樱桃番茄苗期对淹水胁迫的响应及其耐涝性评价

刘聪聪 兰超杰 李 欢 黄家权 李长江

(海南大学热带作物学院,海南省热带生物资源可持续利用重点实验室,海南海口 570228)

樱桃番茄(Solanum lycopersicumMill.)为茄科番茄属植物,是世界上最主要的经济蔬菜作物之一[1]。因富含番茄红素、维生素C 等多种营养成分,且口感极佳,其市场前景广阔。近年来,樱桃番茄在我国热带地区作为反季节果蔬被大面积推广种植,极大地促进了当地的经济发展和农民生活水平的提高[2]。但受季风气候影响,热带地区雨季降雨分布不均,反季节露地樱桃番茄的苗期通常在每年的9月至10月上旬,正值热带地区雨季,降雨集中且强度大[3],农田涝渍害多发,严重影响樱桃番茄苗期生长和产量的提升。

涝渍害是作物生产过程中遭受的主要非生物胁迫之一,严重威胁作物的生长发育,极大地制约着作物产量及品质的提升[4]。涝渍害不仅对作物株高、茎粗、生物量积累等有抑制效果,使叶片抗氧化酶活性降低、根系活力下降[5-6],还可以增加细胞膜的渗透性和活性氧的积累[7]。同时,涝渍害使土壤内氧气含量降低,作物根系有氧呼吸受到抑制,进而影响植株光合作用以及根系与地上部间的物质运输[8-9],造成作物产量与品质的下降。在淹水胁迫下,番茄产量明显下降;叶片和根系中丙二醛(malondialdehyde,MDA)和超氧阴离子自由基()含量升高[10]。研究发现,淹水后番茄通过不定根的快速形成来适应淹水环境[11];根系中抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)活性的升高有助于提高植物对淹水的耐受能力[12]。虽然目前关于涝渍害对番茄的影响已有一定的研究,但多集中于大果番茄,对樱桃番茄在淹水胁迫下的生理生化反应特性鲜有研究,且未有对其苗期耐涝性综合评价的报道。本研究选择热带地区5个主栽反季节露地樱桃番茄品种,研究樱桃番茄苗期对淹水胁迫的响应并利用主成分分析法和隶属函数法对其耐涝性进行综合评价,以期为热带地区樱桃番茄栽培品种选择及其抗涝渍栽培机理研究提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018 年在海南省海口市海南大学热带农林学院农学基地温室(20°3′N,110°19′E)进行。 试验材料选用千禧、立新佳禧、红妃6 号、红钻石和台湾赞美等5 个海南地区主栽的反季节露地樱桃番茄栽培品种。 2018 年8 月进行番茄育苗,待到三叶一心时选取长势一致幼苗移栽入花盆中(直径×高度:15 cm×15 cm),每盆1 株;采用盆栽试验,盆土为海南大学农学基地番茄农田0～20 cm 土层土壤——砖红壤,需风干后过2 mm 筛,每盆装土2.5 kg,待幼苗长到四叶一心时开始进行试验处理。 试验期间温室昼/夜温度分别设定为当地9-10 月份多年的平均值28℃/23℃,湿度为82%。 盆栽土壤基础理化特性为pH 值6.75、有机质2.89%、碱解氮122.90 mg·kg-1、速效磷39.89 mg·kg-1、速效钾0.19 g·kg-1。

1.2 试验设计

试验中每个樱桃番茄品种设2 个处理:正常水分处理(control, CK)和淹水处理。 每个处理3 个重复,每个重复6 株。 淹水处理采用双套盆法,即将花盆放入上口径×底径×高为20 cm×17 cm×19 cm 的大盆中,进行淹水,使水面高出土面2 cm,且每天定时进行补水。 正常水分处理通过称盆法每2 d 进行补水一次使得土壤含水量保持在最大持水量的75%左右。 各处理分别于淹水处理第0、第2、第4、第8 和第16 天取样测定,每个重复取1 株,取各植株功能叶(由下至上计数第4 片完全展开叶)和根系,于-40℃冰箱中保存,用于相关生理生化指标的测定。 第16 天对处理植株进行株高和干物质量的测定。

1.3 测定项目与方法

株高采用米尺进行测定; 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性的测定采用氮蓝四唑(nitroblue tetrazolium,NBT)光还原法;过氧化氢酶(catalase,CAT)活性的测定采用紫外吸收法;过氧化物酶(peroxidase,POD)活性的测定采用愈创木酚显色法;MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid,TBA)比色法,以上指标测定均参照王学奎等[13]的方法进行;含量的测定参照邹琦[14]的方法进行;脯氨酸(proline,Pro)含量的测定采用酸性茚三酮显色法;可溶性糖含量的测定采用硫酸-蒽酮比色法;根系活力的测定采用2,3,5-三苯基氯化四氮唑(2,3,5-triphenyltetrazolium chloride, TTC)法[15];淹水结束时用烘干称重法测定各处理植株不同部位的干物质量,并计算根冠比。

