低温胁迫对彩椒幼苗生长指标及光合特性的影响

许耀照，张芬琴，陈修斌，李翊华，权建华

(1.河西学院 农业与生物技术学院，甘肃 张掖 734000；2.甘肃省河西走廊特色资源利用重点实验室，甘肃 张掖 734000)

温度是限制植物生长的主要环境因子之一，不适宜的温度影响植物生长发育和光合速率，遭受温度胁迫时植物易发生光抑制现象[1]。低温也是影响植物物质代谢的非生物胁迫主导因子。甘肃河西走廊的设施蔬菜生产在晚冬或早春易发生长期偏低温或短期临界低温胁迫，影响设施蔬菜的生长和品质，因此，研究设施蔬菜作物对偏低温和短时临界低温的适应机制，对实现设施蔬菜高效生产有重要的意义。低温胁迫使作物光合作用降低是蔬菜减产的主要原因[2]。光合作用是植物物质合成的源泉，低温胁迫下作物光合能力的强弱可从光合指标和叶绿素荧光参数等多方面反映[3]。叶绿素荧光动力学技术是检测植物叶片光合功能无损伤的有效探针，最大光化学效率(Fv/Fm)大小反映植物PSⅡ受伤害的程度[4]，光合性能指数(PI)是叶片吸收光能的基本指数，可较准确反应植物光合机构的状态。已有广玉兰[5]、番茄[6，7]、茄子[8]和玉米[9]等低温胁迫下研究报道，但设施彩椒低温胁迫报道较少。

彩椒是一类高档蔬菜，经济价值高，增产潜力大，在设施彩椒生产中低温胁迫制约其高效生产。本研究以设施彩椒花仙子为试验材料，探讨低温胁迫对其生长及光合特性的影响，进一步揭示低温胁迫影响其生长、光合作用及光系统伤害的生理学机制，以期为设施彩椒高产、优质生产提供部分试验依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

花仙子黄色甜椒种子由北京南无科贸有限责任公司提供，挑选200粒大小一致的种子置于95%乙醇灭菌10 min后，用清水冲洗3次，将种子置于清水中催芽6 h；将育苗基质置于120 ℃烘箱(型号：DGH-9 123 A电热恒温鼓风干燥箱)中灭菌8 h，催芽黄色甜椒种子播种于9 cm×9 cm(口径×高)营养钵中，在营养钵上覆一层塑料薄膜，待种子发芽后，移去塑料薄膜，每天下午彩椒幼苗喷水1次，间隔3 d将营养钵转换方向使之受光均匀，使其长势一致。试验在甘肃省河西走廊特色资源利用重点实验室进行。

1.2 低温处理

待彩椒幼苗长至四叶一心时，将30株彩椒幼苗置于3个智能人工气候箱(RXZ-310B型)中进行温度胁迫处理，每个智能人工气候箱处理10株：常温对照 (CK，25 ℃/18 ℃昼/夜，12 h/12 h)；处理1：偏低温T1(19 ℃/12 ℃ 昼/夜， 12 h/12 h)；处理2：临界低温T2 (15 ℃/8 ℃ 昼/夜，12 h/12 h)；智能人工气候箱的光照条件设为(400±5) μmol·m-2·s-1和相对湿度保持在(80±1)%RH，在CK、T1和T2温度处理14 d时测定其生长指标和光合指标等。

1.3 测定项目及方法

随机选取CK，T1和T2的5株彩椒幼苗，采用直尺(0.1 mm)分别测其株高、植株冠长和根长，游标卡尺(0.01 mm)测定茎粗，计数法统计叶片数，分析天平(0.000 1 g)测定植株地上鲜重和地下鲜重以及植株105 ℃杀青20 min，80 ℃恒温烘干24 h后测定地上干重和地下干重，并计算根冠比(干重)，用量筒排水法测定根体积[10]。

由上向下选彩椒幼苗第4片展开功能叶，用浙江托普仪器有限公司生产的TYS-A型叶绿素测定仪测叶片相对叶绿素含量SPAD值。用英国Hansatech公司生产的CIRAS-2型便携式光合测定系统测定其光合参数，使用光合仪的开放气路，测定参数包括净光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)、蒸腾速率(Tr，mmol·m-2·s-1)、气孔导度(Gs，mol·m-2·s-1)、胞间CO2浓度(Ci，μmol·mol-1)，并用Berry和Downton[11]的方法计算气孔限制值(Ls，%)：Ls(%)=(1-Ci/Ca)×100%。用英国Hansatech公司生产的Handy PEA植物效率分析仪测定经过暗适应20 min后功能叶片PSⅡ原初光能转换效率(Fv/Fm)和光合性能指数(PI)等叶绿素荧光参数。所有测定指标重复5次，取其平均值。

