不同促根措施對皖南烤煙成熟期鉀素代謝的影響

張小全 賈振宇 李舉旭 李洪臣 王豹祥 汪 健 石 剛 王 川 武云杰

（1河南農業大學煙草學院，450002，河南鄭州；2河南省煙草公司三門峽市公司，472000，河南三門峽；3湖北中煙工業有限責任公司，430040，湖北武漢；4安徽皖南煙葉有限責任公司，242000，安徽宣城）

與國外優質煙葉相比，我國煙葉鉀含量普遍較低，提鉀增質是煙葉生產技術的研究熱點[1-3]。皖南煙區是中國典型的濃香型煙葉產區，煙葉具有獨特的焦甜香風格，但鉀含量總體偏低[4]，提高鉀含量是急需解決的問題。鉀含量受品種、氣候、土壤和鉀肥施用技術等多種因素的影響[2-3,5]，人們從農藝措施、施肥技術、理化調控和土壤改良等角度研究提高煙葉鉀含量[1]。煙株生長所需的鉀大部分來源于土壤，因此，培育發達的根系、增強根系吸收能力是提高鉀含量的技術措施之一[1,6]。大量研究[7-8]表明，黃腐酸鉀能提高根系活力，促進根系發育，能有效促進煙株對鉀的吸收，提高煙葉干物質累積量和鉀含量。γ-聚谷氨酸作為肥料增效劑具有富集和促進養分吸收、提高養分利用率等作用[9-10]。團棵期豆漿灌根可以有效促進烤煙根系與地上部的生長發育，提高煙葉鉀含量和品質[11-12]。

煙葉成熟期是決定煙株鉀積累和煙葉鉀含量的關鍵時期[3]。煙株進入成熟期后，由于土壤對鉀的礦化固定、速效鉀隨水分流失、根系活力變化以及前期鉀的大量吸收等原因，通常出現根際的速效鉀供應不足，成熟期干物質積累的同時對鉀的積累減緩或下降，且鉀在煙葉中的分配率降低，在非經濟器官中的分配率升高[13-15]，導致中后期煙葉鉀含量偏低。生產上通常采用追施鉀肥、根區施肥和噴施葉面鉀肥等方法來提高鉀含量[16-17]。眾多研究聚焦在探索不同促根措施對煙株早期的生長發育、產量和質量的影響上，而關于不同促根措施對烤煙成熟期鉀吸收利用機制深入的研究較少。鑒于此，本試驗研究了皖南煙區在正常施肥基礎上增施黃腐酸鉀、γ-聚谷氨酸和豆漿灌根促根措施對烤煙成熟期根系生理、烤后煙葉鉀含量、煙株不同部位鉀積累量、鉀離子通道和轉運體基因表達的影響，探明不同促根措施對皖南烤煙成熟期鉀代謝的影響機制，為皖南優質煙葉生產提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試烤煙品種為當地主栽品種云煙97，由安徽皖南煙葉有限責任公司提供。肥料為煙草專用有機無機復合肥（N:P:K=5:8:12，有機質含量20%）。黃腐酸鉀為礦源黃腐酸鉀（黃腐酸含量52%，氧化鉀含量20%），γ-聚谷氨酸含量8%，豆漿為每千克黃豆加9kg水磨碎后密封保存，經腐熟發酵10d后得到（有機質674.3g/kg，磷 14.6g/kg，鉀 14.1g/kg）。

1.2 試驗設計

試驗于2019年在安徽省宣城市鄂皖黃鶴樓煙葉高科技示范園（118°99′E，31°22′N）進行。試驗地土壤為黃棕壤，質地為壤土，前茬為水稻，土壤pH 6.23、有機質24.90g/kg、全氮1.65g/kg、堿解氮146.90mg/kg、速效磷35.29mg/kg、速效鉀184.25mg/kg。起壟前條施復合肥1350kg/hm2，移栽后35d壟上撒施復合肥750kg/hm2，并及時培土3～5cm。

