高溫脅迫對番茄苗期光合色素的影響

段金虎，姜悅暢，韓 菲，毛秀杰，潘玉霞

（河北科技師范學(xué)院園藝科技學(xué)院，河北秦皇島 066600）

番茄（Solanum lycopersicumL.），原產(chǎn)南美洲，適應(yīng)性強，產(chǎn)量高，營養(yǎng)豐富，用途廣泛（生食、菜用和加工），是世界性蔬菜種類之一[1]。番茄喜溫，最適溫度為25～30 ℃，超過35 ℃，番茄生長會受到高溫脅迫[2]。隨著全球氣候變化，特別是溫室效應(yīng)加劇引起的全球氣溫持續(xù)上升，高溫脅迫逐漸成為限制番茄生長和發(fā)育的主要因素之一[3]。

植物葉片是植株光合作用等生理活動的主要功能器官，植物的光合作用受多種環(huán)境因素的影響，其中溫度是影響植物光合作用的主要因素之一。高溫脅迫不僅會傷害細胞膜，改變膜透性，使植物的電導(dǎo)滲透率增加[4]，也會引起葉片相關(guān)功能的變化，進而影響植物的光合作用[5]。光合作用機制涉及不同的反應(yīng)過程，包括光合色素和光反應(yīng)系統(tǒng)。植物光合色素包括葉綠素a、葉綠素b 及類胡蘿卜素，其功能是捕獲光能[6]。一些研究指出，高溫脅迫會使植物的葉綠素合成受阻[7]，光合色素含量不僅直接影響植物光能利用能力，還影響光能利用率，最終影響植物的光合效率。光合作用是植物物質(zhì)轉(zhuǎn)換和能量代謝的關(guān)鍵生理活動，是植物生命的基礎(chǔ)[8]，為植物提供所需的能量。在作物生產(chǎn)過程中，提高作物的光合效率，有利于植物生長效率的提高，進而提高作物產(chǎn)量，因此，探究高溫脅迫對番茄光合色素含量的影響，對明確番茄耐熱機制，推進番茄生長環(huán)境調(diào)控、耐熱品種選育等均具有重要意義。本文研究了高溫脅迫對番茄品種耐熱性、熱敏品系的光合色素含量的影響，以及為高溫脅迫下植物的光合機理研究及番茄耐熱性育種提供了理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

經(jīng)過多代自交獲得的番茄品系‘CH’‘ZHY’（耐熱品系），‘DH’‘S’（熱敏品系），材料由河北科技師范學(xué)院番茄課題組提供。

1.2 儀器與設(shè)備

人工智能培養(yǎng)箱，RXZ 型（多段編程），寧波江南儀器廠制造；電導(dǎo)滲透率測定儀器，DZS-708-A 型，北京華儀通泰環(huán)?？萍加邢薰?；分光光度計，723N 型，上海宏達恒業(yè)科技有限公司；振蕩器HY-4A 型，常州市金壇友聯(lián)研究所。

1.3 試驗方法

本試驗于2022 年11 月在河北科技師范學(xué)院園藝中心實驗室進行。待番茄生長至5 葉1 心時，各品系番茄隨機選取9 株，放入人工智能培養(yǎng)箱中進行38 ℃的高溫處理，測定脅迫處理0、1、3、6、9 h 時各番茄品系的電導(dǎo)率，計算1、3、6、9 h 時電導(dǎo)率與0 h 時電導(dǎo)率的變化率，并分析高溫脅迫對番茄光合色素含量的影響。

1.4 指標(biāo)測定及方法

1.4.1 番茄電導(dǎo)滲透率

選取番茄葉片，用直徑1.0 cm 的打孔器（切口要潔凈）打取定量小圓葉片（避開大葉脈），將小圓葉片用去離子水充分沖洗后，再用濾紙吸干外附水分備用。

準(zhǔn)確稱取0.75 g 材料，放入對應(yīng)編號的三角瓶中，加入10 mL 去離子水浸泡，在振蕩器上浸泡1.5 h 測定不同處理的番茄電導(dǎo)滲透率。各處理浸泡時間和測定溫度（室溫）一致。

