高温胁迫对番茄苗期光合色素的影响

段金虎，姜悦畅，韩 菲，毛秀杰，潘玉霞

（河北科技师范学院园艺科技学院，河北秦皇岛 066600）

番茄（Solanum lycopersicumL.），原产南美洲，适应性强，产量高，营养丰富，用途广泛（生食、菜用和加工），是世界性蔬菜种类之一[1]。番茄喜温，最适温度为25～30 ℃，超过35 ℃，番茄生长会受到高温胁迫[2]。随着全球气候变化，特别是温室效应加剧引起的全球气温持续上升，高温胁迫逐渐成为限制番茄生长和发育的主要因素之一[3]。

植物叶片是植株光合作用等生理活动的主要功能器官，植物的光合作用受多种环境因素的影响，其中温度是影响植物光合作用的主要因素之一。高温胁迫不仅会伤害细胞膜，改变膜透性，使植物的电导渗透率增加[4]，也会引起叶片相关功能的变化，进而影响植物的光合作用[5]。光合作用机制涉及不同的反应过程，包括光合色素和光反应系统。植物光合色素包括叶绿素a、叶绿素b 及类胡萝卜素，其功能是捕获光能[6]。一些研究指出，高温胁迫会使植物的叶绿素合成受阻[7]，光合色素含量不仅直接影响植物光能利用能力，还影响光能利用率，最终影响植物的光合效率。光合作用是植物物质转换和能量代谢的关键生理活动，是植物生命的基础[8]，为植物提供所需的能量。在作物生产过程中，提高作物的光合效率，有利于植物生长效率的提高，进而提高作物产量，因此，探究高温胁迫对番茄光合色素含量的影响，对明确番茄耐热机制，推进番茄生长环境调控、耐热品种选育等均具有重要意义。本文研究了高温胁迫对番茄品种耐热性、热敏品系的光合色素含量的影响，以及为高温胁迫下植物的光合机理研究及番茄耐热性育种提供了理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

经过多代自交获得的番茄品系‘CH’‘ZHY’（耐热品系），‘DH’‘S’（热敏品系），材料由河北科技师范学院番茄课题组提供。

1.2 仪器与设备

人工智能培养箱，RXZ 型（多段编程），宁波江南仪器厂制造；电导渗透率测定仪器，DZS-708-A 型，北京华仪通泰环保科技有限公司；分光光度计，723N 型，上海宏达恒业科技有限公司；振荡器HY-4A 型，常州市金坛友联研究所。

1.3 试验方法

本试验于2022 年11 月在河北科技师范学院园艺中心实验室进行。待番茄生长至5 叶1 心时，各品系番茄随机选取9 株，放入人工智能培养箱中进行38 ℃的高温处理，测定胁迫处理0、1、3、6、9 h 时各番茄品系的电导率，计算1、3、6、9 h 时电导率与0 h 时电导率的变化率，并分析高温胁迫对番茄光合色素含量的影响。

1.4 指标测定及方法

1.4.1 番茄电导渗透率

选取番茄叶片，用直径1.0 cm 的打孔器（切口要洁净）打取定量小圆叶片（避开大叶脉），将小圆叶片用去离子水充分冲洗后，再用滤纸吸干外附水分备用。

准确称取0.75 g 材料，放入对应编号的三角瓶中，加入10 mL 去离子水浸泡，在振荡器上浸泡1.5 h 测定不同处理的番茄电导渗透率。各处理浸泡时间和测定温度（室温）一致。

1.4.2 番茄叶片的叶绿素a、b 及类胡萝卜素含量

将叶片清洗并吸干水分，准确称量0.2 g，剪碎放入研钵中，加入适量95%乙醇研磨成浆，转移至10 mL 容量瓶中定量，充分摇匀后，3 000 r/min 离心5 min，上清液即为光合色素提取液。取2 mL 提取液加95%乙醇4 mL，稀释摇匀，倒入直径为1 cm 的比色皿中，分别于662、644、440 nm 下测定吸光度值，记录OD 值。

用95%乙醇提取色素，选定叶绿素a（其浓度以ca表示）的吸收峰值为662 nm，叶绿素b（其浓度以cb表示）的吸收峰值为644 nm，类胡萝卜素（其浓度以cc表示）的吸收峰值为440 nm，色素浓度计算公式见式（1）（2）（3），色素含量计算公式见式（4）。

