茄子耐低溫研究新進展

張馨宇杜雪晶張志博張偉春

(遼寧省農業科學院蔬菜研究所,遼寧 沈陽 110161)

茄子(SolanummelongenaL.)是一種重要的蔬菜作物,據FAO數據顯示,我國是世界上茄子栽培面積最大的國家,2019年播種面積為78.30 萬 hm2,總產量3 559萬t,占世界總栽培面積的42.37%。近年來,隨著市場周年化需求量逐年增加,特別是對冬、春季茄子上市要求逐年提高,促使我國北方地區茄子設施栽培面積不斷增加。茄子屬喜溫作物,低溫逆境成為北方日光溫室栽培中最大的限制因素,產業的需求對茄子在冬、春季設施栽培中品種的耐低溫性、設施條件和栽培技術提出了更高要求。因此,國內外科研人員為研究低溫對茄子生長發育的影響、選育耐低溫品種付出了巨大努力,也取得了豐碩的研究成果。

1 低溫對茄子生長發育的影響

茄子與辣椒相似,在北方設施栽培中耐低溫能力較番茄和黃瓜要差[1]。低溫會導致茄子植株內滲透調節物質、抗氧化酶、光合作用、內源激素等產生明顯變化,從而引起生長減緩或停止,進而形態發生變化。低溫脅迫的加重可造成茄子株高、莖粗的增長量也隨之降低[2]。低溫使茄子發生膜脂過氧化作用并對茄子葉片光合機構的結構和活性造成傷害,并且隨著低溫時間延長,茄子葉片中游離脯氨酸(Pro) 含量、丙二醛(MDA) 含量和電解質滲透率有不同程度的升高,變化幅度逐步增大[3]。低溫脅迫加速了茄子幼苗葉片中葉綠素的降解,使葉綠素含量明顯降低,造成光補償點、光合速率和表觀量子效率(AQY)的降低[4,5]。隨著光合速率的降低,氣孔導度(Gs)、細胞間CO2濃度(Ci)也隨光合速率(Pn)呈類似的下降趨勢,說明低溫條件下茄子光合作用受限制的原因是氣孔限制[6]。低溫破壞了細胞膜的完整性,表現為MDA含量和活性氧(ROS)水平顯著提高。為抵御低溫脅迫,茄子幼苗葉片中Pro、可溶性糖、可溶性蛋白含量均隨之增加,并通過提高過氧化物酶(POD)、超氧化歧化酶(SOD) 和過氧化氫酶(CAT)的活性,增強植株對冷害的抗性[4,5,7,8,9,10]。低溫脅迫下,茄子幼苗脫落酸(ABA)、吲哚-3-乙酸(IAA)、赤霉素(GA3) 含量顯著上升,玉米素(ZT)含量則顯著下降[11]。

茄子苗期低溫脅迫會降低根系活力,使總吸收面積、活躍吸收面積和比表面積降低,提高根系內可溶性糖含量[12]。低溫同樣會對嫁接茄子根系產生影響,使 MDA含量、冷害指數、POD 活性、Pro含量、可溶性蛋白含量等迅速增加, 而根系呼吸速率、SOD、CAT 活性等迅速降低。但采用耐低溫性較強的砧木品種嫁接苗恢復能力更強,而耐低溫性較弱的砧木品種嫁接苗與自根苗恢復能力均較差[13]。

茄子苗期低溫會對根系吸收礦質元素的能力也產生影響,經過低溫處理的幼苗,正常栽培后果實中礦質元素含量降低,但抗氧化活性升高,也就是說低溫誘導使植株產生了脅迫記憶[14]。

