低溫和亞低溫對番茄幼苗生長及生理特性的影響

郭樹勛，楊 然，胡曉輝，李小婧，張 毅

（1.山西農業大學園藝學院，山西太谷 030801；2.西北農林科技大學園藝學院，陜西楊凌 712100）

近年來全球極端天氣頻發，番茄（Solanum lycopersicum L.）等喜溫作物在生長期常遭遇陰雨、寒潮、倒春寒等低溫氣象災害。持續性低溫導致作物生物膜穩定性下降、胞內組分含量變化，進而影響植物正常生理生化代謝，損傷植物形態結構，降低作物產量與質量，嚴重時可引起植株死亡[1]。低溫脅迫可危害植物整個生長周期，在播種期表現為爛種、出苗率低，在幼苗期導致葉長縮短、葉片數減少，在生殖期則會推遲植物抽穗、導致花粉不育。岳俊芹等[2]研究發現，低溫脅迫能夠降低小麥的千粒質量及單株產量。王新欣等[3]研究發現，大豆花期遭遇低溫脅迫會降低莢數及粒質量。不僅露地作物需要防范低溫，部分棚室或節能型日光溫室由于結構較為簡單也經常產生低溫和亞低溫環境[4]。楊再強等[5]研究發現，低溫弱光條件會降低設施內番茄幼苗地下部干物質積累能力。張溪荷等[6]研究發現，低溫脅迫能夠降低設施作物茄子、番茄、甜椒及黃瓜的光合能力。因此，研究低溫和亞低溫對植物的影響具有重要的實際意義。

番茄是全球主要種植的果菜之一，我國栽培總面積約106.7 萬hm2，每年產值可達1 600 億元，在我國農業生產中占據主要地位。番茄幼苗期對環境溫度變化非常敏感，當外界溫度低于10 ℃時生長速度減緩，低于5 ℃則生長停滯，因此，低溫冷害是影響番茄生長的主要自然災害之一[7]。研究表明，低溫等非生物脅迫條件會誘導植物發生一系列生理生化變化。古麗江等[8]研究發現，低溫脅迫會提高紅加侖的可溶性蛋白含量。張騰國等[9]研究發現，低溫脅迫和鹽脅迫均能提高油菜的活性氧積累量。項洪濤等[10]研究發現，隨低溫脅迫程度的加深，水稻抗氧化酶活性呈現出先上升后下降的變化趨勢。因此，低溫脅迫下植物抗氧化酶系統的變化對保持生物膜系統穩定高效及維持活性氧動態平衡具有重要意義。

綜上所述，低溫是危害番茄生產的主要自然災害之一，研究低溫和亞低溫環境對番茄幼苗生理特性的影響可為抵御低溫逆境提供一定的理論依據。因此，本試驗利用人工氣候箱模擬低溫和亞低溫條件，通過測定番茄幼苗生物量、活性氧含量、抗氧化酶活性及可溶性蛋白含量的變化，分析低溫脅迫對番茄幼苗生長及抗氧化酶系統的影響，旨在探明低溫和亞低溫條件對番茄幼苗生理特性的影響，為農業生產者科學減災、防災提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試番茄品種為我國廣泛栽培的中雜9 號，種子購自中國農業科學院蔬菜花卉研究所。

1.2 試驗方法

試驗于2020 年4 月在山西農業大學實驗大樓內進行。選取籽粒飽滿、大小一致的番茄種子，經55 ℃溫湯浸種15 min，置于28 ℃恒溫培養箱催芽，48 h 后將露白1 mm 的種子播種于72 孔穴盤中。栽培基質購于沃德農業科技公司。當幼苗長至三葉一心時，選取長勢一致的幼苗定植于12 cm×13 cm的營養缽中，緩苗3 d 后置于人工氣候培養箱內進行處理。試驗共設3 個處理，人工氣候培養箱參數設置分別為常溫（24 ℃/18 ℃，CK）、亞低溫（18 ℃/12 ℃，YDW）、低溫（12 ℃/6 ℃，DW）；其他參數設定保持一致，晝夜周期12/12 h，相對濕度60%，光照強度30 000 lx。單株2 d 澆灌一次50 mL 1 倍日本山崎番茄配方營養液，每處理重復25 株，處理14 d 取樣。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生長指標測定 番茄幼苗從子葉處分為地上部、地下部兩部分并測定鮮干質量，計算根冠比。

1.3.2 生理指標測定 14 d 取樣分別測定葉中和根中的超氧陰離子、過氧化氫和丙二醛含量及抗氧化酶活性。丙二醛采用2- 硫代巴比妥酸法測定[11]；超氧陰離子采用羥胺定量法測定[12]；過氧化氫含量測定參照文獻[13]。酶液提取參照GONG 等[14]的方法。超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑法測定[15]，過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚顯色法測定[16]，過氧化氫酶（CAT）活性采用碘量法測定[17]。可溶性蛋白含量使用考馬斯亮藍G-250 測定[18]。

