干旱脅迫下TS-PAA保水劑對雪茄煙生長發育和光合特性的影響

王方玲， 張明月， 周亞茹， 管慶林， 李欣燕， 鐘秋， 趙銘欽*

（1.河南農業大學煙草學院，鄭州 450002；2.四川省煙草公司德陽市公司，四川 德陽 618000）

雪茄煙是一類全部由煙葉卷制的吸食煙卷［1］，具有醇厚豐滿的香吃味和卷危害小的特點，有良好的發展前景。但雪茄生長環境受氣候條件、土壤條件、種植技術等限制［2］，目前適宜種植雪茄的地區較少，僅集中在年降水量大于800 mm的海南、四川、湖北和浙江等地區［3］。大田生長期的水分條件成為生產優質雪茄煙原料和確定優質雪茄煙產區的主要限制因素之一［4］。干旱脅迫抑制植物生長：一方面通過降低光合作用來影響植物生長；另一方面通過造成植株自身氧化損傷來阻礙植株生長。缺水造成植物葉片光合色素和類囊體膜受損，葉綠素含量降低［5］。輕度干旱情況下氣孔關閉，二氧化碳有效性降低，蒸騰作用減弱［6］，同化物供應減少［7-8］。重度干旱條件下植物細胞收縮、細胞質粘稠，造成蛋白質變性和離子毒害，抑制光合作用相關酶活性來降低光合速率，影響植株生長［9］。此外，干旱導致的磷酸化作用減弱和ATP合成受損也是降低光合作用，造成植物生長受阻的主要因素［10］。干旱導致植物葉片中活性氧物質的大量產生和積累［11］，造成植物細胞氧化還原電位的變化，導致膜酯、蛋白質的氧化，進而造成植物細胞死亡［10］。為清除多余的活性氧物質，植物自身酶促抗氧化系統和非酶促抗氧化系統的平衡被破壞［12］，造成代謝紊亂進而影響植株的生長發育。因此，研究節水措施在雪茄煙栽培上的應用，對于優質雪茄煙煙葉的生產，特別是對提高降水量較小、相對干旱產區的煙葉品質具有重大意義。

保水劑是一類具有高吸水速度、高吸水保水性能的高分子聚合物［13］，常作為化學調控節水措施被廣泛應用于農林生產生活上［14-15］。Zhao等［16］研究表明，保水劑加入土壤后，一方面除通過吸水-保水-釋水過程提供給植物最容易吸收的水分外，其結構表面上的陰陽離子還具有吸附和離子交換等作用，可顯著提高肥料和農藥等農化產品利用效率，從而展現出良好的節水保肥作用；另一方面，保水劑吸水溶脹后能增加土壤團聚體數量，降低土壤容重，提高土壤水分，改善土壤固、液、氣比例，促進作物生長。除此之外，保水劑的施用還能調節植物自身抗旱效應，通過改善土壤環境促進植株根系發育、葉片光合作用和增加植物體內抗逆性酶來刺激植株抗旱響應機制，從而促進植株生長發育［17］。目前已有保水劑應用于烤煙［18］、小麥［19］、麻竹［20］、甜菜［21］等作物的研究，但干旱脅迫下施加保水劑對雪茄煙生長發育的生理調控機制和光合特性的研究還鮮有報道。本研究以德雪三號雪茄煙為供驗材料，通過向土壤中添加不同用量的自制TS-PAA保水劑并進行干旱處理，探討了TS-PAA保水劑對土壤含水率及雪茄煙生長發育和光合特性的影響，旨在明確干旱脅迫下保水劑對雪茄煙生長發育的生理調控機制，為干旱地區保水劑應用于優質雪茄煙的栽培提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

