土壤水分对胡椒实生苗生长和活性氧代谢的影响

李志刚 王灿 祖超 杨建峰 鱼欢 邬华松

摘 要 为探讨土壤水分对胡椒生长和叶片活性氧代谢的影响，以胡椒实生苗为研究对象，设置5%、10%、15%、20%和25%共5个土壤质量含水量处理，测定试验开始后第1、3、5、8、14天不同处理的抗氧化酶活性、膜脂过氧化产物及第14天时植株相关生长指标，以期明确适宜胡椒生长的土壤含水量范围。结果表明：1～3 d内，5%土壤水分处理表现出胡椒叶片抗氧化酶活性显著高于其他处理，15%和20%处理最小，受到的胁迫程度最低；而3 d后，由于5%处理胡椒叶片失水严重，抗氧化酶活性显著降低，10%处理仍呈现较高水平；总体趋势上，15%、20%和25%处理的膜脂过氧化程度最低，生长状况也最好。上述结果表明，适宜胡椒生长的土壤质量含水量范围为15%～25%，土壤水分含量过低形成的干旱胁迫会影响胡椒生长，降低叶片抗氧化能力，加重膜脂过氧化伤害程度。

关键词 胡椒 ；活性氧代谢 ；土壤含水量 ；逆境胁迫

分类号 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

土壤水分是作物生长的重要影响因素[1]，关注墒情的变化，及时对作物进行有效的灌溉，不但可以促进作物的发展，保证农业产量[2-3]，还能提高水资源的利用率[4-5]。受全球气候变化的影响，近年来海南胡椒优势种植区频繁受到旱涝等极端气候的影响[6-7]，而且胡椒生产上也亟需建立科学合理的灌溉制度[8]。因此，明确胡椒适宜的土壤水分含量范围对于胡椒生长过程中的水分管理、建立科学合理的灌溉制度具有重要意义。

目前，植物在逆境条件下的膜脂过氧化产物丙二醛（MDA）含量和保护酶系统超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性的变化已广泛用于植物逆境适应机理的研究[9-12]。本研究以盆栽实生苗为研究材料，设置5%、10%、15%、20%和25%共5个土壤质量含水量梯度，测定处理后第1、3、5、8、14天的SOD、POD、CAT活性和MDA含量变化，研究不同土壤水分含量对胡椒实生苗活性氧代谢和膜脂过氧化作用的影响效应与程度，以期为明确适宜胡椒生长的土壤含水量范围提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

以胡椒主栽品种——热引1号为试验材料。供试实生苗于2015年2月开始盆栽培养，盆栽时均按相同土重装盆，并保证充分的水肥管理，以使试验处理开始时胡椒实生苗具有较为发达的根系。挑选长势基本一致的植株，对其开展不同水分培养试验。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验于2015年8月在海南万宁中国热带农业科学院香料饮料研究所温室进行（18°1′ N，110°13′ E）。盆栽土壤由河砂和胡椒园土壤过2 mm筛后，按1∶5比例混合而成。装盆时土壤容重控制在1.2 g/cm3，测定土壤饱和含水量值约为30%（质量含水量）。胡椒园土壤田间持水量一般为28%。为了明确适宜水分范围，根据盆栽时的装土重量，计算保持土壤质量含水量为5%、10%、15%、20%和25%（相当于田间持水量的20%，35%、55%、70%和90%）时所需水量。试验开始后，每天按不同处理所需水量进行补水，白天每隔3 h补水1次，夜间补水1次，直至试验结束。每个处理设置6个重复。

在处理开始后第1、3、5、8、14天测定不同处理任意3株胡椒叶片SOD、POD、CAT活性和MDA含量。在第14天时，每个处理随机选择3株胡椒实生苗，测定其干重、含水量及叶片SPAD值。

1.2.2 酶活性测定

SOD：采用氮蓝四唑（NBT）法测定[13]，以560 nm波长下NBT光化还原抑制百分率为50%定义为一个酶活力单位（U/g FW）；POD：采用愈创木酚法测定[13]，每克鲜样在每毫升反应体系中每分钟A470变化0.005为一个酶活力单位（U/g FW）；CAT：采用紫外分光光度法测定[14]，每克鲜样每分钟催化1 mol H2O2降解定义为一个酶活力单位（U/g FW）。

