番茄砧木耐熱性評價及熱脅迫生理響應研究

田茂燕 向婷穎 鐘 川 王 鵬 陽燕娟 于文進

（廣西大學農學院，廣西南寧 530004）

番茄（Solanum lycopersicum）是世界上重要的經濟作物，在我國蔬菜產業中占有重要地位，是我國主要的大宗蔬菜之一（毛勝利 等，2001；王冬梅，2003）。番茄原產地位于赤道附近的南美西部高原地帶，比較適應高地干燥冷涼的環境條件，是對溫度較為敏感的喜溫植物，適宜的生長溫度為15～32 ℃，過高或過低的溫度均會影響其正常的生長發育（安鳳霞 等，2005；張富存 等，2011；Wang et al.，2020）。近年來，隨著全球溫室效應的加劇，氣溫升高，我國番茄生產面臨熱脅迫的嚴峻挑戰，特別是南方地區露地番茄主栽季節，春延后栽培和秋提前栽培的番茄易受異常高溫的影響，成為限制番茄生產的主要原因之一。研究表明，高溫不僅降低番茄種子活力，抑制種子萌發（錢春梅等，2002），而且導致植株體內抗氧化系統失衡，破壞葉綠體膜結構，通過非氣孔因素影響光合作用（魏爽 等，2019）。不耐熱的番茄幼苗受到35 ℃以上高溫熱脅迫后，呼吸作用會發生紊亂，且隨著脅迫時間的延長，植株莖葉與花器的發育受到嚴重影響，導致莖葉萎焉與畸形果實的產生，甚至植株莖葉停止伸長直至枯萎，嚴重影響番茄的營養生長，降低產量和品質；耐熱的番茄品種則受熱脅迫影響較小，且幼苗的耐熱性與采收期的耐熱性呈顯著正相關（劉祖祺，1994；Li et al.，2011；彭勇政 等，2019）。采用耐熱砧木進行嫁接栽培是提高番茄高溫耐受性的重要方法。嫁接栽培可以增強番茄的抗逆性和生長勢，提高坐果率，提早收獲，提高產量與改善品質（范雙喜和王紹輝，2005）。利用耐熱性較強的砧木嫁接番茄，嫁接苗即使處于高溫環境下，植株葉片葉綠素含量、凈光合速率都顯著高于自根苗，說明嫁接栽培可以顯著提高番茄的耐熱性（董靈迪 等，2010）。因此，鑒定和篩選耐熱番茄砧木種質具有重要的現實意義。本試驗通過比較熱脅迫對不同番茄砧木種子萌發和幼苗生長的影響，評價番茄砧木種質的耐熱性，研究砧木幼苗對熱脅迫的生理響應，以期為番茄耐熱砧木種質的鑒定和應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018 年11 月至2019 年7 月在廣西大學農學院蔬菜基地進行。供試材料為廣西大學農學院蔬菜育種課題組保存的20 份番茄砧木種質，其中9 份種質來源于中國，11 份種質來源于日本，均為多代純合自交系（表1）。

表1 供試番茄砧木種質來源和類型

1.2 番茄砧木種子耐熱性鑒定

設置28、31、34、37、40 ℃共5 個溫度處理，其中28 ℃為常溫對照（CK），進行種子發芽試驗，評價砧木種質的耐熱性。在直徑11 cm 的干凈培養皿中墊2 張9 cm 的濾紙，用無菌水潤濕后，將20份供試砧木種子（2018 年12 月采種，種子干燥后貯藏于4 ℃冷藏箱內）分別播到濾紙上，每只培養皿均勻播種100 粒，加無菌水保持潤濕，種子吸水2 h 后，將加蓋的培養皿放入以上5 個不同溫度的恒溫培養箱內，處理14 d（金春燕 等，2011），期間保持濕潤。每份種質、每個溫度處理設3 次重復。種子開始發芽后，每天同一時間統計發芽數。