1.4 数据处理

利用主成分分析法[16-18]对不同品种在淹水16 d时的各指标数据进行处理分析,并对各品种的耐涝性进行综合评价。

按照公式计算耐涝系数[16]:

按照公式计算隶属函数值(U)[16-17]:

式中,U(Zj)为第j 个综合指标隶属函数值,Zj为第j个综合指标,Zmax和Zmin为第j个综合指标的最大值和最小值。

按照公式计算权重(W)[16-18]:

式中,Wj为第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度;Pj为各品种第j个综合指标的贡献率。

按照公式计算综合评价(D)[16-18]:

式中,D值为各樱桃番茄品种在淹水胁迫下用综合指标评价所得的耐涝性综合评价值。

利用 Microsoft Office Excel 2010 整理数据,SPSS 19.0 统计分析软件对数据进行方差分析和主成分分析,利用Graphpad Prism 6.0 软件制图。

2 结果与分析

2.1 淹水胁迫对樱桃番茄苗期叶片和MDA含量的影响

图1 淹水胁迫对樱桃番茄超氧阴离子自由基含量()的影响Fig.1 Effect of waterlogging stress on content of cherry tomatoes

2.2 淹水胁迫对樱桃番茄苗期抗氧化酶系统的影响

在淹水处理后,随着淹水处理时间的延长,千禧和立新佳禧品种叶片的SOD活性均呈先下降后上升再下降的趋势,台湾赞美始终呈下降趋势,红钻石品种呈先上升后趋于平稳的趋势,而红妃6号则表现出先上升后下降再上升的趋势(图3)。千禧和台湾赞美淹水处理叶片的SOD活性一直低于CK,且均在淹水后8 d达差异显著水平;立新佳禧和红钻石淹水处理叶片的SOD活性表现为先低于CK,之后高于CK,最后又低于CK;而红妃6号淹水处理叶片的SOD活性表现出先显著低于CK,在淹水后16 d 又显著高于CK。

由图4可知,经淹水处理后,随着淹水处理时间的延长,千禧和立新佳禧品种叶片的CAT活性呈先下降后上升最后缓慢下降的趋势;红妃6号和台湾赞美则出现先上升后下降再上升的趋势,而红钻石表现为先上升后下降最后趋于平稳。千禧、立新佳禧CAT活性和红钻石在淹水处理后,叶片CAT活性始终低于CK,并且立新佳禧CAT活性从淹水后2 d 开始与CK间表现出显著差异性,淹水后4 d,千禧和红钻石也均显著低于CK,这表明淹水一定天数后,千禧、立新佳禧和红钻石叶片的CAT活性均会显著低于CK。红妃6号在淹水后2 d 其叶片CAT活性显著高于CK,之后显著低于CK,在淹水后16 d与CK 无显著差异。此外,在淹水后台湾赞美叶片CAT活性多与CK 无显著差异。

图2 淹水胁迫对樱桃番茄丙二醛含量的影响Fig.2 Effect of waterlogging stress on MDA content of cherry tomatoes

图3 淹水胁迫对樱桃番茄叶片超氧化物歧化酶活性的影响Fig.3 Effect of waterlogging stress on the activity of SOD in the leaves of cherry tomatoes

经淹水处理后,随着淹水处理时间的延长,千禧、立新佳禧、红钻石和台湾赞美4个品种叶片的POD活性整体表现出先上升后下降再上升的趋势,而红妃6号表现出先下降后上升的趋势。千禧、立新佳禧和台湾赞美品种叶片中的POD活性在淹水后4 d 均表现为高于CK,之后逐渐降低,在淹水后16 d 均显著低于CK(图5)。红妃6号在淹水处理后,其叶片POD活性在淹水后2～8 d 始终显著低于CK,但在淹水后16 d与CK 差异不显著,而红钻石在淹水处理下其叶片POD活性除淹水后2 d 外,其余处理时间与CK 均无显著差异。

2.3 淹水胁迫对樱桃番茄苗期叶片渗透调节物质的影响

由图6可知,淹水处理对樱桃番茄叶片Pro含量影响显著。随着淹水时间由8 d 延长至16 d,除红妃6号,各品种叶片中Pro含量均有一定程度的下降。除台湾赞美在淹水后8 d 叶片中Pro含量显著低于CK外,千禧、立新佳禧、红妃6号和红钻石品种均显著高于CK,分别为CK的4.1倍、1.6倍、4.9倍和6.7倍,表明樱桃番茄通过提高Pro 来缓解淹水胁迫;淹水后16 d时,千禧和立新佳禧品种叶片的Pro含量均显著低于CK,而其他品种与CK之间差异不显著。

