设施瓜果类蔬菜耐低温冷害研究进展

张 瑛， 张 甜， 王 艳， 张永吉， 刁守雨， 周如美， 张永泰

(1.江苏里下河地区农业科学研究所，江苏扬州 225007； 2.江苏省扬州市邗江区槐泗镇人民政府，江苏扬州 225007)

随着设施栽培的发展，我国农产品市场上反季节蔬菜比例越来越高，其中黄瓜、西瓜、甜瓜、番茄、辣椒、茄子等蔬菜的反季节栽培面积逐年增加，其冬春设施栽培占总栽培面积的比例越来越大。据统计，2010年全国蔬菜种植面积为1 900万hm2，其中设施蔬菜栽培面积达465万hm2，同比增加 54万hm2，增长13.1%。然而这类蔬菜都起源于亚热带或热带地区，为喜温型植物，对低温胁迫敏感，易受低温冷害。特别是近年来，由于冬、春季气候变化异常，雨雪天气和倒春寒频发，严重危害设施蔬菜的安全生产，因此研究低温冷害对设施蔬菜的危害机制，进而寻找解决设施蔬菜低温冷害的有效途径，对蔬菜冬春设施栽培的稳定发展、提高设施栽培种植效益具有重要的现实意义。

1 关于设施蔬菜耐低温冷害的研究

1.1 低温冷害对设施蔬菜生长特性的影响

低温对设施蔬菜的生长影响很大，最早表现在低温胁迫下发芽率降低，发芽势、发芽指数下降，种子活力指数降低，侯锋等用13 ℃或15 ℃的低温进行黄瓜发芽试验，发现耐低温性强的品种发芽能力强，耐低温性弱的品种发芽能力较弱[1-3]。姚明华等发现，耐低温性强的茄子品种种子活力指数下降幅度小于弱的品种[4]。此外，低温影响还表现在营养生长和生殖生长方面。低温胁迫下，茄子幼苗胚根、胚芽的长度和全株鲜质量随着温度的降低均呈下降趋势[5]。陈满盈等认为，低温和弱光均可使茄子花芽分化延迟，开花节位升高[6]。王丽萍等认为，低温对辣椒的株高、茎粗、叶面积和根系都有抑制作用[7]。周艳红等在黄瓜上的研究表明，低温胁迫后，代表植株生长势的叶片生长指数(PI值)基本不变，生长完全受到抑制[8]。姜晶等认为，番茄苗期经夜间亚低温处理后，各花序花朵数量明显减少，坐果率降低，畸形果数量增加[9]。于龙凤等研究认为，低温和弱光可使番茄、辣椒、茄子、黄瓜、西葫芦、甜瓜等作物叶片的气孔开展比和开展度都比对照增加[10]。而低温对西瓜的影响最大，当气温低于 10 ℃ 时，植株生长停止，正常组织分化受到阻碍；气温在 7 ℃ 以下时，植株连续受害4 d以上，数日后会产生浅绿斑和干枯斑，并且以在叶边缘居多；当气温低于5 ℃，植株连续受害1 d以上时，叶片和茎蔓会出现水浸状斑块，以叶边缘居多，若冷害时间较长，也可导致植株萎蔫甚至死亡。由此可见，低温胁迫在作物整个生育期均能造成不利的影响，造成的伤害不仅取决于低温温度，还取决于低温持续的时间，但耐低温冷害性不同的品种受低温胁迫的伤害不同。

1.2 低温冷害与各项生理指标的关系

1.2.1 根系活力与低温冷害 低温0～10 ℃即能影响植物根的活动和生长，在低温下，根系生长缓慢，根毛首先是透性改变，半透性和选择吸收遭到破坏，限制了根对水分与养料的吸收，体内水分供不应求，造成植株枯萎现象[11]。侯锋等研究表明，根系活力随黄瓜耐低温性的减弱而减弱，而且与冷害指数有很好的相关性[1]。柴文臣等研究表明，不同耐低温辣椒品种经15 d低温处理后，随着温度的上升，根系活力逐渐恢复，且耐低温能力越强的品种根系活力恢复得越多[12]。

