遮荫对胡椒主花期叶片碳代谢及成花量的影响

祖超等

摘 要 为探明胡椒主花期适宜光照强度，以确定胡椒主花期与搭配作物适宜间作密度，研究分析4种荫蔽度条件下，胡椒主花期完全展开叶的光合作用、可溶性糖、蔗糖、淀粉等的积累，相关代谢酶活性及成花量，探究光照和碳水化合物积累对开花量的影响。研究结果表明：30%荫蔽度处理下胡椒主花期开花量没有被显著抑制，而且在树体恢复期和主花期前期可溶性糖积累明显增加，相关性分析显示，花枝上叶片糖积累对随后的成花有极显著正效应，而糖积累与蔗糖磷酸合成酶活性呈显著负相关。研究认为，在树体恢复期和主花期前期，搭配作物对胡椒遮荫的荫蔽度为30%左右时，可以促进糖积累，为花芽发育提供充足的物质基础，以保证胡椒与搭配作物间作时主花期花量。

关键词 遮荫；开花量；糖；蔗糖代谢相关酶；胡椒

中图分类号 S311 文献标识码 A

Effect of Shading on Carbon Metabolism and Inflorescence

Quantity in Black Pepper During Full-bloom Stage

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

Institute of Spice and Beverage， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / Key Laboratory of Genetic Resources

Utilization of Spice and Beverage Crops， Ministry of Agriculture / Hainan Provincial Key Laboratory of Genetic Improvement

and Quality Regulation for Tropical spice and Beverage Crops， Wanning， Hainan 571533， China

Abstract To determine suitable light intensity and the collocation intercropping crops density at full-bloom stage of black pepper trees， we analyzed the variation in the concentrations of leaf photosynthesis， soluble sugar， sucrose and starch， the activities of carbon metabolism-related enzymes and the quantity of the pepper inflorescences and flowers under four shading conditions. The effect of photosynthesis and sugar accumulation on pepper flowering was evaluated. The results showed that 30% shading could not decrease the quantity of the pepper inflorescences and flowers. And that the accumulation of soluble sugar was greatly enhanced at the recovering and the early stage of full-bloom stages. The correlation analysis revealed that the content of sugar in the leaves of flowering branches was closely correlated with the quantity of flowers at the subsequent developmental stage， whereas a significantly negative correlation existed between sugar accumulation and sucrose phosphate synthase activity. According to these findings， it is suggested that the shading of about 30% on pepper trees should be taken at the recovering and early stage of the full-bloom stages so as to provide more sugar for the development of flower buds and to increase flower amount， when pepper intercropped with other crops.

Key words Shading； Flower quantity； Sugar； Sucrose metabolism-related enzymes； Black pepper

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.09.003

胡椒是喜阴植物，光饱和点在2.5×104至5×104 lx，而主要植区海南省3～12月份的光照强度均高于5×104 lx[1]，因此，在胡椒主花期可能需要适度遮荫，但对该时期遮荫，需要在不影响花量和产量的前提下进行。遮荫通过影响光照强度改变植物叶片光合作用和碳积累。碳水化合物既是植物生命活动能量的提供者，又是重要的结构物质，其产生与消耗对花芽分化有很大影响[2]。研究不同程度遮荫对叶片碳代谢及主花期成花量的影响，探明二者之间的相关性，是确定该时期适宜荫蔽度，进而确定胡椒与搭配作物间作时适宜复合栽培密度的关键，然而，目前还未见相关的研究报道。

可溶性糖是植物体内糖类暂时贮存的主要形式，也可直接被利用提供生命活动所需的能量，或是参与运输和信息传导，在碳代谢中发挥重要的作用[3]。遮荫导致龙眼等果树花芽分化前期叶片可溶性糖增加[4]，促进成花[5-6]，遮荫还可使蔗糖积累，对植物进行保护性反馈[7]，有利于花芽分化，促进成花[4，8-9]。已有研究结果表明，葡萄等果树花芽分化进度与蔗糖含量极显著正相关[10]。但也有研究认为蔗糖不是花芽分化期间的主要供能物质，这可能与蔗糖在作为功能物质的同时也是一种信号物质有关[11]。在对胡椒的研究中发现，胡椒花穗发育过程中，可溶性糖含量在不同阶段的差异达显著水平，花器官发育前期显著增加，此后保持稳定较高水平，说明可溶性糖对胡椒花器官发育过程具有较大影响[12]。淀粉是碳水化合物的贮存形式，对花芽分化有显著调节作用[13]。四季蜜杧叶片中淀粉含量在花芽分化前期含量高有利于花芽分化，而后期含量与成花呈显著负相关[14]。在对荔枝大小年的研究中发现，碳水化合物是花芽形成的一个主要限制因子，尤其是淀粉[15]。可见，遮荫、叶片碳水化合物及成花数量之间存在着密切关系。

