謝 晉, 黃 浩, 袁文彬, 李謹(jǐn)成, 王初亮, 黃 磊, 邵蘭軍, 梁增發(fā),蘇 詔, 王 維*
(1.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,廣東 廣州 510145; 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 廣東 廣州 510642)
【研究意義】煙草是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要的稅收經(jīng)濟(jì)作物之一[1],其種植面積與總產(chǎn)量均居世界前列,而高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)對(duì)確保卷煙提質(zhì)增效極其重要。但是,煙草品質(zhì)的優(yōu)劣往往受栽培措施、自然環(huán)境條件和煙草品種等因素的影響[2-3]。通過(guò)調(diào)整各類煙草生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素配比和改變?cè)耘啻胧┠軌蝻@著提高煙草葉片有機(jī)物的含量,且煙堿、焦油和尼古丁等有害物質(zhì)的含量顯著降低[4-5]。目前,K326、云煙85、云煙87和紅花大金元4個(gè)烤煙品種仍占全國(guó)烤煙種植面積的絕大部分,提高主栽品種的產(chǎn)質(zhì)量已成為限制煙草種植業(yè)發(fā)展的瓶頸[6]。南方煙草種植區(qū)的土壤理化結(jié)構(gòu)多以酸性紅黃壤為主,鋁鐵含量豐富,但是氮磷鉀元素普遍缺乏[7]。因此,要提高主栽品種的產(chǎn)質(zhì)量,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注精簡(jiǎn)栽培方式與合理施肥等環(huán)節(jié),而弄清養(yǎng)分水平對(duì)烤煙根系性狀及養(yǎng)分吸收的影響,對(duì)烤煙生產(chǎn)的合理施肥具有重要意義?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】煙草的收獲期相對(duì)較長(zhǎng),需連續(xù)多個(gè)時(shí)期采收不同部位葉片進(jìn)行烘烤。傳統(tǒng)栽培模式以增加地上部分的生物量達(dá)到增加產(chǎn)量的目的,盲目地噴施葉面肥,雖然促進(jìn)了枝葉的生長(zhǎng),但也會(huì)導(dǎo)致植株貪青徒長(zhǎng),容易發(fā)生病蟲(chóng)害[8-9]。此觀念忽略了地下部分與地上部分的對(duì)應(yīng)關(guān)系,根是吸收水分與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要器官,發(fā)達(dá)的植物根系能夠促進(jìn)植物地上部分光合產(chǎn)物的積累[10]。植物根部結(jié)構(gòu)主要由主根與側(cè)根共同組成,主根主要起到定植作用,而側(cè)根越發(fā)達(dá),吸收供應(yīng)地上部分的營(yíng)養(yǎng)元素越多。為了獲取更多的水分與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),植物地下的根部構(gòu)型多種多樣,側(cè)根數(shù)量、長(zhǎng)度與空間角度顯著影響植物的生長(zhǎng)。模式植物擬南芥的側(cè)根起源于主根的中柱細(xì)胞,由中柱細(xì)胞脫分化形成向外凸起的生長(zhǎng)錐繼而發(fā)育成為側(cè)根,調(diào)控植物側(cè)根發(fā)育的部分關(guān)鍵基因已被鑒定,如轉(zhuǎn)錄因子ABI4[11]、脂肪酸氧化酶LOX[12]、生長(zhǎng)素響應(yīng)因子IAA14、ARF7[13]等。