保水剂吸附尿素对‘赤霞珠’葡萄果实糖积累及蔗糖代谢酶活性的影响

贾名波，肖秋红，曹耀鹏，邵小杰*

（山东农业大学园艺科学与工程学院，山东泰安 271018）

保水剂（Super absorbent polymer，SAP）吸水后的水凝胶可缓慢释放水分供作物利用[1]，同时具有改善土壤结构，增强土壤吸水、保水和保肥能力，在国内外逐渐得到广泛应用[2-3]。葡萄是对氮素需求较高的果树[4-5]，而尿素作为目前最主要的氮肥，与保水剂结合后能起到缓释氮肥的效果[6-7]，苟春林[8]测定了保水剂在不同氮肥中的吸水倍率和肥料吸持量，证明尿素对保水剂的吸水倍率影响最小，保水剂对尿素的吸持量效果最佳。He等[9]利用红外光谱（IR）、扫描电子显微镜（SEM）、差示扫描量热法（DSC）等方法，发现保水剂对尿素的缓释效果明显。杜建军等[10]通过测定高吸水性树脂在不同肥料溶液中吸水倍率和肥料养分吸持量的影响程度，从大到小依次是过磷酸钙、磷酸一铵、硫酸钾、氯化铵、硫酸铵、氯化钾、尿素。杨永辉等[11]研究表明，保水剂与225 kg/hm2氮肥配施处理的产量及水分生产效率均最高。俞满源等[12]研究认为，保水剂与氮肥结合对马铃薯的增产效果更加显著。郭江等[13]在新疆葡萄上应用保水剂后，葡萄的增产率达1.24%～14.25%，含糖量比对照增加0.4%～1.0%，干尖率比对照减少30%。果实糖含量对酿酒葡萄品质起着重要作用[14]，是酿酒葡萄发酵的基础。

从以上研究可以看出，保水剂与氮肥混合施用，尿素无疑是最佳选择。这样既可以减少多次施用氮素造成的用工成本，也可以防止尿素在土壤溶液中的转化和流失[15-16]。目前有关保水剂和肥料混施对‘赤霞珠’葡萄果实糖积累及蔗糖代谢酶活性影响的报道相对较少。本文利用保水剂和尿素混施的方法，研究对葡萄果实糖积累及蔗糖代谢酶活性的影响，期望为保水剂在葡萄上的科学应用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试材及处理

本试验在山东农业大学葡萄示范园进行。试验前取0～40 cm土壤，测定其主要养分含量，分别为：有机质含量12.09 g/kg、全氮1.28 g/kg、速效氮106.28 mg/kg、速效磷59.92 mg/kg、速效钾58.73 mg/kg。

保水剂为BJ2101L型交联聚丙烯酰胺保水蓄肥改土剂（丙烯酰胺-丙烯酸钾共聚物，CL-PAM-K，CLP），由北京汉力淼新技术有限公司生产，直径约5 mm。试验前按照保水剂与尿素1∶20的比例制备保水剂吸附尿素，将保水剂放入尿素溶液中，待吸附完全后施入土壤。

葡萄为3年生自根‘赤霞珠’，株行距1 m×2.0 m。选取长势基本一致的植株，每处理10株，单株为一次重复，每株留果12穗。试验设置5个处理：

（1）B＋N：施入制备保水剂吸附尿素，其中尿素含量87.46 g，于5月1日一次性施入；（2）B＋2/3N：施入制备保水剂吸附尿素，其中2/3尿素含量58.31 g，于5月1日一次性施入，其他1/3不再施入，目的是为了查看减氮的效果；（3）N：5月1日一次性施入尿素87.46 g；（4）NF：分5次施入尿素87.46 g（5月1日新梢旺长期15%，6月1日坐果期15%，7月1日果实膨大期40%，8月1日转色期10%，9月1日成熟期20%）；（5）CK：不施氮肥。所有处理新梢旺长期一次性施入P2O5和K2O，不再施其他肥料，常规管理。

