有机矿质复合剂对干旱处理小米辣幼苗生理代谢的影响

王 灿，张雪廷，李 罡，李 云，赵水灵，王绍祥，袁恩平

（云南省文山州农业科学院，云南 文山 663000）

0 引言

在作物生命活动过程中，水分起着举足轻重的作用。水分不仅是构成原生质的主要成分，而且是代谢作用中的反应底物和物质吸收运输的溶剂。水分的缺乏严重影响了作物的生长和发育，导致作物产量和品质的下降[1]。研究作物在干旱逆境下的生理机制、缓解作物对水分的胁迫、提高作物的抗旱性，是国内外研究的热点之一[2-4]。水资源短缺是全球性环境焦点问题之一，中国人均占有水资源量(2300 m3)仅为世界人均量的1/4，即使在南方非干旱区域也常会发生季节性、阶段性干旱[4-5]。辣椒(Capsicum annuumL.)作为西南边陲特色经济作物之一，是边疆地区广大农民增收的经济作物。文山州地处云南边界，位于云南省东南部低纬度高原地区，大部分地区属西风带中亚热带季风气候。全境山峦起伏，河谷沟壑纵横，海拔618～2991.2 m，高低海拔气候差异显著，具有地形地貌多样和气候立体的特点。目前文山州辣椒种植面积占云南省辣椒种植面积的81.32%，现已成为云南省主要的辣椒原料生产基地[6]。但由于文山特殊的地理环境导致农业设施发展滞后，很多地方无法满足农业灌溉用水，部分地区农户仍以降雨蓄水或水车运水为主。近年来随着工厂化育苗的发展，育苗盘育苗已成为辣椒育苗的主要方式。经调查发现，大部分农户以漂浮育苗为主，与干漂育苗相比漂浮育苗节约了用水量和劳动力。但同时也存在水体污染、长时间不换水导致水体富营养化，致病菌影响辣椒幼苗正常生长等问题[6]。因此寻找有效的抗旱节水方法，是提高文山地区辣椒育苗产业健康发展的重要措施之一。李鑫等[4]研究认为适宜浓度的吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinine)可显著促进辣椒的生长，提高辣椒对水分胁迫的抗逆性，当吡咯喹啉醌浓度在200 nmol/L时其促生长及抗干旱胁迫效果最佳。马仲炼等[7]研究表明，添加外源甜菜碱(glycine betaine，100 mmol/L)和水杨酸(salicylic acid，200 mg/L)可抑制丙二醛含量增加，提高可溶性糖、脯氨酸、保护酶等，有效缓解干旱对辣椒造成的伤害，其中甜菜碱处理的辣椒抗旱性效果更好。吴琼[8]研究发现，苯肽胺酸(N-phenyl-phthalamic acid)作为一种新型植物生长调节剂主要通过对辣椒内源激素的调控来影响植株生长发育，如促进植株生长，增加产量和改善果实品质等；通过诱导激活辣椒幼苗的抗氧化和渗透调节系统，抵抗低温和干旱对辣椒生长造成的伤害。王灿等[9]在有机废弃物育苗基质中添加壳聚糖(chitosan)进行干旱处理辣椒、番茄育苗，结果发现添加壳聚糖的处理基质可促进幼苗生理代谢，提高幼苗耐逆性，在番茄幼苗中尤为显著。

虽然有关辣椒抗旱试验的研究很多，但在小米辣(Capsicum frutescensL.)中却鲜有报道。本研究以云南文山地区特色小米辣为研究对象，以提高小米辣抗逆性、节约需水量和肥料施用量、提高小米辣幼苗品质为目的，为云南文山地区实现小米辣工厂育苗栽培优质、高效、集约化、降低育苗成本等问题提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试品种 辣椒品种为‘小米辣M240’，由文山州农业科学院提供。

1.1.2 供试材料 有机矿质复合剂“矿物之星”由日本群马长石公司提供，是一种天然矿物质（石矿粉中提取）和腐殖酸复合的制剂，其主要矿质成分见表1。育苗基质为‘湘正农科’牌商品育苗基质，由湖南农业大学湘晖农业技术研究所研制，主要成分为草炭土。

表1 复合剂主要矿质组成成分及pH

1.2 方法

1.2.1 盆栽试验及样品采集 试验于2020年5—12月在文山州农业科学院蔬菜分子育种试验室进行。根据上一步预试验结果将该有机矿质复合剂按0、15、30、45、60 g/L 5个浓度梯度与育苗基质混匀后装入72孔育苗盘中，分别用CK、A、B、C、D表示，每盘为一次重复，每个处理各3次重复，并将发芽整齐一致的小米辣种子播种于苗盘中，进行常规管理，根据试验用土田间持水量15%～25%进行干旱处理5天（期间土壤水分检测仪监测）。干旱育苗结束后采用5点取样法选取植株，将5～7片真叶时期的植株整株拔出抖落附着的土壤基质低温保存用于测定生理代谢指标。

