劉 嬌，姜永雷，藺璟煜，黃曉霞

(1.國家林業(yè)與草原局 西南風(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心，西南林業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院，云南 昆明 650224；2.云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，云南 昆明 650021)

受極端氣候變化、水資源短缺以及環(huán)境破壞等因素的影響，全球干旱、半干旱土地面積不斷擴(kuò)大[1]。干旱已成為世界農(nóng)林生產(chǎn)最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，每年由干旱脅迫導(dǎo)致的作物減產(chǎn)已超過其他自然災(zāi)害造成減產(chǎn)的總和[2]，提高植物的抗旱性已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)亟待解決的問題。外源物質(zhì)是緩解植物干旱脅迫的有效途徑之一，硅是植物逆境響應(yīng)中的重要營養(yǎng)元素，已有研究表明：硅在改善土壤環(huán)境，促進(jìn)作物生長，提高植株光合色素含量、抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和養(yǎng)分吸收等方面具有重要作用[3]。此外，施硅可以通過提高水分狀況、參與植物代謝活動(dòng)和基因表達(dá)、介導(dǎo)能量耗散、影響光合活性、抗氧化防御系統(tǒng)和植物體內(nèi)礦質(zhì)元素的平衡等途徑減輕干旱脅迫對植株的損傷，有效提高干旱脅迫下作物的耐旱性，增加作物產(chǎn)量[4-5]。鄭世英等[6]研究表明：硅通過改變植株葉片結(jié)構(gòu)降低蒸騰速率，從而提高植株保水能力，促進(jìn)干旱脅迫下野生大豆的生長；楊慧穎等[7]和曾瑞兒等[8]研究指出：硅能提高光能轉(zhuǎn)化率、光合速率以及葉片抗氧化酶活性，降低膜脂過氧化程度，增強(qiáng)植株的抗旱能力；DESOKY 等[9]研究認(rèn)為：硅能通過增強(qiáng)滲透保護(hù)劑以及干旱脅迫下酶促和非酶促防御系統(tǒng)組分的活性，減少干旱對植株的氧化應(yīng)激以及植株電解質(zhì)的膜滲漏和膜脂過氧化，進(jìn)而減輕干旱脅迫對蠶豆的傷害；PATEL 等[10]研究表明：施硅可促進(jìn)干旱條件下2 種花生基因型礦物質(zhì)養(yǎng)分的吸收和運(yùn)輸，誘導(dǎo)代謝物積累，增加激素水平，參與干旱脅迫和耐受的信號(hào)通路，從而提高2 種花生基因型的耐旱性。因此，硅在提高作物的耐旱性中發(fā)揮著重要作用。

煙草(Nicotiana tabacum)為茄科(Solanaceae)茄屬(Solanum)草本植物，是中國廣泛種植的重要葉用經(jīng)濟(jì)作物，也是增加農(nóng)民收入的重要組成部分[11]。作為優(yōu)質(zhì)烤煙品種，云煙87 是中國各煙區(qū)種植面積較廣的品種之一[12]，但近年來由于種植煙草的地區(qū)旱情頻發(fā)導(dǎo)致其產(chǎn)量和品質(zhì)下降，制約煙草的經(jīng)濟(jì)效益[13]。促進(jìn)干旱脅迫下煙株生長，提高其抗干旱能力，對于促進(jìn)中國煙草的生產(chǎn)以及推動(dòng)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展具有重要意義。大量研究表明外源硅對提高作物抗逆性有重要作用，目前關(guān)于硅在煙草生產(chǎn)中的應(yīng)用已有少量報(bào)道[14-15]，而關(guān)于硅對緩解煙草干旱脅迫，尤其是盆栽煙草幼苗對于干旱和外源硅交互處理的生長及生理響應(yīng)機(jī)制尚不清楚。因此，本研究以云煙87 為材料，對良好水分及干旱脅迫下煙草幼苗施用不同用量的硅肥，研究外源硅及干旱脅迫下煙草的生長形態(tài)、光合色素含量、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量以及抗氧化系統(tǒng)等指標(biāo)，探究緩解煙草干旱脅迫的適宜外源硅施用量及其生理機(jī)制，旨在為提高煙草的抗旱能力和合理使用硅肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020 年8 月上旬—9 月下旬在云南省昆明市西南林業(yè)大學(xué)后山苗圃大棚內(nèi)(N24°23＇～26°22＇，E102°10＇～103°40＇，海拔1 995 m)進(jìn)行。該地年均溫 14.9 ℃，屬低緯度高原山地季風(fēng)氣候，年降水量 1 011.2 mm，年蒸發(fā)量 1 838.3 mm，相對濕度 74%，全年無霜期超過 240 d，年日照時(shí)間 2 196.7 h，日照百分率 56%，年均總輻射量5 430 MJ/m2(雨季 2 630 MJ/m2，干季 2 800 MJ/m2)。