TS-PAA保水劑的制備：在河南農業大學許昌校區科教園區采集煙稈（tobacco stalk，TS），磨碎過120目篩，于10% NaOH溶液中95℃加熱2 h，倒掉上清液留下層混合物，用NaClO∶H2O2=3∶4的漂白液漂白后用蒸餾水洗至pH為中性，抽濾，濾渣烘干過120目備用。分別配制中和度為80%的丙烯酸鉀（potassium acrylate，AA）溶液，0.02 g·mL-1的 N，N-亞 甲 基 雙 丙 烯 酰 胺（N，N′-methylenebisacrylamide，MBA）、2，2-二甲氧基-2-苯 基 苯 乙 酮（2，2-dimethoxy-2-phenylacetophenone，BDK）、過 硫 酸 銨（ammonium persulfate，APS）溶液。按照 AA∶MBA∶BDK∶APS∶TS=100∶0.07∶1.13∶0.30∶30的質量比例，在燒杯中混合均勻后于預熱好的紫外燈（波長365 nm）下輻射反應180 s。將合成的聚合物在乙醇中浸泡12 h，取出水凝膠于烘箱中65℃烘干至恒重，粉碎過60目篩，得到TS-PAA保水劑。

1.2 試驗設計

雪茄煙盆栽試驗于2020年6—8月在河南農業大學許昌校區現代煙草農業科教園區育苗棚開展。試驗品種為德雪三號，采用無孔塑料盆進行盆栽試驗，盆高12 cm，內徑18 cm，裝土2.5 kg。根據前期預備試驗，本研究設置TSPAA保水劑的添加比例為土壤干重的0%（CK）、0.08%（T1）、0.16%（T2）、0.24%（T3）、0.32%（T4），共5個梯度。將保水劑與肥料、土壤混合均勻裝盆。每盆植煙1株，每處理重復30盆，共計150盆。于2020年6月7日移栽，移栽后每盆定量澆足還苗水3 000 mL，以后每2 d澆水一次，每次澆水500 mL，30 d后停止澆水，進行斷水處理，并分別于斷水后3、6、9、12 d時選取煙株從上往下數第5片完全展開葉片進行各項生理指標的測定。

1.3 測試指標和方法

1.3.1 土壤含水率 采用便攜式土壤水分快速檢測儀（MH-TSJ，浙江邁煌科技公司生產）測定土壤含水率，測量時離煙株相同的距離垂直將傳感器探頭全部插入土壤。

1.3.2 根系活力 根系洗凈后取根系末端的白嫩根作為測定材料，采用氯化三苯基四氮唑（triphenyltetrazolium chloride，TTC）法測定根系活力［22］。

1.3.3 煙株地上部及根系的鮮重和干重 分離煙株地上部和根系，鮮重測定后置于電熱恒溫鼓風干燥箱（101-3型，北京中興偉業儀器有限公司生產）中，105℃殺青15 min，60℃烘干至恒重，稱重。

1.3.4 葉片活性氧含量 過氧化氫（hydrogen peroxide，H2O2）和超氧陰離子（superoxide anion，）含量分別用相應的試劑盒（北京索萊寶科技有限公司）按照說明書測定。

1.3.5 抗逆性酶活性和丙二醛含量 超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）活性和丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量分別用相應的試劑盒（北京索萊寶科技有限公司）按照說明書測定。

1.3.6 可溶性蛋白含量 采用考馬斯亮藍G-250比色法測定可溶性蛋白含量［22］。

1.3.7 光合色素含量 采用乙醇浸提法測定斷水3 d時葉片光合色素含量［23］。

1.3.8 光合特性 斷水3 d時，用LI-6400型便攜式光合儀（美國LI-COR公司生產）避開主脈測定葉片凈光合速率（net photosynthetic rate,Pn）、蒸騰速率（transpiration rate,Tr）、氣孔導度（stomatal conductance,Gs）、水 分 利 用 效 率（water use efficiency,WUE）、胞間CO2濃度（intercellular CO2concentration，Ci）和葉面水氣壓虧缺（foliar water pressure deficit,VPD）等參數。

