低温弱光对设施番茄苗期营养物质和干物质分配的影响

　　摘要

　　本试验以PAR(光合有效辐射) 800 μmol·m-2·s-1，温度25 ℃为对照(CK)，设置6个处理[L1T1(PAR 200 μmol·m-2·s-1，4 ℃)、L1T2(PAR 200 μmol·m-2·s-1，6 ℃)、L1T3(PAR 200 μmol·m-2·s-1，8 ℃)、L2T1(PAR 400 μmol·m-2·s-1，4 ℃)、L2T2(PAR 400 μmol·m-2·s-1，6 ℃) 和L2T3(PAR 400 μmol·m-2·s-1，8 ℃)]，分别处理6、12、24、48和72 h，以研究低温弱光双重胁迫对番茄苗期干物质分配以及不同器官的可溶性糖、可溶性蛋白和游离氨基酸含量的影响.结果表明：低温弱光双重胁迫使地下部分干物质分配比例减小，而对地上部分干物质分配比例无显著影响，地下部分的干物质分配比例随时间的变化与地上部分相反;低温弱光胁迫显著降低了番茄茎和叶片的可溶性糖、可溶性蛋白和游离氨基酸的含量;根的可溶性糖含量随胁迫时间的变化趋势与地上部分不一致，但根、茎、叶片的可溶性糖含量均以L2T3处理72 h含量最高，分别为94.88、77.09和41.62 mg·g-1;根的可溶性蛋白含量随胁迫时间的变化趋势与地上部分不一致，茎和叶片的可溶性蛋白含量均以L2T3处理12 h最高，以L1T1处理72 h 最低;不同器官的游离氨基酸含量随胁迫时间的变化趋势与可溶性蛋白相反;弱光对番茄干物质和营养物质含量的影响小于低温.研究证实苗期番茄在低温弱光胁迫前期，干物质和营养物质先向地上部分分配，胁迫24 h后则更多地向根系积累.

　　关键词

　　低温弱光;干物质;可溶性糖;蛋白质;氨基酸

　　0 引言

　　番茄(Lycopersicon esculentum Mill.)是重要的设施作物[1].如何优化调控设施小气候以改善中国设施番茄生产产量低、品质差的现状是生产部门亟待解决的关键问题.温度和光照强度显著影响设施番茄的生长发育状况[2-4].近年来低温雾霾天气显著增加，设施内低温弱光灾害为设施番茄的生产带来极大的安全隐患.植物在低温或弱光胁迫下会出现光合速率降低、气孔关闭[5]、抗氧化酶活性改变[6]、水分利用效率提高[7]等一系列变化.

　　温度和光照是影响作物干物质分配的重要因素.温度直接改变作物的库强度，进而对植物体干物质的产量和分配产生重要影响[8].

　　Walker等[9]的研究证实，低温2 ℃处理3 d，番茄的干物质积累量显著降低.Kawasaki等[10]进一步研究发现，根区温度16.6 ℃保持7 d，番茄根系的干物质量显著高于5.8 ℃处理.光作为重要的环境因子，对植物生长及其干物质分配具有极其重要的作用.El-Gizawy等[11]研究表明，番茄植株的株高、叶面积以及干物质含量在弱光胁迫下均有不同程度的降低，说明弱光抑制作物生长.但也有学者认为弱光条件下植物叶面积增加，株高伸长，而总生物量分配变化并不显著[12-14].

　　糖、氨基酸、蛋白质等营养物质是影响作物发育进程和果实品质形成的物质基础.Yu等[15]研究发现，桃树木质部中的可溶性糖含量随着低温量的累积而增加，这与对番茄的研究是一致的[16].Ou等[17]进一步研究证实，在弱光条件下，随低温胁迫时间的延长，辣椒的叶绿素含量下降，根系活力降低，可溶性糖和脯氨酸含量则呈先升高后降低的趋势.植物体内总代谢水平的高低与蛋白质关系密切，而蛋白质含量的多少又直接或间接地受到温度和光照等环境因子的影响.Yan等[18]认为水稻幼苗在6 ℃低温处理下相对电解质渗漏增强，蛋白质降解增加.也有学者认为，温度的变化会引起植物体内蛋白质组分的改变[19]，如Lee 等[20]发现低温诱导水稻产生了新的冷应激蛋白(cold-stress-responsive proteins).对于蛋白质含量对光照的响应方面，有研究指出遮光降低了水稻籽粒的蛋白含量[21]，而颉建明等[22]则发现，在15 ℃/5 ℃(昼/夜)、100 μmol·m-2·s-1处理5 d时，海丰7号辣椒的可溶性蛋白含量比處理前增加了107.20%，但随胁迫时间的延长，可溶性蛋白含量反而下降.游离氨基酸是细胞内重要的渗透调节物质.植物在感测低温后，一方面质膜组成等会发生改变，另一方面游离氨基酸和脯氨酸等渗透调节物质含量也有所增加[17，23-24].也有研究显示，弱光同样会引起苏氨酸等大多数氨基酸含量的增加[25].

