不同施氮量对幼龄胡椒叶片碳代谢的影响

鱼欢 王灿 李志刚 杨建峰 祖超 郑维全

摘 要 为探讨氮素营养对胡椒叶片碳代谢过程中碳水化合物累积及相关蔗糖酶活性的影响，以胡椒‘热引1号插条苗为试验材料，采用盆栽试验的方法，研究施氮量0、1、2、3、4 g/盆共5个处理对胡椒叶片酸性转化酶（AI）活性、蔗糖合成酶（SS）活性、蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性、可溶性糖、淀粉及氮含量的影响。结果表明，适量施氮肥可以增加胡椒叶片AI、SS和SPS活性，增加可溶性糖和氮含量，施氮不足或过量均会引起胡椒叶片AI、SS和SPS活性降低。胡椒叶片可溶性糖含量与抽花穗时间及花穗数量均呈显著正相关，淀粉含量与抽花穗时间和花穗量呈显著负相关。因此，在胡椒开花期，可通过施肥等栽培措施增加叶片中可溶性糖含量，进而促进开花。

关键词 施氮量；胡椒；碳代谢；生理特性

中图分类号 S573.9 文献标识码 A

Nitrogen Rate on Young Pepper Metabolism of Carbon

YU Huan1， 2， 3， WANG Can1， 2， 3， LI Zhigang1， 2， 3， YANG Jianfeng1， 2， 3 *，

ZU Chao1， 2， 3， ZHENG Weiquan1， 2， 3

1 Spice and Beverage Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Wanning， Hainan 571533， China

2 Hainan Provincial Key Laboratory of Genetic Improvement and Quality Regulation for Tropical Spice and Beverage Crops，

Wanning， Hainan 571533， China

3 Key Laboratory of Genetic Resource Utilization of Spice and Beverage Crops， Ministry of Agriculture， Wanning， Hainan

571533， China

Abstract In order to evaluate the nitrogen（N）rate on pepper metabolism of carbon， an experiment was conducted with five N treatments in pots. The five N treatments named N1， N2， N3， N4 and N5 were 0， 1， 2， 3 and 4 g/pot， respectively. Invertase（AI）activity， sucrose synthase（SS）activity， sucrose phosphate synthase（SPS）activity， soluble sugar content， starch content and nitrogen content of pepper leaves were measured to assess N rate effect on pepper metabolism of carbon. The results showed that appropriate N rate increased AI activity， SS activity， SPS activity，soluble sugar content and nitrogen content. However， insufficient N and excessive N rate reduced AI， SS， and SPS activity. The soluble sugar content of leavers was positively correlated with flowering time and flower spike. The starch content of leavers was negatively correlated with flowering time and flower spike. Therefore， during the flowering period， in order to promote early flowering and more flower spike of pepper， the content of soluble sugar in leaves should be increased by fertilization and other cultivation measures.

Key words Nitrogen rate； pepper； metabolism of carbon； physiological characteristics

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.10.003

胡椒（Piper nigrum L.）是世界上重要的多年生熱带香辛料作物，是我国热区主要经济作物之一[1]。胡椒枝条上的侧芽为混合芽，花芽和叶芽同时分化[2]，因此，每抽生一片叶都会带来一穗花穗，因而胡椒几乎全年都可抽穗开花。在水分、养分充足的条件下，花芽发育成为正常的花穗，开花结果，但在水分养分等失衡条件下，花穗生长则受到一定影响，有时会发生胡椒花穗败育的情况。花穗的数量和质量直接关系到胡椒产量和品质形成。在胡椒生长发育过程中，氮肥对胡椒生长发育及开花结果具有重要作用[3-4]。氮素是花和花序发育所必需的，在一定范围内氮素能增加花量[5]。碳代谢是作物最基本的代谢过程之一，直接影响着光合产物的形成、转化及作物的产量与品质形成。适量施氮肥能促进作物碳代谢，促使光合碳同化产物转化为蔗糖，进而增加蔗糖合成量[6]，增加花量[7]。可溶性糖是花芽分化中重要的营养物质[8-9]，叶片中高含量的可溶性糖，说明光合产物的合成能力强，研究发现可溶性糖含量升高有助于花芽分化[10]。叶片中可溶性糖含量对胡椒花穗发育具有较大的影响[11]。而叶片中淀粉含量对花芽分化的影响在不同生育期有所不同[12]。研究表明，碳水化合物是花芽分化过程中重要的影响因子之一。