1.4 數據處理

采用Excel 2010進行數據整理，SPSS 21.0進行數據統計分析，GraphPad Prism（V8.0.2）進行作圖。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下不同用量TS-PAA保水劑對土壤含水率的影響

如圖1所示，與CK相比，干旱脅迫下添加保水劑的處理均提高了土壤含水率，且土壤含水率隨保水劑用量的增加而增加，各處理在各個取樣時期土壤含水率的大小順序均為T4＞T3＞T2＞T1＞CK。可見，TS-PAA保水劑的加入提高了土壤含水率。T4處理的土壤含水率在各取樣時期均達到最高，較CK分別提高了43.65%、53.05%、64.89%、52.50%，T2、T3、T4處理與CK相比在各個取樣時期的差異均達到顯著水平（P＜0.05），說明該保水劑用量較大時更有利于增強土壤的保水效果。本研究表明，在干旱脅迫下，以T4（0.32%）處理的TS-PAA保水劑用量提高土壤含水率效果最佳。

圖1 干旱脅迫下不同用量保水劑對土壤含水率的影響Fig.1 Effect of different dosages of water-retaining agent on soil moisture content under drought stress

2.2 干旱脅迫下不同用量TS-PAA保水劑對雪茄煙生長發育的影響

2.2.1 根系活力 干旱脅迫下不同用量的TSPAA保水劑對雪茄煙根系活力的影響如圖2所示。隨著干旱脅迫程度加劇，雪茄煙根系活力整體呈現降低趨勢。與CK相比，添加TS-PAA保水劑的處理提高了根系活力。T4處理在整個斷水處理期間根系活力較高，較CK分別提高了34.90%、64.68%、53.90%、37.83%，表現出良好的作用效果。T2、T4處理與CK在各個取樣時期的根系活力差異顯著（P＜0.05），除干旱12 d外，T3與CK在其他處理時期的根系活力差異均達到顯著水平（P＜0.05），T1處理與CK僅在干旱3、6 d時的根系活力差異顯著（P＜0.05）。添加保水劑處理間的根系活力，除干旱脅迫12 d外，T4與T1、T2處理在其他各個取樣時期均達到顯著水平（P＜0.05），T3處理在干旱脅迫3、6 d時與T1、T2處理差異顯著（P＜0.05），T3、T4處理在干旱脅迫9 d時差異顯著（P＜0.05）。結果表明，干旱脅迫下，添加TS-PAA保水劑提高了雪茄煙的根系活力，但不同用量的作用效果不同，以T3（0.24%）、T4（0.32%）處理的保水劑用量效果更好。

圖2 干旱脅迫下不同用量保水劑對雪茄煙根系活力的影響Fig.2 Effect of different dosages of water-retaining agent on cigar root activity under drought stress

2.2.2 地上部及根系的鮮重和干重 圖3結果顯示，添加TS-PAA保水劑的處理提高了雪茄煙地上部及根系生物量，且T2、T3、T4處理地上部及根系鮮干重均顯著高于CK（P＜0.05）。T4處理在各個取樣時期地上部鮮干重均大于其他處理，且與其他添加保水劑的處理差異均達到顯著水平（P＜0.05）。T4與T1處理根系鮮重和干重在各個取樣時期差異均達到顯著水平（P＜0.05），與T3僅在干旱處理3 d時的根系鮮重差異顯著（P＜0.05），在其他各個取樣時期根系鮮干重差異均不顯著。在本研究中，T3、T4處理根系鮮干重差異不顯著，但地上部鮮干重在各個取樣時期差異均達到顯著水平且以T4處理最佳（P＜0.05）。由于煙草作為以葉片為收獲對象的作物，本研究以T4（0.32%）處理的保水劑用量對雪茄煙生長發育促進作用最佳。

圖3 干旱脅迫下不同用量保水劑對雪茄煙地上部及根系鮮重和干重的影響Fig.3 Effect of different dosages of water-retaining agent on the fresh and dry weights of the shoots and roots of cigar under drought stress

