高溫下番茄生理特性的研究

高溫下番茄生理特性的研究

在夏季和秋季，番茄的種植和加工容易達(dá)到異常的高溫，這會(huì)制約番茄的生長(zhǎng)，影響番茄的正常生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)。所以耐高溫脅迫番茄新品種的選育日益受到育種者的關(guān)注。植物耐熱性鑒定涉及指標(biāo)較多,但很不統(tǒng)一。從現(xiàn)有的一些資料和試驗(yàn)來(lái)看,耐熱性鑒定大多針對(duì)1~2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行,同時(shí)由于不同學(xué)者采用的試材、研究方法和試驗(yàn)條件不同,所獲結(jié)論也有一定的差異,對(duì)耐高溫脅迫材料的鑒定方法還未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),有關(guān)番茄耐高溫脅迫的研究也較少。本試驗(yàn)結(jié)合前人研究的多項(xiàng)指標(biāo),采用隸屬函數(shù)數(shù)值法對(duì)材料的耐熱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),用綜合指標(biāo)反映品種(品系)對(duì)高溫脅迫的耐性。并在此基礎(chǔ)上分析番茄高溫脅迫下各單項(xiàng)指標(biāo)與其品種耐高溫性的相關(guān)性,旨在為番茄耐高溫脅迫育種材料的有效鑒定提供一些理論依據(jù)。1材料和方法1.1高溫脅迫能力番茄試驗(yàn)材料來(lái)自中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院蔬菜系。在多年的選擇、觀察高溫季節(jié)的坐果率、產(chǎn)量、植株長(zhǎng)勢(shì)并結(jié)合膜穩(wěn)定性鑒定的基礎(chǔ)上,選擇耐高溫脅迫能力有明顯差異的6個(gè)鮮食番茄品系,其中128、125品系耐高溫脅迫能力較強(qiáng),122、126品系中等,131、137品系較差。1.2高溫脅迫對(duì)番茄生長(zhǎng)的影響花粉相對(duì)萌發(fā)率:計(jì)算方法為38℃高溫脅迫下花粉萌發(fā)率/適溫25℃下花粉萌發(fā)率,花粉萌發(fā)培養(yǎng)基配方為蔗糖10%、瓊脂0.7%、硼酸10%。坐果率和卷葉指數(shù):于2003年7月14日(自然高溫季節(jié))調(diào)查種植在紗棚(30目)中的各番茄品系的坐果率和卷葉指數(shù)。田間設(shè)3次重復(fù),每小區(qū)10株,每小區(qū)隨機(jī)調(diào)查6株,坐果率取每株第3~4穗花調(diào)查;卷葉情況調(diào)查所有的葉片,分別測(cè)量葉片平展時(shí)的最大寬度和葉卷后自然狀態(tài)下的最大寬度,據(jù)此分級(jí)并計(jì)算卷葉指數(shù)。卷葉程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為:0級(jí):葉片寬/葉卷后寬=1;1級(jí):1<(葉片寬/葉卷后寬≤2;2級(jí):2<葉片寬/葉卷后寬≤3;3級(jí):3<(葉片寬/葉卷后寬≤4;4級(jí):4<(葉片寬/葉卷后寬≤5。卷葉指數(shù)=[∑(各級(jí)卷葉片數(shù)×級(jí)數(shù))]/(最高級(jí)數(shù)×總?cè)~片數(shù))×100%相對(duì)產(chǎn)量:2003年3月3日播種,4月25日定植于紗棚,6月26日~7月28日采收,測(cè)定番茄坐果期相對(duì)處于適宜溫度下的絕對(duì)產(chǎn)量;2003年5月4日播種第二批番茄,6月15日定植,采收期為7月31日~9月2日,所得產(chǎn)量為相對(duì)高溫下的絕對(duì)產(chǎn)量。根據(jù)兩季產(chǎn)量結(jié)果,計(jì)算出高溫下各番茄品系的相對(duì)產(chǎn)量(高溫下絕對(duì)產(chǎn)量/適溫下絕對(duì)產(chǎn)量)。