藺璟煜,姜永雷,陳 頤,鄧小鵬,蘇家恩,程小毛,黃曉霞

(1.西南林業(yè)大學園林園藝學院,昆明 650224;2.云南省煙草農(nóng)業(yè)科學研究院,昆明 650021;3.云南省煙草公司大理州公司,云南 大理 671000)

【研究意義】水資源短缺是未來農(nóng)業(yè)和全球人類面臨的主要威脅之一,全球處于供水不足狀態(tài)的耕地達33%[1]。大量研究表明,干旱脅迫造成植物根系活力下降,生物量及葉綠素含量等受到影響,降低植物光合碳同化、阻礙養(yǎng)分運輸?shù)?最終導致作物產(chǎn)量質(zhì)量下降[2-4]?？緹?Nicotianatabacum)作為云南省重要經(jīng)濟作物之一,近年來由于氣候變化異常,煙區(qū)轉(zhuǎn)移,干旱已成為限制煙葉生產(chǎn)的重要非生物脅迫因素[5]。因此,加大烤煙抗旱性研究對實現(xiàn)煙草產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。【前人研究進展】研究發(fā)現(xiàn),在植物前期生長階段施用外源激素或肥料可增強植物抗逆性[3-4]。硅被認為是促進植物萌發(fā),增強光合作用、氣體交換性狀、葉片膨壓以及提高植物產(chǎn)質(zhì)量的有效介質(zhì)[6]。外源硅可以通過增加葉綠素a、葉綠素b、ATP合酶亞基、PSII蛋白以及電子傳遞鏈來緩解干旱脅迫損傷,還能調(diào)節(jié)類囊體結(jié)構(gòu),促進植物生長并提高其抗旱性[7]。脫落酸是一種植物體內(nèi)合成的具有倍半萜結(jié)構(gòu)的生長調(diào)節(jié)物質(zhì),在植物非生物脅迫抗逆過程中起著重要作用[8]。已有研究指出,外源脫落酸可以緩解植物干旱脅迫,應用后植物體內(nèi)抗氧化機制增強,并隨著蔗糖磷酸合成酶活性的增加,可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量顯著上升,從而提高植物生長發(fā)育及葉綠素水平[9-10]?！颈狙芯壳腥朦c】許多研究表明,單獨施用外源硅或脫落酸均能通過提高植物光合作用、改善抗氧化能力和滲透調(diào)節(jié)等途徑緩解干旱脅迫對植物的損害[10-11]。但關(guān)于外源硅及脫落酸復合施用能否在緩解烤煙干旱脅迫中發(fā)揮協(xié)同作用尚不清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究選擇云南煙區(qū)主要栽培品種紅花大金元和云煙87為材料,研究單獨和復合施用外源硅及脫落酸對干旱脅迫下2種烤煙生長、根系活力、光合色素含量、抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響,采用盆栽控制試驗,有利于精確測定試驗因素的效應,以期為大田應用研究提供科學依據(jù),為提高烤煙植物抗旱性提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用云南煙區(qū)主要栽培品種紅花大金元(H)和云煙87(Y)進行盆栽試驗,烤煙種子由云南省煙草農(nóng)業(yè)科學研究院提供,試驗地設在云南省昆明市西南林業(yè)大學后山苗圃大棚(24°23′～26°22′ N,102°10′～103°40′ E),年降水量1011.2 mm,年蒸發(fā)量1838.3 mm,全年無霜期約240 d,棚內(nèi)白天溫度20～30 ℃,夜間溫度9～18 ℃,相對濕度為35%～80%。

1.2 試驗設計

試驗采取隨機區(qū)組設計,2個烤煙品種分別設置5個處理組:正常澆水對照組(CK)、干旱處理(D)、干旱+硅處理(DS)、干旱+脫落酸處理(DA)、干旱+硅+脫落酸處理(DSA),每個處理組10盆。外源硅處理參考Krishan等[12]的方法采用硅酸鉀,在移栽時均勻混入土壤,施用量為1.5 g/kg。脫落酸處理參考李琬婷等[13]的方法采用葉面噴施方式,隔天噴施脫落酸(ABA溶液)80 μmol/L,每株施用量30～80 mL,均勻噴至全株葉面不滴水為宜,持續(xù)處理至收苗前。干旱處理45 d后,隨機選取不同處理烤煙植株中上部完全展開的成熟功能葉片進行各項生理指標測定,每個處理測定5株,另外5株用于生物量測定。

