高温高湿环境下调亏灌溉对番茄叶片光合和衰老特性的影响

2023-03-30江晓东张建取

中国瓜菜 2023年3期

雷虎，江晓东，张建取

（南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心·江苏省农业气象重点实验室·南京信息工程大学应用气象学院南京 210044）

番茄是我国蔬菜产业的重要组成部分，长江流域是我国番茄的主要生产基地之一，夏季高温是长江中下游地区常见的农业气象灾害[1]。在全球气候变暖的背景下，我国夏季高温发生频率变高、时间变长[2-3]，这将进一步加重封闭温室环境中的高温热害危害程度，严重制约该地区夏季番茄的生产[4]。高温胁迫导致番茄叶片中超氧阴离子自由基（2）和丙二醛（MDA）含量显著提高，引起超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等细胞保护酶活性发生变化，叶片衰老加速[5-6]，导致叶片光合速率降低[7]，植株生长和花芽分化受到抑制[8]，不利于设施番茄的生长发育。高温条件下，灌溉、喷雾等可显著提高番茄的抗高温能力[9-10]，但过量灌溉不仅会引起番茄水分利用效率和产量降低，浪费水资源，还会增加温室环境中的相对湿度，加重番茄的高温热害[11]。

调亏灌溉是以作物需水规律为依据，在对产量无不利影响的前提下，在作物某个生长发育阶段进行人为适当的水分亏缺，从而实现作物节水、高产、优质的水分灌溉技术[12]。大量研究表明，调亏灌溉有利于改善番茄的生长发育状况，提高番茄的品质，开花坐果期至果实膨大期是番茄调亏灌溉的最佳时期[12-14]。目前有关番茄的调亏灌溉的研究多在正常生长环境下开展，在高温胁迫下的研究较少。高温高湿是长江下游地区夏季典型的气候特征，高温胁迫可导致植物细胞生理功能紊乱和衰老[15]。SOD、POD 和CAT 等构成的酶促保护系统能将细胞内的活性氧代谢为H2O 和O2，保持细胞内高的可溶性蛋白含量和低的MDA 含量，维持细胞正常的生理功能。因此，笔者在夏季温室的高温环境下，对处于开花至果实膨大期的番茄进行了不同调亏灌溉处理，测定了番茄叶片的光响应曲线、叶绿素含量、可溶性蛋白含量、MDA 含量和SOD、POD、CAT等保护酶的活性，以期通过对叶片的光合能力和衰老特性的研究，制定夏季高温高湿条件下番茄生产的最佳调亏灌溉措施，为设施番茄生产提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料

试验供试番茄品种为合作903 号，种苗来自南京市蔬菜花卉研究所，种植密度为6 株·m-2。

1.2 试验设计

试验于2021 年6—8 月在南京信息工程大学农业气象试验站Venlo 型玻璃日光温室内进行。温室长30.00 m，宽9.60 m，顶高5.00 m，肩高4.50 m，南北走向。采用Qiu 等[16]的方法计算温室内番茄的潜在蒸散量（ET0），见式（1）。以ET0为标准，设置4 个灌溉处理，分别为：CK（100%ET0）、T1（90%ET0）、T2（75%ET0）和T3（50%ET0）。试验采用完全随机设计，每处理3 次重复，每个灌溉处理小区种植面积5 m2，每小区之间采用PVC 板加塑料薄膜进行隔离，防止灌溉水分相互渗漏。试验从番茄第一穗花现蕾时，开始进行不同的调亏灌溉处理，灌溉频率为每周1 次。

式中，ET0为作物蒸发蒸腾量（mm·d-1），Rn为太阳净辐射（MJ·m-2·d-1），G为土壤热通量（MJ·m-2·d-1），Δ为饱和水汽压的曲线斜率（kPa·℃-1），γ 为湿度计常数（kPa·℃-1），es为饱和水汽压（kPa），ea为实际水汽压（kPa）。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 光响应曲线测定在试验开始的第4 个灌溉周期进行测定，以灌溉当天为第0 天，在灌溉后的第1 天和第6 天，使用LI-6400 便携式光合作用测定系统在08：30—11：30 测定番茄叶片的光响应曲线。每个灌溉水平选取长势相似的植株，选择果位叶进行测定，叶室气体流速设定为500 μmol·s-1，光合有效辐射梯度设定为：1200、1000、800、600、400、300、200、100、50、0µmol·m-2·s-1，每个灌溉处理测定3枚叶片。基于所测Pn数据并采用非直角双曲线方程拟合得到的光响应曲线特征参数，如最大净光合速率（Pm）、表观量子效率（AQY）、暗呼吸速率（Rd）、光补偿点（LCP）、光饱和点（LSP）等[17]，拟合公式为：

