朱宗文,吳雪霞,張愛(ài)冬,田守波,查丁石

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 園藝研究所/上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201106)

茄子(SolanummelongenaL.)別名落蘇,原產(chǎn)于印度地區(qū),在我國(guó)已有1400～1500年的栽培歷史[1-2]。我國(guó)栽培的茄子品種眾多,按照居民的栽培方式和飲食習(xí)慣的不同,在遺傳變異的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)多年的自然選擇和人工選擇,形成了形狀各異、顏色多樣、軟硬度差異明顯的眾多茄子生態(tài)類型,具有廣泛的地域性特征。至今在我國(guó)的西部偏遠(yuǎn)地區(qū)還有一些茄屬野生種,這些野生種大多較當(dāng)前栽培品種生長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng),抗逆性強(qiáng),可以作為優(yōu)良的育種資源[3]。茄子作為一種喜溫性蔬菜,對(duì)低溫敏感性較強(qiáng)。其植株生長(zhǎng)發(fā)育的適宜溫度為22～30 ℃,低于15 ℃時(shí)植株生長(zhǎng)緩慢,低于5 ℃時(shí)莖葉受到傷害,0 ℃以下就會(huì)被凍死[4]。在低溫脅迫下,茄子幼苗生長(zhǎng)受到抑制,光合作用效率降低[5],植株受到氧化傷害[6],最終茄子的產(chǎn)量和品質(zhì)大大降低。隨著栽培設(shè)施和栽培技術(shù)的不斷改進(jìn),人們對(duì)保護(hù)地茄子生產(chǎn)的要求越來(lái)越高,對(duì)耐低溫性品種的需求也越來(lái)越迫切。目前,國(guó)內(nèi)相關(guān)科研單位和種子公司很少有耐低溫的保護(hù)地專用茄子品種[7-8],而其他茄果類蔬菜像番茄[9]和辣椒[10-11]有較多的保護(hù)地低溫專用品種的介紹。在低溫條件下茄子生產(chǎn)主要還是通過(guò)嫁接這一途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)[12]。因此,選育出耐低溫性強(qiáng)的保護(hù)地專用茄子品種極其重要。我們以本課題組長(zhǎng)期保存和積累的各種類型的茄子高代自交系材料為研究對(duì)象,通過(guò)觀察在不同低溫條件下種子的萌發(fā)情況,對(duì)低溫脅迫下不同基因型茄子材料種子的耐低溫性做出評(píng)價(jià),希望為茄子耐低溫性鑒定及耐低溫材料的篩選提供依據(jù),為茄子低溫育種材料的創(chuàng)制提供一定的幫助。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

10份供試茄子材料(表1)為上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所茄子課題組保存的高代自交系材料。經(jīng)過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同一批種子的發(fā)芽率一致,整齊度高。

表1 供試茄子品種/材料的情況

1.2 低溫處理

將不同類型的茄子材料種子分別置于發(fā)芽盒中,在發(fā)芽紙上加入適量蒸餾水后分別放入設(shè)定不同溫度的人工智能培養(yǎng)箱進(jìn)行低溫處理,溫度設(shè)定分別為10、15、20、25 ℃。

1.3 種子萌發(fā)測(cè)定

用透明塑料發(fā)芽盒(12 cm× 12 cm× 5 cm)測(cè)定種子的萌發(fā)情況。將種子放入鋪有兩層發(fā)芽紙的發(fā)芽盒中,置于不同溫度培養(yǎng)箱內(nèi)發(fā)芽。每個(gè)溫度處理100粒種子,3次重復(fù)。從第2天起逐日統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽數(shù)。以第14天作為發(fā)芽結(jié)束時(shí)間,發(fā)芽結(jié)束后統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)發(fā)芽指標(biāo)。相關(guān)發(fā)芽指標(biāo)的計(jì)算公式為:發(fā)芽率(Gr)=∑Gt/NT×100%;相對(duì)發(fā)芽率=處理種子的Gr/對(duì)照種子的Gr;發(fā)芽勢(shì)=規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)芽種子總數(shù)/供試種子總數(shù)×100%;發(fā)芽指數(shù)(Gi)=∑(Gt/Dt);活力指數(shù)(Vi)=Gi×S。其中,Gt表示在t日時(shí)的發(fā)芽數(shù),Dt表示相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)；NT表示種子總數(shù)；S表示發(fā)芽終期幼苗的高度(cm)。

