低溫脅迫對彩椒幼苗生長指標(biāo)及光合特性的影響

許耀照，張芬琴，陳修斌，李翊華，權(quán)建華

(1.河西學(xué)院 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，甘肅 張掖 734000；2.甘肅省河西走廊特色資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 張掖 734000)

溫度是限制植物生長的主要環(huán)境因子之一，不適宜的溫度影響植物生長發(fā)育和光合速率，遭受溫度脅迫時(shí)植物易發(fā)生光抑制現(xiàn)象[1]。低溫也是影響植物物質(zhì)代謝的非生物脅迫主導(dǎo)因子。甘肅河西走廊的設(shè)施蔬菜生產(chǎn)在晚冬或早春易發(fā)生長期偏低溫或短期臨界低溫脅迫，影響設(shè)施蔬菜的生長和品質(zhì)，因此，研究設(shè)施蔬菜作物對偏低溫和短時(shí)臨界低溫的適應(yīng)機(jī)制，對實(shí)現(xiàn)設(shè)施蔬菜高效生產(chǎn)有重要的意義。低溫脅迫使作物光合作用降低是蔬菜減產(chǎn)的主要原因[2]。光合作用是植物物質(zhì)合成的源泉，低溫脅迫下作物光合能力的強(qiáng)弱可從光合指標(biāo)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)等多方面反映[3]。葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)技術(shù)是檢測植物葉片光合功能無損傷的有效探針，最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)大小反映植物PSⅡ受傷害的程度[4]，光合性能指數(shù)(PI)是葉片吸收光能的基本指數(shù)，可較準(zhǔn)確反應(yīng)植物光合機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。已有廣玉蘭[5]、番茄[6，7]、茄子[8]和玉米[9]等低溫脅迫下研究報(bào)道，但設(shè)施彩椒低溫脅迫報(bào)道較少。

彩椒是一類高檔蔬菜，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，增產(chǎn)潛力大，在設(shè)施彩椒生產(chǎn)中低溫脅迫制約其高效生產(chǎn)。本研究以設(shè)施彩椒花仙子為試驗(yàn)材料，探討低溫脅迫對其生長及光合特性的影響，進(jìn)一步揭示低溫脅迫影響其生長、光合作用及光系統(tǒng)傷害的生理學(xué)機(jī)制，以期為設(shè)施彩椒高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供部分試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

花仙子黃色甜椒種子由北京南無科貿(mào)有限責(zé)任公司提供，挑選200粒大小一致的種子置于95%乙醇滅菌10 min后，用清水沖洗3次，將種子置于清水中催芽6 h；將育苗基質(zhì)置于120 ℃烘箱(型號：DGH-9 123 A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱)中滅菌8 h，催芽黃色甜椒種子播種于9 cm×9 cm(口徑×高)營養(yǎng)缽中，在營養(yǎng)缽上覆一層塑料薄膜，待種子發(fā)芽后，移去塑料薄膜，每天下午彩椒幼苗噴水1次，間隔3 d將營養(yǎng)缽轉(zhuǎn)換方向使之受光均勻，使其長勢一致。試驗(yàn)在甘肅省河西走廊特色資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2 低溫處理

待彩椒幼苗長至四葉一心時(shí)，將30株彩椒幼苗置于3個(gè)智能人工氣候箱(RXZ-310B型)中進(jìn)行溫度脅迫處理，每個(gè)智能人工氣候箱處理10株：常溫對照 (CK，25 ℃/18 ℃晝/夜，12 h/12 h)；處理1：偏低溫T1(19 ℃/12 ℃ 晝/夜， 12 h/12 h)；處理2：臨界低溫T2 (15 ℃/8 ℃ 晝/夜，12 h/12 h)；智能人工氣候箱的光照條件設(shè)為(400±5) μmol·m-2·s-1和相對濕度保持在(80±1)%RH，在CK、T1和T2溫度處理14 d時(shí)測定其生長指標(biāo)和光合指標(biāo)等。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

隨機(jī)選取CK，T1和T2的5株彩椒幼苗，采用直尺(0.1 mm)分別測其株高、植株冠長和根長，游標(biāo)卡尺(0.01 mm)測定莖粗，計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)葉片數(shù)，分析天平(0.000 1 g)測定植株地上鮮重和地下鮮重以及植株105 ℃殺青20 min，80 ℃恒溫烘干24 h后測定地上干重和地下干重，并計(jì)算根冠比(干重)，用量筒排水法測定根體積[10]。

