低温胁迫下番茄嫁接苗根穗互作对叶片光合作用及氮代谢的影响.pdf

园艺学报， 2018， 45 (5)： 897 907. Acta Horticulturae Sinica doi： 10.16420/j.issn.0513-353x.2017-0600； http： /www. ahs. ac. cn 897 收稿日期 ： 2018 02 07； 修回日期 ： 2018 05 02 基金项目 ： 山东省现代农业产业技术体系专项基金项目（ SDAIT-05-05） ；山东省双一流学科建设项目（ SYL2017YSTD06） * 通信作者 Author for correspondence（ E-mail： xukunsdau.edu.cn） 低温胁迫下番茄嫁接苗根穗互作对叶片光合作用及氮代谢的影响 韩 敏1，曹逼力1，刘树森2，徐 坤1,*（1山东农业大学园艺科学与工程学院，山东果蔬优质高效生产协同创新中心 /农业部黄淮地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室，山东泰安 271018；2山东省寿光市三木种苗有限公司，寿光市尧水街国家现代种业创新创业研发基地（寒桥） ，山东寿光 262704） 摘 要： 为探讨番茄根系与接穗及其互作效应对嫁接苗耐冷性的影响，以耐冷番茄 060112（ R）和冷敏感番茄 060911 （ S）为试材，采用靠接法进行嫁接，组成双根 /双穗嫁接苗 RS/RS，嫁接苗成活后，通过断根或断穗，形成 6 个根 /穗处理（ R/R、 R/RS、 R/S、 S/R、 S/RS、 S/S） ，置于光强 22 klx、光周期 12 h/12 h 的光照培养箱内，测定 0 d 和昼夜温度 10 /3 低温胁迫 9 d 及 25 / 15 常温恢复 3 d 过程中嫁接苗叶片光合参数及氮代谢相关指标的变化。统计分析表明，低温胁迫降低了番茄嫁接苗叶片色素、水分含量及光合速率（ Pn） 、气孔导度（ Gs） 、气孔限制值（ Ls） ，但以 R 为根系嫁接苗（ R/R、 R/RS、R/S）降幅显著小于 S 根系嫁接苗（ S/R、 S/RS、 S/S） ，相同根系嫁接苗相关指标则以 R 为接穗的叶片较高， S 接穗较低， RS 接穗居中，表明低温胁迫下 R 根系或 R 接穗嫁接苗光合同化力显著高于 S。低温胁迫使各处理嫁接苗叶片硝酸还原酶（ NR） 、谷氨酰胺合成酶（ GS）和谷氨酸合酶（ GOGAT）等氮代谢关键酶活性显著降低，游离氨基酸和 NH4+-N 含量显著升高，而 NO3-N 含量则降低，但除 NH4+-N 含量外，均以 R 为根系或 R 为接穗嫁接苗的叶片较高， S 较低， RS 居中，表明低温胁迫下耐冷性强的 R 根系嫁接苗氮同化力显著高于 S 根系，且相同根系又以 R 接穗嫁接苗叶片氮同化力显著高于 S 接穗。具“ RS”双接穗的嫁接苗， 以 R 接穗叶片的光合与氮同化力显著高于 S 接穗， 且根穗互作效应的 P 值小于 0.05 或 0.01，表明根、穗对嫁接苗光合作用与氮代谢存在显著或极显著的互作效应。 关键词： 番茄；砧木；嫁接；低温胁迫；光合作用；氮代谢 中图分类号： S 641.2 文献标志码： A 文章编号： 0513-353X（ 2018） 05-0897-11 Effects of Rootstock and Scion Interaction on Photosynthesis and Nitrogen Metabolism of Grafted Tomato Seedlings Leaves Under Low Temperature Stress HAN Min1， CAO Bili1， LIU Shusen2， and XU Kun1,* （1College of Horticulture Science and Engineering， Shandong Agricultural University， Shandong Collaborative Innovation Center of Fruit Vegetable Quality and Efficient Production， Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops in Huang-Huai Region， Ministry of Agriculture， Taian， Shandong 271018， China；2Shandong Shouguang San Mu Seedling Corporation Limited， Shouguang Yaoshui Street National Modern Seed Industry Innovation and Entrepreneurship Research and Development Base（ Hanqiao） ， Shouguang， Shandong 262704， China） Abstract： In order to investigate the effect of tomato rootstock， scion and their potential interaction Han Min， Cao Bili， Liu Shusen， Xu Kun. Effects of rootstock and scion interaction on photosynthesis and nitrogen metabolism of grafted tomato seedlings leaves under low temperature stress. 