低鉀脅迫下干旱對烤煙幼苗生理特性及鉀含量的影響

石秋環,徐高強,代曉燕,張銅津,陳培鈺

(1.河南省煙草公司洛陽市公司,河南 洛陽 471023;2.福建金閩再造煙葉發展有限公司,福建 福州 350600;3.河南農業大學煙草學院/煙草行業煙草栽培重點實驗室,河南 鄭州 450002)

鉀作為必需營養元素和品質元素[1-2],參與了植物生長發育和光合作用等重要生理活動[3-4],低鉀脅迫會顯著影響煙草幼苗的生長發育、鉀吸收及煙株生長后期產量和質量的形成[5]。全球氣候變化增加了非生物脅迫的風險,其中干旱是限制作物產量的重要環境因素,會造成烤煙生理和生化上的變化,影響其增產潛力[6]。干旱脅迫可通過影響離子吸收和酶活性影響烤煙生長,過度干旱還會降低土壤水勢,導致根部吸水受阻,抑制煙株對鉀的吸收[7]。我國黃淮、西南等主要煙草種植區的煙草幼苗常遭受干旱脅迫的影響[8],而鉀具有增強植物氣孔運動[9]、調節蒸騰作用[10]、提高作物滲透調節能力[11]、減少干旱下活性氧積累[12]、提高植物吸水和保水能力[13]等作用,能夠有效提高干旱脅迫下煙草幼苗的存活率。

鉀含量是國際上考量煙葉質量的一項重要指標,鉀含量高的煙葉具有色澤桔黃、香氣量足、吃味好、填充性強等優點[14]。美國和和津巴布韋的煙葉鉀含量多介于4%～6%[15],但我國的煙葉鉀含量偏低,僅為1%～2%[16]。河南煙區作為黃淮煙區的重要組成部分,每年產煙葉大于1億kg,煙草產業對河南經濟發展有至關重要的作用[17]。但近年來由于干旱頻發、土壤供鉀能力不足及鉀肥利用率低等問題困擾,該煙區煙草生產面臨干旱和鉀營養不足的雙重脅迫,煙葉鉀含量僅為1.5%左右,煙草品質下降[17-18],嚴重制約了河南煙區烤煙生產的優質化和高效化。如何提高干旱脅迫下煙株鉀含量成為目前亟待解決的問題。基于此,本試驗采用室內水培法,研究低鉀脅迫下不同干旱程度對煙草幼苗生理特性及鉀吸收的影響,探討低鉀脅迫下不同干旱程度與植株耐低鉀能力和發揮生理功能的關系,以期為烤煙抗逆提鉀栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料及其培養

試驗于2021年在河南農業大學煙草行業煙草栽培重點實驗室進行,以煙草品種‘K326’(Nicotianatabacum‘K326’)為試驗材料。培育方法:用10%的H2O2浸泡煙草種子15 min后使用蒸餾水清洗,再將種子置于蒸餾水中浸泡8 h,點種于育種海綿上,出苗后選擇大小一致的煙苗移栽至裝有珍珠巖的小黑盆中,每日補充Hoagland全營養液,并置于人工氣候箱(RXZ型,寧波江南儀器廠)中培養。人工氣候箱參數設置如下:白天溫度(28±2)℃,夜間溫度(18±2)℃,光照強度4 000 lx,光周期14 h,相對濕度65%～70%。

1.2 試驗處理

當煙苗長至3片真葉時,選擇長勢均勻的煙苗,分別置于不同鉀水平和PEG-6000(聚乙二醇6000,天津市科密歐化學試劑有限公司)濃度的Hoagland全營養液中處理8 d。試驗為雙因素試驗,分別設低鉀(0.15 mmol·L-1,LK)和常鉀(5.00 mmol·L-1,CK) 2個鉀水平[19],0、5%、10%、15%、20%共5個PEG-6000濃度,以Hoagland全營養液配制。培養期間使用充氣泵每日通氣8 h,處理8 d后取樣測定相關指標,pH調節至6.5～7.0,每處理15個生物學重復。