1.2.2 测定项目 脯氨酸(Pro)采用磺基水杨酸法测定[10]、丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸法测定[11]、叶绿素采用紫外分光光度法测定[12]、根系活力采用TTC法测定[13]、可溶性糖含量采用蒽酮比色法[14]、蛋白质含量采用考马斯亮蓝G-520染色法测定[15]、类胡萝卜素含量测定参照张丽霞[16]方法采用紫外分光光度法测定。超氧化物歧化酶(SOD)采用氮蓝四唑法测定[17]、过氧化氢酶(CAT)采用紫外吸收法测定[18]、过氧化物酶(POD)采用愈创木酚法测定[19]，酶活力由云南晶亚科技有限公司代测。

1.2.3 数据统计与处理 原始数据整理采用word2003软件，数据差异显著性分析使用DPS 7.05（Duncan新复极差法，P<0.05），作图使用Excel 2003。

2 结果与分析

2.1 对小米辣幼苗干旱处理下叶绿素、类胡萝卜素含量及根系活力的影响

各处理叶绿素含量差异显著，A处理叶绿素含量为2.16 mg/g，显著高于其他处理，比CK处理1.97 mg/g提高9.64%，最低的是D处理1.01 mg/g。类胡萝卜素含量比较中，A处理含量为0.37 mg/g，显著高于其他处理，比CK提高15.63%，其次是CK处理0.32 mg/g，最低的是D处理0.23 mg/g。根系活力比较中同样以A处理最高6.94 μg/(h·g)，显著高于其他处理，比CK处理提高68.86%，其次是CK处理与B处理，最低的是D处理。表明A处理对小米辣幼苗叶片叶绿素、类胡萝卜素含量及根系活力有显著促进作用，D处理则表现为抑制作用。

表2 对小米辣幼苗叶绿素、类胡萝卜素含量及根系活力的影响

2.2 对小米辣幼苗干旱处理下丙二醛含量的影响

小米辣叶片丙二醛含量整体呈先下降后上升趋势（图1），A处理小米辣叶片丙二醛含量最低为46.65 nmol/g显著低于CK处理52.68 nmol/g，最高的是D处理达60.49 nmol/g，显著高于其他处理。在根系中，丙二醛含量情况同叶片中相似先下降后上升，D处理含量最高12.65 nmol/g，最低的是A处理和B处理分别是6.04 nmol/g和6.30 nmol/g，两者无显著差异，但均显著低于CK 7.69 nmol/g。表明A处理显著降低了小米辣叶片及根系中丙二醛的含量。

图1 不同处理对干旱小米辣丙二醛含量的影响

2.3 对小米辣幼苗干旱处理下脯氨酸含量的影响

不同处理对小米辣叶片和根系中脯氨酸含量有显著影响（图2），其中A、B处理的叶片脯氨酸含量最低分别是14.84、15.25 μg/g，显著低于CK处理21.30 μg/g。在根系中，D处理脯氨酸含量最高为25.41 μg/g，显著高于其他处理，最低的是C处理仅11.31 μg/g，A、B处理 17.38、16.09 μg/g与 CK 处理 15.99 μg/g无显著差异。

图2 不同处理对干旱小米辣脯氨酸含量的影响

2.4 对小米辣幼苗干旱处理下可溶性糖含量的影响

在小米辣叶片可溶性糖含量比较中，A处理最高为26.76 mg/g，比CK处理24.05 mg/g提高11.27%；最低的是B处理23.94 mg/g，但与CK、C、D处理无显著差异。在根系中，A处理最高为6.47 mg/g，显著高于其他处理（C处理除外），较CK提高9.85%；最低的是D处理4.22 mg/g，显著低于其他处理，比CK降低了28.35%（图3）。

图3 不同处理对干旱小米辣可溶性糖含量的影响

2.5 对小米辣幼苗干旱处理下可溶性蛋白含量的影响

可溶性蛋白含量比较中（图4），A处理叶片、根系可溶性蛋白含量均显著高于其他处理，分别为38.53、8.74 mg/g，较CK处理提高39.85%和22.41%，其余处理均显著低于A处理，表明A处理下的有机矿质复合剂添加浓度可显著促进小米辣叶片及根系可溶性蛋白含量。

