郭樹(shù)勛，楊 然，胡曉輝，李小婧，張 毅

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西太谷 030801；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西楊凌 712100）

近年來(lái)全球極端天氣頻發(fā)，番茄（Solanum lycopersicum L.）等喜溫作物在生長(zhǎng)期常遭遇陰雨、寒潮、倒春寒等低溫氣象災(zāi)害。持續(xù)性低溫導(dǎo)致作物生物膜穩(wěn)定性下降、胞內(nèi)組分含量變化，進(jìn)而影響植物正常生理生化代謝，損傷植物形態(tài)結(jié)構(gòu)，降低作物產(chǎn)量與質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)可引起植株死亡[1]。低溫脅迫可危害植物整個(gè)生長(zhǎng)周期，在播種期表現(xiàn)為爛種、出苗率低，在幼苗期導(dǎo)致葉長(zhǎng)縮短、葉片數(shù)減少，在生殖期則會(huì)推遲植物抽穗、導(dǎo)致花粉不育。岳俊芹等[2]研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫能夠降低小麥的千粒質(zhì)量及單株產(chǎn)量。王新欣等[3]研究發(fā)現(xiàn)，大豆花期遭遇低溫脅迫會(huì)降低莢數(shù)及粒質(zhì)量。不僅露地作物需要防范低溫，部分棚室或節(jié)能型日光溫室由于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單也經(jīng)常產(chǎn)生低溫和亞低溫環(huán)境[4]。楊再?gòu)?qiáng)等[5]研究發(fā)現(xiàn)，低溫弱光條件會(huì)降低設(shè)施內(nèi)番茄幼苗地下部干物質(zhì)積累能力。張溪荷等[6]研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫能夠降低設(shè)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(duì)植物的影響具有重要的實(shí)際意義。

番茄是全球主要種植的果菜之一，我國(guó)栽培總面積約106.7 萬(wàn)hm2，每年產(chǎn)值可達(dá)1 600 億元，在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主要地位。番茄幼苗期對(duì)環(huán)境溫度變化非常敏感，當(dāng)外界溫度低于10 ℃時(shí)生長(zhǎng)速度減緩，低于5 ℃則生長(zhǎng)停滯，因此，低溫冷害是影響番茄生長(zhǎng)的主要自然災(zāi)害之一[7]。研究表明，低溫等非生物脅迫條件會(huì)誘導(dǎo)植物發(fā)生一系列生理生化變化。古麗江等[8]研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫會(huì)提高紅加侖的可溶性蛋白含量。張騰國(guó)等[9]研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫和鹽脅迫均能提高油菜的活性氧積累量。項(xiàng)洪濤等[10]研究發(fā)現(xiàn)，隨低溫脅迫程度的加深，水稻抗氧化酶活性呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)。因此，低溫脅迫下植物抗氧化酶系統(tǒng)的變化對(duì)保持生物膜系統(tǒng)穩(wěn)定高效及維持活性氧動(dòng)態(tài)平衡具有重要意義。

綜上所述，低溫是危害番茄生產(chǎn)的主要自然災(zāi)害之一，研究低溫和亞低溫環(huán)境對(duì)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(jù)。因此，本試驗(yàn)利用人工氣候箱模擬低溫和亞低溫條件，通過(guò)測(cè)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(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)及抗氧化酶系統(tǒng)的影響，旨在探明低溫和亞低溫條件對(duì)番茄幼苗生理特性的影響，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者科學(xué)減災(zāi)、防災(zāi)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試番茄品種為我國(guó)廣泛栽培的中雜9 號(hào)，種子購(gòu)自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2020 年4 月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)大樓內(nèi)進(jìn)行。選取籽粒飽滿(mǎn)、大小一致的番茄種子，經(jīng)55 ℃溫湯浸種15 min，置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱催芽，48 h 后將露白1 mm 的種子播種于72 孔穴盤(pán)中。栽培基質(zhì)購(gòu)于沃德農(nóng)業(yè)科技公司。當(dāng)幼苗長(zhǎng)至三葉一心時(shí)，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗定植于12 cm×13 cm的營(yíng)養(yǎng)缽中，緩苗3 d 后置于人工氣候培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行處理。試驗(yàn)共設(shè)3 個(gè)處理，人工氣候培養(yǎng)箱參數(shù)設(shè)置分別為常溫（24 ℃/18 ℃，CK）、亞低溫（18 ℃/12 ℃，YDW）、低溫（12 ℃/6 ℃，DW）；其他參數(shù)設(shè)定保持一致，晝夜周期12/12 h，相對(duì)濕度60%，光照強(qiáng)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(yíng)養(yǎng)液，每處理重復(fù)25 株，處理14 d 取樣。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定 番茄幼苗從子葉處分為地上部、地下部?jī)刹糠植y(cè)定鮮干質(zhì)量，計(jì)算根冠比。