2.3 干旱脅迫下不同用量TS-PAA保水劑對雪茄煙生理特性的影響

2.3.1 雪茄煙葉片活性氧含量 圖4顯示，雪茄煙葉片過氧化氫和超氧陰離子含量隨干旱脅迫程度加劇而增加，施用TS-PAA保水劑可以降低過氧化氫和超氧陰離子含量。T2、T3、T4處理的過氧化氫含量在干旱脅迫9 d時最低，較CK分別降低了14.14%、16.51%和18.60%，在整個干旱處理期間，T2、T3、T4處理的過氧化氫含量與CK均達到顯著差異（P＜0.05），T3、T4處理過氧化氫含量整體保持在較低水平。在干旱脅迫3 d時，添加保水劑的所有處理的超氧陰離子的含量與CK差異均不顯著。與CK相比，隨著干旱脅迫的加劇，T2、T3、T4處理顯著降低了超氧陰離子含量且在干旱處理6 d時含量最低（P＜0.05），分別降低31.51%、35.68%、37.76%。可見，在干旱脅迫條件下，TS-PAA保水劑的施用有效降低了雪茄煙葉片中活性氧的積累，且高添加量的保水劑更有利于減輕干旱脅迫對煙株的損傷。本研究以T3（0.24%）、T4（0.32%）處理保水劑的用量效果更佳。

圖4 干旱脅迫下不同用量保水劑對雪茄煙葉片活性氧含量的影響Fig.4 Effect of different dosages of water-retaining agent on active oxygen content of cigar tobacco leaves under drought stress

2.3.2 雪茄煙葉片膜脂過氧化作用 SOD、POD、CAT和MDA是植物體內的抗逆性酶和膜酯過氧化產物，在逆境脅迫下起到重要的調節作用。圖5結果表明，3種抗逆性酶活性隨干旱脅迫時長的增加呈現先增加后降低趨勢，干旱脅迫下添加TS-PAA保水劑增強了雪茄煙抗逆性酶活性，MDA含量隨干旱脅迫時長的增加呈現上升趨勢，施用TS-PAA保水劑可以降低雪茄煙葉片MDA含量。SOD和POD酶活性變化趨勢一致，CK和T1處理在干旱脅迫6 d時酶活性最高，之后緩慢下降。T2、T3、T4處理則在干旱脅迫9 d時酶活性達到峰值。T3、T4處理在干旱脅迫各個時期的SOD和POD酶活性與CK差異顯著（P＜0.05）且均高于其他處理。各處理在斷水9 d時CAT酶活性達到最大，較CK分別增加了9.42%、8.32%、10.70%和15.18%，之后迅速下降。除干旱3 d外，T3、T4處理在干旱期間CAT酶活性均高于其他處理。CK與T1處理MDA含量變化趨勢一致，均逐漸增加。T3、T4處理MDA含量則隨著干旱脅迫加劇呈現先升高后降低再升高的趨勢，在干旱9 d時含量最低，且與CK差異均達到顯著水平（P＜0.05），但T3、T4處理之間差異不顯著。總體而言，干旱脅迫下施用TS-PAA保水劑提高了雪茄煙葉片的抗逆性酶活性，減輕了干旱脅迫對雪茄煙造成的傷害。本研究以T3（0.24%）、T4（0.32%）處理的保水劑用量效果較好。

圖5 干旱脅迫下不同用量保水劑對雪茄煙葉片膜酯過氧化作用的影響Fig.5 Effect of different dosages of water-retaining agent on membrane lipid peroxidation of cigar tobacco leaves under drought stress

