低温和亚低温对番茄幼苗生长及生理特性的影响

郭树勋，杨 然，胡晓辉，李小婧，张 毅

（1.山西农业大学园艺学院，山西太谷 030801；2.西北农林科技大学园艺学院，陕西杨凌 712100）

近年来全球极端天气频发，番茄（Solanum lycopersicum L.）等喜温作物在生长期常遭遇阴雨、寒潮、倒春寒等低温气象灾害。持续性低温导致作物生物膜稳定性下降、胞内组分含量变化，进而影响植物正常生理生化代谢，损伤植物形态结构，降低作物产量与质量，严重时可引起植株死亡[1]。低温胁迫可危害植物整个生长周期，在播种期表现为烂种、出苗率低，在幼苗期导致叶长缩短、叶片数减少，在生殖期则会推迟植物抽穗、导致花粉不育。岳俊芹等[2]研究发现，低温胁迫能够降低小麦的千粒质量及单株产量。王新欣等[3]研究发现，大豆花期遭遇低温胁迫会降低荚数及粒质量。不仅露地作物需要防范低温，部分棚室或节能型日光温室由于结构较为简单也经常产生低温和亚低温环境[4]。杨再强等[5]研究发现，低温弱光条件会降低设施内番茄幼苗地下部干物质积累能力。张溪荷等[6]研究发现，低温胁迫能够降低设施作物茄子、番茄、甜椒及黄瓜的光合能力。因此，研究低温和亚低温对植物的影响具有重要的实际意义。

番茄是全球主要种植的果菜之一，我国栽培总面积约106.7 万hm2，每年产值可达1 600 亿元，在我国农业生产中占据主要地位。番茄幼苗期对环境温度变化非常敏感，当外界温度低于10 ℃时生长速度减缓，低于5 ℃则生长停滞，因此，低温冷害是影响番茄生长的主要自然灾害之一[7]。研究表明，低温等非生物胁迫条件会诱导植物发生一系列生理生化变化。古丽江等[8]研究发现，低温胁迫会提高红加仑的可溶性蛋白含量。张腾国等[9]研究发现，低温胁迫和盐胁迫均能提高油菜的活性氧积累量。项洪涛等[10]研究发现，随低温胁迫程度的加深，水稻抗氧化酶活性呈现出先上升后下降的变化趋势。因此，低温胁迫下植物抗氧化酶系统的变化对保持生物膜系统稳定高效及维持活性氧动态平衡具有重要意义。

综上所述，低温是危害番茄生产的主要自然灾害之一，研究低温和亚低温环境对番茄幼苗生理特性的影响可为抵御低温逆境提供一定的理论依据。因此，本试验利用人工气候箱模拟低温和亚低温条件，通过测定番茄幼苗生物量、活性氧含量、抗氧化酶活性及可溶性蛋白含量的变化，分析低温胁迫对番茄幼苗生长及抗氧化酶系统的影响，旨在探明低温和亚低温条件对番茄幼苗生理特性的影响，为农业生产者科学减灾、防灾提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试番茄品种为我国广泛栽培的中杂9 号，种子购自中国农业科学院蔬菜花卉研究所。

1.2 试验方法

试验于2020 年4 月在山西农业大学实验大楼内进行。选取籽粒饱满、大小一致的番茄种子，经55 ℃温汤浸种15 min，置于28 ℃恒温培养箱催芽，48 h 后将露白1 mm 的种子播种于72 孔穴盘中。栽培基质购于沃德农业科技公司。当幼苗长至三叶一心时，选取长势一致的幼苗定植于12 cm×13 cm的营养钵中，缓苗3 d 后置于人工气候培养箱内进行处理。试验共设3 个处理，人工气候培养箱参数设置分别为常温（24 ℃/18 ℃，CK）、亚低温（18 ℃/12 ℃，YDW）、低温（12 ℃/6 ℃，DW）；其他参数设定保持一致，昼夜周期12/12 h，相对湿度60%，光照强度30 000 lx。单株2 d 浇灌一次50 mL 1 倍日本山崎番茄配方营养液，每处理重复25 株，处理14 d 取样。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生长指标测定 番茄幼苗从子叶处分为地上部、地下部两部分并测定鲜干质量，计算根冠比。

1.3.2 生理指标测定 14 d 取样分别测定叶中和根中的超氧阴离子、过氧化氢和丙二醛含量及抗氧化酶活性。丙二醛采用2- 硫代巴比妥酸法测定[11]；超氧阴离子采用羟胺定量法测定[12]；过氧化氢含量测定参照文献[13]。酶液提取参照GONG 等[14]的方法。超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑法测定[15]，过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚显色法测定[16]，过氧化氢酶（CAT）活性采用碘量法测定[17]。可溶性蛋白含量使用考马斯亮蓝G-250 测定[18]。