幼苗相對(duì)生長(zhǎng)量:取3~4片真葉的同齡番茄幼苗,分別在25℃/15℃(d/n,下同)、38℃/28℃的光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng),每天光照時(shí)間為12h,光照度均為126μmol·m-2·s-2,每處理每品系30株。處理前各品系選30株幼苗分別測(cè)定處理前的株高、莖粗、鮮重和干重作為初始值;培養(yǎng)10d后分別測(cè)定兩種溫度處理下幼苗的株高、莖粗、鮮重和干重,減去相應(yīng)的初始值,計(jì)算得到各品系在兩處理溫度下的絕對(duì)增長(zhǎng)量,并計(jì)算高溫脅迫下番茄幼苗的相對(duì)增長(zhǎng)量(高溫脅迫下絕對(duì)增長(zhǎng)量/適溫下絕對(duì)增長(zhǎng)量)。熱害指數(shù):參考尹賢貴等的試驗(yàn)方法。取4~5葉苗齡的番茄幼苗24株,3次重復(fù),完全隨機(jī)置光照培養(yǎng)箱中處理,每天16h38℃/8h28℃、12h光照,處理3d、4.5d、6d后分別調(diào)查幼苗熱害指數(shù)。分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為:0級(jí):無(wú)熱害癥狀;1級(jí):1~2片葉尖萎蔫;2級(jí):半數(shù)以上葉尖萎蔫;3級(jí):1~2片葉片萎蔫;4級(jí):半數(shù)以上葉片萎蔫;5級(jí):整株萎蔫,甚至枯死。膜穩(wěn)定性:取部位、葉齡等生理狀況相同的葉片,采用電導(dǎo)法分別測(cè)定其在高溫下細(xì)胞膜傷害率。脯氨酸和可溶性糖:各品系取4~5片真葉的番茄幼苗分別放入25℃/15℃(CK)、35℃/25℃、38℃/28℃的光照培養(yǎng)箱中,光照度均為126μmol·m-2·s-2,光照時(shí)間為12h。每小區(qū)10株,設(shè)3次重復(fù),完全隨機(jī)排列。處理72h后取相同部位的壯齡葉片,分別采用酸性茚三酮顯色法測(cè)定游離脯氨酸,蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量。1.3熱性越強(qiáng)指標(biāo)隸屬值的確定依照模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)的方法,對(duì)各個(gè)指標(biāo)求其隸屬值,并累加后求取平均數(shù),綜合比較品系間的高溫脅迫耐性。平均數(shù)越大,其耐熱性越強(qiáng)。各指標(biāo)的具體隸屬值計(jì)算公式:隸屬值=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)×100%式中:X為某品系的某一指標(biāo)測(cè)定值,Xmax為所有待鑒定品系某一指標(biāo)測(cè)定值的最大值,Xmin為該指標(biāo)中的最小值。若某一指標(biāo)(如熱害指數(shù))與高溫脅迫耐性呈反向關(guān)系,可通過(guò)反隸屬函數(shù)計(jì)算其隸屬函數(shù)值:隸屬值=[1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)]×100%2結(jié)果與分析2.1在高溫下，單項(xiàng)指標(biāo)的變化2.1.1高溫脅迫對(duì)番茄坐果率及相對(duì)產(chǎn)量的影響花粉萌發(fā)力直接影響番茄的坐果能力并最終影響番茄的產(chǎn)量,因此,高溫下的花粉萌發(fā)率在一定程度上可以體現(xiàn)番茄的耐高溫脅迫能力。