低溫脅迫對彩椒幼苗生長指標及光合特性的影響

許耀照，張芬琴，陳修斌，李翊華，權建華

(1.河西學院 農業與生物技術學院，甘肅 張掖 734000；2.甘肅省河西走廊特色資源利用重點實驗室，甘肅 張掖 734000)

溫度是限制植物生長的主要環境因子之一，不適宜的溫度影響植物生長發育和光合速率，遭受溫度脅迫時植物易發生光抑制現象[1]。低溫也是影響植物物質代謝的非生物脅迫主導因子。甘肅河西走廊的設施蔬菜生產在晚冬或早春易發生長期偏低溫或短期臨界低溫脅迫，影響設施蔬菜的生長和品質，因此，研究設施蔬菜作物對偏低溫和短時臨界低溫的適應機制，對實現設施蔬菜高效生產有重要的意義。低溫脅迫使作物光合作用降低是蔬菜減產的主要原因[2]。光合作用是植物物質合成的源泉，低溫脅迫下作物光合能力的強弱可從光合指標和葉綠素熒光參數等多方面反映[3]。葉綠素熒光動力學技術是檢測植物葉片光合功能無損傷的有效探針，最大光化學效率(Fv/Fm)大小反映植物PSⅡ受傷害的程度[4]，光合性能指數(PI)是葉片吸收光能的基本指數，可較準確反應植物光合機構的狀態。已有廣玉蘭[5]、番茄[6，7]、茄子[8]和玉米[9]等低溫脅迫下研究報道，但設施彩椒低溫脅迫報道較少。

彩椒是一類高檔蔬菜，經濟價值高，增產潛力大，在設施彩椒生產中低溫脅迫制約其高效生產。本研究以設施彩椒花仙子為試驗材料，探討低溫脅迫對其生長及光合特性的影響，進一步揭示低溫脅迫影響其生長、光合作用及光系統傷害的生理學機制，以期為設施彩椒高產、優質生產提供部分試驗依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

花仙子黃色甜椒種子由北京南無科貿有限責任公司提供，挑選200粒大小一致的種子置于95%乙醇滅菌10 min后，用清水沖洗3次，將種子置于清水中催芽6 h；將育苗基質置于120 ℃烘箱(型號：DGH-9 123 A電熱恒溫鼓風干燥箱)中滅菌8 h，催芽黃色甜椒種子播種于9 cm×9 cm(口徑×高)營養缽中，在營養缽上覆一層塑料薄膜，待種子發芽后，移去塑料薄膜，每天下午彩椒幼苗噴水1次，間隔3 d將營養缽轉換方向使之受光均勻，使其長勢一致。試驗在甘肅省河西走廊特色資源利用重點實驗室進行。

1.2 低溫處理

待彩椒幼苗長至四葉一心時，將30株彩椒幼苗置于3個智能人工氣候箱(RXZ-310B型)中進行溫度脅迫處理，每個智能人工氣候箱處理10株：常溫對照 (CK，25 ℃/18 ℃晝/夜，12 h/12 h)；處理1：偏低溫T1(19 ℃/12 ℃ 晝/夜， 12 h/12 h)；處理2：臨界低溫T2 (15 ℃/8 ℃ 晝/夜，12 h/12 h)；智能人工氣候箱的光照條件設為(400±5) μmol·m-2·s-1和相對濕度保持在(80±1)%RH，在CK、T1和T2溫度處理14 d時測定其生長指標和光合指標等。

1.3 測定項目及方法

隨機選取CK，T1和T2的5株彩椒幼苗，采用直尺(0.1 mm)分別測其株高、植株冠長和根長，游標卡尺(0.01 mm)測定莖粗，計數法統計葉片數，分析天平(0.000 1 g)測定植株地上鮮重和地下鮮重以及植株105 ℃殺青20 min，80 ℃恒溫烘干24 h后測定地上干重和地下干重，并計算根冠比(干重)，用量筒排水法測定根體積[10]。

