低溫對(duì)野生番茄和栽培番茄葉片抗氧化代謝和碳同化的影響

韓婭楠，米國(guó)全，史艷艷，王裔娜，程志芳，韓永平，王晉華

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 園藝研究所，河南 鄭州 450002)

番茄(LycopersiconesculentumMill.)是一種喜溫、喜光蔬菜，冬春季保護(hù)地生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)因氣候變化、設(shè)施覆蓋材料保溫性差、透光性能較差等引起的棚溫過(guò)低、光照強(qiáng)度不足而影響植株正常生長(zhǎng)發(fā)育的現(xiàn)象[1-2]。低溫是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育、花芽分化、開花結(jié)果甚至生存的重要環(huán)境因子之一[3-6]。栽培番茄在生長(zhǎng)發(fā)育的整個(gè)過(guò)程中都有可能遭受低溫傷害，而野生多毛番茄在一定的低溫環(huán)境下仍能正常生長(zhǎng)，已作為番茄抗冷育種的重要種質(zhì)資源[7]。目前研究多為探討低溫對(duì)栽培種番茄幼苗、葉片花期及果實(shí)抗氧化酶活性、蔗糖代謝等生理生化指標(biāo)及光合作用的研究[8-13]。但低溫脅迫及恢復(fù)處理對(duì)栽培番茄和野生番茄這2種不同類型番茄葉片中糖代謝及碳同化的影響，還未見相關(guān)報(bào)道。為此，研究了栽培番茄和野生番茄低溫環(huán)境下的生理機(jī)制差異，旨在為番茄抗冷育種提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

野生番茄(S.habrochaites)LA1777和栽培番茄(S.lycopersicum)LA2706引自美國(guó)番茄遺傳資源中心。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016年7月18日，將LA1777和LA2706播種于河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所植物生理生化實(shí)驗(yàn)室人工氣候室中，采用營(yíng)養(yǎng)缽育苗，育苗光周期為12 h，晝溫25 ℃，夜溫15 ℃。待幼苗長(zhǎng)到六葉一心時(shí)(2016年8月24日)，移入智能培養(yǎng)箱中進(jìn)行低溫處理。低溫處理時(shí)間2016年8月17-24日(7 d)，光周期12 h，晝溫10 ℃，夜溫4 ℃。低溫處理后恢復(fù)期為4 d，光周期12 h，晝溫25 ℃，夜溫15 ℃。取樣時(shí)間為處理0，1，3，5，7 d并恢復(fù)2，4 d。采取單株取樣，設(shè)3次重復(fù)。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目與方法

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫對(duì)野生番茄和栽培番茄葉片中含量的影響

2.2 低溫對(duì)野生番茄和栽培番茄葉片中H2O2含量的影響

從圖1-B可以看出，在低溫處理前，LA1777葉片中H2O2含量較低，而LA2706葉片中H2O2含量則較高；隨著低溫處理時(shí)間的延長(zhǎng)，LA2706葉片中H2O2含量呈現(xiàn)先降低，再升高的過(guò)程，在低溫處理第7天達(dá)到最大值；而LA1777在低溫處理1 d時(shí)，H2O2含量達(dá)到最大值，隨后呈現(xiàn)先降低，再升高的過(guò)程，在第7天又出現(xiàn)一個(gè)峰值。在恢復(fù)期，2種番茄葉片中H2O2含量都呈下降趨勢(shì)。在整個(gè)處理期間，LA2706葉片中H2O2含量整體比LA1777高1.2%～17.3%。

2.3 低溫對(duì)野生番茄和栽培番茄葉片中MDA含量的影響

從圖1-C可以看出，LA2706在正常溫度下，比LA1777具有更高的MDA含量；低溫處理1 d時(shí)，LA2706的MDA含量有所降低，而LA1777含量則有所升高；隨著低溫處理時(shí)間延長(zhǎng)，LA2706葉片的MDA含量呈逐步上升趨勢(shì)，在第7天達(dá)到最大值，而LA1777的MDA含量則呈先降低后升高的趨勢(shì)，在第7天也達(dá)到最大值；在恢復(fù)期，2種類型番茄的MDA同時(shí)迅速下降。從整個(gè)處理過(guò)程來(lái)說(shuō)，LA2706葉片中的MDA含量明顯比LA1777高13.4%～36.9%。

h.冷處理后恢復(fù)常溫。不同字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。圖2同。h.Normal condition after treatment. Values followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level. The same as Fig.2．