1.2.2 丙二醛与低温冷害 低温胁迫使植物体内活性氧代谢失衡，引起生物膜脂质中不饱和脂肪酸的氧化降解即发生膜脂过氧化作用，进而导致细胞膜透性增加，细胞内电解质外渗。丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的主要产物之一，MDA含量上升，电导率增加，表明膜脂过氧化作用加强。许勇等研究认为，不同耐冷性的西瓜幼苗在低温胁迫下MDA含量和电导率都表现为上升趋势，且上升的幅度与耐低温性呈极显著相关性，耐冷性强的品种幼苗中MDA含量和电导率上升幅度小，反之则上升幅度大[13-16]。张泽煌等在茄子方面[17-18]、马艳青等在辣椒方面[19]、侯锋等在黄瓜方面[1，3]、樊治成等在西葫芦方面[20-21]均得到相同结论。

1.2.3 抗氧化酶活性与低温冷害 抗氧化酶可以参与活性氧的酶促清除反应，减少低温胁迫产生的活性氧含量，减轻细胞过氧化伤害，因此抗氧化酶活性与植物耐低温冷害有着密切的关系。植物体中的抗氧化酶主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)等，关于三者与植物耐低温冷害的研究有很多，但其研究结果不尽相同。曾韶西等发现，黄瓜经低温(5 ℃)光照处理后，POD活性在开始24 h内有下降趋势，随后POD活性显著增加[22]；刘鸿先等报道，低温使黄瓜SOD活性降低，CAT活性随低温处理时间的延长而显著下降[23]；段会军等将西瓜幼苗分别在25、15、8 ℃ 下 各处理3 d，随着温度的降低，西瓜幼苗叶片的SOD、POD活性呈上升趋势[15]；而许勇等研究表明，12 ℃下西瓜幼苗叶片SOD活性在前2～3 d上升，之后持续下降[24]。柴文臣等认为，随着温度的下降，辣椒的SOD活性逐渐降低，而POD活性逐渐增加[12]；而邹志荣等认为，辣椒幼苗经5 ℃低温胁迫后，SOD和POD活性升高，CAT活性降低[25]。张泽煌等报道，在0～5 ℃低温下，茄子叶片中的SOD和CAT活性上升，POD活性变化不大[17]；而李建设等认为，茄子幼苗低温处理后，SOD和POD活性均呈上升趋势[18]。高秀瑞等认为，不同研究结论之所以差异较大，是由于各类酶活性测定的时间不同，提出耐低温材料的评价应以低温处理后，保护酶活性变化幅度的大小进行衡量较为科学，而不是仅仅以单一酶活性的高低作为其对细胞膜稳定性的依据[26]。

1.2.4 光合作用与低温冷害 低温胁迫对植物光合作用的影响是多方面的，不仅直接造成光合机构的损伤，如叶绿素减少，同时也会影响光合电子传递和光合磷酸化以及暗反应的有关酶系。任国三等报道，茄子低温处理时，表观量子效率下降，光补偿点升高，光合速率显著下降，叶绿素荧光参数(Fv/Fm)整体均呈下降趋势[27]。张峰等报道，临界低温胁迫使黄瓜幼苗叶片的叶绿素含量下降，Fv/Fm值呈总体下降趋势，耐低温性弱的品种下降较快，幅度较大[28]。樊治成等研究表明，与20 ℃处理相比，5 ℃处理下西葫芦幼苗光合速率和Fv/Fm下降，低温胁迫后，光合速率及其恢复能力和Fv/Fm及其恢复水平与冷害指数呈极显著负相关关系[20]。彭金光等研究低温胁迫下不同耐低温性西瓜品种Fv/Fm的变化，结果表明，耐低温性弱的品种在15 ℃下表现Fv/Fm值下降，而耐低温性强的品种在10 ℃和15 ℃下都表现Fv/Fm值上升[29]，说明耐低温性弱的品种对低温敏感，在相对较高的温度下光合作用受到抑制，而耐低温性强的品种对低温适应性较强。

1.2.5 渗透调节物与低温冷害 可溶性蛋白质、可溶性糖和脯氨酸是与植物耐逆相关的3种重要的渗透调节物，低温胁迫下这3种物质的积累被认为是植物对低温的适应性反映。因为蛋白质是亲水性胶体，在低温条件下，可溶性蛋白质积累的重要意义是保护膜免受脱水造成伤害。多种植物在低温锻炼期间，细胞内可溶性蛋白质和耐低温性之间表现出明显的正相关性，即可溶性蛋白质含量随低温锻炼过程中耐低温性的提高而增加。刘文革等研究表明，随着西瓜组织可溶性蛋白质含量的增加，其耐低温能力增加[30]。董玉梅等研究认为，厚皮甜瓜嫁接苗抗冷性的增强可能与可溶性蛋白质含量的增加幅度有关[31]。王兴虎研究表明，在低温处理初期，温度越低，甜瓜幼苗可溶性蛋白质含量越高[32]。朱其杰等发现，不同耐低温型品种蛋白质合成系统有显著差异，经十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶(SDS-PAGE)电泳，耐低温性不同的黄瓜品种呈现出不同的蛋白质条带，耐低温型品种比不耐低温型品种蛋白质带多[3]。