蔗糖合成酶（SS）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）、酸性转化酶（AI）和中性转化酶（NI）是植物体内碳代谢过程的关键酶，与产量和品质密切相关[13]。蔗糖酶在蔗糖代谢中起重要作用[10]，与碳水化合物的累积存在相关关系。SS是一种胞质酶，它是促使蔗糖进入各种代谢途径的关键酶之一[14]。研究发现，SS与蔗糖含量呈显著正相关，而与淀粉显著负相关[10]；SPS是调控叶片蔗糖合成的关键酶之一[15]。在对龙眼的研究中发现，SPS与蔗糖含量呈正相关关系，但不显著，与淀粉含量呈显著负相关[10]；施氮有利于提高SPS的活性，促进蔗糖的合成[6]。转化酶活性与植物生长发育阶段糖的积累有关，主要为使蔗糖水解为旺盛的生理活动提供能量，转化酶主要为生长较快的植物组织器官提供充足的己糖作为碳源，伴随着植株生长趋于成熟以及蔗糖的累积，转化酶活性逐渐降低[16]。研究发现AI与蔗糖呈显著负相关[10]。关于氮素如何影响胡椒生长，究竟如何通过体内信号变化引发作物的生理生化反应，以及氮素对胡椒花芽分化的影响，目前尚不明确。因此，本研究拟通过研究氮肥不同施用量条件下，幼龄胡椒叶片碳代谢过程中相关蔗糖酶活性变化和碳水化合物累积的差异，探讨氮肥不同施用量对幼龄胡椒叶片碳水化合物累积的调控机理。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为生长一致且健康的‘热引1号胡椒插条苗，种植前胡椒插条苗在育苗床上假植40 d以上，摘除花穗，供试插条苗的长势和鲜重保持一致。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 2015年5月～9月在中国热带农业科学院香料饮料研究所（18°15′ N； 110°13′ E） 进行试验。设置5个不同施氮量处理，供试肥料为尿素（N≥46.4%）、用量分别为0、1、2、3、4 g/盆（即：N1、N2、N3、N4和N5），重复3次。每盆种植胡椒插条苗2株，使用直径28 cm，高29 cm的塑料盆，栽培基质为河沙和砖红壤按照1 ∶ 2（V ∶ V）比例混匀，盆栽基质重量为15 kg，砖红壤从海南省万宁市南桥镇试验基地采取。土壤pH为6.28、有机质含量1.90%、碱解氮含量9.18 mg/kg、有效磷含量9.87 mg/kg、有效钾含量57.91 mg/kg。钾、磷肥为氯化钾（K2O≥60%）、钙镁磷肥（P2O5≥18%），施用量为氯化钾5.83 g/盆、钙镁磷肥8.33 g/盆，种植时肥料一次性施入。

1.2.2 叶片取样 种植后1个半月左右开始取样，以后每隔14 d左右选取胡椒植株最上一片完全稳定叶6片，上午8： 00～9： 00取样，使用冰盒将样品及时带回实验室，液氮冷冻后储存在-80 ℃超低温冰箱中，用于测定蔗糖代谢酶及碳水化合物等指标。采集最上一片完全稳定叶5片，带回实验室，于鼓风干燥箱内105 ℃杀青30 min后，65 ℃烘干至恒重，粉碎，用于测定叶片氮含量。

1.2.3 测定项目

（1）蔗糖代谢酶的测定。AI按3，5-二硝基水杨酸法测定，SPS和SS的测定按间苯二酚法[17-18]。酶活力以每g叶片每分钟产生1 μg还原糖/蔗糖定义为一个酶活性单位，单位是U/g鲜重，重复3次。

（2）碳水化合物的测定。可溶性糖和淀粉的测定采用蒽酮-硫酸试剂法，用葡萄糖制作标准曲线[19]，每个处理重复3次。

（3）叶片氮含量的测定。使用意大利Euro Vector E有机元素分析仪测定叶片氮含量，重复3次。

（4）土壤硝态氮含量的测定。9月份盆栽试验结束，盆栽土混匀取土带回实验室，风干研磨过筛，使用Dechem-Tech全自动间断化学分析仪测试，重复3次。

（5）胡椒花穗观测。6月份开始观察记录每个处理胡椒花穗抽出时间、抽花穗的数量。

1.3 数据分析方法

数据采用SAS软件的PROC ANOVA程序分析处理间差异显著性，PROC CORR程序进行相关关系分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量处理对幼龄胡椒叶片的AI活性影响