898 Acta Horticulturae Sinica， 2018， 45 (5)： 897 907. on chilling tolerance， we grafted chilling-sensitive tomato cultivar 060911 （ S） and chilling-resistant tomato cultivar 060112 （ R） . We then selectively removed rootstock or scion from the grafted seedlings RS/RS， and incubated the newly formed 6 varieties of seedlings， i.e. R/R， R/RS， R/S， S/R， S/RS， S/S in the growth chamber with light intensity of 22 klx and photoperiod 12 h/12 h. The seedlings were treated with low temperature at 10 /3 for 9 days and recovered at 25 /15 for 3 days. Photosynthetic parameters and indexes related to nitrogen metabolism were measured after the chilling treatment and after the recovery. The results showed that low temperature stress reduced the photosynthesis of tomato grafted seedlings. Among these 6 varieties of grafted seedlings， S/S seedlings displayed the lowest photosynthetic rate（ Pn） while R/R seedlings displayed the highest. Meanwhile， R/R seedlings showed the highest pigment， water content， stomatal conductance（ Gs） and stomatal limitation（ Ls） . While RS/R， S/R，R/S， RS/S seedlings were intermediate between R/R and S/S regarding the pigment， water content， Pn，Gsand Ls， indicating that the photosynthetic assimilatory power of grafted seedlings with R as root or scion was significantly higher than that of S. Meanwhile， the content of NO3-N and the activities of nitrate reductase（ NR） ， glutamine synthetase（ GS） and glutamate synthase （ GOGAT） were significantly decreased in low temperature stress， while the content of free amino acids and NH4+-N was significantly increased. However， in addition to NH4+-N content， the content of NO3-N and the activities of NR， GS and GOGAT in leaves of RS/R， S/R， R/S， RS/S seedlings were lower than that of R/R， but higher than S/S. The results showed that the nitrogen assimilatory power of R root or scion was higher than that of S. Moreover， the photosynthesis and nitrogen assimilatory power of RS-R was significantly higher than those of RS-S， and the P value of interaction was less than 0.05. The results showed that rootstock and scion had significant interaction effect on photosynthesis and nitrogen metabolism of grafted seedlings. Keywords： tomato； rootstock； grafting； low temperature stress； photosynthesis； nitrogen metabolism 低温冷害可导致植物许多生理过程的紊乱（ Theocharis et al.