高溫高濕環(huán)境下調(diào)虧灌溉對番茄葉片光合和衰老特性的影響

雷 虎，江曉東，張建取

（南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心·江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室·南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院 南京 210044）

番茄是我國蔬菜產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，長江流域是我國番茄的主要生產(chǎn)基地之一，夏季高溫是長江中下游地區(qū)常見的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[1]。在全球氣候變暖的背景下，我國夏季高溫發(fā)生頻率變高、時間變長[2-3]，這將進一步加重封閉溫室環(huán)境中的高溫?zé)岷ξ：Τ潭?，嚴重制約該地區(qū)夏季番茄的生產(chǎn)[4]。高溫脅迫導(dǎo)致番茄葉片中超氧陰離子自由基（2）和丙二醛（MDA）含量顯著提高，引起超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）等細胞保護酶活性發(fā)生變化，葉片衰老加速[5-6]，導(dǎo)致葉片光合速率降低[7]，植株生長和花芽分化受到抑制[8]，不利于設(shè)施番茄的生長發(fā)育。高溫條件下，灌溉、噴霧等可顯著提高番茄的抗高溫能力[9-10]，但過量灌溉不僅會引起番茄水分利用效率和產(chǎn)量降低，浪費水資源，還會增加溫室環(huán)境中的相對濕度，加重番茄的高溫?zé)岷11]。

調(diào)虧灌溉是以作物需水規(guī)律為依據(jù)，在對產(chǎn)量無不利影響的前提下，在作物某個生長發(fā)育階段進行人為適當(dāng)?shù)乃痔澣?，從而實現(xiàn)作物節(jié)水、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的水分灌溉技術(shù)[12]。大量研究表明，調(diào)虧灌溉有利于改善番茄的生長發(fā)育狀況，提高番茄的品質(zhì)，開花坐果期至果實膨大期是番茄調(diào)虧灌溉的最佳時期[12-14]。目前有關(guān)番茄的調(diào)虧灌溉的研究多在正常生長環(huán)境下開展，在高溫脅迫下的研究較少。高溫高濕是長江下游地區(qū)夏季典型的氣候特征，高溫脅迫可導(dǎo)致植物細胞生理功能紊亂和衰老[15]。SOD、POD 和CAT 等構(gòu)成的酶促保護系統(tǒng)能將細胞內(nèi)的活性氧代謝為H2O 和O2，保持細胞內(nèi)高的可溶性蛋白含量和低的MDA 含量，維持細胞正常的生理功能。因此，筆者在夏季溫室的高溫環(huán)境下，對處于開花至果實膨大期的番茄進行了不同調(diào)虧灌溉處理，測定了番茄葉片的光響應(yīng)曲線、葉綠素含量、可溶性蛋白含量、MDA 含量和SOD、POD、CAT等保護酶的活性，以期通過對葉片的光合能力和衰老特性的研究，制定夏季高溫高濕條件下番茄生產(chǎn)的最佳調(diào)虧灌溉措施，為設(shè)施番茄生產(chǎn)提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗供試番茄品種為合作903 號，種苗來自南京市蔬菜花卉研究所，種植密度為6 株·m-2。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2021 年6—8 月在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗站Venlo 型玻璃日光溫室內(nèi)進行。溫室長30.00 m，寬9.60 m，頂高5.00 m，肩高4.50 m，南北走向。采用Qiu 等[16]的方法計算溫室內(nèi)番茄的潛在蒸散量（ET0），見式（1）。以ET0為標(biāo)準，設(shè)置4 個灌溉處理，分別為：CK（100%ET0）、T1（90%ET0）、T2（75%ET0）和T3（50%ET0）。試驗采用完全隨機設(shè)計，每處理3 次重復(fù)，每個灌溉處理小區(qū)種植面積5 m2，每小區(qū)之間采用PVC 板加塑料薄膜進行隔離，防止灌溉水分相互滲漏。試驗從番茄第一穗花現(xiàn)蕾時，開始進行不同的調(diào)虧灌溉處理，灌溉頻率為每周1 次。

式中，ET0為作物蒸發(fā)蒸騰量（mm·d-1），Rn為太陽凈輻射（MJ·m-2·d-1），G為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1），Δ為飽和水汽壓的曲線斜率（kPa·℃-1），γ 為濕度計常數(shù)（kPa·℃-1），es為飽和水汽壓（kPa），ea為實際水汽壓（kPa）。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 光響應(yīng)曲線測定 在試驗開始的第4 個灌溉周期進行測定，以灌溉當(dāng)天為第0 天，在灌溉后的第1 天和第6 天，使用LI-6400 便攜式光合作用測定系統(tǒng)在08：30—11：30 測定番茄葉片的光響應(yīng)曲線。每個灌溉水平選取長勢相似的植株，選擇果位葉進行測定，葉室氣體流速設(shè)定為500 μmol·s-1，光合有效輻射梯度設(shè)定為：1200、1000、800、600、400、300、200、100、50、0μmol·m-2·s-1，每個灌溉處理測定3枚葉片?；谒鶞yPn數(shù)據(jù)并采用非直角雙曲線方程擬合得到的光響應(yīng)曲線特征參數(shù)，如最大凈光合速率（Pm）、表觀量子效率（AQY）、暗呼吸速率（Rd）、光補償點（LCP）、光飽和點（LSP）等[17]，擬合公式為：

