低溫和亞低溫對番茄幼苗生長及生理特性的影響

郭樹勛，楊 然，胡曉輝，李小婧，張 毅

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西太谷 030801；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西楊凌 712100）

近年來全球極端天氣頻發(fā)，番茄（Solanum lycopersicum L.）等喜溫作物在生長期常遭遇陰雨、寒潮、倒春寒等低溫氣象災(zāi)害。持續(xù)性低溫導(dǎo)致作物生物膜穩(wěn)定性下降、胞內(nèi)組分含量變化，進(jìn)而影響植物正常生理生化代謝，損傷植物形態(tài)結(jié)構(gòu)，降低作物產(chǎn)量與質(zhì)量，嚴(yán)重時可引起植株死亡[1]。低溫脅迫可危害植物整個生長周期，在播種期表現(xiàn)為爛種、出苗率低，在幼苗期導(dǎo)致葉長縮短、葉片數(shù)減少，在生殖期則會推遲植物抽穗、導(dǎo)致花粉不育。岳俊芹等[2]研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫能夠降低小麥的千粒質(zhì)量及單株產(chǎn)量。王新欣等[3]研究發(fā)現(xiàn)，大豆花期遭遇低溫脅迫會降低莢數(shù)及粒質(zhì)量。不僅露地作物需要防范低溫，部分棚室或節(jié)能型日光溫室由于結(jié)構(gòu)較為簡單也經(jīng)常產(chǎn)生低溫和亞低溫環(huán)境[4]。楊再強(qiáng)等[5]研究發(fā)現(xiàn)，低溫弱光條件會降低設(shè)施內(nèi)番茄幼苗地下部干物質(zhì)積累能力。張溪荷等[6]研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫能夠降低設(shè)施作物茄子、番茄、甜椒及黃瓜的光合能力。因此，研究低溫和亞低溫對植物的影響具有重要的實際意義。

番茄是全球主要種植的果菜之一，我國栽培總面積約106.7 萬hm2，每年產(chǎn)值可達(dá)1 600 億元，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主要地位。番茄幼苗期對環(huán)境溫度變化非常敏感，當(dāng)外界溫度低于10 ℃時生長速度減緩，低于5 ℃則生長停滯，因此，低溫冷害是影響番茄生長的主要自然災(zāi)害之一[7]。研究表明，低溫等非生物脅迫條件會誘導(dǎo)植物發(fā)生一系列生理生化變化。古麗江等[8]研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫會提高紅加侖的可溶性蛋白含量。張騰國等[9]研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫和鹽脅迫均能提高油菜的活性氧積累量。項洪濤等[10]研究發(fā)現(xiàn)，隨低溫脅迫程度的加深，水稻抗氧化酶活性呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢。因此，低溫脅迫下植物抗氧化酶系統(tǒng)的變化對保持生物膜系統(tǒng)穩(wěn)定高效及維持活性氧動態(tài)平衡具有重要意義。

綜上所述，低溫是危害番茄生產(chǎn)的主要自然災(zāi)害之一，研究低溫和亞低溫環(huán)境對番茄幼苗生理特性的影響可為抵御低溫逆境提供一定的理論依據(jù)。因此，本試驗利用人工氣候箱模擬低溫和亞低溫條件，通過測定番茄幼苗生物量、活性氧含量、抗氧化酶活性及可溶性蛋白含量的變化，分析低溫脅迫對番茄幼苗生長及抗氧化酶系統(tǒng)的影響，旨在探明低溫和亞低溫條件對番茄幼苗生理特性的影響，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者科學(xué)減災(zāi)、防災(zāi)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試番茄品種為我國廣泛栽培的中雜9 號，種子購自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所。

