有機礦質復合劑對干旱處理小米辣幼苗生理代謝的影響

王 燦，張雪廷，李 罡，李 云，趙水靈，王紹祥，袁恩平

（云南省文山州農業科學院，云南 文山 663000）

0 引言

在作物生命活動過程中，水分起著舉足輕重的作用。水分不僅是構成原生質的主要成分，而且是代謝作用中的反應底物和物質吸收運輸的溶劑。水分的缺乏嚴重影響了作物的生長和發育，導致作物產量和品質的下降[1]。研究作物在干旱逆境下的生理機制、緩解作物對水分的脅迫、提高作物的抗旱性，是國內外研究的熱點之一[2-4]。水資源短缺是全球性環境焦點問題之一，中國人均占有水資源量(2300 m3)僅為世界人均量的1/4，即使在南方非干旱區域也常會發生季節性、階段性干旱[4-5]。辣椒(Capsicum annuumL.)作為西南邊陲特色經濟作物之一，是邊疆地區廣大農民增收的經濟作物。文山州地處云南邊界，位于云南省東南部低緯度高原地區，大部分地區屬西風帶中亞熱帶季風氣候。全境山巒起伏，河谷溝壑縱橫，海拔618～2991.2 m，高低海拔氣候差異顯著，具有地形地貌多樣和氣候立體的特點。目前文山州辣椒種植面積占云南省辣椒種植面積的81.32%，現已成為云南省主要的辣椒原料生產基地[6]。但由于文山特殊的地理環境導致農業設施發展滯后，很多地方無法滿足農業灌溉用水，部分地區農戶仍以降雨蓄水或水車運水為主。近年來隨著工廠化育苗的發展，育苗盤育苗已成為辣椒育苗的主要方式。經調查發現，大部分農戶以漂浮育苗為主，與干漂育苗相比漂浮育苗節約了用水量和勞動力。但同時也存在水體污染、長時間不換水導致水體富營養化，致病菌影響辣椒幼苗正常生長等問題[6]。因此尋找有效的抗旱節水方法，是提高文山地區辣椒育苗產業健康發展的重要措施之一。李鑫等[4]研究認為適宜濃度的吡咯喹啉醌(pyrroloquinoline quinine)可顯著促進辣椒的生長，提高辣椒對水分脅迫的抗逆性，當吡咯喹啉醌濃度在200 nmol/L時其促生長及抗干旱脅迫效果最佳。馬仲煉等[7]研究表明，添加外源甜菜堿(glycine betaine，100 mmol/L)和水楊酸(salicylic acid，200 mg/L)可抑制丙二醛含量增加，提高可溶性糖、脯氨酸、保護酶等，有效緩解干旱對辣椒造成的傷害，其中甜菜堿處理的辣椒抗旱性效果更好。吳瓊[8]研究發現，苯肽胺酸(N-phenyl-phthalamic acid)作為一種新型植物生長調節劑主要通過對辣椒內源激素的調控來影響植株生長發育，如促進植株生長，增加產量和改善果實品質等；通過誘導激活辣椒幼苗的抗氧化和滲透調節系統，抵抗低溫和干旱對辣椒生長造成的傷害。王燦等[9]在有機廢棄物育苗基質中添加殼聚糖(chitosan)進行干旱處理辣椒、番茄育苗，結果發現添加殼聚糖的處理基質可促進幼苗生理代謝，提高幼苗耐逆性，在番茄幼苗中尤為顯著。

雖然有關辣椒抗旱試驗的研究很多，但在小米辣(Capsicum frutescensL.)中卻鮮有報道。本研究以云南文山地區特色小米辣為研究對象，以提高小米辣抗逆性、節約需水量和肥料施用量、提高小米辣幼苗品質為目的，為云南文山地區實現小米辣工廠育苗栽培優質、高效、集約化、降低育苗成本等問題提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試品種 辣椒品種為‘小米辣M240’，由文山州農業科學院提供。

1.1.2 供試材料 有機礦質復合劑“礦物之星”由日本群馬長石公司提供，是一種天然礦物質（石礦粉中提取）和腐殖酸復合的制劑，其主要礦質成分見表1。育苗基質為‘湘正農科’牌商品育苗基質，由湖南農業大學湘暉農業技術研究所研制，主要成分為草炭土。

表1 復合劑主要礦質組成成分及pH

1.2 方法

1.2.1 盆栽試驗及樣品采集 試驗于2020年5—12月在文山州農業科學院蔬菜分子育種試驗室進行。根據上一步預試驗結果將該有機礦質復合劑按0、15、30、45、60 g/L 5個濃度梯度與育苗基質混勻后裝入72孔育苗盤中，分別用CK、A、B、C、D表示，每盤為一次重復，每個處理各3次重復，并將發芽整齊一致的小米辣種子播種于苗盤中，進行常規管理，根據試驗用土田間持水量15%～25%進行干旱處理5天（期間土壤水分檢測儀監測）。干旱育苗結束后采用5點取樣法選取植株，將5～7片真葉時期的植株整株拔出抖落附著的土壤基質低溫保存用于測定生理代謝指標。

