弱光脅迫對番茄幼苗光合特性和根系生長的影響楊萬基

于錫宏+蔣欣梅+高歡+程瑤+張福+李揚丹+孫冬雪

摘要：以番茄品種東農722為試材，研究弱光[100～150 μmol/（m2·s）]脅迫對番茄幼苗光合特性和根系生長的影響。結果表明，弱光下葉綠素a+葉綠素b含量下降而葉綠素b相對含量上升，有利于番茄葉片有效地捕獲光能。凈光合速率（Pn）顯著下降，胞間CO2濃度（Ci）顯著上升，其中Pn下降是由非氣孔因素造成的。處理5 d，弱光下最大光化學效率（Fv/Fm）顯著上升，說明弱光沒有使番茄葉片PSⅡ光化學活性受抑制，而是增加了原初光能轉化效率。光化學淬滅系數（qP）和電子傳遞速率（ETR）顯著下降而調節性能量耗散Y（NPQ）顯著上升，表明弱光脅迫5 d的葉片不能進行正常的光合作用，但通過自身調控未受損傷。弱光下處理10 d，非調節性能量耗散[Y（NO）]顯著上升，而根長、根表面積和根體積顯著下降，說明番茄葉片在弱光脅迫10 d時已受損傷，根系處于長期弱光脅迫中，細胞功能也受到一定的破壞。

關鍵詞：番茄；弱光脅迫；光合特性；根系形態；葉綠素；細胞功能

中圖分類號： S641.201文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0112-03

收稿日期：2017-03-15

基金項目：國家大宗蔬菜產業技術體系專項（編號：CAR-25-C-08）；黑龍江省應用技術研究與開發計劃重大項目（編號：GA15B104-2）。

作者簡介：楊萬基（1991—），男，內蒙古赤峰人，碩士研究生，從事蔬菜栽培與生理研究。E-mail：916827209@qq.com。

通信作者：于錫宏，教授，博士生導師，從事蔬菜栽培與生理研究。E-mail：yxhong001@163.com。番茄（Lycopersicon esculentum L.）是我國北方反季節栽培的主要果菜之一。尤其入冬以后，日照時間短、光照弱，弱光常成為限制番茄幼苗生長的主要因子。迄今為止，有關弱光對植物光合特性方面的研究已屢見不鮮，但結果不盡相同[1-2]，且單一弱光條件下對番茄葉片葉綠素熒光特性和根系生長的報道很少。因此，以東農722番茄品種為試材，研究弱光對番茄幼苗光合特性及根系形態的影響，為番茄保護地耐弱光栽培提供理論依據。

1材料與方法

1.1供試材料

供試番茄品種是東農722，由東北農業大學番茄課題組選育提供。試驗于2016年在東北農業大學連棟溫室內進行，種子采用溫湯浸種（55 ℃，30 min），置于鋪有雙層濾紙的培養皿內，再于恒溫（28 ℃）培養箱中催芽。70%種子露白后播于10 cm×10 cm的營養缽，采用體積比為2 ∶1的草炭、蛭石復合基質。

1.2試驗設計

當幼苗4葉1心時移入2個人工氣候箱進行試驗，其條件：25 ℃/18 ℃（晝/夜），375～425 μmol/（m2·s）（對照）和100～150 μmol/（m2·s）（弱光）、光—暗周期12 h—12 h，空氣相對濕度60%。幼苗每天要進行1次位置調換。隨機區組設計，3次重復，每次重復10株，處理10 d。

1.3測定方法

1.3.1葉綠素含量參照張憲政的方法[3]，每個處理選5株。

1.3.2光合氣體交換參數選取距生長點第3張完全展開葉片，利用Li-6400XT的6400-40熒光葉室測定葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci）。氣孔限制值Ls=1-Ci/Ca（大氣CO2濃度）、水分利用效率WUE=Pn/Tr。通過便攜式光合儀菜單欄中的第2行設置光照度為400 μmol/（m2·s），CO2濃度為（625±5） μmol/mol，葉片溫度（25±1）℃，氣體流速300 μmol/（m2·s）。每個處理隨機選取5株。

