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，這會制約番茄的生長，影響番茄的正常生長發(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)來看,耐熱性鑒定大多針對1~2個指標(biāo)進(jìn)行,同時由于不同學(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)值法對材料的耐熱性進(jìn)行綜合評價,用綜合指標(biāo)反映品種(品系)對高溫脅迫的耐性。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)材料來自中國農(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、植株長勢并結(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高溫脅迫對番茄生長的影響花粉相對萌發(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,分別測量葉片平展時的最大寬度和葉卷后自然狀態(tài)下的最大寬度,據(jù)此分級并計(jì)算卷葉指數(shù)。卷葉程度分級標(biāo)準(zhǔn)為:0級:葉片寬/葉卷后寬=1;1級:1<(葉片寬/葉卷后寬≤2;2級:2<葉片寬/葉卷后寬≤3;3級:3<(葉片寬/葉卷后寬≤4;4級:4<(葉片寬/葉卷后寬≤5。卷葉指數(shù)=[∑(各級卷葉片數(shù)×級數(shù))]/(最高級數(shù)×總?cè)~片數(shù))×100%相對產(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,測定番茄坐果期相對處于適宜溫度下的絕對產(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)量為相對高溫下的絕對產(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產(chǎn)量(高溫下絕對產(chǎn)量/適溫下絕對產(chǎn)量)。幼苗相對生長量: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增長量,并計(jì)算高溫脅迫下番茄幼苗的相對增長量(高溫脅迫下絕對增長量/適溫下絕對增長量)。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)。分級標(biāo)準(zhǔn)為:0級:無熱害癥狀;1級:1~2片葉尖萎蔫;2級:半數(shù)以上葉尖萎蔫;3級:1~2片葉片萎蔫;4級:半數(shù)以上葉片萎蔫;5級: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定游離脯氨酸,蒽酮比色法測定可溶性糖含量。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,對各個指標(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)測定值,Xmax為所有待鑒定品系某一指標(biāo)測定值的最大值,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高溫脅迫對番茄坐果率及相對產(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個品系之間有顯著差異,相對萌發(fā)率差異也極顯著(表1),按花粉相對萌發(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個品系的相對產(chǎn)量由高到低為122、125、126、128、131、137。高溫季節(jié)下6個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高溫對不同品系生長的影響在38℃/28℃高溫脅迫下,番茄幼苗的相對生長量明顯降低,6個品系在高溫下的干重、鮮重、株高及莖粗的相對增長量呈現(xiàn)基本一致的趨勢(圖1),其中相對生長量最高的是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)。隨著處理時間的延長,6個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。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)評價番茄耐熱性,對材料進(jìn)行脅迫處理時,以處理3d最為適宜。128熱害指數(shù)最低,125次之,這兩個品系呈現(xiàn)較強(qiáng)的高溫耐受性,122、126、131對高溫的耐受性中等,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)行綜合評價時,亦采用處理3d的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2.1.4熱脅迫對膜穩(wěn)定性的影響在40℃高溫脅迫處理下,6個品系的細(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。無論是在對照溫度、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個品系的脯氨酸含量在35℃/25℃處理下與對照溫度下相比沒有顯著變化,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。由于對照溫度下游離脯氨酸含量在品系間有顯著差異,需要對高溫脅迫下的游離脯氨酸含量做相對值的分析(圖2)。所有品系的脯氨酸相對含量在38℃/28℃下都遠(yuǎn)高于35℃/25℃處理,在35℃/25℃處理下,品系間沒有明顯規(guī)律;38℃/28℃處理下,125有較高的相對含量值,顯著高于其他品系,122和126之間沒有顯著差異,但顯著高于131、137、128,總體呈現(xiàn)的趨勢與其他多項(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,相對含量各品系之間的差異顯著性高于絕對含量,因此,以38℃/28℃處理下的游離脯氨酸相對含量參與綜合評價。35℃/25℃處理和38℃/28℃處理籽6個品系的可溶性糖含量均不同程度顯著高于對照,但在二高溫處理間沒有顯著差別。對照溫度下6個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評價其對高溫脅迫的耐受性。128的可溶性糖含量最高,131次之,往下依次為137、122、125、126(表3)。對照溫度下6個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含量在35℃/25℃下6個品系之間沒有顯著差異,在38℃/28℃下6品系之間差異極顯著,因此,以相對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℃下相對含量各品系之間的差異不如絕對含量,而且該溫度下相對含量值的結(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價。2.2耐藥脅迫能力綜合評價對于不同的測定指標(biāo)來說,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)的絕對值在參與整個評價過程中所占的比重就比較大,對評價結(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)的絕對值在綜合評價過程中的貢獻(xiàn)就可能比較小。這樣就有可能錯誤地?cái)U(kuò)大或縮小某一個性狀與品種耐溫度脅迫的相關(guān)性。隸屬函數(shù)法綜合評價的方法,消除了品系間差異大小的影響,消除了各指標(biāo)因絕對值大小不同而可能造成的對正確評價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)值來綜合評價各品系的耐高溫脅迫能力,所得結(jié)果見表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)系按照綜合評價鑒定結(jié)果,6個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)測定的結(jié)果與其耐高溫性能做線性相關(guān)分析,結(jié)果見表5。在對6個番茄品系所測定的9項(xiàng)單項(xiàng)指標(biāo)中,高溫下的坐果率、卷葉指數(shù)、相對產(chǎn)量、干重生長量、鮮重生長量、株高生長量、莖粗生長量、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生長量及相對產(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高溫脅迫對番茄生理生化的影響目前對番茄高溫脅迫的研究多限于高溫對番茄果實(shí)、花和種子影響的研究,而有關(guān)高溫對番茄生理生化指標(biāo)的影響研究不多,并且對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,脯氨酸相對于對照溫度沒有顯著差異,可溶性糖含量品系之間沒有顯著差異。說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)高溫對番茄不同品系造成的影響。因此,對番茄耐高溫脅迫能力進(jìn)行鑒定時,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)類型復(fù)雜,且對溫度脅迫的抗性受環(huán)境影響非常大,用單項(xiàng)指標(biāo)評價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,也有報道采用隸屬函數(shù)法對植物的抗逆性進(jìn)行綜合評價。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期育種實(shí)踐中這些材料的表現(xiàn)相一致。