莊 曄,劉瑞恒,付國(guó)占,王小東
(河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/河南省旱地農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,河南 洛陽(yáng) 471023)
水資源匱乏是威脅農(nóng)業(yè)正常生產(chǎn)的主要因素之一,提高作物在缺水情況下生存和生長(zhǎng)的能力至關(guān)重要。近年來(lái),我國(guó)主要煙區(qū)旱情頻發(fā),對(duì)烤煙生產(chǎn)帶來(lái)了巨大損失,干旱已成為我國(guó)烤煙生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)產(chǎn)的重要限制因子之一[1]。干旱脅迫抑制植物細(xì)胞分裂[2],導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除系統(tǒng)之間的平衡遭到破壞[3],使得活性氧過(guò)量積累,造成細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)與酶等生物大分子失活,細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能遭到破壞[4],光合作用受到抑制[5],阻礙細(xì)胞正常代謝,最終導(dǎo)致作物減產(chǎn)降質(zhì),甚至死亡[6]。由于干旱對(duì)農(nóng)業(yè)的威脅日趨嚴(yán)重,探究改善烤煙對(duì)干旱脅迫適應(yīng)能力的新途徑及其調(diào)節(jié)機(jī)制具有重要的理論和實(shí)踐意義[7]。
當(dāng)受到外部環(huán)境刺激時(shí),植物可以通過(guò)自身內(nèi)部生理活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié),以應(yīng)對(duì)外部環(huán)境變化對(duì)自身生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生的影響,但是這種自身調(diào)節(jié)是有限的。施用外源物質(zhì)是有效緩解植物干旱的重要途徑之一,前人研究了外源一氧化氮[8]、外源亞精胺[9]、外源硒[10]、外源褪黑素[11]等外源物質(zhì)對(duì)烤煙在干旱條件下的緩解效應(yīng)。當(dāng)受到紫外線(xiàn)、鹽度或干旱脅迫時(shí)[12-14],植物通常會(huì)積累與其應(yīng)對(duì)壓力的能力相關(guān)的特殊代謝物,其中花青素是苯丙素途徑中研究最多的中間體[15]。有研究表明,花青素是當(dāng)今人類(lèi)發(fā)現(xiàn)最有效的抗氧化劑,也是最強(qiáng)效的自由基清除劑[16]。然而有關(guān)外源花青素對(duì)植物生理生化代謝調(diào)控的研究鮮有報(bào)道,為更好地了解外源花青素對(duì)植物生理和形態(tài)產(chǎn)生的影響及其對(duì)干旱脅迫耐受性,本試驗(yàn)以‘秦?zé)?6’和‘云煙116’為材料,研究外源花青素對(duì)烤煙幼苗農(nóng)藝性狀、光合能力、活性氧系統(tǒng)的影響,進(jìn)而明確外源花青素緩解烤煙幼苗干旱脅迫的適宜濃度及其調(diào)控機(jī)制,以期為減輕干旱脅迫對(duì)烤煙幼苗的抑制作用提供參考。
本試驗(yàn)選用烤煙品種‘秦?zé)?6’(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Q96)和‘云煙116’(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Y116),前期已對(duì)兩個(gè)烤煙品種幼苗進(jìn)行抗旱性評(píng)價(jià),其中Q96較Y116的耐旱性更強(qiáng)。
試驗(yàn)用塑料盆盆口和盆底直徑分別為40 cm和25 cm,盆高35 cm;供試土壤類(lèi)型為褐土,質(zhì)地為砂壤土,pH值7.55,有機(jī)質(zhì)20.36 mg·kg-1,堿解氮66.53 mg·kg-1,速效磷15.86 mg·kg-1,速效鉀139.65 mg·kg-1?;ㄇ嗨赜杀本┧魅R寶生物科技有限公司提供。
