蔺璟煜,姜永雷,陈 颐,邓小鹏,苏家恩,程小毛,黄晓霞

(1.西南林业大学园林园艺学院,昆明 650224;2.云南省烟草农业科学研究院,昆明 650021;3.云南省烟草公司大理州公司,云南 大理 671000)

【研究意义】水资源短缺是未来农业和全球人类面临的主要威胁之一,全球处于供水不足状态的耕地达33%[1]。大量研究表明,干旱胁迫造成植物根系活力下降,生物量及叶绿素含量等受到影响,降低植物光合碳同化、阻碍养分运输等,最终导致作物产量质量下降[2-4]。烤烟(Nicotianatabacum)作为云南省重要经济作物之一,近年来由于气候变化异常,烟区转移,干旱已成为限制烟叶生产的重要非生物胁迫因素[5]。因此,加大烤烟抗旱性研究对实现烟草产业可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】研究发现,在植物前期生长阶段施用外源激素或肥料可增强植物抗逆性[3-4]。硅被认为是促进植物萌发,增强光合作用、气体交换性状、叶片膨压以及提高植物产质量的有效介质[6]。外源硅可以通过增加叶绿素a、叶绿素b、ATP合酶亚基、PSII蛋白以及电子传递链来缓解干旱胁迫损伤,还能调节类囊体结构,促进植物生长并提高其抗旱性[7]。脱落酸是一种植物体内合成的具有倍半萜结构的生长调节物质,在植物非生物胁迫抗逆过程中起着重要作用[8]。已有研究指出,外源脱落酸可以缓解植物干旱胁迫,应用后植物体内抗氧化机制增强,并随着蔗糖磷酸合成酶活性的增加,可溶性糖等渗透调节物质含量显著上升,从而提高植物生长发育及叶绿素水平[9-10]。【本研究切入点】许多研究表明,单独施用外源硅或脱落酸均能通过提高植物光合作用、改善抗氧化能力和渗透调节等途径缓解干旱胁迫对植物的损害[10-11]。但关于外源硅及脱落酸复合施用能否在缓解烤烟干旱胁迫中发挥协同作用尚不清楚。【拟解决的关键问题】本研究选择云南烟区主要栽培品种红花大金元和云烟87为材料,研究单独和复合施用外源硅及脱落酸对干旱胁迫下2种烤烟生长、根系活力、光合色素含量、抗氧化酶活性和渗透调节物质的影响,采用盆栽控制试验,有利于精确测定试验因素的效应,以期为大田应用研究提供科学依据,为提高烤烟植物抗旱性提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选用云南烟区主要栽培品种红花大金元(H)和云烟87(Y)进行盆栽试验,烤烟种子由云南省烟草农业科学研究院提供,试验地设在云南省昆明市西南林业大学后山苗圃大棚(24°23′～26°22′ N,102°10′～103°40′ E),年降水量1011.2 mm,年蒸发量1838.3 mm,全年无霜期约240 d,棚内白天温度20～30 ℃,夜间温度9～18 ℃,相对湿度为35%～80%。

1.2 试验设计

试验采取随机区组设计,2个烤烟品种分别设置5个处理组:正常浇水对照组(CK)、干旱处理(D)、干旱+硅处理(DS)、干旱+脱落酸处理(DA)、干旱+硅+脱落酸处理(DSA),每个处理组10盆。外源硅处理参考Krishan等[12]的方法采用硅酸钾,在移栽时均匀混入土壤,施用量为1.5 g/kg。脱落酸处理参考李琬婷等[13]的方法采用叶面喷施方式,隔天喷施脱落酸(ABA溶液)80 μmol/L,每株施用量30～80 mL,均匀喷至全株叶面不滴水为宜,持续处理至收苗前。干旱处理45 d后,随机选取不同处理烤烟植株中上部完全展开的成熟功能叶片进行各项生理指标测定,每个处理测定5株,另外5株用于生物量测定。

1.3 试验方法与测定项目

2020年8月2日选取长势一致的健康烟苗(5叶期)移栽至装有土壤基质5 kg的塑料盆中,每盆定植1株,土壤基质为红壤土+腐殖土(按1.0∶1.5混合配置),基本肥力可供烟株正常生长。烤烟幼苗移栽后缓苗7 d,期间保持土壤水分充足,待烟苗恢复正常生长后进行干旱处理。正常浇水处理保持75%～80%田间持水量,干旱处理保持40%～45%田间持水量,采用称重控水干旱法保持盆中土壤湿度,于每日18:00时用百分之一精度的电子秤称重花盆、计算补水量,补充水分至设定田间持水量范围。