， 2012） ，而光合作用是植物受低温冷害影响最明显的生理过程之一（ Bilska & Sowinski， 2010） 。研究发现，低温冷害能够影响包括水气交换通道、光合电子传递及碳同化在内的光合作用的主要环节，往往表现为光合机构损伤，严重影响光合产物的形成和能量的产生（ Liu et al.， 2012； Zhang et al.， 2014） 。而植物叶片的光合能力与氮代谢密切相关（ Dubey et al.， 2017； Otori et al.， 2017） ，光合作用所产生的能量 20% 25%用于支持氮代谢，甚至在某些组织中可达 55%（ Huppe & Turpin， 1994） 。此外，植物中大部分同化的氮素及参与氮代谢的关键酶，如硝酸还原酶（ NR）和谷氨酰胺合成酶（ GS）也参与光合作用和碳水化合物代谢（ Nunes-Nesi et al.， 2010） 。因此，较高的氮水平可增强植物的光合作用，促进其生长发育（韩炳宏 等， 2016； Zhong et al.， 2017） ，但低温胁迫下植物叶片氮代谢物质含量及相关酶活性均显著降低（高青海 等， 2016； Shu et al.， 2016） 。 目前生产上常利用嫁接技术来提高作物的耐冷性（ Ntatsi et al.， 2017； Poudyal et al.， 2017） ，但有关嫁接影响作物耐冷性的研究大多集中在砧木对嫁接苗的影响方面 （ Gao et al.， 2016； Oustric et al.， 2017） ，关于接穗及根穗互作对嫁接苗耐冷性影响的研究相对较少。番茄（ Solanum lycopersicum L.）为喜温作物，极易受低温危害（ Venema et al.， 2005） ，而关于低温胁迫下根穗互作对番茄嫁接苗叶片光合特性及氮代谢的影响鲜有报道。本试验中以耐冷性显著不同的两个番茄砧木为试材，研究低温胁迫下不同根穗组合番茄嫁接苗叶片光合参数及氮代谢相关指标的变化，以期探讨根系、接韩 敏，曹逼力，刘树森，徐 坤 . 低温胁迫下番茄嫁接苗根穗互作对叶片光合作用及氮代谢的影响 . 园艺学报， 2018， 45 (5)： 897 907. 899 穗及互作效应在增强番茄嫁接苗抗冷性中的贡献大小，为合理选用砧穗品种增强番茄耐冷性提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 试验材料与设计 试验于 2015 2016 年在山东农业大学进行。供试材料为耐冷番茄 060112（ R）和冷敏感番茄 060911 （ S） ，均为课题组自选品系（韩敏 等， 2018） 。幼苗经 Hoaglands 营养液培养至五叶一心时，采取靠接法嫁接，组成双根 /双穗 RS/RS 嫁接苗。嫁接后前 3 d 进行遮光，白天温度控制在25 28 ，夜间 17 20 ，相对湿度保持在 95%以上， 3 d 后逐渐见光并降温降湿。嫁接苗成活后，通过断根或断穗，形成 6 个不同“根 /穗”嫁接苗处理 R/R、 R/RS、 R/S、 S/R、 S/RS 和 S/S。每处理 3 次重复共 60 株。待接穗长出 3 片新叶后移入光强 22 klx、光周期 12 h/12 h 的 GXZ-500D 智能光照培养箱内，先在昼 /夜温度为 20 /10 条件下预处理 2 d，后置于昼 /夜温度为 10 /3 条件下进行低温处理 9 d，之后在昼 /夜温度为 25 /15 下恢复 3 d。试验过程中选取幼苗上数第 3 片展开叶进行相关指标的测定。 1.2 测定项目与方法 采用 PP-Systems 公司生产的 CIRAS-3 型便携式光合仪测定叶片的净光合速率（ Pn）、气孔导度（ Gs）、胞间 CO2浓度（ Ci）等光合参数。控制光源 PAR（ 800 mol m-2 s-1）、 CO2浓度（ 380 L L-1），温度（ 25 ）。气孔限制值（ Ls） = 1 Ci/Ca，其中 Ca为大气 CO2浓度。 叶片叶绿素含量采用乙醇提取比色法测定（赵世杰 等， 2002） ；相对含水量和硝态氮（ NO3-N）含量参照赵世杰等（ 2002）的方法测定；铵态氮（ NH4+-N）含量采用靛酚蓝分光光度法测定（ Cruz et al.， 2006） ；游离氨基酸含量采用茚三酮法测定（王文平， 1998） ；硝酸还原酶（ NR）活性采用活体法测定（赵世杰 等， 2002） ；谷氨酰胺合成酶（ GS）参照 Wang 等（ 2008）的方法测定；谷氨酸合酶（ GOGAT）活性参照 Groat 和 Vance（ 1981）的方法测定。 1.3 数据处理 试验数据采用 Excel 及 DPS 软件，依据裂区试验设计进行统计处理。 2 结果与分析 2.1 不同处理番茄嫁接苗叶片色素及水分含量的变化 表 1 是 6 种根 /穗组合番茄嫁接苗分别在低温胁迫 0 d 和 9 d 以及常温恢复 3 d 时接穗（双穗分别检测，表示为 RS-R， RS-S）叶片的色素及水分含量。