盆栽試驗(yàn)于2021年5月在河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)大棚內(nèi)進(jìn)行。供試土壤過(guò)0.5 cm×1 cm網(wǎng)篩并風(fēng)干,每盆裝風(fēng)干土20 kg,供試肥料:硝酸磷肥(總氮32%、有效磷4%)、磷酸銨(全氮11%、有效磷44%)、硫酸鉀(50%)、餅肥(全氮5%),施N量均為3.5 g·盆-1,其中N∶P2O5∶K2O為1∶1.5∶3,肥料混勻后一并裝入盆中。盆內(nèi)安裝真空負(fù)壓計(jì)(Waterstar,北京)用于土壤水勢(shì)的監(jiān)測(cè),選取長(zhǎng)勢(shì)一致的烤煙幼苗進(jìn)行移栽(每盆1株煙苗),兩個(gè)烤煙品種各設(shè)置7個(gè)處理(如表1所示),每個(gè)處理重復(fù)3次,待還苗期結(jié)束(移栽5 d后)開(kāi)始控水,并按照分組分別噴施0~5 mg·L-1的花青素(對(duì)照組噴施蒸餾水),在煙葉正單面噴施均勻,每天7∶00—8∶00、11∶30—12∶30、16∶00—17∶00時(shí)記錄負(fù)壓計(jì)讀數(shù),對(duì)負(fù)壓計(jì)讀數(shù)明顯變化的盆栽進(jìn)行補(bǔ)水,于第15 d開(kāi)始測(cè)定各處理烤煙幼苗的生長(zhǎng)及生理指標(biāo)。
表1 試驗(yàn)處理設(shè)置情況Table 1 Test processing settings
控水可靠性驗(yàn)證:在煙苗移栽前進(jìn)行了控水處理預(yù)實(shí)驗(yàn),在預(yù)先裝好干土的盆內(nèi)安放負(fù)壓計(jì)(每盆1支),并設(shè)置了不同水分梯度,待負(fù)壓計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后,采用環(huán)刀法測(cè)定盆內(nèi)土壤的最大田間持水量,分別讀取每盆的負(fù)壓計(jì)讀數(shù)(即土壤水勢(shì))和測(cè)得相應(yīng)的土壤相對(duì)含水量。通過(guò)兩者相關(guān)分析表明,土壤相對(duì)含水量與土壤水勢(shì)(負(fù)壓計(jì)讀數(shù))呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,負(fù)壓計(jì)讀數(shù)能夠較好地指示土壤相對(duì)含水量。
1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo) 農(nóng)藝性狀指標(biāo)的選定參照煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查測(cè)量方法(中華人民共和國(guó)煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 142-2010);將植株樣品置于105℃下殺青30 min后經(jīng)80℃烘干至恒重,稱(chēng)量并計(jì)算其干物質(zhì)積累量(即干重,以g為單位)。
PSⅡ最大光化學(xué)效率
(Fv/Fm)=(Fm-F0)/Fm
(1)
PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率
(2)
光化學(xué)猝滅系數(shù)
(3)
非光化學(xué)猝滅系數(shù)
(4)
1.3.3 活性氧系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo) 超氧陰離子自由基產(chǎn)生速率參照王愛(ài)國(guó)等的方法[17];丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定[18];超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑光化還原法測(cè)定;過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定;過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測(cè)定[19]。
采用Excel和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析;采用單因素方差分析和LSD檢驗(yàn)同一品種內(nèi)不同水分處理間的差異顯著性,采用F檢驗(yàn)分析相同水分處理下不同品種間差異顯著性;采用Origin 2018軟件繪圖。
由圖1可知,干旱脅迫下兩個(gè)烤煙品種幼苗的株高、莖圍、最大葉長(zhǎng)、最大葉寬、最大葉面積和單株干重均顯著降低。與T0相比,當(dāng)噴施外源花青素時(shí),兩個(gè)烤煙品種幼苗的株高、莖圍、最大葉長(zhǎng)、最大葉寬、最大葉面積和單株干重均顯著增加,且隨著外源花青素濃度增加均呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)。與T0相比,T3處理Q96恢復(fù)效果最好,其株高、莖圍、最大葉長(zhǎng)、最大葉寬、最大葉面積和單株干重分別增加了23.1%、19.5%、43.0%、40.0%、100.2%和65.2%;T4處理Y116恢復(fù)效果最好,其株高、莖圍、最大葉長(zhǎng)、最大葉寬、最大葉面積和單株干重分別增加了32.6%、29.9%、51.3%、66.5%、151.8%和108.7%。在充足供水時(shí),Q96的單株干重顯著低于Y116,在單純干旱脅迫下,Q96的單株干重顯著高于Y116,說(shuō)明干旱對(duì)Y116單株干重影響較大;在T3處理下Q96的單株干重顯著高于Y116,說(shuō)明3 mg·L-1外源花青素對(duì)Q96促進(jìn)效果明顯;在T4處理下Q96的單株干重顯著低于Y116,4 mg·L-1外源花青素對(duì)Y116單株干重增加更明顯。