图4 淹水胁迫对樱桃番茄叶片过氧化氢酶活性的影响Fig.4 Effect of waterlogging stress on the activity of CAT in the leaves of cherry tomatoes

图5 淹水胁迫对樱桃番茄叶片过氧化物酶活性的影响Fig.5 Effect of waterlogging stress on the activity of POD in the leaves of cherry tomatoes

由图7可知,在淹水后8 d,除千禧品种外,其他品种叶片中可溶性糖含量均显著高于CK;淹水后16 d,除立新佳禧品种外,其他品种可溶性含量均显著高于CK,可见淹水胁迫可以增加樱桃番茄叶片中可溶性糖含量。

2.4 淹水胁迫对樱桃番茄苗期根系活力的影响

经淹水处理后,随着淹水处理时间的延长,千禧品种根系活力逐渐下降,台湾赞美呈先上升后下降再上升的趋势,其他樱桃番茄根系活力均呈现出先上升后下降的趋势。在淹水后16 d,千禧和立新佳禧品种淹水处理下的根系活力均显著低于CK,而红妃6号、红钻石和台湾赞美品种的根系活力均表现为高于或接近CK,且红妃6号和台湾赞美品种分别在淹水后4 d和淹水后2 d显著高于CK。这表明短期淹水能够提升樱桃番茄根系活力,之后随淹水时间延长又使其降低,并且随着部分樱桃番茄对淹水条件的适应,根系活力得到缓慢恢复。

图6 淹水胁迫对樱桃番茄Pro含量的影响Fig.6 Effect of waterlogging stress on Pro content of cherry tomatoes

图7 淹水胁迫对樱桃番茄可溶性糖含量的影响Fig.7 Effect of waterlogging stress on soluble sugar content of cherry tomatoes

图8 淹水胁迫对樱桃番茄根系活力的影响Fig.8 Effect of waterlogging stress on root activity of cherry tomatoes

2.5 淹水胁迫对樱桃番茄苗期形态特征的影响

由表1可知,与CK相比,各品种经淹水处理后的株高、地上部干重和根系干重均不同程度下降。除红妃6号外,干禧、立新佳禧、红钻石和台湾赞美淹水处理后株高均显著低于CK,降幅分别为10.51%、7.14%、11.05%和9.88%;而各品种的地上部干重均较CK显著降低,分别减少了40.65%、28.78%、33.54%、46.37%和34.14%;根系干重仅千禧表现出显著下降,降低了89.47%,其他品种与CK 无显著差异;对于根冠比,淹水处理后仅千禧较CK 表现出显著下降,降幅为74.01%,其他品种多表现为增加,其中红妃6号显著高于CK,增幅为50.96%。

表1 淹水胁迫对樱桃番茄形态指标的影响Table1 Effect of waterlogging stress on morphological indexes of cherry tomatoes

2.6 耐涝性综合评价结果

不同品种经淹水处理后,各单项指标变幅不尽相同,因此直接通过某一或某些指标对各品种的耐涝性进行评价过于片面,需进一步利用更全面科学的多指标综合鉴定方法。本研究对5个品种各单项指标的耐涝系数进行主成分分析和隶属函数法分析,将原来12个单项指标综合为5个综合指标,根据公式(2)得到各综合指标的隶属函数值U(Zj);千禧、立新佳禧、红纪6号、红钻石和台湾赞美各综合指标贡献率分别为22.757%、19.826%、17.891%、15.935%和13.410%,根据公式(3)求出权重,并用公式(4)得到综合评价值D(表2)。

D值是经各指标综合分析所得,其值大小可体现不同品种耐涝性的强弱[18]。由表2可知,千禧、立新佳禧、红妃6号、红钻石和台湾赞美的D值分别为0.288、0.313、0.632、0.627和0.403,5个品种耐涝性大小排序为红妃6号＞红钻石＞台湾赞美＞立新佳禧＞千禧。

表2 各品种的综合指标值Zj、隶属函数值U(Zj)、权重和D值Table2 The value of each variety’s comprehensive index(Zj), U(Zj),index weight and D value

3 讨论

MDA为膜脂过氧化产物,可使细胞中的蛋白质分子交联失活,已有研究表明淹水胁迫下植物体内的MDA含量与品种的耐涝性呈负相关关系[25-26]。本研究发现,淹水后千禧和台湾赞美两品种叶片MDA含量高于CK,可能是由于植株对淹水胁迫较为敏感,无法迅速建立适应性代谢途径,因此在淹水后立即作出响应[27-28]。随之抗氧化酶活性和渗透调节物质含量升高,发挥保护作用,在一定程度上缓解了淹水胁迫伤害,如红钻石品种在淹水后16 d时显著低于对照(CK);立新佳禧和台湾赞美MDA含量仅淹水后8 d短时间下降,不同品种响应程度和时间不同可能与其品种耐涝性不同有关。但随着淹水时间的延长,植物受伤害加重,抗氧化酶系统逐渐失活,细胞膜脂过氧化加剧,千禧、立新佳禧和台湾赞美3个品种叶片中的MDA含量再次升高。前人研究也发现,在长期淹水下,植物叶片中MDA含量升高[29]。然而本研究还发现,红妃6号和红钻石叶片在淹水后期(8～16 d)MDA含量仍表现为下降,可能是由于二者抗氧化酶活性较高,对逆境环境下的植物具有较强的保护能力,进而减轻了细胞膜脂化程度,从生理上表现出更强的耐涝能力。