1.3.2 生理指標(biāo)測(cè)定 14 d 取樣分別測(cè)定葉中和根中的超氧陰離子、過(guò)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(cè)定[11]；超氧陰離子采用羥胺定量法測(cè)定[12]；過(guò)氧化氫含量測(cè)定參照文獻(xiàn)[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(lán)四唑法測(cè)定[15]，過(guò)氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法測(cè)定[16]，過(guò)氧化氫酶（CAT）活性采用碘量法測(cè)定[17]?？扇苄缘鞍缀渴褂每捡R斯亮藍(lán)G-250 測(cè)定[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2019 軟件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，使用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫和亞低溫對(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)的影響

從表1 可以看出，番茄幼苗生長(zhǎng)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(zhì)量降低80%，地下部鮮質(zhì)量降低86.2%。干質(zhì)量的變化趨勢(shì)同鮮質(zhì)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(zhì)量降低81.7%，地下部干質(zhì)量降低84%。其中，地下部鮮質(zhì)量降低幅度顯著高于地上部，且DW 處理的根冠比與對(duì)照相比顯著下降，說(shuō)明番茄幼苗根系對(duì)溫度變化非常敏感。由于兩者干質(zhì)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(duì)番茄幼苗生長(zhǎng)的影響

2.2 低溫和亞低溫對(duì)番茄幼苗超氧陰離子、 過(guò)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(guò)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(guò)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(shí)膜質(zhì)過(guò)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(shì)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(shuō)明低溫（12 ℃/6 ℃）脅迫對(duì)番茄葉片造成的氧化損傷更嚴(yán)重。

2.3 低溫和亞低溫對(duì)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(xiàn)出隨處理溫度下降而顯著降低的變化趨勢(shì)。POD 活性呈現(xiàn)出隨處理溫度下降而顯著提高的變化趨勢(shì)，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(shì)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(xiàn)出隨處理溫度下降而顯著提高的變化趨勢(shì)，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(shì)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(shì)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(duì)抗氧化酶活性的影響更為顯著。

表2 低溫和亞低溫對(duì)番茄幼苗抗氧化酶活性的影響

2.4 低溫和亞低溫對(duì)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(shì)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(shuō)明番茄經(jīng)14 d 低溫脅迫后，番茄植株葉片和根系的細(xì)胞內(nèi)可溶性蛋白大量積累。

3 結(jié)論與討論

溫度是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子之一，低溫環(huán)境下植物生長(zhǎng)受到嚴(yán)重抑制，光合能力大幅下降，且幼苗期對(duì)溫度變化更為敏感[19]。本試驗(yàn)中，番茄幼苗的鮮質(zhì)量和干質(zhì)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(shuō)明低溫（12 ℃/6 ℃）對(duì)番茄幼苗地下部干物質(zhì)積累的抑制作用強(qiáng)于地上部。在沒(méi)有葉綠體的根系中，生命活動(dòng)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(jìn)而降低對(duì)養(yǎng)分、水分的吸收能力，導(dǎo)致根系生長(zhǎng)能力減弱[20]。因此，根系呼吸效率降低引起干物質(zhì)積累量的降低。本試驗(yàn)表明，亞低溫、低溫條件嚴(yán)重抑制番茄幼苗生長(zhǎng)及干物質(zhì)積累，且溫度越低生長(zhǎng)抑制效果越強(qiáng)。

