低温胁迫对不同基因型茄子种子萌发的影响

朱宗文,吴雪霞,张爱冬,田守波,查丁石

(上海市农业科学院 园艺研究所/上海市设施园艺技术重点实验室,上海 201106)

茄子(SolanummelongenaL.)别名落苏,原产于印度地区,在我国已有1400～1500年的栽培历史[1-2]。我国栽培的茄子品种众多,按照居民的栽培方式和饮食习惯的不同,在遗传变异的基础上,经过多年的自然选择和人工选择,形成了形状各异、颜色多样、软硬度差异明显的众多茄子生态类型,具有广泛的地域性特征。至今在我国的西部偏远地区还有一些茄属野生种,这些野生种大多较当前栽培品种生长势强,抗逆性强,可以作为优良的育种资源[3]。茄子作为一种喜温性蔬菜,对低温敏感性较强。其植株生长发育的适宜温度为22～30 ℃,低于15 ℃时植株生长缓慢,低于5 ℃时茎叶受到伤害,0 ℃以下就会被冻死[4]。在低温胁迫下,茄子幼苗生长受到抑制,光合作用效率降低[5],植株受到氧化伤害[6],最终茄子的产量和品质大大降低。随着栽培设施和栽培技术的不断改进,人们对保护地茄子生产的要求越来越高,对耐低温性品种的需求也越来越迫切。目前,国内相关科研单位和种子公司很少有耐低温的保护地专用茄子品种[7-8],而其他茄果类蔬菜像番茄[9]和辣椒[10-11]有较多的保护地低温专用品种的介绍。在低温条件下茄子生产主要还是通过嫁接这一途径来实现[12]。因此,选育出耐低温性强的保护地专用茄子品种极其重要。我们以本课题组长期保存和积累的各种类型的茄子高代自交系材料为研究对象,通过观察在不同低温条件下种子的萌发情况,对低温胁迫下不同基因型茄子材料种子的耐低温性做出评价,希望为茄子耐低温性鉴定及耐低温材料的筛选提供依据,为茄子低温育种材料的创制提供一定的帮助。

1 材料与方法

1.1 实验材料

10份供试茄子材料(表1)为上海市农业科学院园艺研究所茄子课题组保存的高代自交系材料。经过预实验验证，同一批种子的发芽率一致,整齐度高。

表1 供试茄子品种/材料的情况

1.2 低温处理

将不同类型的茄子材料种子分别置于发芽盒中,在发芽纸上加入适量蒸馏水后分别放入设定不同温度的人工智能培养箱进行低温处理,温度设定分别为10、15、20、25 ℃。

1.3 种子萌发测定

用透明塑料发芽盒(12 cm× 12 cm× 5 cm)测定种子的萌发情况。将种子放入铺有两层发芽纸的发芽盒中,置于不同温度培养箱内发芽。每个温度处理100粒种子,3次重复。从第2天起逐日统计种子发芽数。以第14天作为发芽结束时间,发芽结束后统计各项发芽指标。相关发芽指标的计算公式为:发芽率(Gr)=∑Gt/NT×100%;相对发芽率=处理种子的Gr/对照种子的Gr;发芽势=规定时间内发芽种子总数/供试种子总数×100%;发芽指数(Gi)=∑(Gt/Dt);活力指数(Vi)=Gi×S。其中,Gt表示在t日时的发芽数,Dt表示相应的发芽天数；NT表示种子总数；S表示发芽终期幼苗的高度(cm)。

1.4 幼苗冷害指数和恢复能力的测定

幼苗冷害指数和恢复能力的测定参照王孝宜等[13-14]的方法(作了适当改进)。将发芽结束后的幼苗继续在人工智能培养箱中进行低温处理7 d,每日向发芽盒中加入适量的蒸馏水,保证发芽纸湿度适中;7 d后,统计幼苗的冷害指数CI。全部死亡时统计CI为最大值1,全部正常时统计CI为最小值0。统计结束后，将幼苗全部移到正常温度的培养箱进行1周的恢复培养,结束后统计幼苗的恢复能力，恢复能力以恢复正常的幼苗数占总幼苗株数的百分比表示。对每一幼苗的冷害症状进行分级:0级，无冷害症状;1级，仅子叶边缘有轻度皱缩萎蔫;2级，子叶大部分区域变色萎蔫;3级，子叶整体萎蔫;4级，整株死亡。冷害指数(CI)=(1×S1+2×S2+3×S3+4×S4+0×S0)÷(低温胁迫总株数×4)。式中,Si(i=0,1,2,3,4)为相应冷害等级的苗数。