1.3 番茄砧木幼苗耐熱性鑒定

將供試砧木種子分別播種到50孔穴盤內育苗，育苗基質按泥炭∶椰糠∶珍珠巖=2V∶1V∶1V的比例配制。當幼苗長至4 片真葉時，轉入人工氣候箱中，在28 ℃/20 ℃（16 h/8 h）、相對濕度70%～75%、每天光照16 h、光照強度300 μmol · m-2·s-1條件下預培養2 d。第3 天進行熱脅迫處理，設置常溫對照（28 ℃/20 ℃）、亞高溫（34 ℃/28 ℃）、高溫（37 ℃/28 ℃）3 個溫度處理，每份砧木、每個溫度處理幼苗30 株，3 次重復。相對濕度和光照條件同預培養，其他管理條件相同。處理7 d 后調查幼苗熱害級數，計算熱害指數。采用便攜式葉綠素測定儀（SPAD 502）測定植株最上部完全展開葉片的葉綠素SPAD 值。

參考宋敏麗等（2012）的方法，根據幼苗葉片失水萎蔫程度和顏色變化表型，將熱害級數分為5 級（圖1）：植株沒有明顯高溫傷害癥狀為0 級；植株輕度失水，下部老葉邊緣發黃為1 級；植株中度失水，中下部葉片卷曲為2 級；植株嚴重失水，上部葉片卷曲為3 級；植株多數葉片枯萎死亡為4級。熱害指數=∑（各級株數×相應級數）／（最高級數×總株數）。參考馬寶鵬（2013）的方法，根據熱害指數將苗期耐熱性（CI）分為5 級：強耐高溫（HR），0 ≤CI ≤0.2；中耐高溫（MR），0.2 ＜CI ≤0.4；耐高溫（R），0.4 ＜CI ≤0.6；高溫敏感（S），0.6 ＜CI ≤0.8；高溫高敏感（HS），0.8 ＜CI ≤1.0。

1.4 熱脅迫對番茄砧木幼苗生長及生理響應研究

根據幼苗耐熱性鑒定結果，選取強耐高溫種質G3、Q2、N3 和高溫高敏感種質G2、Y3 進行熱脅迫生理響應研究。育苗和熱脅迫處理方法同1.3。處理7 d 后，進行植株生長指標和葉片丙二醛（MDA）、脯氨酸含量的測定。用直尺測量植株株高，用游標卡尺測量植株第1 節莖粗（橫徑），用天平測量地上部、地下部鮮質量和干質量。將植株用自來水沖洗干凈，再用去離子水沖洗3 遍，吸水紙吸干表面水分后測定鮮質量；然后置于烘箱105℃殺青15 min，75 ℃恒溫烘至恒重后測定干質量。

取植株最上部完全展開葉片，參考李合生等（2000）的方法，采用硫代巴比妥酸法測定葉片MDA含量，采用水合茚三酮法測定葉片脯氨酸含量。

1.5 番茄砧木種質耐熱性綜合評價

參考但忠等（2013）的方法，運用SPSS 19.0軟件對20 份番茄砧木種質進行隸屬函數值法分析，綜合評價其耐熱性。隸屬函數值計算公式為R（Xi）=（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin），Xi為某一指標測定值，Xmin、Xmax分別為所有參試材料某一指標的最小值和最大值；如果為負相關，則用反隸屬函數進行轉換，計算公式為：R（Xi）=1-（Xi-Xmin）/（Xmax-Xmin）。

1.6 統計分析

各指標數據應用Microsoft Excel 2010 軟件進行處理和作圖，應用SPSS 19.0 統計軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 熱脅迫對番茄砧木種子萌發的影響

從表2 可以看出，常溫（28 ℃，CK）條件下，所有參試種質的種子發芽率均在92%以上。31 ℃條件下，有15 份種質發芽率降至80%～88%，5 份種質發芽率降至80%以下，其中Q3 降至69.00%。34 ℃條件下，除N3 的發芽率為64.33%之外，其余種質的發芽率均在50%以下，其中Q3、Q4 的發芽率降至27%左右。37 ℃條件下，除N3、Y2、G3 的發芽率為20%～23%外，其余種質的發芽率均降至20%以下，9 份種質的發芽率為0。40 ℃條件下，所有參試種質的種子發芽率均為0，喪失萌發能力。以上說明，高溫對番茄砧木種子萌發具有抑制作用，隨著溫度升高，種子發芽率明顯降低，不同砧木種子萌發受熱脅迫的影響不同。

