根區(qū)溫度脅迫對(duì)番茄幼苗根系生長(zhǎng)及蔗糖代謝的影響

劉冰珠 張 鋒 雷 蕾 孟憲敏 張夢(mèng)夏 董春娟 尚慶茂

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

番茄（Solanum lycopersicum）是重要的蔬菜作物，以育苗移栽為主。培育壯苗是提高番茄產(chǎn)量的先決條件（Dezhabad &Haghighi，2020）。強(qiáng)大的根系是壯苗的重要標(biāo)志（Nagel et al.，2009）。根系是吸收水分和礦質(zhì)養(yǎng)分的主要器官，其感受并傳遞基質(zhì)/土壤中各種脅迫信號(hào)，并且通過(guò)改變自身的形態(tài)來(lái)應(yīng)對(duì)各種逆境脅迫（Malamy，2005；Lamers et al.，2020）。根區(qū)溫度脅迫已成為制約番茄幼苗生長(zhǎng)的主要逆境（傅國(guó)海 等，2016；張耀豐，2019；Dezhabad &Haghighi，2020）。探究番茄幼苗對(duì)溫度脅迫的響應(yīng)機(jī)制有助于提高其抗逆性。

糖及糖代謝在植物響應(yīng)逆境脅迫中起著重要的作 用（Bhattacharya &Kundu，2020；Yoon et al.，2021；陳宏艷 等，2022）。在脅迫條件下，黃瓜（Du et al.，2010）和番茄（Zhou et al.，2011）根系中糖酵解酶活性上調(diào)，促進(jìn)能量代謝，產(chǎn)生更多能量來(lái)適應(yīng)脅迫?？扇苄蕴强勺鳛闈B透調(diào)節(jié)物來(lái)提高植株抗逆性，常作為判斷品種抗逆性強(qiáng)弱的篩選指標(biāo)。糖還可以作為信號(hào)分子在逆境脅迫中起作用。糖信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有4 條途徑，其中己糖激酶（HXK）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的HXK 和磷酸戊糖（PPP）途徑中的關(guān)鍵酶葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G-6-PDH）在響應(yīng)低溫脅迫、干旱脅迫和鹽脅迫中均有積極作用（Yang et al.，2014；Li et al.，2017）；糖酵解（EMP）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在響應(yīng)逆境脅迫有間接調(diào)控作用（Melvin et al.，2017）。

根區(qū)溫度脅迫對(duì)番茄幼苗地上部的影響已有研究報(bào)道（張耀豐，2019；Hmiz &Ithbayyib，2021），但對(duì)根系的研究鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)以耐高低溫品種久綠787 和不耐高低溫品種硬粉8 號(hào)為試材，研究根區(qū)10 ℃低溫和34 ℃高溫對(duì)番茄幼苗根系生長(zhǎng)及蔗糖代謝的影響，以期為培育番茄壯苗提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料培養(yǎng)

供試番茄材料為耐高低溫品種久綠787，購(gòu)于北京育正泰種子有限公司；不耐高低溫品種硬粉8號(hào)，由北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心提供。

