鋁脅迫對烤煙生長和光合特性的影響

李淮源，劉柏林，鄧世媛，宋丹妮，周一葉，陳 佳，陳建軍

華南農業大學煙草研究室，廣州市天河區五山路483號 510642

鋁脅迫對烤煙生長和光合特性的影響

李淮源，劉柏林，鄧世媛，宋丹妮，周一葉，陳 佳，陳建軍*

華南農業大學煙草研究室，廣州市天河區五山路483號 510642

為明確酸性土壤條件下煙草遭受鋁毒害的生理機制，以烤煙為材料，采用水培盆栽試驗在營養液pH5．0條件下設置硫酸鋁濃度分別為0、50、250和500μmol·L-14個處理，研究了鋁脅迫對烤煙生長及光合特性的影響。結果表明：①烤煙在鋁脅迫條件下根系活力明顯降低；②根系鮮質量和干質量、莖葉生物量隨鋁處理濃度的升高而降低，且對烤煙根系生長的抑制效應大于對莖和葉的抑制效應；③鋁脅迫條件下烤煙株高、莖圍和單葉葉面積亦受到抑制，但對葉片長度與寬度的影響則不同，鋁脅迫處理對葉片伸長沒有明顯影響，而對葉寬的抑制效應明顯，導致受到鋁脅迫的烤煙煙葉葉片狹長；④鋁脅迫5 d時的烤煙葉綠素含量（質量分數）明顯增加，但鋁脅迫20 d時對其含量沒有產生明顯影響；⑤在50μmol·L-1（低濃度）鋁脅迫條件下，煙葉凈光合速率、氣孔導度及蒸騰速率升高，而在250和500μmol·L-1（高濃度）鋁脅迫條件下煙葉凈光合速率、氣孔導度及蒸騰速率明顯降低，鋁脅迫對煙葉胞間CO2濃度沒有明顯影響。

烤煙；鋁脅迫；農藝性狀；光合特性

鋁是土壤中含量最高的金屬元素［1］，但并非是植物生長發育所必需的營養元素［2］。通常情況下，鋁以鋁硅酸鹽或其氧化物的形式存在于土壤固相中，對植物無毒害。但在酸性土壤中，鋁以陽離子形式存在，被植物吸收后會引起一系列直接或間接的生理傷害，進而阻礙作物生長，最終導致作物產質量下降［3-4］。我國酸性土壤主要分布在長江以南地區［5］，而伴隨土壤酸化帶來的作物鋁毒害問題已成為農業資源環境領域關注的焦點之一［6］。目前我國南方酸性土壤的pH值在5.5以下，其中很大一部分小于5.0，甚至達到4.5，過度酸化土壤上作物易發生鋁毒害［5］。鋁毒害是酸性土壤中限制作物生長的主要因素之一［7］。雖然煙草是一種相對耐鋁植物［8］，但已有研究表明，植煙土壤鋁濃度過高會導致煙株矮小，發育不全，根系增粗［9］。目前植物耐鋁的研究大多集中在小麥［10-11］、水稻［12-14］、玉米［14-16］、大豆［14，17-18］等作物上，但有關鋁脅迫條件下煙草生長及光合特性方面的報道較少。因此，以烤煙為材料，采用水培盆栽試驗研究了鋁脅迫對煙草生長和光合作用的影響，旨在為揭示酸性土壤條件下的烤煙鋁毒害的生理機理，進而為制定有效的防治策略提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為烤煙（NicotianatabacumL.）新品系華煙06，試驗于2013年4月—6月在華南農業大學煙草基地進行。

硫酸鋁［Al2（SO4）3·18H2O］（分析純，天津市福晨化學試劑廠）；LI-6400便攜式光合儀（美國LICOR公司）。

1.2 試驗設計

采用水培試驗、完全隨機區組設計，共設置4個處理，分別為對照（CK）：不加硫酸鋁；A1：50 μmol·L-1硫酸鋁；A2：250μmol·L-1硫酸鋁；A 3：500μmol·L-1硫酸鋁。每處理10盆，每盆1株，重復3次，共計120株煙。種子經消毒后采用淺水育苗法育苗，煙苗長至七葉一心時，挑選整齊一致的煙苗，用蒸餾水洗凈根系，移栽于裝有Hoagland營養液的有蓋塑料桶（3.5 L/桶）中水培，塑料桶（上徑18 cm，下徑14 cm，高18 cm）內套黑色塑料袋。煙苗培養5 d后，按照試驗設計在營養液中加入硫酸鋁進行鋁脅迫處理，脅迫時間20 d。采用pH計測定營養液pH，滴加0.1mol·L-1H2SO4溶液將營養液pH調至5.0，每10 d更換一次營養液。每天用氣泵對溶液定時打氣15min。鋁脅迫處理后，每間隔5 d測定一次農藝性狀和葉綠素含量（質量分數），測定時間為上午9：00時，葉位為自上而下第4葉和第5葉。鋁脅迫20 d后，測定煙株的生物學產量、根系活力及光合特性。