1.4 幼苗冷害指數(shù)和恢復(fù)能力的測(cè)定

幼苗冷害指數(shù)和恢復(fù)能力的測(cè)定參照王孝宜等[13-14]的方法(作了適當(dāng)改進(jìn))。將發(fā)芽結(jié)束后的幼苗繼續(xù)在人工智能培養(yǎng)箱中進(jìn)行低溫處理7 d,每日向發(fā)芽盒中加入適量的蒸餾水,保證發(fā)芽紙濕度適中;7 d后,統(tǒng)計(jì)幼苗的冷害指數(shù)CI。全部死亡時(shí)統(tǒng)計(jì)CI為最大值1,全部正常時(shí)統(tǒng)計(jì)CI為最小值0。統(tǒng)計(jì)結(jié)束后，將幼苗全部移到正常溫度的培養(yǎng)箱進(jìn)行1周的恢復(fù)培養(yǎng),結(jié)束后統(tǒng)計(jì)幼苗的恢復(fù)能力，恢復(fù)能力以恢復(fù)正常的幼苗數(shù)占總幼苗株數(shù)的百分比表示。對(duì)每一幼苗的冷害癥狀進(jìn)行分級(jí):0級(jí)，無(wú)冷害癥狀;1級(jí)，僅子葉邊緣有輕度皺縮萎蔫;2級(jí)，子葉大部分區(qū)域變色萎蔫;3級(jí)，子葉整體萎蔫;4級(jí)，整株死亡。冷害指數(shù)(CI)=(1×S1+2×S2+3×S3+4×S4+0×S0)÷(低溫脅迫總株數(shù)×4)。式中,Si(i=0,1,2,3,4)為相應(yīng)冷害等級(jí)的苗數(shù)。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件和Excel對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、作圖及相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫處理對(duì)不同類型茄子種子發(fā)芽率的影響

不同類型茄子種子經(jīng)低溫處理后,各溫度處理間種子發(fā)芽率存在很大的差異性(表2)。其中1、5、8號(hào)三個(gè)基因型種子在10 ℃和15 ℃溫度條件下均不發(fā)芽,在20 ℃條件下發(fā)芽率也較低且顯著低于正常溫度下的;4號(hào)和7號(hào)種子在10 ℃下不發(fā)芽,在15 ℃下發(fā)芽率極低;2號(hào)和6號(hào)種子在15 ℃下的發(fā)芽率顯著高于在20 ℃下的;3、6和10號(hào)種子在10 ℃下不發(fā)芽,在15 ℃下發(fā)芽率較高且與正常溫度下差異不顯著;9號(hào)種子是唯一在10 ℃低溫條件下還可以發(fā)芽的,且在15 ℃和20 ℃條件下發(fā)芽很好，與正常溫度下無(wú)明顯差異?？傮w來(lái)看：9號(hào)發(fā)芽最好,發(fā)芽耐低溫性最強(qiáng);其次是3號(hào)、6號(hào)和10號(hào);發(fā)芽耐低溫性較差的是1號(hào)、5號(hào)和8號(hào)。

表2 不同低溫處理對(duì)茄子種子發(fā)芽率的影響

注:同一列數(shù)據(jù)后附不同小寫字母代表在不同溫度處理間存在顯著差異(P<0.05)。下同。

2.2 不同低溫處理對(duì)茄子種子發(fā)芽勢(shì)的影響

發(fā)芽勢(shì)反映了發(fā)芽初期種子活力的強(qiáng)弱和發(fā)芽的整齊度。經(jīng)低溫處理后,各類型茄子的發(fā)芽勢(shì)呈現(xiàn)出很大差異性(表3)。發(fā)芽勢(shì)最高的是9號(hào)，它是唯一在10 ℃低溫條件下具有發(fā)芽勢(shì)的茄子品種,其在15 ℃和20 ℃條件下發(fā)芽勢(shì)與對(duì)照無(wú)顯著性差異;6號(hào)在15 ℃下的發(fā)芽勢(shì)與對(duì)照無(wú)顯著差異,并顯著高于在20 ℃下的發(fā)芽勢(shì);10號(hào)在20 ℃下的發(fā)芽勢(shì)與對(duì)照無(wú)顯著差異;其他類型茄子種子的發(fā)芽勢(shì)隨著溫度下降均顯著低于前一溫度梯度下的發(fā)芽勢(shì)。綜合發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)可以看出：9號(hào)不僅發(fā)芽率在低溫條件下較高,發(fā)芽整齊度也很好,15 ℃的低溫對(duì)其發(fā)芽勢(shì)無(wú)顯著影響；6號(hào)和10號(hào)的發(fā)芽勢(shì)表現(xiàn)出一定的整齊度,但是總體上弱于9號(hào);1、2、4、5、8號(hào)的發(fā)芽勢(shì)在各低溫條件下表現(xiàn)較弱,在正常溫度條件下也較弱,這說(shuō)明發(fā)芽整齊度與其本身的基因類型和種子存貯狀況存在一定的關(guān)系。