由上向下選彩椒幼苗第4片展開功能葉，用浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)的TYS-A型葉綠素測定儀測葉片相對葉綠素含量SPAD值。用英國Hansatech公司生產(chǎn)的CIRAS-2型便攜式光合測定系統(tǒng)測定其光合參數(shù)，使用光合儀的開放氣路，測定參數(shù)包括凈光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr，mmol·m-2·s-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs，mol·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(Ci，μmol·mol-1)，并用Berry和Downton[11]的方法計(jì)算氣孔限制值(Ls，%)：Ls(%)=(1-Ci/Ca)×100%。用英國Hansatech公司生產(chǎn)的Handy PEA植物效率分析儀測定經(jīng)過暗適應(yīng)20 min后功能葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)和光合性能指數(shù)(PI)等葉綠素?zé)晒鈪?shù)。所有測定指標(biāo)重復(fù)5次，取其平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用 Excel 2010軟件做表，用DPS 9.50軟件進(jìn)行Duncan方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對彩椒幼苗生長特性的影響

由表1可看出：隨著脅迫溫度的降低，彩椒幼苗的株高、莖粗、葉片數(shù)、植株冠長和根長均顯著降低(P<0.05)，且臨界低溫T2處理降低的趨勢強(qiáng)于偏低溫T1處理，T2與T1處理間葉片數(shù)和根長達(dá)到顯著差異(P<0.05)。T1處理與CK相比較依次降低了33.33%、18.81%、35.53%、56.45%和12.27%，株高、葉片數(shù)和植株冠長的最低降幅都達(dá)到了33%，最高降幅達(dá)到了56%；T2處理與CK相比較依次降低了35.77%、22.10%、51.32%、64.21%、45.09%，株高和根長的最低降幅達(dá)到35%以上，最高降幅達(dá)到了45%，葉片數(shù)和植株冠長的最低降幅達(dá)到了50%，最高降幅達(dá)到了64%。這表明低溫脅迫抑制彩椒幼苗的生長，T2處理明顯抑制彩椒幼苗的生長，T1處理對彩椒幼苗生長也有一定的抑制作用。

表1 低溫脅迫對彩椒幼苗生長特性的影響Table 1 Effects of growth characteristics of pepper seedlings under low temperature stress

注：同列不同小寫字母表示P<0.05水平的差異顯著性，數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，下同。

Note：Values followed by the different letters are significantly different atP<0.05，the data：mean± SD. The same below.

2.2 低溫脅迫對彩椒幼苗鮮重、干重及根冠比的影響

由表2可看出：隨著脅迫溫度的降低，彩椒幼苗地上鮮重、地下鮮重、地上干重、地下干重和根冠比均顯著降低(P<0.05)，臨界低溫T2處理降低趨勢強(qiáng)于偏低溫T1處理，T2與T1處理間干重和根冠比達(dá)到顯著差異(P<0.05)。T1處理與CK相比依次降低了70.17%、83.67%、63.29%、69.80%和15.02%；彩椒幼苗鮮重降幅達(dá)到70%以上，干重降幅達(dá)到60%，地下鮮重降幅達(dá)到84%，根冠比降幅達(dá)到15%；T2處理與CK相比依次降低了80.95%、95.14%、80.56%、89.33%和45.14%，彩椒幼苗鮮重和干重降幅達(dá)到80%，地下鮮重降幅達(dá)到95%，根冠比降幅達(dá)到45%。這表明低溫抑制彩椒幼苗鮮重、干重的增長，臨界低溫T2處理抑制程度達(dá)到80%。

表2 低溫脅迫對彩椒幼苗鮮重、干重及根冠比的影響Table 2 Effects on fresh weight and dry weight and root-top ratio of pepper seedlings under low temperature stress

2.3 低溫脅迫對彩椒幼苗根體積和SPAD值的影響

由表3可看出：隨著脅迫溫度的降低，彩椒幼苗根體積和SPAD值均顯著下降(P<0.05)，且臨界低溫T2處理降低趨勢強(qiáng)于偏低溫T1處理，T2與T1處理間根體積達(dá)到顯著差異(P<0.05)。T1處理與CK相比依次降低了79.92%和29.35%；T2處理與CK相比較依次降低了93.94%和3395%。這表明低溫抑制彩椒幼苗根體積和SPAD值增加，臨界低溫T2處理根體積抑制程度達(dá)到90%。