王荣富报道，可溶性糖类的含量与植物抗寒性之间呈正相关关系[33]，耐寒品种体内的还原糖特别是葡萄糖含量比不耐寒品种高，经低温锻炼的植株体内可溶性糖含量较未经低温锻炼的高，冷冻可使果聚糖转变为果糖和蔗糖，沉积在细胞间隙中，增强植株的抗寒性。王林闯等研究表明，低温胁迫可诱导番茄叶片中脱落酸(ABA)的合成，诱导控制淀粉酶合成的基因表达，增加可溶性糖含量[34]。

脯氨酸对植物的抗逆性有重要作用，它不仅可以作为渗透调节剂，而且能保护膜结构，防止膜脂过氧化，叶片中脯氨酸的积累是植物对低温环境作出的生理适应性响应，脯氨酸含量越高，说明品种耐低温能力越强。姚明华等对8个茄子品种的脯氨酸含量进行测定，常温(25 ℃)下品种间的脯氨酸含量存在差异，且与品种的抗冷性呈极显著正相关关系，在分别受5、15 ℃低温诱导24 h后，这种差异更加明显[4]。抗冷性强的茄子品种的脯氨酸含量和增加幅度均高于抗冷性弱的茄子品种。颉建明等研究表明，辣椒叶片在白天15 ℃、夜晚5 ℃的条件下，脯氨酸、可溶性糖含量升高，可溶性蛋白含量先升高后下降[35]。但彭金光等研究发现，10 ℃低温下西瓜幼苗脯氨酸含量随处理时间的延长而增加，耐冷性强的品种脯氨酸含量增加幅度小于耐冷性弱的品种；可溶性糖含量在耐冷性强的品种中表现为先下降后上升，而在耐低温性弱的品种中则表现为一直上升，这可能与耐低温性强的西瓜品种在10 ℃温度下受低温冷害的胁迫不强有关[29]。

1.3 设施蔬菜耐低温冷害的遗传研究

有关设施蔬菜耐低温冷害的遗传学研究较少，有研究认为植物的抗寒性为数量性状，受微效多基因控制[36]。许勇等对耐冷型野生西瓜材料PI482322进行耐冷性的遗传分析与分子标记研究，认为冷敏型普通西瓜与耐冷型野生西瓜材料杂交的F2代单株中耐冷株与冷敏株之比基本符合3 ∶1的分离比例，这说明该野生西瓜耐冷性由单显性基因所控制[37]。纪颖彪等研究表明，黄瓜低温发芽能力主要由非加性效应决定[38]。顾兴芳等研究表明，控制黄瓜低温下相对发芽势、相对发芽指数、相对胚根长度这些性状的遗传符合加性-显性模型，以显性效应为主[39]。在生理指标遗传研究方面，闫世江等研究表明，黄瓜耐低温性、POD和SOD活性、脯氨酸含量适于早代选择；幼苗可溶性蛋白含量受生长环境的影响较大，可晚代选择[40]。这些研究为选育耐低温冷害新品种提供了理论依据。

1.4 提高设施蔬菜耐低温冷害的途径

1.4.1 低温锻炼 将植物置于非致死低温下进行锻炼，可提高其耐低温胁迫能力。这一研究已在西瓜、黄瓜、马铃薯、玉米、柑橘、水稻、番茄上得到验证。经过低温锻炼的西瓜幼苗在形态上表现出叶色较深、植株矮壮的特征；在生理指标方面，幼苗叶片SOD、POD活性升高，MDA含量下降，耐冷性增强[41]。张平等试验表明，6 ℃时黄瓜幼苗经6 d后便可获得最大耐冷性[42-43]，经低温锻炼后，黄瓜幼苗叶片含水量下降，束缚水比例上升，气孔阻力及可溶性糖含量增加，黄瓜的CAT和POD活性提高，从而避免了幼苗伤害[44]。此外，由于低温锻炼提高了光合系统(PS)的修复能力，减轻了低温诱导的光抑制[45]。