　　迄今为止，低温和弱光双重胁迫对设施番茄器官营养物质及干物质分配的影响仍不清楚.本项目拟通过人工环境控制试验，研究设施番茄各器官营养物质包括器官可溶性糖和蔗糖、游离氨基酸和可溶性蛋白含量、干物质在各器官的分配比例对低温弱光的响应规律，试图揭示低温弱光双重胁迫对番茄植株生理的影响机理.研究结果可为设施番茄生产环境调控决策提供理论依据.

　　1 材料与方法

　　1.1 试验设计

　　试验于2017年4—5月在南京信息工程大学Venlo试验温室(TPG-2009 Australian)内进行(118°43′E，30°12′N).供试番茄品种为“齐达利”(Lycopersicon esculentum Mill.，cv.‘Zadari’)，前期育苗在玻璃温室中进行，待番茄苗高5 cm时，选取生长健壮的幼苗定植于塑料花盆中，每盆2株.花盆直径25.4 cm，深19.0 cm，每盆装土约5 kg，并施0.78 g 尿素、 0.64 g Ca(H2PO4)2·H2O 和 1.11 g KCl.供试土壤含有机质1.45%、全氮0.12%、全磷0.10%、有效氮80.5 μg·g-1、有效磷27.6 μg·g-1、有效钾125.2 μg·g-1，pH值 6.75.缓苗3 d后，将花盆移入人工气候箱中进行处理.试验设置低温弱光双因素处理，温度分别设置为4、6和8 ℃ 3个水平，光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation，PAR)设置为200和400 μmol·m-2·s-1 2个水平，共6个处理，即L1T1(PAR 200 μmol·m-2·s-1，4 ℃)、L1T2(PAR 200 μmol·m-2·s-1，6 ℃)、L1T3(PAR 200 μmol·m-2·s-1，8 ℃)、L2T1(PAR 400 μmol·m-2·s-1，4 ℃)、L2T2(PAR 400 μmol·m-2·s-1，6 ℃) 和L2T3(PAR 400 μmol·m-2·s-1，8 ℃)，并以PAR 800 μmol·m-2·s-1、温度25 ℃为对照(CK).每个处理重复3次.分别在处理6、12、24、48和72 h 后取样测定.人工气候箱中，每天的光合有效辐射时间为12 h，湿度为75%，温度误差为±0.5 ℃.

　　1.2 干物质分配比例的测定

　　将各处理番茄植株的不同器官(根、茎、叶)洗净分别放置，105 ℃杀青5 min后置于85 ℃烘箱中烘干至恒重，用精度为0.01 g的电子天平测定各器官干质量.地上和地下部分干物质分配比例的计算公式为

　　Pir=Wr/Wt，(1)

　　Pisa=(Wst+Wi)/Wt，(2)

　　式中：Pir、Pisa分别为地下和地上的干物质分配比例;Wr、Wst、Wi分别为单株根、茎、叶的干质量，单位为g/株;Wt为单株总干物质质量，单位为g/株.

　　1.3 器官可溶性糖含量的测定

　　可溶性糖的测定方法采用硫酸-蒽酮比色法[26].取0.05 g磨碎的组织干样于离心管中加5～6 mL水，沸水浴30 min，然后离心10 min(4 000转/min)，去上清液倒入25 mL容量瓶中，重复3次，定容至25 mL，制得提取液.吸取提取液 0.1 mL，加 3.0 mL蒽酮试剂，90 ℃水浴30 min，620 nm波长下比色.

　　1.4 器官游离氨基酸含量的测定

　　游离氨基酸的测定方法采用茚三酮显色法[26].将0.05 g组织样品经5 mL 10%乙酸研磨提取，定容至100 mL并过滤.取滤液1 mL，加入蒸馏水1 mL、水合茚三酮3 mL、抗坏血酸0.1 mL，混匀后置于沸水浴15 min，摇动冷却至溶液呈蓝紫色，用60%乙醇定容至20 mL，于570 nm下比色.

