馮常青，魏曉玲，黃云俠，徐時長，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發(fā)育及其品質(zhì)形成的重要因素[2-4]。福建省作為中國重要的煙葉產(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[5]，此時的高溫強(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，對于福建地區(qū)的煙葉生產(chǎn)具有理論意義和實踐價值。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]。植物在生長和發(fā)育過程中，碳氮代謝及其產(chǎn)物的合成會受到諸多因素影響[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)的重要營養(yǎng)元素，在促進(jìn)植物生長發(fā)育、改善品質(zhì)、提高抗逆性等方面起重要作用[10]。目前，中國農(nóng)業(yè)土壤中鎂素營養(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。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，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，國內(nèi)外對于煙草碳氮代謝的研究報道不在少數(shù)，但不同的鎂營養(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)光脅迫下煙株生長源庫平衡的鎂離子營養(yǎng)水平，以期為福建地區(qū)的煙葉生產(chǎn)實踐提供理論指導(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’，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，本試驗結(jié)合往年福建煙區(qū)的氣象資料，設(shè)置了2個階段的溫度，具體試驗設(shè)計如下：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營養(yǎng)液。設(shè)置4個鎂濃度梯度的營養(yǎng)液，即0、12.0、48.0、120.0 mg/L，每個處理30株。每個水培罐中加入900 mL相對應(yīng)鎂濃度的培養(yǎng)液，每個星期各補(bǔ)充、更換一次培養(yǎng)液至900 mL處，以保證營養(yǎng)液與空氣充足以維持煙株的生長。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)。待煙苗生長至團(tuán)棵期時（移栽后38天），設(shè)置2個光照處理，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處理作為對照。利用照度計（美國Kestrel公司，DRM-FQ）測定到達(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)鍵酶活性的測定。另外再各選取3株長勢相同的煙株，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定OD540處的吸光值，以測定谷氨酰胺合成酶(GS)的活性。

采用活體法測定硝酸還原酶(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)的活性測定參照張志良等介紹的方法進(jìn)行[15]。采用間二苯酚法測定蔗糖含量[14]?？扇苄蕴呛偷矸酆康臏y定采用蒽酮比色法[15]。

1.3 氮、鉀、鈣含量的測定方法

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

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本試驗采用DPS7.05軟件進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗，同時采用Microsoft Office Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、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)光處理時達(dá)到最大值，而地下部可溶性糖含量在無鎂營養(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，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，對地上部淀粉含量也影響顯著，但對地下部淀粉含量無顯著影響；光強(qiáng)對煙草植株糖類物質(zhì)的含量均有顯著影響；鎂濃度和光強(qiáng)交互作用對蔗糖含量均有顯著影響，對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)處理對煙株糖類物質(zhì)含量影響的方差分析

2.2 鎂對不同光強(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，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，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，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SPS、SS、AI活性均有顯著影響；鎂濃度和光強(qiáng)交互作用僅對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)處理對煙草植株碳代謝關(guān)鍵酶影響的方差分析

2.3 鎂對不同光強(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，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，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，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，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GS活性有顯著影響。

表4 不同鎂濃度與光強(qiáng)處理對煙草植株氮代謝關(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，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，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爭性合成的過程，淀粉含量在強(qiáng)光和正常光處理下的變化趨勢與蔗糖累積趨勢剛好相反，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發(fā)育或呼吸代謝消耗為煙株的生長提供必要能量。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，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 鎂對不同光強(qiáng)處理下煙株氮代謝的影響

氮素是植物生長過程中必不可少的營養(yǎng)元素之一。鎂對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，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，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光合三碳化合物的競爭有關(guān)，高廷東等的研究中也提到，碳氮代謝之間是一種相互競爭又相互依賴的關(guān)系，而氮代謝對碳代謝依賴性更強(qiáng)[26]。因此，在鎂離子濃度為48.0 mg/L時，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，從而促進(jìn)煙株對于鉀、鈣等元素的吸收，但是鉀、鈣、鎂間的相互關(guān)系不是簡單的協(xié)同或者拮抗作用。在鎂離子濃度為48.0 mg/L時，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)光處理下煙株對鉀的吸收與轉(zhuǎn)運都受到了抑制。表明鉀鎂的拮抗作用主要發(fā)生在鉀的轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)。

鈣鎂間常被認(rèn)為存在拮抗作用。吳洵[28]對茶樹的研究表明，茶樹體內(nèi)過量積累的鈣會降低對鎂的吸收，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)光下煙株對鈣的吸收以及向地上部的轉(zhuǎn)運。晉艷[29]對于烤煙的研究表明，鎂會抑制煙株對鉀與鈣的吸收。對于鈣與鎂拮抗的原因，可能是因為鈣、鎂能競爭質(zhì)外體交換位點，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。但鎂對煙株的鉀、鈣吸收與運輸具有拮抗作用，主要表現(xiàn)在煙株鉀、鈣從地下部向地上部的轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)。