根区温度胁迫对番茄幼苗根系生长及蔗糖代谢的影响

刘冰珠 张 锋 雷 蕾 孟宪敏 张梦夏 董春娟 尚庆茂

（中国农业科学院蔬菜花卉研究所，农业农村部园艺作物生物学与种质创制重点实验室，北京 100081）

番茄（Solanum lycopersicum）是重要的蔬菜作物，以育苗移栽为主。培育壮苗是提高番茄产量的先决条件（Dezhabad &Haghighi，2020）。强大的根系是壮苗的重要标志（Nagel et al.，2009）。根系是吸收水分和矿质养分的主要器官，其感受并传递基质/土壤中各种胁迫信号，并且通过改变自身的形态来应对各种逆境胁迫（Malamy，2005；Lamers et al.，2020）。根区温度胁迫已成为制约番茄幼苗生长的主要逆境（傅国海 等，2016；张耀丰，2019；Dezhabad &Haghighi，2020）。探究番茄幼苗对温度胁迫的响应机制有助于提高其抗逆性。

糖及糖代谢在植物响应逆境胁迫中起着重要的作 用（Bhattacharya &Kundu，2020；Yoon et al.，2021；陈宏艳 等，2022）。在胁迫条件下，黄瓜（Du et al.，2010）和番茄（Zhou et al.，2011）根系中糖酵解酶活性上调，促进能量代谢，产生更多能量来适应胁迫。可溶性糖可作为渗透调节物来提高植株抗逆性，常作为判断品种抗逆性强弱的筛选指标。糖还可以作为信号分子在逆境胁迫中起作用。糖信号转导有4 条途径，其中己糖激酶（HXK）信号转导途径中的HXK 和磷酸戊糖（PPP）途径中的关键酶葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G-6-PDH）在响应低温胁迫、干旱胁迫和盐胁迫中均有积极作用（Yang et al.，2014；Li et al.，2017）；糖酵解（EMP）信号转导途径在响应逆境胁迫有间接调控作用（Melvin et al.，2017）。

根区温度胁迫对番茄幼苗地上部的影响已有研究报道（张耀丰，2019；Hmiz &Ithbayyib，2021），但对根系的研究鲜有报道。本试验以耐高低温品种久绿787 和不耐高低温品种硬粉8 号为试材，研究根区10 ℃低温和34 ℃高温对番茄幼苗根系生长及蔗糖代谢的影响，以期为培育番茄壮苗提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料培养

供试番茄材料为耐高低温品种久绿787，购于北京育正泰种子有限公司；不耐高低温品种硬粉8号，由北京市农林科学院蔬菜研究中心提供。

试验于2021 年11 月至2022 年1 月在中国农业科学院蔬菜花卉研究所南区玻璃温室内进行。育苗基质为蛭石，粒径2～4 mm。挑选籽粒饱满的种子于室温下浸种6 h 后，使用5% NaClO 消毒10 min，用蒸馏水反复冲洗，然后在28 ℃条件下恒温催芽。选择发芽一致的种子，播于装有蛭石的纸杯（高13.7 cm，上口径9 cm，底部直径5.8 cm，底部打孔）中，覆盖1.5 cm 厚的蛭石，置于玻璃温室中培养。

1.2 试验设计

于播种后30 d，进行根区10 ℃低温和34 ℃高温处理，以温室中正常栽培的幼苗作为对照（根区平均温度为20 ℃），共胁迫处理6 d；每处理每个品种30 株，3 次重复。根区温度胁迫通过图1 所示的装置实现，挑选生长一致的幼苗，用塑料包裹纸杯置于固定架上，冷暖机设定温度，通过连接水泵，有效控制并保持水槽中水的温度，同时通过隔热棉的设置，增强了水槽的保温效果，减少水槽中温度和水分的散失。利用冷暖机将水槽水温控制在10 ℃实现根区低温胁迫，将水槽水温控制在34 ℃实现根区高温胁迫。根区温度测定方式：将温室娃娃（型号GIS-4-CE-3V）测定地温的探针插入基质内，每隔5 min 记录1 次根区温度，纸杯中基质温度变化范围可以控制在±1 ℃以内，能够满足试验要求（图2）。

图1 控温装置

图2 各处理番茄幼苗根区温度变化

1.3 测定指标与方法

1.3.1 根系形态指标测定 胁迫第6 天取样，每处理4 株。将番茄幼苗根系用清水清洗干净，用剪刀在茎基部剪断，将完整根系置于根系扫描仪（LA-S型，杭州万深检测科技有限公司）中扫描拍照观察，并测定根系总长度、根系表面积、根系体积及不同径级根长和表面积等形态学参数。