表2 不同溫度處理對番茄砧木種子發芽率的影響

2.2 熱脅迫對番茄砧木幼苗耐熱性的影響

從表3可以看出，亞高溫（34 ℃/28 ℃）條件下，有9 份種質的幼苗熱害發生率為80%～89%，其余11 份種質的熱害發生率為90%～99%；G3、Q2、N3 的熱害指數為0.12～0.16，表現強耐高溫（HR），Q3、Q5 的熱害指數分別為0.39、0.40，表現中耐高 溫（MR），A1、Q4、Q7、C1、C7、Y4 等6 份種質的熱害指數為0.51～0.60，表現耐高溫（R），其余9 份種質的熱害指數為0.64～0.80，表現高溫敏感（S）。高溫（37 ℃/28 ℃）條件下，所有參試種質的幼苗熱害發生率均為100.00%；G3、Q2、N3 的熱害指數為0.16～0.19，仍然表現強耐高溫（HR），A1、Q3、Q4、Q5、Y4 等5 份種質的熱害指數為0.55～0.60，表現耐高溫（R），其余12 份種質的熱害指數為0.71～0.95，表現高溫敏感（S）或高溫高敏感（HS）。以上說明，番茄砧木幼苗對熱脅迫的表型差異明顯，種質G3、Q2、N3 較耐高溫。

2.3 熱脅迫對番茄砧木幼苗葉片葉綠素含量的影響

從表4可以看出，常溫（28 ℃/20 ℃，CK）條件下，參試種質的幼苗葉片SPAD 值為42.05～46.57。亞高溫（34 ℃/28 ℃）脅迫下，N3、Q2、Q3、Q5、G3 等5 份種質的幼苗葉片SPAD 值比對照降低20%～30%，其余15 份種質的幼苗葉片SPAD 值比對照降低31.13%～36.51%。高溫（37 ℃/28 ℃）脅迫下，Q2、Q3、Q5、G3 等4份種質的幼苗葉片SPAD 值比對照降低53.20%～58.94%，A1、N3、C1、Y4 等4 份種質的幼苗葉片SPAD 值比對照降低66.14%～69.66%，其余12 份種質的幼苗葉片SPAD 值比對照降低71.09%～76.40%。以上說明，熱脅迫影響番茄砧木幼苗葉片葉綠素合成而使其含量降低，高溫比亞高溫處理下降幅度大。

表4 熱脅迫對番茄砧木幼苗葉片葉綠素含量（SPAD 值）的影響

2.4 熱脅迫對番茄砧木幼苗生長的影響

2.4.1 熱脅迫對番茄砧木幼苗株高和莖粗的影響 由表5 可知，亞高溫（34 ℃/28 ℃）脅迫下，強耐高溫種質G3、Q2、N3的株高比對照（28 ℃/20 ℃）增加12.64%～15.49%，高溫高敏感種質G2、Y3的株高分別比對照增加23.43%、24.20%；高溫（37℃/28 ℃）脅迫下，G3、Q2、N3 的株高比對照增加4.32%～8.09%，G2、Y3 的株高分別比對照增加17.42%、19.44%。亞高溫脅迫下，G3、Q2、N3 的莖粗分別比對照減小8.05%～9.58%，G2、Y3 的莖粗分別比對照減小27.51%、23.17%；高溫脅迫下，G3、Q2、N3 的莖粗比對照減小26.04%～30.13%，G2、Y3 的莖粗分別比對照減小50.74%、53.13%。以上說明，熱脅迫導致番茄砧木幼苗株高增加而莖粗降低，幼苗表現徒長，強耐高溫種質G3、Q2、N3 的株高增幅和莖粗降幅比高溫高敏感種質G2、Y3 小，幼苗徒長程度相對較小。