2.4 低溫對(duì)野生番茄和栽培番茄葉片中SOD活性的影響

從圖1-D中可以看出，低溫對(duì)LA2706葉片中SOD活性影響較大。在正常溫度情況下，LA2706葉片中的SOD活性明顯高于LA1777，但在低溫脅迫下，LA2706葉片中的SOD活性逐步下降，且下降明顯，在第7天時(shí)降到最低值，SOD活性為處理前的55.3%；而LA1777葉片中的SOD活性雖然有所下降，但下降比較平穩(wěn)，在第7天時(shí)SOD活性為處理前的28.2%；進(jìn)入恢復(fù)期后，LA2706的SOD活性又呈明顯上升趨勢(shì)，而LA1777則上升不明顯。

2.5 低溫對(duì)野生番茄和栽培番茄葉片中AsA、DHA 含量的影響

從圖1-E中可以看出，LA2706在低溫處理開始，AsA就緩慢升高，到低溫處理第5天，達(dá)到最大值；而LA1777在低溫處理1 d后，AsA才開始緩慢升高，同樣到第5天達(dá)到最大值。進(jìn)入恢復(fù)期后，LA2706葉片中AsA含量先降低后升高，而LA1777則一直呈降低趨勢(shì)。

從圖1-F可以看出，在正常生長(zhǎng)環(huán)境下，LA2706葉片中的DHA含量明顯高于LA1777。在低溫處理前3 d，LA2706葉片中DHA含量有所下降，而LA1777則有所增加，但變化幅度不明顯，低溫處理3 d后，2種類型番茄葉片中DHA含量迅速增加，到第7天時(shí)，達(dá)到最大值，且LA2706增加明顯較LA1777高21.0%。進(jìn)入恢復(fù)期后，LA2706先降低后增加，而LA1777一直處于下降趨勢(shì)。從整個(gè)處理過(guò)程來(lái)說(shuō)，LA2706葉片中的MDA含量明顯比LA1777高13.3%～21.0%。

2.6 低溫對(duì)野生番茄和栽培番茄葉片中APX活性的影響

從圖1-G中可以看出，2種類型番茄在處理過(guò)程中都出現(xiàn)了雙峰，峰值都在低溫處理1，7 d時(shí)出現(xiàn)，且在這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，LA1777葉片中的APX活性明顯高于LA2706，尤其是第7天，LA1777葉片中的APX活性是LA2706的4.0倍。在其他時(shí)間點(diǎn)上，2種類型番茄中的APX活性差異并不明顯。

2.7 低溫對(duì)野生番茄和栽培番茄葉片可溶性總糖含量的影響

從圖2-A中可以看出，2種類型番茄在低溫處理期間和恢復(fù)期內(nèi)，葉片中可溶性總糖變化趨勢(shì)一致。隨著低溫處理時(shí)間的延長(zhǎng)，LA2706葉片中可溶性總糖含量比LA1777增幅更大，在0，1，3，5，7 d時(shí)，LA2706葉片中可溶性總糖含量分別比LA1777同期增加75.7%，47.7%，109.1%，177.0%，106.5%；在恢復(fù)期2，4 d，LA2706比LA1777同期增加229.4%，323.7%。這表明，低溫脅迫可以導(dǎo)致低溫敏感型番茄葉片中可溶性總糖含量升高。在恢復(fù)期，LA1777恢復(fù)2 d后，可溶性總糖含量即達(dá)到正常水平，而LA2706恢復(fù)4 d后還沒有達(dá)到正常水平。

圖2 低溫對(duì)野生番茄和栽培番茄葉片碳同化代謝的影響Fig.2 Effects of low temperature treatment and recovery on carbon assimilation of tomato leaves in wild tomato and cultivated tomato leaves

2.8 低溫對(duì)野生番茄和栽培番茄葉片酸性轉(zhuǎn)化酶活性的影響

從圖2-B可以看出，LA2706葉片中的酸性轉(zhuǎn)化酶活性隨著低溫處理時(shí)間的延長(zhǎng)，快速升高，到第7天達(dá)到峰值，為處理前的4.8倍，恢復(fù)2 d后又急速下降；而LA1777在低溫處理1 d時(shí)，酸性轉(zhuǎn)化酶活性上升明顯，但隨后的幾天中酶活性增幅不明顯，在恢復(fù)期酶活性又迅速下降。這表明，低溫能顯著影響低溫敏感型番茄葉片中酸性轉(zhuǎn)化酶活性。在恢復(fù)期，LA1777恢復(fù)2 d后，酸性轉(zhuǎn)化酶活性即達(dá)到正常水平，而LA2706恢復(fù)4 d后還沒有達(dá)到正常水平。