蔗糖磷酸合酶（Sucrose phosphate synthase， SPS）、蔗糖合酶（Sucrose synthase， SS）、酸性转化酶（Acide invertase， AI）和中性转化酶（Neutral invertase， NI）都是碳代谢过程中合成或分解蔗糖的关键酶，其活性与碳水化合物的含量有很大相关性。SPS参与蔗糖的合成，目前多数研究表明SPS与蔗糖含量正相关[16]，而与淀粉含量负相关[5，17-18]，是控制碳素分配和流向的关键酶[19]。SS是催化蔗糖合成和分解的关键酶，在蔗糖的代谢分配上有重要作用[20-21]。SS活性对蔗糖积累有正效应[20]，与淀粉含量负相关[5]。SPS与SS协同调控植物体内碳水化合物的积累和分配。AI和NI参与植物体内蔗糖的分解。转化酶通过分解蔗糖参与多种生理活动，提供能量，对植物体生长发育有重要作用。转化酶活性升高会使蔗糖含量下降，和其他蔗糖酶一起调控蔗糖含量的变化[5，22]。遮荫会使黄瓜等蔬菜转化酶活性下降，但影响随时间延长逐渐减小[23]。所以，需研究胡椒叶片碳代谢过程中蔗糖相关酶活性变化，分析其与可溶性糖、淀粉等碳水化合物累积的相关性，以揭示胡椒叶片碳水化合物积累对胡椒花量的调控机理。

基于以上研究现状，本试验对胡椒主花期采用不同荫蔽度处理，研究遮荫对胡椒完全稳定叶片光合作用和糖积累的影响，分析光合参数与开花量和产量的相关关系，碳代谢过程中关键酶与糖积累的相关关系，探明光照对胡椒主花期花量的影响，以确定胡椒主花期适宜荫蔽度，为生产上选择胡椒与搭配作物适宜的复合栽培密度奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

试验以中国热带农业科学院香料饮料研究所胡椒种植园（18°1'N，110°13'E）内的热引1号（Piper nigrum L. cv. Reyin No.1）投产胡椒为试材。其中碳代谢相关参数选取花所在叶位下一叶位的完全稳定叶，即第二叶位完全稳定叶为试材[24]。该区域年均温24.6 ℃左右，日照时数1 804～2 300 h，年均降水量约2 164 mm。

试验于2013年8～11月进行，采用田间原位遮荫技术，选择4种荫蔽度（15%、30%、60%、75%）的遮阳网进行全树体遮荫处理，以全光照为对照。每处理4行，每行10株，共40株。在各处理的中间行分别选取3株长势一致的植株作为试验植株。每月月底晴天每株采100片左右叶片待测，每株作为一个重复，试验期间采用传统水肥管理。种植园胡椒株行距为2 m×2.5 m，植株高约2.2 m，冠幅1.2 m～1.6 m，南北走向。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 花穗数目和长度测定 每月月底采下试验植株上所有花穗（≥2 cm），带回实验室分株测定分析花穗总数和花穗长度，进行统计分析。

1.2.2 光合参数测定 用Li6400型便携式光合仪在胡椒主花期测定花穗所在叶位下一叶位完全展开叶14：30～16：30时的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、叶片温度（TL）、光合有效辐射（PARi）。

1.2.3 可溶性糖和淀粉含量测定 每次采集叶片取中部[25]，在液氮中固定20 min，放入-80 ℃超低温冰箱中保存待用，糖积累测定前用研钵粉碎后混匀。采用蒽酮法测定可溶性糖含量，用葡萄糖制作标准曲线；采用间苯二酚法测定蔗糖，用蔗糖制作标准曲线[26]；按蒽酮法测定淀粉含量，用葡萄糖制作标准曲线[27]。

