茄子耐低温研究新进展

张馨宇杜雪晶张志博张伟春

(辽宁省农业科学院蔬菜研究所,辽宁 沈阳 110161)

茄子(SolanummelongenaL.)是一种重要的蔬菜作物,据FAO数据显示,我国是世界上茄子栽培面积最大的国家,2019年播种面积为78.30 万 hm2,总产量3 559万t,占世界总栽培面积的42.37%。近年来,随着市场周年化需求量逐年增加,特别是对冬、春季茄子上市要求逐年提高,促使我国北方地区茄子设施栽培面积不断增加。茄子属喜温作物,低温逆境成为北方日光温室栽培中最大的限制因素,产业的需求对茄子在冬、春季设施栽培中品种的耐低温性、设施条件和栽培技术提出了更高要求。因此,国内外科研人员为研究低温对茄子生长发育的影响、选育耐低温品种付出了巨大努力,也取得了丰硕的研究成果。

1 低温对茄子生长发育的影响

茄子与辣椒相似,在北方设施栽培中耐低温能力较番茄和黄瓜要差[1]。低温会导致茄子植株内渗透调节物质、抗氧化酶、光合作用、内源激素等产生明显变化,从而引起生长减缓或停止,进而形态发生变化。低温胁迫的加重可造成茄子株高、茎粗的增长量也随之降低[2]。低温使茄子发生膜脂过氧化作用并对茄子叶片光合机构的结构和活性造成伤害,并且随着低温时间延长,茄子叶片中游离脯氨酸(Pro) 含量、丙二醛(MDA) 含量和电解质渗透率有不同程度的升高,变化幅度逐步增大[3]。低温胁迫加速了茄子幼苗叶片中叶绿素的降解,使叶绿素含量明显降低,造成光补偿点、光合速率和表观量子效率(AQY)的降低[4,5]。随着光合速率的降低,气孔导度(Gs)、细胞间CO2浓度(Ci)也随光合速率(Pn)呈类似的下降趋势,说明低温条件下茄子光合作用受限制的原因是气孔限制[6]。低温破坏了细胞膜的完整性,表现为MDA含量和活性氧(ROS)水平显著提高。为抵御低温胁迫,茄子幼苗叶片中Pro、可溶性糖、可溶性蛋白含量均随之增加,并通过提高过氧化物酶(POD)、超氧化歧化酶(SOD) 和过氧化氢酶(CAT)的活性,增强植株对冷害的抗性[4,5,7,8,9,10]。低温胁迫下,茄子幼苗脱落酸(ABA)、吲哚-3-乙酸(IAA)、赤霉素(GA3) 含量显著上升,玉米素(ZT)含量则显著下降[11]。

茄子苗期低温胁迫会降低根系活力,使总吸收面积、活跃吸收面积和比表面积降低,提高根系内可溶性糖含量[12]。低温同样会对嫁接茄子根系产生影响,使 MDA含量、冷害指数、POD 活性、Pro含量、可溶性蛋白含量等迅速增加, 而根系呼吸速率、SOD、CAT 活性等迅速降低。但采用耐低温性较强的砧木品种嫁接苗恢复能力更强,而耐低温性较弱的砧木品种嫁接苗与自根苗恢复能力均较差[13]。

茄子苗期低温会对根系吸收矿质元素的能力也产生影响,经过低温处理的幼苗,正常栽培后果实中矿质元素含量降低,但抗氧化活性升高,也就是说低温诱导使植株产生了胁迫记忆[14]。

2 提高茄子耐低温能力的研究

研究发现选用耐低温能力强的品种、嫁接、应用植物生长调节剂、亚低温驯化等方法都可以有效提高茄子的耐低温能力。不同品种对低温条件下的表现并不相同,往往栽培中被认为耐低温性强的品种,可以保持旺盛的生长,具有较高的株高和茎粗,并且POD活性和SOD活性更高一些,渗透调节物质如Pro、可溶性糖、可溶性蛋白等增幅更大[5,15,16]。绿萼紫茄在耐低温性上较紫长茄、紫圆茄、绿茄、紫线茄表现更强[17]。耐低温品种的光合速率、根系活力受低温影响更小,降低的幅度也更小,并且根系的调节能力更强[5,6,12]。一些耐低温野生种表现更加突出,其抗氧化酶类活性更高,渗透调节能力也更强[4]。

研究发现,采用耐低温的砧木材料嫁接可以有效降低低温对茄子根系的损伤程度,耐低温的砧木根系抗氧化和渗透调节能力更强,并且解除低温胁迫后的恢复能力更好[13]。低温胁迫可以降低茄子叶片的光合能力,但耐低温砧木嫁接可以明显减少光合参数的降低,并且恢复正常温度后,植株的光合参数恢复也更加迅速[7]。