式中，Pn为净光合速率（μmol·m-2·s-1），θ为非直角双曲线的凸度；I为光量子通量密度（μmol·m-2·s-1），AQY为表观量子效率，Pm为光饱和时的最大净光合速率（μmol·m-2·s-1），Rd为暗呼吸速率（μmol·m-2·s-1）。

1.3.2 叶绿素含量的测定在灌溉后第6 天光响应曲线测定的同时，使用SPAD-502 叶绿素测定仪测定番茄叶片叶绿素含量，测定时间在8：30—11：30。每个处理测定15 枚叶片，3 次重复。

1.3.3 叶片衰老特性的测定在灌溉后第6 天光响应曲线测定结束后，将测定的叶片剪下，用液氮固定后保存在-40 ℃低温冰箱中，用于进行叶片衰老特性的测定。参考李合生[18]主编的《植物生理生化实验原理和技术》测定SOD 活性、POD 活性、CAT活性、MDA 含量和可溶性蛋白含量。

1.3.4 气象要素观测试验中的气象数据来自于南京信息工程大学农业气象试验站，试验过程中温室内的日平均温度和日平均相对湿度变化见图1。试验期间温室内的平均气温为31.45 ℃，平均相对湿度为69.95%，符合南京夏季高温高湿的气候特征。试验期间番茄生长受到高温高湿胁迫影响。

图1 试验期间温室内的日平均温度和日平均相对湿度变化

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2019 进行数据处理和作图，采用IBM SPSS Statistics 25.0 进行统计检验。

2 结果与分析

2.1 高温胁迫下调亏灌溉对叶片的光响应曲线特征参数的影响

由图2 可以看出，与CK 相比，调亏灌溉对高温胁迫下番茄叶片的光合特性有一定影响。从图2-A可知，灌溉后第1 天，T1 处理的最大净光合速率（Pm）值最大，为4.22 μmol·m-2·s-1，CK 最低，为1.87 μmol·m-2·s-1，T1 与T2 间Pm值无显著差异，但均显著高于T3 和CK，而T3 与CK 间无显著差异。灌溉后第6 天，各处理Pm均减小，CK、T1、T2、T3 较第1 天分别下降16.04%、60.90%、71.46%、60.66%，调亏灌溉处理下降幅度较大。灌溉后第6 天各处理中，T1 的Pm值最大，为1.65 μmol·m-2·s-1，CK 次之，T3最小，为1.07 μmol·m-2·s-1，T1 与CK 间Pm值无显著差异，但均显著高于T2 和T3 处理。以灌溉后第1 天与第6 d 的平均值作为全期平均Pm值，T1、T2、T3 分别较CK 增加70.64%、53.20%、10.17%。可见，在整个灌溉周期中T1 处理可使叶片的Pm值处于较高的水平，CK 处理叶片的Pm变化较小，在灌溉周期的末期，中度（T2）和重度（T3）的调亏灌溉处理叶片的Pm显著降低。

由图2-B 可知，调亏灌溉对高温胁迫下番茄叶片的表观量子效率（AQY）值有一定影响。灌溉后第1 天，番茄叶片的AQY 值表现为T1＞T3＞CK＞T2，T1、CK 和T3 处理间无显著差异，但均显著高于T2 处理。灌溉后第6 天，各处理AQY 下降，表现为T1＞T3＞T2＞CK，T1 的AQY 值为0.02，显著高于其他处理，CK 处理的AQY 值最小，为0.01。可见，在整个灌溉周期中，轻度、重度调亏灌溉可以显著提高灌溉末期叶片在弱光下的光合速率，T1 处理的促进作用最强。