在高溫下,各品系花粉萌發(fā)率大幅降低,在6個(gè)品系之間有顯著差異,相對(duì)萌發(fā)率差異也極顯著(表1),按花粉相對(duì)萌發(fā)率從高到低依次為137、128、125、131、122、126;高溫脅迫下能保持良好的座果能力是最終取得高產(chǎn)的一個(gè)重要保證,在一定程度上可以體現(xiàn)品系的耐高溫性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示,在自然高溫下番茄的坐果率在6個(gè)品系間存在顯著差異(表1),其中,128顯著高于其余品系,131和137顯著低于122和126,坐果率由高到低順次是128、126、122、125、137、131。番茄高溫下的產(chǎn)量是體現(xiàn)品種耐熱性的直接指標(biāo)。高溫季節(jié)下相對(duì)產(chǎn)量在6品系間存在顯著差異(表1),122、125和126極顯著高于128、131、137等品系,且128、131、137之間差異極顯著。6個(gè)品系的相對(duì)產(chǎn)量由高到低為122、125、126、128、131、137。高溫季節(jié)下6個(gè)品系不同程度都有卷葉現(xiàn)象,品系之間差異極顯著(表1),其中,128卷葉指數(shù)顯著低于其他品系,131卷葉指數(shù)顯著高于其他品系,卷葉由輕到重依次為128、126、122、125、137、131。2.1.2高溫對(duì)不同品系生長(zhǎng)的影響在38℃/28℃高溫脅迫下,番茄幼苗的相對(duì)生長(zhǎng)量明顯降低,6個(gè)品系在高溫下的干重、鮮重、株高及莖粗的相對(duì)增長(zhǎng)量呈現(xiàn)基本一致的趨勢(shì)(圖1),其中相對(duì)生長(zhǎng)量最高的是128,126、125次之,122、131中等,最低的是137。2.1.3不同品系熱害指數(shù)的變化人工模擬高溫脅迫下不同品系間熱害指數(shù)差異達(dá)顯著水平(表2)。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),6個(gè)品系受害程度不斷加重,各品種熱害指數(shù)呈不斷升高的趨勢(shì)。處理3d、4.5d后各品系之間熱害指數(shù)差異均達(dá)顯著水平,且3d、4.5d處理的各品系熱害指數(shù)高低變化趨勢(shì)基本一致;處理6d后,只有131和137明顯高于其他品系,122、125、126、128等4個(gè)品系熱害指數(shù)均在71.88%~77.08%范圍內(nèi)(品系間差異不顯著)。因此,在采用熱害指數(shù)評(píng)價(jià)番茄耐熱性,對(duì)材料進(jìn)行脅迫處理時(shí),以處理3d最為適宜。128熱害指數(shù)最低,125次之,這兩個(gè)品系呈現(xiàn)較強(qiáng)的高溫耐受性,122、126、131對(duì)高溫的耐受性中等,137的熱害指數(shù)最高,其高溫耐受性最低。在用隸屬函數(shù)值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí),亦采用處理3d的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2.1.4熱脅迫對(duì)膜穩(wěn)定性的影響在40℃高溫脅迫處理下,6個(gè)品系的細(xì)胞膜都不同程度地受到傷害。其中122、126、128在高溫脅迫下細(xì)胞膜的穩(wěn)定性最好,細(xì)胞膜的傷害率只有10%~11%,125居中,其細(xì)胞膜傷害率為14.5%,131和137細(xì)胞膜穩(wěn)定性最差,細(xì)胞膜傷害率達(dá)36.5%和28.0%。2.1.5脯氨酸相對(duì)含量由于脯氨酸親水性極強(qiáng),能穩(wěn)定原生質(zhì)膠體及組織內(nèi)的代謝過(guò)程,因而有防止細(xì)胞脫水的作用,在脅迫條件下,植物體內(nèi)脯氨酸積累,有助于維持植物細(xì)胞內(nèi)的正常水勢(shì)。無(wú)論是在對(duì)照溫度、35℃/25℃還是38℃/28℃處理下番茄游離脯氨酸含量在6品系之間均存在顯著差異(表3)。6個(gè)品系的脯氨酸含量在35℃/25℃處理下與對(duì)照溫度下相比沒(méi)有顯著變化,但在38℃/28℃處理下其脯氨酸含量極顯著增高,所有材料在38℃/28℃處理下的脯氨酸含量均顯著高于對(duì)照溫度和35℃/25℃處理。