采用單因素隨機區組設計。CK處理為常規施肥；TPFA處理為常規施肥基礎上添加黃腐酸鉀3.0kg/hm2，每40g對水定容至100L，移栽時每株穴灌500mL；TPGA處理為常規施肥基礎上添加γ-聚谷氨酸150L/hm2，每2L原液對水定容至100L，移栽時每株穴灌500mL；TSRI處理為常規施肥基礎上豆漿灌根150kg/hm2，每千克黃豆加工成發酵豆漿后用水定容至50L，移栽后30d每株灌根500mL。小區面積為120.00m2，行距120.00cm，株距50.00cm，小區為4行區，每小區植煙200株，田間重復2次。于3月28日移栽，煙株第1朵中心花開放50%時打頂，每株留16片葉，其他田間管理按當地優質烤煙生產技術方案執行。待煙葉成熟時，各小區分別收獲，按密集烘烤工藝進行烘烤。

1.3 測定項目與方法

在進入成熟期時（移栽后95d），每個處理選取12株生長一致的煙株，6株用于測定根鮮重、根體積和根系活力等指標；取3株將根、莖和葉分開，從下往上數第1～5片為下部葉，第6～10片為中部葉，第11片及以上為上部葉，105℃下殺青30min，70℃烘干后稱干重，用于測定鉀含量；另3株取從下往上數第3片葉和第8片葉，從上往下數第2片葉，各取10g煙葉，并取10g須根（用去離子水清洗干凈），用液氮冷凍后于-80℃保存，重復3次，用于測定鉀吸收轉運相關基因相對表達量。

用稱重法測根系鮮重，用排水法測根系體積，用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測定根系活力[18]。用鹽酸溶液浸提—火焰光度法測定殺青樣鉀含量。用流動分析儀法測定烤后煙樣品鉀含量。鉀積累量是相同部位的干物質積累量乘以相同部位的鉀含量。采用實時熒光定量PCR法測定鉀相關基因相對表達量，具體引物信息和方法參照文獻[19]，所有樣品設置6次重復，基因相對表達水平用2-ΔΔCT方法計算。

1.4 數據處理

采用Excel 2016進行數據整理，并利用SPSS 26.0進行One-way ANOVA方差分析，采用Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同處理烤煙成熟期根系特性比較

不同處理烤煙成熟期根系特性如表1所示。3個促根處理的根鮮重（除TPFA外）、根干重和根體積均極顯著高于CK處理，TPGA處理的根鮮重極顯著高于其他處理，較CK處理提高78.36%，TPFA和TPGA處理的根體積極顯著高于TSRI處理。TPFA和TSRI處理的成熟期根系活力顯著高于TPGA和CK處理。說明3種促根措施可明顯促進烤煙根系發育。

表1 不同處理烤煙成熟期根系生理特性Table 1 Root physiological characteristics of flue-cured tobacco with different treatments at mature stage

2.2 不同處理烤煙成熟期鉀積累特性差異

由表2可知，煙株不同器官的鉀含量表現為莖＞葉＞根，各處理上部葉和中部葉的鉀含量沒有顯著差異，在1.41%～1.53%范圍內。TPGA和TSRI處理的中部葉鉀含量高于其他處理，且差異不顯著，而莖中的鉀含量顯著高于CK處理。TPGA處理根中的鉀含量顯著高于其他處理。說明不同促根措施對成熟期烤煙根和莖中鉀含量的影響大于對葉中鉀含量的影響。

表2 不同處理烤煙成熟期不同部位鉀含量Table 2 Potassium contents in different parts of flue-cured tobacco with different treatments at mature stage %

煙株的鉀吸收積累特性不僅與器官的鉀含量相關，而且與不同器官的鉀積累量密切相關。不同處理烤煙成熟期不同部位干物質積累量見表3。3個促根處理的單株、根和莖的干物質積累量均極顯著高于CK處理，單株總量表現為TPGA＞TSRI＞TPFA，TSRI處理的根和TPGA處理的莖干物質積累量相對較高。各處理上部葉的干物質積累量差異不顯著，3個促根處理的中部葉干物質積累量均極顯著高于CK處理，TPGA處理下部葉干物質積累量極顯著高于其他處理。說明不同促根措施可顯著促進皖南烤煙根和莖的發育，增加植株干物質積累，且不同處理對中部葉和下部葉干物質積累的影響不同。