2 提高茄子耐低溫能力的研究

研究發現選用耐低溫能力強的品種、嫁接、應用植物生長調節劑、亞低溫馴化等方法都可以有效提高茄子的耐低溫能力。不同品種對低溫條件下的表現并不相同,往往栽培中被認為耐低溫性強的品種,可以保持旺盛的生長,具有較高的株高和莖粗,并且POD活性和SOD活性更高一些,滲透調節物質如Pro、可溶性糖、可溶性蛋白等增幅更大[5,15,16]。綠萼紫茄在耐低溫性上較紫長茄、紫圓茄、綠茄、紫線茄表現更強[17]。耐低溫品種的光合速率、根系活力受低溫影響更小,降低的幅度也更小,并且根系的調節能力更強[5,6,12]。一些耐低溫野生種表現更加突出,其抗氧化酶類活性更高,滲透調節能力也更強[4]。

研究發現,采用耐低溫的砧木材料嫁接可以有效降低低溫對茄子根系的損傷程度,耐低溫的砧木根系抗氧化和滲透調節能力更強,并且解除低溫脅迫后的恢復能力更好[13]。低溫脅迫可以降低茄子葉片的光合能力,但耐低溫砧木嫁接可以明顯減少光合參數的降低,并且恢復正常溫度后,植株的光合參數恢復也更加迅速[7]。

茄子幼苗外源噴施10 mg/L ABA和1 000 mg/L氯化鈣能夠使茄子的冷害指數顯著下降,并且明顯降低茄子幼苗的相對電導率和MDA含量,提高葉綠素含量和光合速率,提高保護酶和葉綠體膜ATP酶含量,對冷害具有緩解作用[18]。隨著茄子幼苗施用外源褪黑素(Melatonin)的濃度逐步升高至200 μmol/L,葉片Pn、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和光能利用效率(LUE)首先提高, Ci保持相對穩定,水分利用效率(WUE)表現降低趨勢。表明褪黑素顯著提高茄子幼苗在低溫下的光合能力[19]。茄子幼苗外源噴施10 μmol/L 6-芐氨基嘌呤(6-BA)可促進低溫脅迫下茄子植株生長,抑制葉綠素含量降低,緩解低溫造成的活性氧升高和膜質過氧化作用,提高SOD、POD、CAT、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽還原酶(GR)活性,通過AsA-GSH循環積累抗壞血酸(AsA)和谷胱甘肽(GSH),提高Pro和可溶性蛋白濃度,從而提高茄子耐低溫性[20]。同樣,外源施用0.1 μmol/L表油菜素內酯(24-Epibrassinolide)也可以顯著提高低溫脅迫下茄子幼苗的光合能力,降低活性氧傷害和脂質過氧化作用,提高過氧化物酶活性[21,22]。應用0.1 mmol/L水楊酸(SA)+3%硝酸鉀溶液浸泡茄子種子可以顯著提高低溫下種子萌發和出苗,并且種子4 ℃儲存30 d后,這種促進效應仍然存在[23]。

茄子幼苗經過2～4 d 亞低溫處理后其滲透調節物質與活性氧清除物質都向著有利于提高其抗性的方向變化,有利于提高耐低溫性,起到一種冷馴化作用。亞低溫甚至可以使某些耐低溫品系基因表達發生改變而誘發合成特異性蛋白質[16,24,25]。

應用秸稈反應堆技術不僅可以提高設施內氣溫、地溫和CO2濃度,還可以顯著增強茄子葉片抗氧化酶活性,提高滲透調節物質含量,減少膜脂過氧化,提高根系活力,可以很好的提高茄子耐低溫能力[26]。