由图2-C 可知，不同处理下番茄暗呼吸速率（Rd）存在差异。灌溉后第1 天，T3 处理Rd为2.40 μmol·m-2·s-1，显著高于其他处理，T1 和T2 处理的Rd分别为1.56 μmol·m-2·s-1和1.41 μmol·m-2·s-1，CK为1.87 μmol·m-2·s-1，CK 与T1 处理无显著差异，T2处理显著低于CK。灌溉后第6 天，T1、T2 和T3 处理的Rd均显著高于CK 处理。与CK 相比，T1、T2、T3 分别平均高出8.11%、10.71%、36.69%。由此可见，高温胁迫下调亏灌溉处理末期番茄叶片的呼吸消耗均高于正常灌溉，T3 的呼吸消耗最大。

由图2-D 可知，灌溉后第1 天，各处理光补偿点值表现为CK＞T3＞T1＞T2，CK 和T3 均显著高于T1 和T2，而T1 和T2 处理间无显著差异。灌溉后第6 天，各处理LCP 值表现为T2＞T1＞T3＞CK，T1、T2 和T3 处理显著高于CK 处理；与CK 相比，T1、T2、T3 分别高8.02%、20.19%、10.21%。可见，在灌溉初期，调亏灌溉处理有利于高温胁迫下的番茄叶片保持较低的LCP，叶片对弱光的利用能力强，以T1 和T2 处理最好，但在灌溉末期，调亏灌溉处理叶片的LCP 值显著升高。

由图2-E 可知，灌溉后第1 天和第6 天，CK 和T1 处理的光饱和点值均较大，两者间无显著差异，但均显著高于T2 和T3 处理，与CK 相比，T2、T3分别降低23.67%、25.44%。T2 和T3 间无显著差异，这说明CK 和T1 处理的番茄叶片对强光的利用能力强，而T2 和T3 处理的叶片对强光的利用能力较差，容易受到光抑制的影响。

2.2 高温胁迫下不同灌溉处理对叶片叶绿素含量的影响

由图3 可知，调亏灌溉处理影响叶片的叶绿素含量，各处理叶绿素含量（SPAD 值）表现为T1＞T2＞CK＞T3，T1 处理叶片叶绿素含量最高，为32.50，比CK 处理提高27.45%。T1 和T2 处理均显著高于T3 和CK 处理，T3 与CK 处理差异不显著，且低于CK 处理9.02%。

图3 不同灌溉处理对番茄叶片叶绿素含量的影响

2.3 高温胁迫下不同灌溉处理对番茄叶片衰老特性的影响

由表1 可知，各处理SOD 活性表现为CK＞T1＞T2＞T3，CK 处理SOD 保持最高活性，显著高于3 个调亏灌溉处理，T1 处理SOD 活性显著高于T2 和T3。不同处理间的POD 活性存在差异，T1和T2 处理显著高于CK 和T3 处理，T1 和T2 之间、CK 和T3 之间POD 活性均无显著差异，T1 处理POD 活性比CK 提高11.25%。T3 处理CAT 活性最低，为17.62 U·g-1，显著低于其他3 个处理，CK 处理CAT 活性最高，但与T1、T2 处理差异不显著。

表1 不同灌溉处理对番茄叶片抗氧化酶活性的影响（U·g-1）

由图4-A 可见，T1 处理的MDA 含量（b）为9.31 μmol·g-1，显著低于其他处理，较CK 低15.97%。T3 处理的MDA 含量最高，表明T1 处理细胞的膜脂过氧化水平较低，而T3 处理细胞膜受损严重。

由图4-B 可知，不同灌溉处理下叶片的可溶性蛋白含量表现为T1＞T2＞CK＞T3，T1 的可溶性蛋白含量显著高于其他处理，T3 处理可溶性蛋白含量最低，为3.61 mg·g-1。与CK 相比，T1、T2 分别升高49.25%、16.08%，T3 降低9.3%。综合分析不同处理下叶片的抗氧化酶活性、MDA 含量和可溶性蛋白含量，可以认为T1 处理叶片衰老程度低，叶片生理活性高，而T3 处理叶片衰老水平较高。

图4 不同灌溉处理对番茄叶片MDA 和可溶性蛋白含量的影响

3 讨论

叶绿素的功能是捕获、传递和转化光能，是光合作用的基础，叶绿素含量的多少可以在一定程度上可反映出番茄叶片的光合能力[19]。研究表明，番茄叶片的叶绿素含量与灌溉量相关，适当的水分亏缺可提高叶绿素含量，但严重水分亏缺或者长时间干旱会导致叶绿体结构破坏，叶绿素分解[20-21]。笔者的研究结果也验证了这点，轻度（T1，90%ET0）和中度（T2，75%ET0）的调控灌溉处理有利于提高高温胁迫下叶片叶绿素含量，而重度的调控灌溉处理（T3，50%ET0）降低叶片叶绿素含量，不利于叶片的光合作用。