1.2 試驗方法

試驗于2020 年4 月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗大樓內(nèi)進(jìn)行。選取籽粒飽滿、大小一致的番茄種子，經(jīng)55 ℃溫湯浸種15 min，置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱催芽，48 h 后將露白1 mm 的種子播種于72 孔穴盤中。栽培基質(zhì)購于沃德農(nóng)業(yè)科技公司。當(dāng)幼苗長至三葉一心時，選取長勢一致的幼苗定植于12 cm×13 cm的營養(yǎng)缽中，緩苗3 d 后置于人工氣候培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行處理。試驗共設(shè)3 個處理，人工氣候培養(yǎng)箱參數(shù)設(shè)置分別為常溫（24 ℃/18 ℃，CK）、亞低溫（18 ℃/12 ℃，YDW）、低溫（12 ℃/6 ℃，DW）；其他參數(shù)設(shè)定保持一致，晝夜周期12/12 h，相對濕度60%，光照強(qiáng)度30 000 lx。單株2 d 澆灌一次50 mL 1 倍日本山崎番茄配方營養(yǎng)液，每處理重復(fù)25 株，處理14 d 取樣。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生長指標(biāo)測定 番茄幼苗從子葉處分為地上部、地下部兩部分并測定鮮干質(zhì)量，計算根冠比。

1.3.2 生理指標(biāo)測定 14 d 取樣分別測定葉中和根中的超氧陰離子、過氧化氫和丙二醛含量及抗氧化酶活性。丙二醛采用2- 硫代巴比妥酸法測定[11]；超氧陰離子采用羥胺定量法測定[12]；過氧化氫含量測定參照文獻(xiàn)[13]。酶液提取參照GONG 等[14]的方法。超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑法測定[15]，過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法測定[16]，過氧化氫酶（CAT）活性采用碘量法測定[17]?？扇苄缘鞍缀渴褂每捡R斯亮藍(lán)G-250 測定[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2019 軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù)，使用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫和亞低溫對番茄幼苗生長的影響

從表1 可以看出，番茄幼苗生長量隨處理溫度的降低而顯著降低，與CK 相比，DW 處理的地上部鮮質(zhì)量降低80%，地下部鮮質(zhì)量降低86.2%。干質(zhì)量的變化趨勢同鮮質(zhì)量一致，隨溫度降低而顯著降低，與CK 相比，DW 處理的地上部干質(zhì)量降低81.7%，地下部干質(zhì)量降低84%。其中，地下部鮮質(zhì)量降低幅度顯著高于地上部，且DW 處理的根冠比與對照相比顯著下降，說明番茄幼苗根系對溫度變化非常敏感。由于兩者干質(zhì)量變化幅度相近，這種差異可能是由于溫度降低引起植株持水能力減弱所致。

表1 低溫和亞低溫對番茄幼苗生長的影響

2.2 低溫和亞低溫對番茄幼苗超氧陰離子、 過氧化氫和丙二醛含量的影響

從圖1 可以看出，番茄幼苗的超氧陰離子含量均隨處理溫度降低而提高，與CK 相比，YDW 和DW處理下葉片的超氧陰離子含量分別提高99.38%和1.9 倍；根系分別提高77.53%和84.04%。番茄幼苗過氧化氫含量均隨處理溫度降低而顯著提高，與CK 相比，YDW 和DW 處理下葉片過氧化氫含量分別提高2.5 倍和6.6 倍；根系分別提高2.4 倍和3.8 倍。較高的活性氧含量表明番茄幼苗處理14 d時膜質(zhì)過氧化水平較高。番茄幼苗葉片的丙二醛含量隨處理溫度降低而顯著提高，與CK 處理相比，DW 處理下提高2.4 倍；根系與葉片的變化趨勢一致，隨溫度降低而顯著提高，與CK 相比，YDW 和DW 處理下分別提高72.5%和1.6 倍。其中，DW 處理下葉片丙二醛含量顯著高于其他處理，說明低溫（12 ℃/6 ℃）脅迫對番茄葉片造成的氧化損傷更嚴(yán)重。

