北方設(shè)施茄子周年一大茬栽培方式的不斷普及,低溫脅迫更多出現(xiàn)在冬、春季結(jié)果期,而這一時(shí)期研究對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求過(guò)高,相應(yīng)報(bào)道極少,但卻是更值得研究的時(shí)期。耐低溫茄子品種的選育亟待鑒定評(píng)價(jià)技術(shù)在準(zhǔn)確性和效率上取得突破,同時(shí)也十分依賴茄子野生資源優(yōu)良耐低溫基因的開發(fā)利用?？偟膩?lái)說(shuō),未來(lái)隨著分子生物技術(shù)的迅猛發(fā)展,茄子耐低溫性研究必將進(jìn)入更深層次,機(jī)理也會(huì)日漸清晰,功能性分子標(biāo)記的開發(fā)將大大推進(jìn)茄子耐低溫新品種的育種進(jìn)程。