烤煙降堿措施對(duì)上部葉生長(zhǎng)和能量利用策略的影響

顧會(huì)戰(zhàn)，喻 曉，何佶弦，張啟莉，余垚穎，蔣 豪

(1. 四川省煙草公司 廣元分公司，四川 廣元 628000；2. 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物保護(hù)研究所，四川 成都 610066；3. 中國(guó)科學(xué)院·水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

全球變化背景下，植煙土壤質(zhì)量退化嚴(yán)重，直接影響烤煙生長(zhǎng)，導(dǎo)致煙葉原料中煙堿含量不斷升高，上部葉可用率降低. 如何有效調(diào)控?zé)焿A的合成與積累，保持煙葉適宜的煙堿含量，是優(yōu)質(zhì)低害煙葉生產(chǎn)亟待解決的重要課題. 目前應(yīng)用較為廣泛、有效的煙堿調(diào)控措施有延遲打頂和切根[1]. 生長(zhǎng)-分化平衡假說(growth-differentiation balance hypothesis,GDBH)認(rèn)為，處于生長(zhǎng)發(fā)育階段的細(xì)胞中存在生長(zhǎng)與次生代謝之間的生理學(xué)折衷關(guān)系[2]. Glynn等[3]通過設(shè)置營(yíng)養(yǎng)有效性試驗(yàn)，驗(yàn)證了柳樹生長(zhǎng)響應(yīng)與次生代謝產(chǎn)物含量變化之間的動(dòng)態(tài)權(quán)衡關(guān)系. 徐辰生等[4]研究發(fā)現(xiàn)，延遲打頂除了能降低上部葉煙堿含量外，還會(huì)改變煙葉的形態(tài)特征，降低下部葉總糖和還原糖含量，降低中部葉的兩糖比. 此外，適宜的切根可以提高根系活力，改變烤煙內(nèi)在激素平衡[5]，提高上部葉干物質(zhì)量累積[6]. 由此可見，延遲打頂和切根對(duì)烤煙的生長(zhǎng)和發(fā)育影響顯著[7-9]. 煙堿作為煙草中最為重要的次生代謝產(chǎn)物，約占生物堿總量的95%[10]. 可以推斷，烤煙的生長(zhǎng)表現(xiàn)與煙堿積累狀況存在潛在的折衷關(guān)系. 研究上部葉生長(zhǎng)-分化平衡關(guān)系，有助于更好地理解上部葉煙堿積累特征，豐富煙堿調(diào)控機(jī)制研究?jī)?nèi)容.

本試驗(yàn)以云煙87為研究對(duì)象，于2019年在四川省廣元煙區(qū)開展田間試驗(yàn)，采用延遲打頂和切根措施調(diào)節(jié)上部葉煙堿含量，通過測(cè)定比葉重(leaf dry mass per unit area, LMA)、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(non-structural carbohydrate, NSC)、總氮和煙堿等指標(biāo)，分析不同處理對(duì)上部葉生長(zhǎng)、分化及其相互關(guān)系的影響，解析降堿措施如何調(diào)控烤煙上部葉的新陳代謝.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)在四川省廣元市普安煙葉科研基地(31°01′N，105°28′E)進(jìn)行，供試品種為云煙87. 該地屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均溫16.1 ℃，年降水量800～1 000 mm，日照時(shí)1 300～1 400 h，土壤為石灰性紫色土，pH =7.5，有機(jī)質(zhì)8.3 g/kg，堿解氮38 mg/kg，有效磷18.1 mg/kg，速效鉀112.1 mg/kg. 試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，包含3個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)5次，共15個(gè)小區(qū)，小區(qū)大小為5 m × 5 m，每個(gè)小區(qū)種植試驗(yàn)煙株27株.所用煙苗全部在溫室大棚中以托盤漂浮育苗方式育苗，并于2019年 4 月 28 日選取長(zhǎng)勢(shì)一致的健壯煙苗統(tǒng)一移栽進(jìn)大田，移栽株行距為120 cm × 50 cm.處理包括：對(duì)照(在50%的中心花開放時(shí)統(tǒng)一打頂)[11]，延遲打頂(對(duì)照打頂后7 d進(jìn)行打頂處理)和切根(對(duì)照打頂時(shí)同步進(jìn)行打頂和切根處理. 切根標(biāo)準(zhǔn)為：距煙株20 cm，切根深度20 cm，單側(cè)切根)[12]. 9月初采收結(jié)束，烤煙生長(zhǎng)期按當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)化方法統(tǒng)一管理.