1.4.2 嫁接 低温使植株根系活力下降，吸收和利用水肥的能力降低。同时，根际低温影响地上部同化物向根部运输。而砧木的根系一般耐低温能力较强，而且根系强大，吸收水肥的能力极强，因而生产上，特别是温室生产中已大面积使用耐低温砧木作嫁接换根，以提高植株耐低温能力。任飞虹对茄类和瓜类嫁接与耐低温冷害的关系进行总结，认为嫁接苗的细胞膜系统较稳定，光合速率呈平稳变化，呼吸速率呈上升状态，使得嫁接苗具有较强的抗冷基础；嫁接苗叶片中MDA积累量都小于自根苗；并随着低温胁迫游离脯氨酸(Pro)大量积累，有利于抗冷性的提高[46]。刘慧英等认为，嫁接苗耐冷性的获得与其对应砧木的耐冷性有直接关系，说明砧木的耐冷性决定着嫁接苗的耐冷性[47]。

1.4.4 培育新品种 选育耐低温冷害新品种是提高设施蔬菜抗冷性的重要措施，设施栽培水平发达的国家最早开展这方面的研究，并选育出一批优质耐低温冷害的设施栽培品种，在我国设施栽培蔬菜品种中占据领先地位，因此加快开展设施蔬菜耐低温冷害新品种选育是我国设施蔬菜育种专家目前工作的重心。段曦对不同类型辣椒品种耐低温性进行研究发现，在低温下野生辣椒幼苗细胞膜系统受害最轻，抗性最强，而灯笼形辣椒和大牛角椒受害最重，提出通过野生辣椒与常规辣椒远缘杂交的方法来选育耐低温品种[53]；许勇等通过耐冷型野生西瓜与普通西瓜杂交，在后代中得到耐冷株系[37]；朱其杰等提出育种过程中，在综合考虑抗病性、丰产性等性状的同时，只要保证亲本之一(一般为父本)的耐低温性较强，就有可能保证F1代耐冷力强且具有优良的综合性状[3，40]。赵福宽等以番茄冷敏感品系T9801为轮回亲本，以耐冷品系T9806为供体亲本，经7代回交选择获得具有较强耐冷性且具有T9801遗传背景的高代回交株系[54]。

1.5 耐低温冷害的鉴定

1.5.1 处理时期 不同学者研究植物耐低温性的鉴定指标不同，其选择的处理时期不同。根据现有鉴定指标，可选择的处理时期主要有种子萌发期；幼苗生长期，一般为3叶1心期至4叶1心期、成株期[14，16，20，33]。

1.5.2 处理温度 不同蔬菜种类、处理时期及测定项目对低温的要求不同，处理温度的选择必须满足在该温度条件下所测定的内容达到了准确鉴定植物耐低温冷害性的要求。张爱华等认为，8 ℃处理的温度条件可以充分表现不同材料间苗期低温胁迫下电导率的差异[16]。许勇等将西瓜幼苗置于不同温度和光照度下比较鉴定效果，认为鉴定西瓜幼苗冷害指数的最适条件为：温度10 ℃、光照度 100 μmol/(m2·s) 或15 ℃、光照度200 μmol/(m2·s)[24]。彭金光等认为，5～10 ℃ 可以作为西瓜种子鉴定耐低温性的适宜温度[29]。王永健等研究认为，黄瓜种子萌发的最敏感温度为13～15 ℃，在此温度范围内，黄瓜不同品种种子发芽率有显著差异，13 ℃低温可使品种间差异很好地反映出来[2]。孙玉宏认为，18 ℃ 时的种子活力指数、人工模拟气候条件下的冷害指数、7 ℃时的电导率可作为甜瓜耐冷性强弱的3种简单、快速、有效的鉴定指标[55]。刘雪梅等以108个辣椒品种为试验材料，在低温(18 ℃)下测定了种子活力[56]。赵波等研究表明，在 10～25 ℃ 范围内，番茄随着处理温度的下降，各品种种子发芽率均下降，发芽率在不同品种间存在显著差异[57]。陈新伟总结了法国番茄耐低温的鉴定方法，在适宜的温湿度条件下播种，待子叶展开后移入昼夜温度分别为13、7 ℃的人工气候室内，30～40 d后调查了幼苗耐低温冷害的各项鉴定指标[58]。