植物在受到淹水胁迫时,可通过短期内迅速积累可溶性糖与Pro 等渗透调节物质,来改变细胞内水势,从而增强植株的抗逆性[30]。本研究发现,淹水处理后樱桃番茄叶片中可溶性糖含量增加,且红妃6号增加最显著,可见其在淹水胁迫下的渗透调节能力最强,进而表现出较高的抗逆性。淹水后大多数樱桃番茄品种叶片中Pro含量呈先升高后下降趋势,这与大麦草[31]和冬油菜[32]的研究结果相似,主要是因为樱桃番茄在淹水前期通过增加Pro含量调节细胞水势,保护细胞免受伤害,但随着淹水时间的延长,植株所受伤害加重,细胞逐渐死亡,导致其渗透调节能力下降,Pro含量降低。红妃6号、红钻石和台湾赞美的Pro含量在淹水后期变化较小且与CK 相近,可能是植物通过维持渗透物质的稳定来增加对涝渍害的抗性。

淹水后,植物根系处于低氧或缺氧环境,根系活力则能间接体现植物代谢、吸收和转化物质的能力[33]。本研究表明,与CK相比,随着淹水时间的延长,樱桃番茄根系活力多呈先上升后下降的趋势,表明短期的淹水能够提高樱桃番茄的根系活力。张恩让等[34]也发现淹水初期可以提高辣椒的根系活力。但随着淹水时间延长,水中氧气缺乏,导致根系呼吸作用降低,有害物质积累[35],因此千禧和红妃6号在淹水后4 d,立新佳禧、红钻石和台湾赞美在淹水后2 d的根系活力均呈现一定程度的降低,且随着淹水时间的延长,立新佳禧品种的根系活力持续下降,在淹水后16 d,千禧和立新佳禧的根系活力显著低于CK。而红妃6号和台湾赞美根系活力在淹水后期较CK 呈上升趋势,可能是红妃6号和台湾赞美对淹水胁迫适应性更强,能有效清除缺氧条件下产生的有害物质,维持根系基本生理功能[36]。涝渍害发生会打破地上部与地下部的平衡,对叶片细胞功能及根系活力产生不利影响,进而降低植物的光合作用及根系的吸收能力,导致植株生长受到抑制,生物量分配模式发生改变[5]。本研究也发现大多樱桃番茄品种在淹水处理后其株高、地上部干重和根系干重普遍低于CK,而根冠比较CK 一定的升高,这可能是因为淹水发生后,更多的光合产物会被分配到樱桃番茄的根系中,导致根系干物质量下降较少或没有下降,但地上部干物质量显著下降[37]。红妃6号根冠比较CK 有显著增加,表明耐涝性较强的品种可以通过自身的适应机制,维持根系生长,从而适应淹水胁迫下的缺氧环境,减少涝害所产生的影响[11]。本研究中CK的根系活力、MDA含量和CAT活性等指标波动较大,究其原因:一方面,苗期生长较快,樱桃番茄的快速生长可导致植株体内多个指标的变化较大,Yin等[19]在菊花上也有相似发现;另一方面,植物生长除受温度和湿度(试验温室大棚控制)影响外,还与外界光照有关,不同光照对植株的影响有所不同[38]。因此,本试验设置对照能最大可能地减少因植物生长和环境因素对处理造成的影响,更为科学与准确地反映处理间的差异。

植物抗逆性是一个受多种因素影响且通过多种指标综合表现的生理反应,不同品种在单一指标上的反应也有所差异[16]。本研究也表明,在淹水胁迫下,不同品种樱桃番茄同一指标变化趋势相差甚远。目前对于樱桃番茄在淹水胁迫下的生理生化响应机制研究甚少,且尚未对其耐涝性的综合评价提供一个较为全面的鉴定方法。诸多研究表明,植物的耐涝性与形态、生理等部分指标存在相关性[23,39],因此本研究对多个单项指标进行综合评价,在主成分分析的基础上,使用隶属函数法,根据相应综合指标的权重得到各品种的D值,该方法可弥补单一指标分析的片面性,所得结果更客观科学,为实际应用提供了可靠依据。

4 结论