3 茄子耐低溫性鑒定與遺傳研究

茄子種質資源耐低溫性鑒定評價與遺傳規律的研究對選育耐低溫品種至關緊要。大量研究表明耐低溫材料可以通過調節自身的保護系統減輕低溫脅迫的傷害,低溫脅迫提高了茄子的 MDA 含 量、O-·產生速率和 HO含量,增加了抗氧化酶 SOD、POD、CAT、APX、DHAR 和GR的活性、抗氧化劑 AsA和 GSH 的含量,以及Pro和可溶性蛋白質的含量,說明低溫脅迫不僅會提高細胞活性氧水平,也可誘發植物防御體系的建立,從而避免或減輕活性氧對植株的傷害[2,8,9]。耐低溫性與莖粗、地上鮮重、可溶性糖、電導率、葉綠素降低值、MDA含量、產生速率、POD 活性、SOD活性、CAT活性密切相關[2,15,27],與ABA、IAA 的質量分數達顯著水平[10],與株高下降值、Pro和可溶性蛋白含量增加值關系較小[2]。因此,抗氧化酶活性、抗氧化劑含量和滲透調節物質含量及光合速率、葉綠素熒光、內源ABA、IAA含量等參數被應用在茄子耐低溫材料的篩選上。如陳磊等篩選出早熟材料142和單性結實材料D-6-1對低溫弱光的耐受性較強[9],陳建林發現野生種Eg193的低溫受損程度較夏秋季露地品種Eg12小[4],閻世江在10份茄子高代自交系中選出2份材料耐低溫性較強[15],程志芳利用葉綠素熒光參數在14個圓茄品種中選出3個對低溫耐性較強的品種[28],任國三認為‘濟農世紀星’長茄較其他兩個品種對低溫的耐受性更強[5]。高青海認為赤茄砧木嫁接苗較臺茄砧木嫁接苗和自根苗耐低溫性更強[13]。包崇來在100份茄子種質資源中篩選出了耐低溫基因型材料E659和低溫敏感基因型材料E646[29]。

由于育種實踐中往往需要同時篩選的耐低溫資源材料較多,特別是分離系選后代多為單株,無法進行大量酶活性、激素含量、滲透調節物質等測定。為方便評價篩選,程志芳認為葉綠素熒光參數,即實際光能轉化效率、光下最大熒光、光下最大可變熒光、開放PSII有效光能轉化效率、光化學猝滅系數和非光化學猝滅系數,可以用來鑒定茄子品種的耐低溫能力[28]。查丁石提出利用茄子種子在 17.5 ℃時144 h的發芽率、0～1 ℃時幼苗冷害指數、10 ℃/20 ℃細胞質膜相對透性、遮光處理30 d后幼苗干重、莖粗、葉綠素相對含量及光照強度為250 μmol/m2·s和500 μmol/m2·s時凈光合速率可作為茄子耐低溫、耐弱光性能的鑒定指標[30]。但從目前研究結果來看,茄子耐低溫性很難用任何單一的指標來真正反映其耐低溫實際狀況,應采取綜合指標進行鑒定[31]。閻世江認為只考慮形態學性狀,如株高、莖粗等,或生理指標,如POD 活性等,均較片面。運用逐步回歸分析的方法,在測定的大量性狀中選擇對茄子耐低溫性貢獻較大的因子,剔除影響較小的因子,建立回歸方程。這樣建立的鑒定體系充分考慮苗期形態及生理指標的表現,既考慮宏觀表現,又考慮內在生理生化特性發生的變化,更為全面可靠[15]。

在耐低溫性遺傳分析中,閻世江利用耐低溫性不同的6份茄子材料及其雙列雜交組合進行耐低溫性、株高、株幅、結果數、產量、單果重等性狀的遺傳規律及相互間關系分析,認為耐低溫性、結果數、產量和單果重的遺傳符合加性—顯性模型,廣義遺傳力分別為 84.030%、68.110%、94.711% 和58.921%,狹義遺傳力分別為75.821%、60.801%、6.191%和49.632%。相關分析表明,結果數與耐低溫性相關性較其他性狀更強,可應用于耐低溫品種選育中[32]。該結果也與生產實際中低溫期坐果率下降相符合。