1.3 試驗方法與測定項目

2020年8月2日選取長勢一致的健康煙苗(5葉期)移栽至裝有土壤基質(zhì)5 kg的塑料盆中,每盆定植1株,土壤基質(zhì)為紅壤土+腐殖土(按1.0∶1.5混合配置),基本肥力可供煙株正常生長?？緹熡酌缫圃院缶徝? d,期間保持土壤水分充足,待煙苗恢復正常生長后進行干旱處理。正常澆水處理保持75%～80%田間持水量,干旱處理保持40%～45%田間持水量,采用稱重控水干旱法保持盆中土壤濕度,于每日18:00時用百分之一精度的電子秤稱重花盆、計算補水量,補充水分至設定田間持水量范圍。

1.3.1 生長指標及根系活力 處理結(jié)束后,用卷尺測量植物株高,比葉面積(SLA)=葉面積/葉干重,收集所有煙株洗凈,吸干多余水分后將根、莖、葉分開,于105 ℃殺青30 min后轉(zhuǎn)75 ℃烘干至恒重,稱量各器官生物量,計算總生物量和根冠比(R/S);根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定。

1.3.2 光合色素含量 葉片光合色素含量采用等體積比丙酮-乙醇混合液浸提法測定[14],浸提至葉片發(fā)白后取浸提液3 mL分別在紫外可見分光光度計(TU-1901,北京普析)663、645和470 nm下測定吸光度,計算單位鮮重的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素及類胡蘿卜素含量。

1.3.3 丙二醛含量及抗氧化酶活性 參照Dhindsa等[15]的方法測定丙二醛(MDA)含量;過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定;過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性采用紫外吸收法測定;超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍四唑(NBT)法測定。

1.3.4 滲透調(diào)節(jié)可溶性物質(zhì)含量 脯氨酸含量采用茚三酮比色法測定;可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法測定;可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定;淀粉含量測定參照Zhao等[16]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

運用軟件SPSS 19.0分析數(shù)據(jù)差異顯著性,圖表數(shù)據(jù)值為均值±標準誤,P<0.05表示差異顯著,2個品種間各指標采用配對t檢驗法檢驗差異顯著性(P<0.05),采用軟件Origin 2017繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對烤煙生長的影響

從表1可以看出,與對照(CK)相比,干旱處理(D)顯著降低2種烤煙的株高、比葉面積、各器官生物量及根冠比;紅花大金元的株高、比葉面積、葉生物量分別降低66.68%、41.22%和54.77%;而云煙87的株高、比葉面積、葉生物量降幅達73.75%、53.41%、74.93%。與干旱處理(D)相比,外源硅(DS)、脫落酸(DA)及二者復合處理(DSA)均能提高2種烤煙的株高、比葉面積和總生物量,且DSA處理組增幅最大,其中紅花大金元的株高、比葉面積和總生物量分別上升122.65%、43.22%和40.88%,而云煙87分別上升147.57%、106.86%和42.86%。

表1 不同處理對2種烤煙生長的影響Table 1 Effect of different treatments on the growth of two flue-cured tobacco varieties

2.2 不同處理對烤煙根系活力的影響

由圖1可知,干旱處理(D)顯著降低了2種烤煙的根系活力,與對照(CK)相比,紅花大金元降低63.57%,云煙87降低71.07%。與干旱處理(D)相比,外源硅(DS)、脫落酸(DA)及二者復合處理(DSA)均能不同程度的提高2種烤煙的根系活力,其中DSA處理中紅花大金元的根系活力增長最顯著,顯著提高47.48%。

H:紅花大金元;Y:云煙87。不同小寫字母表示紅花大金元(H)不同處理組間差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示云煙87(Y)不同處理組間差異顯著(P<0.05),*表示同一處理組下2個品種間差異顯著(P<0.05),下同。H: Honghua dajinyuan; Y: Yunyan87; Different lowercases indicate significant difference among different treatments of Honghua dajinyuan (H) (P<0.05), different capitals indicate significantly difference among different treatments of Yunyan 87(Y)(P<0.05), and * indicates significantly different between two varieties under the same treatment,the same as below.圖1 不同處理對2種烤煙根系活力的影響Fig.1 Effect of different treatments on root activity of two flue-cured tobacco varieties

2.3 不同處理對烤煙光合色素的影響

從表2可知,與對照(CK)相比,干旱脅迫下云煙87的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量分別降低64.47%、65.67%、64.74%和55.00%,降幅均顯著大于紅花大金元。與干旱處理(D)相比,外源硅(DS)、脫落酸處理(DA)及二者復合處理(DSA)均能提高2種烤煙的光合色素含量;其中,紅花大金元以DSA處理效果最好,葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量較干旱處理(D)分別增加102.60%、76.90%、96.60%和65.50%;而云煙87以DS處理效果最好,其葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量較干旱處理(D)分別上升165.40%、186.60%、170.10%和132.40%。