式中，A为色素含量，mg/g；c为色素浓度，mg/L；V为色素溶液体积，mL；m为叶片质量，g。

1.4.3 番茄高温胁迫电导渗透率变化率

番茄高温胁迫电导渗透率变化率计算公式见式（5）。

式中，ΔE为番茄高温前后电导渗透率的变化率，%；EEG番茄高温处理后电导渗透率，μs/cm；ECG为番茄高温处理前电导渗透率，μs/cm。

1.4.4 番茄高温胁迫光合色素变化率番茄高温胁迫光合色素变化率计算公式见式（6）。

式中，ΔP为番茄高温前后光合色素含量的变化率，%；PEG为番茄高温处理后光合色素含量，mg/g；PCG为番茄高温处理前光合色素含量，mg/g。

1.5 数据分析

采用Excel 2010 进行数据的统计，DPS 9.05 统计软件进行t-检验及单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 高温胁迫下番茄叶片的电导渗透率

由图1 可知，经38 ℃高温胁迫处理‘CH’‘DH’‘S’番茄品系的电导渗透率在0～6 h 内随高温胁迫时间的增加呈现上升趋势，第6 h 时，达到峰值后呈现下降趋势；品系‘ZHY’的电导渗透率在0～3 h 内随高温胁迫时间的增加呈现上升趋势，第3 h 时，开始呈现下降趋势，在0～9 h 的高温胁迫过程中，品系‘DH’‘S’整体的变化趋势较‘CH’‘ZHY’上下浮动较大。综合看来，番茄在38℃的高温胁迫下，各品系番茄的电导渗透率随时间的推移均有先升后降的变化趋势，耐热品系较热敏品系电导渗透率变化趋势的上下浮动较小。

图1 番茄电导渗透率变化趋势图Fig.1 Trend chart of tomato conductivity permeability

2.2 高温胁迫下番茄叶片电导渗透率变化率

由表1 知，经38 ℃高温胁迫处理，对0～1 h、0～3 h、0～6 h、0～9 h 的电导渗透率各间隔变化率进行方差分析。0～1 h，品系‘S’电导渗透率的变化率显著大于品系‘CH’；0～3 h，品系‘DH’‘S’电导渗透率的变化率极显著大于品系‘CH’‘ZHY’；0～6 h，品系‘ZHY’电导渗透率开始出现负值，即品系‘ZHY’在第6 h 时电导渗透率下降，品系‘DH’电导渗透率的变化率极显著大于品系‘CH’‘ZHY’，品系‘S’电导率的变化率极显著大于品系‘ZHY’，品系‘S’电导渗透率的变化率显著高于品系‘CH’；0～9 h，品系‘CH’‘ZHY’电导渗透率开始出现负值，即品系‘CH’‘ZHY’在第9 h 时电导渗透率下降，品系‘DH’电导渗透率的变化率极显著大于品系‘CH’‘ZHY’，品系‘S’电导渗透率的变化率极显著大于品系‘ZHY’，品系‘S’电导渗透率的变化率显著高于品系‘CH’。

表1 高温胁迫下番茄叶片电导渗透率变化率Table 1 Change rate of conductivity permeability of tomato leaves under high temperature stress

2.3 高温协迫下番茄叶片叶绿素含量

试验中，38 ℃高温胁迫处理，在第3 h 耐热品系番茄幼苗叶片电导渗透率的变化率极显著大于热敏品系，因此对于光合色素的测定分析以38 ℃高温持续3 h 为处理条件。对番茄品系高温处理前后叶片叶绿素a、b 含量进行比较分析。具体见图2。

图2 高温胁迫下番茄叶片叶绿素含量比较Fig.2 Comparison of chlorophyll content in tomato leaves under high temperature stress

由图2 可知，在38 ℃高温胁迫处理前，番茄品系‘ZHY’叶片叶绿素a、b 的含量均极显著高于‘CH’，品系‘CH’叶片叶绿素b 含量显著高于‘S’，品系‘S’叶片叶绿素a/b 含量极显著高于‘CH’，‘CH’叶片叶绿素a/b 含量极显著高于‘ZHY’，品系‘ZHY’叶片叶绿素a、b 总含量极显著高于‘CH’，‘CH’叶片叶绿素a、b 总含量极显著高于‘S’。

在38 ℃高温胁迫处理后，番茄品系‘ZHY’叶片叶绿素a 含量显著高于‘CH’，品系‘DH’叶片叶绿素b 含量极显著高于‘ZHY’，‘ZHY’叶片叶绿素b 含量极显著高于‘CH’，‘CH’叶片叶绿素b 含量显著高于‘S’，品系‘S’叶片叶绿素a/b 含量极显著高于‘CH’，‘CH’叶片叶绿素a/b 含量极显著高于‘DH’‘ZHY’，番茄品系‘ZHY’叶片叶绿素a、b 总含量极显著高于‘CH’，‘DH’叶片叶绿素a、b 总含量显著高于‘ZHY’。