試驗(yàn)于2021 年11 月至2022 年1 月在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所南區(qū)玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行。育苗基質(zhì)為蛭石，粒徑2～4 mm。挑選籽粒飽滿的種子于室溫下浸種6 h 后，使用5% NaClO 消毒10 min，用蒸餾水反復(fù)沖洗，然后在28 ℃條件下恒溫催芽。選擇發(fā)芽一致的種子，播于裝有蛭石的紙杯（高13.7 cm，上口徑9 cm，底部直徑5.8 cm，底部打孔）中，覆蓋1.5 cm 厚的蛭石，置于玻璃溫室中培養(yǎng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于播種后30 d，進(jìn)行根區(qū)10 ℃低溫和34 ℃高溫處理，以溫室中正常栽培的幼苗作為對(duì)照（根區(qū)平均溫度為20 ℃），共脅迫處理6 d；每處理每個(gè)品種30 株，3 次重復(fù)。根區(qū)溫度脅迫通過(guò)圖1 所示的裝置實(shí)現(xiàn)，挑選生長(zhǎng)一致的幼苗，用塑料包裹紙杯置于固定架上，冷暖機(jī)設(shè)定溫度，通過(guò)連接水泵，有效控制并保持水槽中水的溫度，同時(shí)通過(guò)隔熱棉的設(shè)置，增強(qiáng)了水槽的保溫效果，減少水槽中溫度和水分的散失。利用冷暖機(jī)將水槽水溫控制在10 ℃實(shí)現(xiàn)根區(qū)低溫脅迫，將水槽水溫控制在34 ℃實(shí)現(xiàn)根區(qū)高溫脅迫。根區(qū)溫度測(cè)定方式：將溫室娃娃（型號(hào)GIS-4-CE-3V）測(cè)定地溫的探針插入基質(zhì)內(nèi)，每隔5 min 記錄1 次根區(qū)溫度，紙杯中基質(zhì)溫度變化范圍可以控制在±1 ℃以內(nèi)，能夠滿足試驗(yàn)要求（圖2）。

圖1 控溫裝置

圖2 各處理番茄幼苗根區(qū)溫度變化

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 根系形態(tài)指標(biāo)測(cè)定 脅迫第6 天取樣，每處理4 株。將番茄幼苗根系用清水清洗干凈，用剪刀在莖基部剪斷，將完整根系置于根系掃描儀（LA-S型，杭州萬(wàn)深檢測(cè)科技有限公司）中掃描拍照觀察，并測(cè)定根系總長(zhǎng)度、根系表面積、根系體積及不同徑級(jí)根長(zhǎng)和表面積等形態(tài)學(xué)參數(shù)。

1.3.2 根系干鮮質(zhì)量測(cè)定 脅迫第3、6 天取樣，每處理3 株。將番茄幼苗根系用清水清洗干凈，用剪刀在莖基部剪斷，用吸水紙將根系擦干，用電子天平稱(chēng)量根系鮮質(zhì)量；然后放入烘箱中，105 ℃下殺青15 min 后，80 ℃烘干至恒重，用電子天平稱(chēng)量根系干質(zhì)量。

1.3.3 根系中糖含量及蔗糖代謝相關(guān)酶活性測(cè)定 脅迫第0、3、6 天取樣，每處理2 株。番茄幼苗根系用清水清洗，水溫為各自脅迫溫度和室溫，洗凈后用剪刀在莖基部剪斷，用吸水紙擦干根系后放入液氮中，存于-80 ℃冰箱保存。葡萄糖、果糖和蔗糖含量采用離子色譜儀（ICS-3000，Dionex，美國(guó)）測(cè)定（Dong et al.，2011）。蔗糖磷酸合成酶（SPS）、蔗糖合成酶（SS）分解方向（SS-I）、細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶（CWIN）、可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶（SAI）和中性轉(zhuǎn)化酶（NI）活性測(cè)定分別參照酶活性測(cè)定試劑盒（北京索萊寶科技有限公司）說(shuō)明書(shū)進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2019 和Origin 2018 軟件處理數(shù)據(jù)和作圖，利用SPPS 26 軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 根區(qū)溫度脅迫對(duì)番茄幼苗根系表型的影響

如圖3 所示，與對(duì)照（CK）相比，根區(qū)10 ℃低溫和34 ℃高溫對(duì)久綠787 和硬粉8 號(hào)根系生長(zhǎng)均產(chǎn)生了不同程度的抑制，其中硬粉8 號(hào)受抑制程度大于久綠787。根區(qū)10 ℃低溫對(duì)2 個(gè)番茄品種幼苗根系總長(zhǎng)度、表面積和體積均產(chǎn)生了顯著抑制，脅迫第6 天久綠787 根系總長(zhǎng)度、表面積和體積分別較對(duì)照降低了31.1%、28.1%、26.5%，硬粉8 號(hào)較對(duì)照分別降低了40.0%、36.6%、37.8%（圖4）。