注:不同小寫(xiě)字母表示相同品種不同處理間差異顯著(P<0.05)。在相同處理不同品種間,**表示相同處理兩個(gè)品種間差異極顯著(P<0.01),*表示差異顯著(P<0.05),ns表示差異不顯著(P>0.05)。下同。Note:Different lowercase letters indicate that there are significant differences among different treatments of the same variety(P<0.05).1n same treatment between different species,** indicates that the difference between two varieties in the same treatment is extremely significant,P<0.01;* indicates significant difference at P<0.05;ns indicates no significant correlation at P>0.05.The same as following.圖1 外源花青素對(duì)烤煙幼苗農(nóng)藝性狀和單株干重的影響Fig.1 Effects of exogenous anthocyanins on agronomic characters and dry weight of flue-cured tobacco seedlings
由圖2可知,干旱脅迫下,兩個(gè)烤煙品種幼苗的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)均顯著降低,胞間CO2濃度(Ci)均顯著升高。與T0相比,噴施外源花青素處理中,兩個(gè)烤煙品種幼苗的Pn、Tr和Gs均顯著升高,Ci均顯著降低,且隨著外源花青素濃度的增加,Pn、Tr和Gs均呈現(xiàn)先升高再降低趨勢(shì),Ci均呈現(xiàn)先降低再升高趨勢(shì)。與T0相比,T3處理Q96光合參數(shù)恢復(fù)最好,Pn、Tr和Gs分別增加71.2%、52.5%和44.8%,Ci降低24.3%;T4處理Y116光合參數(shù)恢復(fù)最好,Pn、Tr和Gs分別增加96.0%、85.3%和58.4%,Ci降低38.4%。在充足供水時(shí)Q96的Pn、Tr和Ci與Y116無(wú)顯著差異,在單純干旱脅迫下Q96的Pn和Tr均顯著高于Y116,Ci顯著低于Y116,說(shuō)明干旱對(duì)Y116光合參數(shù)影響較大;在T3處理下Q96的Pn和Tr均顯著高于Y116,Ci顯著低于Y116,說(shuō)明3 mg·L-1外源花青素對(duì)Q96光合作用增強(qiáng)效果明顯;在T4處理下Q96的Pn和Tr均顯著低于Y116,Ci顯著高于Y116,說(shuō)明4 mg·L-1外源花青素對(duì)Y116的光合作用提升更明顯。
干旱脅迫下兩個(gè)烤煙品種幼苗的Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP均顯著降低,NPQ均顯著升高(圖3)。與T0相比,噴施外源花青素處理中,兩個(gè)烤煙品種幼苗的Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP均顯著升高,NPQ均顯著降低,且隨著外源花青素濃度的增加,F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ和qP均呈現(xiàn)先升高再降低趨勢(shì),NPQ均先降低再升高。與T0相比,T3處理Q96葉綠素?zé)晒饣謴?fù)最好,F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ和qP分別增加71.2%、52.5%和44.8%,NPQ降低24.3%;T4處理Y116光合參數(shù)恢復(fù)最好,F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ和qP分別增加96.0%、85.3%和58.4%,NPQ降低38.4%。在充足供水時(shí)Q96的Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP均與Y116無(wú)顯著差異,在單純干旱脅迫下Q96的Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP均顯著高于Y116,說(shuō)明干旱對(duì)Y116葉綠素?zé)晒馓匦杂绊戄^大;在T3處理下Q96的Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP均顯著高于Y116,3 mg·L-1外源花青素對(duì)Q96的葉綠素?zé)晒馓匦蕴嵘Ч黠@;在T4處理下Q96的Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP均顯著低于Y116,4 mg·L-1外源花青素對(duì)Y116的葉綠素?zé)晒馓匦蕴嵘黠@。