如图1所示，不同施氮量处理幼龄胡椒叶片AI活性存在差异。在施肥后60 d，AI活性随着施氮量的增加而增加，各处理间的差异达显著水平。在施肥后74 d，N3、N4和N5处理AI活性之间无显著差异，且显著高于N1处理；N3和N4处理AI活性与N2处理之间无显著差异。在施肥后88～102 d，AI活性随施氮量的变化而发生变化，随施氮量的增加而升高，氮施用量为2 g/盆时AI活性最强，进一步增加施氮量，AI活性反而下降，且各处理间AI活性达显著差异。表明适量施用氮素可提高胡椒叶片AI活性，随胡椒生长生育进程的推进，施氮量不足或施氮过量均会造成叶片的AI活性降低。

2.2 不同施氮量处理对幼龄胡椒叶片SS活性的影响

由图2可知，隨胡椒的生长，叶片SS活性逐渐降低。不同施氮量处理对胡椒叶片SS活性存在一定的影响，随着施氮量的增加，胡椒叶片SS活性逐渐增加，当增加到2 g/盆（N3处理）时，SS活性达最大。之后，随着施氮量的增加，SS活性不再增加，反而下降。在施肥后46 d，N2、N3和N4处理之间SS活性无显著差异，但显著高于N1和N5处理；在施肥后60 d，N3处理SS活性显著高于其他处理，N2处理SS活性显著高于N1、N4和N5。在施肥后74 d，N3处理SS活性显著高于其他处理，N2处理SS活性显著高于N5处理。在施肥后88 d，N2和N3处理胡椒叶片SS的活性显著高于其他施氮量处理，N5处理的SS活性低于其他施氮量处理，且达显著差异。施肥处理后102 d，N2和N3处理的SS活性高于其他施氮量处理，且差异达显著水平，其他不同施氮量处理之间的SS活性不存在显著差异。表明适宜的氮肥施用量可提高幼龄胡椒叶片的SS活性，但施氮量不足或施氮肥过量均会造成胡椒叶片的SS活性降低。

2.3 不同施氮量处理对幼龄胡椒叶片的SPS活性影响

不同施氮量处理对叶片SPS活性有一定的影响（图3）。在施肥后46～74 d，随着施氮量的增加，胡椒叶片SPS活性逐渐增加，当增加到2 g/盆（N3处理）时，SPS活性达最大，显著高于其他处理。之后，随着施氮量的增加，SPS活性逐渐下降，N1和N5处理显著低于其他处理。在施肥后88～102 d，不同施氮量处理叶片的SPS活性不存在显著差异，可能是由于施肥处理时间长，氮肥作用不明显有关。表明适量的氮肥施用量能提高胡椒叶片的SPS活性，施氮量过多或者不足会导致胡椒叶片的SPS活性降低。

2.4 不同施氮量处理对幼龄胡椒叶片的可溶性糖含量影响

本研究中，不同施氮量处理对幼龄胡椒叶片中可溶性糖的含量有一定影响（图4）。在施肥后46～60 d，随着施氮量的增加，胡椒叶片可溶性糖含量逐渐增加。在施肥后74 d，N1处理显著高于N2、N3和N4处理，与N5处理差异不显著。在施肥后88 d，N1和N5处理显著高于N2、N3和N4处理，N3和N4处理显著低于其他处理。施肥后102 d，N1和N2处理可溶性糖含量显著高于N3、N4和N5施氮处理，而N3、N4和N5施氮处理间无显著差异。表明在施氮肥前期，施氮量的增加可提高胡椒叶片中可溶性糖含量，随着生育进程的推进，施氮量增加反而降低了胡椒叶片的可溶性糖含量。

2.5 不同施氮量处理对幼龄胡椒叶片的淀粉含量影响

不同处理对叶片淀粉含量有一定的影响（图5）。在施肥后46～60 d，叶片淀粉含量随着施氮量的增加而增加。在施肥后74 d，不施氮处理叶片淀粉含量显著高于其他处理；施氮肥处理后88 d，N1和N5施氮处理的淀粉含量显著高于N2、N3和N4处理，N1和N5施氮处理间无显著差异；施肥处理后102 d，N1处理胡椒叶片淀粉含量较高，显著高于其他处理，N2和N3施氮处理显著高于N4和N5施氮处理。

2.6 不同施氮量处理对幼龄胡椒叶片氮含量的影响

图6显示，不同施氮处理对胡椒叶片氮含量存在一定的影响。在施肥后46～60 d，叶片氮含量随着施氮量的增加而增加，当增加到2 g/盆（N3处理）时，叶片氮含量达最大，之后，随着施氮量的增加，叶片氮含量不再增加，反而下降。施肥后74 d开始，N1和N2处理叶片氮含量逐渐下降，且氮含量低于其他处理，在施肥后88～102 d， N1和N2处理叶片氮含量显著低于其他处理。说明适量增施氮肥可以提高叶片氮含量，在生长后期，施氮不足明显降低了叶片氮含量。