【研究切入點(diǎn)】盡管涉及根部發(fā)育的遺傳分子機(jī)制正在被不斷地解析,但對(duì)有關(guān)煙草根構(gòu)型的分子發(fā)育機(jī)制卻知之甚少,甚至對(duì)于煙草的主根與側(cè)根如何響應(yīng)營(yíng)養(yǎng)元素分布的表型數(shù)據(jù)亦十分匱乏?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以南方酸性紅壤土為基質(zhì),選擇主栽品種云煙87為試驗(yàn)材料,探明養(yǎng)分水平對(duì)烤煙根系結(jié)構(gòu)的變化及其對(duì)養(yǎng)分吸收的影響,以期為烤煙高產(chǎn)栽培與合理施肥提供依據(jù)。
試驗(yàn)于2019年在廣東省廣州市華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行,土壤pH為6.33,有機(jī)質(zhì)含量25.65 g/kg,全氮1.362 mg/kg,全磷0.958 mg/kg,全鉀17.52 mg/kg,速效磷104.51 mg/kg,速效鉀52.62 mg/kg,堿解氮102.41 mg/kg。
1.2.1 品種與土壤 烤煙品種為云煙87,由廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供;供試土壤(曬干、敲碎,撿去雜物,過(guò)篩后備用),采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場(chǎng)水稻土。
1.2.2 儀器 CCD圖像采集儀,深圳市多圖科技有限公司;DeVere540顯微圖像分析儀,遼寧儀表研究所有限責(zé)任公司;凱氏定氮儀,上海圣科儀器設(shè)備有限公司。
1.3.1 根系培育試驗(yàn) 在溫室內(nèi)進(jìn)行根系培育試驗(yàn),每個(gè)培養(yǎng)室栽植4葉一心煙苗1株。植株根系均勻放置在聚酯板間,填入過(guò)篩土,保持莖部在盤子上部5 cm處,煙株根系的活動(dòng)區(qū)域及根系精細(xì)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。
圖1 煙株根系的活動(dòng)區(qū)域及根系精細(xì)結(jié)構(gòu)示意
1.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用底部滲透吸水方法,煙株生長(zhǎng)設(shè)3個(gè)營(yíng)養(yǎng)水平,即3個(gè)處理:N1,NPK Hogland 全營(yíng)養(yǎng)液;N2,1/2 NPK Hogland全營(yíng)養(yǎng)液;N3,1/4 NPK Hogland全營(yíng)養(yǎng)液。
Hogland營(yíng)養(yǎng)液配方:每升大量元素培養(yǎng)液中加入1 mL Fe-EDTA溶液和1 mL微量元素溶液。1) 大量元素:每升培養(yǎng)液中1 mol/L KH2PO41 mL,1 mol/L KNO3 5 mL,1 mol/L Ca(NO3)25 mL,1 mol/L MgSO42 mL;2) 微量元素:每升水中加入H3BO32.86 g,MnCl2·4H2O 1.81 g,ZnSO4·7H5O 0.22 g,CuSO4·5H2O 0.08 g,H2MoO4·H2O 0.02 g;3) Fe-EDTA溶液:每升水中加入Na2-EDTA 7.45 g,F(xiàn)eSO4·7H2O 5.57 g[14]。
