灌溉对两种辣椒产量及初生和次生代谢产物的影响

Tilen Zamljen Vesna Zupanc Ana Slatnar

（卢布尔雅那大学生物技术学院， 卢布尔雅那， 斯洛文尼亚）

1 前言

辣椒是茄科辣椒属植物[1]，辣椒属中大约有30 个种，其中有6 个种广为人知并被广泛种植，即一年生辣椒（Capsicum annuumL.）、浆果状辣椒（Capsicum baccatumL.）、黄灯笼辣椒（Capsicum chinenseJacq.）、灌木状辣椒（Capsicum frutescensL.）、绒毛辣椒（Capsicum pubescensRuiz & Pav.）和密毛辣椒（Capsicum praetermissumHeiser & P G Sm.）。辣椒因其具有辛辣的特性而被种植，其中辛辣是由辣椒属中发现的辣椒素类物质引起的。

辣椒的生长易受环境条件变化[2]，也易受土壤类型和施肥处理[3]等因素的影响，因此，辣椒种植过程中建议在温室中进行，以确保适宜的生长条件，尤其是在早春和深秋气候多样的地区[4]。

生长在大田里的作物常常受到各种生物（害虫和疾病）和非生物（降雨、温度和光照强度）因素的影响，这最终会导致农作物产量的降低。因此，对环境因素加以控制有助于缓解作物种植的压力，生产出高产和优质的产品。温室生产中需要持续灌溉以满足植物的水分需求，水分管理对农作物产量和质量的调控起到了重要的作用。

植物体内有效水的含量主要影响叶片及根系的生长、光合作用和干物质的积累[5]，植物通常在细胞质中积累一些有机和无机溶质来提高渗透压，维持膨压和水分吸收的驱动梯度[6]，大棚生产中需要持续灌溉以满足植物的水分需求，水分管理对农作物产量和质量起到了重要的调控作用。水分胁迫严重影响了辣椒果实中辣椒素类物质的积累，这是辣椒素类物质的生物合成与其他苯丙类物质代谢过程竞争的结果[2]。

从辣椒果实中提取的辣椒素类物质在许多行业中都有着十分重要的地位，包括食品（如制备辣椒酱）、化妆品（如防止脱发的洗发水）和制药行业（如肌肉止痛霜）。因此，有必要优化生产管理措施，改良辣椒品种，以最大限度的提高辣椒果实中辣椒素类物质的含量。

近年来，自然资源面临的压力日益增加，农业灌溉用水量可能会发生变化，这将对作物的种植产生一定的影响，尤其是那些对土壤含水量亏缺敏感的农作物。因此，应该对作物的生产方式进行改良。在本研究中，探究了中度干旱胁迫对果实大小和辛辣程度各不相同的一年生辣椒（C. annuumL.）和黄灯笼辣椒（C. chinenseJacq.）的生长参数、产量和辣椒素浓度的影响。结果表明，在不同供水量条件下，植物的响应也不相同。基于此，生产者不仅可以通过辣椒产量，还可以通过辣椒果实的质量即辣椒素类物质的含量来获得更高的商品价格。

2 材料和方法

在两种不同的灌溉模式下对一年生辣椒（C. annuum‘Chili-AS Rot’）和黄灯笼辣椒娜迦·莫里希（C. chinense‘Naga Morich’）进行盆栽试验，将植物放置在斯洛文尼亚北部卡姆尼克（Kamnik, north Slovenia，北纬46°13′33.88″，西经14°36′39″，海拔380.5 m）的温室（传统塑料雨棚）中，对试验 条件进行一定的控制，在整个试验过程中，分别用田间持水量和50%田间持水量（水分亏缺状态）对 植株进行灌溉。测定植株的产量、果实数量、株高、株宽和根系质量，并且对辣椒果皮中单糖、有机酸、总酚、辣椒素和二氢辣椒素的含量进行化学分析。

2.1 气候条件

试验期间，室外平均温度为17.1℃，室内平均温度为23.0 ℃，平均空气湿度为67.9%，日温波动约 为10 ℃，最低气温出现在2018 年5 月5 日（14 ℃），空气相对湿度在40%～90 %之间（图1）。