圖3 根區(qū)溫度脅迫6 d 后番茄幼苗根系形態(tài)觀測(cè)結(jié)果

根區(qū)34 ℃高溫使2 個(gè)品種幼苗根系總長(zhǎng)度、表面積和體積較對(duì)照均明顯降低，脅迫第6 天久綠787 根系總長(zhǎng)度和表面積均顯著低于對(duì)照，較對(duì)照分別降低了23.2%、23.6%，根系體積較對(duì)照降低了22.2%，但未與對(duì)照有顯著差異；而硬粉8 號(hào)根系總長(zhǎng)度、表面積和體積均顯著低于對(duì)照，較對(duì)照分別降低了30.3%、29.2%和29.0%（圖4）。

2.2 根區(qū)溫度脅迫對(duì)番茄幼苗不同徑級(jí)根系形態(tài)的影響

如圖5 所示，2 個(gè)番茄品種幼苗根系長(zhǎng)度占比最大的徑級(jí)范圍基本一致，主要集中在0～0.5 mm，且此區(qū)間根系長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的比例相差不大，均達(dá)93.0%～95.0%。隨著徑級(jí)的增大，根系長(zhǎng)度占比逐漸減少。根區(qū)10 ℃低溫脅迫使久綠787 在徑級(jí)0～0.2 mm 和0.2～0.5 mm 中的根系長(zhǎng)度較對(duì)照分別降低了37.6%、24.4%，硬粉8 號(hào)較對(duì)照分別降低了50.7%、29.7%。根區(qū)34 ℃高溫脅迫使久綠787 在徑級(jí)0～0.2 mm 和0.2～0.5 mm 中的根系長(zhǎng)度較對(duì)照分別降低了20.6%、26.3%，硬粉8 號(hào)較對(duì)照分別降低了33.1%、27.9%。對(duì)照、根區(qū)10℃低溫和根區(qū)34 ℃高溫處理的久綠787細(xì)根（≤0.5 mm）總長(zhǎng)度分別是相應(yīng)處理硬粉8 號(hào)的1.52、1.75、1.68 倍。表明，久綠787 細(xì)根根長(zhǎng)在根區(qū)溫度脅迫中受抑制程度低于硬粉8 號(hào)。

圖5 根區(qū)溫度脅迫后番茄幼苗根系長(zhǎng)度、表面積和體積在不同徑級(jí)中的變化

2 個(gè)品種幼苗根系表面積在徑級(jí)0.2～0.5 mm的占比最大，其次是徑級(jí)0～0.2 mm，表明徑級(jí)為0～0.5 mm 的根系是番茄幼苗吸收水分與礦物營(yíng)養(yǎng)的主體。根區(qū)10 ℃低溫處理的久綠787 在徑級(jí)0.2～0.5 mm 的根系表面積較對(duì)照降低了24.0%，硬粉8 號(hào)較對(duì)照降低了30.2%。根區(qū)34 ℃高溫處理的久綠787 在徑級(jí)0.2～0.5 mm 的根系表面積較對(duì)照降低了27.0%，硬粉8 號(hào)較對(duì)照降低了27.9%。對(duì)照、根區(qū)10 ℃低溫和根區(qū)34 ℃高溫處理的久綠787 細(xì)根表面積分別是相應(yīng)處理硬粉8 號(hào)的1.50、1.68、1.59 倍。表明，久綠787 細(xì)根吸收面積在根區(qū)溫度脅迫中受抑制程度低于硬粉8 號(hào)。