整個(gè)處理時(shí)期(移栽45 d后)用CCD圖像采集儀觀察根系在土壤中的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),并測(cè)定葉片SPAD值和光合作用。待根系生長(zhǎng)接近培育室底部時(shí),取地上部各器官進(jìn)行干物重及N、P、K元素分析;打開(kāi)聚酯板,進(jìn)行流水浸泡,待根系與土壤完全分離,取有代表性的根系從根部切斷,平鋪在玻璃板上,用含0.01%甲基紫羅蘭的甘油附著染色1 h,然后用去離子水沖洗干凈,再用滴管加一薄層甘油和醋酸。根系放到DeVere540顯微圖像分析儀下,在計(jì)算機(jī)上用NIH和BRC分析根直徑、根分枝和根毛等指標(biāo)。
1.3.3 指標(biāo)測(cè)定
1) 煙株根系、農(nóng)藝性狀及養(yǎng)分含量。指標(biāo)包括根長(zhǎng)、根粗、分枝根、根夾角和根毛等,以及煙株農(nóng)藝性狀及地上部和地下部營(yíng)養(yǎng)元素N、P、K的含量。煙草地上與地下部分烘干、稱干重,3次重復(fù)。植株地上部和根部分別測(cè)定生物量后,將樣品粉碎,用濃硫酸消煮后分別測(cè)定植株的氮、磷及鉀含量。其中,植株氮含量用凱氏定氮儀測(cè)定,磷含量用鉬銻抗比色法測(cè)定,鉀含量采用火焰光度計(jì)測(cè)定[15]。
2) 生理活性。指標(biāo)包括葉片凈光合速率、硝酸還原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性等。
測(cè)定葉片凈光合速率:采用紅外線氣體分析儀(IRGA)測(cè)定。
硝酸還原酶活性[16]:制作標(biāo)準(zhǔn)曲線,取新鮮植物組織洗凈,拭干。葉片打成直徑1 cm的圓片,若是根、莖可切成0.1 cm厚的薄片。取上述材料4份,每份50片,稱重后分別放入4個(gè)50 mL三角瓶中,其中1個(gè)為空白,3個(gè)用于酶活性測(cè)定,即3次重復(fù)。在空白瓶中先加30%三氯乙酸1 mL,然后在每個(gè)三角瓶中加入0.1 mol/L pH7.5磷酸緩沖液5 mL、蒸餾水5 mL。將三角瓶置于真空干燥器中抽氣至樣品完全沉入溶液中。取出三角瓶,避光30 min;之后在重復(fù)中也分別加入30%三氯乙酸1 mL以終止反應(yīng),搖勻。吸取2 mL反應(yīng)液于10 mL試管中,加磺胺試劑2 mL,α-萘胺試劑2 mL,靜置30 min;比色,記下吸光度(A)并計(jì)算結(jié)果。
谷氨酰胺合成酶活性:粗酶液提取,稱取樣品1 g于研缽中,加入提取緩沖液3 mL,置冰浴上研磨成勻漿,轉(zhuǎn)移離心管中,4℃下12 000 r/min離心20 min,取上清液為粗酶液,取粗酶液0.8 mL和酶反應(yīng)液2.2 mL混勻于40℃水浴30 min,加入0.8 mL終止液,于5 000 r/min離心10 min,取上清液測(cè)定540 nm下的OD值。
淀粉酶活性:制作標(biāo)準(zhǔn)曲線,稱取樣品2 g加入少許石英砂和氯化鈉溶液2 mL研磨成勻漿,裝入離心管放置15~20 min后,以3 000 r/min轉(zhuǎn)速離心10 min,轉(zhuǎn)移上清液于100 mL容量瓶定容、保存。取上述酶原液2 mL,加入 1%淀粉溶液2 mL,37℃水浴10 min,加入 3,5-二硝基水楊酸2 mL沸水浴5 min,冷卻后蒸餾水定容至20 mL,于540 nm波長(zhǎng)下測(cè)定OD值,記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算結(jié)果。
蔗糖合成酶活性:取3支10 mL具塞試管,加入酶反應(yīng)液0.4 mL,UDPG 0.1 mL和透析后的酶液0.05 mL,補(bǔ)水至1 mL,于30℃水浴中反應(yīng)10 min后,沸水浴3 min中止反應(yīng),對(duì)照用蒸餾水代替UDPG,冷卻后測(cè)定體系蔗糖含量。