1.3.1 生长指标及根系活力 处理结束后,用卷尺测量植物株高,比叶面积(SLA)=叶面积/叶干重,收集所有烟株洗净,吸干多余水分后将根、茎、叶分开,于105 ℃杀青30 min后转75 ℃烘干至恒重,称量各器官生物量,计算总生物量和根冠比(R/S);根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定。

1.3.2 光合色素含量 叶片光合色素含量采用等体积比丙酮-乙醇混合液浸提法测定[14],浸提至叶片发白后取浸提液3 mL分别在紫外可见分光光度计(TU-1901,北京普析)663、645和470 nm下测定吸光度,计算单位鲜重的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素及类胡萝卜素含量。

1.3.3 丙二醛含量及抗氧化酶活性 参照Dhindsa等[15]的方法测定丙二醛(MDA)含量;过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定;过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性采用紫外吸收法测定;超氧化物歧化酶(SOD)采用氮蓝四唑(NBT)法测定。

1.3.4 渗透调节可溶性物质含量 脯氨酸含量采用茚三酮比色法测定;可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定;可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定;淀粉含量测定参照Zhao等[16]的方法。

1.4 数据统计与分析

运用软件SPSS 19.0分析数据差异显著性,图表数据值为均值±标准误,P<0.05表示差异显著,2个品种间各指标采用配对t检验法检验差异显著性(P<0.05),采用软件Origin 2017绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对烤烟生长的影响

从表1可以看出,与对照(CK)相比,干旱处理(D)显著降低2种烤烟的株高、比叶面积、各器官生物量及根冠比;红花大金元的株高、比叶面积、叶生物量分别降低66.68%、41.22%和54.77%;而云烟87的株高、比叶面积、叶生物量降幅达73.75%、53.41%、74.93%。与干旱处理(D)相比,外源硅(DS)、脱落酸(DA)及二者复合处理(DSA)均能提高2种烤烟的株高、比叶面积和总生物量,且DSA处理组增幅最大,其中红花大金元的株高、比叶面积和总生物量分别上升122.65%、43.22%和40.88%,而云烟87分别上升147.57%、106.86%和42.86%。

表1 不同处理对2种烤烟生长的影响Table 1 Effect of different treatments on the growth of two flue-cured tobacco varieties

2.2 不同处理对烤烟根系活力的影响

由图1可知,干旱处理(D)显著降低了2种烤烟的根系活力,与对照(CK)相比,红花大金元降低63.57%,云烟87降低71.07%。与干旱处理(D)相比,外源硅(DS)、脱落酸(DA)及二者复合处理(DSA)均能不同程度的提高2种烤烟的根系活力,其中DSA处理中红花大金元的根系活力增长最显著,显著提高47.48%。

H:红花大金元;Y:云烟87。不同小写字母表示红花大金元(H)不同处理组间差异显著(P<0.05),不同大写字母表示云烟87(Y)不同处理组间差异显著(P<0.05),*表示同一处理组下2个品种间差异显著(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.图1 不同处理对2种烤烟根系活力的影响Fig.1 Effect of different treatments on root activity of two flue-cured tobacco varieties

2.3 不同处理对烤烟光合色素的影响

从表2可知,与对照(CK)相比,干旱胁迫下云烟87的叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量分别降低64.47%、65.67%、64.74%和55.00%,降幅均显著大于红花大金元。与干旱处理(D)相比,外源硅(DS)、脱落酸处理(DA)及二者复合处理(DSA)均能提高2种烤烟的光合色素含量;其中,红花大金元以DSA处理效果最好,叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量较干旱处理(D)分别增加102.60%、76.90%、96.60%和65.50%;而云烟87以DS处理效果最好,其叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量较干旱处理(D)分别上升165.40%、186.60%、170.10%和132.40%。

表2 不同处理对2种烤烟光合色素的影响Table 2 Effect of different treatments on photosynthetic pigment contents of two flue-cured tobacco varieties