2 個(gè)品種幼苗根系在徑級(jí)0.2～0.5 mm 的體積占總體積的比例最大，其次是徑級(jí)0.5～1.0 mm 和＞1.0 mm，占比最小的為徑級(jí)0～0.2 mm。徑級(jí)＞0.5 mm 的根系長(zhǎng)度和表面積占比遠(yuǎn)小于徑級(jí)0～0.2 mm 的占比，但根系體積占比明顯高于0～0.2 mm徑級(jí)占比，表明徑級(jí)＞0.5 mm 的根系主要起運(yùn)輸和支持作用。對(duì)照、根區(qū)10 ℃低溫和根區(qū)34 ℃高溫處理的久綠787 細(xì)根（≤0.5 mm）和粗根（＞0.5 mm）根系體積分別是相應(yīng)處理硬粉8 號(hào)的1.49、1.67、1.54 倍和1.55、1.96、1.85 倍。

2.3 根區(qū)溫度脅迫對(duì)番茄幼苗根系生物積累量的影響

如表1 所示，除久綠787 的根系干質(zhì)量外，根區(qū)10 ℃低溫處理均使2 個(gè)品種幼苗根系鮮、干質(zhì)量受到不同程度抑制。根區(qū)10 ℃低溫處理的久綠787 和硬粉8 號(hào)根系鮮、干質(zhì)量在脅迫第3 天與對(duì)照相比均無(wú)顯著差異；脅迫第6 天，久綠787 根系干質(zhì)量顯著低于對(duì)照，較對(duì)照降低了17.8%，而硬粉8 號(hào)根系鮮、干質(zhì)量均受到顯著抑制，較對(duì)照分別降低了22.8%和41.4%。

表1 根區(qū)溫度脅迫對(duì)番茄幼苗根系鮮、干質(zhì)量的影響

根區(qū)34 ℃高溫處理對(duì)久綠787 根系鮮、干質(zhì)量的抑制程度較小，均與對(duì)照顯著不差異；硬粉8號(hào)根系鮮、干質(zhì)量在脅迫第3 天時(shí)顯著高于對(duì)照，而脅迫第6 天時(shí)均低于對(duì)照，其中根系干質(zhì)量顯著低于對(duì)照，較對(duì)照降低了20.7%。

2.4 根區(qū)溫度脅迫對(duì)番茄幼苗根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量的影響

如圖6 所示，根區(qū)10 ℃低溫處理第3、6 天時(shí)，2 個(gè)番茄品種幼苗根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量均顯著高于對(duì)照。其中，久綠787 根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量在脅迫第3 天較對(duì)照分別增加了30.8%、39.8%、77.0%，脅迫第6 天較對(duì)照分別增加了170.4%、148.4%、56.2%；硬粉8 號(hào)脅迫第3 天較對(duì)照分別增加了58.3%、133.6%、147.6%，脅迫第6 天較對(duì)照分別增加了232.1%、272.9%、165.7%。雖然久綠787 根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量的增長(zhǎng)率低于硬粉8 號(hào)，但其含量高于硬粉8 號(hào)。

圖6 根區(qū)溫度脅迫對(duì)番茄幼苗根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量的影響

與對(duì)照相比，根區(qū)34 ℃高溫脅迫下久綠787和硬粉8 號(hào)根系中葡萄糖和果糖含量均呈先降低后增加的變化趨勢(shì)，且在脅迫第6 天時(shí)顯著高于對(duì)照；而蔗糖含量均顯著增加。脅迫第6 天，久綠787 根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量較對(duì)照分別增加了46.5%、27.1%和56.9%，硬粉8 號(hào)較對(duì)照分別增加了110.3%、110.5%和119.3%。雖然久綠787 根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量的增長(zhǎng)率低于硬粉8號(hào)，但其含量仍高于硬粉8 號(hào)。