从果实转色50%左右开始取样，每次每株选择有代表性的果穗3穗，每穗上中下部均匀采样3粒果，每次每个处理共计采果150粒左右，放进冰盒，立即带回实验室，用刀片分离收集果肉，迅速投入液氮中，分装成袋，于-70 ℃保存待用，用于测定每个处理的可溶性糖含量及其代谢相关酶的活性。

1.2 测定方法及数据处理

果糖、葡萄糖和蔗糖的测定参照陈美霞等[17]方法，可溶性总糖的测定参照李合生方法[18]。蔗糖代谢相关酶的提取参照赵智中等[19]方法；AI（酸性转化酶）和NI（中性转化酶）测定参照Merlo等[20]方法；SS（蔗糖合成酶）分解方向测定参照Lowell等[21]方法；SS合成方向和SPS（蔗糖磷酸合成酶）的测定参照Rufty等[22]方法，3次重复，单位为μmol/h·g FW。

采用Microsoft excel 2010进行数据处理。采用SPSS 21.0数据分析，用Duncan新复极差法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 保水剂与尿素混施对果实糖积累的影响

葡萄糖和果糖是葡萄果实中含量最多的两种糖，在‘赤霞珠’葡萄中二者所占比例相当，蔗糖含量较少（图1）。从果实总糖含量来看，8月15日测定的保水剂吸附尿素的两处理均显著高于其他处理。9月1日仍有类似规律，但差异逐渐变小。9月15日，各施肥处理间无显著性差异，均高于不施氮肥。到10月1日，各处理间均无显著性差异。

葡萄果实中果糖含量各处理的基本趋势是：保水剂吸附尿素＞保水剂吸附2/3尿素＞一次性施尿素＞分次施尿素＞不施尿素，保水剂与尿素配施提高了果实果糖含量。果实中葡萄糖的含量前期（8月15日和9月1日）趋势是：分次施尿素＞一次性施尿素＞保水剂吸附尿素＞保水剂吸附2/3尿素＞不施氮，说明保水剂的施用前期降低了果实葡萄糖的含量，但到9月15日保水剂吸附尿素处理的果实葡萄糖含量上升，与分次施尿素处理无显著性差异。在转色期开始时果实中蔗糖含量非常低，且各处理无显著差异，之后持续增加，各处理的趋势为，分次施尿素≈一次性施尿素＞保水剂吸附尿素≈保水剂吸附2/3尿素＞不施氮肥，说明保水剂与尿素混施降低了果实中的蔗糖含量，但到成熟时均无显著性差异。

图1 保水剂与尿素混施对‘赤霞珠’果实中果糖、葡萄糖、蔗糖和总糖含量的影响（P＜0.05）Figure 1 Interactive effects of super absorbent polymer and urea on the contents of fructose, glucose, sucrose and total sugars of 'Cabernet Sauvignon' grapevine, P＜0.05

2.2 对果实蔗糖代谢相关酶活性的影响

图2表明，果实从转色期开始到成熟，酸性转化酶（AI）、中性转化酶（NI）、蔗糖合成酶（SS）（分解方向）3种蔗糖分解酶类活性存在差异：AI 酶活性最高，其次是NI、SS（分解方向）活性较低，3种酶的活性均随着果实的成熟逐渐降低。不同处理间NI和SS（分解方向）的活性差异不明显。三种分解酶中，试验处理仅对‘赤霞珠’葡萄AI活性有较显著影响，趋势为：保水剂吸附尿素＞保水剂吸附2/3尿素＞其他施肥处理＞对照。其中8月15日和9月15日测定结果显示，保水剂吸附尿素处理对AI活性的提高达到显著性水平，到10月1日，各处理间AI活性无显著性差异。