2.9 低溫對(duì)野生番茄和栽培番茄葉片中性轉(zhuǎn)化酶活性的影響

從圖2-C可以看出，LA2706葉片中的中性轉(zhuǎn)化酶活性隨著低溫處理時(shí)間的延長(zhǎng)，快速升高，到第7天達(dá)到峰值，為處理前的10.2倍，恢復(fù)2 d后又急速下降；而LA1777在低溫處理1 d時(shí)，中性轉(zhuǎn)化酶活性上升明顯，但隨后的幾天中酶活性增幅不明顯，在恢復(fù)期酶活性又迅速下降。這表明，低溫能顯著影響低溫敏感型番茄葉片中中性轉(zhuǎn)化酶活性。在恢復(fù)期，LA1777恢復(fù)4 d后，中性轉(zhuǎn)化酶活性即達(dá)到正常水平，而LA2706恢復(fù)4 d后還沒有達(dá)到正常水平。

2.10 低溫對(duì)野生番茄和栽培番茄葉片蔗糖磷酸合成酶活性的影響

從圖2-D可以看出，在低溫處理和恢復(fù)期間，2種類型番茄葉片中蔗糖磷酸酶合成酶活性變化趨勢(shì)基本一致。在低溫處理第1天，酶活性略有上升，低溫處理第3天，酶活性明顯升高，隨后處于平穩(wěn)上升階段，第7天達(dá)到峰值時(shí)，LA1777和LA2706分別為處理前的1.6，1.7倍。進(jìn)入恢復(fù)期后，酶活性呈急速下降趨勢(shì)。在整個(gè)處理過(guò)程中，LA2706葉片中的蔗糖磷酸合成酶活性變化幅度比LA1777要明顯。在恢復(fù)期，LA1777和LA2706恢復(fù)4 d后，蔗糖磷酸合成酶活性都達(dá)到正常水平。

3 結(jié)論與討論

3.1 低溫對(duì)野生番茄和栽培番茄抗氧化代謝的影響

3.2 低溫對(duì)野生番茄和栽培番茄碳同化代謝的影響

碳水化合物是植物光合碳同化過(guò)程中形成的基礎(chǔ)代謝物質(zhì)，主要包括可溶性總糖、蔗糖、果糖和淀粉，其含量高低受酸性轉(zhuǎn)化酶、中性轉(zhuǎn)化酶、蔗糖磷酸合成酶等關(guān)鍵酶活性的調(diào)節(jié)，在維持植物生理活動(dòng)和響應(yīng)非生物脅迫中起重要的作用。在低溫處理和恢復(fù)期間，可溶性總糖含量、酸性轉(zhuǎn)化酶活性、中性轉(zhuǎn)化酶活性和蔗糖磷酸合成酶活性變化趨勢(shì)在同一種番茄葉片中表現(xiàn)基本一致。在低溫脅迫下，LA2706葉片中的可溶性總糖、酸性轉(zhuǎn)化酶活性、中性轉(zhuǎn)化酶活性、蔗糖磷酸合成酶活性呈上升趨勢(shì)，且葉片中可溶性糖含量與蔗糖磷酸合成酶活性變化趨勢(shì)基本一致，因此，推測(cè)蔗糖磷酸合成酶活性的升高，勢(shì)必導(dǎo)致葉片中淀粉大量分解成蔗糖，又由于葉片中酸性轉(zhuǎn)化酶和中性轉(zhuǎn)化酶活性不斷升高，導(dǎo)致蔗糖進(jìn)一步分解成單糖，以滿足細(xì)胞能量代謝的需要。低溫脅迫下葉片光合作用差，更進(jìn)一步加劇了番茄植株碳水化合物的消耗。進(jìn)而造成植株出現(xiàn)早衰現(xiàn)象，葉片黃化，生長(zhǎng)停滯。相比LA2706來(lái)說(shuō)，LA1777葉片中可溶性總糖上升幅度較小，酸性轉(zhuǎn)化酶活性、中性轉(zhuǎn)化酶活性、蔗糖磷酸合成酶活性上升幅度較低，由此，淀粉分解速度較慢，蔗糖代謝降低，更有利于適應(yīng)低溫脅迫環(huán)境。進(jìn)入恢復(fù)期后，2種類型番茄葉片中可溶性總糖含量、酸性轉(zhuǎn)化酶活性、中性轉(zhuǎn)化酶活性和蔗糖磷酸合成酶活性都迅速降低，LA1777在4 d的恢復(fù)期間，糖及相關(guān)酶都能達(dá)到正常水平，而LA2706則只有蔗糖磷酸合成酶活性能達(dá)到正常水平，其他則需要更長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 米國(guó)全，程志芳，王晉華，等. 利用葉綠素?zé)晒鈪?shù)評(píng)價(jià)番茄耐低溫弱光能力的研究[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，44(1)：94-97.