1.4 數據處理

使用Excel 2019 軟件統計數據，使用SPSS 22.0對數據進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 低溫和亞低溫對番茄幼苗生長的影響

從表1 可以看出，番茄幼苗生長量隨處理溫度的降低而顯著降低，與CK 相比，DW 處理的地上部鮮質量降低80%，地下部鮮質量降低86.2%。干質量的變化趨勢同鮮質量一致，隨溫度降低而顯著降低，與CK 相比，DW 處理的地上部干質量降低81.7%，地下部干質量降低84%。其中，地下部鮮質量降低幅度顯著高于地上部，且DW 處理的根冠比與對照相比顯著下降，說明番茄幼苗根系對溫度變化非常敏感。由于兩者干質量變化幅度相近，這種差異可能是由于溫度降低引起植株持水能力減弱所致。

表1 低溫和亞低溫對番茄幼苗生長的影響

2.2 低溫和亞低溫對番茄幼苗超氧陰離子、 過氧化氫和丙二醛含量的影響

從圖1 可以看出，番茄幼苗的超氧陰離子含量均隨處理溫度降低而提高，與CK 相比，YDW 和DW處理下葉片的超氧陰離子含量分別提高99.38%和1.9 倍；根系分別提高77.53%和84.04%。番茄幼苗過氧化氫含量均隨處理溫度降低而顯著提高，與CK 相比，YDW 和DW 處理下葉片過氧化氫含量分別提高2.5 倍和6.6 倍；根系分別提高2.4 倍和3.8 倍。較高的活性氧含量表明番茄幼苗處理14 d時膜質過氧化水平較高。番茄幼苗葉片的丙二醛含量隨處理溫度降低而顯著提高，與CK 處理相比，DW 處理下提高2.4 倍；根系與葉片的變化趨勢一致，隨溫度降低而顯著提高，與CK 相比，YDW 和DW 處理下分別提高72.5%和1.6 倍。其中，DW 處理下葉片丙二醛含量顯著高于其他處理，說明低溫（12 ℃/6 ℃）脅迫對番茄葉片造成的氧化損傷更嚴重。

2.3 低溫和亞低溫對番茄幼苗抗氧化酶活性的影響

由表2 可知，在葉片中，SOD 活性呈現出隨處理溫度下降而顯著降低的變化趨勢。POD 活性呈現出隨處理溫度下降而顯著提高的變化趨勢，與CK 相比，YDW 和DW 處理下葉片的POD 活性分別提高95.51%和1.2 倍。CAT 活性的變化趨勢同SOD 活性一致，隨處理溫度下降而顯著降低，與CK 相比，DW處理下CAT 活性降低71.06%。在根系中，SOD 活性呈現出隨處理溫度下降而顯著提高的變化趨勢，與CK 相比，DW 處理下SOD 活性提高1.2 倍；根系POD 活性變化趨勢同葉片一致，隨處理溫度下降而顯著提高，與CK 相比，DW 處理下POD 活性提高3.5 倍；CAT 活性的變化趨勢同SOD 活性一致，隨處理溫度下降而顯著提高，與CK 相比，DW 處理下CAT 活性提高1.7 倍。可知低溫（12 ℃/6 ℃）比亞低溫（18 ℃/12 ℃）對抗氧化酶活性的影響更為顯著。

表2 低溫和亞低溫對番茄幼苗抗氧化酶活性的影響

2.4 低溫和亞低溫對番茄幼苗可溶性蛋白的影響

由圖2 可知，番茄幼苗葉片的可溶性蛋白含量隨處理溫度降低而顯著升高，與CK 相比，DW 處理下葉片可溶性蛋白含量提高31.39%；根系與葉片的變化趨勢一致，隨處理溫度降低而顯著升高，與CK 相比，YDW 和DW 處理的可溶性蛋白含量分別提高93.48%和1.3 倍。說明番茄經14 d 低溫脅迫后，番茄植株葉片和根系的細胞內可溶性蛋白大量積累。

3 結論與討論

溫度是影響植物生長發育的重要環境因子之一，低溫環境下植物生長受到嚴重抑制，光合能力大幅下降，且幼苗期對溫度變化更為敏感[19]。本試驗中，番茄幼苗的鮮質量和干質量均隨處理溫度降低而顯著降低。番茄幼苗在DW 處理下根冠比顯著低于其他處理，說明低溫（12 ℃/6 ℃）對番茄幼苗地下部干物質積累的抑制作用強于地上部。在沒有葉綠體的根系中，生命活動所需能量ATP 全部由線粒體呼吸電子傳遞和氧化磷酸化提供，而在低溫脅迫下，電子傳遞鏈被破壞，呼吸作用提供的能量減少，進而降低對養分、水分的吸收能力，導致根系生長能力減弱[20]。因此，根系呼吸效率降低引起干物質積累量的降低。本試驗表明，亞低溫、低溫條件嚴重抑制番茄幼苗生長及干物質積累，且溫度越低生長抑制效果越強。