1.2.2 測定項目 脯氨酸(Pro)采用磺基水楊酸法測定[10]、丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸法測定[11]、葉綠素采用紫外分光光度法測定[12]、根系活力采用TTC法測定[13]、可溶性糖含量采用蒽酮比色法[14]、蛋白質含量采用考馬斯亮藍G-520染色法測定[15]、類胡蘿卜素含量測定參照張麗霞[16]方法采用紫外分光光度法測定。超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍四唑法測定[17]、過氧化氫酶(CAT)采用紫外吸收法測定[18]、過氧化物酶(POD)采用愈創木酚法測定[19]，酶活力由云南晶亞科技有限公司代測。

1.2.3 數據統計與處理 原始數據整理采用word2003軟件，數據差異顯著性分析使用DPS 7.05（Duncan新復極差法，P<0.05），作圖使用Excel 2003。

2 結果與分析

2.1 對小米辣幼苗干旱處理下葉綠素、類胡蘿卜素含量及根系活力的影響

各處理葉綠素含量差異顯著，A處理葉綠素含量為2.16 mg/g，顯著高于其他處理，比CK處理1.97 mg/g提高9.64%，最低的是D處理1.01 mg/g。類胡蘿卜素含量比較中，A處理含量為0.37 mg/g，顯著高于其他處理，比CK提高15.63%，其次是CK處理0.32 mg/g，最低的是D處理0.23 mg/g。根系活力比較中同樣以A處理最高6.94 μg/(h·g)，顯著高于其他處理，比CK處理提高68.86%，其次是CK處理與B處理，最低的是D處理。表明A處理對小米辣幼苗葉片葉綠素、類胡蘿卜素含量及根系活力有顯著促進作用，D處理則表現為抑制作用。

表2 對小米辣幼苗葉綠素、類胡蘿卜素含量及根系活力的影響

2.2 對小米辣幼苗干旱處理下丙二醛含量的影響

小米辣葉片丙二醛含量整體呈先下降后上升趨勢（圖1），A處理小米辣葉片丙二醛含量最低為46.65 nmol/g顯著低于CK處理52.68 nmol/g，最高的是D處理達60.49 nmol/g，顯著高于其他處理。在根系中，丙二醛含量情況同葉片中相似先下降后上升，D處理含量最高12.65 nmol/g，最低的是A處理和B處理分別是6.04 nmol/g和6.30 nmol/g，兩者無顯著差異，但均顯著低于CK 7.69 nmol/g。表明A處理顯著降低了小米辣葉片及根系中丙二醛的含量。

圖1 不同處理對干旱小米辣丙二醛含量的影響

2.3 對小米辣幼苗干旱處理下脯氨酸含量的影響

不同處理對小米辣葉片和根系中脯氨酸含量有顯著影響（圖2），其中A、B處理的葉片脯氨酸含量最低分別是14.84、15.25 μg/g，顯著低于CK處理21.30 μg/g。在根系中，D處理脯氨酸含量最高為25.41 μg/g，顯著高于其他處理，最低的是C處理僅11.31 μg/g，A、B處理 17.38、16.09 μg/g與 CK 處理 15.99 μg/g無顯著差異。

圖2 不同處理對干旱小米辣脯氨酸含量的影響

2.4 對小米辣幼苗干旱處理下可溶性糖含量的影響

在小米辣葉片可溶性糖含量比較中，A處理最高為26.76 mg/g，比CK處理24.05 mg/g提高11.27%；最低的是B處理23.94 mg/g，但與CK、C、D處理無顯著差異。在根系中，A處理最高為6.47 mg/g，顯著高于其他處理（C處理除外），較CK提高9.85%；最低的是D處理4.22 mg/g，顯著低于其他處理，比CK降低了28.35%（圖3）。

圖3 不同處理對干旱小米辣可溶性糖含量的影響

2.5 對小米辣幼苗干旱處理下可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白含量比較中（圖4），A處理葉片、根系可溶性蛋白含量均顯著高于其他處理，分別為38.53、8.74 mg/g，較CK處理提高39.85%和22.41%，其余處理均顯著低于A處理，表明A處理下的有機礦質復合劑添加濃度可顯著促進小米辣葉片及根系可溶性蛋白含量。