2.5 根區(qū)溫度脅迫對(duì)番茄幼苗根系蔗糖代謝相關(guān)酶活性的影響

由圖7 可知，根區(qū)10 ℃低溫脅迫使久綠787根系蔗糖代謝相關(guān)酶活性隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng)呈逐漸上升的趨勢(shì)，而硬粉8 號(hào)酶活性變化趨勢(shì)各不相同。根區(qū)10 ℃低溫處理的久綠787 在脅迫第3 天SPS 活性顯著高于對(duì)照，SS-I 活性顯著低于對(duì)照，CWIN、SAI 和NI 活性與對(duì)照均無(wú)顯著差異；脅迫第6 天，SPS、SAI 和NI 活性均顯著高于對(duì)照，SS-I 和CWIN 活性與對(duì)照無(wú)顯著差異。根區(qū)10 ℃低溫處理的硬粉8 號(hào)在脅迫第3 天除NI 活性受到顯著抑制外，其余酶活性與對(duì)照差異均不顯著；脅迫第6 天，SPS 和CWIN 活性均顯著低于對(duì)照，SS-I 和NI 活性與對(duì)照均無(wú)顯著差異，SAI 活性顯著高于對(duì)照。表明，久綠787 在根區(qū)低溫脅迫中根系蔗糖代謝相關(guān)酶活性受抑制程度要低于硬粉8號(hào)，且低溫脅迫下蔗糖代謝中積極響應(yīng)的酶為SPS和SAI。

根區(qū)34 ℃高溫脅迫使2 個(gè)品種幼苗根系蔗糖代謝中分解酶（SS-I、CWIN、SAI 和NI）活性均顯著低于對(duì)照。根區(qū)34 ℃高溫處理的久綠787 在脅迫第6 天SPS 活性高于對(duì)照，但未達(dá)顯著水平；硬粉8 號(hào)SPS 活性與對(duì)照相比呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，在脅迫第3 天時(shí)顯著高于對(duì)照，脅迫第6天時(shí)顯著低于對(duì)照。

3 結(jié)論與討論

根區(qū)溫度脅迫是影響植物生長(zhǎng)的重要因素（Tahir et al.，2010），使幼苗株高、莖粗、葉面積以及生物積累量等受到抑制，葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率等下降，進(jìn)而影響光合作用（張耀豐，2019；陳連珠 等，2020；Hmiz &Ithbayyib，2021）。張耀豐（2019）研究表明，番茄幼苗在根區(qū)低溫脅迫下根系長(zhǎng)度、表面積、體積等表型指標(biāo)均受到顯著抑制。李潤(rùn)儒（2015）研究發(fā)現(xiàn)，根區(qū)35 ℃高溫對(duì)葉用萵苣（生菜）根系生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著抑制。本試驗(yàn)結(jié)果表明，番茄幼苗在根區(qū)10 ℃低溫和34 ℃高溫脅迫下根系總長(zhǎng)度、表面積和體積均受到明顯抑制，久綠787 根系表型指標(biāo)受抑制程度要小于硬粉8 號(hào)，與陳連珠等（2020）研究根區(qū)35.8 ℃高溫對(duì)耐熱與不耐熱苗用型大白菜根系的影響結(jié)果相似。根區(qū)溫度脅迫對(duì)久綠787根系生物積累量的顯著抑制只發(fā)生在10 ℃低溫脅迫下，而硬粉8 號(hào)在10 ℃低溫和34 ℃高溫脅迫下均有發(fā)生。

根系長(zhǎng)度和表面積是衡量根系吸收水分和礦物營(yíng)養(yǎng)能力的重要因子（孫三杰 等，2012）。不同徑級(jí)的根系吸收能力不同，徑級(jí)較小的細(xì)根吸收能力最強(qiáng)（Sullivan et al.，2000）。根區(qū)溫度脅迫使久綠787 細(xì)根（≤0.5 mm）根長(zhǎng)和表面積均受到抑制，但受抑程度明顯低于硬粉8 號(hào)，表明脅迫處理后的久綠787 根系吸收水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)能力要強(qiáng)于硬粉8 號(hào)。粗根（＞0.5 mm）雖然在根長(zhǎng)和根系表面積中的占比較小，但在根系體積中的占比高于徑級(jí)為0～0.2 mm 的細(xì)根，表明粗根起著重要的運(yùn)輸和支持作用。