植物活性氧來(lái)源于正常生命代謝過(guò)程，如光合作用、呼吸作用、電子傳遞和小分子物質(zhì)自氧化等，在植物體內(nèi)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。韓敏等[21]研究表明，低溫脅迫下番茄幼苗過(guò)氧化氫及超氧陰離子含量產(chǎn)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(shuō)明低溫脅迫誘導(dǎo)活性氧代謝加強(qiáng)，進(jìn)而提高膜質(zhì)過(guò)氧化程度。有研究表明，適量H2O2可作為信號(hào)分子，參與響應(yīng)低溫脅迫途徑，進(jìn)而啟動(dòng)相關(guān)基因表達(dá)，增強(qiáng)植物抵御逆境的能力，但過(guò)量H2O2會(huì)造成氧化損傷，加速植物細(xì)胞衰老和死亡[22]。葉片活性氧產(chǎn)生的主要部位是葉綠體，而根系活性氧產(chǎn)生的主要來(lái)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(guò)氧化脅迫要高于根系。丙二醛往往由于遭受極端環(huán)境條件產(chǎn)生膜質(zhì)過(guò)氧化作用而大量積累。馬英等[23]研究發(fā)現(xiàn)，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(jīng)亞低溫、低溫處理后丙二醛含量急劇上升，在DW 處理下表現(xiàn)更為明顯，增幅高達(dá)2.4 倍，說(shuō)明亞低溫、低溫條件下番茄幼苗體內(nèi)活性氧過(guò)量積累，打破活性氧動(dòng)態(tài)平衡，膜質(zhì)過(guò)氧化程度顯著提高，生物膜系統(tǒng)遭到破壞。

植物會(huì)啟動(dòng)一系列生理響應(yīng)來(lái)應(yīng)對(duì)活性氧過(guò)量積累所形成的過(guò)氧化脅迫，多篇報(bào)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(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，小麥SOD、POD 和CAT 活性均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì)。本試驗(yàn)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(shuō)明亞低溫和低溫抑制番茄葉片中SOD、CAT 活性，激發(fā)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)或處理溫度過(guò)低導(dǎo)致生理代謝場(chǎng)所受損嚴(yán)重[25]，這與YDW 和DW 處理下葉片活性氧含量顯著提高的表現(xiàn)一致。根系抗氧化酶活性變化趨勢(shì)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(shuō)明低溫脅迫誘導(dǎo)根系抗氧化酶活性提高。低溫和亞低溫條件誘導(dǎo)SOD 活性提高，加快歧化速度，導(dǎo)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(yīng)會(huì)生成毒性更強(qiáng)的OH-，加劇根系過(guò)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(dǎo)H2O2轉(zhuǎn)化為羥基自由基，因此，POD 活性提高也會(huì)加劇根系的過(guò)氧化脅迫程度，導(dǎo)致植物細(xì)胞進(jìn)一步損傷[26]。這與DW 處理下葉片和根系活性氧含量的表現(xiàn)一致。本試驗(yàn)結(jié)果表明，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的低溫或亞低溫環(huán)境會(huì)降低番茄酶促活性氧清除系統(tǒng)的效率，進(jìn)而加劇過(guò)氧化脅迫，導(dǎo)致生理代謝能力降低。

可溶性蛋白因其吸水性強(qiáng)，能夠降低細(xì)胞液冰點(diǎn)，減少原生質(zhì)失水的能力，是植物重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一。有報(bào)道表明，可溶性蛋白是一種低溫誘導(dǎo)蛋白，其含量會(huì)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(fā)揮著重要作用。本試驗(yàn)中，植株內(nèi)可溶性蛋白含量在YDW、DW 處理下顯著提高，說(shuō)明番茄幼苗遭受低溫脅迫后迅速積累可溶性蛋白以調(diào)節(jié)膜內(nèi)外滲透壓平衡，增強(qiáng)持水能力，以保持生物膜結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)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(zhì)過(guò)氧化程度加劇，膜透性增強(qiáng)，嚴(yán)重制約了番茄幼苗的生長(zhǎng)。