1.3.2 根系干鲜质量测定 胁迫第3、6 天取样，每处理3 株。将番茄幼苗根系用清水清洗干净，用剪刀在茎基部剪断，用吸水纸将根系擦干，用电子天平称量根系鲜质量；然后放入烘箱中，105 ℃下杀青15 min 后，80 ℃烘干至恒重，用电子天平称量根系干质量。

1.3.3 根系中糖含量及蔗糖代谢相关酶活性测定 胁迫第0、3、6 天取样，每处理2 株。番茄幼苗根系用清水清洗，水温为各自胁迫温度和室温，洗净后用剪刀在茎基部剪断，用吸水纸擦干根系后放入液氮中，存于-80 ℃冰箱保存。葡萄糖、果糖和蔗糖含量采用离子色谱仪（ICS-3000，Dionex，美国）测定（Dong et al.，2011）。蔗糖磷酸合成酶（SPS）、蔗糖合成酶（SS）分解方向（SS-I）、细胞壁转化酶（CWIN）、可溶性酸性转化酶（SAI）和中性转化酶（NI）活性测定分别参照酶活性测定试剂盒（北京索莱宝科技有限公司）说明书进行。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2019 和Origin 2018 软件处理数据和作图，利用SPPS 26 软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 根区温度胁迫对番茄幼苗根系表型的影响

如图3 所示，与对照（CK）相比，根区10 ℃低温和34 ℃高温对久绿787 和硬粉8 号根系生长均产生了不同程度的抑制，其中硬粉8 号受抑制程度大于久绿787。根区10 ℃低温对2 个番茄品种幼苗根系总长度、表面积和体积均产生了显著抑制，胁迫第6 天久绿787 根系总长度、表面积和体积分别较对照降低了31.1%、28.1%、26.5%，硬粉8 号较对照分别降低了40.0%、36.6%、37.8%（图4）。

图3 根区温度胁迫6 d 后番茄幼苗根系形态观测结果

根区34 ℃高温使2 个品种幼苗根系总长度、表面积和体积较对照均明显降低，胁迫第6 天久绿787 根系总长度和表面积均显著低于对照，较对照分别降低了23.2%、23.6%，根系体积较对照降低了22.2%，但未与对照有显著差异；而硬粉8 号根系总长度、表面积和体积均显著低于对照，较对照分别降低了30.3%、29.2%和29.0%（图4）。

2.2 根区温度胁迫对番茄幼苗不同径级根系形态的影响

如图5 所示，2 个番茄品种幼苗根系长度占比最大的径级范围基本一致，主要集中在0～0.5 mm，且此区间根系长度占总长度的比例相差不大，均达93.0%～95.0%。随着径级的增大，根系长度占比逐渐减少。根区10 ℃低温胁迫使久绿787 在径级0～0.2 mm 和0.2～0.5 mm 中的根系长度较对照分别降低了37.6%、24.4%，硬粉8 号较对照分别降低了50.7%、29.7%。根区34 ℃高温胁迫使久绿787 在径级0～0.2 mm 和0.2～0.5 mm 中的根系长度较对照分别降低了20.6%、26.3%，硬粉8 号较对照分别降低了33.1%、27.9%。对照、根区10℃低温和根区34 ℃高温处理的久绿787细根（≤0.5 mm）总长度分别是相应处理硬粉8 号的1.52、1.75、1.68 倍。表明，久绿787 细根根长在根区温度胁迫中受抑制程度低于硬粉8 号。

图5 根区温度胁迫后番茄幼苗根系长度、表面积和体积在不同径级中的变化

2 个品种幼苗根系表面积在径级0.2～0.5 mm的占比最大，其次是径级0～0.2 mm，表明径级为0～0.5 mm 的根系是番茄幼苗吸收水分与矿物营养的主体。根区10 ℃低温处理的久绿787 在径级0.2～0.5 mm 的根系表面积较对照降低了24.0%，硬粉8 号较对照降低了30.2%。根区34 ℃高温处理的久绿787 在径级0.2～0.5 mm 的根系表面积较对照降低了27.0%，硬粉8 号较对照降低了27.9%。对照、根区10 ℃低温和根区34 ℃高温处理的久绿787 细根表面积分别是相应处理硬粉8 号的1.50、1.68、1.59 倍。表明，久绿787 细根吸收面积在根区温度胁迫中受抑制程度低于硬粉8 号。