2.4 不同处理对烤烟丙二醛含量的影响

由图2可知,与对照(CK)相比,干旱处理(D)2种烤烟的MDA含量显著升高,t检验表明,干旱胁迫下云烟87的MDA含量显著高于红花大金元。与干旱处理(D)相比,外源硅(DS)、脱落酸(DA)及二者复合处理(DSA)均能不同程度的降低2种烤烟的MDA含量;其中DSA处理组中红花大金元的MDA含量显著降低72.80%;而云烟87的MDA含量在DS处理组中降幅最大,降低29.60%。

图2 不同处理对2种烤烟丙二醛含量的影响Fig.2 Effect of different treatments on MDA content of two flue-cured tobacco varieties

2.5 不同处理对烤烟抗氧化酶活性的影响

由图3可以看出,与对照(CK)相比,干旱处理(D)2种烤烟的APX、POD和CAT酶活性显著升高,而SOD酶活性显著降低,干旱胁迫下红花大金元的APX酶活性显著高于云烟87,且红花大金元的POD酶活性对干旱胁迫的反应更敏感,增幅达310.07%。与干旱处理(D)相比,外源硅处理(DS)、脱落酸处理(DA)及二者复合处理(DSA)均不同程度的降低2种烤烟的APX、POD和CAT酶活性,而SOD酶活性则均有不同程度的升高;其中DSA处理组中红花大金元的POD和CAT活性分别显著降低68.30%和57.20%;而云烟87的POD和CAT活性在DS处理组中降幅最大,分别降低32.20%和63.00%;红花大金元和云烟87的SOD酶活性在DSA处理组增长最显著,分别是干旱处理(D)的2.8和1.4倍。

图3 不同处理对2种烤烟抗氧化酶活性的影响Fig.3 Effect of different treatments on antioxidative enzyme activities of two flue-cured tobacco varieties

2.6 不同处理对烤烟渗透调节物质含量的影响

由图4可知,与对照(CK)相比,干旱处理(D)显著增加2种烤烟可溶性蛋白、可溶性糖和淀粉的积累。与干旱处理(D)相比,外源硅(DS)、脱落酸(DA)及二者复合处理(DSA)均不同程度的降低了2种烤烟可溶性蛋白、可溶性糖和淀粉的含量,其中DSA处理组对云烟87的作用效果最明显,较干旱处理(D)分别降低54.80%、34.30%和65.10%;外源硅、脱落酸及二者复合处理不同程度的增加了红花大金元的脯氨酸含量,而对云烟87的脯氨酸积累无显著影响。

图4 不同处理对2种烤烟渗透调节物质含量的影响Fig.4 Effect of different treatments on osmotic regulation substance content of two flue-cured tobacco varieties

3 讨 论

植物生长形态是对胁迫响应最直观的表现,根系活力作为一项综合指标,能体现植物根系的生长状况和吸收功能。本研究表明,干旱处理显著降低2种烤烟的各项生长指标及根系活力,且红花大金元受旱后的株高、比叶面积、叶生物量和根系活力降幅更小,说明此品种对干旱环境的适应性更强。前人研究表明,施用外源硅能提高干旱胁迫下植物的生长发育[17],本研究也证实施硅显著增加了干旱胁迫下2种烤烟的株高、比叶面积、总生物量和根系活力,其原因可能是硅能改变植物水通道基因表达以及木质部导管细胞壁表面的亲水性,使其表面形成由果胶、木质素、纤维素和糖蛋白组成的高吸水性胶体复合物[18],改善水分传导,从而提高植物对氮、磷、钾等营养物质的吸收,促进植株保持正常生长。本研究还表明,施用外源脱落酸能改善干旱胁迫下烤烟的生长状况,这在前人研究的甘薯(Dioscoreaesculenta)[19]、水稻(OryzasativaL.)[10]和小麦(TriticumaestivumL.)[20]等作物中也得到了相似的结果。本研究中,外源硅及脱落酸复合处理对干旱胁迫下烤烟生长的促进效果最好,说明本试验中该组合方式对缓解干旱胁迫下的烤烟生长具有协同效应。