2.2 植物材料

2 月份开展一年生辣椒（C.annuum‘Chili AS Rot’）和更为辛辣的黄灯笼辣椒娜迦·莫里希（C. chinense‘Naga Moric’）的播种工作，播种完成后将其放置在25℃左右的温室中。当植物长出前3 片叶子时，将它们移植到塑料容器中（φ = 8 cm）。两个月后，直到5 月初，将植物移植到盛有泥炭土基质（Klasmann N3）的截锥形花盆中（25 cm × 25 cm × 20 cm）（每盆2.7 kg）。在试验开始时，将每盆植物灌溉至水分饱和状态，并将花盆放置在40 cm × 40 cm 的随机区域中，试验共有40 株植株，每个处理选取10 株作为重复。

2.3 土壤水力特性

田间持水量是指重力流变得可以忽略的土壤含水量[7]，是灌溉调节的重要参数。为了测定田间持水量下的土壤含水量，向5 个装满基质的花盆中加水，使其缓慢饱和。饱和后，将盆称取质量后放在渗滤器上，沥干水分。当水停止从花盆中流出后，测量土壤体积含水量（65.4 %），并将其作为田间持水量临界值。为了测定土壤的保水性，用250 cm3的探针从盆中提取原状土样，使用蒸发法[8-10]测定样品，根据土壤持水曲线[Van Genuchten 模型，HYPROP-FIT 软件（Meter / UMS 有限公司，德国）]确定田间持水量下的土壤水势。

2.4 灌溉处理

植物通过连接到高压泵的滴灌系统（每株植物一个滴头）进行灌溉。在试验期间，土壤水分张力由喷射式张力计（土壤水分测定设备，美国圣巴巴拉）监测，张力计与水平线呈45°角放置，使张力计的尖端正好位于植物下方的根系中心。土壤体积含水量通过位于根系中心的θ探头（Delta-T，英国）进行测量，每天记录测量结果，当土壤水分张力达到指定值时开始灌溉，按照田间持水量灌溉时允许损耗的张力为 -40 kPa，按照50%田间持水量灌溉时允许损耗的张力为 -70 kPa（亏缺灌溉状态）。这相当于按照田间持水量进行灌溉的植株的土壤含水量为50%，按照50%田间持水量（亏缺灌溉状态）进行灌溉的植株的土壤含水量为20%。

在黄灯笼辣椒娜迦·莫里希（C. chinense‘Naga Morich’）的水分亏缺灌溉处理中，由于无法提供土壤水势测量，所以灌溉调节基于土壤含水量的测定值。在一个既定的灌溉比率下，增加8 mm 水替代田间持水量灌溉处理，增加4 mm 水替代50%田间持水量灌溉处理。

2.5 植株样本

2.5.1 果实数量和质量 当辣椒呈现出特定颜色（红色）时进行采摘，25 d 里共采摘了3 次辣椒，一年生辣椒（C.annuum‘Chili-AS Rot’）每一次都比黄灯笼辣椒娜迦·莫里希（C. chinense‘Naga Morich’）提早10 d 收获。采后对每株植物的果实质量（单位：g）进行称量，记作单株产量，并对单株结果数目进行统计。将辣椒果实切成两半，移除胎座组织和种子，选取来自同一株植物的3 个辣椒果皮，冻干后在用液氮冷却的研钵中研磨成细粉，将细粉样品保存在-20 ℃下，直到完成各种糖、有机酸、总酚、辣椒素和二氢辣椒素的提取。

2.5.2 植株的宽度和高度 使用卷尺测量一个枝条到另一个枝条之间的距离作为试验植株的株宽，选择嫩枝进行测量时，两个枝条离的越远越好。同样使用卷尺测量茎的基部到植株顶部的距离记作株高，所有参数均以厘米（cm）作为计量单位。

2.5.3 根系质量 将植物的地上部分从植株基部切断，在花盆上做好标记，将其放在一个凉爽的储藏室里晾干。待泥炭基质风干后，小心地从花盆中取出完整的植株根系，用水冲洗几次后，测量根的长度、鲜样质量和干样质量。为了测定干样质量，将不含泥炭的根系样品放在55 ℃烘箱中干燥4 d，用天平称量根系的质量（单位: g）。