1.5.3 测定项目 根据低温冷害对植物生长特性及生理生化的影响，可以作为鉴定植株耐低温冷害性的测定项目很多，包括冷害指数、种子发芽相关指标、根系活力、MDA含量、电导率、抗氧化酶活性、光合作用指标及渗透调节物含量等。但是有研究表明，部分指标与植株耐低温性的关系存在争议，如何洁等认为低温不但影响叶绿素的合成，更会造成叶绿素降解加剧，低温下叶绿素含量与品种耐低温之间没有明显相关性[59]；高秀瑞等认为，由于各类酶活性测定的时间不同，不同研究结论差异较大，不能仅仅以单一酶活性作为其对细胞膜稳定性的依据[26]。而冷害指数、种子发芽相关指标、MDA含量、电导率以及Pro和可溶性糖含量与耐低温性关系简单明确，被广泛应用于植株耐低温冷害的鉴定中。朱其杰等将低温对黄瓜、西瓜、苦瓜、甜瓜等设施蔬菜的形态伤害归纳为冷害指数，并以此作为耐低温冷害的鉴定指标[3，13，55]。任旭琴等研究了10个辣椒品种的产量、耐低温指数、发芽指数、幼苗冷害指数和营养生长耐低温等指标，评价了不同生育期辣椒品种的耐低温性，认为4 ℃试验条件下的4叶1心期幼苗冷害指数和15 ℃条件下的发芽指数可以作为辣椒品种耐低温性的评价指标[60]。徐跃进等以5 ℃条件下幼苗叶片的电导率、可溶性糖含量、脯氨酸含量为耐冷性鉴定指标，研究了9个不同品种的西葫芦对低温的反应，结果表明品种之间差异明显[21]。彭金光等研究了不同品种西瓜种子在不同低温下的发芽势和发芽率，并对测定值进行抗冷隶属函数处理，结果表明耐冷性综合指标隶属值能较准确地鉴定西瓜种子发芽期的耐冷性[61]。当然任何单一的指标均很难真实反映其耐低温实际情况，因此，最适宜的方法是以植物冷害指数、种子发芽相关指标为早期耐低温鉴定指标，并结合低温条件下植株苗期叶片的MDA含量、电导率以及Pro和可溶性糖含量为验证指标，确保鉴定结果真实可靠。

2 展望

由于我国蔬菜贮藏和运输交通能力不足，目前瓜果蔬菜的产销普遍采用的是在充分利用有利生态条件的前提下实行广泛种植、适当集中与地产地销为主、外地调剂为辅的办法。为了满足本地蔬菜的需求，各地政府均大力发展蔬菜生产，同时为实现蔬菜的周年供应，积极引进和扶持发展设施栽培技术，特别是简易塑料大棚的推广，加快了设施栽培面积的增加[62-63]。据2009年初农业部种植业管理司统计，我国用于园艺产品生产的设施面积达到350万hm2，位居世界第一，然而设施类别中可进行环境调控的现代温室面积却不到 1万hm2，其中日光温室、大棚以及中小拱棚占据绝对优势，这些设备简单、保温性能差、极易因低温异常气候导致设施蔬菜冷害的发生。所以，对设施蔬菜耐低温冷害及其生理特性的研究有重要意义，其应用前景也十分广阔。

目前，国内对设施蔬菜耐低温冷害研究的资源分配明显不均，黄瓜、番茄、辣椒方面的研究较多，而西瓜、甜瓜、茄子、西葫芦方面的研究较少；对在低温条件下种子和幼苗的生理变化研究较多，而对开花、结果及品质受低温影响的生理变化研究较少；对低温冷害生理机制方面的研究较多，而对遗传规律方面的研究较少。对不同设施蔬菜的耐低温冷害鉴定研究很多，也筛选出一些抗冷性强的种质资源，但关于选育出耐低温冷害优质品种的报道较少。

从现有耐低温冷害品种的使用情况来看，耐低温冷害品种可以有效提高品种的耐低温性、减轻低温危害。因此，作为育种单位应特别重视加强与设施蔬菜耐低温冷害品种选育相关的研究，利用耐低温冷害鉴定指标筛选抗性材料，结合物理化学方法诱导小孢子培养、转基因和传统育种技术进行耐低温冷害种质的创建，培育出适合设施生产需要的耐低温冷害优质蔬菜新品种。