2.3.3 雪茄煙葉片可溶性蛋白含量 由圖6可知，隨著干旱脅迫加劇，可溶性蛋白的含量呈現先升高后降低的趨勢，施用TS-PAA保水劑增加了雪茄煙葉片可溶性蛋白的含量。在斷水9 d時葉片可溶性蛋白含量達到峰值，CK、T1、T2、T3和T4處理分別為2.47、2.58、2.80、2.87和3.17 mg·kg-1，之后急劇下降。添加保水劑的處理可溶性蛋白含量均高于CK，除T1外，T2、T3、T4處理與CK差異均達到顯著水平（P＜0.05）,T3、T4處理僅在干旱9 d時差異顯著（P＜0.05）。說明TS-PAA的施用有利于可溶性蛋白含量的積累且高添加量的作用效果顯著，以T3（0.24%）、T4（0.32%）處理的作用效果更佳。

圖6 干旱脅迫下不同用量保水劑對雪茄煙葉片可溶性蛋白含量的影響Fig.6 Effect of different dosages of water-retaining agent on the soluble protein content of cigar tobacco leaves under drought stress

2.4 干旱脅迫下不同用量TS-PAA保水劑對雪茄煙光合特性的影響

2.4.1 雪茄煙葉片光合色素含量 葉綠素和類胡蘿卜素為光合系統中的重要色素，其含量直接影響光合特性和同化物的積累。表1顯示了干旱脅迫3 d時添加不同用量的TS-PAA保水劑對色素含量的影響，可以看出，T1處理的葉綠素a、葉綠素b含量與CK差異顯著（P＜0.05），T2、T3和T4處理的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量與CK差異顯著（P＜0.05）。所有添加保水劑的處理間的這5項指標含量差異均未達到顯著水平，以T3處理的葉綠素a的含量和葉綠素a/b最高，分別較CK高出34.82%和4.65%。可見，施用TS-PAA保水劑可以增加光合色素的含量，從施用成本考慮以T3（0.24%）處理的添加量最佳，既可減少保水劑的使用量也可以達到提高色素含量的效果。

表1 干旱脅迫下不同用量保水劑對雪茄葉片光合色素含量的影響Table 1 Effect of different amounts of water-retaining agent on photosynthetic pigment content of cigar leaves under drought stress

2.4.2 雪茄煙光合特性 不同用量TS-PAA保水劑在干旱脅迫3 d時對雪茄煙光合特性的影響見表2。Pn、Tr、Gs、WUE隨保水劑用量的增加呈現先增加后降低趨勢，T3處理的這4個指標均大于其他處理，較CK分別提高了25.48%、21.51%、140.00%、10.36%。Ci和VPD變化趨勢與其他指標變化趨勢相反，表現為隨保水劑用量的增加呈現先下降后增加趨勢。T2處理的Ci最低，較CK降低了13.27%。T3處理的VPD最低，較CK降低了23.71%。T3處理與CK和T4相比，除Ci外的其他5個指標差異均達到顯著水平（P＜0.05），與T2處理的Pn、Tr、Ci差異顯著（P＜0.05）。這說明，適量添加TS-PAA保水劑顯著提高了雪茄煙的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和水分利用效率，增強了雪茄煙的光合能力，為同化物的積累奠定基礎。本研究以T3（0.24%）處理的保水劑用量效果最好。

表2 干旱脅迫下不同用量保水劑對雪茄煙光合特性的影響Table 2 Effect of different dosages of water-retaining agent on photosynthetic characteristics of cigar under drought stress

3 討論

保水劑因其高吸水和保水性能顯著提高土壤水分、改善土壤理化性質［24］，添加生物質的復合保水劑賦予了保水劑更多的性能。張明月［25］研究表明，添加玉米皮、豆粕、菌糠等生物質合成的復合水凝膠不僅吸水率大大增加，而且對重金屬離子的吸附能力也顯著增強。程紅勝等［26］通過將生物炭基保水劑應用于油菜的研究表明，保水劑能夠有效增強土壤的保水持水性能，并增加植株生物量。也有研究表明，土壤含水率隨保水劑用量的增加而增加［27］。本研究表明，以煙稈（TS）為原料合成的TS-PAA保水劑，在提高土壤含水率方面效果顯著，隨著干旱脅迫的加劇，添加該保水劑的處理與CK相比均表現出良好的保水性能，且土壤含水率隨保水劑用量的增加而逐漸增加。保水劑能緩解干旱脅迫程度，改善煙株生長環境，從而促進植株生長發育，提高根系活力。本研究中，干旱脅迫下施用TS-PAA保水劑顯著提高了雪茄煙地上部及根系干鮮重和根系活力，且隨著干旱脅迫的加劇，施用該保水劑的處理作用效果更明顯。這可能是因為保水劑的施用改善了煙株根系土壤水分和養分情況［28］，這與劉迎超等［29］對烤煙根系活力和武毅等［30］對木本植物根系生物量的研究結果一致。

