馮常青，魏曉玲，黃云俠，徐時(shí)長(zhǎng)，邱福祥，吳 題，鄭英潔，李文卿，何華勤

（1福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福州 350002；2福建省煙草專賣局煙草科學(xué)研究所，福州 350003）

0 引言

煙草(Nicotiana tabacum)是喜光植物，在中國(guó)南北方均有種植，其產(chǎn)量居于世界首位[1]。光照和溫度等環(huán)境因素是影響煙草生長(zhǎng)發(fā)育及其品質(zhì)形成的重要因素[2-4]。福建省作為中國(guó)重要的煙葉產(chǎn)地，與其他煙葉生產(chǎn)大省不同的是，福建區(qū)域煙草生產(chǎn)往往遭遇煙苗移栽早期低溫和后期高溫強(qiáng)光的氣候條件，特別是2—6月，福建旬平均氣溫呈線性上升趨勢(shì)[5]，此時(shí)的高溫強(qiáng)光嚴(yán)重影響了煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，研究如何提高煙草的抗逆性，以緩解其高溫強(qiáng)光脅迫傷害，對(duì)于福建地區(qū)的煙葉生產(chǎn)具有理論意義和實(shí)踐價(jià)值。碳氮代謝是植物體內(nèi)兩大最主要的生理代謝過程，與作物的產(chǎn)量和品質(zhì)有著直接的關(guān)系[6]。植物在生長(zhǎng)和發(fā)育過程中，碳氮代謝及其產(chǎn)物的合成會(huì)受到諸多因素影響[7-9]。陳富彩等[7]的研究發(fā)現(xiàn)，一定濃度的植物激素IAA和GA3均能有效增強(qiáng)烤煙葉片的碳氮代謝能力，增加其碳水化合物的合成。張嘉雯等[8]通過施氮有效提高了四川雪茄煙葉碳氮代謝關(guān)鍵酶的活性，從而改善煙葉內(nèi)在品質(zhì),提高煙葉可用性。保志娟等[9]的研究表明單一的Pb、Zn處理對(duì)煙草抗氧化酶及碳氮代謝,表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)高濃度抑制，而Pb、Zn復(fù)合作用則對(duì)煙葉的抗氧化系統(tǒng)和碳氮代謝影響更為顯著。鎂作為植物體內(nèi)的重要營(yíng)養(yǎng)元素，在促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育、改善品質(zhì)、提高抗逆性等方面起重要作用[10]。目前，中國(guó)農(nóng)業(yè)土壤中鎂素營(yíng)養(yǎng)缺乏現(xiàn)象極為普遍，鎂缺乏已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的潛在限制因子，合理施用鎂肥顯得尤為重要[11]。王鯤嬌等[12]的研究表明，適宜濃度的鎂營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)能夠增加油菜葉片同化物的合成，從而促進(jìn)油菜地上部的生長(zhǎng)。李春英等[13]的調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，高達(dá)80%福建煙區(qū)的交換性鎂含量低于臨界值，導(dǎo)致這些區(qū)域煙株出現(xiàn)明顯的缺鎂癥狀。本課題組前期通過設(shè)置不同鎂離子濃度的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高鎂離子供應(yīng)，可以提升高溫強(qiáng)光脅迫下煙株抗氧化還原系統(tǒng)清除多余自由基的能力，保護(hù)高溫強(qiáng)光脅迫下煙株葉片的光合結(jié)構(gòu)，保障煙株正常的光合作用。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于煙草碳氮代謝的研究報(bào)道不在少數(shù)，但不同的鎂營(yíng)養(yǎng)水平是否影響高溫強(qiáng)光脅迫下煙株碳氮代謝的研究報(bào)道尚不多見。為此，本研究通過設(shè)置不同濃度的鎂供應(yīng)，探究鎂對(duì)高溫強(qiáng)光脅迫下碳氮代謝的影響機(jī)制，以尋找高溫強(qiáng)光脅迫下煙株生長(zhǎng)源庫平衡的鎂離子營(yíng)養(yǎng)水平，以期為福建地區(qū)的煙葉生產(chǎn)實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試品種與處理方法

