劉聰聰 蘭超杰 李 歡 黃家權 李長江

(海南大學熱帶作物學院,海南省熱帶生物資源可持續(xù)利用重點實驗室,海南?？?570228)

櫻桃番茄(Solanum lycopersicumMill.)為茄科番茄屬植物,是世界上最主要的經濟蔬菜作物之一[1]。因富含番茄紅素、維生素C 等多種營養(yǎng)成分,且口感極佳,其市場前景廣闊。近年來,櫻桃番茄在我國熱帶地區(qū)作為反季節(jié)果蔬被大面積推廣種植,極大地促進了當地的經濟發(fā)展和農民生活水平的提高[2]。但受季風氣候影響,熱帶地區(qū)雨季降雨分布不均,反季節(jié)露地櫻桃番茄的苗期通常在每年的9月至10月上旬,正值熱帶地區(qū)雨季,降雨集中且強度大[3],農田澇漬害多發(fā),嚴重影響櫻桃番茄苗期生長和產量的提升。

澇漬害是作物生產過程中遭受的主要非生物脅迫之一,嚴重威脅作物的生長發(fā)育,極大地制約著作物產量及品質的提升[4]。澇漬害不僅對作物株高、莖粗、生物量積累等有抑制效果,使葉片抗氧化酶活性降低、根系活力下降[5-6],還可以增加細胞膜的滲透性和活性氧的積累[7]。同時,澇漬害使土壤內氧氣含量降低,作物根系有氧呼吸受到抑制,進而影響植株光合作用以及根系與地上部間的物質運輸[8-9],造成作物產量與品質的下降。在淹水脅迫下,番茄產量明顯下降;葉片和根系中丙二醛(malondialdehyde,MDA)和超氧陰離子自由基()含量升高[10]。研究發(fā)現(xiàn),淹水后番茄通過不定根的快速形成來適應淹水環(huán)境[11];根系中抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)活性的升高有助于提高植物對淹水的耐受能力[12]。雖然目前關于澇漬害對番茄的影響已有一定的研究,但多集中于大果番茄,對櫻桃番茄在淹水脅迫下的生理生化反應特性鮮有研究,且未有對其苗期耐澇性綜合評價的報道。本研究選擇熱帶地區(qū)5個主栽反季節(jié)露地櫻桃番茄品種,研究櫻桃番茄苗期對淹水脅迫的響應并利用主成分分析法和隸屬函數法對其耐澇性進行綜合評價,以期為熱帶地區(qū)櫻桃番茄栽培品種選擇及其抗?jié)碀n栽培機理研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018 年在海南省?？谑泻Ｄ洗髮W熱帶農林學院農學基地溫室(20°3′N,110°19′E)進行。 試驗材料選用千禧、立新佳禧、紅妃6 號、紅鉆石和臺灣贊美等5 個海南地區(qū)主栽的反季節(jié)露地櫻桃番茄栽培品種。 2018 年8 月進行番茄育苗,待到三葉一心時選取長勢一致幼苗移栽入花盆中(直徑×高度:15 cm×15 cm),每盆1 株;采用盆栽試驗,盆土為海南大學農學基地番茄農田0～20 cm 土層土壤——磚紅壤,需風干后過2 mm 篩,每盆裝土2.5 kg,待幼苗長到四葉一心時開始進行試驗處理。 試驗期間溫室晝/夜溫度分別設定為當地9-10 月份多年的平均值28℃/23℃,濕度為82%。 盆栽土壤基礎理化特性為pH 值6.75、有機質2.89%、堿解氮122.90 mg·kg-1、速效磷39.89 mg·kg-1、速效鉀0.19 g·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗中每個櫻桃番茄品種設2 個處理:正常水分處理(control, CK)和淹水處理。 每個處理3 個重復,每個重復6 株。 淹水處理采用雙套盆法,即將花盆放入上口徑×底徑×高為20 cm×17 cm×19 cm 的大盆中,進行淹水,使水面高出土面2 cm,且每天定時進行補水。 正常水分處理通過稱盆法每2 d 進行補水一次使得土壤含水量保持在最大持水量的75%左右。 各處理分別于淹水處理第0、第2、第4、第8 和第16 天取樣測定,每個重復取1 株,取各植株功能葉(由下至上計數第4 片完全展開葉)和根系,于-40℃冰箱中保存,用于相關生理生化指標的測定。 第16 天對處理植株進行株高和干物質量的測定。