1.3.3葉綠素熒光參數暗適應30 min后，摘取距生長點第3張完全展開葉片，用熒光儀（IMAGING-PAM）測定葉綠素熒光參數：最大光化學效率Fv/Fm、PSⅡ實際光化學效率Y（Ⅱ）、光化學淬滅系數（qP、qL）、非光化學淬滅系數（qN、NPQ）、電子傳遞速率（ETR）等參數，各參數均在選定模式下由系統自動生成。每個處理測定5張葉片，所有操作均在夜間且黑暗的空教室內進行，飽和脈沖光光照度為 5 000 μmol/（m2·s），處理光光照度為 81 μmol/（m2·s），測量光光照度低于0.5 μmol/（m2·s）。

1.3.4形態指標及根系形態學的測定常規測定幼苗干鮮質量、根冠比、壯苗指數。將幼苗根系用水清洗干凈，利用根系分析儀（LA-S2400）掃描根長（cm）、表面積（cm2）、體積（cm3）、平均直徑（mm）等參數，每個處理隨機選取5株。

1.4數據分析

采用Excel 2016和SAS 9.1軟件進行數據分析，用 one-way ANOVA進行差異顯著分析。

2結果與分析

2.1弱光脅迫對番茄葉片葉綠素含量的影響

弱光下脅迫處理5 d，番茄葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+葉綠素b含量顯著下降，與對照相比分別下降1228%、10.96%、12.02%。弱光下脅迫處理10 d，番茄葉綠素a/葉綠素b顯著下降，表明葉綠體對2，6-二氯酚靛酚的還原能力增強，葉綠體的光合磷酸化活性提高（表1）。表1弱光脅迫下番茄葉片葉綠素含量的變化

脅迫時間

（d）處理葉綠素a含量

（mg/g）葉綠素b含量

（mg/g）葉綠素a+葉綠素b

含量（mg/g）葉綠素a/葉綠素b5對照1.124±0.052a0.356±0.013a1.481±0.065a3.157±0.051a弱光0.986±0.038b0.317±0.014b1.303±0.052b3.110±0.012a10對照1.091±0.051a0.344±0.012a1.436±0.062a3.172±0.057a弱光1.063±0.033a0.355±0.016a1.418±0.049a2.994±0.028b注：相同脅迫時間下同列數據后不同小寫字母表示在5%水平下差異顯著。下表同。endprint

2.2弱光脅迫對番茄葉片光合參數的影響

弱光脅迫下處理5、10 d，番茄葉片的Pn、Gs、Tr、Ls顯著降低；但Ci升高38.79%、343.41%，Ci的變化方向確定Pn的變化是由氣孔因素造成的，還是非氣孔因素造成的。弱光脅迫下處理5 d，番茄葉片的水分利用效率（WUE）顯著上升，而處理 10 d 時，WUE顯著下降（表2）。表2弱光脅迫下番茄葉片光合參數的影響

脅迫時間

（d）處理Pn

[μmol/（m2·s）]Gs

[mol/（m2·s）]Ci

（μmol/mol）Tr

[mmol/（m2·s）]LsWUE

（μmol/mmol）5對照10.774±0.055a0.059±0.013a316.308±61.778b1.693±0.342a0.506±0.101a6.565±1.417b弱光8.505±0.326b0.019±0.002b439.013±12.557a0.571±0.049b0.298±0.020b13.482±2.068a10對照8.313±0.549a0.037±0.006a170.426±20.858b1.140±0.171a0.680±0.025a6.821±0.313a弱光1.562±0.360b0.013±0.002b755.681±93.427a0.441±0.076b0.061±0.038b3.747±1.695b

2.3弱光脅迫對番茄葉片葉綠素熒光參數的影響

弱光脅迫下處理5 d，番茄葉片Fv/Fm、Y（NPQ）、NPQ顯著增加，與對照相比分別增加22.93%、286.55%、411.86%，而非調節性能量耗散Y（NO）明顯下降。弱光脅迫下處理 10 d，Y（NO）增加3.95%。弱光脅迫處理5、10 d，番茄葉片PSⅡ實際光化學效率Y（Ⅱ）、光化學淬滅系數（qP、qL）、電子傳遞速率（ETR）明顯降低；而非光化學淬滅系數（qN）分別顯著增加128.96%、29.42%（表3）。表3弱光脅迫對番茄葉片葉綠素熒光參數的影響