图4 不同处理对干旱小米辣可溶性蛋白含量的影响

2.6 对小米辣幼苗干旱处理下抗氧化酶的影响

由图5可知，在干旱胁迫下，随基质中有机矿质复合剂添加浓度的增加，小米辣叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性呈先上升后下降趋势，A处理SOD活性最高为815.03 U/g，显著高于其他处理，其次是B处理657.90 U/g，最低的是D处理491.49 U/g。小米辣叶片过氧化氢酶(CAT)活性比较中，随基质中有机矿质复合剂添加浓度的增加呈先下降后上升趋势。C、D处理显著高于CK、A、B处理，D处理达到最大值127.94 μmol/(min·g)显著高于其他处理，最低的是B处理仅45.25 μmol/(min·g)。在小米辣叶片过氧化物酶(POD)比较中，CK处理显著高于其他处理为588.72△OD470/(min·g)，A、B处理均显著高于C、D处理，正好与过氧化氢酶(CAT)情况相反，其中最低的是C处理[47.50△OD470/(min·g)]，但与D处理[63.92△OD470/(min·g)]无显著差异。

图5 不同处理对干旱小米辣抗氧化酶的影响

3 结论

在干旱逆境下，适宜浓度的有机矿质复合剂对小米辣幼苗光合作用、根系活力、可溶性蛋白、超氧化物歧化酶等有一定促进作用，可有效缓解逆境伤害，尤其是15 g/L时效果最佳。这为小米辣育苗期间提高耐旱能力提供了新的思路。但具体抗旱分子机理研究存在空白。

4 讨论

试验表明，干旱胁迫下，该有机矿质复合剂添加浓度与小米辣生理代谢呈显著相关，其中A处理15 g/L下对小米辣幼苗叶片叶绿素、类胡萝卜素含量、根系活力及可溶性蛋白含量有显著促进作用，D处理则表现为抑制作用。分析原因可能是该有机矿质复合剂中存在腐殖酸，提高了小米辣幼苗生长质量，研究表明腐殖酸对植物根系具有刺激作用促使植物根系活性提高，同时促进根系中质子泵（H+-ATP酶）编码基因亚型MHA2的表达提高质子泵活性，增强抗逆性，增加作物产量和提高品质[20]。但该有机矿质复合剂存在大量矿物质，增加其施用浓度的同时也大大增加了根系中盐离子的浓度，再加上水分的减少导致基质中EC值过高抑制了根系的生长。研究表明，作物受到逆境胁迫时会产生不同代谢反应机制抵御逆境和缓解逆境带来的伤害，如干旱时植株通过调节气孔关闭、分泌脱落酸和脯氨酸等来传递逆境信号、提高溶质浓度降低水势来避免水分的流失[21]。研究中A处理15 g/L下小米辣育苗叶片及根系MDA含量最低，分别较CK下降了11.45%和21.46%，表明该处理可减轻干旱对小米辣幼苗的伤害。丙二醛是逆境下组织或器官膜脂过氧化的终产物之一，在一定程度上反映了植物受逆境胁迫伤害的大小[22]。张磊等[23]研究表明，干旱处理下对马铃薯施用腐殖酸或黄腐酸能显著增加其叶片内游离脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白质含量，提高细胞的持水能力，增强抗旱性。通过施用外源腐殖酸可提高苹果幼苗中游离脯氨酸含量、内源甜菜碱含量、可溶性糖含量，减轻干旱对苹果幼苗的有害影响，提高苹果砧木对根系的耐受性[24-25]。

植物在逆境下会激活抗氧化酶系统和诱导生成新的逆境蛋白，如SOD、CAT、POD、谷胱甘肽等，以此来提高作物抵御逆境的能力[26]。试验表明，有机矿质复合剂浓度在15 g/L下，SOD比CK提高了48.68%，但在CAT和POD中则显著低于对照。这可能是由于作物存在多种抵御干旱胁迫逆境的途径或生理机制。刑嘉韵等[27]研究表明对水稻施用稻壳碳和腐殖酸复合剂可增强水稻超氧化物歧化酶活性。Vasconcelosa等[28]研究发现，对干旱胁迫下玉米和大豆施用3种不同组分腐殖酸的生物刺激素后发现，1号生物刺激素处理（主要成分为腐殖酸、富里酸等）可提高2种作物的超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶的活性，但过氧化氢酶的活性却没有增强。由此表明，不同的腐殖酸对干旱胁迫下不同植物的抗氧化代谢调节可能有差异，其机理还有待研究。

此外，有研究表明，微量元素可促进植物生长，增加抗逆性。董卫华[29]等研究表明，Na2SeO3能够提高宁夏枸杞幼苗中营养物质的积累，降低幼苗MDA含量及其电解质渗透率，从而增强宁夏枸杞的抗逆性。同时矿物质元素也可通过影响微生物群落多样性来间接影响植物生长，在缺少氮素情况下，对小麦根际微生物的多样性、群落结构和代谢功能产生了显著影响，一些特定种类的细菌在小麦根际土壤中富集可能有利于土壤中氮素的周转并提高小麦应对缺氮胁迫的抗逆性，进而促进小麦的生长[30]。下一步试验将对小米辣育苗中根际微生物群落多样性进行分析，明确影响小米辣根际微生物群落多样性的主效因子，为生产实践中改善小米辣育苗根际环境促进小米辣逆境生长提供理论依据。