高温高湿对设施番茄果实发育及品质的影响机理和评估模型的研究

Tomato (Solanum lycopersicum L.) is a major facility crop in China, and its planting area and yield rank the first in the world. In the year round production of greenhouse tomato crops, hot and humid environment have serious effects on the fruit development and quality. However, the disaster-causing mechanism and quantitative evaluation of hot and humid environment has not been clear so far. An artificial environmental simulation experiment of hot and humid environment and the duration with tomato (Jinfen 5) will be conducted. We will study the reproductive mechanism of the fruit development by measuring flower bud differentiation, pollen ultrastructure, ovule anatomy, and endogenous hormones. Determining root activity, stomatal characters, photosynthetic parameters, and organ dynamic to reveal the photosynthetic mechanism of hot and humid environment in fruit growth. Measuring the fruits protein, organic acids and sugar content, and metabolism enzyme activity of carbon and nitrogen to prove the metabolic mechanism of fruit quality. Combining with crop and meteorological data to set up tomato growth and microclimate model. Based on the principles of disaster science, building assessment model of tomato growth and fruit quality under the influence of hot and humid environment, and proposing meteorological indexes of temperature and humidity control of tomato year round production. The results can provide decision supports for impact assessment and environmental optimization control of greenhouse tomato crops.

番茄是中国最主要的设施作物，年种植面积和产量均居世界第一。在设施番茄周年生产中，高温高湿对果实发育和品质产生严重的影响。至今，关于高温高湿双重胁迫的致灾机理和定量影响评估等科学问题尚不清楚。为此，本研究以番茄“金粉5号”为试材，拟开展高温高湿及持续时间等多因素环境控制试验，通过观测花芽分化进程、花粉超显微结构、子房解剖学特征及内源激素水平，研究高温高湿影响果实发育的生殖机理；再测定植株根系活力、气孔特征、光合参数和器官源库动态，揭示高温高湿影响果实生长的光合机理；进而测定果实蛋白、有机酸和糖等含量及碳氮代谢关键酶活性，探明果实品质形成的代谢机理；在此基础上，利用作物数据和气象数据，建立番茄生长模型和设施小气候模型。基于灾害学原理，构建高温高湿对番茄果实生长和品质影响的定量评估模型；最后提出设施番茄周年生产的温湿度调控气象指标。结果拟为设施番茄高温高湿的影响评估和环境优化调控提供决策支持。

番茄是中国主要设施栽培作物之一，2016年中国设施番茄栽培面积达到60万km2。设施番茄周年生产中，在春秋季的晴天及夏季，高温高湿成为设施内主要小气候环境。而高温高湿双重胁迫下，番茄植株的开花结实特性、果实发育进程和品质形成规律有何变化，影响机理如何以及怎样定量评价等成为科学家关注的科学问题。本项目针对设施番茄生产中，高温高湿对果实发育及品质的影响机理和定量评估中存在的问题主要研究内容：高温高湿对设施番茄果实发育影响及其生殖机理；高温高湿双重胁迫对番茄果实生长影响及其光合机理；高温高湿双重胁迫对番茄果实品质影响及其代谢机理；构建了高温高湿双重胁迫对设施番茄的生长发育及品质的影响评估模型。 研究证实日最高温度高于32℃条件会使番茄幼苗花芽分化明显延迟，分化进程明显延长，且温度越高，延迟或延长的程度越重。高温高湿处理下，小孢子阶段花粉细胞变形，绒毡层可见药室内充满小孢子解体的物质，花药内花粉数量明显减少。高温高湿导致花粉畸形，异常花粉的比率越大，花粉粒发育不良，高温胁迫对设施番茄花粉活力的影响表现为明显的抑制作用。高温高湿处理幼苗顶芽IAA、ZT含量明显下降，GA3、ABA水平明显升高，HSP70、HSP90、HSP110基因蛋白相对表达量提高；高温高湿胁迫抑制了番茄叶片的净光合速率，降低叶片PSⅠ和PSⅡ相对活性和反应中心效率，38 ℃/18 ℃高温环境下、相对湿度70%能够有效减少高温带来的危害；研究证实高温高湿致使番茄果实的可溶性蛋白含量显著降低，游离氨基酸含量和总糖显著增加。谷氨酸合成酶(GOGAT)活性随温度升高而升高，谷氨酰胺合成酶(GS)随温度升高显著降低；苹果酸酶（ME）活性在随胁迫温度升高先升高后降低；研究表明高温高湿处理下番茄株高和茎粗生长的始盛点、高峰点和盛末点均提前，高温高湿胁迫下番茄果实的横径始盛点延迟；花期和果期高温处理后，果实综合品质有不同程度的下降，果期高温处理的综合品质较花期高温处理低。研究构建了温室设施小气候预报模型，可预报室内日平均气温、最高气温、最低气温及相对湿度，模型精度以BP神经网络模型最高。建立番茄生长模型和评价设施番茄果实综合品质的评价数学模型，提出了设施番茄环境调控中不同高温下的最适宜湿度指标。研究结果为设施番茄环境优化调控及灾害监测预警提供决策支持。项目共发表论文15篇，其中SCI收录6篇，出版1部专著，授权2项。