脅迫時間（d）處理Fv/FmY（Ⅱ）Y（NPQ）Y（NO）qP5對照0.593±0.029b0.364±0.064a0.119±0.029b0.516±0.058a0.668±0.089a弱光0.729±0.007a0.160±0.065b0.460±0.040a0.385±0.019b0.279±0.010b10對照0.758±0.006a0.456±0.010a0.219±0.051a0.354±0.001b0.677±0.029a弱光0.759±0.009a0.285±0.071b0.348±0.069a0.368±0.012a0.465±0.082b脅迫時間（d）處理qLqNNPQETR5對照0.485±0.085a0.297±0.057b0.059±0.017a14.500±0.390a弱光0.145±0.061b0.680±0.010a0.302±0.006b5.733±2.382b10對照0.346±0.042a0.469±0.064b0.154±0.360a11.300±0.268a弱光0.256±0.041b0.607±0.068a0.201±0.039a6.933±1.749b

2.4弱光對番茄形態和根系生長的影響

弱光脅迫處理5 d，番茄幼苗的總干物質量、壯苗指數明顯降低，與對照相比分別降低37.98%、26.09%，表明植株的生物產量分配較多地流向地上部。弱光脅迫下處理10 d，根冠比、干物質量、壯苗指數、根長、表面積、體積、平均直徑與對照相比顯著下降8.77%、56.91%、66.67%、37.94%、38.77%、70.15%、4.91%（表4）。

3討論

弱光脅迫對植物光合作用的影響主要包括2個方面：一方面直接影響光合機構的活性和結構，如葉綠素含量的變化；另一方面影響植物體內的一些生理過程， 從而間接影響光合作用，如氣體交換參數、根系生長[4]。葉綠素含量是反映光合作用能力的重要指標之一。在本試驗中， 弱光脅迫下處理表4弱光脅迫對番茄幼苗生理指標和根系形態的影響

脅迫時間

（d）處理根冠比總干物質量

（g）壯苗指數根長

（cm）表面積

（cm2）體積

（cm3）平均直徑

（mm）5對照0.151±0.060a1.788±0.230a0.023±0.002a267.520±69.817a52.531±12.114a1.570±0.371a0.641±0.030a弱光0.211±0.021a1.109±0.126b0.017±0.002b293.308±19.675a56.709±2.454a1.585±0.120a0.659±0.020a10對照0.114±0.003a2.381±0.229a0.030±0.002a433.325±49.782a85.343±8.783a2.603±0.471a0.631±0.053a弱光0.104±0.001b1.026±0.213b0.010±0.001b268.920±60.027b52.255±11.367b0.777±0.183b0.600±0.014b

5 d，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+葉綠素b含量均顯著下降，而王學文等發現弱光提高番茄的葉綠素含量[5]，唐韋華等發現弱光能降低番茄葉綠素含量[6]，這可能是由于處理時間、品種、取樣部位以及光照度不同導致的。本試驗中葉綠素b相對含量增加，說明在弱光下藍紫光占優勢，這有利于番茄葉片能夠有效地捕獲光能。

在弱光脅迫下處理5、10 d，番茄葉片Pn、Gs、Ls均顯著降低，而胞間CO2濃度增加，其中Pn的降低由非氣孔因素造成[5]，這與王學文等的研究結果[5，7-8]一致，致使葉片光合作用能力下降，從而阻礙了CO2的利用[9]。Pn顯著下降，可能是弱光脅迫影響了葉綠體光能潛力的發揮，也可能是番茄葉片PSⅡ光系統中心被破壞。endprint

Fv/Fm是反映PSⅡ活性中心光能轉化效率的重要參數。在本試驗中，弱光脅迫下的Fv/Fm較對照顯著上升，表明弱光沒有使番茄葉片PSⅡ光化學活性受抑制，而是增加了原初光能轉化效率，與前人在辣椒[1，10]、黃瓜[11]上的研究結果一致，Fv/Fm的增加也可能是由于該品種對弱光有一定的適應性。光化學淬滅系數（qP）反映PSⅡ反應中心的電子傳遞活性和開放程度[12]，在本試驗弱光脅迫下qP、qL、ETR、Y（Ⅱ）較對照均顯著下降，這與前人在辣椒[10]、水稻[13]、小麥[14]上的研究結果一致，由于番茄葉片PSⅡ電子傳遞活性并未減弱，因此ETR下降，這可能是由于PSⅠ電子傳遞受阻而導致CO2濃度同化下降，從而番茄葉片不能進行正常的光合作用。調節性能量耗散Y（NPQ）是以熱形式來耗散PSⅡ吸收的光能，從而實現自我保護。在本試驗中，弱光脅迫處理5 d，番茄葉片Y（NPQ）顯著上升，表明番茄幼苗可能通過自身調節來耗散掉過剩的光能從而實現自我保護，Y（NO）顯著下降，也再次證明番茄幼苗在這5 d中未受到傷害；而在弱光下脅迫處理10 d，Y（NO）顯著上升，表明番茄幼苗在脅迫10 d時已受損傷。