表3低溫脅迫對彩椒幼苗根體積和SPAD值的影響

Table3 Effects on root volume and SPAD value of pepper seedlings under low temperature stress

處理Treatments根體積/mLRoot volumeSPAD值SPAD valueCK5.28±0.35a41.28±0.79aT11.06±0.09b29.17±0.94bT20.32±0.04c27.27±1.09b

2.4 低溫脅迫對彩椒幼苗葉片光合指標(biāo)的影響

由表4可看出：隨著脅迫溫度的降低，彩椒幼苗葉片的光合指標(biāo)均顯著下降(P<0.05)，臨界低溫T2處理降低趨勢強(qiáng)于偏低溫T1處理，T2與T1處理間光合速率和氣孔限制值達(dá)到顯著差異(P<0.05)。T1處理與CK相比，彩椒幼苗葉片的蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、光合速率和氣孔限制值依次降低了51.51%、27.35%、0.88%、27.66%和1.69%；蒸騰速率的降幅達(dá)到了50%以上； T2處理與CK相比較依次降低了57.48%、30.69%、2.04%、66.40%和46.91%，彩椒幼苗光合速率的降幅最高達(dá)到了66.00%以上，氣孔限制值由T1處理的1.69%明顯增加到T2處理的46.91%。這表明低溫抑制彩椒幼苗光合特性，臨界低溫T2處理明顯降低彩椒幼苗的光合速率，氣孔限制是彩椒幼苗光合速率降低的主要因素。

表4 低溫脅迫對彩椒幼苗葉片光合指標(biāo)的影響Table 4 Effects on leaf photosynthetic index of pepper seedlings of low temperature stress

2.5 低溫脅迫對彩椒幼苗葉片F(xiàn)v/Fm和PI的影響

Fv/Fm的大小表示 PSⅡ受傷害的程度[4]， PI的大小表示葉片吸收光能強(qiáng)弱的性能。由表5可以看出：隨著脅迫溫度的降低，彩椒幼苗的Fv/Fm和PI均顯著下降(P<0.05)，且臨界低溫T2處理降低趨勢強(qiáng)于偏低溫T1處理，T2與T1處理間Fv/Fm和PI達(dá)到顯著差異(P<0.05)。T1處理與CK相比Fv/Fm和PI依次降低了0.06%和20.23%；T2處理與CK相比Fv/Fm和PI依次降低了8.96%和57.77%。這表明低溫降低了彩椒幼苗葉片PSⅡ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和光合性能指數(shù)(PI)，臨界低溫T2處理PI抑制程度達(dá)到57.77%，使得彩椒幼苗葉片吸收光能能力減弱一半以上。

表5低溫脅迫對彩椒幼苗葉片F(xiàn)v/Fm和PI的影響

Table5 Effects on Fv/Fmand PI in the leaves of pepper seedlings under low temperature stress

處理TreatmentasFv/FmPICK0.851 7±0.002 3a1.778 6±0.116aT10.815 2±0.002 7a1.418 7±0.569bT20.742 6±0.009 7b0.751 1±0.476c

2.6 低溫脅迫下彩椒幼苗葉片光合速率與各指標(biāo)的相關(guān)性分析

分析偏低溫T1和臨界低溫T2處理的彩椒幼苗的生長指標(biāo)、光合特性和葉綠素?zé)晒鈪?shù)與光合速率之間的相關(guān)性(表6)。結(jié)果表明，彩椒幼苗的光合速率與根冠比、Ci和PI呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為1.00；光合速率與根長和葉片數(shù)呈顯著相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)依次為0.99和0.95。偏低溫T1和臨界低溫T2處理的彩椒幼苗對光合速率的正效應(yīng)表現(xiàn)為Ls=地上干重=地下干重(0.92)>Fv/Fm(0.91)>根體積=莖粗(0.89)>地上鮮重=SPAD值(0.88)>植株冠長=Gs=Tr(0.87)>株高(0.85)。