單羽等（2021）研究表明，可溶性糖在提高植物抗性中的作用很大，一部分用于自身代謝所需的能量物質(zhì)；一部分用于積累含量，作為滲透調(diào)節(jié)物，提高抗性。本試驗(yàn)中，根區(qū)溫度脅迫第6 天時(shí)2 個(gè)番茄品種幼苗根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量均增加，可提高其抗性，但糖含量變化在10 ℃低溫脅迫和34 ℃高溫脅迫下有差別，根區(qū)10 ℃低溫處理的2 個(gè)品種幼苗根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量均顯著高于對(duì)照，起到抗逆作用，與張耀豐（2019）研究根區(qū)低溫脅迫葉片糖含量結(jié)果相似。根區(qū)34 ℃高溫處理主要促進(jìn)了根系中蔗糖的積累，與短期35 ℃高溫脅迫（張潔 等，2006）和晝夜35 ℃高溫脅迫（郭金妹 等，2007）對(duì)番茄幼苗葉片中糖含量的影響結(jié)果相似。根區(qū)10 ℃低溫和34 ℃高溫處理的久綠787 根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量均高于硬粉8 號(hào)，但增長(zhǎng)率明顯低于硬粉8 號(hào)，這可能與久綠787 細(xì)根（≤0.5 mm）生長(zhǎng)受抑制程度低于硬粉8 號(hào)，其需要靠分解糖來(lái)提供能量和其他物質(zhì)，而硬粉8 號(hào)根系中可溶性糖多以滲透調(diào)節(jié)物起抗逆作用有關(guān)。

蔗糖代謝相關(guān)酶主要包括催化合成蔗糖的蔗糖磷酸合成酶（SPS）；分解蔗糖的蔗糖合成酶（SS）分解方向（SS-I）和轉(zhuǎn)化酶（INV），INV 又可分為細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶（CWIN）、可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶（SAI）和中性轉(zhuǎn)化酶（NI）。本試驗(yàn)中，NI 活性比其他分解酶活性低很多，與程智慧等（2007）研究結(jié)果一致。根區(qū)溫度脅迫對(duì)番茄幼苗根系蔗糖代謝的影響較為復(fù)雜。根區(qū)10 ℃低溫和34 ℃高溫處理的久綠787 根系中SPS 活性均有明顯升高的趨勢(shì)，表明SPS 在響應(yīng)溫度脅迫中起積極作用，而分解酶（SS-I、CWIN、SAI 和NI）活性表現(xiàn)截然不同，根區(qū)10 ℃低溫處理的根系中分解酶活性顯著高于根區(qū)34 ℃高溫處理。久綠787 和硬粉8 號(hào)在根區(qū)10 ℃低溫處理下分解酶活性變化各不同，與華利靜（2011）的研究結(jié)果相似。INV 在響應(yīng)低溫脅迫中有重要作用（Ruan et al.，2010；Ruan，2014），本試驗(yàn)中，根區(qū)10 ℃低溫處理第6 天時(shí)2 個(gè)番茄品種根系中SAI 活性均顯著高于對(duì)照，表明轉(zhuǎn)化酶中SAI 主要響應(yīng)低溫脅迫。高溫脅迫抑制SS-I 和INV 的活性（張潔 等 2006；郭金妹 等，2007；陳宏艷 等，2022），與本試驗(yàn)中根區(qū)34 ℃高溫處理對(duì)2 個(gè)品種根系中分解酶（SS-I、CWIN、SAI 和NI）的活性均產(chǎn)生顯著抑制的結(jié)果一致。