1.4 数据处理

使用Excel 2019 软件统计数据，使用SPSS 22.0对数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 低温和亚低温对番茄幼苗生长的影响

从表1 可以看出，番茄幼苗生长量随处理温度的降低而显著降低，与CK 相比，DW 处理的地上部鲜质量降低80%，地下部鲜质量降低86.2%。干质量的变化趋势同鲜质量一致，随温度降低而显著降低，与CK 相比，DW 处理的地上部干质量降低81.7%，地下部干质量降低84%。其中，地下部鲜质量降低幅度显著高于地上部，且DW 处理的根冠比与对照相比显著下降，说明番茄幼苗根系对温度变化非常敏感。由于两者干质量变化幅度相近，这种差异可能是由于温度降低引起植株持水能力减弱所致。

表1 低温和亚低温对番茄幼苗生长的影响

2.2 低温和亚低温对番茄幼苗超氧阴离子、 过氧化氢和丙二醛含量的影响

从图1 可以看出，番茄幼苗的超氧阴离子含量均随处理温度降低而提高，与CK 相比，YDW 和DW处理下叶片的超氧阴离子含量分别提高99.38%和1.9 倍；根系分别提高77.53%和84.04%。番茄幼苗过氧化氢含量均随处理温度降低而显著提高，与CK 相比，YDW 和DW 处理下叶片过氧化氢含量分别提高2.5 倍和6.6 倍；根系分别提高2.4 倍和3.8 倍。较高的活性氧含量表明番茄幼苗处理14 d时膜质过氧化水平较高。番茄幼苗叶片的丙二醛含量随处理温度降低而显著提高，与CK 处理相比，DW 处理下提高2.4 倍；根系与叶片的变化趋势一致，随温度降低而显著提高，与CK 相比，YDW 和DW 处理下分别提高72.5%和1.6 倍。其中，DW 处理下叶片丙二醛含量显著高于其他处理，说明低温（12 ℃/6 ℃）胁迫对番茄叶片造成的氧化损伤更严重。

2.3 低温和亚低温对番茄幼苗抗氧化酶活性的影响

由表2 可知，在叶片中，SOD 活性呈现出随处理温度下降而显著降低的变化趋势。POD 活性呈现出随处理温度下降而显著提高的变化趋势，与CK 相比，YDW 和DW 处理下叶片的POD 活性分别提高95.51%和1.2 倍。CAT 活性的变化趋势同SOD 活性一致，随处理温度下降而显著降低，与CK 相比，DW处理下CAT 活性降低71.06%。在根系中，SOD 活性呈现出随处理温度下降而显著提高的变化趋势，与CK 相比，DW 处理下SOD 活性提高1.2 倍；根系POD 活性变化趋势同叶片一致，随处理温度下降而显著提高，与CK 相比，DW 处理下POD 活性提高3.5 倍；CAT 活性的变化趋势同SOD 活性一致，随处理温度下降而显著提高，与CK 相比，DW 处理下CAT 活性提高1.7 倍。可知低温（12 ℃/6 ℃）比亚低温（18 ℃/12 ℃）对抗氧化酶活性的影响更为显著。

表2 低温和亚低温对番茄幼苗抗氧化酶活性的影响

2.4 低温和亚低温对番茄幼苗可溶性蛋白的影响

由图2 可知，番茄幼苗叶片的可溶性蛋白含量随处理温度降低而显著升高，与CK 相比，DW 处理下叶片可溶性蛋白含量提高31.39%；根系与叶片的变化趋势一致，随处理温度降低而显著升高，与CK 相比，YDW 和DW 处理的可溶性蛋白含量分别提高93.48%和1.3 倍。说明番茄经14 d 低温胁迫后，番茄植株叶片和根系的细胞内可溶性蛋白大量积累。

3 结论与讨论

温度是影响植物生长发育的重要环境因子之一，低温环境下植物生长受到严重抑制，光合能力大幅下降，且幼苗期对温度变化更为敏感[19]。本试验中，番茄幼苗的鲜质量和干质量均随处理温度降低而显著降低。番茄幼苗在DW 处理下根冠比显著低于其他处理，说明低温（12 ℃/6 ℃）对番茄幼苗地下部干物质积累的抑制作用强于地上部。在没有叶绿体的根系中，生命活动所需能量ATP 全部由线粒体呼吸电子传递和氧化磷酸化提供，而在低温胁迫下，电子传递链被破坏，呼吸作用提供的能量减少，进而降低对养分、水分的吸收能力，导致根系生长能力减弱[20]。因此，根系呼吸效率降低引起干物质积累量的降低。本试验表明，亚低温、低温条件严重抑制番茄幼苗生长及干物质积累，且温度越低生长抑制效果越强。