1.4.2 番茄葉片的葉綠素a、b 及類胡蘿卜素含量

將葉片清洗并吸干水分，準(zhǔn)確稱量0.2 g，剪碎放入研缽中，加入適量95%乙醇研磨成漿，轉(zhuǎn)移至10 mL 容量瓶中定量，充分搖勻后，3 000 r/min 離心5 min，上清液即為光合色素提取液。取2 mL 提取液加95%乙醇4 mL，稀釋搖勻，倒入直徑為1 cm 的比色皿中，分別于662、644、440 nm 下測定吸光度值，記錄OD 值。

用95%乙醇提取色素，選定葉綠素a（其濃度以ca表示）的吸收峰值為662 nm，葉綠素b（其濃度以cb表示）的吸收峰值為644 nm，類胡蘿卜素（其濃度以cc表示）的吸收峰值為440 nm，色素濃度計算公式見式（1）（2）（3），色素含量計算公式見式（4）。

式中，A為色素含量，mg/g；c為色素濃度，mg/L；V為色素溶液體積，mL；m為葉片質(zhì)量，g。

1.4.3 番茄高溫脅迫電導(dǎo)滲透率變化率

番茄高溫脅迫電導(dǎo)滲透率變化率計算公式見式（5）。

式中，ΔE為番茄高溫前后電導(dǎo)滲透率的變化率，%；EEG番茄高溫處理后電導(dǎo)滲透率，μs/cm；ECG為番茄高溫處理前電導(dǎo)滲透率，μs/cm。

1.4.4 番茄高溫脅迫光合色素變化率番茄高溫脅迫光合色素變化率計算公式見式（6）。

式中，ΔP為番茄高溫前后光合色素含量的變化率，%；PEG為番茄高溫處理后光合色素含量，mg/g；PCG為番茄高溫處理前光合色素含量，mg/g。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，DPS 9.05 統(tǒng)計軟件進行t-檢驗及單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫脅迫下番茄葉片的電導(dǎo)滲透率

由圖1 可知，經(jīng)38 ℃高溫脅迫處理‘CH’‘DH’‘S’番茄品系的電導(dǎo)滲透率在0～6 h 內(nèi)隨高溫脅迫時間的增加呈現(xiàn)上升趨勢，第6 h 時，達到峰值后呈現(xiàn)下降趨勢；品系‘ZHY’的電導(dǎo)滲透率在0～3 h 內(nèi)隨高溫脅迫時間的增加呈現(xiàn)上升趨勢，第3 h 時，開始呈現(xiàn)下降趨勢，在0～9 h 的高溫脅迫過程中，品系‘DH’‘S’整體的變化趨勢較‘CH’‘ZHY’上下浮動較大。綜合看來，番茄在38℃的高溫脅迫下，各品系番茄的電導(dǎo)滲透率隨時間的推移均有先升后降的變化趨勢，耐熱品系較熱敏品系電導(dǎo)滲透率變化趨勢的上下浮動較小。

圖1 番茄電導(dǎo)滲透率變化趨勢圖Fig.1 Trend chart of tomato conductivity permeability

2.2 高溫脅迫下番茄葉片電導(dǎo)滲透率變化率

由表1 知，經(jīng)38 ℃高溫脅迫處理，對0～1 h、0～3 h、0～6 h、0～9 h 的電導(dǎo)滲透率各間隔變化率進行方差分析。0～1 h，品系‘S’電導(dǎo)滲透率的變化率顯著大于品系‘CH’；0～3 h，品系‘DH’‘S’電導(dǎo)滲透率的變化率極顯著大于品系‘CH’‘ZHY’；0～6 h，品系‘ZHY’電導(dǎo)滲透率開始出現(xiàn)負值，即品系‘ZHY’在第6 h 時電導(dǎo)滲透率下降，品系‘DH’電導(dǎo)滲透率的變化率極顯著大于品系‘CH’‘ZHY’，品系‘S’電導(dǎo)率的變化率極顯著大于品系‘ZHY’，品系‘S’電導(dǎo)滲透率的變化率顯著高于品系‘CH’；0～9 h，品系‘CH’‘ZHY’電導(dǎo)滲透率開始出現(xiàn)負值，即品系‘CH’‘ZHY’在第9 h 時電導(dǎo)滲透率下降，品系‘DH’電導(dǎo)滲透率的變化率極顯著大于品系‘CH’‘ZHY’，品系‘S’電導(dǎo)滲透率的變化率極顯著大于品系‘ZHY’，品系‘S’電導(dǎo)滲透率的變化率顯著高于品系‘CH’。

