高溫脅迫對不同果型辣椒生理生化特性的影響

詹旺+段曦+苑崗+劉豐嬌+魏佑營

摘 要：以野生辣椒小米辣（M）和不同果型辣椒代表性品種為試材，在人工控制環(huán)境下，研究了高溫對辣椒幼苗（5葉1心）內(nèi)部生化指標的影響。結(jié)果表明：高溫脅迫下，小米辣（M）熱害指數(shù)最小，丙二醛（MDA）含量最低，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量和抗氧化酶超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性最高，耐熱性最強；朝天椒（HZ），燈籠椒（431）和牛角椒（419）耐熱性依次降低。較高的滲透調(diào)節(jié)能力和抗氧化能力可能是小米辣（M）耐熱性較強的原因。

關(guān)鍵詞：辣椒；高溫脅迫；滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)；抗氧化酶

中圖分類號：S641.3 文獻標識碼： A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.11.001

Abstract： With the wild species （Capsicum frutescens） and the representative cultivars with different fruit types as materials， the effects of high temperature on the physiological and biochemical characteristics were studied in artificially controlled condition. The results showed that： under high temperature， the heat injury index and malondaldehyde （MDA） content were lowest， the contents of soluble sugar， proline and soluble protein and the activities of superoxide dismutase （SOD）， peroxidase （POD） and catalase （CAT） were higher in Capsicum frutescens seedlings comparing with other varieties. Capsicum frutescens had the best tolerance to high temperature， and HZ was the second， 431 and 419 had the worst tolerance. The indicators of Capsicum frutescens were better than the other pepper varieties， thus higher osmotic adjustment ability and antioxidant capacity might be the reasons of strong high resistance.

Key words： pepper； high temperature stress； osmotic regulation substances， antioxidant enzyme

辣椒（Capsicum annum L.）是我國設(shè)施栽培的主要蔬菜之一，喜溫怕熱，適宜生長溫度為白天25～30 ℃，夜間18～20 ℃，超過35 ℃時生長發(fā)育受阻，出現(xiàn)落葉、落花現(xiàn)象[1]。辣椒在溫室、大棚越夏栽培中，設(shè)施內(nèi)高溫環(huán)境是限制其產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。中國辣椒屬有Capsicum frutescens和Capsicum frutescens兩個種，其中Capsicum frutescens為生產(chǎn)中常用的栽培種，小米辣Capsicum frutescens屬于野生種[2]。小米辣引種自云南西雙版納等地，耐熱性好，長勢以及連續(xù)坐果能力強，具有抗病、耐高溫耐潮濕等特點。栽培品種燈籠椒（431）果實碩大扁形，牛角椒（419）果實圓錐形，朝天椒（HZ）則屬于簇生椒，果皮薄，果色深紅。本試驗以野生辣椒品種小米辣與不同果型辣椒代表性品種為試材，采用人工控制環(huán)境的方法，通過研究高溫脅迫下辣椒幼苗（5葉1心）內(nèi)部生理生化指標的變化，探討高溫逆境脅迫下野生辣椒品種和不同果型品種幼苗、形態(tài)和理化指標變化規(guī)律，旨在為篩選辣椒耐高溫育種材料和辣椒屬種間雜交育種提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

試驗于2014—2016年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝實驗站日光溫室內(nèi)進行。以小米辣（M）與不同果型辣椒代表性品種燈籠椒（431）、牛角椒（419）、朝天椒（HZ）為試材，種子由山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院辣椒課題組提供。育苗基質(zhì)為園土、有機肥和蔬菜專用育苗基質(zhì)按體積比1∶1∶1混合，試驗處理前的辣椒幼苗于日光溫室內(nèi)統(tǒng)一管理。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 不同脅迫溫度試驗 幼苗長至5葉1心時，選擇長勢一致的辣椒幼苗，移至光照培養(yǎng)箱內(nèi)進行處理。試驗設(shè)4個處理：對照（CK），27 ℃/18 ℃（晝/夜溫度）；T1，30 ℃/22 ℃（晝/夜溫度）；T2，37 ℃/26 ℃（晝/夜溫度）；T3，40 ℃/30 ℃（晝/夜溫度）。光量子通量密度（PFD）為1 500 mol · m-2 · s-1，光周期12 h/12 h，每處理設(shè)置3個重復(fù)。試驗處理10 d后測定辣椒幼苗形態(tài)指標，包括株高、莖粗、葉片數(shù)、落葉數(shù)，統(tǒng)計死亡率。