表2 不同處理對2種烤煙光合色素的影響Table 2 Effect of different treatments on photosynthetic pigment contents of two flue-cured tobacco varieties

2.4 不同處理對烤煙丙二醛含量的影響

由圖2可知,與對照(CK)相比,干旱處理(D)2種烤煙的MDA含量顯著升高,t檢驗表明,干旱脅迫下云煙87的MDA含量顯著高于紅花大金元。與干旱處理(D)相比,外源硅(DS)、脫落酸(DA)及二者復合處理(DSA)均能不同程度的降低2種烤煙的MDA含量;其中DSA處理組中紅花大金元的MDA含量顯著降低72.80%;而云煙87的MDA含量在DS處理組中降幅最大,降低29.60%。

圖2 不同處理對2種烤煙丙二醛含量的影響Fig.2 Effect of different treatments on MDA content of two flue-cured tobacco varieties

2.5 不同處理對烤煙抗氧化酶活性的影響

由圖3可以看出,與對照(CK)相比,干旱處理(D)2種烤煙的APX、POD和CAT酶活性顯著升高,而SOD酶活性顯著降低,干旱脅迫下紅花大金元的APX酶活性顯著高于云煙87,且紅花大金元的POD酶活性對干旱脅迫的反應更敏感,增幅達310.07%。與干旱處理(D)相比,外源硅處理(DS)、脫落酸處理(DA)及二者復合處理(DSA)均不同程度的降低2種烤煙的APX、POD和CAT酶活性,而SOD酶活性則均有不同程度的升高;其中DSA處理組中紅花大金元的POD和CAT活性分別顯著降低68.30%和57.20%;而云煙87的POD和CAT活性在DS處理組中降幅最大,分別降低32.20%和63.00%;紅花大金元和云煙87的SOD酶活性在DSA處理組增長最顯著,分別是干旱處理(D)的2.8和1.4倍。

圖3 不同處理對2種烤煙抗氧化酶活性的影響Fig.3 Effect of different treatments on antioxidative enzyme activities of two flue-cured tobacco varieties

2.6 不同處理對烤煙滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

由圖4可知,與對照(CK)相比,干旱處理(D)顯著增加2種烤煙可溶性蛋白、可溶性糖和淀粉的積累。與干旱處理(D)相比,外源硅(DS)、脫落酸(DA)及二者復合處理(DSA)均不同程度的降低了2種烤煙可溶性蛋白、可溶性糖和淀粉的含量,其中DSA處理組對云煙87的作用效果最明顯,較干旱處理(D)分別降低54.80%、34.30%和65.10%;外源硅、脫落酸及二者復合處理不同程度的增加了紅花大金元的脯氨酸含量,而對云煙87的脯氨酸積累無顯著影響。

圖4 不同處理對2種烤煙滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響Fig.4 Effect of different treatments on osmotic regulation substance content of two flue-cured tobacco varieties

3 討 論

植物生長形態(tài)是對脅迫響應最直觀的表現(xiàn),根系活力作為一項綜合指標,能體現(xiàn)植物根系的生長狀況和吸收功能。本研究表明,干旱處理顯著降低2種烤煙的各項生長指標及根系活力,且紅花大金元受旱后的株高、比葉面積、葉生物量和根系活力降幅更小,說明此品種對干旱環(huán)境的適應性更強。前人研究表明,施用外源硅能提高干旱脅迫下植物的生長發(fā)育[17],本研究也證實施硅顯著增加了干旱脅迫下2種烤煙的株高、比葉面積、總生物量和根系活力,其原因可能是硅能改變植物水通道基因表達以及木質(zhì)部導管細胞壁表面的親水性,使其表面形成由果膠、木質(zhì)素、纖維素和糖蛋白組成的高吸水性膠體復合物[18],改善水分傳導,從而提高植物對氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,促進植株保持正常生長。本研究還表明,施用外源脫落酸能改善干旱脅迫下烤煙的生長狀況,這在前人研究的甘薯(Dioscoreaesculenta)[19]、水稻(OryzasativaL.)[10]和小麥(TriticumaestivumL.)[20]等作物中也得到了相似的結(jié)果。本研究中,外源硅及脫落酸復合處理對干旱脅迫下烤煙生長的促進效果最好,說明本試驗中該組合方式對緩解干旱脅迫下的烤煙生長具有協(xié)同效應。