圖2 外源花青素對(duì)烤煙幼苗光合特性的影響Fig.2 Effects of exogenous anthocyanins on photosynthetic characteristics of flue-cured tobacco seedlings
圖3 外源花青素對(duì)烤煙幼苗葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊慒ig.3 Effects of exogenous anthocyanins on chlorophyll fluorescence characteristics of flue-cured tobacco seedlings
圖5 外源花青素對(duì)烤煙幼苗MDA含量的影響Fig.5 Effect of exogenous anthocyanin on MDA content of flue-cured tobacco seedlings
由圖5可知,干旱脅迫下兩個(gè)烤煙品種幼苗的MDA含量均顯著升高。與T0相比,噴施外源花青素處理中,兩個(gè)烤煙品種幼苗的MDA含量均顯著降低,且隨著外源花青素濃度的增加呈現(xiàn)先降低再升高趨勢(shì)。與T0相比,T3處理Q96的MDA含量下降幅度最大(26.3%);T4處理Y116的MDA含量下降幅度最大(47.2%)。在充足供水時(shí),Q96的MDA含量顯著高于Y116,在單純干旱脅迫下Q96的MDA含量顯著低于Y116,說(shuō)明干旱脅迫下Y116的MDA增量較大;在T3處理下Q96的MDA含量顯著低Y116,說(shuō)明3 mg·L-1外源花青素下Q96的MDA含量降低效果最明顯;在T4處理下Q96的MDA含量顯著高于Y116,說(shuō)明4 mg·L-1外源花青素對(duì)Y116的MDA含量降低效果最明顯。
圖6 外源花青素對(duì)烤煙幼苗抗氧化酶活性的影響Fig.6 Effect of exogenous anthocyanin on antioxidant enzyme activity of flue-cured tobacco seedlings
由圖6可知,干旱脅迫下Q96的SOD活性升高,POD和CAT活性顯著升高;Y116的SOD、POD和CAT活性顯著降低。與T0相比,噴施外源花青素處理中,兩個(gè)烤煙品種幼苗SOD、POD和CAT活性均顯著升高,且隨著外源花青素濃度的增加,SOD、POD和CAT活性均呈現(xiàn)先升高再降低趨勢(shì)。與T0相比,T3處理Q96的SOD、POD和CAT活性達(dá)到最高,分別增加48.3%、43.1%和31.3%;T4處理Y116的SOD、POD和CAT活性達(dá)到最高,分別增加64.6%、74.9%和29.7%。在充足供水時(shí),Q96的SOD、POD和CAT活性均低于Y116,在單純干旱脅迫下Q96的SOD、POD和CAT活性均高于Y116,說(shuō)明干旱脅迫下Q96的抗氧化能力較強(qiáng);在T3處理下Q96的SOD、POD和CAT活性均高于Y116,說(shuō)明3 mg·L-1外源花青素對(duì)Q96的抗氧化能力提升效果明顯;在T4處理下Q96的SOD和POD活性均顯著低于Y116,說(shuō)明4 mg·L-1外源花青素對(duì)Y116的抗氧化能力提升更明顯。
干旱脅迫嚴(yán)重限制植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育,主要是因?yàn)楦珊得{迫限制了植物的光合作用,活性氧系統(tǒng)平衡遭到破壞等多方面生理功能下降[20]。本試驗(yàn)中隨著干旱程度的加劇,兩個(gè)烤煙品種的生長(zhǎng)均受到阻礙,耐旱型烤煙品種Q96能通過(guò)自身調(diào)節(jié)快速適應(yīng)干旱環(huán)境,自身生長(zhǎng)受到的限制較小。葉片噴施外源花青素處理中,兩個(gè)烤煙品種的生長(zhǎng)狀況明顯優(yōu)于單純干旱處理,這與許靈杰等[21]的研究結(jié)果一致,這是因?yàn)橥庠椿ㄇ嗨卦鰪?qiáng)了烤煙幼苗在干旱脅迫下的光合能力,使其生長(zhǎng)受干旱脅迫的限制變小,而兩個(gè)烤煙品種的最適的外源花青素濃度不一致,這可能與品種自身的耐旱性有關(guān)。