1.2.2 苗期高溫脅迫處理的時間序列動態(tài) 幼苗長至5葉1心時，選擇長勢一致的辣椒幼苗，移至光照培養(yǎng)箱內(nèi)進行處理。試驗設(shè)2個處理：常溫處理（CK），27 ℃/18 ℃（晝/夜溫度）；高溫處理，30 ℃/25 ℃（晝/夜溫度）預(yù)處理1 d，37 ℃/26 ℃（晝/夜溫度）。分別于處理1，4，7，10 d取樣測定相關(guān)指標，包括熱害指數(shù)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、丙二醛和抗氧化酶活性。各處理的每個取樣時間設(shè)置3個重復(fù)。endprint

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生長指標的測定 株高使用直尺測定；莖粗使用游標卡尺測定。

1.3.2 熱害指數(shù)的測定 各品種取 50 株進行高溫處理：白天 20 ℃、夜晚 30 ℃提前預(yù)處理 1 d，后24 h 38 ℃高溫處理 3 d，根據(jù)受害級別計算熱害指數(shù)。

受害級別：0 級，生長正常，未受傷害；1級，僅少數(shù)葉片邊緣有輕度的褶皺萎縮；2 級，半數(shù)以下的葉片萎焉死亡；3 級，半數(shù)以上的葉片萎焉死亡；4級，植株全部死亡。

熱害指數(shù)=∑（各級株數(shù)×級數(shù)）/（最高級數(shù)總株數(shù)×總株數(shù)）[3]。

1.3.3 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量測定 用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；磺基水楊酸法測定游離脯氨酸含量；考馬斯亮蘭 G-250 染色法測定可溶性蛋白[4]。

1.3.4 丙二醛含量和抗氧化酶活性 用硫代巴比妥酸（TBA）比色法測定丙二醛（MDA）含量[4]；用氮藍四唑（NBT）還原法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性[5]；愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（POD）活性[6]；過氧化氫酶（CAT）活性參照Chance等[7]的方法測定，用1 min內(nèi)240 nm吸光度值的變化值表示酶活性。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

分別用Microsoft Excel和SigmaPlot處理數(shù)據(jù)和作圖，數(shù)據(jù)均由“均值±標準差”表示，用DPS 軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，并運用Duncan 檢驗法對顯著性差異（P<0.05）進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度處理下辣椒幼苗形態(tài)指標和死亡率的變化

由表1可知，隨著處理溫度的增高，各品種辣椒的株高和葉片數(shù)有所增加，但莖粗降低，說明高溫脅迫造成了辣椒徒長。處理10 d后，T1溫度處理下辣椒的葉片數(shù)和死亡率與CK相比沒有顯著差別；T2溫度處理下，出現(xiàn)熱害癥狀，431和419葉片開始脫落，但死亡率均為0%；T3溫度處理下，辣椒幼苗的落葉數(shù)和死亡率顯著高于其它溫度處理，辣椒受害嚴重。因此，選擇T2即晝/夜溫度37 ℃ / 26 ℃進行高溫處理開展高溫脅迫下幼苗時間序列動態(tài)的試驗。

2.2 辣椒幼苗熱害指數(shù)隨高溫脅迫時間序列的變化動態(tài)

熱害指數(shù)可作為鑒定辣椒幼苗耐熱性強弱的靈敏指標，熱害指數(shù)越大耐熱性越差[8]。由表2可知，高溫下辣椒幼苗葉片的熱害指數(shù)隨著脅迫時間的延長逐漸升高；高溫脅迫后的各時間序列均表現(xiàn)為：小米辣（M）<朝天椒（HZ）<大牛角形辣椒（419）<燈籠型辣椒（431），且相同的脅迫天數(shù)下各處理間差異均達顯著水平，說明小米辣耐熱性最強，而燈籠型431辣椒的耐熱性最差。