1.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法上部葉采回后經(jīng)100～105 ℃高溫殺青15～30 min，再經(jīng)60 ℃烘干至恒重. 測(cè)定比葉重(LMA, g/m2)：葉單位面積生物量與單位面積的比值[13]. 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(包括淀粉和可溶性糖)的測(cè)定參照O'Brien等[14]、Marquis等[15]、Myers等[16]的方法. 全氮和煙堿含量測(cè)定方法參照國(guó)家煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T161—2002[17]和YC/T 246—2008[18].

1.3 統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS17.0軟件對(duì)本研究中所有生理生化指標(biāo)進(jìn)行一元方差分析(one-way ANOVA)和相關(guān)性分析. 平均數(shù)間的多重比較采用Tukey檢驗(yàn)(p＜ 0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 降堿措施對(duì)上部葉煙堿和總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響圖1A顯示，延遲打頂和切根后，上部葉煙堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.08%和3.11%，顯著低于常規(guī)生產(chǎn)模式下(對(duì)照)上部葉的煙堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)(3.35%). 對(duì)照上部葉總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.16%，而延遲打頂和切根后，總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低，與對(duì)照相比，分別下降18.99%和17.44%(圖1B). 相關(guān)性分析表明(圖1C)，對(duì)照煙堿和總氮含量相關(guān)性不顯著(p= 0.148)，而經(jīng)降堿措施處理后，二者顯著相關(guān)(p延遲打頂＜0.001和p切根＜ 0.01).

圖1 降堿措施對(duì)上部葉(A)煙堿含量、（B）總氮含量和(C)二者相互關(guān)系的影響Fig. 1 Effects of measures for nicotine reduction on (A)nicotine, (B) total nitrogen content and (C) their interactions of the upper leaves

2.2 降堿措施對(duì)上部葉生長(zhǎng)和能量利用策略的影響與對(duì)照相比，降堿措施顯著改變了煙株上部葉的生長(zhǎng)和能量利用策略. 如圖2A所示，延遲打頂顯著降低了單位面積葉片的干物質(zhì)投入，表現(xiàn)為較低的比葉重(83.64 g/m2)，而切根則顯著提高了上部葉的比葉重，為97.54 g/m2. 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的積累與分配反映煙株的碳供應(yīng)狀況，是決定煙株生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子. 與對(duì)照相比，延遲打頂顯著降低了上部葉的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(下降22.57%)，而切根則顯著提高了上部葉的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(提高19.63%，達(dá)到25.54%，圖2B). 不同降堿措施改變了烤煙的能量利用策略. 圖2C表明，延遲打頂后，烤煙更偏向于利用淀粉作為能量物質(zhì)，與對(duì)照相比淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降19.57%. 而切根后，烤煙的淀粉利用顯著減少，表現(xiàn)為積累更高的淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)，達(dá)到15.48%. 此外，降堿措施還改變了烤煙對(duì)可溶性糖的利用策略(圖2D)，主要表現(xiàn)為延遲打頂后，上部葉的可溶性糖積累顯著降低，為6.73%，與對(duì)照相比，降低26.37%，而切根對(duì)烤煙的可溶性糖利用方式影響不顯著.

2.3 降堿措施對(duì)上部葉煙堿和功能性狀間相互關(guān)系的影響不同降堿措施對(duì)烤煙上部葉煙堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)和功能性狀間的相互關(guān)系影響不同(圖3). 線性回歸分析表明，對(duì)照和切根處理中，烤煙上部葉的煙堿與比葉重、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物、淀粉和可溶性糖之間相關(guān)性較差. 然而，經(jīng)過延遲打頂處理后，煙堿與各個(gè)功能性狀呈顯著的線性相關(guān). 例如，延遲打頂處理后，上部葉的煙堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)與比葉重顯著相關(guān)(圖3A，R2= 0.83，p= 0.032).

圖2 降堿措施對(duì)上部葉(A)比葉重、(B)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物、(C)淀粉和(D)可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig. 2 Effects of measures for nicotine reduction on (A) leaf dry mass per unit area, (B) non-structural carbohydrate, (C) starch and(D) soluble sugar content of the upper leaves

圖3 降堿措施對(duì)上部葉煙堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)和功能性狀間相互關(guān)系的影響Fig. 3 Effects of nicotine reduction measures on the relationships between nicotine and functional traits of the upper leaves