1.2.4 蔗糖代谢相关酶活性测定 SPS和SS的测定按间苯二酚法，AI和NI按3，5-二硝基水杨酸法测定[28-29]。酶活力以单位酶蛋白中的酶在单位时间内催化底物合成蔗糖的微摩尔数表示，单位是μmol/（mg·h）。

1.3 数据统计分析

文中每个数据点来自3个重复的平均值，运用IBM SPSS Statistics 19进行相关分析，运用SAS统计软件对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 遮荫对胡椒主花期开花量的影响

与对照（CK）相比，30%和60%荫蔽度对胡椒主花期（9～11月）花穗数目无显著影响（图1-A），60%遮荫显著增加花穗长度（图1-C），即显著提高了单穗花量。15%和75%两个遮荫处理对主花期花穗数目和长度无显著影响。从单个月份来看，30%和60%遮荫条件下，主花期中后期（10～11月）胡椒的花穗数目高于CK，树体恢复期（8月）和主花期前期（9月），这2个处理对胡椒花穗数目没有显著影响（图1-B）；对于花穗长度，2个处理在主花期前期和中期（9～10月）都对花穗长度有正效应，主花期后期（11月）对花穗长度没有显著影响（图1-D）。15%和75%处理下，树体恢复期和主花期花穗数目都低于CK（图1-B）；15%处理下胡椒花穗长度随时间推移呈上升趋势，在主花期前期和中期显著增加了花穗长度，后期与CK无显著差异，75%处理下胡椒花穗长度在树体恢复期和主花期前期有所增加，后期显著低于CK（图1-D）。

2.2 遮荫对胡椒主花期叶片光合作用的影响

对胡椒主花期完全稳定叶片光合作用进行测定，发现遮荫对该时期Pn无显著影响，但显著抑制了GS、Tr和Ci，15%和30%遮荫处理对TL和PARi无显著影响，60%和75%荫蔽度处理则显著抑制了这2个光合参数（图2）。

2.3 胡椒主花期叶片光合作用对该时期成花量及胡椒最终产量的影响

分析胡椒主花期叶片光合作用与单株花穗数目的相关关系（表1），发现TL是影响单株花穗数目的主要参数（R2=0.426），Pn是影响花穗长度的主要参数（R2=0.464），Tr对产量有显著正效应（R2=0.612），已有研究表明穗数是影响产量的主要因子[30]，因为TL和Tr分别对花穗数目和产量有正效应，所以，应确定不同荫蔽度处理下TL和Tr的最大值，这2个参数达最大值时对应的荫蔽度值为适宜荫蔽度。

不同荫蔽度处理下，胡椒主花期叶片TL和Tr的分析如图3所示，分析结果表明，CK处理下TL和Tr都达最大值， 30%遮荫处理下，TL和Tr都与CK处理下的这2个参数无显著差异，所以该时期不遮荫或给予30%遮荫都有利于胡椒开花，进而提高胡椒产量。

2.4 遮荫对胡椒主花期叶片糖积累的影响

遮荫对胡椒主花期叶片糖积累的影响如图4所示，与CK相比，30%和60%处理使胡椒叶片可溶性糖含量在主花期前期分别提高约25%和22%，主花期中期这2个处理与CK无显著差异，在主花期后期60%处理比CK高约62%。30%处理下蔗糖含量在树体恢复期和主花期前期分别比CK高22%和30%；60%处理下蔗糖含量在树体恢复期和主花期前期都高于CK，其中8月比CK高73%，9月比CK高14%，主花期中期遮荫与对照对蔗糖含量影响无显著差异。30%和60%遮荫没有显著抑制淀粉含量。15%处理使得胡椒叶片可溶性糖、蔗糖和淀粉含量在树体恢复期和主花期与CK无显著差异。75%处理下可溶性糖含量在树体恢复期和主花期与CK无显著差异，蔗糖含量在树体恢复期高于CK，主花期与CK无显著差异。总体来看，可溶性糖和蔗糖含量在主花期中后期含量显著高于主花期前期，淀粉含量在主花期中期达到峰值。

