土壤水分對胡椒實生苗生長和活性氧代謝的影響

李志剛 王燦 祖超 楊建峰 魚歡 鄔華松

摘 要 為探討土壤水分對胡椒生長和葉片活性氧代謝的影響，以胡椒實生苗為研究對象，設(shè)置5%、10%、15%、20%和25%共5個土壤質(zhì)量含水量處理，測定試驗開始后第1、3、5、8、14天不同處理的抗氧化酶活性、膜脂過氧化產(chǎn)物及第14天時植株相關(guān)生長指標(biāo)，以期明確適宜胡椒生長的土壤含水量范圍。結(jié)果表明：1～3 d內(nèi)，5%土壤水分處理表現(xiàn)出胡椒葉片抗氧化酶活性顯著高于其他處理，15%和20%處理最小，受到的脅迫程度最低；而3 d后，由于5%處理胡椒葉片失水嚴(yán)重，抗氧化酶活性顯著降低，10%處理仍呈現(xiàn)較高水平；總體趨勢上，15%、20%和25%處理的膜脂過氧化程度最低，生長狀況也最好。上述結(jié)果表明，適宜胡椒生長的土壤質(zhì)量含水量范圍為15%～25%，土壤水分含量過低形成的干旱脅迫會影響胡椒生長，降低葉片抗氧化能力，加重膜脂過氧化傷害程度。

關(guān)鍵詞 胡椒 ；活性氧代謝 ；土壤含水量 ；逆境脅迫

分類號 S573.9 Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.02.001

Response of Active Oxygen Metabolism of Black Pepper Seedling

to Different Soil Moisture Regimes

LI Zhigang WANG Can ZU Chao YANG Jianfeng YU Huan WU Huasong

（Spice and Beverage Research Institute， CATAS / Key Laboratory of Genetic Resources

Utilization of Spice and Beverage Crops， Ministry of Agricuhure / Hainan Provincial

Key Laboratory of Genetic Improvement and Quality Regulation for Tropical spice

and Beverage Crops， Wanning， Hainan 571533）

Abstract To investigate the suitable soil moisture content for Black Pepper growth， a greenhouse experiment of Black Pepper seedlings grown in different soil mass moisture regimes of 5%， 10%， 15%， 20% and 25% was carried out and the effect of different soil moisture regimes on antioxidant enzyme activities， membrane lipid peroxidation and normal growth indexes of Black Pepper seedling was studied. The results showed that， under water stress， the activities of superoxide dismutase（SOD）， catalase（CTA）， and peoxidase（POD） in leaves of the 5% treatment was significantly higher than other treatments. Otherwise， 3 days later， because of the loss of water in the 5% treatments leaves， the antioxidant enzyme activity was significantly decreased. The membrane lipid peroxidation of 15%， 20% and 25% treatment is lowest， with the seedlings grew well. Soil moisture beyond the range would induce drought stress， which caused the decrease of the antioxidant enzyme activities and the rise of the membrane lipid peroxidation， inhibited the growth of pepper seedlings.

Keywords black pepper（Piper nigrum L.） ； active oxygen metabolism ； soil moisture ； adversity stress

土壤水分是作物生長的重要影響因素[1]，關(guān)注墑情的變化，及時對作物進(jìn)行有效的灌溉，不但可以促進(jìn)作物的發(fā)展，保證農(nóng)業(yè)產(chǎn)量[2-3]，還能提高水資源的利用率[4-5]。受全球氣候變化的影響，近年來海南胡椒優(yōu)勢種植區(qū)頻繁受到旱澇等極端氣候的影響[6-7]，而且胡椒生產(chǎn)上也亟需建立科學(xué)合理的灌溉制度[8]。因此，明確胡椒適宜的土壤水分含量范圍對于胡椒生長過程中的水分管理、建立科學(xué)合理的灌溉制度具有重要意義。

目前，植物在逆境條件下的膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）含量和保護(hù)酶系統(tǒng)超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性的變化已廣泛用于植物逆境適應(yīng)機(jī)理的研究[9-12]。本研究以盆栽實生苗為研究材料，設(shè)置5%、10%、15%、20%和25%共5個土壤質(zhì)量含水量梯度，測定處理后第1、3、5、8、14天的SOD、POD、CAT活性和MDA含量變化，研究不同土壤水分含量對胡椒實生苗活性氧代謝和膜脂過氧化作用的影響效應(yīng)與程度，以期為明確適宜胡椒生長的土壤含水量范圍提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