2.4 延遲打頂措施對(duì)上部葉煙堿積累的可能影響方式如圖4所示，降堿措施顯著改變了烤煙上部葉的煙堿積累、功能性狀和二者間的相互關(guān)系. 本研究推測(cè)了延遲打頂和切根對(duì)烤煙上部葉煙堿積累的可能影響方式. 與對(duì)照相比，延遲打頂顯著降低了煙株用于上部葉生長(zhǎng)和合成次級(jí)代謝產(chǎn)物的資源投入，使得葉片變薄，表現(xiàn)為較小的比葉重. 相關(guān)性分析表明，葉片性狀與煙堿含量變化顯著相關(guān)(圖3). 相反，切根使得上部葉具有較高的比葉重，葉片厚度增加. 此外，上部葉非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量顯著上升，主要以淀粉含量增加為主，但可溶性糖含量變化并不明顯. 單個(gè)葉片性狀與煙堿含量變化的相關(guān)性并不顯著.

圖4 降堿措施通過影響烤煙生長(zhǎng)調(diào)節(jié)上部葉煙堿積累的假設(shè)途徑Fig. 4 Hypothesized paths regulating nicotine accumulation by nicotine reduction measures in the upper leaves.

3 討論與結(jié)論

作為調(diào)節(jié)煙堿積累的兩種重要手段，打頂和切根作用機(jī)制不盡相同. 打頂通過去除煙株頂端優(yōu)勢(shì)，打破原有源-庫關(guān)系，刺激根系再發(fā)育，調(diào)控次生代謝產(chǎn)物的生物合成[19-21]. 切根一般對(duì)根系生長(zhǎng)具有先抑制后促進(jìn)的雙重作用，表現(xiàn)為根系損傷恢復(fù)過程中，次生根大量萌發(fā)，根系活力提高，養(yǎng)分捕獲能力增強(qiáng)[9,22]. 然而，煙堿的累積與烤煙對(duì)氮素的吸收并不同步[7]，但隨著施氮量增加，上部葉煙堿積累增加明顯[23]，與來自土壤氮素比例呈正相關(guān)[24].在本試驗(yàn)中，延遲打頂和切根均有效地降低了上部葉的煙堿積累，煙堿含量顯著低于對(duì)照煙株(圖1A)，這為我們開展后續(xù)分析提供保障. 與對(duì)照相比，兩種不同降堿措施均顯著降低了上部葉總氮含量，處理間差異并不顯著(圖2B). 這說明上部葉氮素含量降低是煙葉煙堿積累減少所表現(xiàn)出的共同特征，這與之前的研究結(jié)果一致[1]. 圖1C表明，對(duì)照上部葉總氮含量與煙堿含量相關(guān)性并不明顯(p= 0.148)，但經(jīng)過降堿措施處理后二者顯著相關(guān). 這說明適當(dāng)?shù)慕祲A措施促使了煙株體內(nèi)養(yǎng)分供應(yīng)再平衡[19-20],協(xié)調(diào)內(nèi)在化學(xué)組分，提高上部葉的質(zhì)量和可用性.研究發(fā)現(xiàn)，植物傾向于通過調(diào)節(jié)生物量積累分配和組織養(yǎng)分濃度來維持生長(zhǎng)和繁殖的最佳養(yǎng)分平衡[25]. 與對(duì)照上部葉相比，延遲打頂顯著降低了單位面積葉片的干物質(zhì)投入，而切根卻完全相反(圖2A).通常情況下，葉片壽命較長(zhǎng)，葉片干物質(zhì)投入往往越高[13]. 由此可見，不同降堿措施改變了煙株上部葉的生長(zhǎng)策略.

非結(jié)構(gòu)性碳水化合物在一定程度上反映光合作用和呼吸作用之間的平衡[14]，表征植物的能量利用策略. 程昌新等[26]研究發(fā)現(xiàn)，烤煙淀粉含量與單葉重和葉片厚度等指標(biāo)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系. 本試驗(yàn)中，與對(duì)照相比，延遲打頂顯著降低了上部葉的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量，表現(xiàn)為更低的淀粉和可溶性糖積累；相反，切根則增加了非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的積累，表現(xiàn)為淀粉含量增加(圖2B, C, D).

綜上所述，降堿措施改變了烤煙原有的生長(zhǎng)和能量利用策略，是上部葉煙堿含量下降的潛在原因. 延遲打頂可能縮短上部葉壽命，減少非結(jié)構(gòu)性碳水化合物積累. 切根后，煙株表現(xiàn)出的生理響應(yīng)則相反，葉片壽命可能延長(zhǎng)，上部葉成熟度提高. 因此，煙株通過生理策略改變調(diào)節(jié)煙堿積累為上部葉產(chǎn)質(zhì)量研究提供了新的思路，具體的降堿機(jī)制還需進(jìn)一步研究.