干旱脅迫下植物細胞內活性氧動態平衡狀態被打破，造成植株內抗氧化酶快速消耗或ROS的過量積累，造成膜的損傷和破壞［31-32］。在本研究中，施用保水劑顯著降低了干旱脅迫下烤煙幼苗葉片中的H2O2含量、超氧陰離子產生速率，且以施用較高TS-PAA保水劑的效果更佳。這說明TS-PAA保水劑能有效緩解干旱脅迫對雪茄煙葉片的氧化損傷作用，減輕活性氧對細胞膜的損害，保護膜結構的完整性。保水劑的施用能提高葉片SOD、POD、CAT酶活性，降低膜脂過氧化產物MDA含量。干旱脅迫造成葉片內MDA含量增加，抗逆性酶SOD、POD、CAT隨著干旱脅迫程度加深呈現先增加后降低趨勢［33］。張宇君等［34］通過在干旱脅迫下添加保水劑對白刺花的研究表明，施用不同劑量保水劑均能顯著降低干旱脅迫下白刺花MDA含量，提高抗逆性酶活性。本研究結果表明，添加TS-PAA保水劑均顯著提高了雪茄煙葉片抗逆性酶活性，且較大的添加量更有利于提高抗逆性酶活性，隨著干旱的加劇SOD、POD、CAT活性呈現先增加后降低趨勢，干旱脅迫12 d時抗逆性酶活性迅速降低，MDA含量達到最大值，這可能是干旱脅迫時間過長，煙株出現萎蔫甚至干枯造成植株不可逆的膜損傷，這與李佳等［35］對檳榔的研究結果相同。可溶性蛋白含量在一定程度上可以反映逆境脅迫下植物的新陳代謝，是衡量植物抗逆性的重要指標之一［36］。本研究表明，干旱脅迫下，施用TS-PAA保水劑顯著增加可溶性蛋白的含量，這與龐海穎等［37］探究保水劑對仁用杏和馬彥茹等［38］對棉花的研究結果一致。

葉綠素和光合作用是植物抗旱能力的重要指標之一［39-41］。有研究表明，干旱脅迫會導致葉綠素分解從而導致葉綠素含量降低［42］。也有研究表明，干旱脅迫會導致植株葉綠素結構破壞，導致色素含量降低，從而降低光合速率［43-44］。施欽等［45］研究表明，短時間或輕度干旱脅迫下，植物會通過關閉氣孔減少蒸騰速率來應對環境，但與此同時會減少CO2的攝取造成光合速率降低。本研究表明，干旱條件下，適量的TS-PAA保水劑能減輕干旱脅迫程度，增加光合色素含量，增強光合作用，提高光合利用率，但用量過大作用效果相反，這與楊永輝等［46］的研究結果一致。造成這種情況的原因可能是該保水劑結構富含親水基團，再加上煙稈纖維素上豐富的羥基，賦予TS-PAA保水劑更強的吸水保水能力，過量施用導致植煙土壤固液氣比例失調所致，史華等［47］的研究也支持這一觀點。從該保水劑的合成成本、資源合理利用以及調節煙株抗旱調節物質的效果等角度出發，本研究以T3處理（保水劑質量與土壤干重的比例為0.24%）的保水劑用量的效果最好。