測(cè)定根系活力(TTC還原力)[17]:稱取根尖樣品0.5 g置于小燒杯中,加入0.4%TTC溶液和磷酸緩沖液 (pH7.0)各5 mL,使根充分浸沒(méi),37℃下暗保溫1~2 h后加入1 mol/L硫酸2 mL,把根取出吸干水分,用乙酸乙酯3~4 mL充分研磨,提取液移入刻度試管,乙酸乙酯定容至10 mL,于分光光度計(jì)485 nm下比色。
根系總吸收面積及活躍吸收面積[18]:制作甲烯藍(lán)溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線,取待測(cè)煙株根系吸干水分用排水法測(cè)定根系體積。把0.000 2 mol/L甲烯藍(lán)溶液加入3個(gè)小燒杯,每杯約10倍于根的體積,準(zhǔn)確記下溶液用量,取根系用吸水紙小心吸干數(shù)次,慎勿傷根,然后順次浸入盛有甲烯藍(lán)溶液的燒杯中,每杯中浸1.5 min。每次取出時(shí)均使甲烯藍(lán)溶液能從根上流回到原燒杯中。從3個(gè)燒杯中各取1 mL溶液加入試管,均稀釋10倍,測(cè)得其光密度,查標(biāo)準(zhǔn)曲線求出每杯浸入根系后溶液中剩下的甲烯藍(lán)毫克數(shù),并求出根的吸收面積。
采用Sigmaplot 10.0和Excel 2010處理分析數(shù)據(jù)并制圖。
從表1可知,不同處理煙株側(cè)根和不定根的總根長(zhǎng)、根粗及表面積的變化。側(cè)根總根長(zhǎng)和表面積:N1最長(zhǎng)/大,分別為9.42 m和0.36 m2;N3最短/小,分別為7.12 m和0.27 m2;均為N1顯著長(zhǎng)于N3,N1與N2間和N2與N3間差異不顯著。側(cè)根根粗:N1最粗,為4.7 mm;N3最細(xì),為3.7 mm;各處理間差異顯著。不定根總根長(zhǎng):N3最長(zhǎng),為17.45 m;N1最短,為15.43 m;各處理間差異顯著。不定根根粗:N1最粗,為1.4 mm;N3最細(xì),為1.1 mm;N1顯著粗于N3,N2與N3間差異不顯著。不定根表面積:N1最大,為0.42 m2;N3最小,為0.31 m2;N1顯著大于N3,N1與N2間和N2與N3間差異不顯著。
表1 不同營(yíng)養(yǎng)水平煙株側(cè)根及不定根的根長(zhǎng)、根粗及表面積
從表2看出,不同處理煙株側(cè)根和不定根一二級(jí)分枝根密度及根毛密度的的變化。側(cè)根:一二級(jí)分枝根密度分別為1.4~1.7條/cm和2.2~3.0條/cm,均為N3>N2>N1;一級(jí)分枝根密度各處理間差異不顯著;二級(jí)分枝根密度N1顯著大于N3,N1與N2間和N2與N3間差異不顯著。根毛密度為140.1~214.3條/cm,依次為N3>N2>N1,各處理間差異顯著。不定根:一二級(jí)分枝根密度分別為1.8~2.7條/cm和3.0~4.1條/cm,均為N3>N2>N1;一級(jí)分枝根密度N1顯著小于N2和N3,N2與N3間差異不顯著;二級(jí)分枝根密度各處理間差異顯著。根毛密度為216.5~343.2條/cm,依次為N3>N2>N1,各處理間差異顯著。
表2 不同營(yíng)養(yǎng)水平煙株側(cè)根和不定根的一二級(jí)分枝根密度及根毛密度
烤煙根系基本構(gòu)型呈“T”型,不同角度根系主要功能存在一定差異。從表3可知,不處理煙株各夾角根系占比的變化?!?0°為14.5%~29.6%,依次為N3>N2>N1。<30°~≤60°和>60°分別為43.1%~50.3%和27.3%~35.2%,均為N1>N2>N3。表明,正常營(yíng)養(yǎng)條件下,煙株根系基本呈T型結(jié)構(gòu),而低NPK濃度下,低角度(≤30°)的根系較為集中,養(yǎng)分匱乏會(huì)促進(jìn)低夾角根系的生長(zhǎng)。
表3 不同營(yíng)養(yǎng)水平煙株各夾根系角的占比