1.3 測定項目與方法

按照YC/T 142—2010的方法測農藝性狀指標［19］；用乙醇-丙酮浸提法測葉綠素含量（質量分數）［20］；用TTC法［21］測根系活力；采用LI-6400便攜式光合儀測定凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）；用常規方法測定生物學產量［20］。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel、SPSS軟件，運用方差分析法進行數據處理；用單因素方差分析比較不同濃度鋁脅迫處理之間的差異性，采用鄧肯氏新復極差法進行差異顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 鋁脅迫對烤煙農藝性狀的影響

2.1.1 對煙株株高的影響

如圖1所示，鋁脅迫15 d內，各處理株高無顯著性差異，表明短時間鋁脅迫對煙株株高沒有明顯影響。鋁脅迫時間延長至20 d時株高顯著降低，A1、A2、A3處理比CK分別下降8.6%、16.3%和22.4%，隨著鋁處理濃度的增大株高下降幅度增加，說明鋁脅迫明顯抑制了煙株株高的增高。

圖1 鋁脅迫對煙株株高的影響Fig.1 Effectof A lstresson heightof tobacco plants

2.1.2 對煙株莖圍的影響

圖2表明，鋁脅迫5 d時，A3莖圍顯著小于其他處理，A1、A2處理與CK間沒有顯著差異，表明高濃度鋁在短時間內即對煙株莖圍增長產生了抑制作用。但鋁脅迫至10 d時，莖圍增長量卻隨著鋁脅迫濃度的增大呈增加趨勢，這可能是由于煙株對鋁脅迫產生的短期適應性所致。鋁脅迫20 d時，明顯抑制了煙株莖圍的增加，A1、A2和A3處理莖圍分別比CK減小3.3%、5.9%和15.5%，表明鋁脅迫對莖圍的抑制作用隨著脅迫時間的延長而增大。

圖2 鋁脅迫對煙株莖圍的影響Fig.2 EffectofAlstresson stalk circum ferenceof tobaccoplants

2.1.3 對煙株葉片生長的影響

從表1可以看出，在鋁脅迫條件下，雖然烤煙葉長有降低趨勢，但各處理間差異不顯著，表明鋁脅迫對葉片伸長沒有明顯的影響。鋁脅迫條件下，烤煙葉寬呈減小趨勢，且隨鋁脅迫濃度的升高葉寬減小幅度增大。統計分析（表1）表明，鋁脅迫5 d時，A 3葉寬與CK間差異達到顯著水平，其他處理間差異不顯著；鋁脅迫10 d時，各處理間差異均不顯著，烤煙煙苗表現出對鋁脅迫的短期適應性；鋁脅迫15 d后對烤煙葉寬的影響趨勢與鋁脅迫5 d時的表現相似，尤其是A3處理葉寬顯著低于CK，表明鋁濃度達到500μm ol·L-1時，烤煙葉寬受到鋁脅迫抑制效應明顯。計算結果表明，鋁脅迫20 d后CK、A1、A2和A3葉長與葉寬的比值分別為1.93、2.02、2.12和2.13，鋁脅迫導致烤煙葉片狹長。

從表1還可以看出，鋁脅迫對煙葉葉面積影響趨勢與對葉寬的影響相似。鋁脅迫處理的烤煙葉面積降低，尤其是脅迫15 d后A3處理葉面積顯著低于對照，表明鋁脅迫明顯抑制了葉面積的增加。

表1 鋁脅迫對煙草葉片生長的影響①Tab.1 Effectof Al stresson grow th of tobacco leaves

2.1.4 對烤煙生物學產量影響

由表2可見，鋁脅迫20 d對烤煙生物學產量的抑制影響隨鋁脅迫濃度的升高而加劇，根干質量和根鮮質量均呈下降或顯著下降趨勢。其中，A1、A2和A3處理根鮮質量分別下降30.0%、46.7%和55.3%，根干質量也分別下降18.3%、42.2%和46.6%。地上部分生物學產量變化趨勢與根系類似，莖葉干質量及其鮮質量均呈降低或顯著降低趨勢，其中A1、A2和A3處理莖葉鮮質量分別較對照下降23.2%、35.4%和43.4%，莖葉干質量也分別降低23.0%、36.5%和44.7%。同時，鋁脅迫條件下根系生物學產量下降幅度普遍大于莖和葉，表明酸性條件下鋁脅迫對烤煙根系的傷害明顯大于地上部。