1.3 測定項目與方法

株高采用米尺進行測定; 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性的測定采用氮藍四唑(nitroblue tetrazolium,NBT)光還原法;過氧化氫酶(catalase,CAT)活性的測定采用紫外吸收法;過氧化物酶(peroxidase,POD)活性的測定采用愈創(chuàng)木酚顯色法;MDA含量的測定采用硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid,TBA)比色法,以上指標測定均參照王學奎等[13]的方法進行;含量的測定參照鄒琦[14]的方法進行;脯氨酸(proline,Pro)含量的測定采用酸性茚三酮顯色法;可溶性糖含量的測定采用硫酸-蒽酮比色法;根系活力的測定采用2,3,5-三苯基氯化四氮唑(2,3,5-triphenyltetrazolium chloride, TTC)法[15];淹水結束時用烘干稱重法測定各處理植株不同部位的干物質量,并計算根冠比。

1.4 數據處理

利用主成分分析法[16-18]對不同品種在淹水16 d時的各指標數據進行處理分析,并對各品種的耐澇性進行綜合評價。

按照公式計算耐澇系數[16]:

按照公式計算隸屬函數值(U)[16-17]:

式中,U(Zj)為第j 個綜合指標隸屬函數值,Zj為第j個綜合指標,Zmax和Zmin為第j個綜合指標的最大值和最小值。

按照公式計算權重(W)[16-18]:

式中,Wj為第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度;Pj為各品種第j個綜合指標的貢獻率。

按照公式計算綜合評價(D)[16-18]:

式中,D值為各櫻桃番茄品種在淹水脅迫下用綜合指標評價所得的耐澇性綜合評價值。

利用 Microsoft Office Excel 2010 整理數據,SPSS 19.0 統(tǒng)計分析軟件對數據進行方差分析和主成分分析,利用Graphpad Prism 6.0 軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 淹水脅迫對櫻桃番茄苗期葉片和MDA含量的影響

圖1 淹水脅迫對櫻桃番茄超氧陰離子自由基含量()的影響Fig.1 Effect of waterlogging stress on content of cherry tomatoes

2.2 淹水脅迫對櫻桃番茄苗期抗氧化酶系統(tǒng)的影響

在淹水處理后,隨著淹水處理時間的延長,千禧和立新佳禧品種葉片的SOD活性均呈先下降后上升再下降的趨勢,臺灣贊美始終呈下降趨勢,紅鉆石品種呈先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢,而紅妃6號則表現(xiàn)出先上升后下降再上升的趨勢(圖3)。千禧和臺灣贊美淹水處理葉片的SOD活性一直低于CK,且均在淹水后8 d達差異顯著水平;立新佳禧和紅鉆石淹水處理葉片的SOD活性表現(xiàn)為先低于CK,之后高于CK,最后又低于CK;而紅妃6號淹水處理葉片的SOD活性表現(xiàn)出先顯著低于CK,在淹水后16 d 又顯著高于CK。

由圖4可知,經淹水處理后,隨著淹水處理時間的延長,千禧和立新佳禧品種葉片的CAT活性呈先下降后上升最后緩慢下降的趨勢;紅妃6號和臺灣贊美則出現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢,而紅鉆石表現(xiàn)為先上升后下降最后趨于平穩(wěn)。千禧、立新佳禧CAT活性和紅鉆石在淹水處理后,葉片CAT活性始終低于CK,并且立新佳禧CAT活性從淹水后2 d 開始與CK間表現(xiàn)出顯著差異性,淹水后4 d,千禧和紅鉆石也均顯著低于CK,這表明淹水一定天數后,千禧、立新佳禧和紅鉆石葉片的CAT活性均會顯著低于CK。紅妃6號在淹水后2 d 其葉片CAT活性顯著高于CK,之后顯著低于CK,在淹水后16 d與CK 無顯著差異。此外,在淹水后臺灣贊美葉片CAT活性多與CK 無顯著差異。