2 个品种幼苗根系在径级0.2～0.5 mm 的体积占总体积的比例最大，其次是径级0.5～1.0 mm 和＞1.0 mm，占比最小的为径级0～0.2 mm。径级＞0.5 mm 的根系长度和表面积占比远小于径级0～0.2 mm 的占比，但根系体积占比明显高于0～0.2 mm径级占比，表明径级＞0.5 mm 的根系主要起运输和支持作用。对照、根区10 ℃低温和根区34 ℃高温处理的久绿787 细根（≤0.5 mm）和粗根（＞0.5 mm）根系体积分别是相应处理硬粉8 号的1.49、1.67、1.54 倍和1.55、1.96、1.85 倍。

2.3 根区温度胁迫对番茄幼苗根系生物积累量的影响

如表1 所示，除久绿787 的根系干质量外，根区10 ℃低温处理均使2 个品种幼苗根系鲜、干质量受到不同程度抑制。根区10 ℃低温处理的久绿787 和硬粉8 号根系鲜、干质量在胁迫第3 天与对照相比均无显著差异；胁迫第6 天，久绿787 根系干质量显著低于对照，较对照降低了17.8%，而硬粉8 号根系鲜、干质量均受到显著抑制，较对照分别降低了22.8%和41.4%。

表1 根区温度胁迫对番茄幼苗根系鲜、干质量的影响

根区34 ℃高温处理对久绿787 根系鲜、干质量的抑制程度较小，均与对照显著不差异；硬粉8号根系鲜、干质量在胁迫第3 天时显著高于对照，而胁迫第6 天时均低于对照，其中根系干质量显著低于对照，较对照降低了20.7%。

2.4 根区温度胁迫对番茄幼苗根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量的影响

如图6 所示，根区10 ℃低温处理第3、6 天时，2 个番茄品种幼苗根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量均显著高于对照。其中，久绿787 根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量在胁迫第3 天较对照分别增加了30.8%、39.8%、77.0%，胁迫第6 天较对照分别增加了170.4%、148.4%、56.2%；硬粉8 号胁迫第3 天较对照分别增加了58.3%、133.6%、147.6%，胁迫第6 天较对照分别增加了232.1%、272.9%、165.7%。虽然久绿787 根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量的增长率低于硬粉8 号，但其含量高于硬粉8 号。

图6 根区温度胁迫对番茄幼苗根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量的影响

与对照相比，根区34 ℃高温胁迫下久绿787和硬粉8 号根系中葡萄糖和果糖含量均呈先降低后增加的变化趋势，且在胁迫第6 天时显著高于对照；而蔗糖含量均显著增加。胁迫第6 天，久绿787 根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量较对照分别增加了46.5%、27.1%和56.9%，硬粉8 号较对照分别增加了110.3%、110.5%和119.3%。虽然久绿787 根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量的增长率低于硬粉8号，但其含量仍高于硬粉8 号。

2.5 根区温度胁迫对番茄幼苗根系蔗糖代谢相关酶活性的影响

由图7 可知，根区10 ℃低温胁迫使久绿787根系蔗糖代谢相关酶活性随胁迫时间延长呈逐渐上升的趋势，而硬粉8 号酶活性变化趋势各不相同。根区10 ℃低温处理的久绿787 在胁迫第3 天SPS 活性显著高于对照，SS-I 活性显著低于对照，CWIN、SAI 和NI 活性与对照均无显著差异；胁迫第6 天，SPS、SAI 和NI 活性均显著高于对照，SS-I 和CWIN 活性与对照无显著差异。根区10 ℃低温处理的硬粉8 号在胁迫第3 天除NI 活性受到显著抑制外，其余酶活性与对照差异均不显著；胁迫第6 天，SPS 和CWIN 活性均显著低于对照，SS-I 和NI 活性与对照均无显著差异，SAI 活性显著高于对照。表明，久绿787 在根区低温胁迫中根系蔗糖代谢相关酶活性受抑制程度要低于硬粉8号，且低温胁迫下蔗糖代谢中积极响应的酶为SPS和SAI。

根区34 ℃高温胁迫使2 个品种幼苗根系蔗糖代谢中分解酶（SS-I、CWIN、SAI 和NI）活性均显著低于对照。根区34 ℃高温处理的久绿787 在胁迫第6 天SPS 活性高于对照，但未达显著水平；硬粉8 号SPS 活性与对照相比呈先增加后降低的变化趋势，在胁迫第3 天时显著高于对照，胁迫第6天时显著低于对照。