为了分析根、穗及其互作对嫁接苗叶片色素及水分含量的影响，采用裂区试验统计方法进行多重比较，结果（表 2）表明，低温胁迫前，即 0 d 时各处理叶片的相对含水量、叶绿素及类胡萝卜素含量均无显著差异；低温胁迫 9 d 时，上述指标均显著降低，但以 R 为根系或接穗嫁接苗叶片的色素和水分含量较高，以 S 为根系或接穗嫁接苗叶片的色素和水分含量较低， RS 嫁接苗居中；低温胁迫 9 d 时，以 R 为根系嫁接苗叶片的相对含水量、叶绿素及类胡萝卜素含量分别比以 S 为根系嫁接苗高 25.18%、 36.11%和 55.56%；以 R 或 S 为Han Min， Cao Bili， Liu Shusen， Xu Kun. Effects of rootstock and scion interaction on photosynthesis and nitrogen metabolism of grafted tomato seedlings leaves under low temperature stress. 900 Acta Horticulturae Sinica， 2018， 45 (5)： 897 907. 接穗的嫁接苗叶片相关指标变化也有相似的趋势，而在 RS 双穗中， R 叶片相关指标亦显著高于 S叶片。常温恢复 3 d 后，各处理嫁接苗叶片色素及水分含量均显著增加。低温胁迫 9 d 及常温恢复 3 d 时，根、穗对嫁接苗叶片相对含水量、叶绿素及类胡萝卜素含量均表现出显著（ P 0.05）或极显著（ P 0.01）的互作效应。 表 1 不同根穗组合番茄嫁接苗叶片色素及水分含量 Table 1 Leaf pigment and water content of leaves in grafted tomato seedlings with different roots or scion combinations 根 /穗组合 Root/scion combination 测定接穗 Scion 叶绿素含量/（ mg g-1FW） Chlorophyll content 类胡萝卜素含量/（ mg g-1FW） Carotenoids content 0 d 9 d 9 d + 3 d 0 d 9 d 9 d + 3 d R/RS RS-R 1.50 0.015 1.04 0.004 1.27 0.005 0.24 0.002 0.14 0.002 0.19 0.004 RS-S 1.51 0.017 0.95 0.007 1.25 0.002 0.23 0.006 0.13 0.003 0.17 0.005 R/R R 1.50 0.013 1.06 0.009 1.30 0.001 0.23 0.003 0.17 0.001 0.19 0.002 R/S S 1.50 0.014 0.88 0.008 1.19 0.006 0.24 0.001 0.11 0.004 0.17 0.008 S/RS RS-R 1.49 0.016 0.74 0.006 1.09 0.008 0.21 0.005 0.09 0.002 0.14 0.009 RS-S 1.50 0.012 0.69 0.001 1.07 0.009 0.23 0.002 0.08 0.003 0.11 0.007 S/R R 1.51 0.015 0.81 0.009 1.13 0.007 0.23 0.003 0.11 0.001 0.14 0.009 S/S S 1.49 0.018 0.66 0.002 1.00 0.004 0.22 0.004 0.07 0.001 0.11 0.009 根 /穗组合 Root/scion combination 测定接穗 Scion 相对含水量 /% Relative water content 0 d 9 d 9 d + 3 d R/RS RS-R 76.53 0.801 58.14 0.204 66.16 1.003 RS-S 75.44 1.003 54.70 0.103 64.74 0.104 R/R R 77.82 0.204 60.26 0.071 67.10 0.072 R/S S 77.13 1.102 51.17 1.002 61.26 0.201 S/RS RS-R 77.71 0.402 46.35 0.201 57.63 0.091 RS-S 76.21 0.701 42.94 0.303 55.44 0.602 S/R R 75.41 1.203 49.26 0.904 60.94 0.403 S/S S 75.67 0.602 40.62 0.602 51.43 0.402 注： R 代表耐冷番茄砧木 060112 ， S 代表冷敏感番茄砧木 060911； RS-R 和 RS-S 分别代表双穗中的 R 和 S 穗； 0、 9 和 9 d + 3 d分别表示低温胁迫 0 d、 9 d 及常温恢复 3 d。 Note： R stands for cold resistant tomato rootstock 060112 and S stands for cold sensitive tomato rootstock 060911 . RS-R and RS-S represent the R and S scion in the double scion， respectively. 0 d， 9 d and 9 d + 3 d represent 0 d， 9 d low temperature stress and temperature recovery 3 d，respectively. 