由上向下選彩椒幼苗第4片展開功能葉，用浙江托普儀器有限公司生產的TYS-A型葉綠素測定儀測葉片相對葉綠素含量SPAD值。用英國Hansatech公司生產的CIRAS-2型便攜式光合測定系統測定其光合參數，使用光合儀的開放氣路，測定參數包括凈光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr，mmol·m-2·s-1)、氣孔導度(Gs，mol·m-2·s-1)、胞間CO2濃度(Ci，μmol·mol-1)，并用Berry和Downton[11]的方法計算氣孔限制值(Ls，%)：Ls(%)=(1-Ci/Ca)×100%。用英國Hansatech公司生產的Handy PEA植物效率分析儀測定經過暗適應20 min后功能葉片PSⅡ原初光能轉換效率(Fv/Fm)和光合性能指數(PI)等葉綠素熒光參數。所有測定指標重復5次，取其平均值。

1.4 數據處理

數據用 Excel 2010軟件做表，用DPS 9.50軟件進行Duncan方差分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 低溫脅迫對彩椒幼苗生長特性的影響

由表1可看出：隨著脅迫溫度的降低，彩椒幼苗的株高、莖粗、葉片數、植株冠長和根長均顯著降低(P<0.05)，且臨界低溫T2處理降低的趨勢強于偏低溫T1處理，T2與T1處理間葉片數和根長達到顯著差異(P<0.05)。T1處理與CK相比較依次降低了33.33%、18.81%、35.53%、56.45%和12.27%，株高、葉片數和植株冠長的最低降幅都達到了33%，最高降幅達到了56%；T2處理與CK相比較依次降低了35.77%、22.10%、51.32%、64.21%、45.09%，株高和根長的最低降幅達到35%以上，最高降幅達到了45%，葉片數和植株冠長的最低降幅達到了50%，最高降幅達到了64%。這表明低溫脅迫抑制彩椒幼苗的生長，T2處理明顯抑制彩椒幼苗的生長，T1處理對彩椒幼苗生長也有一定的抑制作用。

表1 低溫脅迫對彩椒幼苗生長特性的影響Table 1 Effects of growth characteristics of pepper seedlings under low temperature stress

注：同列不同小寫字母表示P<0.05水平的差異顯著性，數據為平均值±標準誤，下同。

Note：Values followed by the different letters are significantly different atP<0.05，the data：mean± SD. The same below.

2.2 低溫脅迫對彩椒幼苗鮮重、干重及根冠比的影響

由表2可看出：隨著脅迫溫度的降低，彩椒幼苗地上鮮重、地下鮮重、地上干重、地下干重和根冠比均顯著降低(P<0.05)，臨界低溫T2處理降低趨勢強于偏低溫T1處理，T2與T1處理間干重和根冠比達到顯著差異(P<0.05)。T1處理與CK相比依次降低了70.17%、83.67%、63.29%、69.80%和15.02%；彩椒幼苗鮮重降幅達到70%以上，干重降幅達到60%，地下鮮重降幅達到84%，根冠比降幅達到15%；T2處理與CK相比依次降低了80.95%、95.14%、80.56%、89.33%和45.14%，彩椒幼苗鮮重和干重降幅達到80%，地下鮮重降幅達到95%，根冠比降幅達到45%。這表明低溫抑制彩椒幼苗鮮重、干重的增長，臨界低溫T2處理抑制程度達到80%。

表2 低溫脅迫對彩椒幼苗鮮重、干重及根冠比的影響Table 2 Effects on fresh weight and dry weight and root-top ratio of pepper seedlings under low temperature stress

2.3 低溫脅迫對彩椒幼苗根體積和SPAD值的影響

由表3可看出：隨著脅迫溫度的降低，彩椒幼苗根體積和SPAD值均顯著下降(P<0.05)，且臨界低溫T2處理降低趨勢強于偏低溫T1處理，T2與T1處理間根體積達到顯著差異(P<0.05)。T1處理與CK相比依次降低了79.92%和29.35%；T2處理與CK相比較依次降低了93.94%和3395%。這表明低溫抑制彩椒幼苗根體積和SPAD值增加，臨界低溫T2處理根體積抑制程度達到90%。