　　1.5 器官可溶性蛋白含量的测定

　　可溶性蛋白的测定方法采用考马斯亮蓝比色法测定[26].取0.5 g组织样品加5 mL pH值7.8的磷酸缓冲液，冰浴研磨后冷冻离心20 min制得酶液.取20 μL酶液加入3 mL考马斯亮兰G-250反应液放置 2 min 后在595 nm 下比色.

　　1.6 数据分析

　　试验数据运用Excel 2010绘图，SPSS16.0进行相关统计分析，Duncan检验(α=0.05)进行多重比较.

　　2 结果与分析

　　2.1 低温弱光对番茄干物质分配比例的影响

　　图1a为不同处理下的番茄地下部分干物质分配比例，可以看出，番茄地下部分干物质分配比例经不同低温弱光处理后，均随胁迫时间的延长呈先减小后增加的趋势.除L2T3处理外，其他处理的地下部分干物质分配比例均在低温弱光处理24 h降到最低，而L2T3处理的地下干物质分配比例在处理6 h即降到最低值，只有CK的87.47%.所有处理中，以L1T1处理24 h的地下部分干物质分配比例最小，只有CK的67.25%;其次是L2T1处理24 h，为CK的67.08%;以L2T3处理72 h的地下部分干物质分配比例最高，为0.18，且显著高于CK.在相同温度处理下，L1(PAR为200 μmol·m-2·s-1)光照处理地下部分干物质分配比例总体小于L2(PAR为400 μmol·m-2·s-1)光照处理.相同光照条件下地下部分干物质分配比例总体随温度升高而增加.

　　图1b为不同处理下的番茄地上部分干物质分配比例，可以看出，与地下部分干物质分配比例相反，经不同低温弱光处理后的番茄地上部分干物质分配比例，均随胁迫时间的延长呈先升高后降低的趋势.不同低温弱光处理的地上部分干物质分配比例均在处理后24 h达到最大.但在试验胁迫时间内，各处理的地上部分干物质比例与CK均无显著差异.与地下部分干物质分配比例相似，在相同温度处理下，L2光照处理地上部分干物质分配比例总体大于L1光照处理.相同光照条件下地上部分干物质分配比例总体随温度升高而增加.

　　2.2 低温弱光对番茄器官可溶性糖含量的影响

　　表1为各处理对番茄不同器官可溶性糖含量(质量分数)的影响，可以看出，随着处理时间的延长，不同低温弱光处理下番茄根的可溶性糖含量均不断增加.在处理的6～24 h，不同低温弱光处理的根可溶性糖含量均显著低于CK.处理持续72 h，L1T3、L2T1、L2T2和L2T3处理的根可溶性糖含量显著高于CK，而L1T1和L1T2处理的根可溶性糖含量仍显著低于CK，分别只有CK的53.49%和98.90%.所有处理中，以L2T3处理72 h的根可溶性糖含量最高，为94.88 mg·g-1，以L1T1处理6 h的根可溶性糖含量最低，较CK显著低85.55%(表1).

　　处理6～72 h，不同低温弱光处理均显著降低了番茄茎的可溶性糖含量(表1).与根的可溶性糖含量变化不同，经过低温弱光處理后，L1T1、L1T2、L2T1和L2T2处理的茎可溶性糖含量则随胁迫时间的持续呈先增加后降低的趋势(表1)，且均在处理持续24 h达到最大值，但较CK显著低31.06%～77.45%.L1T3和L2T3处理的茎可溶性糖含量随胁迫时间的持续不断增加.所有处理中，以L2T3处理72 h的茎可溶性糖含量最高，为77.09 mg·g-1，以L1T1处理48 h的茎可溶性糖含量最低，只有CK的7.50%(表1).

　　叶片可溶性糖含量在不同低温弱光处理下的变化较为复杂，由表1 可以看出，L1T1、L1T2、L2T1和L2T2处理的叶片可溶性糖含量随着胁迫时间的持续呈先增加后降低的趋势，且均在处理的12 h达到最大值.处理持续72 h，L1T1、L1T2、L2T1和L2T2处理的叶片可溶性糖含量达到最小值，分别较CK低77.43%、72.09%、41.38%和15.72%.L1T3和L2T3处理的叶片可溶性糖含量随处理时间的延长不断增加，其中L2T3处理的叶片可溶性糖含量在处理6～12 h后与CK无显著差异，而在处理24～72 h后显著低于CK.所有处理中，以L2T3处理72 h的叶片可溶性糖含量最高，为41.62 mg·g-1，以L1T1处理72 h的叶片可溶性糖含量最低，只有9.55 mg·g-1(表1).

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