2.3 低溫和亞低溫對番茄幼苗抗氧化酶活性的影響

由表2 可知，在葉片中，SOD 活性呈現(xiàn)出隨處理溫度下降而顯著降低的變化趨勢。POD 活性呈現(xiàn)出隨處理溫度下降而顯著提高的變化趨勢，與CK 相比，YDW 和DW 處理下葉片的POD 活性分別提高95.51%和1.2 倍。CAT 活性的變化趨勢同SOD 活性一致，隨處理溫度下降而顯著降低，與CK 相比，DW處理下CAT 活性降低71.06%。在根系中，SOD 活性呈現(xiàn)出隨處理溫度下降而顯著提高的變化趨勢，與CK 相比，DW 處理下SOD 活性提高1.2 倍；根系POD 活性變化趨勢同葉片一致，隨處理溫度下降而顯著提高，與CK 相比，DW 處理下POD 活性提高3.5 倍；CAT 活性的變化趨勢同SOD 活性一致，隨處理溫度下降而顯著提高，與CK 相比，DW 處理下CAT 活性提高1.7 倍?？芍蜏兀?2 ℃/6 ℃）比亞低溫（18 ℃/12 ℃）對抗氧化酶活性的影響更為顯著。

表2 低溫和亞低溫對番茄幼苗抗氧化酶活性的影響

2.4 低溫和亞低溫對番茄幼苗可溶性蛋白的影響

由圖2 可知，番茄幼苗葉片的可溶性蛋白含量隨處理溫度降低而顯著升高，與CK 相比，DW 處理下葉片可溶性蛋白含量提高31.39%；根系與葉片的變化趨勢一致，隨處理溫度降低而顯著升高，與CK 相比，YDW 和DW 處理的可溶性蛋白含量分別提高93.48%和1.3 倍。說明番茄經(jīng)14 d 低溫脅迫后，番茄植株葉片和根系的細(xì)胞內(nèi)可溶性蛋白大量積累。

3 結(jié)論與討論

溫度是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子之一，低溫環(huán)境下植物生長受到嚴(yán)重抑制，光合能力大幅下降，且幼苗期對溫度變化更為敏感[19]。本試驗中，番茄幼苗的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均隨處理溫度降低而顯著降低。番茄幼苗在DW 處理下根冠比顯著低于其他處理，說明低溫（12 ℃/6 ℃）對番茄幼苗地下部干物質(zhì)積累的抑制作用強(qiáng)于地上部。在沒有葉綠體的根系中，生命活動所需能量ATP 全部由線粒體呼吸電子傳遞和氧化磷酸化提供，而在低溫脅迫下，電子傳遞鏈被破壞，呼吸作用提供的能量減少，進(jìn)而降低對養(yǎng)分、水分的吸收能力，導(dǎo)致根系生長能力減弱[20]。因此，根系呼吸效率降低引起干物質(zhì)積累量的降低。本試驗表明，亞低溫、低溫條件嚴(yán)重抑制番茄幼苗生長及干物質(zhì)積累，且溫度越低生長抑制效果越強(qiáng)。

植物活性氧來源于正常生命代謝過程，如光合作用、呼吸作用、電子傳遞和小分子物質(zhì)自氧化等，在植物體內(nèi)處于動態(tài)平衡狀態(tài)。韓敏等[21]研究表明，低溫脅迫下番茄幼苗過氧化氫及超氧陰離子含量產(chǎn)生速率顯著提高。本研究表明，H2O2含量和O2-含量均隨處理溫度降低而顯著提高，說明低溫脅迫誘導(dǎo)活性氧代謝加強(qiáng)，進(jìn)而提高膜質(zhì)過氧化程度。有研究表明，適量H2O2可作為信號分子，參與響應(yīng)低溫脅迫途徑，進(jìn)而啟動相關(guān)基因表達(dá)，增強(qiáng)植物抵御逆境的能力，但過量H2O2會造成氧化損傷，加速植物細(xì)胞衰老和死亡[22]。葉片活性氧產(chǎn)生的主要部位是葉綠體，而根系活性氧產(chǎn)生的主要來源是線粒體呼吸電子傳遞鏈[20]。因此，葉片中活性氧總量要高于根系，即葉片遭受的過氧化脅迫要高于根系。丙二醛往往由于遭受極端環(huán)境條件產(chǎn)生膜質(zhì)過氧化作用而大量積累。馬英等[23]研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下植株丙二醛含量越高，生物膜損傷越大。本研究表明，番茄幼苗經(jīng)亞低溫、低溫處理后丙二醛含量急劇上升，在DW 處理下表現(xiàn)更為明顯，增幅高達(dá)2.4 倍，說明亞低溫、低溫條件下番茄幼苗體內(nèi)活性氧過量積累，打破活性氧動態(tài)平衡，膜質(zhì)過氧化程度顯著提高，生物膜系統(tǒng)遭到破壞。