表2 鋁脅迫對烤煙生物學產量的影響Tab.2 Effect of A lstresson biologicalyield of tobacco（g·株-1）

2.2 鋁脅迫對根系活力的影響

根系的活力水平和生長狀況直接影響作物地上部的生長、營養狀況及產量水平［10-11］。從圖3可以看出，鋁脅迫20 d后，隨著鋁脅迫程度的加劇，烤煙根系活力顯著降低。與對照比較，A1、A2和A3處理的根系活力分別下降36.78%、49.33%和62.34%，表明鋁脅迫對烤煙根系活力有明顯抑制作用。

圖3 鋁脅迫對根系活力的影響Fig.3 Effectof A l stresson rootvigor

2.3 鋁脅迫對烤煙光合作用特性的影響

2.3.1 對烤煙葉綠素含量的影響

葉綠素是與光合作用密切相關的一類重要色素，對光合作用有直接影響［2-3］。從圖4可以看出，鋁脅迫對烤煙葉片葉綠素含量有一定影響。鋁脅迫5 d時，各處理的煙葉葉綠素含量顯著高于對照；鋁脅迫10 d時，雖然鋁脅迫處理的煙葉葉綠素含量仍高于對照，但處理間差異不顯著，表明短時間內鋁脅迫在阻礙煙葉葉綠素合成的同時，也限制了煙株營養體的生長，葉綠素含量升高可能是因為鋁脅迫條件下煙株生長量減少而造成的濃縮效應所致。鋁脅迫15 d以后，各處理的煙葉葉綠素含量均低于對照，但差異不顯著，說明長時間鋁脅迫對煙葉葉綠素含量影響不明顯，可能是烤煙對鋁脅迫的一種適應性表現。

圖4 鋁脅迫對葉綠素含量的影響Fig.4 Effectof Al stresson chlorophyllcontent

2.3.2 對烤煙光合能力的影響

環境脅迫直接或間接影響光合作用過程，進而影響作物生長發育和產質量［1，17-18，22］。從表3可以看出，鋁脅迫對烤煙光合能力有明顯影響。與CK相比，A1處理的凈光合速率和氣孔導度分別增加24.78%和31.70%，且差異達到顯著水平，表明50μmol·L-1鋁脅迫對光合作用有促進作用；隨著鋁脅迫水平的進一步提高，烤煙凈光合速率和氣孔導度均降低，其中A3與CK間差異顯著。鋁脅迫條件下烤煙蒸騰速率變化也呈現出與凈光合速率相似的變化趨勢。雖然烤煙葉片胞間CO2濃度隨鋁濃度的增大而呈降低趨勢，但各處理間差異沒有達到顯著水平。

表3 鋁脅迫對煙草光合能力的影響Tab.3 Effect of A lstresson Photosynthetic of tobacco leaves

3 結論與討論

與其他金屬脅迫效果相似，鋁脅迫也限制了煙草的生長［23］。已有研究表明，鋁脅迫對植物的危害主要是通過抑制植物根系的生長，從而影響水分和養分的吸收，最終影響植物的生長發育和生物學產量［3，24］。本試驗結果表明：烤煙在鋁脅迫下根系活力明顯降低，表明根系吸收功能下降，直接影響煙株對營養的吸收，因而鋁脅迫條件下煙株根系鮮質量和干質量、莖葉生物學產量也隨之降低或顯著降低。莖葉生物產量降低幅度小于根系，表明鋁脅迫對烤煙根系生長的抑制效應大于莖和葉。這與俞慧娜等［18］以大豆為材料研究鋁脅迫的試驗結果一致。

在鋁脅迫條件下，作物農藝性狀的變化在一定程度上也直觀地表現出作物對不利環境的適應能力［25］。本試驗結果表明，鋁脅迫對煙苗株高、莖圍、單葉葉面積均有不同程度的抑制作用，抑制程度與鋁脅迫水平、脅迫時間長短有關，表明煙苗生長受到鋁脅迫的不利影響。值得注意的是，烤煙葉片長度與寬度對鋁脅迫的響應不同。鋁脅迫顯著地抑制葉片寬度增加，而對葉長無明顯影響，葉長與葉寬的比值增大導致煙葉葉片狹長，這與烤煙生產中種植在過酸性土壤（pH≤5.0）上的煙葉葉片狹長的現象相吻合。