從表4可知,不同處理煙株的株高、莖圍和葉片數(shù)等的變化。株高:40.5~48.0 cm,依次為N1>N2>N3,N3顯著矮/小于N1和N2,N1與N2間差異不顯著。莖圍:7.1~7.6 mm,依次為N1>N2>N3,N1顯著大于N3,N1與N2間和N2與N3間差異不顯著。葉片數(shù):13.3~14.7片,依次為N1>N2>N3,各處理間差異顯著。最大葉面積、葉重、莖重和根重:分別為450.7~576.4cm2、21.5~32.4 g、27.3~39.7 g和5.9~10.1 g,均為N1>N2>N3,各處理間差異不顯著。
表4 不同營(yíng)養(yǎng)水平煙株地上部和地下部的生長(zhǎng)發(fā)育狀況
從表5可知,不同處理煙株的葉片和根系生理特性的變化。葉片:凈光合速率N1最高,為20.3 μmol/(m2·s);N3最低,為16.6 μmol/(m2·s);N1顯著高于N3,N1與N2間和N2與N3間差異不顯著。硝酸還酶和谷氨酰胺合成酶活性均以N1最高,分別為54.4 μg/(g·h)和42.4 μmol/(mg·h);N3最低,分別為40.7 μg/(g·h)和32.3 μmol/(mg·h);各處理間差異顯著。淀粉酶活性淀粉N1最高,為6.4 mg/(g·min);N3最低,為4.7 mg/(g·min);N1顯著高于N2和N3,N2與N3間差異不顯著。蔗糖合成酶活性:N1最高,為2.7 mg/(g·h);N3最低,為1.8 mg/(g·h);N3顯著低于N1和N2,N1與N2間差異不顯著。根系:根系活力N3最高,為252.7 TTC μg/(g·h);N1最低,為224.5 TTC μg/(g·h);N3顯著高于N1和N2,N1與N2間和N2與N3間差異不顯著??偙砻娣e:N1最高,為0.78 m2;N3最低,為0.58 m2;各處理間差異顯著。活躍吸收面積: 0.31~0.34 m2,各處理間差異不顯著。表明,低濃度NPK營(yíng)養(yǎng)液抑制煙株凈光合速率及生理特性相關(guān)酶的活性。
表5 不同營(yíng)養(yǎng)水平煙株地上部和地下部的生理特性
從圖2看出,不同處理煙株地上部和根系N、P、K濃度與積累量的變化。N濃度與積累量:地上部和根系均為N1>N2>N3,地上部N濃度N1顯著高于N3,N1與N2間和N2與N3間差異不顯著,根系N濃度各處理間差異顯著;地上部N積累量各處理間差異顯著,根系N積累量N1顯著高于N2和N3,N2與N3間差異不顯著。P濃度與積累量:地上部和根系均為N1>N2>N3,各處理間差異顯著。K濃度與積累量:地上部和根系均為N1>N2>N3,地上部K濃度各處理間差異顯著,根系K濃度N1顯著高于N3,N1與N2間和N2與N3間差異不顯著;地上部和根系K積累量各處理間差異不顯著。
圖2 不同營(yíng)養(yǎng)水平煙株地上部和根系N、P、K的濃度與積累量
煙草是區(qū)域性農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要作物,也是廣大農(nóng)民脫貧致富的首選作物[8]。傳統(tǒng)栽培模式過(guò)度關(guān)注地上部的產(chǎn)量,而忽視了作物根系生長(zhǎng)對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)[9,19]。研究結(jié)果表明,Hogland全營(yíng)養(yǎng)液(N1)煙株生長(zhǎng)發(fā)育狀況顯著優(yōu)于1/2 NPK Hogland全營(yíng)養(yǎng)液(N2)和1/4 NPK Hogland(N3)。但在NPK缺乏的情況下,煙株的正常生長(zhǎng)受明顯抑制,其株高、莖圍、葉片數(shù)、最大葉面積、干重等農(nóng)藝性狀均低于全營(yíng)養(yǎng)處理。