2.5 糖积累对胡椒主花期花量的影响

可溶性糖、蔗糖和淀粉均对主花期当月单株花穗数目有负效应（如表2所示），其中淀粉影响最大。可能因为花穗的生长需要消耗大量的碳水化合物，导致叶片中的碳同化产物发生转运，其中以淀粉的消耗量最多；而次月单株花穗数目则与上述各类糖积累呈极显著正相关关系，其中可溶性糖影响最大，即次月花芽分化消耗的碳水化合物主要源于上月的可溶性糖累积。当月花穗长度，即单位花穗开花量与叶片可溶性糖含量显著正相关，糖含量对主花期当月花穗长度的影响主要体现在可溶性糖含量的改变上；次月花穗长度与各类碳水化合物含量均呈极显著正相关关系。以上结果表明，叶片中糖的积累是调控胡椒次月花穗数目和花穗长度的关键因子。

2.6 遮荫对蔗糖代谢相关酶活性的影响

遮荫对胡椒主花期蔗糖代谢相关酶活性的影响如图5所示，SPS活性在主花期前期达到峰值，主花期中期活性最低，遮荫对SPS活性没有显著影响；SS活性在主花期中期达最大值，树体恢复期活性最小，遮荫没有显著抑制SS活性；AI活性在树体恢复期显著高于主花期，主花期后期60%和75%遮荫处理显著抑制AI活性；NI活性在树体恢复期最高，主花期后期最低，60%和75%处理在主花期中期显著抑制了NI活性。

2.7 蔗糖代谢相关酶活性对糖积累的影响

分析主花期各个月份的叶片蔗糖代谢相关酶对糖积累的影响，发现SPS活性与糖积累呈极显著负相关关系，SS对糖积累有显著正效应，AI与糖积累相关性极低，NI与可溶性糖积累负相关，与淀粉积累正相关，与蔗糖含量相关性很弱（表3）。

3 讨论与结论

3.1 胡椒主花期遮荫与成花的关系

30%和60%对胡椒主花期花穗数目没有显著抑制。这2种遮荫处理没有抑制开花量可能与遮荫影响植物碳代谢过程中糖积累有关。自然光强超过光饱和点时，植物会发生光抑制现象，从而消耗掉积累的有机物，糖积累会减少[31-32]。适度遮荫可以提高植物光饱和点，降低光补偿点，使其更有效的利用和吸收光能，增加光合产物，还可以降低暗呼吸速率，减少植物碳消耗，有利于植物体糖积累[33]。糖积累增加有利于成花[5-6，8-9]，本研究也发现可溶性糖、蔗糖和淀粉含量增加极显著提高了次月开花量（表2）。所以，30%和60%遮荫处理没有显著抑制主花期花量，可能是因为这2个处理适宜胡椒主花期叶片糖积累进而增加了开花量，但是在胡椒的一个开花结果周期内给予60%遮光处理会抑制胡椒产量（图3），所以，在确定与胡椒搭配的间作物种植密度时，应以上层作物对胡椒荫蔽度为30%左右为宜，这与前期对胡椒园间作槟榔适宜种植密度研究中[1]，筛选出的最优模式在主花期的荫蔽度25.58%结果一致。

3.2 树体恢复期和主花期前期糖积累促进开花

30%处理条件下，胡椒树体恢复期和主花期前期可溶性糖和蔗糖向花器官发生转运后，含量依旧高于对照14%以上（图4），说明适度遮荫降低碳消耗，促进糖积累[34]，为花穗生长发育提供物质和能量，促进开花[4，6]；研究还发现30%处理使叶片蔗糖含量在花芽分化过程中不断升高（图4-B），这就为芽体提供充足的物质基础[34]，75%处理因过度遮荫，在树体恢复期抑制了光合产物形成，导致花量相对于CK没有显著提高。由此，进一步证明胡椒主花期适度遮荫有利于花量增加，主要是通过提高胡椒光饱和点，降低光补偿点，使其更有效的利用和吸收光能，增加光合产物，降低暗呼吸速率，减少植物碳消耗，增加糖积累完成的，树体恢复期和主花期前期糖积累是主花期花量的关键调控因子。为增加该时期开花量，应在树体恢复期和主花期前期给予30%左右荫蔽，如果胡椒与其他植物复合栽培，则在该时期应采用适宜配置方式并配合修枝整形等方法使荫蔽度控制在这个范围内。

3.3 胡椒主花期蔗糖积累抑制SPS活性

胡椒主花期糖积累与SPS活性呈极显著负相关，与脐橙果皮糖代谢研究结果一致[35]。究其原因，SPS的作用属于精细调控，即蔗糖含量高时将抑制SPS的活性，控制蔗糖的合成，相反蔗糖含量较低时，SPS将会促进蔗糖的合成[36]。

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