1.5 统计方法

用SPSS 16.0统计软件和Excel对试验数据进行统计、作图及相关分析。

2 结果与分析

2.1 低温处理对不同类型茄子种子发芽率的影响

不同类型茄子种子经低温处理后,各温度处理间种子发芽率存在很大的差异性(表2)。其中1、5、8号三个基因型种子在10 ℃和15 ℃温度条件下均不发芽,在20 ℃条件下发芽率也较低且显著低于正常温度下的;4号和7号种子在10 ℃下不发芽,在15 ℃下发芽率极低;2号和6号种子在15 ℃下的发芽率显著高于在20 ℃下的;3、6和10号种子在10 ℃下不发芽,在15 ℃下发芽率较高且与正常温度下差异不显著;9号种子是唯一在10 ℃低温条件下还可以发芽的,且在15 ℃和20 ℃条件下发芽很好，与正常温度下无明显差异。总体来看：9号发芽最好,发芽耐低温性最强;其次是3号、6号和10号;发芽耐低温性较差的是1号、5号和8号。

表2 不同低温处理对茄子种子发芽率的影响

注:同一列数据后附不同小写字母代表在不同温度处理间存在显著差异(P<0.05)。下同。

2.2 不同低温处理对茄子种子发芽势的影响

发芽势反映了发芽初期种子活力的强弱和发芽的整齐度。经低温处理后,各类型茄子的发芽势呈现出很大差异性(表3)。发芽势最高的是9号，它是唯一在10 ℃低温条件下具有发芽势的茄子品种,其在15 ℃和20 ℃条件下发芽势与对照无显著性差异;6号在15 ℃下的发芽势与对照无显著差异,并显著高于在20 ℃下的发芽势;10号在20 ℃下的发芽势与对照无显著差异;其他类型茄子种子的发芽势随着温度下降均显著低于前一温度梯度下的发芽势。综合发芽率和发芽势可以看出：9号不仅发芽率在低温条件下较高,发芽整齐度也很好,15 ℃的低温对其发芽势无显著影响；6号和10号的发芽势表现出一定的整齐度,但是总体上弱于9号;1、2、4、5、8号的发芽势在各低温条件下表现较弱,在正常温度条件下也较弱,这说明发芽整齐度与其本身的基因类型和种子存贮状况存在一定的关系。

表3 不同低温处理对茄子种子发芽势的影响

2.3 不同低温处理对茄子种子发芽指数的影响

经低温处理后,不同类型茄子种子呈现出不同的发芽速率,我们测定其发芽指数来衡量其发芽速率。从表4中可以看出：在10 ℃条件下,只有9号存在发芽指数,并与其它温度条件下存在显著性差异,而在15、20、25 ℃处理间其发芽指数不存在显著性差异;3号在20 ℃条件下的发芽指数与对照无显著性差异,在15 ℃下与正常温度下存在显著性差异;6号在15 ℃和20 ℃下的发芽指数没有显著性差异,但与对照存在显著性差异;其它各类型种子的发芽指数随温度降低与前一温度梯度均呈现出显著性差异。

表4 不同低温处理对茄子种子发芽指数的影响

2.4 不同低温处理对茄子种子活力指数的影响

如表5所示：9号茄子幼苗具有最强的活力指数,其在10 ℃下活力指数很低,在其他3种温度处理间也存在显著性差异,但总体活力指数最高;2号的活力指数在10 ℃和15 ℃条件下差异不显著,是所有实验品种中唯一一个在不同温度梯度间活力指数差异不显著的;其他各实验品种的活力指数在不同温度处理间均呈现出显著性差异,说明环境低温对其活力指数下降产生了显著影响。

2.5 不同低温处理对茄子种子萌发幼苗冷害指数的影响

经低温处理的种子萌发后,将幼苗继续进行7 d的低温生长观测，测定各类型茄子幼苗的冷害指数。从图1中可以看出：9号在各个低温条件下冷害指数最低,是所有实验品种中最耐低温的;2号和10号在15 ℃条件下具有一定的耐低温性；1号、5号和8号在15 ℃条件下不发芽或幼苗完全死亡;在20 ℃条件下各品种的冷害指数较低,5号和8号受影响较大。综合来看,9号最耐低温,10号、2号次之,5号和8号最不耐低温。