38℃/28℃處理下,125、126的脯氨酸含量最高,122、128、131和137顯著少于125、126。由于對(duì)照溫度下游離脯氨酸含量在品系間有顯著差異,需要對(duì)高溫脅迫下的游離脯氨酸含量做相對(duì)值的分析(圖2)。所有品系的脯氨酸相對(duì)含量在38℃/28℃下都遠(yuǎn)高于35℃/25℃處理,在35℃/25℃處理下,品系間沒(méi)有明顯規(guī)律;38℃/28℃處理下,125有較高的相對(duì)含量值,顯著高于其他品系,122和126之間沒(méi)有顯著差異,但顯著高于131、137、128,總體呈現(xiàn)的趨勢(shì)與其他多項(xiàng)指標(biāo)基本相同,且與田間多年觀察結(jié)果比較一致,此溫度處理下,相對(duì)含量各品系之間的差異顯著性高于絕對(duì)含量,因此,以38℃/28℃處理下的游離脯氨酸相對(duì)含量參與綜合評(píng)價(jià)。35℃/25℃處理和38℃/28℃處理籽6個(gè)品系的可溶性糖含量均不同程度顯著高于對(duì)照,但在二高溫處理間沒(méi)有顯著差別。對(duì)照溫度下6個(gè)品系之間可溶性糖含量差異顯著,35℃/25℃處理下各品系之間差異不顯著,38℃/28℃處理下番茄的可溶性糖在各品系之間差異極顯著,因此以38℃/28℃處理下各品系可溶性糖含量的高低來(lái)評(píng)價(jià)其對(duì)高溫脅迫的耐受性。128的可溶性糖含量最高,131次之,往下依次為137、122、125、126(表3)。對(duì)照溫度下6個(gè)品系之間可溶性糖含量差異顯著,需要采用脅迫溫度下的相對(duì)含量進(jìn)行比較,以反映各品系在脅迫溫度下的變化程度。結(jié)果顯示,番茄在脅迫溫度下的可溶性糖相對(duì)含量在35℃/25℃下6個(gè)品系之間沒(méi)有顯著差異,在38℃/28℃下6品系之間差異極顯著,因此,以相對(duì)含量作為衡量番茄耐溫度脅迫性的指標(biāo)同樣以38℃/28℃處理較適宜,但38℃/28℃下相對(duì)含量各品系之間的差異不如絕對(duì)含量,而且該溫度下相對(duì)含量值的結(jié)果與多年的田間觀察結(jié)果很不一致(圖3),因此不適合參與綜合評(píng)價(jià)。2.2耐藥脅迫能力綜合評(píng)價(jià)對(duì)于不同的測(cè)定指標(biāo)來(lái)說(shuō),有的指標(biāo)變化最大值與最小值之間差異非常大,因而該指標(biāo)的絕對(duì)值在參與整個(gè)評(píng)價(jià)過(guò)程中所占的比重就比較大,對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響也就比較大;而另外有的指標(biāo)品種(品系)間差異比較小,則該指標(biāo)的絕對(duì)值在綜合評(píng)價(jià)過(guò)程中的貢獻(xiàn)就可能比較小。這樣就有可能錯(cuò)誤地?cái)U(kuò)大或縮小某一個(gè)性狀與品種耐溫度脅迫的相關(guān)性。隸屬函數(shù)法綜合評(píng)價(jià)的方法,消除了品系間差異大小的影響,消除了各指標(biāo)因絕對(duì)值大小不同而可能造成的對(duì)正確評(píng)價(jià)材料耐高溫脅迫性能所做的貢獻(xiàn)的不同。根據(jù)上述分析結(jié)果,采用38℃/28℃處理下各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值來(lái)綜合評(píng)價(jià)各品系的耐高溫脅迫能力,所得結(jié)果見(jiàn)表4。其中以128隸屬函數(shù)值最高,125次之,126和122的隸屬值相差不多,都低于128和125,表明其耐高溫脅迫能力稍低,131和137的隸屬值最低,耐高溫能力最差。6個(gè)品系的耐高溫脅迫能力從高到低依次為128、125、126、122、131、137,這一結(jié)果與多年來(lái)田間選擇與觀察的結(jié)果基本一致。