圖2 淹水脅迫對櫻桃番茄丙二醛含量的影響Fig.2 Effect of waterlogging stress on MDA content of cherry tomatoes

圖3 淹水脅迫對櫻桃番茄葉片超氧化物歧化酶活性的影響Fig.3 Effect of waterlogging stress on the activity of SOD in the leaves of cherry tomatoes

經淹水處理后,隨著淹水處理時間的延長,千禧、立新佳禧、紅鉆石和臺灣贊美4個品種葉片的POD活性整體表現(xiàn)出先上升后下降再上升的趨勢,而紅妃6號表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。千禧、立新佳禧和臺灣贊美品種葉片中的POD活性在淹水后4 d 均表現(xiàn)為高于CK,之后逐漸降低,在淹水后16 d 均顯著低于CK(圖5)。紅妃6號在淹水處理后,其葉片POD活性在淹水后2～8 d 始終顯著低于CK,但在淹水后16 d與CK 差異不顯著,而紅鉆石在淹水處理下其葉片POD活性除淹水后2 d 外,其余處理時間與CK 均無顯著差異。

2.3 淹水脅迫對櫻桃番茄苗期葉片滲透調節(jié)物質的影響

由圖6可知,淹水處理對櫻桃番茄葉片Pro含量影響顯著。隨著淹水時間由8 d 延長至16 d,除紅妃6號,各品種葉片中Pro含量均有一定程度的下降。除臺灣贊美在淹水后8 d 葉片中Pro含量顯著低于CK外,千禧、立新佳禧、紅妃6號和紅鉆石品種均顯著高于CK,分別為CK的4.1倍、1.6倍、4.9倍和6.7倍,表明櫻桃番茄通過提高Pro 來緩解淹水脅迫;淹水后16 d時,千禧和立新佳禧品種葉片的Pro含量均顯著低于CK,而其他品種與CK之間差異不顯著。

圖4 淹水脅迫對櫻桃番茄葉片過氧化氫酶活性的影響Fig.4 Effect of waterlogging stress on the activity of CAT in the leaves of cherry tomatoes

圖5 淹水脅迫對櫻桃番茄葉片過氧化物酶活性的影響Fig.5 Effect of waterlogging stress on the activity of POD in the leaves of cherry tomatoes

由圖7可知,在淹水后8 d,除千禧品種外,其他品種葉片中可溶性糖含量均顯著高于CK;淹水后16 d,除立新佳禧品種外,其他品種可溶性含量均顯著高于CK,可見淹水脅迫可以增加櫻桃番茄葉片中可溶性糖含量。

2.4 淹水脅迫對櫻桃番茄苗期根系活力的影響

經淹水處理后,隨著淹水處理時間的延長,千禧品種根系活力逐漸下降,臺灣贊美呈先上升后下降再上升的趨勢,其他櫻桃番茄根系活力均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。在淹水后16 d,千禧和立新佳禧品種淹水處理下的根系活力均顯著低于CK,而紅妃6號、紅鉆石和臺灣贊美品種的根系活力均表現(xiàn)為高于或接近CK,且紅妃6號和臺灣贊美品種分別在淹水后4 d和淹水后2 d顯著高于CK。這表明短期淹水能夠提升櫻桃番茄根系活力,之后隨淹水時間延長又使其降低,并且隨著部分櫻桃番茄對淹水條件的適應,根系活力得到緩慢恢復。

圖6 淹水脅迫對櫻桃番茄Pro含量的影響Fig.6 Effect of waterlogging stress on Pro content of cherry tomatoes

圖7 淹水脅迫對櫻桃番茄可溶性糖含量的影響Fig.7 Effect of waterlogging stress on soluble sugar content of cherry tomatoes

圖8 淹水脅迫對櫻桃番茄根系活力的影響Fig.8 Effect of waterlogging stress on root activity of cherry tomatoes

