不同品种番茄幼苗低温适应性评价及光合特性分析

罗鑫辉 刘明月 黄科 刘玉兵 彭淼 王军伟

摘 要：以18个番茄品种为试材，置于冷害条件下培养，昼夜温度为15 ℃/7 ℃，计算其冷害指数，评价18个番茄品种的耐低温性并将其分为强耐冷型、弱耐冷型和冷敏感型。根据冷害指数将T1和T3作为强耐冷型品种，T13作为弱耐冷型品种，T10和T11作为冷敏感型品种。测定这5个品种在冷害温度下的叶片相对电导率、气体交换参数和叶绿素荧光参数。结果表明，T1和T3番茄叶片的相对电导率低于T13、T10和T11，T3的净光合速率显著高于其他品种，T1和T3的光化学猝灭系数高于T10和T13，T1的最大光化学效率高于其他品种。综上所述，强耐冷型品种质膜损伤程度低，光合系統受损伤程度低，气孔开合度受低温影响小，光合作用下降幅度小。

关键词：番茄;低温;冷害指数;光合特性

中图分类号：S641.2 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2021）08-049-07

Evaluation of low temperature adaptability and analysis of photosynthetic characteristics in different tomato varieties

LUO Xinhui， LIU Mingyue， HUANG Ke， LIU Yubing， PENG Miao， WANG Junwei

（Key Labortory for Vegetable Biology of Hunan Province/Engineering Research Center for Horticultural Crop Germplasm Creation and New Variety Breeding， Ministry of Education/College of Horticulture， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， Hunan， China）

Abstract： 18 tomato varieties were used as materials in this study， cold damage temperature was set， the growth index of tomato and the cold damage index were recorded. The 18 tomato varieties were classified  into cold type， weak resistance to cold type and cold sensibility type. According to the cold damage index， T1 and T3 were regarded as typical of strong resistance to cold type， T13 as typical with weak cold resistance， T10 and T11 as cold sensibility type. The gas exchange parameters and chlorophyll fluorescence of the five cultivars under the cold damage temperature were determined， the result showed that the Pn of seedling leaves of T3 was the highest. The strong cold resistance type could maintain high stomatal conductance and CO2 utilization under cold damage temperature， photosynthesis was less inhibited. qP of T1 and T3 were significantly higher those of T10 and T13. NPQ of T1 was significantly higher than that of T10， which was the lowest of th five varieties. In conclusion， under cold damage temperature， the morphological index， net photosynthetic rate and chlorophyll fluorescence of strong cold resistance were better than those of weak cod resistance type and cold sensibility type.

Key words： Tomato; Low temperature; Cold damage index; Photosynthetic characteristics

番茄（Solanum lycopersicum L.）为茄科番茄属的一年生或多年生草本植物，是我国冬春设施栽培面积最大的喜温蔬菜之一，生长适宜温度在15 ℃以上，气温低于15 ℃时就会发生冷害，易受低温弱光影响，导致其生长发育缓慢，产量品质下降[1]。研究发现，低温胁迫会引起植物叶片的光系统Ⅱ反应中心D1蛋白可逆失活，发生光抑制，使得叶绿体内光能过剩，活性氧产率升高，严重损伤光合机构，导致光合速率降低[2]。王克安等[3]对耐低温弱光能力不同的黄瓜品种研究表明，低温抑制了黄瓜幼苗的根系活力，耐冷性不同的黄瓜品种对低温胁迫的适应能力不同。在低温下番茄叶片数明显减少[4]，生长速率明显下降，营养生长缓慢导致后续生殖生长出现落花落果，进而产量下降等一系列问题。