2.3番茄抗氧化能力與高溫下碳納米粉質(zhì)結(jié)構(gòu)指標(biāo)的關(guān)系按照綜合評(píng)價(jià)鑒定結(jié)果,6個(gè)番茄品系的耐高溫能力分別以其隸屬函數(shù)值表示,把上述各單項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定的結(jié)果與其耐高溫性能做線性相關(guān)分析,結(jié)果見(jiàn)表5。在對(duì)6個(gè)番茄品系所測(cè)定的9項(xiàng)單項(xiàng)指標(biāo)中,高溫下的坐果率、卷葉指數(shù)、相對(duì)產(chǎn)量、干重生長(zhǎng)量、鮮重生長(zhǎng)量、株高生長(zhǎng)量、莖粗生長(zhǎng)量、熱害指數(shù)和膜穩(wěn)定性與其隸屬函數(shù)值,即綜合耐高溫能力的線性相關(guān)系數(shù)較高。其中,高溫下番茄的坐果率、株高生長(zhǎng)量與其耐高溫能力達(dá)到顯著正相關(guān)(r=0.89*、r=0.83*),熱害指數(shù)和膜穩(wěn)定性與耐高溫脅迫能力顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.88*、r=-0.86*)。卷葉指數(shù)、幼苗莖粗和干重相對(duì)生長(zhǎng)量及相對(duì)產(chǎn)量等雖相關(guān)系數(shù)較高,但均未達(dá)顯著水平。3討論3.1高溫脅迫對(duì)番茄生理生化的影響目前對(duì)番茄高溫脅迫的研究多限于高溫對(duì)番茄果實(shí)、花和種子影響的研究,而有關(guān)高溫對(duì)番茄生理生化指標(biāo)的影響研究不多,并且對(duì)高溫處理溫度的選擇也尚未形成較一致的結(jié)論。綜合本試驗(yàn)結(jié)果,在38℃/28℃下,脯氨酸、可溶性糖含量極顯著增加,且品系之間差異都達(dá)極顯著水平;在35℃/25℃下,脯氨酸相對(duì)于對(duì)照溫度沒(méi)有顯著差異,可溶性糖含量品系之間沒(méi)有顯著差異。說(shuō)明在不同高溫脅迫下,番茄的生理生化反應(yīng)不完全相同。番茄在38℃/28℃處理下多項(xiàng)指標(biāo)的變化可以較顯著的體現(xiàn)番茄不同品系對(duì)高溫脅迫的反應(yīng),而35℃/25℃的脅迫處理則不能完全體現(xiàn)高溫對(duì)番茄不同品系造成的影響。因此,對(duì)番茄耐高溫脅迫能力進(jìn)行鑒定時(shí),采用38℃/28℃處理下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,更能有效地區(qū)分出番茄不同品系間的耐高溫脅迫能力。3.2高溫下番茄的耐熱性蔬菜作物資源豐富,生態(tài)類(lèi)型復(fù)雜,且對(duì)溫度脅迫的抗性受環(huán)境影響非常大,用單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)品種的溫度脅迫耐性,極有可能因某單項(xiàng)指標(biāo)不能正確反映品種的耐高溫脅近能力,而誤淘汰或誤入選耐高溫脅迫的品種。采用隸屬函數(shù)法綜合鑒定,即使一兩個(gè)指標(biāo)不符合品種的耐溫度脅迫表現(xiàn),而其他大多數(shù)指標(biāo)符合,仍可以較準(zhǔn)確地確定其耐溫度脅迫能力,這樣鑒定出來(lái)的結(jié)果,比采用單項(xiàng)指標(biāo)所得結(jié)果更加全面,可信度更高。在一些其他作物上抗熱鑒定和番茄的其他抗性鑒定上,也有報(bào)道采用隸屬函數(shù)法對(duì)植物的抗逆性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本試驗(yàn)采用綜合指標(biāo),反映出品種耐高溫脅迫能力與長(zhǎng)期育種實(shí)踐中這些材料的表現(xiàn)相一致。