叶片光合色素在一定程度上决定着植株的光合能力,大多数植物在干旱胁迫下叶绿素合成受阻[21-22]。本研究中,红花大金元光合色素含量受干旱胁迫的影响相比云烟87更小,结合2种烤烟生长情况,说明红花大金元抗旱性更好。同时,外源硅和脱落酸的施用可提高干旱胁迫下2种烤烟的光合色素含量,对红花大金元以二者复合处理效果最好,这与前人研究脱落酸可以通过增加干旱胁迫下植物光合色素含量及光合同化能力来提高生长的结果一致[23],而硅可以优化干旱胁迫下植物叶绿体中类囊体膜蛋白成分,在光能吸收转化中发挥作用,从而提高光合色素含量[7]。外源硅及脱落酸复合处理虽有效提高了干旱胁迫下云烟87的光合色素含量,但复合处理效果不如单独施硅,可能与施硅增强了干旱胁迫下云烟87的抗氧化能力有关[29],这说明外源物质的施用效果会受烤烟基因型影响。

本研究中,干旱处理使2种烤烟的MDA含量、APX、POD和CAT酶活性显著升高,说明干旱胁迫造成细胞膜脂过氧化,烟株应激增强抗氧化能力抵御干旱胁迫,红花大金元在干旱胁迫下MDA含量较低,APX和POD酶活性提升显著,表明此品种具有更好的活性氧清除能力。Maghsoudi等[24]研究表明,干旱胁迫下,外源硅能提高小麦的SOD和POD等重要抗氧化酶活性,从而提高植物耐旱性;Luo等[20]研究发现,脱落酸可提高植株抗氧化酶活性以维持其正常代谢功能,这与本研究结果不完全一致。研究表明,外源硅、脱落酸及二者复合处理均能不同程度的降低干旱胁迫下2种烤烟的MDA含量,同时APX、POD和CAT酶活性也下降,但SOD酶活性显著增加,且以复合处理组的SOD酶活性提升最显著,推测原因可能是硅及脱落酸参与保护细胞免受过氧化作用,降低丙二醛含量,保护质膜[25],能够通过调节抗氧化酶活性最终清除烟株体内的活性氧自由基和过氧化物,维持细胞内氧化还原水平稳定。

本研究中干旱胁迫诱导烤烟可溶性蛋白、可溶性糖和淀粉大幅提升,这可能是植物降低叶片细胞水势以适应干旱胁迫的一种方式[26]。此外,外源硅、脱落酸及二者复合处理均不同程度的降低了干旱下2种烤烟可溶性蛋白、可溶性糖和淀粉的含量,这与郑世英等[27]研究野生大豆(Glycinesoja)得出“不同浓度的外源硅处理均降低了干旱胁迫下植物的脯氨酸和可溶性糖含量”的结果相似,但与Mohammadi等[28]研究黑麦草(Loliumperenne)发现“干旱胁迫下施用外源脱落酸能增加植物的可溶性糖等渗透调节物质”的结果不同,原因可能是硅和脱落酸对干旱胁迫下的植物起到了保护作用,提高了植物水分利用效率,从而减轻了胁迫诱导的渗透调节响应程度,其更深层机理还需进一步研究。外源硅、脱落酸及二者复合处理不同程度的增加了干旱胁迫下红花大金元的脯氨酸含量,这与张环纬等[29]的研究“施用外源硅有效提高了干旱胁迫下烤烟幼苗叶片脯氨酸含量”相一致,原因可能是硅能诱导丙氨酸和谷氨酸合成,促进渗透调节物质增加以缓解干旱胁迫对植物的影响[11],而外源脱落酸可以触发植株体内脯氨酸生物合成基因(At-P5s,At-P5R)的表达[30]。

4 结 论

干旱胁迫显著抑制了2种烤烟的生长发育、根系活力和叶绿素合成,但对烟株的抗氧化酶活性和可溶性渗透调节物质有一定的促进作用。外源硅及脱落酸处理均能不同程度缓解2种烤烟的干旱胁迫,促进干旱下2种烤烟的长势。其中,外源硅及脱落酸复合处理对提高红花大金元的抗旱性效果最好,可显著增加干旱胁迫下烟株的根系活力、光合色素含量及其抗氧化酶活性;而外源硅处理对提高云烟87的抗旱性效果最好,可显著提高干旱胁迫下烟株的叶绿素含量及抗氧化能力。两个品种比较而言,红花大金元的生长状况、根系活力和光合色素含量受干旱胁迫影响较小,抗氧化能力更好,应对干旱环境表现出更强的适应能力,且对外源硅及脱落酸复合施用的响应更强。