茄子幼苗外源喷施10 mg/L ABA和1 000 mg/L氯化钙能够使茄子的冷害指数显著下降,并且明显降低茄子幼苗的相对电导率和MDA含量,提高叶绿素含量和光合速率,提高保护酶和叶绿体膜ATP酶含量,对冷害具有缓解作用[18]。随着茄子幼苗施用外源褪黑素(Melatonin)的浓度逐步升高至200 μmol/L,叶片Pn、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和光能利用效率(LUE)首先提高, Ci保持相对稳定,水分利用效率(WUE)表现降低趋势。表明褪黑素显著提高茄子幼苗在低温下的光合能力[19]。茄子幼苗外源喷施10 μmol/L 6-苄氨基嘌呤(6-BA)可促进低温胁迫下茄子植株生长,抑制叶绿素含量降低,缓解低温造成的活性氧升高和膜质过氧化作用,提高SOD、POD、CAT、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)活性,通过AsA-GSH循环积累抗坏血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH),提高Pro和可溶性蛋白浓度,从而提高茄子耐低温性[20]。同样,外源施用0.1 μmol/L表油菜素内酯(24-Epibrassinolide)也可以显著提高低温胁迫下茄子幼苗的光合能力,降低活性氧伤害和脂质过氧化作用,提高过氧化物酶活性[21,22]。应用0.1 mmol/L水杨酸(SA)+3%硝酸钾溶液浸泡茄子种子可以显著提高低温下种子萌发和出苗,并且种子4 ℃储存30 d后,这种促进效应仍然存在[23]。

茄子幼苗经过2～4 d 亚低温处理后其渗透调节物质与活性氧清除物质都向着有利于提高其抗性的方向变化,有利于提高耐低温性,起到一种冷驯化作用。亚低温甚至可以使某些耐低温品系基因表达发生改变而诱发合成特异性蛋白质[16,24,25]。

应用秸秆反应堆技术不仅可以提高设施内气温、地温和CO2浓度,还可以显著增强茄子叶片抗氧化酶活性,提高渗透调节物质含量,减少膜脂过氧化,提高根系活力,可以很好的提高茄子耐低温能力[26]。

3 茄子耐低温性鉴定与遗传研究

茄子种质资源耐低温性鉴定评价与遗传规律的研究对选育耐低温品种至关紧要。大量研究表明耐低温材料可以通过调节自身的保护系统减轻低温胁迫的伤害,低温胁迫提高了茄子的 MDA 含 量、O-·产生速率和 HO含量,增加了抗氧化酶 SOD、POD、CAT、APX、DHAR 和GR的活性、抗氧化剂 AsA和 GSH 的含量,以及Pro和可溶性蛋白质的含量,说明低温胁迫不仅会提高细胞活性氧水平,也可诱发植物防御体系的建立,从而避免或减轻活性氧对植株的伤害[2,8,9]。耐低温性与茎粗、地上鲜重、可溶性糖、电导率、叶绿素降低值、MDA含量、产生速率、POD 活性、SOD活性、CAT活性密切相关[2,15,27],与ABA、IAA 的质量分数达显著水平[10],与株高下降值、Pro和可溶性蛋白含量增加值关系较小[2]。因此,抗氧化酶活性、抗氧化剂含量和渗透调节物质含量及光合速率、叶绿素荧光、内源ABA、IAA含量等参数被应用在茄子耐低温材料的筛选上。如陈磊等筛选出早熟材料142和单性结实材料D-6-1对低温弱光的耐受性较强[9],陈建林发现野生种Eg193的低温受损程度较夏秋季露地品种Eg12小[4],阎世江在10份茄子高代自交系中选出2份材料耐低温性较强[15],程志芳利用叶绿素荧光参数在14个圆茄品种中选出3个对低温耐性较强的品种[28],任国三认为‘济农世纪星’长茄较其他两个品种对低温的耐受性更强[5]。高青海认为赤茄砧木嫁接苗较台茄砧木嫁接苗和自根苗耐低温性更强[13]。包崇来在100份茄子种质资源中筛选出了耐低温基因型材料E659和低温敏感基因型材料E646[29]。

由于育种实践中往往需要同时筛选的耐低温资源材料较多,特别是分离系选后代多为单株,无法进行大量酶活性、激素含量、渗透调节物质等测定。为方便评价筛选,程志芳认为叶绿素荧光参数,即实际光能转化效率、光下最大荧光、光下最大可变荧光、开放PSII有效光能转化效率、光化学猝灭系数和非光化学猝灭系数,可以用来鉴定茄子品种的耐低温能力[28]。查丁石提出利用茄子种子在 17.5 ℃时144 h的发芽率、0～1 ℃时幼苗冷害指数、10 ℃/20 ℃细胞质膜相对透性、遮光处理30 d后幼苗干重、茎粗、叶绿素相对含量及光照强度为250 μmol/m2·s和500 μmol/m2·s时净光合速率可作为茄子耐低温、耐弱光性能的鉴定指标[30]。但从目前研究结果来看,茄子耐低温性很难用任何单一的指标来真正反映其耐低温实际状况,应采取综合指标进行鉴定[31]。阎世江认为只考虑形态学性状,如株高、茎粗等,或生理指标,如POD 活性等,均较片面。运用逐步回归分析的方法,在测定的大量性状中选择对茄子耐低温性贡献较大的因子,剔除影响较小的因子,建立回归方程。这样建立的鉴定体系充分考虑苗期形态及生理指标的表现,既考虑宏观表现,又考虑内在生理生化特性发生的变化,更为全面可靠[15]。