2.5 淹水脅迫對櫻桃番茄苗期形態(tài)特征的影響

由表1可知,與CK相比,各品種經淹水處理后的株高、地上部干重和根系干重均不同程度下降。除紅妃6號外,干禧、立新佳禧、紅鉆石和臺灣贊美淹水處理后株高均顯著低于CK,降幅分別為10.51%、7.14%、11.05%和9.88%;而各品種的地上部干重均較CK顯著降低,分別減少了40.65%、28.78%、33.54%、46.37%和34.14%;根系干重僅千禧表現(xiàn)出顯著下降,降低了89.47%,其他品種與CK 無顯著差異;對于根冠比,淹水處理后僅千禧較CK 表現(xiàn)出顯著下降,降幅為74.01%,其他品種多表現(xiàn)為增加,其中紅妃6號顯著高于CK,增幅為50.96%。

表1 淹水脅迫對櫻桃番茄形態(tài)指標的影響Table1 Effect of waterlogging stress on morphological indexes of cherry tomatoes

2.6 耐澇性綜合評價結果

不同品種經淹水處理后,各單項指標變幅不盡相同,因此直接通過某一或某些指標對各品種的耐澇性進行評價過于片面,需進一步利用更全面科學的多指標綜合鑒定方法。本研究對5個品種各單項指標的耐澇系數進行主成分分析和隸屬函數法分析,將原來12個單項指標綜合為5個綜合指標,根據公式(2)得到各綜合指標的隸屬函數值U(Zj);千禧、立新佳禧、紅紀6號、紅鉆石和臺灣贊美各綜合指標貢獻率分別為22.757%、19.826%、17.891%、15.935%和13.410%,根據公式(3)求出權重,并用公式(4)得到綜合評價值D(表2)。

D值是經各指標綜合分析所得,其值大小可體現(xiàn)不同品種耐澇性的強弱[18]。由表2可知,千禧、立新佳禧、紅妃6號、紅鉆石和臺灣贊美的D值分別為0.288、0.313、0.632、0.627和0.403,5個品種耐澇性大小排序為紅妃6號＞紅鉆石＞臺灣贊美＞立新佳禧＞千禧。

表2 各品種的綜合指標值Zj、隸屬函數值U(Zj)、權重和D值Table2 The value of each variety’s comprehensive index(Zj), U(Zj),index weight and D value

3 討論

MDA為膜脂過氧化產物,可使細胞中的蛋白質分子交聯(lián)失活,已有研究表明淹水脅迫下植物體內的MDA含量與品種的耐澇性呈負相關關系[25-26]。本研究發(fā)現(xiàn),淹水后千禧和臺灣贊美兩品種葉片MDA含量高于CK,可能是由于植株對淹水脅迫較為敏感,無法迅速建立適應性代謝途徑,因此在淹水后立即作出響應[27-28]。隨之抗氧化酶活性和滲透調節(jié)物質含量升高,發(fā)揮保護作用,在一定程度上緩解了淹水脅迫傷害,如紅鉆石品種在淹水后16 d時顯著低于對照(CK);立新佳禧和臺灣贊美MDA含量僅淹水后8 d短時間下降,不同品種響應程度和時間不同可能與其品種耐澇性不同有關。但隨著淹水時間的延長,植物受傷害加重,抗氧化酶系統(tǒng)逐漸失活,細胞膜脂過氧化加劇,千禧、立新佳禧和臺灣贊美3個品種葉片中的MDA含量再次升高。前人研究也發(fā)現(xiàn),在長期淹水下,植物葉片中MDA含量升高[29]。然而本研究還發(fā)現(xiàn),紅妃6號和紅鉆石葉片在淹水后期(8～16 d)MDA含量仍表現(xiàn)為下降,可能是由于二者抗氧化酶活性較高,對逆境環(huán)境下的植物具有較強的保護能力,進而減輕了細胞膜脂化程度,從生理上表現(xiàn)出更強的耐澇能力。