表 2 相同根或穗组合番茄嫁接苗叶片色素及水分含量平均值的多重比较 Table 2 Multiple analysis of average value of leaf pigment and water content of leaves in grafted tomato seedlings with same roots or scion combinations 因子 Factor 根或穗（组合） Root or scion（ Combination） 叶绿素含量/（ mg g-1FW）Chlorophyll content 类胡萝卜素含量/ （ mg g-1FW） Carotenoids content 相对含水量/ % Relative water content 0 d 9 d 9 d + 3 d 0 d 9 d 9 d + 3 d 0 d 9 d 9 d + 3 d根 Root R（ R/RS-R， R/RS-S， R/R， R/S） 1.51 a 0.98 a 1.25 a 0.23 a 0.14 a 0.18 a 76.73 a 56.07 a 64.82 aS（ S/RS-R， S/RS-S， S/R， S/S） 1.50 a 0.72 b 1.07 b 0.22 a 0.09 b 0.13 b 76.25 a 44.79 b 56.36 b穗 Scion RS-R（ R/RS-R， S/RS-R） 1.50 a 0.89 b 1.18 b 0.23 a 0.11 b 0.16 b 77.12 a 52.25 b 61.90 bRS-S（ R/RS-S， S/RS-S） 1.51 a 0.82 c 1.16 c 0.23 a 0.10 c 0.14 c 75.83 a 48.82 c 60.09 cR（ R/R， S/R） 1.51 a 0.94 a 1.21 a 0.23 a 0.14 a 0.17 a 76.62 a 54.76 a 64.02 aS（ R/S， S/S） 1.50 a 0.77 d 1.09 d 0.23 a 0.09 d 0.14 c 76.40 a 45.90 d 56.35 dP 值 P value 根 Root 0.767 0 0 0.341 0 0 0.356 0 0 穗 Scion 0.928 0 0 0.982 0 0 0.368 0 0 根 穗 Roo t Scion 0.978 0 0.024 0.751 0 0 0.065 0.003 0 注：表中数值后小写字母表示同一因子不同根或穗（组合）差异达 0.05 显著水平。 Note： Values in the same factor of different root or scion combination followed by different small letters are significant at 0.05 level. 韩 敏，曹逼力，刘树森，徐 坤 . 低温胁迫下番茄嫁接苗根穗互作对叶片光合作用及氮代谢的影响 . 园艺学报， 2018， 45 (5)： 897 907. 901 2.2 不同处理番茄嫁接苗叶片净光合速率的变化 如表 3、表 4 所示，低温胁迫前（ 0 d）不同处理番茄嫁接苗叶片净光合速率（ Pn）无显著差异，低温胁迫过程中均不断下降，但降幅显著不同。无论根系还是接穗，均以 R 嫁接苗叶片 Pn较高， S较低， RS 居中。低温胁迫 9 d 时，以 R 为接穗嫁接苗叶片的 Pn为 2.20 mol m-2 g-1，较以 S 为接穗高 158.82%；而以 R 为根系嫁接苗较以 S 为根系的高 254.29%，说明根系对嫁接苗 Pn的影响大于接穗。除低温胁迫前根、穗对嫁接苗 Pn的交互效应不显著外，低温胁迫及常温恢复过程中根穗间均存在极显著的交互效应。 表 3 不同根穗组合番茄嫁接苗叶片净光合速率 Table 3 Leaf photosynthetic rate of grafted tomato seedlings with different roots or scion combinations mol m-2 g-1根 /穗组合 Root/scion combination 测定 接穗 Scion 低温处理天数（ + 恢复天数） Low temperature stress days（ + Recovery days） 0 d 1 d 3 d 6 d 9 d 9 d + 1 d 9 d + 3 d R/RS RS-R 11.30 0.901 9.30 0.030 6.00 0.005 4.10 0.091 3.00 0.016 5.10 0.011 7.80 0.014 RS-S 11.50 0.310 7.80 0.010 5.10 0.018 3.50 0.095 2.20 0.035 3.90 0.028 6.60 0.023 R/R R 10.90 0.520 10.00 0.093 6.50 0.012 4.40 0.037 3.20 0.022 5.20 0.035 7.80 0.037 R/S S 10.80 0.802 6.60 0.031 4.50 0.015 3.20 0.028 1.50 0.019 3.50 0.010 6.00 0.015 S/RS RS-R 11.50 0.410 5.10 0.092 2.30 0.005 1.50 0.010 0.90 0.027 2.70 0.039 5.40 0.014 RS-S 11.40 0.502 4.30 0.011 1.90 0.095 1.20 0.012 0.50 0.038 1.90 0.035 4.20 0.029 S/R R 11.40 0.906 6.00 0.032 3.30 0.008 2.20 0.024 1.20 0.021 2.80 0.027 6.00 0.016 S/S S 11.30 0.301 3.60 0.041 1.20 0.015 0.90 0.035 0.20 0.013 1.30 0.014 3.60 0.018 注： R 代表耐冷番茄砧木 060112 ， S 代表冷敏感番茄砧木 060911； RS-R 和 RS-S 分别代表双穗中的 R 和 S 穗； 0、 9 和 9 d + 3 d分别表示低温胁迫 0 d、 9 d 及常温恢复 3 d。 