光响应特征参数是表征叶片光合作用能力的重要指标，最大净光合速率（Pm）反映了植物叶片最大光合能力；表观量子效率反映了植物在弱光条件下的光合能力，其值越大，说明植物在弱光条件下光能的转换效率越高；光补偿点是叶片呼吸释放CO2与光合作用同化CO2量相等时的光照度，其值越低说明植物对弱光利用能力越强；光饱和点为植物光合能力最强时的光照度，其值越高说明植物对强光的利用能力越强，越不容易受到光抑制；呼吸速率（Rd）为植物在无光照时的呼吸消耗[22]。高的AQY 值和低的Rd值表明植物叶片对光能的利用效率高，高的Pm值、LSP 值和低的LCP 值说明植物叶片对光的利用潜力高。张凯等[23]研究表明水分亏缺使叶片光合作用需要消耗更多的光量子、最大净光合速率变低，导致光能利用率和光合潜能下降，但轻度亏水对番茄叶片光合速率基本无影响。韩国君等[24]也指出，水分胁迫导致番茄叶片光能潜能和利用效率降低的主要原因是叶片最大光合能力和光饱和点显著降低，光补偿点和暗呼吸速率显著增加。笔者的研究结果表明，与充分灌溉CK 相比，轻度调亏灌溉处理T1 可提高灌溉初期和灌溉末期番茄叶片的Pm和AQY，叶片的光能利用效率和利用潜力高，同时，T1 处理初期Rd也比较低，叶片的呼吸消耗少。重度调亏灌溉处理T3 在灌溉末期的Pm、LSP 均显著低于CK，而Rd和LCP 均显著高于CK，叶片的呼吸消耗大，叶片的光能利用效率和利用潜力低。可见，在高温胁迫下，轻度调亏灌溉有利于保持叶片高的光合能力。

SOD、POD、CAT 可有效清除植物体内过量的过氧化氢、超氧自由基等过氧化物，保护细胞的正常代谢。SOD 能够将歧化成H2O2和O2，从而减少活性氧对细胞的伤害；POD 可催化H2O2转化为活性较低的H2O，从而使细胞免受过氧化伤害；CAT主要将H2O2分解，清除过剩自由基，使细胞维持正常的代谢动态[25]。MDA 是细胞膜脂过氧化的产物，其含量越高，表示细胞膜受损程度越大[21]。叶片可溶性蛋白主要是催化和调控植物的代谢和合成过程的酶蛋白，其中Rubisco 含量约占可溶性蛋白含量的50%，与叶片的光合作用直接相关[26]。高温、水分等逆境能引起细胞活性氧的积累[15]，影响SOD、POD、CAT 等酶的活性，造成细胞衰老[27]。张纪涛等[28]、杨再强等[29]指出，番茄叶片中SOD、POD、CAT等酶活性随着处理时间的延长而呈现先增后降的趋势，MDA 含量呈先降后升趋势。牛云慧等[20]、郭海涛等[30]指出，水分亏缺显著降低了番茄叶片蛋白质含量，增加了MDA 含量，且随着水分亏缺程度的增加有加重的趋势。笔者的研究结果也表明，高温胁迫下，随着灌水量的减少，番茄叶片的保护酶系统中SOD、POD 活性和可溶性蛋白含量有下降的趋势，MDA 含量有增加的趋势。在调亏灌溉处理中，T1 处理的MDA 含量显著低于CK，可溶性蛋白含量显著高于CK，表明高温高湿条件下，轻度调亏灌溉处理叶片的抗氧化酶促系统清除活性氧的能力强，细胞膜脂过氧化水平低，生理代谢功能受伤害程度较小。在调亏灌溉处理中，T3 处理的SOD、POD、CAT 活性和可溶性蛋白含量均最低，MDA 含量最高，说明高温高湿条件下，重度调亏灌溉处理引起细胞抗氧化酶促系统功能失效，活性氧和自由基大量积累，细胞膜脂过氧化程度高，可溶性蛋白含量降低，叶片衰老程度高，生理活性低。