2.3 辣椒幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)隨高溫脅迫時間序列的變化動態(tài)

2.3.1 可溶性糖含量的變化 逆境脅迫下，植物能產(chǎn)生滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)提高對逆境的適應(yīng)能力[9]，可溶性糖是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，含量越高越有利于細胞持水。由圖1可知，與常溫處理相比，高溫處理1 d后，小米辣（M）可溶性糖含量升高，隨著高溫處理時間的延長，可溶性糖含量有所降低，其它品種辣椒變化趨勢與小米辣（M）相同。高溫處理10 d后，小米辣（M）可溶性糖含量最高，分別比燈籠形（431）、大牛角形（419）和朝天椒（HZ）高25.6%、23.1%和11.1%。

2.3.2 游離脯氨酸含量的變化 游離脯氨酸是一種在水溶液中水勢較高的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，能降低細胞滲透勢，維持膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[10-11]。由圖2可知，高溫處理1 d后小米辣（M）游離脯氨酸含量迅速升高，顯著高于常溫對照，高溫脅迫4 d時含量開始降低，脅迫結(jié)束時比CK低25.4%，其他品種辣椒的變化趨勢與小米辣（M）相同。高溫脅迫1 d時，小米辣（M）游離脯氨酸含量與朝天椒（HZ）含量差異不顯著，顯著高于燈籠形431和大牛角形419辣椒。

2.3.3 可溶性蛋白含量的變化 可溶性蛋白能提高細胞的持水能力，保護原生質(zhì)膜結(jié)構(gòu)[12]。由圖3可知，高溫處理下各個品種辣椒的可溶性蛋白含量先升高后降低。高溫脅迫10 d后，小米辣（M）可溶性蛋白含量最高，分別比燈籠形（431）、大牛角形（419）和朝天椒（HZ）高14.2%，13.2%和9.5%。這表明高溫脅迫下，野生型小米辣（M）滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量較高，滲透調(diào)節(jié)能力較強，這可能是其耐熱性較強的原因之一。

2.4 辣椒幼苗MDA含量和抗氧化酶活性隨高溫處理時間序列的變化動態(tài)

2.4.1 MDA含量的變化 MDA是膜脂過氧化的主要產(chǎn)物，其含量的高低可以反映植物膜系統(tǒng)的傷害程度[13]。圖4顯示，高溫脅迫下，各品種辣椒MDA含量均呈現(xiàn)升高趨勢，小米辣的MDA升高幅度最低，其次是朝天椒（HZ）、大牛角形（419）和燈籠形（431）。脅迫10 d時，朝天椒（HZ）、大牛角形辣椒（419）和燈籠形辣椒（431）的MDA含量分別比小米辣高6.5%，26.5%和27.5%。

2.4.2 超氧化物歧化酶SOD活性的變化 高溫脅迫能導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧（ROS）水平升高，同時激活抗氧化系統(tǒng)，從而避免或減輕活性氧對植物的傷害[10-11]。超氧化物歧化酶（SOD）能清除逆境脅迫下最先產(chǎn)生的O2·-，維持植物體內(nèi)的氧化還原平衡[14]。由圖5可知，常溫下，辣椒幼苗的SOD活性變化較為平緩，與常溫對照相比，高溫脅迫下辣椒幼苗SOD活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，高溫脅迫4 d后，小米辣（M）的活性顯著高于大牛角形辣椒（419）和燈籠形辣椒（431）。

2.4.3 POD活性的變化 POD能清除植物組織中過量的O2·-和H2O2，維持氧化還原平衡[15]。從圖6可知，與常溫對照相比，高溫脅迫1 d時，小米辣（M）的POD活性顯著升高，高溫脅迫7 d后開始降低，POD活性分別比燈籠形辣椒（431）和大牛角形辣椒（419）高37.5%和34.7%。endprint