1.3 測試指標和方法

1.3.1 地上部及根系干、鮮質量測定 分別取煙株地上部及根系稱量鮮質量,置于烘箱105℃殺青15 min后,65℃烘干至恒重,分別測定干質量。

1.3.2 煙株脅迫相關的生理指標測定

(1)葉片可溶性蛋白含量:取煙株自上而下第2、3葉位葉片(整片,下同),采用考馬斯亮藍G-250比色法測定葉片中的可溶性蛋白含量[20]。

(2)根系活力:取烤煙根尖部位0.5 g樣品,采用TTC(氯化三苯基四氮唑)法測定根系活力[21]。

(3)細胞電導率:取葉片鮮樣6份,各0.1 g,放進50 mL離心管,加入10 mL蒸餾水后室溫下浸泡12 h,采用電導率儀 (DDS-307型,上海儀電科學儀器股份有限公司) 測定提取液電導率R1,沸水浴加熱30 min,冷卻搖勻后測定提取液電導率R2,相對電導率=R1/R2×100%[22]。

(2)學生明確測試的自變量(測試橋的結構)，控制無關變量(橋的長度、跨度)，掌握科學的實驗方法，對實驗過程作好記錄。

(4)葉片活性氧積累量:利用H2O2與硫酸鈦生成黃色的過氧化鈦復合物在415 nm有特征吸收的原理測定植株葉片中H2O2含量,根據試劑盒(南京建成生物工程研究所)使用步驟檢測;同理測定超氧陰離子含量。

(5)葉片丙二醛含量:采用TBA(硫代巴比妥酸)法測定丙二醛(MDA)含量[21]。

(6)葉片抗氧化酶活性:采用核黃素-NBT法測定煙葉超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[22]。

1.3.3 煙株光合指標測定 每處理選6株長勢均勻一致的煙株,于9∶00—11∶00用光合儀(CIRAS-3,英國漢莎科學儀器公司)測定煙株第3片真葉的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、水汽壓飽和虧、水分利用率等光合參數,測定環境條件嚴格控制,其中光強(PAR)設定為1 000 μmol·m-2·s-1,CO2摩爾分數為390 μmol·mol-1,溫度為25℃。

1.3.4 煙株各部位鉀含量測定 將1.3.1中所述烘干樣品研磨粉碎并過0.2 mm篩后,精確稱量0.1000 g,采用1 mmol·L-1鹽酸浸提[23]后,使用火焰光度計(FP 640,上海奧析科學儀器有限公司)分別測定煙株地上部和根系中的鉀含量。

1.4 數據處理

2 結果與分析

2.1 鉀水平和PEG脅迫對煙株生長發育及脅迫相關生理特性的影響

2.1.1 煙株地上部及根系的干、鮮質量 由圖1可知,PEG濃度、供鉀水平和兩者互作對煙株地上部和根系干、鮮質量影響均顯著(P<0.05)。相同PEG-6000濃度下,常鉀水平(CK)煙株的地上部及根系干、鮮質量整體上高于低鉀水平(LK)。常鉀水平下,隨著干旱程度的加劇,煙株干、鮮質量整體表現為先增加后降低的趨勢(地上部鮮質量除外),均在PEG-6000為10%時達到最大值。低鉀水平下添加PEG-6000后,煙株地上部鮮質量和根系干、鮮質量均顯著下降,而地上部干質量則在PEG-6000濃度為10%時相對較高。

2.1.2 煙株脅迫相關的生理特性 由圖2可知,PEG濃度及供鉀水平對煙株葉片可溶性蛋白含量、根系活力、相對電導率和抗氧化酶活性的影響顯著,而兩者交互作用影響不顯著。如圖2A所示,除20% PEG-6000外,低鉀水平下各PEG-6000濃度處理的煙葉可溶性蛋白含量顯著高于常鉀水平;隨著干旱程度的加劇,2個鉀水平下的葉片可溶性蛋白含量均呈現先增加后降低的趨勢,且均在PEG-6000濃度為10%時達到最大值。由圖2B可知,低鉀水平根系活力低于常鉀水平,且0、10%、15% PEG-6000濃度下兩者差異均達顯著水平;兩種鉀水平下,根系活力均隨PEG-6000濃度的增加表現為先增加后降低,且均在PEG-6000濃度為10%時達最大值。