快速叶绿素荧光诱导动力学曲线是一种快速获得PSⅡ光化学活性、电子传递和光合器官结构和状态等信息的方法。通过定量分析叶绿素荧光动力学曲线参数（JIP-test）的变化，可以发现PSⅡ反应中吸收和转换光能性能、受体侧和供体侧的活性以及电子传递体氧化还原状态的动态变化。Strasser[5]以生物膜能量流动为基础，建立了高度简化的能量流动模型图。这些能量流包括吸收的光能（ABS）、捕获的光能（TR）、电子传递（ET）、热耗散（DI）[6-8]。叶绿素荧光动力学参数和光合作用关系十分密切，当强光照射植物时，荧光起到保护作用，避免过量光能灼伤光合机构;在自然光照条件下，叶绿素荧光参數和光合速率一般呈负相关关系。因此叶绿素荧光参数可以作为探测植物生长状况和光合特性的重要指标，其参数包含非常丰富的生理信息[9-10]。光化学猝灭系数（qP）反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额;非光化学猝灭系数（NPQ）反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能以热的形式耗散掉的光能部分。qP越大，QA-重新形成QA的量就越大，即PSⅡ的电子传递活性越强[11-12]。

笔者以18个番茄品种为试材，对番茄在低温胁迫下的生长指标和生理指标进行研究，探索番茄抗寒性生理机制，拟为湖南地区番茄冬春季节大棚生产和耐寒品种选育提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2018年11月至2019年2月在湖南农业大学园艺学院人工气候室进行，供试的18份番茄品种及来源见表1。

1.2 试验设计

种子在55 ℃温水浸泡10 min后浸种6 h，28 ℃培养箱中催芽。挑选饱满、出芽整齐的种子播种于32孔穴盘中，每穴1粒，每个品种各1盘，置于人工气候室内培养，昼夜温度为28 ℃/18 ℃，相对湿度为75%，光量子通量密度（PPFD）均为300 μmol·m-2·s-1，光周期12 h/12 h。待番茄幼苗长到4叶1心时进行低温处理，昼夜温度为15 ℃/7 ℃，相对湿度为75%，光量子通量密度（PPFD）均为300 μmol·m-2·s-1，光周期12 h/12 h。

1.3 方法

低温处理30 d后，观察幼苗的冷害指数，并进行各项指标测定。

1.3.1 冷害指数测定 冷害指数计算参考刁艳[13]、赵世杰[14]的试验方法。冷害指数分级标准为0级：无明显症状;1级：第1、第2叶叶缘失水，其他无明显冷害症状;2级：第1叶或第2叶叶缘发黄或略微失水，第3叶和心叶无受害症状;3级：第1、第2叶出现脱水斑，第3叶叶缘严重失水，心叶略失水;4级：第1、第2叶的脱水斑连接成片，叶片萎蔫，第3叶出现脱水斑，心叶严重失水;5级：全部叶片萎蔫，幼苗在常温下不能恢复。按下列公式计算冷害指数：

冷害指数=（S1+2×S2+3×S3+4×S4+5×S5）/（处理总株数×5），式中S1、S2、S3、S4、S5分别为表现1～5级冷害的番茄株数。

冷害指数小于0.2的品种认定为强耐冷型品种，冷害指数大于1.0的品种认定为冷敏型品种，冷害指数介于0.2～1.0的品种认定为弱耐冷品种。

1.3.2 形态指标测定 用直尺测定株高（植株基部到生长点的高度），用游标卡尺测定茎粗（子叶上方位置的宽度），用清水洗根并用吸水纸吸收多余水分，以子叶为界，用百分之一电子天平称量地上部分鲜质量，用千分之一天平测定地上部分干质量，每个处理3次重复，每重复随机选择3株。

1.3.3 叶片光合特性测定 将LI-6400光合仪设置为红蓝光源，光照度800 μmol·m-2·s-1，CO2浓度400 μmol·mol-1，测定各处理的番茄苗从下往上数第3片功能叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr），每个处理3次重复，每重复随机测定1株。