1.4 数据处理

数据用 Excel 2010软件做表，用DPS 9.50软件进行Duncan方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫对彩椒幼苗生长特性的影响

由表1可看出：随着胁迫温度的降低，彩椒幼苗的株高、茎粗、叶片数、植株冠长和根长均显著降低(P<0.05)，且临界低温T2处理降低的趋势强于偏低温T1处理，T2与T1处理间叶片数和根长达到显著差异(P<0.05)。T1处理与CK相比较依次降低了33.33%、18.81%、35.53%、56.45%和12.27%，株高、叶片数和植株冠长的最低降幅都达到了33%，最高降幅达到了56%；T2处理与CK相比较依次降低了35.77%、22.10%、51.32%、64.21%、45.09%，株高和根长的最低降幅达到35%以上，最高降幅达到了45%，叶片数和植株冠长的最低降幅达到了50%，最高降幅达到了64%。这表明低温胁迫抑制彩椒幼苗的生长，T2处理明显抑制彩椒幼苗的生长，T1处理对彩椒幼苗生长也有一定的抑制作用。

表1 低温胁迫对彩椒幼苗生长特性的影响Table 1 Effects of growth characteristics of pepper seedlings under low temperature stress

注：同列不同小写字母表示P<0.05水平的差异显著性，数据为平均值±标准误，下同。

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

2.2 低温胁迫对彩椒幼苗鲜重、干重及根冠比的影响

由表2可看出：随着胁迫温度的降低，彩椒幼苗地上鲜重、地下鲜重、地上干重、地下干重和根冠比均显著降低(P<0.05)，临界低温T2处理降低趋势强于偏低温T1处理，T2与T1处理间干重和根冠比达到显著差异(P<0.05)。T1处理与CK相比依次降低了70.17%、83.67%、63.29%、69.80%和15.02%；彩椒幼苗鲜重降幅达到70%以上，干重降幅达到60%，地下鲜重降幅达到84%，根冠比降幅达到15%；T2处理与CK相比依次降低了80.95%、95.14%、80.56%、89.33%和45.14%，彩椒幼苗鲜重和干重降幅达到80%，地下鲜重降幅达到95%，根冠比降幅达到45%。这表明低温抑制彩椒幼苗鲜重、干重的增长，临界低温T2处理抑制程度达到80%。

表2 低温胁迫对彩椒幼苗鲜重、干重及根冠比的影响Table 2 Effects on fresh weight and dry weight and root-top ratio of pepper seedlings under low temperature stress

2.3 低温胁迫对彩椒幼苗根体积和SPAD值的影响

由表3可看出：随着胁迫温度的降低，彩椒幼苗根体积和SPAD值均显著下降(P<0.05)，且临界低温T2处理降低趋势强于偏低温T1处理，T2与T1处理间根体积达到显著差异(P<0.05)。T1处理与CK相比依次降低了79.92%和29.35%；T2处理与CK相比较依次降低了93.94%和3395%。这表明低温抑制彩椒幼苗根体积和SPAD值增加，临界低温T2处理根体积抑制程度达到90%。

表3低温胁迫对彩椒幼苗根体积和SPAD值的影响

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

处理Treatments根体积/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 低温胁迫对彩椒幼苗叶片光合指标的影响

由表4可看出：随着胁迫温度的降低，彩椒幼苗叶片的光合指标均显著下降(P<0.05)，临界低温T2处理降低趋势强于偏低温T1处理，T2与T1处理间光合速率和气孔限制值达到显著差异(P<0.05)。T1处理与CK相比，彩椒幼苗叶片的蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、光合速率和气孔限制值依次降低了51.51%、27.35%、0.88%、27.66%和1.69%；蒸腾速率的降幅达到了50%以上； T2处理与CK相比较依次降低了57.48%、30.69%、2.04%、66.40%和46.91%，彩椒幼苗光合速率的降幅最高达到了66.00%以上，气孔限制值由T1处理的1.69%明显增加到T2处理的46.91%。这表明低温抑制彩椒幼苗光合特性，临界低温T2处理明显降低彩椒幼苗的光合速率，气孔限制是彩椒幼苗光合速率降低的主要因素。

表4 低温胁迫对彩椒幼苗叶片光合指标的影响Table 4 Effects on leaf photosynthetic index of pepper seedlings of low temperature stress

2.5 低温胁迫对彩椒幼苗叶片Fv/Fm和PI的影响

Fv/Fm的大小表示 PSⅡ受伤害的程度[4]， PI的大小表示叶片吸收光能强弱的性能。由表5可以看出：随着胁迫温度的降低，彩椒幼苗的Fv/Fm和PI均显著下降(P<0.05)，且临界低温T2处理降低趋势强于偏低温T1处理，T2与T1处理间Fv/Fm和PI达到显著差异(P<0.05)。T1处理与CK相比Fv/Fm和PI依次降低了0.06%和20.23%；T2处理与CK相比Fv/Fm和PI依次降低了8.96%和57.77%。这表明低温降低了彩椒幼苗叶片PSⅡ的最大光化学效率(Fv/Fm)和光合性能指数(PI)，临界低温T2处理PI抑制程度达到57.77%，使得彩椒幼苗叶片吸收光能能力减弱一半以上。