表3 不同處理烤煙成熟期不同部位干物質積累量Table 3 Dry matter accumulation in different parts of flue-cured tobacco with different treatments at mature stage g/株g/plant

不同處理烤煙成熟期不同部位鉀積累量見表4。3個促根處理的單株和莖中鉀積累量均極顯著高于CK處理，與干物質積累表現一致，單株和莖中鉀積累量也是TPGA＞TSRI＞TPFA，3個促根處理的根中鉀積累量也極顯著高于CK處理，而3個處理間則差異不顯著。各處理上部葉的鉀積累量差異不顯著，3個促根處理的中部葉鉀積累量極顯著高于CK處理，TPGA處理中部葉和下部葉鉀積累量極顯著高于其他處理。說明不同促根措施可顯著促進皖南烤煙成熟期鉀的積累，尤其是促進根、莖和中部葉中的鉀積累。

表4 不同處理烤煙成熟期不同部位鉀積累量Table 4 Potassium accumulation in different parts of tobacco with different treatments at mature stage g/株g/plant

不同處理烤后煙葉鉀含量見表5。TSRI處理上部葉中的鉀含量極顯著高于其他處理，較CK處理提高了12.93%，其他處理間差異不顯著。3個促根處理中部葉的鉀含量均極顯著高于CK處理，TSRI處理極顯著高于TPFA和TPGA處理。TSRI和TPGA處理下部葉的鉀含量分別較CK處理提高8.84%和3.40%，差異達極顯著水平。說明TSRI和TPGA處理對于提高烤后煙葉的鉀含量具有明顯的作用。

表5 不同處理烤后煙葉鉀含量Table 5 Potassium content of flue-cured tobacco leaves with different treatments %

2.3 不同處理烤煙成熟期鉀離子通道和轉運體基因表達差異

2.3.1 鉀離子通道基因 內流型鉀離子通道基因NKT1和NtKC1在各處理根中的相對表達量均高于葉中的表達量（圖1a和圖1b）。TSRI處理的上部葉和下部葉中NKT1的相對表達量極顯著高于其他處理，TPGA和TSRI處理中部葉中NKT1基因的相對表達量極顯著高于其他處理，3個促根處理根中NKT1的相對表達量極顯著高于CK處理，且TPFA處理極顯著高于其他處理。NtKC1在TSRI處理上部葉、TPGA處理中部葉、TPFA和TSRI處理下部葉中的相對表達量均顯著高于對應部位的其他處理。說明3個促根處理煙株成熟期均保持著較高的鉀吸收水平。

外流型鉀離子通道基因NtORK1在TSRI處理3個部位葉片中的表達量極顯著高于其他處理（圖1c），而在根中的相對表達量則顯著低于其他處理，說明TSRI處理成熟期葉片中的鉀代謝旺盛，鉀外排較多，而根中的鉀則外排較少。TPFA和TPGA處理上部葉和中部葉中NtORK1的相對表達量極顯著低于CK處理，鉀外排較少，TPFA處理根中NtORK1的相對表達量極顯著高于其他處理，鉀外排較多。烤煙成熟期各處理鉀離子吸收轉運基因NtTPK1在葉片中的表達量明顯高于根中的相對表達量（圖1d）。TSRI處理葉片3個部位中NtTPK1的相對表達量顯著低于其他處理，其中上部葉與下部葉中NtTPK1的相對表達量極顯著低于其他處理，在根中的相對表達量則極顯著高于其他處理，TPGA下部葉中NtTPK1的相對表達量極顯著低于TPFA和CK處理。說明TSRI處理成熟期葉片中的鉀離子吸收轉運代謝較弱，有利于鉀的積累，而根中的鉀離子吸收轉運代謝較強，有利于從土壤中持續地吸收鉀。