1.3.4 叶片叶绿素荧光参数测定 用Fluorpen便携式叶绿素荧光仪测定各处理的番茄苗功能叶片的叶绿素荧光动力学曲线（OJIP）、光化学猝灭曲线（qP）和非光化学淬灭曲线（NPQ）。根据Srivastava & Strasser[15]计算以下荧光参数：ABS/RC=Mo·（1/VJ）·（1/φPo），捕获用于还原QA的能量：TRo/RC= Mo·（1/VJ），捕获用于电子传递的能量：ETo/RC=Mo·（1/VJ）·φo，耗散的能量：DIo/RC= ABS/RC- TRo/RC。捕获的激子将电子传递至超过QA的其他电子受体的概率：φo=ETo/TRo=1-VJ;用于还原PSⅠ受体侧末端电子受体的量子产额：φRo=RE/ABS=TRo/ABS（1-VI）;用于热耗散的量子比率：φDo=1-φPo=（Fo/Fm）;用于电子传递的量子产额：φEo=ETo/ABS=φPo·φo;最大光化学效率：φPo=FV/Fm=（Fm-Fo）/ Fm;VJ=（F2ms-Fo）/（Fm-Fo）;VI=（F30ms-Fo）/（Fm-Fo）。根据Li等[16]的方法计算相对可变荧光：Vt=（Ft-Fo）/（Fm-Fo），?Vt= Vt处理- Vt ck;Wk=（Ft-Fo）/（F300μs –Fo），?K-、?J-和?I-band分别是300 μs、2 ms和30 ms处测定的?Vt;?Wk= Wk处理- Wk ck，?L-band为在130 μs处测定的?Wk，每个处理3次重复，每重复随机测定1株。

1.3.5 相对电导率测定 参考赵世杰的相对电导率测定方法[17]。选取大小相当的植物叶片（尽量保证叶片的完整性），用自来水洗净后再用蒸馏水冲洗3次，用滤纸吸干表面水分，将叶片剪成差不多大小，称取叶片0.3 g，每个处理3次重复，放入干净的刻度试管里，加入去离子水10 mL，浸没样品。将试管置于30 ℃震荡30～40 min，用电导仪（DDS-11A）测定去离子水的电导率S0，后将各试管充分摇匀，测出溶液电导率S1，再将各试管封口，置于沸水浴中30 min，以杀死植物组织，取出试管后，用自来水冷却至室温，并在室温条件下平衡10 min，摇匀，测定终电导率S2;计算方法为：相对电导率/%=（S1-S0）/（S2-S0）×100。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0对数据进行单因素方差分析，运用Duncan新复极差法对显著性差异进行多重比较，表中数据均为平均值±标准误（n=3），采用Microsoft Excel 2010软件作图分析。

2 结果与分析

2.1 低温对番茄幼苗生长的影响

由表2可以看出，T1、T3、T7和T8是强耐冷型，T2、T4、T9、T12、T13、T14、T15、T16、T17和T18是弱耐冷型，T5、T6、T10和T11是冷敏感型。选择T1和T3作为强耐冷型品种，T13作为弱耐冷型品种，T10和T11作为冷敏感型品种，开展后续试验。

由表2可以看出，T1和T3品种的株高、茎粗、地上鲜质量、地上干质量均显著高于T13;T13品种的株高、茎粗、地上鲜质量、地上干质量均显著高于T10;T13品种的株高、地上鲜质量、地上干质量均显著高于T11，而茎粗高于T11，但两者差异不显著。

2.2 低温对番茄幼苗叶片光合特性的影响

由图1可以看出，T1和T3番茄幼苗叶片的Pn均显著高于其他品种，T3叶片的Cond和Tr均显著高于T10、T11、T13。不同品种番茄叶片的胞间CO2浓度（Ci）没有显著差异。不同品种番茄叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）由低到高均表现为T11

2.3 低温对番茄幼苗叶片相对电导率的影响

由图2可知，不同品种番茄幼苗叶片的相对电导率由低到高表现为：T1

2.4 低温对番茄幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响

由图3可以看出，5个品种番茄幼苗叶片最初荧光强度相差无几，5个品种番茄幼苗叶片的荧光强度均在1000 μs左右有一个跃升，且5个品种的叶片达到最大荧光所需时长基本一致，均在600 000 μs左右，T3的荧光强度上升速率最大，最大荧光强度在40 000左右，大于其他4个品种。