1.2 試驗(yàn)材料

供試煙草品種為云煙 87，由云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。土壤基質(zhì)為腐殖土與紅土的混合物(V腐殖土∶V紅土=1.5∶1.0)；所用硅元素由硅酸鉀(K2SiO3)提供，購自云南昆明生物科學(xué)技術(shù)有限公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2020 年8 月2 日選取生長健壯、長勢良好的云煙87 煙草幼苗，移栽到內(nèi)徑24 cm、高30 cm 的塑料盆中，每盆土5 kg。外源施硅稱取所需質(zhì)量，在移栽前拌入土中并混合均勻，一次性施入。為確保水分不會(huì)成為幼苗生長限制的因素，從移栽開始到干旱脅迫前保證土壤水分充足。煙草緩苗1 周后采用稱重法控制土壤含水量以進(jìn)行干旱脅迫處理，為保證干旱水平，隔天進(jìn)行稱量澆水。通過預(yù)試驗(yàn)結(jié)果和梁喜龍等[16]的研究結(jié)果確定干旱脅迫程度和硅肥施用量，采用雙因素的完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)置2 個(gè)土壤水分處理[ 良好水分(90%～95%田間持水量)、干旱脅迫(35%～40%田間持水量)]和4 個(gè)硅肥處理(0、1.0、1.5、2.0 g/kg)，共8 個(gè)處理組(表1)。每處理10 盆，每盆1 株煙草幼苗，共80 盆。試驗(yàn)時(shí)間45 d，待處理結(jié)束后每處理組選擇5 盆進(jìn)行生長指標(biāo)測定，另外5 盆每株選取中上部完全展開的功能葉片作為生理指標(biāo)的待測樣品。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental design

1.4 測定指標(biāo)及方法

1.4.1 生長指標(biāo)的測定

用游標(biāo)卡尺和卷尺測量株高、葉長和葉寬；2020 年9 月23 日干旱脅迫結(jié)束后，收集所有植株，將植株根、莖、葉洗凈，放置于烘箱內(nèi)，以105 ℃高溫殺菌0.5 h，65 ℃恒溫烘至恒質(zhì)量，用天平稱量植株根、莖、葉及總生物量。按照以下公式計(jì)算葉面積、比葉面積和根冠比：葉面積=最大葉長×最大葉寬×0.634 5；比葉面積=葉面積/葉干質(zhì)量；根冠比=根生物量/(莖+葉)生物量。

1.4.2 葉綠素含量的測定

參照張憲政[17]的方法，采用丙酮—乙醇(等體積比)混合液浸提法測定葉綠素含量。稱取剪碎混勻的煙草葉片0.2 g 放入試管中，加入丙酮—乙醇混合液10 mL，置于暗處萃取48 h 至葉片發(fā)白(24 h 后于暗處振蕩搖勻1 次)，萃取結(jié)束后取上清液，采用雙光束紫外可見分光光度計(jì)(TU-1901，北京普析)分別在663、646 和470 nm 處測定吸光度。

1.4.3 抗氧化酶活性的測定

參照高俊鳳[18]的方法，采用氮藍(lán)四唑法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性，采用紫外吸收法測定抗壞血酸過氧化物酶(APX)和過氧化氫酶(CAT)活性。