圖1 不同處理烤煙成熟期不同部位鉀離子通道基因的相對表達量Fig.1 The relative expression levels of potassium ion channel genes in different parts of tobacco at mature stage of different treatments

2.3.2 鉀離子轉運體基因 3個促根處理煙株成熟期根中NtHAK1基因的表達量極顯著高于CK處理（圖2a），而根中NtKT12基因的表達量則與CK差異不顯著（圖2b）。葉片中2個鉀轉運體基因的表達有較大的差異，3個促根處理中部葉NtHAK1的相對表達量極顯著低于CK處理，TPGA和TSRI處理下部葉NtHAK1的相對表達量極顯著低于CK處理，而NtKT12的相對表達量則極顯著高于CK處理。說明3個促根處理可提高成熟期煙株根中鉀的轉運和積累能力。

圖2 不同處理烤煙成熟期不同部位鉀離子轉運體基因的相對表達量Fig.2 The relative expression levels of potassium transporter genes in different parts of tobacco at mature stage of different treatments

3 討論

煙葉成熟期煙株能否從土壤中吸收充足的速效鉀，是決定煙株鉀積累和煙葉鉀含量的關鍵[15]。成熟期煙株仍具有發達的根系、較強的根系吸收能力和活化土壤礦化鉀的能力，有利于提高煙株鉀積累量和煙葉鉀含量[19]。根系發達、分布廣、根毛多則可擴大吸收面積，緩解成熟期土壤礦化導致的根際土壤速效鉀供應不足的問題[20]。本研究發現，皖南煙區在正常施肥的基礎上添加黃腐酸鉀、γ-聚谷氨酸和豆漿灌根均可促進成熟期煙株根系發育，提高鉀積累量，尤其是促進根和莖中的鉀積累，而對煙株葉片的鉀含量卻沒有顯著效應，可能與本試驗用的都是同一烤煙品種云煙97、在相同的施鉀量情況下其鮮葉片的鉀含量由于遺傳背景原因提升空間有限有關，也可能與皖南煙區煙葉成熟期降雨頻繁、葉片鉀外排較多有關。3種促根措施煙株都有發達的根系，TPGA和TSRI處理根系活力也很高，煙株對鉀的吸收和轉運能力也較強，從土壤中吸收轉運的鉀積累在莖稈和根系中較多。本研究還發現，TPFA處理烤后煙葉鉀含量相對較低，與陳亞茹等[7]的研究結果不一致，可能與不同地點的土壤類型和黃腐酸鉀的用量不同有關。

煙株中鉀素的積累和再分配與不同器官的鉀吸收與轉運能力密切相關[19,21-23]。本研究中，TPGA和TSRI處理成熟期煙株鉀離子通道基因和鉀轉運體基因的相對表達量較高，煙株鉀積累量和烤后煙葉鉀含量也相對較高。TPFA處理葉片中鉀積累量相對其他促根處理較低，烤后煙上部葉和下部葉的鉀含量也相對較低，與其成熟期葉片中鉀轉運體基因NtKT12的表達量相對較低的結果一致。TPFA、TPGA和TSRI處理施入到土壤中的各種養分含量與施入的肥料養分相比非常低，煙株生長前期可及時補充土壤養分，促進植株吸收和根系發育，而3種促根措施在皖南生態條件下，成熟期是如何持續地促進煙株根系生長、并通過改變土壤理化特性[24-26]、根際微生態環境[27-29]等影響煙株鉀吸收與轉運的，還需要進一步深入研究。

4 結論

皖南煙區在正常施肥的基礎上添加黃腐酸鉀、γ-聚谷氨酸和豆漿灌根均可促使成熟期煙株根系發育，提高鉀積累量，尤其促進根、莖和中部葉的鉀積累。豆漿灌根和γ-聚谷氨酸處理成熟期煙株鉀離子通道基因和鉀轉運體基因的相對表達量較高，煙株對鉀的吸收和轉運能力較強，烤后煙葉的鉀含量較高。