光通過調控光合產物的合成以及向根系運輸和分配產物，從而影響根系生長[15-17]。在本試驗中，弱光脅迫下干物質量、壯苗指數都顯著下降，與前人的研究結果[5]一致，表明干物質向地上部分配較多而向地下部分配較少，從而造成地下部與地上部生長不平衡。一般認為，葉片通過光合作用為根系生長提供所需營養，同時根系又為葉片生長發育提供無機養分，因此葉片與根系是相互制約、相互影響的。在本試驗中，弱光脅迫處理10 d，根長、根表面積和根體積顯著下降，表明根系處于長期弱光脅迫中，細胞功能受到一定的破壞，并再次說明地上部向地下部提供的干物質較少，這可能是地上部在弱光下脅迫處理10 d時受損傷所致。

參考文獻：

[1]張志剛，尚慶茂. 低溫、弱光及鹽脅迫下辣椒葉片的光合特性[J]. 中國農業科學，2010，43（1）：123-131.

[2]艾希珍，郭延奎，馬興莊，等. 弱光條件下日光溫室黃瓜需光特性及葉綠體超微結構[J]. 中國農業科學，2004，37（2）：268-273.

[3]張憲政. 植物葉綠素含量測定——丙酮乙醇混合液法[J]. 遼寧農業科學，1986（3）：28-30.

[4]陳小玲，陳清西. 植物弱光逆境生理的研究進展[J]. 北方園藝，2014（6）：183-187.

[5]王學文，王玉玨，付秋實，等. 弱光逆境對番茄幼苗形態、生理特征及葉片超微結構的影響[J]. 華北農學報，2009，24（5）：144-149.

[6]唐韋華，李天來，張秀美，等. 苗期弱光脅迫對番茄生長和葉綠素含量的影響及其恢復效應[J]. 沈陽農業大學學報，2007，38（3）：278-282.

[7]齊紅巖，李超. 兩個品種番茄短期內對不同程度弱光脅迫的反應[J]. 中國園藝文摘，2012，28（2）：196-196.

[8]毛煒光，吳震，黃俊，等. 水分和光照對厚皮甜瓜苗期植株生理生態特性的影響[J]. 應用生態學報，2007，18（11）：2475-2479.

[9]許大全. 光合作用效率[J]. 植物生理學通訊，1988（5）：1-7.

[10]眭曉蕾，毛勝利，王立浩，等. 弱光條件下辣椒幼苗葉片的氣體交換和葉綠素熒光特性[J]. 園藝學報，2007，34（3）：615-622.

[11]甄偉，張福墁. 弱光對黃瓜功能葉片光合特性及超微結構的影響[J]. 園藝學報，2000，27（4）：290-292.

[12]Yordanova R Y，Alexieva V S，Popova L P. Influence of root oxygen deficiency on photosynthesis and antioxidant status in barley plants[J]. Russian Journal of Plant Physiology，2003，50（2）：163-167.

[13]金松恒，蔣德安，王品美，等. 水稻孕穗期不同葉位葉片的氣體交換與葉綠素熒光特性[J]. 中國水稻科學，2004，18（5）：443-448.

[14]張巍. 弱筋小麥葉片光合作用和葉綠素熒光參數對灌漿期弱光響應的定量研究[D]. 南京：南京農業大學，2011.

[15]蔣華偉，羅紅雨，李靜會，等. 不同光照對2種觀賞連翹光合及葉綠素熒光參數的影響[J]. 江蘇農業科學，2015，43（11）：246-249.

[16]張麗輝，賈澤君，孫奇，等. 2種紫花苜蓿幼苗生長對光照度的可塑性響應[J]. 江蘇農業科學，2015，43（12）：263-265.

[17]Molas M L，Kiss J Z，Correll M J. Gene profiling of the red light signalling pathways in roots[J]. Journal of Experimental Botany，2006，57（12）：3217-3229.朱楊帆，劉倫，滕美貞，等. 南京地區梨種質資源葉片特性及生長習性調查分析[J]. 江蘇農業科學，2017，45（17）：115-119.endprint