注:不同小寫字母表示處理之間在P<0.05水平差異顯著;PEG、K+和PEG×K+分別表示PEG濃度、供鉀水平和PEG濃度×供鉀水平(二者交互作用),P<0.05表示該因素對指標影響顯著,P>0.05表示影響不顯著。下同。

如圖2C所示,低鉀水平下煙株葉片的相對電導率均高于常鉀水平,且兩者差異達到顯著水平(15% PEG-6000處理除外)。兩種鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加(即干旱程度的加劇),葉片的相對電導率逐漸上升,且均在PEG-6000濃度為20%處達到最大值。低鉀水平下,隨PEG-6000濃度的上升,葉片的相對電導率分別顯著增加了20.45%、39.24%、24.66%和108.55%。

如圖2D、2E、2F可知,在相同PEG-6000濃度處理下,低鉀水平的葉片抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性均高于常鉀水平。在相同鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的上升,3種抗氧化酶活性整體均呈先增加后降低的趨勢。低鉀水平下,SOD活性在PEG-6000濃度為10%時最大,較PEG濃度0、15%、20%處理分別顯著增加35.17%、14.97%和17.28%(圖2D)。

低鉀水平下,添加PEG-6000處理的POD活性與PEG 0處理相比差異均達到顯著水平,其中,以PEG-6000濃度為5%和10%的增幅最大,分別為137.89%和120.26%(圖2E)。CAT活性與SOD活性的變化規律類似,兩種鉀水平下均在PEG-6000濃度為10%處達到最大值,且PEG-6000濃度10%處理的CAT活性顯著高于其他處理(PEG-6000濃度為5%除外)(圖2F)。

2.1.3 烤煙葉片活性氧含量 如圖3所示,PEG濃度、供鉀水平及二者交互作用對煙株葉片活性氧含量影響顯著。相同PEG-6000濃度下,低鉀水平活性氧含量較常鉀水平顯著提高。常鉀水平下,PEG-6000濃度5%、10%、15%和20%處理的葉片過氧化氫含量較PEG 0處理分別顯著增加了78.78%、153.60%、164.21%和208.48%;低鉀水平下分別顯著增加了34.53%、85.61%、128.85%和297.61%(圖3A)。超氧陰離子的變化趨勢與過氧化氫相似,即在相同鉀水平下,PEG-6000處理后煙葉超氧陰離子含量均顯著增加。常鉀水平下,隨PEG濃度增加,PEG-6000處理的煙葉超氧陰離子含量較PEG 0處理分別增加了96.70%、169.73%、188.12%和312.26%;低鉀水平下分別顯著增加了67.38%、90.56%、154.55%和206.24%。

圖2 鉀和PEG處理對煙株脅迫相關生理指標的影響

圖3 鉀和PEG處理對烤煙葉片活性氧含量的影響

2.1.4 烤煙葉片丙二醛含量 如圖4所示,PEG濃度和供鉀水平對煙株葉片丙二醛含量影響顯著。葉片丙二醛含量在低鉀水平下顯著高于常鉀水平。

圖4 鉀和PEG處理對烤煙葉片丙二醛含量的影響

無論何種鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加,煙株葉片丙二醛含量均呈現逐漸升高的趨勢,其中常鉀水平下,10%、15%、20% PEG-6000處理與PEG 0處理相比分別顯著增加了26.34%、81.52%和88.77%;低鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加,各PEG處理與PEG 0處理相比依次增加了10.98%、17.48%、60.20%和69.80%。