式中，Pn為凈光合速率（μmol·m-2·s-1），θ為非直角雙曲線的凸度；I為光量子通量密度（μmol·m-2·s-1），AQY為表觀量子效率，Pm為光飽和時的最大凈光合速率（μmol·m-2·s-1），Rd為暗呼吸速率（μmol·m-2·s-1）。

1.3.2 葉綠素含量的測定 在灌溉后第6 天光響應(yīng)曲線測定的同時，使用SPAD-502 葉綠素測定儀測定番茄葉片葉綠素含量，測定時間在8：30—11：30。每個處理測定15 枚葉片，3 次重復(fù)。

1.3.3 葉片衰老特性的測定 在灌溉后第6 天光響應(yīng)曲線測定結(jié)束后，將測定的葉片剪下，用液氮固定后保存在-40 ℃低溫冰箱中，用于進行葉片衰老特性的測定。參考李合生[18]主編的《植物生理生化實驗原理和技術(shù)》測定SOD 活性、POD 活性、CAT活性、MDA 含量和可溶性蛋白含量。

1.3.4 氣象要素觀測 試驗中的氣象數(shù)據(jù)來自于南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗站，試驗過程中溫室內(nèi)的日平均溫度和日平均相對濕度變化見圖1。試驗期間溫室內(nèi)的平均氣溫為31.45 ℃，平均相對濕度為69.95%，符合南京夏季高溫高濕的氣候特征。試驗期間番茄生長受到高溫高濕脅迫影響。

圖1 試驗期間溫室內(nèi)的日平均溫度和日平均相對濕度變化

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2019 進行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用IBM SPSS Statistics 25.0 進行統(tǒng)計檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫脅迫下調(diào)虧灌溉對葉片的光響應(yīng)曲線特征參數(shù)的影響

由圖2 可以看出，與CK 相比，調(diào)虧灌溉對高溫脅迫下番茄葉片的光合特性有一定影響。從圖2-A可知，灌溉后第1 天，T1 處理的最大凈光合速率（Pm）值最大，為4.22 μmol·m-2·s-1，CK 最低，為1.87 μmol·m-2·s-1，T1 與T2 間Pm值無顯著差異，但均顯著高于T3 和CK，而T3 與CK 間無顯著差異。灌溉后第6 天，各處理Pm均減小，CK、T1、T2、T3 較第1 天分別下降16.04%、60.90%、71.46%、60.66%，調(diào)虧灌溉處理下降幅度較大。灌溉后第6 天各處理中，T1 的Pm值最大，為1.65 μmol·m-2·s-1，CK 次之，T3最小，為1.07 μmol·m-2·s-1，T1 與CK 間Pm值無顯著差異，但均顯著高于T2 和T3 處理。以灌溉后第1 天與第6 d 的平均值作為全期平均Pm值，T1、T2、T3 分別較CK 增加70.64%、53.20%、10.17%?？梢?，在整個灌溉周期中T1 處理可使葉片的Pm值處于較高的水平，CK 處理葉片的Pm變化較小，在灌溉周期的末期，中度（T2）和重度（T3）的調(diào)虧灌溉處理葉片的Pm顯著降低。

由圖2-B 可知，調(diào)虧灌溉對高溫脅迫下番茄葉片的表觀量子效率（AQY）值有一定影響。灌溉后第1 天，番茄葉片的AQY 值表現(xiàn)為T1＞T3＞CK＞T2，T1、CK 和T3 處理間無顯著差異，但均顯著高于T2 處理。灌溉后第6 天，各處理AQY 下降，表現(xiàn)為T1＞T3＞T2＞CK，T1 的AQY 值為0.02，顯著高于其他處理，CK 處理的AQY 值最小，為0.01?？梢?，在整個灌溉周期中，輕度、重度調(diào)虧灌溉可以顯著提高灌溉末期葉片在弱光下的光合速率，T1 處理的促進作用最強。