表5低温胁迫对彩椒幼苗叶片Fv/Fm和PI的影响

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

处理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 低温胁迫下彩椒幼苗叶片光合速率与各指标的相关性分析

分析偏低温T1和临界低温T2处理的彩椒幼苗的生长指标、光合特性和叶绿素荧光参数与光合速率之间的相关性(表6)。结果表明，彩椒幼苗的光合速率与根冠比、Ci和PI呈极显著正相关(P<0.01)，相关系数为1.00；光合速率与根长和叶片数呈显著相关(P<0.05)，相关系数依次为0.99和0.95。偏低温T1和临界低温T2处理的彩椒幼苗对光合速率的正效应表现为Ls=地上干重=地下干重(0.92)>Fv/Fm(0.91)>根体积=茎粗(0.89)>地上鲜重=SPAD值(0.88)>植株冠长=Gs=Tr(0.87)>株高(0.85)。

表6低温胁迫下彩椒幼苗叶片光合速率与各指标的相关系数

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

指标Index光合速率Pn指标Index光合速率Pn株高0.85根冠比1.00**茎粗0.89根体积0.89叶片数0.95*SPAD值0.88植株冠长0.87胞间CO2浓度1.00**根长0.99*气孔限制值0.92地上鲜重0.88气孔导度0.87地下鲜重0.87蒸腾速率0.87地上干重0.92PSⅡ原初光能转换效率0.91地下干重0.92光合性能指数1.00**

注：*表示显著相关；**表示极显著相关。

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

3 讨论与结论

我国北方反季节设施蔬菜生产冬季和早春温度骤降、持续低温和亚低温时常发生，低温导致设施蔬菜生长迟缓甚至死亡等。作物生长发育都有其最佳温度范围，低于该温度就是一种胁迫。本研究发现，低温胁迫明显抑制设施彩椒株高、茎粗、叶片数、植株冠长、植株、植株根长、地上鲜重与干重、地下鲜重与干重，且随着胁迫温度的降低，设施彩椒生长指标明显降低。这表明偏低温胁迫对设施彩椒幼苗的生长具有一定的抑制作用，临界低温(15 ℃/8 ℃ 昼/夜)的抑制作用尤为明显，所以，在冬季和早春低温发生时做好防寒保温措施，以减弱低温对设施彩椒生长的抑制作用。

低温直接影响植物光合器官结构和活性，也间接影响其光合作用，光合参数可直接反映其光合作用的强弱。Farquhar等[12]认为植物叶片光合速率下降有叶片气孔导度下降导致CO2的供应受阻的气孔限制和叶肉细胞光合性能下降导致叶肉细胞同化CO2能力下降的非气孔限制。本研究发现，随着胁迫温度降低，彩椒叶片光合速率、蒸腾速率和气孔导度逐渐降低，低温抑制彩椒幼苗光合特性，临界低温(15 ℃/8 ℃ 昼/夜)明显降低彩椒幼苗的光合速率，且气孔限制是彩椒幼苗受到低温胁迫时光合速率降低的主要制约因素。

叶绿素荧光参数具有反映植物光合作用“内在性”的特点，被称为活体测定叶片光合功能无损伤探针[13，14]，叶绿素荧光参数可反映光系统Ⅱ(PSⅡ)对光能的吸收、传递和耗散状况。通过测定植物叶绿素荧光参数，可了解植物对逆境胁迫的生理响应[15，16]。Fv/Fm大小能反映 PSⅡ反应中心的活性，也反映 PSⅡ反应中心光能的转化效率，其值降低表明低温胁迫下叶片发生了光抑制[17]。光合性能指数PI是一个综合反映光合机构活性的参数，其对环境变化最敏感的荧光参数，常估计植物光化学反映对环境的响应状况。本研究发现，低温胁迫使彩椒幼苗叶片发生了光抑制，同时也降低了彩椒幼苗叶片吸收光能的能力。

综上，偏低温和临界低温对设施彩椒幼苗生长指标和光合特性的影响存在明显差异，尤以临界低温影响严重。低温使设施彩椒幼苗的生长指标和光合特性均呈一定程度下降。在临界低温胁迫下，彩椒幼苗的光合速率与根冠比、Ci和PI呈极显著正相关，光合速率与叶片数和根长呈显著相关，可作为彩椒低温胁迫程度的判断指标。