总之，经38 ℃高温胁迫处理后，各番茄品系叶片叶绿素a、b、叶绿素a、b 总含量均下降，而叶绿素a/b 值升高。

2.4 高温胁迫下番茄叶片类胡萝卜素含量

由图3 可知，38 ℃高温胁迫处理前，各品系之间类胡萝卜素含量差异不显著，‘ZHY’＞‘DH’＞‘S’＞‘CH’；38 ℃高温胁迫处理3 h 后，品系‘ZHY’叶片类胡萝卜素含量极显著高于‘CH’，‘S’叶片类胡萝卜素含量显著高于‘CH’。38 ℃高温胁迫处理前后，各番茄品系类胡萝卜素含量均下降。

图3 高温胁迫下番茄叶片类胡萝卜素含量Fig.3 Carotenoids content of tomato leaf under high temperature stress

2.5 高温胁迫下番茄光合色素含量变化

由表2 知，番茄品系叶片叶绿素a、b 含量、叶绿素a+b 总量、类胡萝卜素含量、叶绿素a/b 高温协迫前后的变化率之间差异不显著，番茄叶片叶绿素a、叶绿素a、b总含量变化量‘ZHY’＜‘CH’＜‘S’＜‘DH’；叶片叶绿素b 含量、叶绿素a/b 变化量‘S’＜‘CH’＜‘ZHY’＜‘DH’；叶片类胡萝卜素含量变化量‘ZHY’＜‘CH’＜‘DH’＜‘S’。综合看来，高温胁迫后，耐热品系番茄的叶绿素a、叶绿素a、b 总量、类胡萝卜素含量的变化率均低于热敏品系。

表2 番茄高温胁迫叶片光合色素含量变化Table 2 Change of photosynthetic pigment content in tomato leaves under high temperature stress

3 结论

近年来，随着全球气候变暖趋势不断加剧，番茄在生长发育过程中遭受高温胁迫影响越来越频繁。高温胁迫是基于胁迫强度和胁迫时间两方面共同作用的结果，其所造成的高温伤害分为长期处于高于适宜温度条件下的高温胁迫和短期处于相对较高温度条件下的高温胁迫两个基本类型[9]。

本试验通过对不同番茄品系进行38 ℃高温胁迫处理，分析比较高温胁迫对番茄幼苗叶片电导渗透率的影响。结果表明，各品系番茄的电导渗透率随处理时长的增加呈现先升后降的趋势，这与金春燕[10]的研究相一致。也有研究表明，黄瓜幼苗经高温胁迫后，其电解渗透率会大幅度升高[11]。高温胁迫后番茄品系电导渗透率提高，是由于高温导致细胞膜结构发生改变，细胞膜的选择透过性降低，细胞内的电解质外流，最终导致电导渗透率的提高。

本试验中，经38 ℃高温胁迫处理，在第3 h 耐热品系番茄幼苗叶片电导渗透率的变化率极显著大于热敏品系，李晓梅[12]研究高温对不结球白菜的影响时发现，高温胁迫下白菜的叶绿素a、b 含量均随温度的升高而下降，本试验中各番茄品系叶片叶绿素a、b 含量也呈现出下降趋势。叶片叶绿素a、b 的总量呈现下降趋势，且热敏品系下降的速度显著快于耐热品系，这与潘宝贵等[13]在高温胁迫对不同辣椒品种苗期光合作用的影响中的结论相一致；类胡萝卜素呈现出下降趋势，与袁昌洪等[14]在番茄高温高湿胁迫后的补偿生长中番茄高温胁迫后番茄高温胁迫后类胡萝卜素均呈现出下降的趋势相符；本试验中各番茄品系高温胁迫后的叶绿素a/b 含量均上升，与苏春杰等[7]的高温胁迫对番茄光合影响及缓解机制相符。本次试验各番茄品系的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a、b 总量、类胡萝卜素含量下降，可能是高温胁迫会抑制植物体内光合作用酶活性、导致植物体内光合色素分解和失活。该试验只是在苗期对不同番茄品系进行高温胁迫处理，对电导渗透率、光合色素进行比较分析，对高温胁迫下不同番茄品系间的产量进行比较，需要进一步试验分析。

面对全球变暖，解决高温胁迫对番茄生长带来的负面影响主要采取以下措施：一是在栽培管理上加强通风、遮阳、喷水降温、控制灌溉量，利用其它设施设备等；二是利用传统的杂交育种培育耐热品种，但这两种措施投入成本高。随着基因分子水平的发展，育种家采用基因克隆、分子辅助育种来提高番茄耐热性育种的效率，因此下一步要不断深入高温胁迫对番茄生理生化、植物应激高温胁迫响应机理的研究。