2.6 果实的化学分析

2.6.1 植株糖和有机酸的分析 对冻干辣椒果皮中的碳水化合物和有机酸含量进行测定，每个处理重复测量5 次，来自于同一植株上的3 个果皮放在一起分析，作为一次重复。分析之前，取200 mg 的干物质溶解到8 mL 的双蒸馏水中，具体的提取分析步骤参照Slatnar 等[11]的方法。

本研究使用Thermo Finnigan Surveyor 高效液相色谱仪（赛默飞世尔科技有限公司，圣何塞，美国）进行后续的分析，分别使用Rezex RCM 糖类色谱柱（30 cm × 0.78 cm；赛默飞世尔科技有限公司，圣何塞，美国）和 Rezex ROA 有机酸色谱柱(30 cm × 0.78 cm；赛默飞世尔科技有限公司，圣何塞，美国)测定糖类和有机酸的含量，仪器相关属性设定参照Slatnar 等[11]的方法，结果以干质量（DW）g/kg 来表示。

2.6.2 总酚含量的测定 果实样品的提取参照Slatnar等[11]的方法进行，即用3 mL含3% （体积比）甲酸的80 %甲醇溶液在冷却超声机（0 ℃）中萃取100 mg 样品1 h。用福林酚（Folin-Ciocalteu）试剂法[12]测定提取物的总酚含量，即将6 mL 双蒸馏水和500 μL 福林-苯酚试剂一起加入到100 mL 的样品提取物中，在室温下静置8 s ～8 min，然后加入1.5 mL 的20%（质量/体积）的碳酸钠溶液和1.9 mL 双蒸馏水。

将提取物混合均匀，在40 ℃下放置30 min，然后在Lambda Bio 20 UV/VIS 分光光度计（珀金埃尔默，沃尔瑟姆，马萨诸塞州）上测量波长为765 nm 时的吸光度值。用水和试剂的混合物作为空白对照。总酚含量用100 g 干质量（DW）中没食子酸当量 （gallic acid equivalents, GAE） 的mg 数（mg/100 g）来表示，每个吸光度值重复测定3 次。

2.7 统计分析

关于实验和数据的方差分析，参照Team R D C[13]的方法。如果发现各处理之间的差异效应十分显著，则使用最小显著差数法（Tukey-test）在不同的处理之间进行显著性水平α= 0.05 的均值比较测验。

3 结果和讨论

3.1 土壤水分条件

土壤含水量和土壤张力如图2 所示。当按照田间持水量灌溉时，一年生辣椒品种‘Chili-AS Rot’的土壤水分张力在-4 kPa 到-42 kPa 之间，土壤含水量在20%～60%之间。黄灯笼辣椒娜迦·莫里希（C. chinense‘Naga Morich’）无法获取按照田间持水量进行灌溉时土壤张力的测量结果，但其土壤水分含量与一年生辣椒品种‘Chili-AS Rot’相似。当按照50%田间持水量（水分亏缺状态）进行灌溉时，一年生辣椒品种‘Chili-AS Rot）的平均土壤水分张力为-65 kPa（最大值为-75 kPa），土壤含水量在18%～22%之间；而黄灯笼辣椒娜迦·莫里希（C. chinense‘Naga Morich’）的平均土壤水分张力为-60 kPa（最大值为-70 kPa），土壤含水量在20%～28%之间。试验过程中，必须严格调控亏缺灌溉处理，保持土壤水分张力高于临界值，否则，如果这些植物受到了严重的干旱胁迫，土壤含水量（%）将与土壤水势（kPa）成反比，如果土壤含水量低，则土壤水势高，反之亦然（图2）。当土壤水分张力达到或超过-75 kPa（叶片萎蔫）时，亏缺灌溉的植物表现出干旱胁迫的迹象，浇水后植物可恢复原状态，这与Ruiz-Lau 等[14]的结果相似，即确定了植物在受到严重的水分胁迫后，再次施水可以使其恢复原状态。