2.4.5 CAT活性的變化 CAT是重要的抗氧化酶之一，能清除植物體內(nèi)過量的H2O2[10-11]。由圖7可知，高溫脅迫下，4個品種辣椒的CAT活性均在脅迫7 d時達到最高，隨即降低，大牛角形辣椒（419）的CAT活性顯著低于其他處理，其次是燈籠形辣椒（431），朝天椒（HZ）和小米辣（M）的CAT活性較高。說明高溫脅迫下，野生型小米辣抗氧化酶活性較強，這可能是其耐熱性較強的原因之一。

3 討 論

辣椒喜溫和不耐熱，開花期超過30 ℃會發(fā)生熱害，引起授粉授精不良和落花落果。隨著溫室氣體排放的增加，全球氣候呈現(xiàn)變暖趨勢，辣椒越夏栽培種經(jīng)常遭遇高溫脅迫，嚴重影響辣椒的生長發(fā)育。前人研究表明，在35 ℃和40℃兩個溫度處理下，辣椒幼苗株高增加，辣椒幼苗莖粗減小，生長量降低[1]。本研究表明，晝/夜溫度30 ℃/22 ℃處理10 d，小米辣（M）、燈籠椒（431）、牛角椒（419）和朝天椒（HZ）生長正常，晝/夜溫度37 ℃ / 26 ℃處理下燈籠椒（431）和牛角椒（419）株高開始增加，莖粗減小，熱害癥狀明顯，葉片開始脫落，晝/夜溫度40 ℃/30 ℃處理下，各品種辣椒落葉數(shù)和死亡率增加。這說明各品種辣椒均具有一定的耐高溫能力，但這種耐受力是有一定限度的，長期高溫處理會造成辣椒死亡。

熱害指數(shù)能反映辣椒幼苗耐熱性的強弱，熱害指數(shù)越大耐性越差[3]。本試驗研究表明，野生小米椒（M）耐熱性較好，朝天椒（HZ）耐熱性次之，牛角椒（419）和燈籠椒（431）耐熱性較差。逆境脅迫下，植物能通過調(diào)控相關(guān)的代謝途徑，產(chǎn)生滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)提高對逆境的耐性。游離脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[11-12，16]，具有提高細胞液濃度、維持滲透壓、保護膜系統(tǒng)組分的作用[17]。本試驗研究表明，高溫脅迫期間，辣椒的可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量先升高后降低，說明辣椒幼苗能主動地積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，提高細胞液的滲透壓，增強蛋白質(zhì)分子的水合度，增強細胞的吸水和保水能力，減輕高溫傷害[18]。高溫處理下，小米辣具有較高的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，這是小米辣耐熱性較強的原因之一，朝天椒（HZ）、燈籠椒（431）和牛角椒（419）的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量依次降低，滲透調(diào)節(jié)能力下降，耐熱性減弱。

正常條件下，植物細胞內(nèi)的ROS的產(chǎn)生和清除處于動態(tài)平衡狀態(tài)，但受到脅迫時，ROS會大量產(chǎn)生，ROS代謝產(chǎn)物MDA積累，引發(fā)膜脂過氧化[13-14]。本研究表明，隨著高溫脅迫時間的延長，辣椒幼苗的MDA含量呈現(xiàn)升高趨勢，小米辣的升高幅度最低，耐熱性最強，朝天椒（HZ）、牛角椒（419）和燈籠椒（431）MDA含量依次升高。高溫在造成植物傷害的同時能誘導(dǎo)植物防御體系的建立。SOD是植物抗氧化系統(tǒng)的第一道防線，其主要作用是使Mahler反應(yīng)中產(chǎn)生的ROS轉(zhuǎn)換成H2O2，然后通過POD、CAT等將H2O2分解成H2O和O2·-。本研究表明，高溫脅迫初期各品種辣椒的SOD、POD和CAT活性升高，說明短時高溫可以誘導(dǎo)植物建立防御體系，當脅迫時間過長時，ROS積累量進一步增加，植物體內(nèi)的防御體系會遭到破壞，高溫使蛋白質(zhì)失活，因此隨著高溫脅迫時間的延長，抗氧化酶活性降低，辣椒受害加重。研究表明，高溫脅迫下，抗氧化酶活性由高到低依次是小米辣（M）、朝天椒（HZ），牛角椒（419）和燈籠椒（431），說明小米辣（M）耐熱性較強的原因可能是具有較強的抗氧化能力，能抑制ROS的產(chǎn)生和積累，朝天椒（HZ）、牛角椒（419）和燈籠椒（431）的抗氧化酶活性減弱，耐熱性隨之減弱。