由圖2-C 可知，不同處理下番茄暗呼吸速率（Rd）存在差異。灌溉后第1 天，T3 處理Rd為2.40 μmol·m-2·s-1，顯著高于其他處理，T1 和T2 處理的Rd分別為1.56 μmol·m-2·s-1和1.41 μmol·m-2·s-1，CK為1.87 μmol·m-2·s-1，CK 與T1 處理無顯著差異，T2處理顯著低于CK。灌溉后第6 天，T1、T2 和T3 處理的Rd均顯著高于CK 處理。與CK 相比，T1、T2、T3 分別平均高出8.11%、10.71%、36.69%。由此可見，高溫脅迫下調(diào)虧灌溉處理末期番茄葉片的呼吸消耗均高于正常灌溉，T3 的呼吸消耗最大。

由圖2-D 可知，灌溉后第1 天，各處理光補償點值表現(xiàn)為CK＞T3＞T1＞T2，CK 和T3 均顯著高于T1 和T2，而T1 和T2 處理間無顯著差異。灌溉后第6 天，各處理LCP 值表現(xiàn)為T2＞T1＞T3＞CK，T1、T2 和T3 處理顯著高于CK 處理；與CK 相比，T1、T2、T3 分別高8.02%、20.19%、10.21%?？梢?，在灌溉初期，調(diào)虧灌溉處理有利于高溫脅迫下的番茄葉片保持較低的LCP，葉片對弱光的利用能力強，以T1 和T2 處理最好，但在灌溉末期，調(diào)虧灌溉處理葉片的LCP 值顯著升高。

由圖2-E 可知，灌溉后第1 天和第6 天，CK 和T1 處理的光飽和點值均較大，兩者間無顯著差異，但均顯著高于T2 和T3 處理，與CK 相比，T2、T3分別降低23.67%、25.44%。T2 和T3 間無顯著差異，這說明CK 和T1 處理的番茄葉片對強光的利用能力強，而T2 和T3 處理的葉片對強光的利用能力較差，容易受到光抑制的影響。

2.2 高溫脅迫下不同灌溉處理對葉片葉綠素含量的影響

由圖3 可知，調(diào)虧灌溉處理影響葉片的葉綠素含量，各處理葉綠素含量（SPAD 值）表現(xiàn)為T1＞T2＞CK＞T3，T1 處理葉片葉綠素含量最高，為32.50，比CK 處理提高27.45%。T1 和T2 處理均顯著高于T3 和CK 處理，T3 與CK 處理差異不顯著，且低于CK 處理9.02%。

圖3 不同灌溉處理對番茄葉片葉綠素含量的影響

2.3 高溫脅迫下不同灌溉處理對番茄葉片衰老特性的影響

由表1 可知，各處理SOD 活性表現(xiàn)為CK＞T1＞T2＞T3，CK 處理SOD 保持最高活性，顯著高于3 個調(diào)虧灌溉處理，T1 處理SOD 活性顯著高于T2 和T3。不同處理間的POD 活性存在差異，T1和T2 處理顯著高于CK 和T3 處理，T1 和T2 之間、CK 和T3 之間POD 活性均無顯著差異，T1 處理POD 活性比CK 提高11.25%。T3 處理CAT 活性最低，為17.62 U·g-1，顯著低于其他3 個處理，CK 處理CAT 活性最高，但與T1、T2 處理差異不顯著。

表1 不同灌溉處理對番茄葉片抗氧化酶活性的影響（U·g-1）

由圖4-A 可見，T1 處理的MDA 含量（b）為9.31 μmol·g-1，顯著低于其他處理，較CK 低15.97%。T3 處理的MDA 含量最高，表明T1 處理細胞的膜脂過氧化水平較低，而T3 處理細胞膜受損嚴重。

由圖4-B 可知，不同灌溉處理下葉片的可溶性蛋白含量表現(xiàn)為T1＞T2＞CK＞T3，T1 的可溶性蛋白含量顯著高于其他處理，T3 處理可溶性蛋白含量最低，為3.61 mg·g-1。與CK 相比，T1、T2 分別升高49.25%、16.08%，T3 降低9.3%。綜合分析不同處理下葉片的抗氧化酶活性、MDA 含量和可溶性蛋白含量，可以認為T1 處理葉片衰老程度低，葉片生理活性高，而T3 處理葉片衰老水平較高。

圖4 不同灌溉處理對番茄葉片MDA 和可溶性蛋白含量的影響

3 討 論

葉綠素的功能是捕獲、傳遞和轉(zhuǎn)化光能，是光合作用的基礎(chǔ)，葉綠素含量的多少可以在一定程度上可反映出番茄葉片的光合能力[19]。研究表明，番茄葉片的葉綠素含量與灌溉量相關(guān)，適當(dāng)?shù)乃痔澣笨商岣呷~綠素含量，但嚴重水分虧缺或者長時間干旱會導(dǎo)致葉綠體結(jié)構(gòu)破壞，葉綠素分解[20-21]。筆者的研究結(jié)果也驗證了這點，輕度（T1，90%ET0）和中度（T2，75%ET0）的調(diào)控灌溉處理有利于提高高溫脅迫下葉片葉綠素含量，而重度的調(diào)控灌溉處理（T3，50%ET0）降低葉片葉綠素含量，不利于葉片的光合作用。