两种蔗糖合成酶活性大小相近，SS（合成方向）活性略高于蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性，但均低于分解酶活性，两种酶活性均随着果实的成熟逐渐降低。其中，各处理间SPS活性无显著性差异，保水剂吸附尿素主要对SS（合成方向）产生影响。其规律与果实蔗糖含量相似，保水剂吸附尿素能够显著降低SS（合成方向）的活性。不同之处在于果实蔗糖含量前期差异不明显，而SS（合成方向）活性为后期差异不明显。

2.3 葡萄果实中蔗糖代谢相关酶活性与糖含量组分相关性分析

表1显示，酶和糖含量均呈负相关，5种处理中 AI、NI活性与葡萄糖、果糖、蔗糖含量呈显著的负相关，由此看出AI和NI是果实糖代谢调节的关键酶。而合成方向的两种酶与糖分之间无显著相关性，说明这两种酶不是葡萄果实中糖分积累的关键限制酶，而不同处理间糖-酶相关系数无明显规律，施肥处理可能对糖分和代谢酶的相关性无显著影响。

图2 保水剂与尿素混施对‘赤霞珠’果实中糖代谢相关酶活性的影响（P＜0.05）Figure 2 Interactive effects of super absorbent polymer and Urea on fruit sugar metabolism related enzyme activity of 'Cabernet Sauvignon' grapevine, P＜0.05

3 讨论与结论

葡萄叶片进行光合作用后，其产物主要以蔗糖的形式通过韧皮部运入果实[23]，但葡萄果实中积累最多的是葡萄糖和果糖。由此可以看出，葡萄果实的生长和发育特别是糖分积累存在一个糖分代谢的过程。与蔗糖代谢相关的所有转化酶的活性随果实发育而减小，蔗糖分解相关的酶均大于合成相关酶的活性。相关性分析表明，各处理AI和NI均与葡萄果实中的糖呈显著负相关，而且AI在整个果实发育过程中的活性均显著高于其它代谢酶。Pan等[24]也研究发现，AI活性大小是不同葡萄果实中糖含量差异的主要原因。本研究中保水剂处理显著提高了AI活性，是保水剂处理果实中总糖和果糖含量提高的主要原因。然而葡萄糖含量却有所降低，其机理有待进一步探究。同时保水剂提高了蔗糖合成酶（合成方向）的活性，从而提高了该处理蔗糖含量。

测定氮素释放速率可知，B＋N处理介于NF和N处理之间，如果氮素因素是对果实糖分代谢影响的单一因素，那么各处理的糖代谢试验结果应该遵循氮素释放速率的大小顺序[25]，但是本试验得出的结论不遵循上述假设，我们猜想保水剂本身也对果实的糖代谢产生一定影响，或者两者的互作发生了作用。目前关于保水剂和尿素互作对果树糖代谢的研究不多，大多集中在氮素营养上，而关于保水剂对果实糖分代谢影响的研究较少。有人在蜜柑[26]、小麦[27]、玉米[28]、番茄[29]等作物上做过研究，结果比较相似，适当氮水平有利于蔗糖代谢酶活性的提高，果实糖含量增加，过量施用氮肥则会引起含糖量减少。本试验中保水剂因为对尿素有缓释效果[30]，从而影响了葡萄对氮素的吸收。而氮素能促进蛋白质和叶绿素的形成，光合效能增强，促进了碳的同化，增加养分积累，对果实产量形成起重要作用[25,31]。同时，保水剂本身对土壤理化环境，尤其是水分环境产生影响，进而对葡萄的生长和果实品质产生影响[32]。有研究显示水分胁迫使糖在韧皮部卸载量减少导致糖含量降低[33]。由此可见，保水剂与尿素混施是由于氮肥和保水剂的共同作用而对葡萄糖代谢产生影响。

表 1 各处理葡萄果实中蔗糖代谢相关酶活性与糖含量组分相关性分析Table 1 Correlation analysis between soluble sugars and related metabolism enzymes of grape berries in response to different treatments

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