2.2 鉀水平和PEG脅迫對烤煙葉片光合特性的影響

如圖5所示,PEG濃度、供鉀水平和PEG濃度×供鉀水平對煙株各光合特性指標的影響顯著。相同PEG-6000濃度下,常鉀水平幼苗葉片的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、水分利用率整體高于低鉀水平,而葉片的胞間CO2濃度(PEG 0處理除外)和水汽壓飽和虧則低于低鉀水平。常鉀水平下,除胞間CO2濃度和水汽壓飽和虧外,其余光合特性指標均隨著干旱程度的加劇呈先增加后降低趨勢,且在PEG-6000濃度為10%時達到最大值,與PEG 0相比,凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、水分利用率分別增加了27.87%(圖5A)、73.68%(圖5B)、37.50%(圖5C)、78.57%(圖5D)。低鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加,光合特性指標(胞間CO2濃度和水汽壓飽和虧除外)均呈逐漸降低的趨勢,且均與PEG 0間差異顯著(5% PEG-6000處理的凈光合速率和蒸騰速率除外),其中各PEG-6000處理的凈光合速率較PEG 0處理分別降低14.00%、26.00%、42.00%和58.00%,氣孔導度分別顯著降低20.97%、24.19%、37.10%和41.94%,蒸騰速率分別降低14.29%、32.14%、42.86%、57.14%,水分利用率分別顯著降低15.48%、22.62%、34.52%、36.90%。

常鉀水平下,隨著干旱程度的加重,葉片的胞間CO2濃度呈現逐漸降低的趨勢,且與PEG 0差異達到顯著水平;低鉀水平下規律則相反,即隨著PEG-6000濃度的增加,葉片胞間CO2濃度逐漸增加,且除5% PEG-6000濃度外,其余濃度處理均顯著高于PEG 0(圖5E)。常鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加,葉片的水汽壓飽和虧表現為先降低后升高的趨勢,在PEG-6000濃度為10%時達到最低值;低鉀水平下葉片的水汽壓飽和虧則隨著干旱程度的加劇呈現逐漸上升的趨勢,與PEG 0處理相比分別顯著增加了21.05%、47.37%、68.42%、62.11%(圖5F)。

2.3 鉀水平和PEG脅迫對煙株鉀素含量的影響

由表1可知,鉀水平和PEG-6000濃度以及兩者交互作用3個因素均顯著影響植株地上部和根系鉀含量,其中PEG-6000濃度對地上部和根系鉀含量的貢獻率均為最大,分別為75.35%和64.90%;其次是鉀水平,貢獻率分別達到21.06%和34.17%;兩者交互作用對鉀含量的貢獻率最低。

如圖6所示,在相同PEG-6000濃度下,常鉀水平地上部和根系鉀素含量均高于低鉀水平。常鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加,PEG處理地上部鉀含量較PEG 0依次顯著降低了25.00%、28.85%、32.97%和40.66%;根系鉀含量依次顯著降低了39.67%、45.52%、53.76%和63.44%。低鉀水平下,隨PEG-6000濃度的增加,地上部鉀含量與PEG 0相比分別顯著降低了14.39%、22.81%、31.23%和34.39%(圖6A);根系鉀含量分別顯著降低了52.24%、57.84%、69.96%和76.49%(圖6B)。各PEG-6000濃度處理低鉀條件地上部鉀含量較PEG 0處理降低幅度均小于常鉀水平,根系鉀含量則相反。

表1 鉀和PEG處理對煙株地上部和根系鉀含量影響的方差分析

3 討 論

本研究表明,低鉀脅迫下,不同干旱程度對煙株生長發育有不同影響。在常鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加,煙株地上部及根系干、鮮質量整體上呈先升高后降低的趨勢;相較于常鉀水平,低鉀水平下煙株地上部及根系干、鮮質量均有明顯降低,這與曹芳等[24]研究結果一致。本研究還表明,常鉀水平下,PEG-6000濃度10%最利于煙株各部位干物質積累,這說明適當的干旱條件可對煙苗起到逆境鍛煉的作用。根系活力和可溶性蛋白含量與植物代謝狀況密切相關[25-26]。本研究中常規鉀和低鉀水平下,煙株葉片可溶性蛋白含量、根系活力均隨干旱程度的加劇呈先上升后下降的趨勢,說明煙株可通過提高可溶性蛋白含量以增強細胞持水力[27]和提高根系活力以增強根系吸水能力兩種方式響應輕度干旱,而重度干旱下植物分解代謝大于合成作用[28],且根系伸長受到嚴重抑制[29],會導致可溶性蛋白含量和根系活力下降。此外,本研究發現,隨外界干旱程度的加劇,葉片抗氧化酶活性均表現先升高后降低的趨勢,而活性氧含量和丙二醛含量卻表現為逐漸升高,說明在一定的脅迫范圍內,煙株可通過提高自身的抗逆水平來應對干旱脅迫,當干旱程度進一步加劇時,植株的生長發育則會受到嚴重抑制,甚至死亡。