煙苗生長過程葉綠素含量均增加，短期內鋁脅迫（5 d）煙苗葉綠素含量明顯增加，但鋁脅迫20 d時對其含量沒有明顯影響。這與Hiatt等［9］、楊振德等［26］分別以白肋煙、桉樹為材料的研究結果一致，但與應小芳等［17］、肖祥希等［22］、許玉鳳等［15］、石貴玉［13］等的鋁脅迫導致作物葉綠素含量明顯下降的研究結果不同，可能與試驗材料、方法以及處理時間長短的不同有關。

一般環境脅迫下，植物葉片氣孔導度下降，導致光合速率降低［1-3，27-28］。本研究結果表明，在低鋁脅迫水平（50μmol·L-1）下，烤煙葉片凈光合速率、氣孔導度及蒸騰速率反而升高，而在高鋁脅迫水平下（250和500μmol·L-1）才明顯降低，這可能是由于輕度鋁脅迫下煙苗為維持基本生理活動而發生的光合補償效應所致。無論鋁脅迫程度如何，鋁脅迫對煙葉胞間CO2濃度沒有明顯影響，這表明鋁脅迫主要是通過調節氣孔導度或者是氣孔開關來影響光合作用過程。高鋁脅迫水平下煙苗光合速率下降主要是由于氣孔導度下降所致，即氣孔因素影響，這與肖祥希等［22］和顧艷紅等［29］分別在龍眼、山茶上的研究結果類似。

總之，鋁脅迫通過抑制根系活力影響煙草的生長，表現出株高、莖圍和干物質積累均減小。同時，鋁脅迫對烤煙光合作用特性有明顯影響，高濃度鋁脅迫抑制光合作用主要是氣孔導度下降即氣孔因素所致。

［1］楊建立，何云峰，鄭紹建.植物耐鋁機理研究進展［J］.植物營養與肥料學報，2005，11（6）：836-845.

［2］潘瑞熾.植物生理學［M］.6版.北京：高等教育出版社，2008：28.

［3］趙天龍，解光寧，張曉霞，等.酸性土壤上植物應對鋁脅迫的過程與機制［J］.應用生態學報，2013，24（10）：3003-3011.

［4］Ryan P R，Tyerman S D，Sasaki T，etal.The identification of alum inium-resistance genes provides opportunities for enhancing crop production on acid soils［J］.Journal of Experimental Botany，2011，62（1）：9-20.

［5］Guo J H，Liu X J，Zhang Y，etal.Significant acidification in major Chinese croplands［J］.Science，2010，327（5968）：1008-1010.

［6］曾勇軍，周慶紅，呂偉生，等.土壤酸化對雙季早、晚稻產量的影響［J］.作物學報，2014，40（5）：899-907.

［7］吳坤，邢承華，饒玉春，等.外源NO對鋁毒下水稻根系生長和抗氧化系統的影響［J］.西北植物學報，2014，34（3）：536-542.

［8］劉強，鄭紹建，林咸永.植物適應鋁毒脅迫的生理及分子生物學機理［J］.應用生態學報，2004，15（9）：1641-1649.

［9］Hiatt A J，Ragland J L.Manganese toxicity of burley tobacco［J］.Agronomy Journal，1963，55（1）：47-49.

［10］楊野，王偉，劉輝，等.鋁脅迫對不同耐鋁小麥品種根伸長生長影響的研究［J］.植物營養與肥料學報，2010，16（3）：584-590.

［11］楊野.不同耐鋁型小麥品種耐鋁差異機理的研究［D］.武漢：華中農業大學，2011.

［12］丁海燕，溫丹妮，王苗全，等.水稻抗鋁機制的研究進展［J］.生命科學，2013，25（5）：532-537.

［13］石貴玉.鋁對水稻幼苗生長和生理的影響［J］.廣西植物，2004，24（1）：77-80.

［14］劉尼歌，莫丙波，嚴小龍，等.大豆和水稻對鋁脅迫響應的生理機制［J］.應用生態學報，2007，18（4）：853-858.

［15］許玉鳳，曹敏建，王文和，等.玉米自交系幼苗生理特性與耐鋁性之間的關系［J］.沈陽農業大學學報，2005，36（4）：479-481.

［16］曾巧英，王蘊波，楊泉女，等.不同濃度鋁脅迫對甜玉米幼苗生長的影響研究［J］.佛山科學技術學院學報：自然科學版，2009，27（2）：5-8.