1.2.3 MDA含量测定

采用硫代巴比妥酸法测定[13]，利用532与600 nm下的吸光度的差值计算MDA的含量。

1.2.4 植株生长指标测定

利用SPAD-502Plus（日本KONICA公司）测定胡椒倒数第4、5片叶的叶绿素SPAD值；测定后取出植株并洗净根系，用吸水纸擦干后测定鲜重，再烘干至恒重，依此获得胡椒干重和植株含水量等指标。

1.3 数据处理与分析

采用GraphPad Prism 5和SPSS 18.0（SPSS Inc， Chicago）进行数据整理与分析。

2 结果与分析

2.1 土壤水分对胡椒实生苗生长指标的影响

不同土壤水分处理14 d后，处理间的胡椒植株干重、含水量和叶片SPAD值见表1。5%处理的植株干重、含水量和叶片SPAD值均显著低于其他处理，说明受胁迫程度严重，而10%、15%、20%和25%处理之间的相关指标未达到显著性差异。上述结果表明，通过传统生长指标难以表征短时期内不同土壤水分含量对胡椒生长的影响，只有5%处理因叶片严重失水，而表现出生长状况显著低于其他处理。

2.2 土壤水分对胡椒实生苗叶片抗氧化酶活性的影响

2.2.1 对胡椒实生苗叶片SOD活性的影响

SOD作为植物的一种抗氧化保护酶，能够减少由于环境胁迫而产生的氧自由基对植物的伤害[15-16]。从图 1可看出，在土壤水分胁迫初期，不同土壤水分处理间SOD活性差异较显著，5%、10%、20%、25%处理显著高于15%处理；而随着胁迫时间的增加，各处理的SOD活性均有所减少，处理间的差异也变小；胁迫3 d后，5%处理叶片SOD活性迅速减小，而其他处理降低不显著。综上所述，5%、10%处理的SOD活性显著高于15%、20%和25%处理。

2.2.2 对胡椒实生苗叶片POD、CAT活性的影响

POD与CAT的共同作用可消除SOD产生的过量过氧化氢，可防止其与超氧阴离子自由基相互作用产生毒害更强的自由基[17]。从图2、3可看出，不同土壤水分处理条件下，胡椒叶片的POD、CAT活性变化规律与SOD活性变化基本一致，5%处理在胁迫初期显著高于其他处理，但3 d后迅速变小；5%和10%处理活性变化显著高于其他处理。尤其是处理14 d后，15%、20%和25%处理显著降低。

2.3 土壤水分对胡椒实生苗叶片膜脂过氧化的影响

MDA是自由基进行细胞膜脂过氧化伤害的最终产物之一，是检测植物膜伤害的一个重要的指标，其含量可表示膜脂过氧化的程度[18]。由图4可知，不同胁迫时间下，5%土壤水分处理的MDA含量均最高，15%最低；20%和25%处理初期较高，随着胁迫时间的增加，经过植物体内积极防御作用，使得MDA含量水平在胁迫后期显著降低，直至与15%处理无显著差异，且显著低于5%和10%处理。5%处理的膜脂过氧化程度最高，说明5%和10%土壤质量含水量对胡椒实生苗的干旱胁迫较为严重。

3 讨论与结论

逆境胁迫下，植物体内积累活性氧，植物本身对活性氧的伤害有精细而复杂的防御体系，即内源性保护性酶促清除系统，以保证细胞的正常机能[19]。而且外界逆境胁迫时，植物需动员整个防御系统以抵抗水分胁迫诱导的氧化伤害，单一的抗氧化酶或抗氧化剂不足以抵制这种伤害，因而在很多植物中发现SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性均与逆境胁迫有关。多数研究结果发现，逆境胁迫伤害程度与这3种酶活力的提高呈负相关[20-24]。在本研究中，15%处理在整个试验过程中的SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性均保持较低水平，说明15%土壤含水量是胡椒生长的最适宜土壤水分条件。