3 结论与讨论

根区温度胁迫是影响植物生长的重要因素（Tahir et al.，2010），使幼苗株高、茎粗、叶面积以及生物积累量等受到抑制，叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率等下降，进而影响光合作用（张耀丰，2019；陈连珠 等，2020；Hmiz &Ithbayyib，2021）。张耀丰（2019）研究表明，番茄幼苗在根区低温胁迫下根系长度、表面积、体积等表型指标均受到显著抑制。李润儒（2015）研究发现，根区35 ℃高温对叶用莴苣（生菜）根系生长产生显著抑制。本试验结果表明，番茄幼苗在根区10 ℃低温和34 ℃高温胁迫下根系总长度、表面积和体积均受到明显抑制，久绿787 根系表型指标受抑制程度要小于硬粉8 号，与陈连珠等（2020）研究根区35.8 ℃高温对耐热与不耐热苗用型大白菜根系的影响结果相似。根区温度胁迫对久绿787根系生物积累量的显著抑制只发生在10 ℃低温胁迫下，而硬粉8 号在10 ℃低温和34 ℃高温胁迫下均有发生。

根系长度和表面积是衡量根系吸收水分和矿物营养能力的重要因子（孙三杰 等，2012）。不同径级的根系吸收能力不同，径级较小的细根吸收能力最强（Sullivan et al.，2000）。根区温度胁迫使久绿787 细根（≤0.5 mm）根长和表面积均受到抑制，但受抑程度明显低于硬粉8 号，表明胁迫处理后的久绿787 根系吸收水分和矿质营养能力要强于硬粉8 号。粗根（＞0.5 mm）虽然在根长和根系表面积中的占比较小，但在根系体积中的占比高于径级为0～0.2 mm 的细根，表明粗根起着重要的运输和支持作用。

单羽等（2021）研究表明，可溶性糖在提高植物抗性中的作用很大，一部分用于自身代谢所需的能量物质；一部分用于积累含量，作为渗透调节物，提高抗性。本试验中，根区温度胁迫第6 天时2 个番茄品种幼苗根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量均增加，可提高其抗性，但糖含量变化在10 ℃低温胁迫和34 ℃高温胁迫下有差别，根区10 ℃低温处理的2 个品种幼苗根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量均显著高于对照，起到抗逆作用，与张耀丰（2019）研究根区低温胁迫叶片糖含量结果相似。根区34 ℃高温处理主要促进了根系中蔗糖的积累，与短期35 ℃高温胁迫（张洁 等，2006）和昼夜35 ℃高温胁迫（郭金妹 等，2007）对番茄幼苗叶片中糖含量的影响结果相似。根区10 ℃低温和34 ℃高温处理的久绿787 根系中葡萄糖、果糖和蔗糖含量均高于硬粉8 号，但增长率明显低于硬粉8 号，这可能与久绿787 细根（≤0.5 mm）生长受抑制程度低于硬粉8 号，其需要靠分解糖来提供能量和其他物质，而硬粉8 号根系中可溶性糖多以渗透调节物起抗逆作用有关。

蔗糖代谢相关酶主要包括催化合成蔗糖的蔗糖磷酸合成酶（SPS）；分解蔗糖的蔗糖合成酶（SS）分解方向（SS-I）和转化酶（INV），INV 又可分为细胞壁转化酶（CWIN）、可溶性酸性转化酶（SAI）和中性转化酶（NI）。本试验中，NI 活性比其他分解酶活性低很多，与程智慧等（2007）研究结果一致。根区温度胁迫对番茄幼苗根系蔗糖代谢的影响较为复杂。根区10 ℃低温和34 ℃高温处理的久绿787 根系中SPS 活性均有明显升高的趋势，表明SPS 在响应温度胁迫中起积极作用，而分解酶（SS-I、CWIN、SAI 和NI）活性表现截然不同，根区10 ℃低温处理的根系中分解酶活性显著高于根区34 ℃高温处理。久绿787 和硬粉8 号在根区10 ℃低温处理下分解酶活性变化各不同，与华利静（2011）的研究结果相似。INV 在响应低温胁迫中有重要作用（Ruan et al.，2010；Ruan，2014），本试验中，根区10 ℃低温处理第6 天时2 个番茄品种根系中SAI 活性均显著高于对照，表明转化酶中SAI 主要响应低温胁迫。高温胁迫抑制SS-I 和INV 的活性（张洁 等 2006；郭金妹 等，2007；陈宏艳 等，2022），与本试验中根区34 ℃高温处理对2 个品种根系中分解酶（SS-I、CWIN、SAI 和NI）的活性均产生显著抑制的结果一致。