表5 不同溫度處理對番茄砧木幼苗株高與莖粗的影響

2.4.2 熱脅迫對番茄砧木幼苗鮮質量和干質量的影響 從表6、7 可以看出，亞高溫（34 ℃/28 ℃）脅迫下，G3、Q2、N3 的地上部鮮質量比對照（28℃/20 ℃）降低16.10%～18.40%，地下部鮮質量比對照降低23.79%～30.00%；G2、Y3 的地上部鮮質量分別比對照降低38.38%、41.80%，地下部鮮質量分別比對照降低52.08%、56.51%。高溫（37℃/28 ℃）脅迫下，G3、Q2、N3 的地上部鮮質量比對照降低30.57%～38.56%，地下部鮮質量比對照降低34.43%～60.74%；G2、Y3 的地上部鮮質量分別比對照降低58.41%、58.86%，地下部鮮質量分別比對照降低75.63%、80.70%。干質量的降幅與鮮質量類似。以上表明，熱脅迫導致番茄砧木幼苗的鮮質量和干質量降低，強耐高溫種質G3、Q2、N3 的降幅比高溫高敏感種質G2、Y3 小，生物量增長受抑制程度相對較小。

表6 不同溫度處理對番茄砧木幼苗地上部鮮質量與干質量的影響

表7 不同溫度處理對番茄砧木幼苗地下部鮮質量與干質量的影響

2.5 熱脅迫對番茄砧木幼苗葉片MDA和游離脯氨酸含量的影響

從圖2、3 可以看出，熱脅迫導致番茄砧木幼苗葉片的MDA 含量和游離脯氨酸含量增加。亞高溫（34 ℃/28 ℃）脅迫下，G3、Q2、N3的葉片MDA含量比對照（28 ℃/20 ℃）升高29.60%～50.10%，G2、Y3分別比對照升高89.99%、129.84%。高溫（37 ℃/28 ℃）脅迫下，G3、Q2、N3的葉片MDA含量比對照升高55.41%～89.14%，G2、Y3分別比對照升高120.76%、154.75%。亞高溫脅迫下，G3、Q2、N3 的葉片游離脯氨酸含量比對照升高84.34%～125.58%，G2、Y3分別比對照升高8.75%、24.73%。高溫脅迫下，G3、Q2、N3 的葉片游離脯氨酸含量比對照升高226.40%～248.70%，G2、Y3比對照分別升高94.83%、130.74%。綜合以上結果，強耐高溫種質G3、Q2、N3 葉片MDA 含量的增幅比高溫高敏感種質G2、Y3 小，說明其因細胞膜脂過氧化引起傷害相對較輕；葉片游離脯氨酸含量增幅大，說明其細胞調節滲透能力相對較強。

2.6 番茄砧木幼苗熱害指數與生長生理指標的相關性

分別對亞高溫（34 ℃/28 ℃）、高溫（37 ℃/28℃）脅迫下番茄砧木幼苗的熱害指數及生長生理指標的測定值進行相關性分析。結果顯示（表8、9），熱害指數分別與株高、葉片MDA 含量呈極顯著正相關，與葉片SPAD 值、莖粗、全株鮮質量、全株干質量呈顯著負相關，與葉片游離脯氨酸含量呈極顯著負相關。以上說明，可用以上7 項生長生理指標對番茄砧木幼苗的耐熱性進行綜合評價。

表8 亞高溫（34 ℃/28 ℃）脅迫下番茄砧木幼苗的熱害指數與生長生理指標的相關性

2.7 番茄砧木種質耐熱性綜合評價

用與熱害指數顯著相關的7 項生長生理指標進行隸屬函數分析，根據隸屬函數值的平均值大小對供試種質的耐熱性進行排序。結果顯示，供試種質在亞高溫（34 ℃/28 ℃）和高溫（37 ℃/28 ℃）脅迫下的耐熱性排序相同（表10、11），強耐高溫（HR）種質G3、N3、Q2 排序第1～3 位，與亞高溫脅迫的熱害指數排序結果一致。以上說明，可以通過幼苗生長生理指標隸屬函數分析，對番茄砧木種質的耐熱性進行評價。

表9 高溫（37 ℃/28 ℃）脅迫下番茄砧木幼苗的熱害指數與生長生理指標的相關性

表10 亞高溫（34 ℃/28 ℃）脅迫下番茄砧木種質耐熱性隸屬函數分析

表11 高溫（37 ℃/28 ℃）脅迫下番茄砧木種質耐熱性隸屬函數分析

3 討論與結論

番茄種子萌發的適宜溫度為25～30 ℃，超過30 ℃會抑制番茄種子的萌發，降低種子活力（錢春梅 等，2002）。付麗軍等（2017）認為耐熱性強的黃瓜種子在高溫下仍能保持較高的種子活力和發芽率，出苗更整齊，幼苗健壯。本試驗結果表明，番茄砧木種質的種子發芽率隨著溫度升高而明顯降低，34 ℃條件下，大部分種質發芽率降至50%以下，37 ℃條件下的發芽率降至24%以下，40 ℃條件下的發芽率降至0，部分砧木種質對34～37 ℃高溫有一定程度的耐受力。