研究结果表明，在一定胁迫程度下，随着胁迫时间的增加，植物在启动保护酶促清除系统的同时，也会启动非酶促系统、DNA损伤修复系统等其它抗胁迫适应机制，从而保证细胞的正常机能，使植株在生理生化等方面进行调整以适应逆境[25]。本研究中，随着胁迫时间的增加，所有处理抗氧化酶活性均呈下降趋势。其中，20%和25%处理抗氧化酶活性下降幅度较大，到第14天时与15%相差不大，表明胡椒植株在20%～25%土壤含水量条件下，能够通过一定时间适应调整以恢复正常生长；而5%和10%处理则下降幅度较小，说明5%和10%处理对胡椒胁迫程度较高，特别是5%处理对胡椒影响最为严重，2～3 d后植株叶片出现严重失水，从而表现为抗氧化酶活性显著低于10%处理。上述结果表明，适宜胡椒生长的土壤水分含量范围为15%～25%。

植株在衰老或逆境下遭受伤害，往往发生膜脂过氧化，MDA是膜脂过氧化的最终分解产物，其含量的高低可反映植物膜伤害的程度。本研究中，5%和10%处理的MDA含量相对较高，进一步说明5%和10%处理对胡椒胁迫程度较高；而15%、20%和25%处理的MDA则显著低于5%和10%处理，说明其受胁迫程度相对较低，是胡椒生长的适宜土壤水分范围。而且，MDA作为膜脂过氧化产物，其含量与SOD、POD和CAT保护酶活性密切相关，这是因为SOD、POD和CAT活性下降，可能直接或者间接地启动膜脂过氧化使MDA含量增加；而随着MDA的积累反过来又抑制了抗氧化酶的活性，使其下降，从而丧失了保护酶系统的功能，促使膜系受损加重[25]，本研究结果与该结论基本一致。因此，胡椒叶片的抗氧化酶活性和膜脂过氧化水平可衡量其遭受外界逆境的胁迫程度，在今后研究中可作为抗逆品种筛选的重要生理指标。

参考文献

[1] 张 超，王会肖. 土壤水分研究进展及简要评述[J]. 干旱地区农业研究，2003，21（4）：117-125.

[2] 李 毅，门 旗，罗 英. 土壤水分空间变异性对灌溉决策的影响研究[J]. 干旱地区农业研究，2000，18（2）：80-85.

[3] 张 芮，成自勇，王旺田，等. 不同生育期水分胁迫对延后栽培葡萄产量与品质的影响[J]. 农业工程学报，2014，30（24）：105-113.

[4] 南建福，赵中华，彭锁堂. 晋中棉区棉田耗水规律及水分管理初探[J]. 山西农业大学学报，1992，12（3）：205-207.

[5] 董永义，徐寿军，王 聪，等. 水分对作物生长发育影响的模拟研究进展[J]. 北方园艺，2013，37（10）：176-180.

[6] 韩 奇，赵从举，黄秋如. 1971-2011年海南气候变化特点及其对农业的影响——以海南省儋州市为例[J]. 天津农业科学，2013，19（2）：45-49.

[7] 辛吉武，李伟光，刘银叶. 气候变化对海南岛香蕉品质影响的研究[J]. 安徽农业科学，2009，37（4）：1 523-1 525.

[8] 邬华松，杨建峰，林丽云. 中国胡椒研究综述[J]. 中国农业科学，2009，42（7）：2 469-2 480.

[9] Bowler C， Van Montagu M， Inze D. Superoxide dismutase and stress tolerance[J]. Annu Rev Plant Mol Biol， 1992， 43（1）：86-116.

[10] 姜慧芳，任小平. 干旱胁迫对花生叶片SOD活性和蛋白质的影响[J]. 作物学报，2004，30（2）：169-174.

[11] 王 娟，李德全，谷令坤. 不同抗旱性玉米幼苗根系抗氧化系统对水分胁迫的反应[J]. 西北植物学报，2002，22（22）：285-290.

[12] 孙彩霞，刘志刚，荆艳东. 水分胁胁迫对玉米叶片关键防御酶系活性及其同工酶的影响[J]. 玉米科学，2003，11（1）：63-66.

[13] 李合生，孙 群，赵世杰，等. 植物生理生化试验原理与技术[M]. 北京：高等教育出版社，2000.

[14] 高俊凤. 植物生理学实验指导[M]. 西安：世界图书出版公司，2000：194-196.