在耐低温性遗传分析中,阎世江利用耐低温性不同的6份茄子材料及其双列杂交组合进行耐低温性、株高、株幅、结果数、产量、单果重等性状的遗传规律及相互间关系分析,认为耐低温性、结果数、产量和单果重的遗传符合加性—显性模型,广义遗传力分别为 84.030%、68.110%、94.711% 和58.921%,狭义遗传力分别为75.821%、60.801%、6.191%和49.632%。相关分析表明,结果数与耐低温性相关性较其他性状更强,可应用于耐低温品种选育中[32]。该结果也与生产实际中低温期坐果率下降相符合。

4 茄子耐低温相关基因挖掘与分子标记开发

茄科作物中耐低温相关基因研究最多的是番茄和烟草,而茄子耐低温相关基因研究较少。茄子耐低温相关基因主要集中于拟南芥中已明确耐低温作用的相关基因分析和基于高通量测序技术对野生茄子耐低温基因的挖掘。蔡霞成功将拟南芥冷调控转录因子atCBF3基因导入茄子基因组,测定转基因植株抗寒性相关的生理生化指标发现,atCBF3基因对维持质膜稳定和细胞渗透压作用明显,认为atCBF3基因的过量表达是转基因茄子抗寒性提高的直接因素[33]。Lu Zhou 研究发现SmICE1a基因是茄子抗寒基因家族SmCBFs的转录因子,可正向调控SmCBFs表达,将茄子SmICE1a基因转入拟南芥,并使其在低温条件下过量表达发现,拟南芥atCBFs和它的靶基因AtCOR15A、AtCOR47、AtKIN1 和AtRD29A被上调,生化指标显示转SmICE1a基因拟南芥耐寒性高于对照野生品种[34]。Xu Yang利用高通量测序技术研究了低温下野生刺茄miRNA及其靶基因,得到并验证了9个显著差异表达的miRNA和12个靶向的mRNA[35]。

茄子分子标记开发工作已取得许多成效。Barchi等基于简化基因组测序(RAD tag sequencing)数据305E40和67/3两份茄子自交系中检测到了约10 000 个SNPs、1 000个 InDels和2 000个SSR 位点[36]。随后,Barchi和Portis利用388个SNP标记、43个SSR标记、3个CAPS 标记、11 个RFLP标记和 27 个COSⅡ标记,以 305E40和67/3及其F2 为材料,构建了茄子遗传图谱,并对花青素和产量等农艺性状进行QTL定位分析[37,38]。吉康娜利用2份在果实与抗性上存在显著差异的茄子的全基因重测序数据,鉴定出151 327个InDel位点,在随机选取的180个InDel 标记中有62个标记具有多态性,多态率为34.7%[39]。虽然茄子的多态性标记开发较多,但能够鉴定茄子耐低温性的功能性分子标记还没有得到有效开发和应用。

5 总结与展望

已有茄子低温胁迫相关研究表明,低温胁迫会产生超氧自由基和过氧化物破坏细胞膜结构和光合机构的结构及活性,进而激发抗氧化酶活性,诱发建立茄子自身防御体系,产生渗透调节物质,调节内源激素,以减轻和缓解低温胁迫造成的伤害。很显然不同茄子种质资源材料的耐低温能力是不同的,人们通过破坏程度、修复能力、调节能力和恢复能力4个方面来综合筛选和评价材料的耐低温能力,分析了茄子耐低温性的遗传规律及与其它性状的相关性,挖掘了一些耐低温相关基因,也探索了一些栽培措施来提高茄子的耐低温性。总体目的是要从育种和栽培两方面克服低温环境,延长种植期,提高茄子总体生产效益。但就目前的研究现状来看,茄子耐低温性的分子机理尚不清楚,有效的耐低温分子标记尚待开发,评价方法不够准确高效,研究水平较番茄、烟草等茄科作物仍有较大差距。现有研究多集中在茄子苗期进行,随着北方设施茄子周年一大茬栽培方式的不断普及,低温胁迫更多出现在冬、春季结果期,而这一时期研究对实验条件要求过高,相应报道极少,但却是更值得研究的时期。耐低温茄子品种的选育亟待鉴定评价技术在准确性和效率上取得突破,同时也十分依赖茄子野生资源优良耐低温基因的开发利用。总的来说,未来随着分子生物技术的迅猛发展,茄子耐低温性研究必将进入更深层次,机理也会日渐清晰,功能性分子标记的开发将大大推进茄子耐低温新品种的育种进程。