表1 高溫脅迫下番茄葉片電導(dǎo)滲透率變化率Table 1 Change rate of conductivity permeability of tomato leaves under high temperature stress

2.3 高溫協(xié)迫下番茄葉片葉綠素含量

試驗中，38 ℃高溫脅迫處理，在第3 h 耐熱品系番茄幼苗葉片電導(dǎo)滲透率的變化率極顯著大于熱敏品系，因此對于光合色素的測定分析以38 ℃高溫持續(xù)3 h 為處理條件。對番茄品系高溫處理前后葉片葉綠素a、b 含量進行比較分析。具體見圖2。

圖2 高溫脅迫下番茄葉片葉綠素含量比較Fig.2 Comparison of chlorophyll content in tomato leaves under high temperature stress

由圖2 可知，在38 ℃高溫脅迫處理前，番茄品系‘ZHY’葉片葉綠素a、b 的含量均極顯著高于‘CH’，品系‘CH’葉片葉綠素b 含量顯著高于‘S’，品系‘S’葉片葉綠素a/b 含量極顯著高于‘CH’，‘CH’葉片葉綠素a/b 含量極顯著高于‘ZHY’，品系‘ZHY’葉片葉綠素a、b 總含量極顯著高于‘CH’，‘CH’葉片葉綠素a、b 總含量極顯著高于‘S’。

在38 ℃高溫脅迫處理后，番茄品系‘ZHY’葉片葉綠素a 含量顯著高于‘CH’，品系‘DH’葉片葉綠素b 含量極顯著高于‘ZHY’，‘ZHY’葉片葉綠素b 含量極顯著高于‘CH’，‘CH’葉片葉綠素b 含量顯著高于‘S’，品系‘S’葉片葉綠素a/b 含量極顯著高于‘CH’，‘CH’葉片葉綠素a/b 含量極顯著高于‘DH’‘ZHY’，番茄品系‘ZHY’葉片葉綠素a、b 總含量極顯著高于‘CH’，‘DH’葉片葉綠素a、b 總含量顯著高于‘ZHY’。

總之，經(jīng)38 ℃高溫脅迫處理后，各番茄品系葉片葉綠素a、b、葉綠素a、b 總含量均下降，而葉綠素a/b 值升高。

2.4 高溫脅迫下番茄葉片類胡蘿卜素含量

由圖3 可知，38 ℃高溫脅迫處理前，各品系之間類胡蘿卜素含量差異不顯著，‘ZHY’＞‘DH’＞‘S’＞‘CH’；38 ℃高溫脅迫處理3 h 后，品系‘ZHY’葉片類胡蘿卜素含量極顯著高于‘CH’，‘S’葉片類胡蘿卜素含量顯著高于‘CH’。38 ℃高溫脅迫處理前后，各番茄品系類胡蘿卜素含量均下降。

圖3 高溫脅迫下番茄葉片類胡蘿卜素含量Fig.3 Carotenoids content of tomato leaf under high temperature stress