表6低溫脅迫下彩椒幼苗葉片光合速率與各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

Table6 Correlation coefficient of photosynthetic rate and indexes of pepper seedlings under low temperature stress

指標(biāo)Index光合速率Pn指標(biāo)Index光合速率Pn株高0.85根冠比1.00**莖粗0.89根體積0.89葉片數(shù)0.95*SPAD值0.88植株冠長0.87胞間CO2濃度1.00**根長0.99*氣孔限制值0.92地上鮮重0.88氣孔導(dǎo)度0.87地下鮮重0.87蒸騰速率0.87地上干重0.92PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率0.91地下干重0.92光合性能指數(shù)1.00**

注：*表示顯著相關(guān)；**表示極顯著相關(guān)。

Note：*Correlation is significant at the 0.05 level(2-tailed)；**Correlation is significant at the 0.01 level(2-tailed).

3 討論與結(jié)論

我國北方反季節(jié)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)冬季和早春溫度驟降、持續(xù)低溫和亞低溫時(shí)常發(fā)生，低溫導(dǎo)致設(shè)施蔬菜生長遲緩甚至死亡等。作物生長發(fā)育都有其最佳溫度范圍，低于該溫度就是一種脅迫。本研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫明顯抑制設(shè)施彩椒株高、莖粗、葉片數(shù)、植株冠長、植株、植株根長、地上鮮重與干重、地下鮮重與干重，且隨著脅迫溫度的降低，設(shè)施彩椒生長指標(biāo)明顯降低。這表明偏低溫脅迫對設(shè)施彩椒幼苗的生長具有一定的抑制作用，臨界低溫(15 ℃/8 ℃ 晝/夜)的抑制作用尤為明顯，所以，在冬季和早春低溫發(fā)生時(shí)做好防寒保溫措施，以減弱低溫對設(shè)施彩椒生長的抑制作用。

低溫直接影響植物光合器官結(jié)構(gòu)和活性，也間接影響其光合作用，光合參數(shù)可直接反映其光合作用的強(qiáng)弱。Farquhar等[12]認(rèn)為植物葉片光合速率下降有葉片氣孔導(dǎo)度下降導(dǎo)致CO2的供應(yīng)受阻的氣孔限制和葉肉細(xì)胞光合性能下降導(dǎo)致葉肉細(xì)胞同化CO2能力下降的非氣孔限制。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著脅迫溫度降低，彩椒葉片光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度逐漸降低，低溫抑制彩椒幼苗光合特性，臨界低溫(15 ℃/8 ℃ 晝/夜)明顯降低彩椒幼苗的光合速率，且氣孔限制是彩椒幼苗受到低溫脅迫時(shí)光合速率降低的主要制約因素。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)具有反映植物光合作用“內(nèi)在性”的特點(diǎn)，被稱為活體測定葉片光合功能無損傷探針[13，14]，葉綠素?zé)晒鈪?shù)可反映光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)對光能的吸收、傳遞和耗散狀況。通過測定植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)，可了解植物對逆境脅迫的生理響應(yīng)[15，16]。Fv/Fm大小能反映 PSⅡ反應(yīng)中心的活性，也反映 PSⅡ反應(yīng)中心光能的轉(zhuǎn)化效率，其值降低表明低溫脅迫下葉片發(fā)生了光抑制[17]。光合性能指數(shù)PI是一個(gè)綜合反映光合機(jī)構(gòu)活性的參數(shù)，其對環(huán)境變化最敏感的熒光參數(shù)，常估計(jì)植物光化學(xué)反映對環(huán)境的響應(yīng)狀況。本研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫使彩椒幼苗葉片發(fā)生了光抑制，同時(shí)也降低了彩椒幼苗葉片吸收光能的能力。

綜上，偏低溫和臨界低溫對設(shè)施彩椒幼苗生長指標(biāo)和光合特性的影響存在明顯差異，尤以臨界低溫影響嚴(yán)重。低溫使設(shè)施彩椒幼苗的生長指標(biāo)和光合特性均呈一定程度下降。在臨界低溫脅迫下，彩椒幼苗的光合速率與根冠比、Ci和PI呈極顯著正相關(guān)，光合速率與葉片數(shù)和根長呈顯著相關(guān)，可作為彩椒低溫脅迫程度的判斷指標(biāo)。