作物在熱脅迫下，耐熱品種能保持較高的葉綠素含量，不耐熱品種的葉綠素合成受阻或降解，葉綠素含量降低，光合作用下降，影響植株正常生長（馬曉娣 等，2004；張冉，2017）。植株熱害指數是衡量作物受熱害程度的常用表觀指標，熱害指數越大，作物越不耐熱（宋敏麗 等，2012；但忠 等，2016）。本試驗根據幼苗熱害指數，篩選出強耐高溫的番茄砧木種質3 份，中耐高溫或耐高溫的種質5 份。試驗結果表明，熱脅迫使番茄砧木幼苗葉片葉綠素含量降低，高溫比亞高溫處理的下降幅度大，強耐高溫種質的株高增幅、莖粗降幅和鮮干質量降幅比高溫敏感種質小，幼苗徒長和生物量增長受抑制程度相對較小。

植物細胞膜系統對逆境響應敏感，溫度過高使細胞膜透性增大，造成超氧自由基等活性氧大量積累（張佳平 等，2016；胡能兵 等，2018；Ozturk et al.，2020），氧化脅迫會引起膜脂發生過氧化和脫脂化作用，膜結構被破壞，使膜脂過氧化產物MDA 含量增加，從而導致植株代謝紊亂（聶慶娟等，2007；崔萌 等，2016；Balyan et al.，2020）。植物在逆境條件下，游離脯氨酸積累，提高了植物對逆境的抗性及適應性，抗逆性強的游離脯氨酸積累量大（歐陽敦君和張鴿香，2016；周桂英 等，2016）。葉片MDA 和游離脯氨酸含量可作為番茄、豇豆的耐熱性判定指標（尹賢貴 等，2001）。本試驗結果顯示，熱脅迫導致番茄砧木幼苗葉片的MDA 含量和游離脯氨酸含量增加，強耐高溫種質的MDA 含量增幅比高溫高敏感種質小，游離脯氨酸含量增幅則比高溫高敏感種質大，說明強耐高溫種質因細胞膜脂過氧化引起傷害相對較輕，細胞調節滲透能力相對較強。

胡能兵等（2018）在辣椒耐熱性上的研究顯示，熱害指數與植株生長、MDA 含量等指標具有相關性。本試驗結果表明，番茄砧木幼苗的熱害指數與株高、莖粗、全株鮮質量、全株干質量和葉片SPAD 值、MDA 含量、游離脯氨酸含量等生長生理指標具有顯著相關性，可通過隸屬函數分析對種質的耐熱性強弱進行評價。

綜合本試驗結果，熱脅迫抑制番茄砧木種子萌發，隨著溫度升高種子發芽率明顯降低。34 ℃條件下，除N3 外其余種質的種子發芽率均降至50%以下；37 ℃條件下的種子發芽率均降至24%以下，40 ℃條件下的種子發芽率均為0。亞高溫（34℃/28 ℃）和高溫（37 ℃/28 ℃）脅迫下，種質G3、N3、Q2 均表現強耐高溫（HR），種質A1、Q3、Q4、Q5、Y4 表現中耐高溫（MR）或耐高溫（R）。幼苗熱害指數與株高、葉片MDA 含量呈極顯著正相關，與葉片SPAD 值、莖粗、全株鮮質量、全株干質量、葉片游離脯氨酸含量呈顯著或極顯著負相關。利用以上7 項生長生理指標，通過隸屬函數分析對供試種質的耐熱性進行綜合評價，種質G3、N3、Q2 的耐熱性排序居前3 位，與亞高溫脅迫下幼苗熱害指數排序結果一致。種質G3、N3、Q2 強耐高溫，可作為選育耐熱番茄砧木的骨干材料。