［19］YC/T 142—2010煙草農藝性狀調查測量方法［S］.

［20］鄒琦.植物生理實驗指導［M］.北京：中國農業出版社，2000：36-39.

［21］陳建勛，王曉峰.植物生理學實驗指導［M］.廣州：華南理工大學出版社，2006：27-29.

［22］肖祥希，劉星輝，楊宗武，等.鋁脅迫對龍眼幼苗光合作用的影響［J］.熱帶作物學報，2005，26（1）：63-69.

［23］朱奎正，彭耀東，陳祝，等.β-氨基丁酸對銅脅迫下煙草生長的影響［J］.煙草科技，2015，48（4）：7-12.

［24］Kochian L V，Hoekenga O A，Pineros MA.Howdo crop plants tolerate acid soils?Mechanisms of alum inum tolerance and phosphorous efficiency［J］. Annual Reviewof Plant Biology，2004，55：459-493.

［25］楊梅，馬有志，閔東紅，等.小麥轉TaEBP基因株系抗旱特性分析［J］.干旱地區農業研究，2012，30（2）：62-67.

［26］楊振德，方小榮，牟繼平.鋁對桉樹幼苗生長及某些生理特性的影響［J］.廣西科學，1996，3（4）：30-33.

［27］Chen L，Qi Y，Jiang H，etal.Photosynthesis and photoprotective system s of plants in response to alum inum toxicity［J］.A frican Journal of Biotechnology，2010，9（54）：9237-9247.

［28］郭漢華，易建華，孫在軍.低溫脅迫對煙苗光合作用的后續影響［J］.煙草科技，2004（4）：31-33.

［29］顧艷紅，劉鵬，徐根娣，等.鋁脅迫對山茶屬植物光合特性的影響［J］.浙江林業科技，2006，26（4）：15-18.

責任編輯 董志堅

Effects of Alum inum Stress on Growth and Photosynthetic Characteristics of Flue-cu red Tobacco

LI Huaiyuan,LIU Bolin,DENG Shiyuan,SONG Danni,ZHOU Yiye,CHEN Jia,and CHEN Jianjun*
Tobacco Laboratory,South China AgriculturalUniversity,Guangzhou 510642,China

In order to clarify the physiological mechanism of tobacco suffered alum inum toxicity in acidic soil,the effects of alum inum stress onthe growth and photosynthetic characteristics of flue-cured tobacco were studied via hydroponics experiments at 4 alum inum sulfate concentrations,0,50,250 and 500μmol·L-1,with the nutrient solution pH of 5.0.The results showed that：1)The root vigor of tobacco decreased obviously.2)The fresh weight,dry weight of roots and the biomass of stems and leaves decreased with the increase of alum inum concentration,and the root was affected more than stems and leaves.3)Under aluminum stress,the p lant height,stalk circum ference and single leaf area were inhibited; however,leaf length was not affected obviously,while leaf width did,which resulted in narrowlong leaves.4)The content of chlorophyll in leaves increased significantly 5 days after alum inum stress,but the influence became unobvious 20 days after alum inum stress.5)The net photosynthetic rate,stomatal conductance and transpiration rate of tobacco leaves increased at 50μmol·L-1,while significantly decreased at 250 and 500μmol·L-1.However,alum inum stress did not remarkably affect the intercellularCO2concentration of tobacco leaves.

Flue-cured tobacco;A lum inum stress;Agronomic trait;Photosynthetic characteristic

S572.01

A

1002-0861（2015）09-0009-06

10.16135/j.issn1002-0861.20150902

2014-11-24

2015-03-24

廣東省煙草專賣局（公司）科技項目“廣東濃香型特色優質煙葉開發”（粵煙科[2011]28號，201101）；“優質烤煙理想生育進程的研究與應用”（粵煙科[2014]1號，201311）；“優質煙葉精準水肥管理技術的規模應用與示范”（粵煙科[2014]1號，201312）。

李淮源（1989—），碩士研究生，研究方向：煙草栽培與生理。E-mail：124429178@qq.com；*

陳建軍，E-mail：chenjianjun@scau.edu.cn

李淮源，劉柏林，鄧世媛，等.鋁脅迫對烤煙生長和光合特性的影響［J］.煙草科技，2015，48（9）：9-13，26.

LI Huaiyuan,LIU Bolin,DENG Shiyuan,etal.Effects of alum inum stress on growth and photosynthetic characteristicsof flue-cured tobacco［J］.Tobacco Science&Technology，2015，48（9）：9-13，26.