光響應(yīng)特征參數(shù)是表征葉片光合作用能力的重要指標(biāo)，最大凈光合速率（Pm）反映了植物葉片最大光合能力；表觀量子效率反映了植物在弱光條件下的光合能力，其值越大，說明植物在弱光條件下光能的轉(zhuǎn)換效率越高；光補償點是葉片呼吸釋放CO2與光合作用同化CO2量相等時的光照度，其值越低說明植物對弱光利用能力越強；光飽和點為植物光合能力最強時的光照度，其值越高說明植物對強光的利用能力越強，越不容易受到光抑制；呼吸速率（Rd）為植物在無光照時的呼吸消耗[22]。高的AQY 值和低的Rd值表明植物葉片對光能的利用效率高，高的Pm值、LSP 值和低的LCP 值說明植物葉片對光的利用潛力高。張凱等[23]研究表明水分虧缺使葉片光合作用需要消耗更多的光量子、最大凈光合速率變低，導(dǎo)致光能利用率和光合潛能下降，但輕度虧水對番茄葉片光合速率基本無影響。韓國君等[24]也指出，水分脅迫導(dǎo)致番茄葉片光能潛能和利用效率降低的主要原因是葉片最大光合能力和光飽和點顯著降低，光補償點和暗呼吸速率顯著增加。筆者的研究結(jié)果表明，與充分灌溉CK 相比，輕度調(diào)虧灌溉處理T1 可提高灌溉初期和灌溉末期番茄葉片的Pm和AQY，葉片的光能利用效率和利用潛力高，同時，T1 處理初期Rd也比較低，葉片的呼吸消耗少。重度調(diào)虧灌溉處理T3 在灌溉末期的Pm、LSP 均顯著低于CK，而Rd和LCP 均顯著高于CK，葉片的呼吸消耗大，葉片的光能利用效率和利用潛力低?？梢?，在高溫脅迫下，輕度調(diào)虧灌溉有利于保持葉片高的光合能力。

SOD、POD、CAT 可有效清除植物體內(nèi)過量的過氧化氫、超氧自由基等過氧化物，保護細胞的正常代謝。SOD 能夠?qū)⑵缁蒆2O2和O2，從而減少活性氧對細胞的傷害；POD 可催化H2O2轉(zhuǎn)化為活性較低的H2O，從而使細胞免受過氧化傷害；CAT主要將H2O2分解，清除過剩自由基，使細胞維持正常的代謝動態(tài)[25]。MDA 是細胞膜脂過氧化的產(chǎn)物，其含量越高，表示細胞膜受損程度越大[21]。葉片可溶性蛋白主要是催化和調(diào)控植物的代謝和合成過程的酶蛋白，其中Rubisco 含量約占可溶性蛋白含量的50%，與葉片的光合作用直接相關(guān)[26]。高溫、水分等逆境能引起細胞活性氧的積累[15]，影響SOD、POD、CAT 等酶的活性，造成細胞衰老[27]。張紀濤等[28]、楊再強等[29]指出，番茄葉片中SOD、POD、CAT等酶活性隨著處理時間的延長而呈現(xiàn)先增后降的趨勢，MDA 含量呈先降后升趨勢。牛云慧等[20]、郭海濤等[30]指出，水分虧缺顯著降低了番茄葉片蛋白質(zhì)含量，增加了MDA 含量，且隨著水分虧缺程度的增加有加重的趨勢。筆者的研究結(jié)果也表明，高溫脅迫下，隨著灌水量的減少，番茄葉片的保護酶系統(tǒng)中SOD、POD 活性和可溶性蛋白含量有下降的趨勢，MDA 含量有增加的趨勢。在調(diào)虧灌溉處理中，T1 處理的MDA 含量顯著低于CK，可溶性蛋白含量顯著高于CK，表明高溫高濕條件下，輕度調(diào)虧灌溉處理葉片的抗氧化酶促系統(tǒng)清除活性氧的能力強，細胞膜脂過氧化水平低，生理代謝功能受傷害程度較小。在調(diào)虧灌溉處理中，T3 處理的SOD、POD、CAT 活性和可溶性蛋白含量均最低，MDA 含量最高，說明高溫高濕條件下，重度調(diào)虧灌溉處理引起細胞抗氧化酶促系統(tǒng)功能失效，活性氧和自由基大量積累，細胞膜脂過氧化程度高，可溶性蛋白含量降低，葉片衰老程度高，生理活性低。

4 結(jié) 論

綜上，在夏季溫室高溫高濕條件下（日平均氣溫31.5 ℃，平均相對濕度為69.95%），90%ET0（T1）是設(shè)施番茄比較合理的灌溉量。