在一年生辣椒‘Chili-AS Rot’的试验过程中，分别将478.4 mm（29.9 L）和201.6 mm（12.6 L）的灌溉量作为田间持水量灌溉处理和50%田间持水量灌溉处理（水分亏缺状态）。黄灯笼辣椒‘Naga Morich’中将392 mm（24.5 L）的灌溉量作为田间持水量灌溉处理，而164.8 mm（10.3 L）的灌溉量作为50%田间持水量灌溉处理（水分亏缺状态）。

3.2 产量和生长参数

水分亏缺会影响植物发育和果实产量。对一年生辣椒‘Chili-AS Rot’和黄灯笼辣椒‘Naga Morich’的所有植株进行统计分析发现：它们在单株平均产量、单株平均果实数量、平均株高、平均株宽和平均根系质量（表1）等指标中均存在显著的统计学差异。在膜下滴灌的干旱地区，Liu 等[15]的研究建议20 cm 深度的土壤基质势阈值范围为-30 kPa ～ -40 kPa时，有利于辣椒的灌溉管理。相反，Gutiérrez-Gómez 等[16]发现在-70 kPa 时显示出更高的灌溉用水效率。当按照田间持水量进行灌溉处理时，一年生辣椒‘Chili-As Rot’的平均根系质量比干旱胁迫下的根系质量高109.5 g。同理，黄灯笼辣椒‘Naga Morich’植株的平均根系质量在统计学上的差异也是十分显著的，那些按照田间持水量进行灌溉的植株，其根系平均质量比50%田间持水量灌溉处理（水分亏缺）下的植株根系质量高192.6 g。在两个品种中，按照田间持水量灌溉后的植株具有更高的株高和株宽，以及产量、果实数量与株高和株宽之间存在相关性，且株型较大的植物具有更多的嫩枝（可形成更多的花蕾）和更大的叶面积，因而具有较高的光合作用强度，最终出现较大的产量。这与Phimchan 等[17]、Ichwan 和Suwignyo[18]和Jeeatida 等[19]报告的干旱胁迫对植物生长和产量影响的结果类似。

表1 在田间持水量和50%田间持水量灌溉处理下，一年生辣椒‘Chili-AS Rot’和黄灯笼辣椒‘Naga Morich’的平均单株产量（g）、平均单株果数、平均株高（cm）、平均株宽（cm）、平均根系质量（g）及其标准差

土壤缺水严重影响了黄灯笼辣椒的生长和总的干物质的积累[16]，但对果实质量的影响却不大。在本次试验中，水分胁迫极大地影响了黄灯笼辣椒‘Naga Morich’的产量，即果实数目和质量。

两种灌溉处理下平均每株果实质量在统计学上表现出显著的差异，一年生辣椒‘Chili-AS Rot’在田间持水量灌溉处理下每株平均果实产量（每株455.8 g 果实）与50%田间持水量灌溉处理下的植株（每株168.9 g 果实）相比，增加286.9 g。黄灯笼辣椒‘Naga Morich’在田间持水量灌溉处理下，每株产量提高134.4 g（表1）。比较每株植物的平均果实数量，发现在统计学上也表现出显著差异，在采用田间持水量灌溉时，一年生辣椒‘Chili-AS Rot’每株植物的果实数量增加了16.1。同理，采用 50%田间持水量灌溉的黄灯笼辣椒‘Naga Morich’的单株果实数量则减少了37.3。

表2 和表3 列出了两种灌溉方式下每次采摘的一年生辣椒‘Chili-AS Rot’和黄灯笼辣椒‘Naga Morich’的果实数量和质量，所有的处理在统计学上均表现出显著的差异。产量的差异在第1 次采摘时就开始显现，而后每一次采摘时，产量的差异都在进一步增加。黄灯笼辣椒‘Naga Morich’在50%田间持水量灌溉处理（干旱胁迫）下表现出明显的胁迫反应（落花），进而影响了第3 次采摘时的果实数量。

表2 两种灌溉方式下每次采摘一年生辣椒‘Chili-AS Rot’和黄灯笼辣椒‘Naga Morich’的果实数量和质量（g）

表3 田间持水量和50%田间持水量灌溉处理下一年生辣椒‘Chili-AS Rot’（A）和黄灯笼辣椒‘Naga Morich’（B）中糖和有机酸含量（g/kg）DW