由图4可以看出，5个品种番茄幼苗叶片的初始荧光和最大光化学效率均无显著性差异，T3的初始荧光高于其他品种。5个品种番茄幼苗叶片最大荧光由低到高表现为T11

由图5可以看出，5个品种番茄幼苗叶片qP（光化学猝灭系数）由低到高表现为T10

由表3可知，以单位有活性的反应中心（RC）为基础，各品种中以T1的TRo/RC（被单位反应中心捕获的光量）、ETo/RC（单位反应中心用于电子传递的光量）为最高;T1的φRo（用于还原PSⅠ受体侧末端电子受体的量子产额）最大，而φDo（热耗散的量子比率）最低;T10和T11的DIo/RC（单位反应中心热耗散的能量）最高。

3 讨论与结论

低温是限制植物分布和生长的重要环境因素。生物膜是植物直接面对外界环境的屏障，当植物受到外界逆境胁迫时，首先受到伤害的就是生物膜。作为植物受到伤害的原始部位，生物膜能很好地反映植物的抗寒能力，可以作为植物抗寒性的重要指标之一[18]。在本试验中，T1和T3的叶片相对电导率显著低于T10和T11，T13叶片相对电导率低于T10和T11，但与此二者差异不显著。反映出低温胁迫下的质膜损伤程度：冷敏感型品种>弱耐冷型品种>强耐冷型品种。光合系统的多种酶都分布在质膜上，质膜受到损伤，膜上的光合系统也会相应地受到损伤，强耐冷型的光合系统损伤程度最小，抗寒性最强。

研究表明，低温可显著降低植物的光合速率，在温度低于植物生长的最适温度时就会表现出净光合速率降低[17]。有研究表明，光抑制的发生是植物光合机构光破坏、光保护及光修复的综合结果[19]。在本试验中，T1和T3品种幼苗叶片的净光合速率（Pn）显著高于其他品种，表明强耐冷型品种能在低温下保持较高的气孔导度，维持较高的净光合速率，光合作用受到抑制程度较低，表现出一定的抗寒性。

在本试验中，T1叶片的Fv/Fm高于其他品种，抗冷性较强的品种Fv/Fm下降幅度较小，而抗寒性较弱的品种Fv/Fm下降幅度较大，与李平等[20]的研究结果相似，表现出强耐冷型品种的Fv/Fm要高于弱耐冷型品种和冷敏感型品种，可能是由于抗寒性较弱品种的类囊体膜损伤程度较重，导致叶绿体光合作用的Fv/Fm降低幅度较大。

在本试验中，T1和T3番茄幼苗叶片的qP显著高于T10和T13，T13叶片的qP高于T10，但差异不显著，光化学猝灭系数表现为：强耐冷型品种>弱耐冷型品种、冷敏感型品种。qP反映了PSⅡ的电子传递活性，强耐冷型品种的PSⅡ的电子传递活性高，QA重新氧化能力、光合碳同化能力强，幼苗的抗寒性较强，该结果与周艳虹等[21]的研究结果相似。NPQ为非光化学猝灭系数，反映了植物耗散过剩光能为热能的能力，T1的NPQ显著高于T10，说明耐冷型品种在低温下能更好地将过剩光能转化为热能，更好地抵御低温。

有研究表明，在低温胁迫下，由于气孔因素的限制，番茄叶片的光合速率下降，光化学反应所需光能减少，光化学效率下降，用于热耗散的光能和过剩光能增多[22]。在低温胁迫下，T1的TRo/RC（被单位反应中心捕获的光量）、ETo/RC（单位反应中心用于电子传递的光量）最高，T10和T11的DIo/RC（单位反应中心热耗散能量）最高，表明强耐冷型品种的番茄幼苗叶片捕获光量子、电子传递以及光能分配的能力要强于弱耐冷型品种和冷敏感型品种，冷敏感型品种的番茄幼苗叶片用于热耗散的能量份额最多。

综上所述，不同抗寒性品种的番茄幼苗的一系列净光合速率和叶绿素荧光差异最终反映在强耐冷型品种的株高、茎粗、地上鲜质量、地上干质量等生长指标均高于弱耐冷型品种，弱耐冷型品种生长指标好于冷敏感型品种。然而，番茄的抗寒生理机制较为复杂，仍需要进一步的研究。

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