以胡椒主栽品種——熱引1號為試驗材料。供試實生苗于2015年2月開始盆栽培養(yǎng)，盆栽時均按相同土重裝盆，并保證充分的水肥管理，以使試驗處理開始時胡椒實生苗具有較為發(fā)達(dá)的根系。挑選長勢基本一致的植株，對其開展不同水分培養(yǎng)試驗。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗于2015年8月在海南萬寧中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所溫室進(jìn)行（18°1′ N，110°13′ E）。盆栽土壤由河砂和胡椒園土壤過2 mm篩后，按1∶5比例混合而成。裝盆時土壤容重控制在1.2 g/cm3，測定土壤飽和含水量值約為30%（質(zhì)量含水量）。胡椒園土壤田間持水量一般為28%。為了明確適宜水分范圍，根據(jù)盆栽時的裝土重量，計算保持土壤質(zhì)量含水量為5%、10%、15%、20%和25%（相當(dāng)于田間持水量的20%，35%、55%、70%和90%）時所需水量。試驗開始后，每天按不同處理所需水量進(jìn)行補(bǔ)水，白天每隔3 h補(bǔ)水1次，夜間補(bǔ)水1次，直至試驗結(jié)束。每個處理設(shè)置6個重復(fù)。

在處理開始后第1、3、5、8、14天測定不同處理任意3株胡椒葉片SOD、POD、CAT活性和MDA含量。在第14天時，每個處理隨機(jī)選擇3株胡椒實生苗，測定其干重、含水量及葉片SPAD值。

1.2.2 酶活性測定

SOD：采用氮藍(lán)四唑（NBT）法測定[13]，以560 nm波長下NBT光化還原抑制百分率為50%定義為一個酶活力單位（U/g FW）；POD：采用愈創(chuàng)木酚法測定[13]，每克鮮樣在每毫升反應(yīng)體系中每分鐘A470變化0.005為一個酶活力單位（U/g FW）；CAT：采用紫外分光光度法測定[14]，每克鮮樣每分鐘催化1 mol H2O2降解定義為一個酶活力單位（U/g FW）。

1.2.3 MDA含量測定

采用硫代巴比妥酸法測定[13]，利用532與600 nm下的吸光度的差值計算MDA的含量。

1.2.4 植株生長指標(biāo)測定

利用SPAD-502Plus（日本KONICA公司）測定胡椒倒數(shù)第4、5片葉的葉綠素SPAD值；測定后取出植株并洗凈根系，用吸水紙擦干后測定鮮重，再烘干至恒重，依此獲得胡椒干重和植株含水量等指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用GraphPad Prism 5和SPSS 18.0（SPSS Inc， Chicago）進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分對胡椒實生苗生長指標(biāo)的影響

不同土壤水分處理14 d后，處理間的胡椒植株干重、含水量和葉片SPAD值見表1。5%處理的植株干重、含水量和葉片SPAD值均顯著低于其他處理，說明受脅迫程度嚴(yán)重，而10%、15%、20%和25%處理之間的相關(guān)指標(biāo)未達(dá)到顯著性差異。上述結(jié)果表明，通過傳統(tǒng)生長指標(biāo)難以表征短時期內(nèi)不同土壤水分含量對胡椒生長的影響，只有5%處理因葉片嚴(yán)重失水，而表現(xiàn)出生長狀況顯著低于其他處理。

2.2 土壤水分對胡椒實生苗葉片抗氧化酶活性的影響

2.2.1 對胡椒實生苗葉片SOD活性的影響

SOD作為植物的一種抗氧化保護(hù)酶，能夠減少由于環(huán)境脅迫而產(chǎn)生的氧自由基對植物的傷害[15-16]。從圖 1可看出，在土壤水分脅迫初期，不同土壤水分處理間SOD活性差異較顯著，5%、10%、20%、25%處理顯著高于15%處理；而隨著脅迫時間的增加，各處理的SOD活性均有所減少，處理間的差異也變??；脅迫3 d后，5%處理葉片SOD活性迅速減小，而其他處理降低不顯著。綜上所述，5%、10%處理的SOD活性顯著高于15%、20%和25%處理。