3.3 初级和次级代谢物

一年生辣椒‘Chili-AS Rot’在田间持水量灌溉处理下，葡萄糖（13.9 g/kg DM）、果糖（28.2 g/kg DM）和蔗糖（0.4 g/kg DM）均表现出较高的浓度。黄灯笼辣椒‘Naga Morich’在田间持水量灌溉处理下三种分析糖的浓度也更高（16.5 g/kg, 23 g/kg和7.6 g/kg DM）。Ichwan 和Suwignyo[18]测试了亏缺灌溉对几个辣椒品种的影响，最终得出结论，亏缺灌溉可降低单糖和总糖的含量，最高可达50 %。在本次的试验中，只下降了8 %。糖浓度降低是干旱反应及干旱胁迫对光合活性影响的结果。果实、花和根系是光合作用代谢产物（如糖）的重要消耗者，在干旱胁迫下，植物没有进行光合作用。因此，由于糖的消耗量大于其合成量，糖水平表现出下降的结果。此外，在长期的胁迫条件下，植物开始将糖从果实、花和根部运输到植物的其他部位，以维持细胞膨大压力，防止其死亡[20]。

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在田间持水量灌溉条件下，一年生辣椒‘Chili-AS Rot’的柠檬酸含量高出2 g/kg DM，而黄灯笼辣椒‘Naga Morich’的柠檬酸浓度仅高出了0.5 g/kg DM。Timpa 等[21]报道柠檬酸浓度随着干旱胁迫的增加而增加，因为它有助于克服胁迫对植物的影响。由于干旱胁迫对分解柠檬酸的酶的产生有抑制作用，因此柠檬酸的浓度升高[22]。在本研究中，我们得到了与Timpa 等[21]和El-Tohamy 等[22]不同的分析结果，即在水分亏缺灌溉处理下柠檬酸的浓度 更低。

当按照田间持水量灌溉处理后，一年生辣椒‘Chili-AS Rot’果实中奎宁酸（215.2 g/kg DM）、莽草酸（0.23 g/kg DM）和富马酸（0.19 g/kg DM）的浓度更高。当按照50%田间持水量（水分亏缺）灌溉处理后果实中苹果酸表现出较高的浓度（22.9 g/kg DM）。‘Chili-AS Rot’果实中草酸的浓度在两种处理下（0.30 g/kg DM）相差不大。

与田间持水量灌溉处理相比，在水分亏缺灌溉处理下，黄灯笼辣椒‘Naga Morich’果实中苹果酸（1.1 g/kg DM），奎宁（6.9 g/kg DM）、莽草酸（0.2 g/kg DM），富马酸（0.04 g/kg DM）和草酸（0.5 g/kg）表现出更高的浓度。当按照田间持水量灌溉处理时，柠檬酸含量更高一些（0.5 g/kg DM）。一些研究表明在干旱胁迫下草酸[23]、奎宁酸、莽草酸和富马酸[24]的浓度会下降，在本试验中，这些化合物在水分亏缺灌溉处理下的测定值高于田间持水量灌溉处理。

在最佳灌溉条件下，一年生辣椒‘Chili-AS Rot’中抗坏血酸浓度为136.5 mg/100 g DM，水分 亏缺灌溉处理中为113.0 mg/100 g DM，减少了20%，在黄灯笼辣椒‘Naga Morich’品种中同样也存在着统计上的显著性差异，在田间持水量灌溉处理下，抗坏血酸浓度比水分亏缺灌溉处理高7 mg，增加了10%。我们的结果与其他研究相似，这些研究显示在胁迫条件下植物体内抗坏血酸含量下降[23]。

当灌溉量达到田间持水量时，一年生辣椒‘Chili-AS Rot’中的总酚含量（TPC）高达84.7 mg (1056 mg GAE/100 g DM) 或13 %（ 图3）。 Okunlola 等[25]曾经报导了类似的结果，在该试验中，水分亏缺灌溉处理下，一年生辣椒植物中的总酚含量较低。