煙草為喜光作物,光合作用對其產量和品質的形成有重要影響[30]。鉀素水平與植物葉片的葉綠素含量密切相關,較高的K+濃度有利于維持葉綠體的光合作用[31]。本研究表明,常鉀水平下,植株葉片凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、水分利用率均隨著干旱脅迫程度的增加呈先升高后降低的趨勢,而低鉀脅迫下則表現為逐漸降低,說明植物葉片光合作用在受到低鉀和干旱雙重脅迫時會有一定程度的降低,這可能是氣孔和非氣孔因素的共同影響造成的[32]。鉀能夠參與滲透調節、促進植物氣孔運動,進而提高植株的干旱響應能力[33]。本研究發現,常鉀水平植株地上部及根系鉀素含量顯著高于低鉀處理,說明較高濃度的鉀水平可提高植株的耐旱性。兩種鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加,煙株地上部及根系的鉀素含量明顯降低;但低鉀水平地上部鉀含量降幅小于常鉀水平,根部鉀含量降幅則相反。可能是因為低鉀和干旱雙重脅迫下,煙株地上部可通過維持鉀含量來響應脅迫,故鉀含量降低幅度相對較小;而根系細胞受損嚴重,根系吸收養分能力大幅減弱,從而導致鉀含量降低幅度更大[34]。雙因素方差分析表明,干旱對幼苗期煙株吸鉀能力影響最大,其對地上部和根系鉀含量的貢獻率分別達到了75.35%和64.90%;其次是外界鉀水平,貢獻率分別達到了21.06%和34.17%;而二者交互作用的影響最小,可能原因是煙草幼苗期生長需鉀量較少[35],且煙草一般在苗期和大田前期較其他生育時期對干旱脅迫更為敏感[36],加之PEG濃度的增加對鉀含量產生抑制作用,鉀水平的提高對植株鉀含量的增加起到促進作用,二者相互拮抗,這也可能是導致干旱對煙株鉀含量貢獻率大、鉀水平和PEG-6000濃度二者交互作用對鉀含量貢獻率低的主要原因。結合生理特性指標,本研究認為常鉀水平下,適度的干旱脅迫可促進煙株生長發育及光合作用,但煙株地上部及根部鉀含量明顯降低,這種降低可能是因為煙株的長勢增強造成鉀含量“稀釋”導致的。低鉀水平下,干旱脅迫會抑制煙株生長發育、光合作用及鉀素營養的吸收,說明干旱會加重低鉀脅迫的效果,這在一定程度上與植株能通過鉀饑餓促進自身對水分的吸收和鉀有利于提高植物耐旱性的結論一致[37],但干旱脅迫影響低鉀條件下植株生長發育及鉀吸收的分子機理有待進一步研究。

4 結 論

煙草幼苗期干旱、低鉀及其復合脅迫會造成煙草干、鮮質量降低,根系活力減弱,凈光合速率、氣孔導度等光合性能下降,可溶性蛋白含量、相對電導率等膜透性指標增大,SOD、CAT等抗氧化酶活性增強,抑制煙株正常生理功能,導致地上部和根系鉀含量顯著下降。其中,常鉀水平下10% PEG-6000濃度脅迫對煙草生理功能的影響最小,低鉀水平和20% PEG-6000濃度復合脅迫的影響大于低鉀和干旱單一脅迫。