4 茄子耐低溫相關基因挖掘與分子標記開發

茄科作物中耐低溫相關基因研究最多的是番茄和煙草,而茄子耐低溫相關基因研究較少。茄子耐低溫相關基因主要集中于擬南芥中已明確耐低溫作用的相關基因分析和基于高通量測序技術對野生茄子耐低溫基因的挖掘。蔡霞成功將擬南芥冷調控轉錄因子atCBF3基因導入茄子基因組,測定轉基因植株抗寒性相關的生理生化指標發現,atCBF3基因對維持質膜穩定和細胞滲透壓作用明顯,認為atCBF3基因的過量表達是轉基因茄子抗寒性提高的直接因素[33]。Lu Zhou 研究發現SmICE1a基因是茄子抗寒基因家族SmCBFs的轉錄因子,可正向調控SmCBFs表達,將茄子SmICE1a基因轉入擬南芥,并使其在低溫條件下過量表達發現,擬南芥atCBFs和它的靶基因AtCOR15A、AtCOR47、AtKIN1 和AtRD29A被上調,生化指標顯示轉SmICE1a基因擬南芥耐寒性高于對照野生品種[34]。Xu Yang利用高通量測序技術研究了低溫下野生刺茄miRNA及其靶基因,得到并驗證了9個顯著差異表達的miRNA和12個靶向的mRNA[35]。

茄子分子標記開發工作已取得許多成效。Barchi等基于簡化基因組測序(RAD tag sequencing)數據305E40和67/3兩份茄子自交系中檢測到了約10 000 個SNPs、1 000個 InDels和2 000個SSR 位點[36]。隨后,Barchi和Portis利用388個SNP標記、43個SSR標記、3個CAPS 標記、11 個RFLP標記和 27 個COSⅡ標記,以 305E40和67/3及其F2 為材料,構建了茄子遺傳圖譜,并對花青素和產量等農藝性狀進行QTL定位分析[37,38]。吉康娜利用2份在果實與抗性上存在顯著差異的茄子的全基因重測序數據,鑒定出151 327個InDel位點,在隨機選取的180個InDel 標記中有62個標記具有多態性,多態率為34.7%[39]。雖然茄子的多態性標記開發較多,但能夠鑒定茄子耐低溫性的功能性分子標記還沒有得到有效開發和應用。

5 總結與展望

已有茄子低溫脅迫相關研究表明,低溫脅迫會產生超氧自由基和過氧化物破壞細胞膜結構和光合機構的結構及活性,進而激發抗氧化酶活性,誘發建立茄子自身防御體系,產生滲透調節物質,調節內源激素,以減輕和緩解低溫脅迫造成的傷害。很顯然不同茄子種質資源材料的耐低溫能力是不同的,人們通過破壞程度、修復能力、調節能力和恢復能力4個方面來綜合篩選和評價材料的耐低溫能力,分析了茄子耐低溫性的遺傳規律及與其它性狀的相關性,挖掘了一些耐低溫相關基因,也探索了一些栽培措施來提高茄子的耐低溫性。總體目的是要從育種和栽培兩方面克服低溫環境,延長種植期,提高茄子總體生產效益。但就目前的研究現狀來看,茄子耐低溫性的分子機理尚不清楚,有效的耐低溫分子標記尚待開發,評價方法不夠準確高效,研究水平較番茄、煙草等茄科作物仍有較大差距?，F有研究多集中在茄子苗期進行,隨著北方設施茄子周年一大茬栽培方式的不斷普及,低溫脅迫更多出現在冬、春季結果期,而這一時期研究對實驗條件要求過高,相應報道極少,但卻是更值得研究的時期。耐低溫茄子品種的選育亟待鑒定評價技術在準確性和效率上取得突破,同時也十分依賴茄子野生資源優良耐低溫基因的開發利用?？偟膩碚f,未來隨著分子生物技術的迅猛發展,茄子耐低溫性研究必將進入更深層次,機理也會日漸清晰,功能性分子標記的開發將大大推進茄子耐低溫新品種的育種進程。