表3低溫脅迫對彩椒幼苗根體積和SPAD值的影響

Table3 Effects on root volume and SPAD value of pepper seedlings under low temperature stress

處理Treatments根體積/mLRoot volumeSPAD值SPAD valueCK5.28±0.35a41.28±0.79aT11.06±0.09b29.17±0.94bT20.32±0.04c27.27±1.09b

2.4 低溫脅迫對彩椒幼苗葉片光合指標的影響

由表4可看出：隨著脅迫溫度的降低，彩椒幼苗葉片的光合指標均顯著下降(P<0.05)，臨界低溫T2處理降低趨勢強于偏低溫T1處理，T2與T1處理間光合速率和氣孔限制值達到顯著差異(P<0.05)。T1處理與CK相比，彩椒幼苗葉片的蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、光合速率和氣孔限制值依次降低了51.51%、27.35%、0.88%、27.66%和1.69%；蒸騰速率的降幅達到了50%以上； T2處理與CK相比較依次降低了57.48%、30.69%、2.04%、66.40%和46.91%，彩椒幼苗光合速率的降幅最高達到了66.00%以上，氣孔限制值由T1處理的1.69%明顯增加到T2處理的46.91%。這表明低溫抑制彩椒幼苗光合特性，臨界低溫T2處理明顯降低彩椒幼苗的光合速率，氣孔限制是彩椒幼苗光合速率降低的主要因素。

表4 低溫脅迫對彩椒幼苗葉片光合指標的影響Table 4 Effects on leaf photosynthetic index of pepper seedlings of low temperature stress

2.5 低溫脅迫對彩椒幼苗葉片Fv/Fm和PI的影響

Fv/Fm的大小表示 PSⅡ受傷害的程度[4]， PI的大小表示葉片吸收光能強弱的性能。由表5可以看出：隨著脅迫溫度的降低，彩椒幼苗的Fv/Fm和PI均顯著下降(P<0.05)，且臨界低溫T2處理降低趨勢強于偏低溫T1處理，T2與T1處理間Fv/Fm和PI達到顯著差異(P<0.05)。T1處理與CK相比Fv/Fm和PI依次降低了0.06%和20.23%；T2處理與CK相比Fv/Fm和PI依次降低了8.96%和57.77%。這表明低溫降低了彩椒幼苗葉片PSⅡ的最大光化學效率(Fv/Fm)和光合性能指數(PI)，臨界低溫T2處理PI抑制程度達到57.77%，使得彩椒幼苗葉片吸收光能能力減弱一半以上。

表5低溫脅迫對彩椒幼苗葉片Fv/Fm和PI的影響

Table5 Effects on Fv/Fmand PI in the leaves of pepper seedlings under low temperature stress

處理TreatmentasFv/FmPICK0.851 7±0.002 3a1.778 6±0.116aT10.815 2±0.002 7a1.418 7±0.569bT20.742 6±0.009 7b0.751 1±0.476c

2.6 低溫脅迫下彩椒幼苗葉片光合速率與各指標的相關性分析

分析偏低溫T1和臨界低溫T2處理的彩椒幼苗的生長指標、光合特性和葉綠素熒光參數與光合速率之間的相關性(表6)。結果表明，彩椒幼苗的光合速率與根冠比、Ci和PI呈極顯著正相關(P<0.01)，相關系數為1.00；光合速率與根長和葉片數呈顯著相關(P<0.05)，相關系數依次為0.99和0.95。偏低溫T1和臨界低溫T2處理的彩椒幼苗對光合速率的正效應表現為Ls=地上干重=地下干重(0.92)>Fv/Fm(0.91)>根體積=莖粗(0.89)>地上鮮重=SPAD值(0.88)>植株冠長=Gs=Tr(0.87)>株高(0.85)。