供試煙草品種為‘翠碧一號(hào)’，由福建省煙草專賣局煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供。為模擬福建煙區(qū)2—6月的氣溫跳躍式上升的情況，本試驗(yàn)結(jié)合往年福建煙區(qū)的氣象資料，設(shè)置了2個(gè)階段的溫度，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：將煙草植株培養(yǎng)至七葉一心后，輕輕洗掉根系的沙土，移栽至水培罐中，每株煙草用容量為1000 mL的水培罐(12 cm×8 cm×11 cm)加不同鎂濃度的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。設(shè)置4個(gè)鎂濃度梯度的營(yíng)養(yǎng)液，即0、12.0、48.0、120.0 mg/L，每個(gè)處理30株。每個(gè)水培罐中加入900 mL相對(duì)應(yīng)鎂濃度的培養(yǎng)液，每個(gè)星期各補(bǔ)充、更換一次培養(yǎng)液至900 mL處，以保證營(yíng)養(yǎng)液與空氣充足以維持煙株的生長(zhǎng)。人工氣候室的溫度設(shè)定為18℃、濕度為80%、光照強(qiáng)度為8:00—24:00 160 μmol/(m2·s)和 24:00—8:00 0 μmol/(m2·s)。待煙苗生長(zhǎng)至團(tuán)棵期時(shí)（移栽后38天），設(shè)置2個(gè)光照處理，一種是高溫正常光照，即溫度為33℃、濕度為80%、光照強(qiáng)度為600 μmol/(m2·s)24 h；另一種是高溫強(qiáng)光，即溫度為33℃、濕度為80%、光照強(qiáng)度為1200 μmol/(m2·s)24 h，以高溫正常光下的0 mg/L處理作為對(duì)照。利用照度計(jì)（美國(guó)Kestrel公司，DRM-FQ）測(cè)定到達(dá)葉片表面的光照強(qiáng)度，以保證到達(dá)烤煙葉片的有效光照強(qiáng)度。

處理6天后，取2、3葉位的葉片，剔除主脈后剪碎混合均勻，打包速凍后于-80℃冰箱中冷凍保存，用于碳氮代謝關(guān)鍵酶活性的測(cè)定。另外再各選取3株長(zhǎng)勢(shì)相同的煙株，將其地上部與地下部分別于烘箱中105℃殺青15 min再在75℃下烘干至恒重，并研磨成粉后用于測(cè)定糖類物質(zhì)以及氮、鉀、鈣的含量。

1.2 碳氮代謝關(guān)鍵酶活性與主要糖類物質(zhì)的測(cè)定方法

用pH 6.7的50 mmol/L Tris-HCl提取酶液。取酶液100 μL，加入0.2 mL底物，35℃水浴1 h后沸水浴終止反應(yīng)，加入2 mL 3,5-二硝基水楊酸(DNS)沸水浴10 min，用去離子水定容至10 mL，搖勻于OD540處比色，測(cè)定酸性轉(zhuǎn)化酶(AI)活性。

取0.7 mL酶液與1.6 mL反應(yīng)混合液B、40 mmol/L ATP溶液0.7 mL，混勻37℃保溫0.5 h，加入1 mL顯色劑，放置片刻離心取上清液測(cè)定OD540處的吸光值，以測(cè)定谷氨酰胺合成酶(GS)的活性。

采用活體法測(cè)定硝酸還原酶(NR)，參照鄒琦等介紹的方法進(jìn)行[14]。蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)的活性測(cè)定參照張志良等介紹的方法進(jìn)行[15]。采用間二苯酚法測(cè)定蔗糖含量[14]?？扇苄蕴呛偷矸酆康臏y(cè)定采用蒽酮比色法[15]。