4 結(jié) 論

辣椒具有一定的耐高溫能力，但當溫度過高（晝/夜溫度40 ℃/30 ℃）時，辣椒生長發(fā)育受阻，落葉數(shù)和死亡率增加。野生辣椒小米辣的熱害指數(shù)較低，耐高溫能力較強。高溫脅迫下，各品種辣椒內(nèi)MDA含量升高，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量及抗氧化酶SOD、POD和SOD活性先升高后降低，野生小米辣的MDA含量較低，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和抗氧化酶活性高于其它辣椒品種。綜合各項指標，辣椒耐熱性由高到低分別是小米辣（M）、朝天椒（HZ），牛角椒（419）耐熱性略高于燈籠椒（431），但差異不顯著。研究說明野生辣椒對高溫逆境脅迫的適應(yīng)能力強于栽培品種，這為今后辣椒耐高溫品種的篩選和辣椒屬種間雜交育種提供了理論依據(jù)。

參考文獻：

[1]賈志銀.辣椒耐熱生理生化特性及谷胱甘肽處理效應(yīng)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010.

[2]龍洪進，劉發(fā)萬.云南野生辣椒資源[J].云南農(nóng)業(yè)科技， 2004，（3）：38-39.

[3]康俊根，翟依仁，張京社，等.甘藍耐熱性鑒定方法[J].中國蔬菜，2002，（1）：4-7.

[4]李合生，孫群，趙世杰，等.植物生理生化實驗原理和技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[5]JABS T，DIETRICH R A，DANGL J L.Initiation of runaway cell death in an Arabidopsis mutant by extracellular superoxide[J].Science （New York， N.Y.），1996，273（5283）：1853-1856.

[6]OMRAN R G.Peroxide levels and the activities of catalase， peroxidase， and indoleacetic acid oxidase during and after chilling cucumber seedlings[J].Plant physiology，1980，65（2）：407-408.

[7]CHANCE B，MAEHLY A C. Assay of catalase and peroxidases[J]. Methods enzymology， 1955（2）： 764-775.

[8]蘇小俊，袁希漢，徐海.大白菜耐熱性和過氧化物酶活性與熱害指數(shù)的相關(guān)性[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2007，23（5）：456-458.

[9]王娟，李德全.逆境條件下植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累與活性氧代謝[J].植物學(xué)通報，2001，18（4）：459-465.

[10]任軍，黃志霖，曾立雄，等.低溫脅迫下植物生理反應(yīng)機理研究進展[J].世界林業(yè)研究，2013，26（6）：15-20.

[11]廉勇，崔世茂，包秀霞，等.根區(qū)溫度對辣椒幼苗生理特性的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報，2014，29（5）：156-160.

[12]王水霞，崔世茂，付崇毅，等.高溫逆境下嫁接辣椒耐熱性的研究[J].華北農(nóng)學(xué)報，2012，27（1）：155-158.

[13]肖春燕，邢瀟晨，劉會芳，等.低溫下NO對黃瓜光合熒光及抗氧化特性的影響[J].核農(nóng)學(xué)報，2014，28（6）：1083-1091.

[14]APEL K，HIRT H.Reactive Oxygen species： metabolism， oxidative stress， and signal transduction[J].Annual review of plant biology，2004，55（x）：373-399.

[15]蔡歡.鉬對黃瓜幼苗耐冷性的影響機理[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[16]王會良，何華平，龔林忠，等.植物抗寒性研究進展[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50（6）：1091-1094， 1100.

[17]李春燕，陳思思，徐雯，等.苗期低溫脅迫對揚麥16葉片抗氧化酶和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響[J].作物學(xué)報，2011，37（12）：2293-2298.

[18]朱虹，祖元剛，王文杰，等.逆境脅迫條件下脯氨酸對植物生長的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，37（4）：86-89.endprint