表6低溫脅迫下彩椒幼苗葉片光合速率與各指標的相關系數

Table6 Correlation coefficient of photosynthetic rate and indexes of pepper seedlings under low temperature stress

指標Index光合速率Pn指標Index光合速率Pn株高0.85根冠比1.00**莖粗0.89根體積0.89葉片數0.95*SPAD值0.88植株冠長0.87胞間CO2濃度1.00**根長0.99*氣孔限制值0.92地上鮮重0.88氣孔導度0.87地下鮮重0.87蒸騰速率0.87地上干重0.92PSⅡ原初光能轉換效率0.91地下干重0.92光合性能指數1.00**

注：*表示顯著相關；**表示極顯著相關。

Note：*Correlation is significant at the 0.05 level(2-tailed)；**Correlation is significant at the 0.01 level(2-tailed).

3 討論與結論

我國北方反季節設施蔬菜生產冬季和早春溫度驟降、持續低溫和亞低溫時常發生，低溫導致設施蔬菜生長遲緩甚至死亡等。作物生長發育都有其最佳溫度范圍，低于該溫度就是一種脅迫。本研究發現，低溫脅迫明顯抑制設施彩椒株高、莖粗、葉片數、植株冠長、植株、植株根長、地上鮮重與干重、地下鮮重與干重，且隨著脅迫溫度的降低，設施彩椒生長指標明顯降低。這表明偏低溫脅迫對設施彩椒幼苗的生長具有一定的抑制作用，臨界低溫(15 ℃/8 ℃ 晝/夜)的抑制作用尤為明顯，所以，在冬季和早春低溫發生時做好防寒保溫措施，以減弱低溫對設施彩椒生長的抑制作用。

低溫直接影響植物光合器官結構和活性，也間接影響其光合作用，光合參數可直接反映其光合作用的強弱。Farquhar等[12]認為植物葉片光合速率下降有葉片氣孔導度下降導致CO2的供應受阻的氣孔限制和葉肉細胞光合性能下降導致葉肉細胞同化CO2能力下降的非氣孔限制。本研究發現，隨著脅迫溫度降低，彩椒葉片光合速率、蒸騰速率和氣孔導度逐漸降低，低溫抑制彩椒幼苗光合特性，臨界低溫(15 ℃/8 ℃ 晝/夜)明顯降低彩椒幼苗的光合速率，且氣孔限制是彩椒幼苗受到低溫脅迫時光合速率降低的主要制約因素。

葉綠素熒光參數具有反映植物光合作用“內在性”的特點，被稱為活體測定葉片光合功能無損傷探針[13，14]，葉綠素熒光參數可反映光系統Ⅱ(PSⅡ)對光能的吸收、傳遞和耗散狀況。通過測定植物葉綠素熒光參數，可了解植物對逆境脅迫的生理響應[15，16]。Fv/Fm大小能反映 PSⅡ反應中心的活性，也反映 PSⅡ反應中心光能的轉化效率，其值降低表明低溫脅迫下葉片發生了光抑制[17]。光合性能指數PI是一個綜合反映光合機構活性的參數，其對環境變化最敏感的熒光參數，常估計植物光化學反映對環境的響應狀況。本研究發現，低溫脅迫使彩椒幼苗葉片發生了光抑制，同時也降低了彩椒幼苗葉片吸收光能的能力。

綜上，偏低溫和臨界低溫對設施彩椒幼苗生長指標和光合特性的影響存在明顯差異，尤以臨界低溫影響嚴重。低溫使設施彩椒幼苗的生長指標和光合特性均呈一定程度下降。在臨界低溫脅迫下，彩椒幼苗的光合速率與根冠比、Ci和PI呈極顯著正相關，光合速率與葉片數和根長呈顯著相關，可作為彩椒低溫脅迫程度的判斷指標。