1.3 氮、鉀、鈣含量的測(cè)定方法

樣品采用濃H2SO4-H2O2法進(jìn)行消解，濾液即可用于鉀、鈣的測(cè)定。采用ICP-AES法測(cè)定鉀、鈣含量，等離子體原子發(fā)射光譜儀的型號(hào)為賽默飛世爾科技有限公司的iCAP 7000型。氮含量的測(cè)定采用碳氮分析儀（SKALAR Primacs SNC100-1C，荷蘭）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

本試驗(yàn)采用DPS7.05軟件進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，同時(shí)采用Microsoft Office Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、整理和繪圖。數(shù)據(jù)多重比較采用單因素方差法(One-Way ANOVA)進(jìn)行，以最小顯著差異法(LSD)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)間的差異性（P＜0.05表示數(shù)據(jù)間有顯著差異）。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎂對(duì)不同光強(qiáng)處理下煙株糖類物質(zhì)代謝的影響

如表1所示，不管是地上部還是地下部，不同鎂營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)下，強(qiáng)光處理均使煙株可溶性糖含量高于正常光；煙株地上部可溶性糖含量在鎂離子濃度為48.0 mg/L且強(qiáng)光處理時(shí)達(dá)到最大值，而地下部可溶性糖含量在無鎂營(yíng)養(yǎng)且強(qiáng)光處理下達(dá)到最大值。由表1又可見，強(qiáng)光處理下煙株地上部的蔗糖含量均顯著低于正常光，在鎂離子濃度為48.0 mg/L時(shí)，兩者無顯著性差異；但強(qiáng)光下煙株地下部的蔗糖含量顯著高于正常光。除48.0 mg/L鎂離子供應(yīng)外，其它鎂濃度供應(yīng)時(shí)強(qiáng)光處理的煙株地上部淀粉含量均顯著高于正常光處理；而除了最高的鎂離子濃度外，強(qiáng)光處理的煙株地下部淀粉含量均顯著低于正常光。隨著鎂供應(yīng)濃度的升高，不同光強(qiáng)處理下煙株地下部的淀粉含量均逐漸上升。

表1 不同鎂濃度與光強(qiáng)處理下煙株的糖類物質(zhì)含量 %

鎂濃度、光強(qiáng)和鎂濃度×光強(qiáng)影響煙株糖類物質(zhì)含量的方差分析結(jié)果見表2。由表2可知，鎂濃度對(duì)煙株地上部與地下部的蔗糖與可溶性糖含量有顯著影響，對(duì)地上部淀粉含量也影響顯著，但對(duì)地下部淀粉含量無顯著影響；光強(qiáng)對(duì)煙草植株糖類物質(zhì)的含量均有顯著影響；鎂濃度和光強(qiáng)交互作用對(duì)蔗糖含量均有顯著影響，對(duì)煙株地下部的淀粉含量與地上部可溶性糖含量也有顯著影響。

表2 不同鎂濃度與光強(qiáng)處理對(duì)煙株糖類物質(zhì)含量影響的方差分析

2.2 鎂對(duì)不同光強(qiáng)處理下煙株碳代謝關(guān)鍵酶的影響

在不同鎂濃度與光強(qiáng)處理下，煙株葉片的SPS、SS和AI活性如圖1所示。由圖1A和B可見，隨著鎂濃度的升高，不同光強(qiáng)處理下煙株SPS和SS酶活性均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且強(qiáng)光處理下活性均高于正常光處理；在鎂離子濃度為48.0 mg/L時(shí)，兩者均達(dá)到最大。由圖1C可見，隨著鎂濃度的升高，不同光強(qiáng)處理下煙株AI酶活性也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且強(qiáng)光處理下活性均高于正常光處理；但強(qiáng)光和正常光處理分別在鎂離子濃度為48.0、120.0 mg/L時(shí)酶活性均達(dá)到最大。