逆境脅迫抑制光合作用的原因可以分為氣孔限制和非氣孔限制,當(dāng)受到水分脅迫時(shí),保護(hù)氣孔細(xì)胞水勢(shì)下降,致使作物葉片氣孔關(guān)閉,阻礙作物對(duì)CO2的吸收利用,此時(shí)光合作用減弱是氣孔限制因素;當(dāng)作物遭受干旱脅迫時(shí),氣孔部分或全部關(guān)閉,葉片組織內(nèi)CO2濃度升高,葉綠體結(jié)構(gòu)受損,導(dǎo)致類(lèi)囊體膜的解體和光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)功能遭到破壞,葉肉細(xì)胞光合性能降低,此時(shí)光合作用下降是由非氣孔因素引起的[23]。本試驗(yàn)表明,干旱脅迫下兩個(gè)烤煙品種的Pn、Tr和Gs均下降,與楊文權(quán)等[24]在烤煙干旱脅迫上的研究結(jié)果和賴(lài)金莉等[25]在鼓節(jié)竹干旱脅迫研究結(jié)果一致,說(shuō)明烤煙幼苗光合速率的下降是由非氣孔因素導(dǎo)致的。噴施外源花青素處理中,兩個(gè)烤煙品種的Tr、Pn和Gs均顯著升高,而Ci均顯著降低,這與李敏敏等[26]在葡萄砧木葉片緩解干旱脅迫措施方面的研究結(jié)果一致,說(shuō)明烤煙幼苗噴施適宜濃度的外源花青素可以增強(qiáng)烤煙幼苗對(duì)光能的轉(zhuǎn)化進(jìn)而提高光合性能。
葉綠素?zé)晒鈪?shù)能夠真實(shí)反映葉片對(duì)光能的吸收、傳遞、轉(zhuǎn)換和耗散情況[27]。在干旱脅迫下,烤煙葉片F(xiàn)v/Fm和qP降低,是因?yàn)橹参颬SII反應(yīng)中心受損,導(dǎo)致PSII反應(yīng)中心的光化學(xué)活性降低,降低了光能轉(zhuǎn)化效率,光合作用被限制,此時(shí)植物會(huì)激發(fā)自身保護(hù)機(jī)構(gòu),通過(guò)提高NPQ及時(shí)耗散過(guò)剩的光能起到保護(hù)光合機(jī)構(gòu)的作用[28]。本試驗(yàn)表明,干旱脅迫下兩個(gè)烤煙品種的Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP均顯著下降、NPQ均顯著上升,這與張會(huì)慧等[29]在干旱脅迫下外源鈣緩解烤煙PSII方面的研究結(jié)果一致。在干旱脅迫下噴施不同濃度的外源花青素,兩個(gè)烤煙品種幼苗的Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP明顯上升、NPQ明顯下降,這與劉領(lǐng)等[30]在外源褪黑素緩解烤煙干旱脅迫方面的研究結(jié)果一致,說(shuō)明噴施適宜濃度的外源花青素對(duì)干旱脅迫下PSⅡ反應(yīng)中心起到保護(hù)作用,并有效增加光合電子傳遞,減輕光抑制作用,保護(hù)光合機(jī)構(gòu)。
逆境環(huán)境下植物體內(nèi)活性氧(ROS)代謝平衡受到破壞,導(dǎo)致ROS過(guò)量積累,造成膜脂過(guò)氧化,使細(xì)胞膜的正常功能受損[31],形成過(guò)氧化產(chǎn)物MDA,MDA含量受脅迫程度和脅迫時(shí)間的影響,干旱程度越高、時(shí)間越長(zhǎng),MDA含量則越高[32]。抗氧化酶是植物細(xì)胞抵御活性氧傷害的重要保護(hù)酶[33],當(dāng)植物遭受逆境脅迫時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)自身抗氧化酶活性清除體內(nèi)產(chǎn)生的過(guò)多自由基以起到自我保護(hù)的作用。本試驗(yàn)表明,干旱脅迫下兩個(gè)烤煙品種幼苗的超氧陰離子自由基產(chǎn)生速率加快,MDA含量上升,這與李冬等[34]的研究結(jié)果一致,耐旱型烤煙品種的抗氧化酶活性增加,這與王發(fā)展等[35]在烤煙干旱脅迫方面的研究結(jié)果一致,說(shuō)明抗旱性強(qiáng)的品種可能會(huì)通過(guò)激發(fā)抗氧化酶基因,增強(qiáng)自身的抗氧化能力;而抗旱性弱的品種因調(diào)節(jié)能力不足,氧化損傷嚴(yán)重,抑制抗氧化性能的發(fā)揮,導(dǎo)致抗氧化酶活性下降。干旱脅迫下施用不同濃度的外源花青素能有效降低超氧陰離子自由基的產(chǎn)生速率,抑制MDA的產(chǎn)生,提高抗氧化酶活性,這與梁太波等[36]在外源甜菜堿和脯氨酸增強(qiáng)烤煙干旱脅迫下抗氧化代謝方面的研究結(jié)果一致,說(shuō)明干旱脅迫下適宜濃度的外源花青素能夠修復(fù)活性氧系統(tǒng)的平衡,提升抗氧化酶活性,清除過(guò)量活性氧,增加烤煙幼苗的抗逆性。
干旱脅迫對(duì)不同烤煙品種的影響存在一定差異,本試驗(yàn)在盆栽條件下研究了在干旱脅迫下噴施外源花青素對(duì)兩種不同耐旱性烤煙品種幼苗生長(zhǎng)和生理特性的影響,外源花青素和植物激素之間可能的串?dāng)_可能在植物的干旱脅迫耐受性中起著至關(guān)重要的作用,外源花青素在干旱脅迫期間發(fā)揮作用的復(fù)雜分子系統(tǒng)需要進(jìn)一步深入研究。