植物會啟動一系列生理響應(yīng)來應(yīng)對活性氧過量積累所形成的過氧化脅迫，多篇報道表明，SOD、POD、CAT 等抗氧化酶在植物抵御低溫氧化損傷方面起著重要作用[6，9-10]。李春燕等[24]研究表明，隨低溫脅迫持續(xù)時間的延長，小麥SOD、POD 和CAT 活性均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢。本試驗表明，番茄幼苗葉片在YDW、DW 處理下SOD、CAT 活性依次降低，而POD 活性逐步提高，說明亞低溫和低溫抑制番茄葉片中SOD、CAT 活性，激發(fā)POD 活性。番茄幼苗葉片SOD 和CAT 活性的降低可能是由于處理時間過長或處理溫度過低導(dǎo)致生理代謝場所受損嚴(yán)重[25]，這與YDW 和DW 處理下葉片活性氧含量顯著提高的表現(xiàn)一致。根系抗氧化酶活性變化趨勢與葉片不同，SOD、POD 和CAT 活性均隨處理溫度的降低而顯著提高，說明低溫脅迫誘導(dǎo)根系抗氧化酶活性提高。低溫和亞低溫條件誘導(dǎo)SOD 活性提高，加快歧化速度，導(dǎo)致H2O2大量積累；又由于POD 和CAT 活性仍處于較低活性水平，則H2O2清除能力不足，剩余的H2O2與超氧陰離子反應(yīng)會生成毒性更強(qiáng)的OH-，加劇根系過氧化脅迫[22]。番茄幼苗POD 活性的提高可能是由于POD 的雙重作用，POD 除了能夠清除SOD 歧化生成的H2O2，還能介導(dǎo)H2O2轉(zhuǎn)化為羥基自由基，因此，POD 活性提高也會加劇根系的過氧化脅迫程度，導(dǎo)致植物細(xì)胞進(jìn)一步損傷[26]。這與DW 處理下葉片和根系活性氧含量的表現(xiàn)一致。本試驗結(jié)果表明，持續(xù)時間較長的低溫或亞低溫環(huán)境會降低番茄酶促活性氧清除系統(tǒng)的效率，進(jìn)而加劇過氧化脅迫，導(dǎo)致生理代謝能力降低。

可溶性蛋白因其吸水性強(qiáng)，能夠降低細(xì)胞液冰點(diǎn)，減少原生質(zhì)失水的能力，是植物重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一。有報道表明，可溶性蛋白是一種低溫誘導(dǎo)蛋白，其含量會在亞低溫、低溫條件下逐步提高[27]。因此，可溶性蛋白在植物抵御低溫脅迫中發(fā)揮著重要作用。本試驗中，植株內(nèi)可溶性蛋白含量在YDW、DW 處理下顯著提高，說明番茄幼苗遭受低溫脅迫后迅速積累可溶性蛋白以調(diào)節(jié)膜內(nèi)外滲透壓平衡，增強(qiáng)持水能力，以保持生物膜結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性[28]。

綜上所述，低溫和亞低溫條件下活性氧大量積累，膜質(zhì)過氧化程度加劇，膜透性增強(qiáng)，嚴(yán)重制約了番茄幼苗的生長。