水分亏缺灌溉处理下，黄灯笼辣椒‘Naga Morich’中总酚含量最低为548.8 mg GAE/100 g DM 或25 %（图3），这与Okunlola 等[25]的研究结果相反，且在最佳灌溉处理和亏缺灌溉处理之间差异不显著。苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性是导致总酚（TPC）含量较低的原因。Phimchan 等[17]指出，在亏缺灌溉条件下，黄灯笼辣椒植株体内的酶活性相同或略高，因此合成了与平时相似数量的酚类化合物。在胁迫条件下，如干旱胁迫，多酚氧化酶活性增加，这加速了降解过程，从而降低了某些酚类化合物的数量，因此苯丙氨酸解氨酶（PAL）不能保证有足够的结构模块。

辣椒果实中辣椒素和二氢辣椒素的含量见表4，在一年生辣椒‘Chili-AS Rot’中，两种灌水处理下的辣椒素含量均比二氢辣椒素高4 倍，并且在水分亏缺处理下的辣椒素和二氢辣椒素含量明显更高一些。在辣味更强的黄灯笼辣椒‘Naga Morich’中，在水分亏缺为60 %（942.4 mg/100 g 和 150.8 mg/100 g）的灌溉处理下，辣椒素和二氢辣椒素含量更低一些（表4）。先前的研究表明，在干旱胁迫下，辣椒素含量的增加[2]与辣椒素生物合成途径中的四种关键酶有关[26]，Phimchan 等[17]证实对于刺激性更强的品种，辣椒素含量要么不受水分胁迫的影响，要么含量减少。总的来说，一年生辣椒‘Chili-AS Rot’果皮的辣度在田间持水量灌溉处理和水分亏缺灌溉处理条件下分别为1 753 SHU 和6 948 SHU。而黄灯笼辣椒‘Naga Morich’果皮的辣度在田间持水量灌溉处理和水分亏缺灌溉处理条件下分别为481 321 SHU 和379 520 SHU。

表4 田间持水量和亏缺灌溉（mg/100 g DM）条件下，一年生辣椒‘Chili-AS Rot’和黄灯笼辣椒‘Naga Morich’中辣椒素和二氢辣椒素的含量

4 结论

植物生长周期中的水分灌溉量对被评估的一年生辣椒‘Chili-AS Rot’的产量和品质有一定的影响，与50%田间持水量灌溉处理相比，田间持水量灌溉下植株的产量更高，且生长势旺、植株长得更高、更宽。同时，果实中蔗糖、葡萄糖、果糖、柠檬酸、抗坏血酸、奎宁酸、莽草酸、富马酸和总酚等代谢物质均表现出更高的积累量，而在水分胁迫处理的植株中，苹果酸、辣椒素和二氢辣椒素的含量较高。黄灯笼辣椒‘Naga Morich’在田间持水量灌溉处理下表现出较好的生长，对其果实进行分析，发现果实中三种分析糖、柠檬酸、抗坏血酸、总酚含量、辣椒素和二氢辣椒素的含量较高，在水分亏缺灌溉处理中，苹果酸、奎宁酸、莽草酸、富马酸和草酸的浓度较低。

此外，水分亏缺灌溉处理增加了被评估品种中不那么辛辣的一年生辣椒‘Chili-AS Rot’的辛辣程度（田间持水量处理和亏缺灌溉处理下的辛辣度分别为1 753 SHU 和6 948 SHU），而黄灯笼辣椒‘Naga Morich’的辛辣度在水分亏缺灌溉处理下有所降低，在按照田间持水量灌溉处理时辛辣度为481 321 SHU，而水分亏缺灌溉处理时辛辣度为 379 520 SHU。

现在的辣椒贸易不仅注重果实数量，还关注果实质量，这取决于果实中辣椒素的含量，后者会受到灌溉量的显著影响，如文中所提到的一年生辣椒‘Chili-AS Rot’，未来的研究应该集中在其他胁迫诱导子上，这些在实践中很难被生产者控制。灌溉是生产者应该控制的一项措施，因为它不仅能够保证生产质量和数量的弹性和可靠性，而且能够实现可持续的用水。

致谢

本研究得到了ARRS 研究项目园艺P4-0013和农业生态系统P4-0085 的支持。

附录A: 补充数据

与本文相关的补充材料可在doi: https://doi.org/10.1016/j.agwat.2020.106104. 的在线版本中 找到。