1.4.4 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的測定

參照李合生[19]的方法，采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量，采用茚三酮比色法測定脯氨酸含量，采用考馬斯亮藍(lán)染色法測定可溶性蛋白含量；參照寧朋等[20]的方法，采用GOD-POD 比色法測定可溶性糖和淀粉含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsof Excel 2019 對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，再采用SPSS 26.0 進(jìn)行雙因素方差分析(twoway ANOVA)，采用Ducan’s 檢驗(yàn)進(jìn)行差異顯著性分析。所有數(shù)據(jù)均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源硅對干旱脅迫下煙草生長形態(tài)的影響

由表2 可知：煙草株高、葉片數(shù)、單葉面積和比葉面積受干旱脅迫和施硅的極顯著影響(P＜0.001)，但受干旱與施硅的交互影響不顯著(P＞0.05)。與CK 相比，干旱處理(D)組的株高、葉片數(shù)和單葉面積分別顯著降低73.75%、62.05%和63.14% (P＜0.05)；而比葉面積增加85.48%(P＞0.05)；施加外源硅后，各干旱脅迫處理組的株高、葉片數(shù)、單葉面積和比葉面積均增加或顯著增加，以2.0 g/kg 硅處理的效果最好。

表2 外源硅對干旱脅迫下煙草生長形態(tài)的影響Tab.2 Effects of exogenous silicon on the growth morphology of tobacco under drought stress

2.2 外源硅對干旱脅迫下煙草生物量的影響

由表3 可知：良好水分條件下，W+Si3處理的葉、莖、根生物量和總生物量均最高，分別較CK 增加10.77%、37.44%、12.32%和18.41%，根冠比在不同硅處理間無顯著差異(P＞0.05)；與CK相比，干旱處理(D)組的葉、莖、根生物量和總生物量分別顯著降低81.85%、63.01%、75.00%和74.51% (P＜0.05)，施加外源硅后，莖、根生物量和總生物量與D 處理相比無顯著變化(P＞0.05)，D+Si3處理的根冠比最大，較CK 顯著增加70.35%(P＜0.05)。

表3 外源硅對干旱脅迫下煙草單株生物量的影響Tab.3 Effects of exogenous silicon on the biomass of per plant tobacco under drought stress

2.3 外源硅對干旱脅迫下煙葉光合色素含量的影響

由表4 可知：與CK 相比，干旱處理(D)組的葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素含量分別顯著降低28.11%、22.36%和26.87% (P＜0.05)；而葉綠素a/葉綠素b 和類胡蘿卜素含量分別降低7.20%和23.46% (P＞0.05)；施加外源硅后，良好水分處理組與干旱脅迫處理組的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量均增加或顯著增加，且都在2.0 g/kg 硅處理下達(dá)到最高值。

表4 外源硅對干旱脅迫下煙草葉片光合色素含量的影響Tab.4 Effects of exogenous silicon on the photosynthetic pigments content of tobacco leaves under drought stress

2.4 外源硅對干旱脅迫下煙葉丙二醛(MDA)含量的影響

由表5 可知：與CK 相比，干旱處理(D)組煙葉的MDA 含量顯著增加17.22% (P＜0.05)；隨著施硅量的增大，MDA 含量呈下降的變化趨勢；2.0 g/kg 硅處理時(shí)，良好水分處理組與干旱脅迫處理組的MDA 含量降至最低，較CK 分別顯著降低 22.06%和24.08% (P＜0.05)。

表5 外源硅對干旱脅迫下煙草葉片丙二醛(MDA)含量的影響Tab.5 Effects of exogenous silicon on the MDA content in tobacco leaves under drought stress

2.5 外源硅對干旱脅迫下煙葉滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

由表6 可知：煙葉的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量受干旱脅迫和施硅的極顯著影響(P＜0.01，P＜0.001)，但受干旱與施硅的交互效應(yīng)不顯著(P＞0.05)。干旱脅迫下，與CK 相比，干旱處理(D)組煙葉的脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量顯著增加(P＜0.05)，施加外源硅后上述3 個(gè)指標(biāo)進(jìn)一步升高，而僅D+Si2和D+Si3處理的淀粉含量顯著升高，D+Si3處理的4 種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量最高；良好水分條件下，外源硅能夠不同程度地影響煙葉脯氨酸、淀粉、可溶性蛋白和可溶性糖的含量，以上指標(biāo)均隨著外源硅施用量的增大呈上升趨勢，且在W+Si3處理達(dá)到最高值。