葉片光合色素在一定程度上決定著植株的光合能力,大多數(shù)植物在干旱脅迫下葉綠素合成受阻[21-22]。本研究中,紅花大金元光合色素含量受干旱脅迫的影響相比云煙87更小,結(jié)合2種烤煙生長情況,說明紅花大金元抗旱性更好。同時,外源硅和脫落酸的施用可提高干旱脅迫下2種烤煙的光合色素含量,對紅花大金元以二者復合處理效果最好,這與前人研究脫落酸可以通過增加干旱脅迫下植物光合色素含量及光合同化能力來提高生長的結(jié)果一致[23],而硅可以優(yōu)化干旱脅迫下植物葉綠體中類囊體膜蛋白成分,在光能吸收轉(zhuǎn)化中發(fā)揮作用,從而提高光合色素含量[7]。外源硅及脫落酸復合處理雖有效提高了干旱脅迫下云煙87的光合色素含量,但復合處理效果不如單獨施硅,可能與施硅增強了干旱脅迫下云煙87的抗氧化能力有關(guān)[29],這說明外源物質(zhì)的施用效果會受烤煙基因型影響。

本研究中,干旱處理使2種烤煙的MDA含量、APX、POD和CAT酶活性顯著升高,說明干旱脅迫造成細胞膜脂過氧化,煙株應激增強抗氧化能力抵御干旱脅迫,紅花大金元在干旱脅迫下MDA含量較低,APX和POD酶活性提升顯著,表明此品種具有更好的活性氧清除能力。Maghsoudi等[24]研究表明,干旱脅迫下,外源硅能提高小麥的SOD和POD等重要抗氧化酶活性,從而提高植物耐旱性;Luo等[20]研究發(fā)現(xiàn),脫落酸可提高植株抗氧化酶活性以維持其正常代謝功能,這與本研究結(jié)果不完全一致。研究表明,外源硅、脫落酸及二者復合處理均能不同程度的降低干旱脅迫下2種烤煙的MDA含量,同時APX、POD和CAT酶活性也下降,但SOD酶活性顯著增加,且以復合處理組的SOD酶活性提升最顯著,推測原因可能是硅及脫落酸參與保護細胞免受過氧化作用,降低丙二醛含量,保護質(zhì)膜[25],能夠通過調(diào)節(jié)抗氧化酶活性最終清除煙株體內(nèi)的活性氧自由基和過氧化物,維持細胞內(nèi)氧化還原水平穩(wěn)定。

本研究中干旱脅迫誘導烤煙可溶性蛋白、可溶性糖和淀粉大幅提升,這可能是植物降低葉片細胞水勢以適應干旱脅迫的一種方式[26]。此外,外源硅、脫落酸及二者復合處理均不同程度的降低了干旱下2種烤煙可溶性蛋白、可溶性糖和淀粉的含量,這與鄭世英等[27]研究野生大豆(Glycinesoja)得出“不同濃度的外源硅處理均降低了干旱脅迫下植物的脯氨酸和可溶性糖含量”的結(jié)果相似,但與Mohammadi等[28]研究黑麥草(Loliumperenne)發(fā)現(xiàn)“干旱脅迫下施用外源脫落酸能增加植物的可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)”的結(jié)果不同,原因可能是硅和脫落酸對干旱脅迫下的植物起到了保護作用,提高了植物水分利用效率,從而減輕了脅迫誘導的滲透調(diào)節(jié)響應程度,其更深層機理還需進一步研究。外源硅、脫落酸及二者復合處理不同程度的增加了干旱脅迫下紅花大金元的脯氨酸含量,這與張環(huán)緯等[29]的研究“施用外源硅有效提高了干旱脅迫下烤煙幼苗葉片脯氨酸含量”相一致,原因可能是硅能誘導丙氨酸和谷氨酸合成,促進滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)增加以緩解干旱脅迫對植物的影響[11],而外源脫落酸可以觸發(fā)植株體內(nèi)脯氨酸生物合成基因(At-P5s,At-P5R)的表達[30]。

4 結(jié) 論

干旱脅迫顯著抑制了2種烤煙的生長發(fā)育、根系活力和葉綠素合成,但對煙株的抗氧化酶活性和可溶性滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)有一定的促進作用。外源硅及脫落酸處理均能不同程度緩解2種烤煙的干旱脅迫,促進干旱下2種烤煙的長勢。其中,外源硅及脫落酸復合處理對提高紅花大金元的抗旱性效果最好,可顯著增加干旱脅迫下煙株的根系活力、光合色素含量及其抗氧化酶活性;而外源硅處理對提高云煙87的抗旱性效果最好,可顯著提高干旱脅迫下煙株的葉綠素含量及抗氧化能力。兩個品種比較而言,紅花大金元的生長狀況、根系活力和光合色素含量受干旱脅迫影響較小,抗氧化能力更好,應對干旱環(huán)境表現(xiàn)出更強的適應能力,且對外源硅及脫落酸復合施用的響應更強。