2.5 高溫脅迫下番茄光合色素含量變化

由表2 知，番茄品系葉片葉綠素a、b 含量、葉綠素a+b 總量、類胡蘿卜素含量、葉綠素a/b 高溫協(xié)迫前后的變化率之間差異不顯著，番茄葉片葉綠素a、葉綠素a、b總含量變化量‘ZHY’＜‘CH’＜‘S’＜‘DH’；葉片葉綠素b 含量、葉綠素a/b 變化量‘S’＜‘CH’＜‘ZHY’＜‘DH’；葉片類胡蘿卜素含量變化量‘ZHY’＜‘CH’＜‘DH’＜‘S’。綜合看來，高溫脅迫后，耐熱品系番茄的葉綠素a、葉綠素a、b 總量、類胡蘿卜素含量的變化率均低于熱敏品系。

表2 番茄高溫脅迫葉片光合色素含量變化Table 2 Change of photosynthetic pigment content in tomato leaves under high temperature stress

3 結(jié)論

近年來，隨著全球氣候變暖趨勢不斷加劇，番茄在生長發(fā)育過程中遭受高溫脅迫影響越來越頻繁。高溫脅迫是基于脅迫強度和脅迫時間兩方面共同作用的結(jié)果，其所造成的高溫傷害分為長期處于高于適宜溫度條件下的高溫脅迫和短期處于相對較高溫度條件下的高溫脅迫兩個基本類型[9]。

本試驗通過對不同番茄品系進行38 ℃高溫脅迫處理，分析比較高溫脅迫對番茄幼苗葉片電導(dǎo)滲透率的影響。結(jié)果表明，各品系番茄的電導(dǎo)滲透率隨處理時長的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢，這與金春燕[10]的研究相一致。也有研究表明，黃瓜幼苗經(jīng)高溫脅迫后，其電解滲透率會大幅度升高[11]。高溫脅迫后番茄品系電導(dǎo)滲透率提高，是由于高溫導(dǎo)致細胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，細胞膜的選擇透過性降低，細胞內(nèi)的電解質(zhì)外流，最終導(dǎo)致電導(dǎo)滲透率的提高。

本試驗中，經(jīng)38 ℃高溫脅迫處理，在第3 h 耐熱品系番茄幼苗葉片電導(dǎo)滲透率的變化率極顯著大于熱敏品系，李曉梅[12]研究高溫對不結(jié)球白菜的影響時發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫下白菜的葉綠素a、b 含量均隨溫度的升高而下降，本試驗中各番茄品系葉片葉綠素a、b 含量也呈現(xiàn)出下降趨勢。葉片葉綠素a、b 的總量呈現(xiàn)下降趨勢，且熱敏品系下降的速度顯著快于耐熱品系，這與潘寶貴等[13]在高溫脅迫對不同辣椒品種苗期光合作用的影響中的結(jié)論相一致；類胡蘿卜素呈現(xiàn)出下降趨勢，與袁昌洪等[14]在番茄高溫高濕脅迫后的補償生長中番茄高溫脅迫后番茄高溫脅迫后類胡蘿卜素均呈現(xiàn)出下降的趨勢相符；本試驗中各番茄品系高溫脅迫后的葉綠素a/b 含量均上升，與蘇春杰等[7]的高溫脅迫對番茄光合影響及緩解機制相符。本次試驗各番茄品系的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a、b 總量、類胡蘿卜素含量下降，可能是高溫脅迫會抑制植物體內(nèi)光合作用酶活性、導(dǎo)致植物體內(nèi)光合色素分解和失活。該試驗只是在苗期對不同番茄品系進行高溫脅迫處理，對電導(dǎo)滲透率、光合色素進行比較分析，對高溫脅迫下不同番茄品系間的產(chǎn)量進行比較，需要進一步試驗分析。

面對全球變暖，解決高溫脅迫對番茄生長帶來的負面影響主要采取以下措施：一是在栽培管理上加強通風(fēng)、遮陽、噴水降溫、控制灌溉量，利用其它設(shè)施設(shè)備等；二是利用傳統(tǒng)的雜交育種培育耐熱品種，但這兩種措施投入成本高。隨著基因分子水平的發(fā)展，育種家采用基因克隆、分子輔助育種來提高番茄耐熱性育種的效率，因此下一步要不斷深入高溫脅迫對番茄生理生化、植物應(yīng)激高溫脅迫響應(yīng)機理的研究。