[2] 束 勝，湯園園，羅佳音，等. 外源24-表油菜素內(nèi)酯對(duì)亞低溫弱光脅迫下番茄葉片碳同化和抗氧化代謝的影響[J]. 植物生理學(xué)報(bào)，2016，52(8)：1295-1304.

[3] 丁朋松，張英杰，郭文姣，等. 低溫處理對(duì)蝴蝶蘭生長(zhǎng)發(fā)育及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2014，30(25)：166-170.

[4] 孫俊佳，樸世領(lǐng)，陳 爽，等. 低溫誘導(dǎo)下烤煙花芽分化與IAA分解代謝相關(guān)酶的變化規(guī)律[J]. 延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(1)：28-33.

[5] 楊梯豐，張少紅，王曉飛，等. 多樣性國(guó)際稻種四個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的耐冷性及其與秈粳性的關(guān)系[J]. 分子植物育種，2017 (2)：763-773.

[6] 曾研華，張玉屏，潘曉華，等. 花后不同時(shí)段低溫對(duì)秈粳雜交稻稻米品質(zhì)性狀的影響[J]. 中國(guó)水稻科學(xué)，2017，31(2)：166-174.

[7] Liu H，Ouyang B，Zhang J H，et al. Differential modulation of photosynthesis，signaling，and transcriptional regulation between tolerant and sensitive tomato genotypes under cold stress[J]. PLoS One，2012，7(11)：e50785.

[8] 董靈迪，楊玉波，石琳琪，等. 低溫弱光對(duì)番茄不同品種的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2016，31(S1)：183-187.

[9] 劉玉鳳，李天來(lái)，焦曉赤. 短期夜間亞低溫及恢復(fù)對(duì)番茄光合作用和蔗糖代謝的影響[J]. 園藝學(xué)報(bào)，2011，38(4)：683-691.

[10] 王麗娟，李天來(lái)，范文靜. 苗期夜間低溫處理對(duì)西紅柿葉片蔗糖代謝的影響[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50(14)：2886-2888，2899.

[11] 張曉旭，葉景學(xué)，侯 杰，等. 夜間低溫對(duì)櫻桃番茄葉片氧化活性的影響[J]. 東北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，42(2)：39-43.

[12] 陳勝萍，劉曉光，趙成萍，等. 低溫脅迫對(duì)不同番茄品種生長(zhǎng)和生理生化指標(biāo)的影響[J]. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，37(11)：780-784.

[13] 張淑杰，楊再?gòu)?qiáng)，陳艷秋，等. 低溫、弱光、高濕脅迫對(duì)日光溫室番茄花期生理生化指標(biāo)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2014，33(11)：2995-3001.

[14] 李忠光，龔 明. 植物中超氧陰離子自由基測(cè)定方法的改進(jìn)[J]. 云南植物研究，2005，27(2)：211-216.

[15] 李合生. 植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2000.

[16] Zhang A，Jiang M，Zhang J，et al. Mitogen-activated protein kinase is involved in abscisic acid-induced antioxidant defense and acts downstream of reactive Oxygen species production in leaves of maize plants[J]. Plant Physiology，2006，141(2)：475-487.

[17] 米國(guó)全，劉麗英，金寶燕，等. 兩種生態(tài)型黃瓜幼苗光系統(tǒng)I抗氧化酶對(duì)弱光的響應(yīng)[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2011，26(4)：86-90.

[18] 李忠光，杜朝昆，龔 明. 在單一提取系統(tǒng)中同時(shí)測(cè)定植物ASA/DHA和GSH/GSSG[J]. 云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，23(3)：67-70.

[19] 米國(guó)全，劉麗英，金寶燕，等. 弱光對(duì)不同生態(tài)型黃瓜幼苗光合速率及蔗糖代謝相關(guān)酶活性的影響[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2011，26(1)：146-150.

[20] 張渝潔. 番茄在低溫弱光下生理特性變化的研究[J]. 北方園藝，2008(3)：38-39.