Note： R stands for cold resistant tomato rootstock 060112 and S stands for cold sensitive tomato rootstock 060911 . RS-R and RS-S represent the R and S scion in the double scion， respectively. 0 d， 9 d and 9 d + 3 d represent 0 d， 9 d low temperature stress and temperature recovery 3 d，respectively. 表 4 相同根或穗组合番茄嫁接苗叶片净光合速率平均值的多重比较 Table 4 Multiple comparison of average value of leaf photosynthetic rate of grafted tomato seedlings with same roots or scion combinations mol m-2 g-1因子 Factor 根或穗（组合） Root or scion（ Combination） 低温处理天数（ + 恢复天数） Low temperature stress days（ + Recovery days） 0 d 1 d 3 d 6 d 9 d 9 d + 1 d 9 d + 3 d 根 Root R（ R/RS-R， R/RS-S， R/R， R/S） 11.13 a 8.43 a 5.53 a 3.80 a 2.48 a 4.43 a 7.05 a S（ S/RS-R， S/RS-S， S/R， S/S） 11.40 a 4.75 b 2.18 b 1.45 b 0.70 b 2.18 b 4.80 b 穗 Scion RS-R（ R/RS-R， S/RS-R） 11.40 a 7.20 b 4.15 b 2.80 b 1.95 b 3.90 a 6.60 b RS-S（ R/RS-S， S/RS-S） 11.45 a 6.05 c 3.50 c 2.35 c 1.35 c 2.90 b 5.40 c R（ R/R， S/R） 11.15 a 8.00 a 4.90 a 3.30 a 2.20 a 4.00 a 6.90 a S（ R/S， S/S） 11.05 a 5.10 d 2.85 d 2.05 d 0.85 d 2.40 c 4.80 d P 值 P value 根 Root 0.235 0 0 0 0 0 0 穗 Scion 0.537 0 0 0 0 0 0 根 穗 Root Scion 0.744 0.006 0.009 0.003 0 0.003 0.001 注：表中数值后小写字母表示同一因子不同根或穗（组合）差异达 0.05 显著水平。 Note： Values in the same factor of different root or scion combination followed by different small letters are significant at 0.05 level. 2.3 不同处理番茄嫁接苗叶片气孔导度、胞间 CO2浓度及气孔限制值的变化 如表 5、 表 6 所示， 低温胁迫前 0 d 不同处理番茄嫁接苗叶片气孔导度 （ Gs） 、 胞间 CO2浓度 （ Ci）及气孔限制值（ Ls）均无显著差异，低温处理 9 d 时，以 R 为根系嫁接苗叶片的 Gs比以 S 为根系嫁接苗高 73.61%； 而以 R 为接穗嫁接苗叶片的 Gs亦分别比以 RS-R、 RS-S 及 S 为接穗嫁接苗高 3.70%、Han Min， Cao Bili， Liu Shusen， Xu Kun. Effects of rootstock and scion interaction on photosynthesis and nitrogen metabolism of grafted tomato seedlings leaves under low temperature stress. 902 Acta Horticulturae Sinica， 2018， 45 (5)： 897 907. 19.15%和 40.00%；各处理番茄嫁接苗叶片 Ci的变化则刚好相反，以 R 为根系或以 R 为接穗嫁接苗叶片的 Ci显著低于 S； Ls的变化趋势与 Gs相似。常温恢复 3 d 后，各处理番茄嫁接苗叶片 Gs、 Ci、Ls均有所恢复，且根穗间均表现出显著或极显著的互作效应。 表 5 不同根穗组合番茄嫁接苗叶片气孔导度、胞间 CO2浓度及气孔限制值 Table 5 Stomatal conductance， intercellular CO2concentration and stomatal limitation