植物在受到淹水脅迫時,可通過短期內迅速積累可溶性糖與Pro 等滲透調節(jié)物質,來改變細胞內水勢,從而增強植株的抗逆性[30]。本研究發(fā)現(xiàn),淹水處理后櫻桃番茄葉片中可溶性糖含量增加,且紅妃6號增加最顯著,可見其在淹水脅迫下的滲透調節(jié)能力最強,進而表現(xiàn)出較高的抗逆性。淹水后大多數櫻桃番茄品種葉片中Pro含量呈先升高后下降趨勢,這與大麥草[31]和冬油菜[32]的研究結果相似,主要是因為櫻桃番茄在淹水前期通過增加Pro含量調節(jié)細胞水勢,保護細胞免受傷害,但隨著淹水時間的延長,植株所受傷害加重,細胞逐漸死亡,導致其滲透調節(jié)能力下降,Pro含量降低。紅妃6號、紅鉆石和臺灣贊美的Pro含量在淹水后期變化較小且與CK 相近,可能是植物通過維持滲透物質的穩(wěn)定來增加對澇漬害的抗性。

淹水后,植物根系處于低氧或缺氧環(huán)境,根系活力則能間接體現(xiàn)植物代謝、吸收和轉化物質的能力[33]。本研究表明,與CK相比,隨著淹水時間的延長,櫻桃番茄根系活力多呈先上升后下降的趨勢,表明短期的淹水能夠提高櫻桃番茄的根系活力。張恩讓等[34]也發(fā)現(xiàn)淹水初期可以提高辣椒的根系活力。但隨著淹水時間延長,水中氧氣缺乏,導致根系呼吸作用降低,有害物質積累[35],因此千禧和紅妃6號在淹水后4 d,立新佳禧、紅鉆石和臺灣贊美在淹水后2 d的根系活力均呈現(xiàn)一定程度的降低,且隨著淹水時間的延長,立新佳禧品種的根系活力持續(xù)下降,在淹水后16 d,千禧和立新佳禧的根系活力顯著低于CK。而紅妃6號和臺灣贊美根系活力在淹水后期較CK 呈上升趨勢,可能是紅妃6號和臺灣贊美對淹水脅迫適應性更強,能有效清除缺氧條件下產生的有害物質,維持根系基本生理功能[36]。澇漬害發(fā)生會打破地上部與地下部的平衡,對葉片細胞功能及根系活力產生不利影響,進而降低植物的光合作用及根系的吸收能力,導致植株生長受到抑制,生物量分配模式發(fā)生改變[5]。本研究也發(fā)現(xiàn)大多櫻桃番茄品種在淹水處理后其株高、地上部干重和根系干重普遍低于CK,而根冠比較CK 一定的升高,這可能是因為淹水發(fā)生后,更多的光合產物會被分配到櫻桃番茄的根系中,導致根系干物質量下降較少或沒有下降,但地上部干物質量顯著下降[37]。紅妃6號根冠比較CK 有顯著增加,表明耐澇性較強的品種可以通過自身的適應機制,維持根系生長,從而適應淹水脅迫下的缺氧環(huán)境,減少澇害所產生的影響[11]。本研究中CK的根系活力、MDA含量和CAT活性等指標波動較大,究其原因:一方面,苗期生長較快,櫻桃番茄的快速生長可導致植株體內多個指標的變化較大,Yin等[19]在菊花上也有相似發(fā)現(xiàn);另一方面,植物生長除受溫度和濕度(試驗溫室大棚控制)影響外,還與外界光照有關,不同光照對植株的影響有所不同[38]。因此,本試驗設置對照能最大可能地減少因植物生長和環(huán)境因素對處理造成的影響,更為科學與準確地反映處理間的差異。

植物抗逆性是一個受多種因素影響且通過多種指標綜合表現(xiàn)的生理反應,不同品種在單一指標上的反應也有所差異[16]。本研究也表明,在淹水脅迫下,不同品種櫻桃番茄同一指標變化趨勢相差甚遠。目前對于櫻桃番茄在淹水脅迫下的生理生化響應機制研究甚少,且尚未對其耐澇性的綜合評價提供一個較為全面的鑒定方法。諸多研究表明,植物的耐澇性與形態(tài)、生理等部分指標存在相關性[23,39],因此本研究對多個單項指標進行綜合評價,在主成分分析的基礎上,使用隸屬函數法,根據相應綜合指標的權重得到各品種的D值,該方法可彌補單一指標分析的片面性,所得結果更客觀科學,為實際應用提供了可靠依據。

4 結論