表3 不同低溫處理對(duì)茄子種子發(fā)芽勢(shì)的影響

2.3 不同低溫處理對(duì)茄子種子發(fā)芽指數(shù)的影響

經(jīng)低溫處理后,不同類型茄子種子呈現(xiàn)出不同的發(fā)芽速率,我們測(cè)定其發(fā)芽指數(shù)來(lái)衡量其發(fā)芽速率。從表4中可以看出：在10 ℃條件下,只有9號(hào)存在發(fā)芽指數(shù),并與其它溫度條件下存在顯著性差異,而在15、20、25 ℃處理間其發(fā)芽指數(shù)不存在顯著性差異;3號(hào)在20 ℃條件下的發(fā)芽指數(shù)與對(duì)照無(wú)顯著性差異,在15 ℃下與正常溫度下存在顯著性差異;6號(hào)在15 ℃和20 ℃下的發(fā)芽指數(shù)沒(méi)有顯著性差異,但與對(duì)照存在顯著性差異;其它各類型種子的發(fā)芽指數(shù)隨溫度降低與前一溫度梯度均呈現(xiàn)出顯著性差異。

表4 不同低溫處理對(duì)茄子種子發(fā)芽指數(shù)的影響

2.4 不同低溫處理對(duì)茄子種子活力指數(shù)的影響

如表5所示：9號(hào)茄子幼苗具有最強(qiáng)的活力指數(shù),其在10 ℃下活力指數(shù)很低,在其他3種溫度處理間也存在顯著性差異,但總體活力指數(shù)最高;2號(hào)的活力指數(shù)在10 ℃和15 ℃條件下差異不顯著,是所有實(shí)驗(yàn)品種中唯一一個(gè)在不同溫度梯度間活力指數(shù)差異不顯著的;其他各實(shí)驗(yàn)品種的活力指數(shù)在不同溫度處理間均呈現(xiàn)出顯著性差異,說(shuō)明環(huán)境低溫對(duì)其活力指數(shù)下降產(chǎn)生了顯著影響。

2.5 不同低溫處理對(duì)茄子種子萌發(fā)幼苗冷害指數(shù)的影響

經(jīng)低溫處理的種子萌發(fā)后,將幼苗繼續(xù)進(jìn)行7 d的低溫生長(zhǎng)觀測(cè)，測(cè)定各類型茄子幼苗的冷害指數(shù)。從圖1中可以看出：9號(hào)在各個(gè)低溫條件下冷害指數(shù)最低,是所有實(shí)驗(yàn)品種中最耐低溫的;2號(hào)和10號(hào)在15 ℃條件下具有一定的耐低溫性；1號(hào)、5號(hào)和8號(hào)在15 ℃條件下不發(fā)芽或幼苗完全死亡;在20 ℃條件下各品種的冷害指數(shù)較低,5號(hào)和8號(hào)受影響較大。綜合來(lái)看,9號(hào)最耐低溫,10號(hào)、2號(hào)次之,5號(hào)和8號(hào)最不耐低溫。

表5 不同低溫處理對(duì)茄子種子活力指數(shù)的影響

圖1 低溫處理后各類型茄子幼苗受冷害情況

2.6 不同低溫處理對(duì)幼苗恢復(fù)能力的影響

將經(jīng)低溫處理的各類型幼苗移入正常溫度下進(jìn)行幼苗恢復(fù)能力的測(cè)定。從圖2可以看出：在10 ℃條件下只有9號(hào)的幼苗具有一定的恢復(fù)能力;經(jīng)15 ℃處理后,6號(hào)和9號(hào)幼苗的恢復(fù)能力超過(guò)50%,而4號(hào)的恢復(fù)能力最低，在25%左右;經(jīng)20 ℃低溫處理后,各品種幼苗的恢復(fù)能力較強(qiáng),只有4號(hào)低于50%;1號(hào)、5號(hào)和8號(hào)由于其種子在10 ℃和15 ℃下不發(fā)芽，因而沒(méi)有存活幼苗。從幼苗的恢復(fù)情況可以看出，9號(hào)的耐低溫性最強(qiáng),6號(hào)和10號(hào)次之,1、4、5和8號(hào)最差。