表6 外源硅對干旱脅迫下煙草葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響Tab.6 Effects of exogenous silicon on the osmotic regulatory substances content in tobacco leaves under drought stress

2.6 外源硅對干旱脅迫下煙葉抗氧化酶活性的影響

由圖1 可知：干旱脅迫下，與CK 相比，干旱處理(D)組煙葉的SOD、CAT、POD 和APX 活性顯著下降，分別降低53.15%、65.21%、49.45%和41.15% (P＜0.05)；外源硅處理后，SOD、CAT、POD 和 APX 活性呈上升趨勢，且D+Si3處理的SOD、CAT 和POD 活性均恢復(fù)到對照水平；良好水分條件下，外施硅肥后，SOD、CAT、POD和APX 活性進(jìn)一步升高，且在W+Si3處理達(dá)到最大值。干旱與施硅的交互效應(yīng)對煙葉的SOD、CAT 和APX 活性均有極顯著影響(P＜0.01 或P＜0.001)，但對POD 活性影響不顯著(P＞0.05)。

圖1 外源硅對干旱脅迫下煙草葉片抗氧化酶活性的影響Fig.1 Effects of exogenous silicon on the antioxidant enzyme activities of tobacco leaves under drought stress

3 討論

干旱脅迫限制了葉片的光合能力，阻礙作物生長，導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致其死亡。有研究表明：硅肥作為一種土壤調(diào)節(jié)劑，在非生物逆境脅迫中能使植物形成硅化細(xì)胞，增強(qiáng)植物葉片光合作用，從而提高作物抗性[21]。株高、葉片數(shù)、比葉面積和生物量變化是反映干旱脅迫對植物的影響程度與植物抗旱能力的重要指標(biāo)。本研究中，干旱脅迫下，煙株株高、葉片數(shù)、單葉面積和生物量等指標(biāo)均顯著下降，而比葉面積增加，這可能是由于干旱脅迫使葉片厚度

和含水量降低，從而單位質(zhì)量葉片的比表面積增加[22]。外源硅處理后，干旱脅迫下煙株的株高、葉片數(shù)、單葉面積和比葉面積等指標(biāo)升高，且都在2.0 g/kg 硅處理下達(dá)到最大值；除葉生物量外，煙草的莖、根、總生物量和根冠比變化不顯著，推測可能是硅在植物體內(nèi)沉積形成角質(zhì)—雙硅層，減少水分通過角質(zhì)層的蒸騰流失，從而可提高煙株的用水效率，提高其抗旱性[23]，且適宜的硅施用量對地上部生長的促進(jìn)作用優(yōu)于對根的影響；而良好水分處理下，外施1.0 和1.5 g/kg 硅肥后煙株葉、根及總生物量較對照有所下降，但根冠比增加，而施加2.0 g/kg 硅肥后各器官生物量達(dá)到最大值，表明硅肥具有劑量效應(yīng)，低含量硅通過提高根冠比增強(qiáng)煙株根系的吸收能力，促進(jìn)煙株生長，而2.0 g/kg 硅處理則通過促進(jìn)根、莖、葉生長使煙株吸收到更多的養(yǎng)分，促進(jìn)煙株生長發(fā)育。