圖1 不同鎂濃度與光強(qiáng)處理下煙草植株的SPS(A)、SS(B)和AI(C)活性

鎂濃度、光強(qiáng)和鎂濃度×光強(qiáng)影響煙株碳代謝關(guān)鍵酶的方差分析結(jié)果見表3。由表3可知，鎂濃度、光強(qiáng)均對(duì)SPS、SS、AI活性均有顯著影響；鎂濃度和光強(qiáng)交互作用僅對(duì)AI活性有顯著影響；鎂濃度、光強(qiáng)及兩者交互作用均顯著影響了AI活性。

表3 不同鎂濃度與光強(qiáng)處理對(duì)煙草植株碳代謝關(guān)鍵酶影響的方差分析

2.3 鎂對(duì)不同光強(qiáng)處理下煙株氮代謝關(guān)鍵酶活性與氮累積量的影響

在不同鎂濃度與光強(qiáng)處理下煙草的氮累積量如圖2A所示，隨著鎂濃度的增加，強(qiáng)光與正常光處理下煙株的氮累積量呈升高趨勢(shì)，且強(qiáng)光下煙株的氮累積量均高于正常光處理下煙株的氮累積量。

如圖2B所示，在強(qiáng)光或正常光處理下，施鎂均能顯著提高煙株的NR活性。而在鎂離子濃度低于120.0 mg/L時(shí)，強(qiáng)光下煙株的NR活性均高于正常光下煙株的NR活性，特別在鎂離子濃度為48.0 mg/L時(shí)，強(qiáng)光與正常光下煙株的NR活性差異達(dá)到最大。GS活性的變化如圖2C，強(qiáng)光下煙株的GS活性均高于正常光下煙株的GS活性，相同光強(qiáng)下，不同鎂濃度之間沒有顯著性差異，在鎂離子濃度為48.0 mg/L時(shí)，強(qiáng)光與正常光下煙株的GS活性差異達(dá)到最大值。

圖2 不同鎂濃度與光強(qiáng)處理下煙株的氮積累量(A)、NR(B)和GS(C)活性

鎂濃度、光強(qiáng)、鎂濃度×光強(qiáng)影響煙株氮代謝關(guān)鍵酶及氮累積量的方差分析結(jié)果如表4。由表4可知，鎂濃度、光強(qiáng)均能顯著影響煙株的氮累積量；鎂濃度、光強(qiáng)以及鎂濃度和光強(qiáng)交互作用均顯著影響NR活性；僅鎂濃度對(duì)GS活性有顯著影響。

表4 不同鎂濃度與光強(qiáng)處理對(duì)煙草植株氮代謝關(guān)鍵酶與氮累積量影響的方差分析

2.4 鎂對(duì)不同光強(qiáng)處理下煙株鉀、鈣吸收的影響

如表5所示，除了鎂離子濃度為48.0 mg/L時(shí)，強(qiáng)光處理下煙株地下部鉀含量均顯著低于正常光處理。強(qiáng)光處理下煙株地上部鉀含量均低于正常光。

表5 不同鎂濃度與光強(qiáng)處理下煙株的鉀、鈣含量 g/kg

隨著鎂濃度的升高，強(qiáng)光與正常光處理下煙株地下部鈣含量逐漸降低，且強(qiáng)光處理的降低程度更加顯著。在相同鎂濃度下，強(qiáng)光下煙株地下部鈣含量高于正常光，鎂濃度越高，兩者間的差異越小。強(qiáng)光處理下煙株地上部鈣含量均低于正常光處理，且在鎂離子濃度為48.0 mg/L時(shí)，兩者差異最大。

鎂濃度、光強(qiáng)及兩者交互作用影響煙草植株鉀、鈣含量的方差分析結(jié)果如表6所示。由表6可知，鎂濃度、光強(qiáng)及兩者交互作用均能顯著影響煙草植株地下部的鉀和鈣含量；僅鎂濃度能顯著影響煙草植株地上部鉀和鈣含量。