表5 不同低温处理对茄子种子活力指数的影响

图1 低温处理后各类型茄子幼苗受冷害情况

2.6 不同低温处理对幼苗恢复能力的影响

将经低温处理的各类型幼苗移入正常温度下进行幼苗恢复能力的测定。从图2可以看出：在10 ℃条件下只有9号的幼苗具有一定的恢复能力;经15 ℃处理后,6号和9号幼苗的恢复能力超过50%,而4号的恢复能力最低，在25%左右;经20 ℃低温处理后,各品种幼苗的恢复能力较强,只有4号低于50%;1号、5号和8号由于其种子在10 ℃和15 ℃下不发芽，因而没有存活幼苗。从幼苗的恢复情况可以看出，9号的耐低温性最强,6号和10号次之,1、4、5和8号最差。

图2 低温处理后各类型茄子幼苗的恢复情况

3 讨论

当植物受到低温胁迫时,在各种环境信号传导物质作用下植株体内会发生一系列的生理生化反应。这些生理生化反应是植株本身对逆境一种自我保护的应激反应,更多是存在于生理生化物质的积累和代谢上[15-17]。张晓艳等研究表明,在所有受低温胁迫的茄子嫁接苗中,耐低温材料的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性均高于不耐低温材料的[18]。吴雪霞等发现经低温处理后茄子幼苗的丙二醛(MDA)含量显著增加,叶片的SOD、POD、CAT、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性均显著升高,且其脯氨酸(Pro)和可溶性蛋白质含量均显著增加[19]。董爱玲等研究发现低温驯化显著增加了茄子幼苗的可溶性糖、可溶性蛋白含量，提高了SOD、POD、CAT活性[20]。这些研究结果均表明茄子在低温胁迫下,其植株体内会发生一系列的生理生化反应,且在不同的品种材料之间,变化存在较大差异。因而选育耐低温性强的茄子材料对茄子育种及了解相关基因的功能有着极其重要的作用。本实验通过对大量的高代自交系茄子材料进行低温种子活力测定,从中找到了一些萌发耐低温性较强的材料，其中9号表现最为突出，在各种温度梯度下,其发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均表现出很高水平,甚至在10 ℃低温条件下仍然有部分种子可以成功发芽且幼苗具有较强的活力和恢复能力，可以作为今后茄子耐低温育种的优良高代自交系材料。

种子活力主要受自身基因遗传性、种子发育成熟度和贮藏环境因子三方面的影响[21]。自身的遗传性决定了种子活力强度的可能性,其他环境因素也会对种子活力最终的表现起到重要的作用。我们可以采取一定的措施来促使种子表现出其强的活力,有研究表明预冷处理可以有效地破除一些种子的生理休眠,如麦类种子发芽前放入湿润的发芽床上,在5～10 ℃下处理3 d,可以达到破除生理休眠的效果[22]；乔海明发现用5 ℃处理野豌豆种子可以显著提高其种子活力[23];憨宏艳等研究表明不同土壤湿度条件下低温处理会增强水青树种子的发芽率,并对种子活力起到一定的促进作用[24]。这些研究都表明在环境低温条件下,种子活力受到了正面影响,这可能是由其遗传物质的特异性所决定的。种子萌发是一个极其复杂的过程,不仅涉及到各种贮藏物质的分解，还涉及到许多萌发过程中相关基因的调控。白雪等以冷敏感作物蓖麻为实验材料,构建15 ℃(低温)和25 ℃(适温)两种萌发条件下完全展开的子叶cDNA文库,利用Illumina测序技术进行转录组测序(RNA-Seq),筛选出了低温上调差异表达基因243个[25]。包崇来等从大量茄子育种材料中选出了耐低温基因型材料E659,其幼苗在4 ℃低温下处理10 d后仍能保持正常的生长状态,没有受到明显伤害[26]。本实验中2号和6号茄子材料在15 ℃条件下表现出了较强的耐低温能力,其发芽率、发芽势均显著高于20 ℃条件下的；9号材料则在15 ℃和20 ℃温度下表现出了和对照一致的种子活力,并在10 ℃低温条件下仍然表现出了较强的种子活力。这些表明不同基因型材料的特定遗传物质决定了其耐低温能力的强弱。目前对茄子的耐低温生理机制研究较多,但获得极耐低温茄子基因型材料的报道较少。本实验为茄子耐低温抗性种质资源的创制和耐低温新品种的选育提供了新的基因源,可作为茄子耐低温分子育种的新材料。