光合色素含量在一定程度上反映了光合作用的水平。干旱脅迫下，植物類囊體解體，葉綠體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性遭到破壞，植物對光量子的吸收與傳遞減緩，從而降低植物的光能轉(zhuǎn)化效率，抑制光合作用，引起葉片光合色素含量降低[24]。本研究中，干旱脅迫下，煙葉的光合色素含量降低，這可能是干旱脅迫使煙葉吸收光能和光保護(hù)能力減弱，光合作用受到抑制，導(dǎo)致煙葉葉綠素含量減少，這與陳彪等[25]的研究結(jié)論一致。外施硅肥后光合色素含量升高，且在2.0 g/kg 硅處理下煙葉的光合色素含量能達(dá)到正常生長條件下的水平，表明干旱脅迫下外源硅可能參與了細(xì)胞器膜的保護(hù)，更好地平衡了干旱條件下葉綠素的合成與降解，減輕干旱脅迫對煙株光合器官的損傷，從而增強(qiáng)其光合能力，此結(jié)果與前人對草莓[26]和蕎麥[27]的研究結(jié)果一致。

研究表明：干旱脅迫下植物因脫水而受到滲透脅迫，從而破壞細(xì)胞的離子分布與動(dòng)態(tài)平衡，膨壓降低以及正常代謝失調(diào)，而外施硅肥有利于滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，緩解干旱脅迫對植物的損傷[28-29]。本研究中，煙葉的脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量在干旱脅迫下增加；經(jīng)外源硅處理后，其滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量進(jìn)一步升高，且在2.0 g/kg 硅處理下增至最高水平。說明外源硅進(jìn)入植物體內(nèi)后，可促進(jìn)植物的滲透調(diào)節(jié)能力，提高可溶性物質(zhì)的積累，從而減輕干旱脅迫對植物的不利影響，這與龔束芳等[30]對遠(yuǎn)東芨芨草的研究結(jié)果相似。

研究表明：當(dāng)植物遭受逆境脅迫時(shí)，活性氧與自由基因植物細(xì)胞代謝受阻而大量產(chǎn)生，使產(chǎn)生與清除的動(dòng)態(tài)平衡被擾亂，破壞植物細(xì)胞膜，導(dǎo)致氧化脅迫，進(jìn)而引起膜脂過氧化產(chǎn)物MDA積累，其含量越高則表明植物組織保護(hù)能力越弱[31]。本研究中，煙葉的MDA 含量在干旱脅迫下顯著增加，而經(jīng)2.0 g/kg 硅處理后MDA 含量降至最低水平，說明外源硅處理能減少干旱脅迫引起的細(xì)胞膜損傷和膜脂過氧化程度，進(jìn)而使煙株能夠更好地適應(yīng)干旱環(huán)境，這與張杰等[32]對燕麥的研究結(jié)果相似。干旱脅迫下，植物為了保護(hù)自身免受活性氧的侵害，會(huì)激活抗氧化酶防御系統(tǒng)，使活性氧的產(chǎn)生和去除保持動(dòng)態(tài)平衡，從而緩解干旱引起的氧化應(yīng)激。前人研究發(fā)現(xiàn)：硅肥可以影響植物體內(nèi)活性氧的積累，維持活性氧代謝平衡和膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)抗氧化酶活性，提高植物的抗逆性[33]。本研究中，煙葉抗氧化酶活性在干旱脅迫下顯著下降，這一結(jié)果與王玉玨等[34]對黃瓜幼苗的研究結(jié)果不同，這可能是由于植物種類不同、對水分虧缺的敏感程度不一以及抗旱性程度不同而導(dǎo)致抗氧化酶活性有升有降[35-36]。外施硅肥后，抗氧化酶活性顯著升高，且在1.5～2.0 g/kg 硅肥處理時(shí)恢復(fù)到對照水平，說明硅降低了干旱脅迫對植物的氧化受損程度，誘導(dǎo)煙葉抗氧化酶活性提高，清除植物體內(nèi)多余的自由基，使其在逆境下能正常生長。

4 結(jié)論

干旱脅迫下，煙株的株高及生物量顯著下降，說明其生長受到干旱抑制；施用1.0～2.0 g/kg 外源硅可顯著緩解生長形態(tài)和生物量指標(biāo)的下降，促進(jìn)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和光合色素積累，提高抗氧化酶活性，以此增強(qiáng)煙株對干旱脅迫的抵御能力，且以2.0 g/kg 硅處理效果最明顯。本研究說明外源硅可用于煙株的耐旱性生產(chǎn)實(shí)踐，對提高煙株耐旱性具有一定的指導(dǎo)意義。