表6 不同鎂濃度與光強(qiáng)處理對(duì)煙草植株鉀、鈣含量影響的方差分析

3 結(jié)論與討論

3.1 鎂對(duì)不同光強(qiáng)處理下煙株碳代謝的影響

在植物光合作用碳同化的過程中，由葉綠體產(chǎn)生了原初產(chǎn)物磷酸丙糖，其去向的不同決定了產(chǎn)物的不同，其中一部分進(jìn)入卡爾文循環(huán)參與CO2的固定，另一部分在葉綠體內(nèi)合成淀粉，還有一部分則被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中形成蔗糖[16-17]。本文研究結(jié)果表明正常光處理下煙株地上部的蔗糖含量均顯著高于強(qiáng)光處理下的煙株，但煙株地下部蔗糖含量的趨勢(shì)與地上部相反，說明強(qiáng)光處理下煙株光合作用合成的蔗糖主要是從葉片運(yùn)輸?shù)礁?，用于根部的形態(tài)建成。

AI、SS和SPS是控制葉片中蔗糖合成的關(guān)鍵酶[18-19]。研究表明強(qiáng)光下煙株的AI、SS和SPS活性會(huì)增加[20]，張建波等[21]的研究表明煙株從移栽至團(tuán)棵期，AI、SS和SPS活性明顯提高，有利于蔗糖的分解代謝，HUSSAIN[22]認(rèn)為，蔗糖磷酸合成酶的活性隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加。本文研究中，強(qiáng)光處理下煙株的SPS、SS和AI活性均高于正常光處理的煙株，蔗糖與淀粉的合成屬于競(jìng)爭(zhēng)性合成的過程，淀粉含量在強(qiáng)光和正常光處理下的變化趨勢(shì)與蔗糖累積趨勢(shì)剛好相反，所以強(qiáng)光處理下煙株地上部蔗糖含量降低可能是由于蔗糖合成關(guān)鍵酶活性的提高引起的。

在48.0 mg/L施鎂處理下，無論是強(qiáng)光還是正常光處理煙株的地上部與地下部的蔗糖含量均減少，淀粉的累積量也有所減少，說明適宜的鎂濃度能促使蔗糖分解，促進(jìn)植株代謝使得光合碳固定的產(chǎn)物主要用于煙株生長(zhǎng)發(fā)育或呼吸代謝消耗為煙株的生長(zhǎng)提供必要能量。本文研究還發(fā)現(xiàn)施鎂提高了AI、SS和SPS的活性，特別在鎂離子濃度為48.0 mg/L時(shí)，煙株的蔗糖分解與代謝都處于較為活躍的狀態(tài)。張珊[23]發(fā)現(xiàn)，在小麥灌漿期中，施鎂有利于提高高溫脅迫下旗葉的SPS活性，這與本文研究結(jié)果相一致。