2.2.2 對胡椒實生苗葉片POD、CAT活性的影響

POD與CAT的共同作用可消除SOD產(chǎn)生的過量過氧化氫，可防止其與超氧陰離子自由基相互作用產(chǎn)生毒害更強(qiáng)的自由基[17]。從圖2、3可看出，不同土壤水分處理條件下，胡椒葉片的POD、CAT活性變化規(guī)律與SOD活性變化基本一致，5%處理在脅迫初期顯著高于其他處理，但3 d后迅速變??；5%和10%處理活性變化顯著高于其他處理。尤其是處理14 d后，15%、20%和25%處理顯著降低。

2.3 土壤水分對胡椒實生苗葉片膜脂過氧化的影響

MDA是自由基進(jìn)行細(xì)胞膜脂過氧化傷害的最終產(chǎn)物之一，是檢測植物膜傷害的一個重要的指標(biāo)，其含量可表示膜脂過氧化的程度[18]。由圖4可知，不同脅迫時間下，5%土壤水分處理的MDA含量均最高，15%最低；20%和25%處理初期較高，隨著脅迫時間的增加，經(jīng)過植物體內(nèi)積極防御作用，使得MDA含量水平在脅迫后期顯著降低，直至與15%處理無顯著差異，且顯著低于5%和10%處理。5%處理的膜脂過氧化程度最高，說明5%和10%土壤質(zhì)量含水量對胡椒實生苗的干旱脅迫較為嚴(yán)重。

3 討論與結(jié)論

逆境脅迫下，植物體內(nèi)積累活性氧，植物本身對活性氧的傷害有精細(xì)而復(fù)雜的防御體系，即內(nèi)源性保護(hù)性酶促清除系統(tǒng)，以保證細(xì)胞的正常機(jī)能[19]。而且外界逆境脅迫時，植物需動員整個防御系統(tǒng)以抵抗水分脅迫誘導(dǎo)的氧化傷害，單一的抗氧化酶或抗氧化劑不足以抵制這種傷害，因而在很多植物中發(fā)現(xiàn)SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性均與逆境脅迫有關(guān)。多數(shù)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，逆境脅迫傷害程度與這3種酶活力的提高呈負(fù)相關(guān)[20-24]。在本研究中，15%處理在整個試驗過程中的SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性均保持較低水平，說明15%土壤含水量是胡椒生長的最適宜土壤水分條件。

研究結(jié)果表明，在一定脅迫程度下，隨著脅迫時間的增加，植物在啟動保護(hù)酶促清除系統(tǒng)的同時，也會啟動非酶促系統(tǒng)、DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)等其它抗脅迫適應(yīng)機(jī)制，從而保證細(xì)胞的正常機(jī)能，使植株在生理生化等方面進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)逆境[25]。本研究中，隨著脅迫時間的增加，所有處理抗氧化酶活性均呈下降趨勢。其中，20%和25%處理抗氧化酶活性下降幅度較大，到第14天時與15%相差不大，表明胡椒植株在20%～25%土壤含水量條件下，能夠通過一定時間適應(yīng)調(diào)整以恢復(fù)正常生長；而5%和10%處理則下降幅度較小，說明5%和10%處理對胡椒脅迫程度較高，特別是5%處理對胡椒影響最為嚴(yán)重，2～3 d后植株葉片出現(xiàn)嚴(yán)重失水，從而表現(xiàn)為抗氧化酶活性顯著低于10%處理。上述結(jié)果表明，適宜胡椒生長的土壤水分含量范圍為15%～25%。

植株在衰老或逆境下遭受傷害，往往發(fā)生膜脂過氧化，MDA是膜脂過氧化的最終分解產(chǎn)物，其含量的高低可反映植物膜傷害的程度。本研究中，5%和10%處理的MDA含量相對較高，進(jìn)一步說明5%和10%處理對胡椒脅迫程度較高；而15%、20%和25%處理的MDA則顯著低于5%和10%處理，說明其受脅迫程度相對較低，是胡椒生長的適宜土壤水分范圍。而且，MDA作為膜脂過氧化產(chǎn)物，其含量與SOD、POD和CAT保護(hù)酶活性密切相關(guān)，這是因為SOD、POD和CAT活性下降，可能直接或者間接地啟動膜脂過氧化使MDA含量增加；而隨著MDA的積累反過來又抑制了抗氧化酶的活性，使其下降，從而喪失了保護(hù)酶系統(tǒng)的功能，促使膜系受損加重[25]，本研究結(jié)果與該結(jié)論基本一致。因此，胡椒葉片的抗氧化酶活性和膜脂過氧化水平可衡量其遭受外界逆境的脅迫程度，在今后研究中可作為抗逆品種篩選的重要生理指標(biāo)。

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