植物活性氧來源于正常生命代謝過程，如光合作用、呼吸作用、電子傳遞和小分子物質自氧化等，在植物體內處于動態平衡狀態。韓敏等[21]研究表明，低溫脅迫下番茄幼苗過氧化氫及超氧陰離子含量產生速率顯著提高。本研究表明，H2O2含量和O2-含量均隨處理溫度降低而顯著提高，說明低溫脅迫誘導活性氧代謝加強，進而提高膜質過氧化程度。有研究表明，適量H2O2可作為信號分子，參與響應低溫脅迫途徑，進而啟動相關基因表達，增強植物抵御逆境的能力，但過量H2O2會造成氧化損傷，加速植物細胞衰老和死亡[22]。葉片活性氧產生的主要部位是葉綠體，而根系活性氧產生的主要來源是線粒體呼吸電子傳遞鏈[20]。因此，葉片中活性氧總量要高于根系，即葉片遭受的過氧化脅迫要高于根系。丙二醛往往由于遭受極端環境條件產生膜質過氧化作用而大量積累。馬英等[23]研究發現，低溫脅迫下植株丙二醛含量越高，生物膜損傷越大。本研究表明，番茄幼苗經亞低溫、低溫處理后丙二醛含量急劇上升，在DW 處理下表現更為明顯，增幅高達2.4 倍，說明亞低溫、低溫條件下番茄幼苗體內活性氧過量積累，打破活性氧動態平衡，膜質過氧化程度顯著提高，生物膜系統遭到破壞。

植物會啟動一系列生理響應來應對活性氧過量積累所形成的過氧化脅迫，多篇報道表明，SOD、POD、CAT 等抗氧化酶在植物抵御低溫氧化損傷方面起著重要作用[6，9-10]。李春燕等[24]研究表明，隨低溫脅迫持續時間的延長，小麥SOD、POD 和CAT 活性均呈現先上升后下降的變化趨勢。本試驗表明，番茄幼苗葉片在YDW、DW 處理下SOD、CAT 活性依次降低，而POD 活性逐步提高，說明亞低溫和低溫抑制番茄葉片中SOD、CAT 活性，激發POD 活性。番茄幼苗葉片SOD 和CAT 活性的降低可能是由于處理時間過長或處理溫度過低導致生理代謝場所受損嚴重[25]，這與YDW 和DW 處理下葉片活性氧含量顯著提高的表現一致。根系抗氧化酶活性變化趨勢與葉片不同，SOD、POD 和CAT 活性均隨處理溫度的降低而顯著提高，說明低溫脅迫誘導根系抗氧化酶活性提高。低溫和亞低溫條件誘導SOD 活性提高，加快歧化速度，導致H2O2大量積累；又由于POD 和CAT 活性仍處于較低活性水平，則H2O2清除能力不足，剩余的H2O2與超氧陰離子反應會生成毒性更強的OH-，加劇根系過氧化脅迫[22]。番茄幼苗POD 活性的提高可能是由于POD 的雙重作用，POD 除了能夠清除SOD 歧化生成的H2O2，還能介導H2O2轉化為羥基自由基，因此，POD 活性提高也會加劇根系的過氧化脅迫程度，導致植物細胞進一步損傷[26]。這與DW 處理下葉片和根系活性氧含量的表現一致。本試驗結果表明，持續時間較長的低溫或亞低溫環境會降低番茄酶促活性氧清除系統的效率，進而加劇過氧化脅迫，導致生理代謝能力降低。

可溶性蛋白因其吸水性強，能夠降低細胞液冰點，減少原生質失水的能力，是植物重要的滲透調節物質之一。有報道表明，可溶性蛋白是一種低溫誘導蛋白，其含量會在亞低溫、低溫條件下逐步提高[27]。因此，可溶性蛋白在植物抵御低溫脅迫中發揮著重要作用。本試驗中，植株內可溶性蛋白含量在YDW、DW 處理下顯著提高，說明番茄幼苗遭受低溫脅迫后迅速積累可溶性蛋白以調節膜內外滲透壓平衡，增強持水能力，以保持生物膜結構的整體性和穩定性[28]。

綜上所述，低溫和亞低溫條件下活性氧大量積累，膜質過氧化程度加劇，膜透性增強，嚴重制約了番茄幼苗的生長。