3.2 鎂對(duì)不同光強(qiáng)處理下煙株氮代謝的影響

氮素是植物生長(zhǎng)過程中必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素之一。鎂對(duì)氮代謝有著重要的影響，它在穩(wěn)定核糖體結(jié)構(gòu)、活化氨基酸、合成蛋白質(zhì)、激活谷氨酰胺合成酶等過程中都發(fā)揮著作用[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，高溫下提高光照強(qiáng)度使煙株內(nèi)的氮含量升高，且鎂濃度的增加明顯提高煙株內(nèi)的氮含量。氮素的吸收與利用與氮代謝關(guān)鍵酶息息相關(guān)，其中硝酸還原酶和亞硝酸還原酶能使硝態(tài)氮被還原成銨態(tài)氮，再被植株利用。在本研究中，鎂濃度為48.0 mg/L時(shí)，強(qiáng)光處理下煙株的NR與GS活性顯著高于正常光，更有利于煙株在強(qiáng)光脅迫下吸收根系中的硝態(tài)氮與銨態(tài)氮，提高煙株對(duì)氮素的吸收同化，為蛋白質(zhì)的合成提供物質(zhì)基礎(chǔ)。張珊[23]的研究結(jié)果表明，施鎂對(duì)高溫脅迫下小麥旗葉的NR和GS活性有顯著的正效應(yīng)。徐立新的研究結(jié)果也顯示，施鎂能提高小麥旗葉的NR的活性[25]。在鎂離子濃度為48.0 mg/L時(shí)，不同光強(qiáng)處理下煙株內(nèi)的氮含量差異不大的原因可能與碳氮代謝之間存在對(duì)光合三碳化合物的競(jìng)爭(zhēng)有關(guān)，高廷東等的研究中也提到，碳氮代謝之間是一種相互競(jìng)爭(zhēng)又相互依賴的關(guān)系，而氮代謝對(duì)碳代謝依賴性更強(qiáng)[26]。因此，在鎂離子濃度為48.0 mg/L時(shí)，可能強(qiáng)光處理下煙株生成的光合三碳化合物主要流向碳代謝，用于碳代謝產(chǎn)物的合成，而光合三碳化合物流向氮代謝的量變少，這就造成了強(qiáng)光與正常光處理下，煙株內(nèi)的氮素的積累量差異不顯著。

3.3 鎂對(duì)不同光強(qiáng)處理下煙株鉀、鈣含量的影響

充足的鎂素供應(yīng)有利于煙株光合產(chǎn)物的積累，促進(jìn)煙株生長(zhǎng)，從而促進(jìn)煙株對(duì)于鉀、鈣等元素的吸收，但是鉀、鈣、鎂間的相互關(guān)系不是簡(jiǎn)單的協(xié)同或者拮抗作用。在鎂離子濃度為48.0 mg/L時(shí)，強(qiáng)光處理下煙株地下部的鉀含量顯著高于正常光，但強(qiáng)光處理下煙株地上部的鉀含量反而低于正常光。強(qiáng)光處理可能抑制了鉀元素從地下部向地上部的運(yùn)輸，導(dǎo)致煙株地上部的鉀含量顯著降低。這與張竹青[27]的研究結(jié)果相一致。在其他鎂濃度處理下，強(qiáng)光處理下煙株對(duì)鉀的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)都受到了抑制。表明鉀鎂的拮抗作用主要發(fā)生在鉀的轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)。

鈣鎂間常被認(rèn)為存在拮抗作用。吳洵[28]對(duì)茶樹的研究表明，茶樹體內(nèi)過量積累的鈣會(huì)降低對(duì)鎂的吸收，從而使茶樹的鎂含量降低。本文研究中發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)光處理下煙株地下部鈣含量均高于正常光處理的，說明強(qiáng)光促進(jìn)煙株對(duì)鈣的吸收。但在強(qiáng)光處理下，鎂濃度升高則鈣的吸收下降。另外本文研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)光處理下煙株地上部鈣含量顯著低于正常光處理的，說明鎂抑制強(qiáng)光下煙株對(duì)鈣的吸收以及向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。晉艷[29]對(duì)于烤煙的研究表明，鎂會(huì)抑制煙株對(duì)鉀與鈣的吸收。對(duì)于鈣與鎂拮抗的原因，可能是因?yàn)殁}、鎂能競(jìng)爭(zhēng)質(zhì)外體交換位點(diǎn)，而在液泡負(fù)電荷平衡上，鈣與鎂能相互替代[30]。

總之，本文研究結(jié)果表明不同濃度的鎂供應(yīng)提高了高溫強(qiáng)光下煙株的可溶性糖積累，增強(qiáng)了的AI、SS、SPS、NR、GS等碳氮代謝有關(guān)的酶活性，從而提高煙株的氮素累積量，適當(dāng)施鎂促進(jìn)了高溫強(qiáng)光下煙株的碳氮代謝過程。但鎂對(duì)煙株的鉀、鈣吸收與運(yùn)輸具有拮抗作用，主要表現(xiàn)在煙株鉀、鈣從地下部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)。