植物活性氧来源于正常生命代谢过程，如光合作用、呼吸作用、电子传递和小分子物质自氧化等，在植物体内处于动态平衡状态。韩敏等[21]研究表明，低温胁迫下番茄幼苗过氧化氢及超氧阴离子含量产生速率显著提高。本研究表明，H2O2含量和O2-含量均随处理温度降低而显著提高，说明低温胁迫诱导活性氧代谢加强，进而提高膜质过氧化程度。有研究表明，适量H2O2可作为信号分子，参与响应低温胁迫途径，进而启动相关基因表达，增强植物抵御逆境的能力，但过量H2O2会造成氧化损伤，加速植物细胞衰老和死亡[22]。叶片活性氧产生的主要部位是叶绿体，而根系活性氧产生的主要来源是线粒体呼吸电子传递链[20]。因此，叶片中活性氧总量要高于根系，即叶片遭受的过氧化胁迫要高于根系。丙二醛往往由于遭受极端环境条件产生膜质过氧化作用而大量积累。马英等[23]研究发现，低温胁迫下植株丙二醛含量越高，生物膜损伤越大。本研究表明，番茄幼苗经亚低温、低温处理后丙二醛含量急剧上升，在DW 处理下表现更为明显，增幅高达2.4 倍，说明亚低温、低温条件下番茄幼苗体内活性氧过量积累，打破活性氧动态平衡，膜质过氧化程度显著提高，生物膜系统遭到破坏。

植物会启动一系列生理响应来应对活性氧过量积累所形成的过氧化胁迫，多篇报道表明，SOD、POD、CAT 等抗氧化酶在植物抵御低温氧化损伤方面起着重要作用[6，9-10]。李春燕等[24]研究表明，随低温胁迫持续时间的延长，小麦SOD、POD 和CAT 活性均呈现先上升后下降的变化趋势。本试验表明，番茄幼苗叶片在YDW、DW 处理下SOD、CAT 活性依次降低，而POD 活性逐步提高，说明亚低温和低温抑制番茄叶片中SOD、CAT 活性，激发POD 活性。番茄幼苗叶片SOD 和CAT 活性的降低可能是由于处理时间过长或处理温度过低导致生理代谢场所受损严重[25]，这与YDW 和DW 处理下叶片活性氧含量显著提高的表现一致。根系抗氧化酶活性变化趋势与叶片不同，SOD、POD 和CAT 活性均随处理温度的降低而显著提高，说明低温胁迫诱导根系抗氧化酶活性提高。低温和亚低温条件诱导SOD 活性提高，加快歧化速度，导致H2O2大量积累；又由于POD 和CAT 活性仍处于较低活性水平，则H2O2清除能力不足，剩余的H2O2与超氧阴离子反应会生成毒性更强的OH-，加剧根系过氧化胁迫[22]。番茄幼苗POD 活性的提高可能是由于POD 的双重作用，POD 除了能够清除SOD 歧化生成的H2O2，还能介导H2O2转化为羟基自由基，因此，POD 活性提高也会加剧根系的过氧化胁迫程度，导致植物细胞进一步损伤[26]。这与DW 处理下叶片和根系活性氧含量的表现一致。本试验结果表明，持续时间较长的低温或亚低温环境会降低番茄酶促活性氧清除系统的效率，进而加剧过氧化胁迫，导致生理代谢能力降低。

可溶性蛋白因其吸水性强，能够降低细胞液冰点，减少原生质失水的能力，是植物重要的渗透调节物质之一。有报道表明，可溶性蛋白是一种低温诱导蛋白，其含量会在亚低温、低温条件下逐步提高[27]。因此，可溶性蛋白在植物抵御低温胁迫中发挥着重要作用。本试验中，植株内可溶性蛋白含量在YDW、DW 处理下显著提高，说明番茄幼苗遭受低温胁迫后迅速积累可溶性蛋白以调节膜内外渗透压平衡，增强持水能力，以保持生物膜结构的整体性和稳定性[28]。

综上所述，低温和亚低温条件下活性氧大量积累，膜质过氧化程度加剧，膜透性增强，严重制约了番茄幼苗的生长。