2.7 不同施氮量处理对土壤硝态氮含量的影响

由图7可见，不同施氮量处理对胡椒土壤硝态氮含量存在影响，土壤硝态氮含量随施氮量的增加而逐渐增加。N1、N2和N3处理土壤硝态氮含量显著低于N4和N5处理，N5处理显著高于N4处理。说明施氮量过多时，造成土壤中硝态氮残留过多。

2.8 叶片蔗糖酶活性与碳积累的相关关系分析

从表1可知，胡椒叶片SS活性与可溶性糖含量有显著负相关关系，与淀粉含量无相关性。AI、SPS活性与可溶性糖和淀粉含量无相关性。表明在本试验条件下，胡椒蔗糖代谢关键酶活性与碳水化合物的累积相关性不强。

2.9 胡椒完全展开叶碳水化合物与花穗发育的相关关系分析

表2显示，不同施氮条件下，胡椒叶片可溶性糖含量与抽花穗时间及花穗数量均呈显著正相关；淀粉含量与抽花穗时间和花穗量呈显著负相关。表明，叶片中可溶性糖含量的增加促进胡椒花穗的抽生，花穗抽生时间早及花量增加。淀粉含量的增加抑制胡椒花穗的抽生，使花穗抽生时间推进，花量减少。

2.10 胡椒完全展开叶总氮含量与花穗发育的相关关系分析

图8显示，胡椒叶片氮含量与胡椒抽穗时间和花量均无相关性。说明胡椒叶片氮含量对胡椒花穗发育无显著影响。

3 讨论

碳代谢是植物的主要代谢过程，是植物的呼吸作用、光合作用和糖代谢等途经影响植物生长发育的过程，通过有机化合物的合成、运输、转化和累积，进一步影響植物的产量及品质[20-21]。氮素对胡椒植株生长发育和开花结果具有重要作用[3-4]，胡椒催花期间亦要重施氮肥[22]。本研究中，适量施氮肥可以增加胡椒叶片AI、SS和SPS活性，施氮不足或过量均会引起胡椒叶片AI、SS和SPS活性降低。施氮量为1～2 g/盆时，AI、SS和SPS活性较高。这与前人在玉米、花生、沙参等作物上的研究结果相似，即施氮提高了玉米穗位叶AI、SS、SPS活性，增强光合产物的积累与运输[21， 23]，适量施氮也可提高花生叶片SS和SPS活性[24]，施氮提高了沙参叶片SPS活性和可溶性糖含量[25]，过量施肥会引起AI、SS、SPS等活性的降低。在施肥前期，增加施氮量可增加胡椒叶片可溶性糖含量，随着生育进程的推进，施氮量增加反而降低了叶片中可溶性糖的含量。这可能由于在低氮条件下，植株的氮素同化能力较弱，光合三碳化合物主要用于可溶性糖的合成[26]。胡椒抽花穗主要集中在施肥后20 d内[27]，在施肥前期，可溶性糖主要为花穗发育提供营养物质，随着花穗发育进程的推进，叶片中可溶性糖含量逐渐减少。前期研究表明，适量施氮可增加花量，且花穗抽生较早，进一步增施氮肥，花穗数量减少，抽花穗时间推迟[27]。本研究中，胡椒叶片可溶性糖含量与抽花穗时间及花穗数量均呈显著正相关；淀粉含量与抽花穗时间和花穗量呈显著负相关。说明胡椒叶片中可溶性糖的增加可以促进胡椒花穗发育。这与前人在澳洲坚果、杨梅、蝴蝶兰等作物上的研究结果相似，即叶片中可溶性糖的积累有利于澳洲坚果花芽的分化，叶片中积累的可溶性糖为花穗发育提供了充足的物质基础，促进花芽分化，开花后叶片中可溶性糖含量逐渐降低[28-30]。适量的氮肥供给满足了胡椒树体生长的需求，有利于根系对土壤养分的吸收[27]，提高了胡椒叶片氮含量，进而增加了可溶性糖含量，促进开花。在生长后期，施氮不足明显降低了叶片氮含量，而过量施氮（3～4 g/盆）易造成土壤中硝态氮残留过多。过量施氮导致胡椒根系生长受阻，影响根系对土壤中氮素营养的吸收[28]，导致土壤中硝态氮残留过多。因此在生产上应该适当控制氮肥的施用量。

大田条件下的土壤与气候等条件与盆栽试验有所差异，将进一步开展在田间试验下，施氮量对幼龄胡椒及结果椒叶片碳代谢的研究。以期为生产上通过施肥调控胡椒花穗发育提供更确切的理论基础。

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