圖2 低溫處理后各類型茄子幼苗的恢復(fù)情況

3 討論

當(dāng)植物受到低溫脅迫時(shí),在各種環(huán)境信號(hào)傳導(dǎo)物質(zhì)作用下植株體內(nèi)會(huì)發(fā)生一系列的生理生化反應(yīng)。這些生理生化反應(yīng)是植株本身對(duì)逆境一種自我保護(hù)的應(yīng)激反應(yīng),更多是存在于生理生化物質(zhì)的積累和代謝上[15-17]。張曉艷等研究表明,在所有受低溫脅迫的茄子嫁接苗中,耐低溫材料的超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)活性均高于不耐低溫材料的[18]。吳雪霞等發(fā)現(xiàn)經(jīng)低溫處理后茄子幼苗的丙二醛(MDA)含量顯著增加,葉片的SOD、POD、CAT、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)活性均顯著升高,且其脯氨酸(Pro)和可溶性蛋白質(zhì)含量均顯著增加[19]。董愛(ài)玲等研究發(fā)現(xiàn)低溫馴化顯著增加了茄子幼苗的可溶性糖、可溶性蛋白含量，提高了SOD、POD、CAT活性[20]。這些研究結(jié)果均表明茄子在低溫脅迫下,其植株體內(nèi)會(huì)發(fā)生一系列的生理生化反應(yīng),且在不同的品種材料之間,變化存在較大差異。因而選育耐低溫性強(qiáng)的茄子材料對(duì)茄子育種及了解相關(guān)基因的功能有著極其重要的作用。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)大量的高代自交系茄子材料進(jìn)行低溫種子活力測(cè)定,從中找到了一些萌發(fā)耐低溫性較強(qiáng)的材料，其中9號(hào)表現(xiàn)最為突出，在各種溫度梯度下,其發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均表現(xiàn)出很高水平,甚至在10 ℃低溫條件下仍然有部分種子可以成功發(fā)芽且幼苗具有較強(qiáng)的活力和恢復(fù)能力，可以作為今后茄子耐低溫育種的優(yōu)良高代自交系材料。

種子活力主要受自身基因遺傳性、種子發(fā)育成熟度和貯藏環(huán)境因子三方面的影響[21]。自身的遺傳性決定了種子活力強(qiáng)度的可能性,其他環(huán)境因素也會(huì)對(duì)種子活力最終的表現(xiàn)起到重要的作用。我們可以采取一定的措施來(lái)促使種子表現(xiàn)出其強(qiáng)的活力,有研究表明預(yù)冷處理可以有效地破除一些種子的生理休眠,如麥類種子發(fā)芽前放入濕潤(rùn)的發(fā)芽床上,在5～10 ℃下處理3 d,可以達(dá)到破除生理休眠的效果[22]；喬海明發(fā)現(xiàn)用5 ℃處理野豌豆種子可以顯著提高其種子活力[23];憨宏艷等研究表明不同土壤濕度條件下低溫處理會(huì)增強(qiáng)水青樹(shù)種子的發(fā)芽率,并對(duì)種子活力起到一定的促進(jìn)作用[24]。這些研究都表明在環(huán)境低溫條件下,種子活力受到了正面影響,這可能是由其遺傳物質(zhì)的特異性所決定的。種子萌發(fā)是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程,不僅涉及到各種貯藏物質(zhì)的分解，還涉及到許多萌發(fā)過(guò)程中相關(guān)基因的調(diào)控。白雪等以冷敏感作物蓖麻為實(shí)驗(yàn)材料,構(gòu)建15 ℃(低溫)和25 ℃(適溫)兩種萌發(fā)條件下完全展開(kāi)的子葉cDNA文庫(kù),利用Illumina測(cè)序技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序(RNA-Seq),篩選出了低溫上調(diào)差異表達(dá)基因243個(gè)[25]。包崇來(lái)等從大量茄子育種材料中選出了耐低溫基因型材料E659,其幼苗在4 ℃低溫下處理10 d后仍能保持正常的生長(zhǎng)狀態(tài),沒(méi)有受到明顯傷害[26]。本實(shí)驗(yàn)中2號(hào)和6號(hào)茄子材料在15 ℃條件下表現(xiàn)出了較強(qiáng)的耐低溫能力,其發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)均顯著高于20 ℃條件下的；9號(hào)材料則在15 ℃和20 ℃溫度下表現(xiàn)出了和對(duì)照一致的種子活力,并在10 ℃低溫條件下仍然表現(xiàn)出了較強(qiáng)的種子活力。這些表明不同基因型材料的特定遺傳物質(zhì)決定了其耐低溫能力的強(qiáng)弱。目前對(duì)茄子的耐低溫生理機(jī)制研究較多,但獲得極耐低溫茄子基因型材料的報(bào)道較少。本實(shí)驗(yàn)為茄子耐低溫抗性種質(zhì)資源的創(chuàng)制和耐低溫新品種的選育提供了新的基因源,可作為茄子耐低溫分子育種的新材料。