此外,低養(yǎng)分條件下,煙株凈光合速率、硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、淀粉酶及蔗糖合成酶活性降低,不利于相關(guān)化學(xué)成分的合成,且煙株地上部和根部NPK濃度及NPK積累量降低。雖然全營(yíng)養(yǎng)水平有助于煙草生長(zhǎng),而NPK營(yíng)養(yǎng)脅迫下對(duì)煙草根系活力卻具有一定的促進(jìn)作用。隨著Hogland營(yíng)養(yǎng)液中NPK濃度的降低,側(cè)根及不定根的密度增大,且各處理側(cè)根和不定根的一二級(jí)分枝根密度及根毛密度逐漸增大??赡茉颍篘PK營(yíng)養(yǎng)脅迫致使側(cè)根及不定根的密度提高。低NPK Hogland全營(yíng)養(yǎng)液濃度下,煙株低角度(≤30°)根系較為集中,亦可促進(jìn)低夾角下根系的生長(zhǎng)。在煙草田間施肥管理過(guò)程中,應(yīng)適當(dāng)調(diào)整施肥時(shí)間,用養(yǎng)分饑餓處理方式促進(jìn)煙草根系的生長(zhǎng)發(fā)育;當(dāng)煙草側(cè)根與不定根發(fā)育至適當(dāng)階段,再施適量養(yǎng)分,不僅能提高整株煙草的生物量,亦可促進(jìn)其根系的生長(zhǎng)發(fā)育。但是,養(yǎng)分脅迫管理不能盲目開(kāi)展,應(yīng)根據(jù)生長(zhǎng)環(huán)境與栽培區(qū)域有計(jì)劃地開(kāi)展。
側(cè)根和不定根是煙草根系構(gòu)成的主要部位,對(duì)煙株生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要,而單一營(yíng)養(yǎng)元素缺乏對(duì)煙草根系生長(zhǎng)的作用明顯[20]。煙草缺少氮肥導(dǎo)致細(xì)胞分裂素合成酶(IPT)活性降低,其促進(jìn)細(xì)胞分裂素含量升高進(jìn)而誘導(dǎo)側(cè)根數(shù)量的增加,擴(kuò)大根系與土壤的接觸面積以吸收更多的氮元素,此過(guò)程中氮肥誘導(dǎo)生長(zhǎng)素相關(guān)通路的基因表達(dá)量出現(xiàn)差異性表達(dá),以輔助側(cè)根的生長(zhǎng)[21]。但長(zhǎng)期缺少氮肥,煙草根系變白及活力降低。研究結(jié)果表明,氮肥可顯著促進(jìn)煙株生物量的增加及根系發(fā)育,高氮條件下植株根系較缺素條件更發(fā)多,與前人的研究結(jié)果不同。磷在酸性土壤中擴(kuò)散系數(shù)很低,極易被土壤膠體中的鐵、鋁等金屬元素固定而難以移動(dòng),因此根系的發(fā)育對(duì)土壤中磷元素的吸收至關(guān)重要[22]。低磷條件下,大豆和水稻側(cè)根根原基細(xì)胞內(nèi)促進(jìn)生長(zhǎng)的通路被激活,側(cè)根數(shù)量與根密度較高磷水平更多或更大[23];擬南芥在缺磷刺激下,側(cè)根原基加快突破主根表皮細(xì)胞[24-25]。而煙草在低磷環(huán)境中,根系有向兩側(cè)淺層擴(kuò)展生長(zhǎng)的趨勢(shì)。目前,我國(guó)優(yōu)質(zhì)煙評(píng)價(jià)要求K含量2.0%以上,生產(chǎn)上應(yīng)補(bǔ)充鉀肥的使用量[26],但是南方酸性土壤淋溶作用較強(qiáng),鉀肥流失較快,且煙草對(duì)鉀肥缺素敏感性較弱,優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)上鉀肥用量應(yīng)采用薄肥多施策略[27]。
NPK Hogland全營(yíng)養(yǎng)液處理煙株的農(nóng)藝性狀最佳,地上部和根系NPK濃度與積累量最大,凈光合速率和相關(guān)酶活性效果最大或最高;1/4 NPK Hogland全營(yíng)養(yǎng)液處理煙株的一二級(jí)分枝根密度與根毛密度最大。