圖4 不同處理對干旱小米辣可溶性蛋白含量的影響

2.6 對小米辣幼苗干旱處理下抗氧化酶的影響

由圖5可知，在干旱脅迫下，隨基質中有機礦質復合劑添加濃度的增加，小米辣葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性呈先上升后下降趨勢，A處理SOD活性最高為815.03 U/g，顯著高于其他處理，其次是B處理657.90 U/g，最低的是D處理491.49 U/g。小米辣葉片過氧化氫酶(CAT)活性比較中，隨基質中有機礦質復合劑添加濃度的增加呈先下降后上升趨勢。C、D處理顯著高于CK、A、B處理，D處理達到最大值127.94 μmol/(min·g)顯著高于其他處理，最低的是B處理僅45.25 μmol/(min·g)。在小米辣葉片過氧化物酶(POD)比較中，CK處理顯著高于其他處理為588.72△OD470/(min·g)，A、B處理均顯著高于C、D處理，正好與過氧化氫酶(CAT)情況相反，其中最低的是C處理[47.50△OD470/(min·g)]，但與D處理[63.92△OD470/(min·g)]無顯著差異。

圖5 不同處理對干旱小米辣抗氧化酶的影響

3 結論

在干旱逆境下，適宜濃度的有機礦質復合劑對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進作用，可有效緩解逆境傷害，尤其是15 g/L時效果最佳。這為小米辣育苗期間提高耐旱能力提供了新的思路。但具體抗旱分子機理研究存在空白。

4 討論

試驗表明，干旱脅迫下，該有機礦質復合劑添加濃度與小米辣生理代謝呈顯著相關，其中A處理15 g/L下對小米辣幼苗葉片葉綠素、類胡蘿卜素含量、根系活力及可溶性蛋白含量有顯著促進作用，D處理則表現為抑制作用。分析原因可能是該有機礦質復合劑中存在腐殖酸，提高了小米辣幼苗生長質量，研究表明腐殖酸對植物根系具有刺激作用促使植物根系活性提高，同時促進根系中質子泵（H+-ATP酶）編碼基因亞型MHA2的表達提高質子泵活性，增強抗逆性，增加作物產量和提高品質[20]。但該有機礦質復合劑存在大量礦物質，增加其施用濃度的同時也大大增加了根系中鹽離子的濃度，再加上水分的減少導致基質中EC值過高抑制了根系的生長。研究表明，作物受到逆境脅迫時會產生不同代謝反應機制抵御逆境和緩解逆境帶來的傷害，如干旱時植株通過調節氣孔關閉、分泌脫落酸和脯氨酸等來傳遞逆境信號、提高溶質濃度降低水勢來避免水分的流失[21]。研究中A處理15 g/L下小米辣育苗葉片及根系MDA含量最低，分別較CK下降了11.45%和21.46%，表明該處理可減輕干旱對小米辣幼苗的傷害。丙二醛是逆境下組織或器官膜脂過氧化的終產物之一，在一定程度上反映了植物受逆境脅迫傷害的大小[22]。張磊等[23]研究表明，干旱處理下對馬鈴薯施用腐殖酸或黃腐酸能顯著增加其葉片內游離脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白質含量，提高細胞的持水能力，增強抗旱性。通過施用外源腐殖酸可提高蘋果幼苗中游離脯氨酸含量、內源甜菜堿含量、可溶性糖含量，減輕干旱對蘋果幼苗的有害影響，提高蘋果砧木對根系的耐受性[24-25]。

植物在逆境下會激活抗氧化酶系統和誘導生成新的逆境蛋白，如SOD、CAT、POD、谷胱甘肽等，以此來提高作物抵御逆境的能力[26]。試驗表明，有機礦質復合劑濃度在15 g/L下，SOD比CK提高了48.68%，但在CAT和POD中則顯著低于對照。這可能是由于作物存在多種抵御干旱脅迫逆境的途徑或生理機制。刑嘉韻等[27]研究表明對水稻施用稻殼碳和腐殖酸復合劑可增強水稻超氧化物歧化酶活性。Vasconcelosa等[28]研究發現，對干旱脅迫下玉米和大豆施用3種不同組分腐殖酸的生物刺激素后發現，1號生物刺激素處理（主要成分為腐殖酸、富里酸等）可提高2種作物的超氧化物歧化酶和抗壞血酸過氧化物酶的活性，但過氧化氫酶的活性卻沒有增強。由此表明，不同的腐殖酸對干旱脅迫下不同植物的抗氧化代謝調節可能有差異，其機理還有待研究。

此外，有研究表明，微量元素可促進植物生長，增加抗逆性。董衛華[29]等研究表明，Na2SeO3能夠提高寧夏枸杞幼苗中營養物質的積累，降低幼苗MDA含量及其電解質滲透率，從而增強寧夏枸杞的抗逆性。同時礦物質元素也可通過影響微生物群落多樣性來間接影響植物生長，在缺少氮素情況下，對小麥根際微生物的多樣性、群落結構和代謝功能產生了顯著影響，一些特定種類的細菌在小麥根際土壤中富集可能有利于土壤中氮素的周轉并提高小麥應對缺氮脅迫的抗逆性，進而促進小麥的生長[30]。下一步試驗將對小米辣育苗中根際微生物群落多樣性進行分析，明確影響小米辣根際微生物群落多樣性的主效因子，為生產實踐中改善小米辣育苗根際環境促進小米辣逆境生長提供理論依據。