烤煙功能性狀變化對葉片煙堿含量的影響

何佶弦，顧會戰，喻 曉，陳利平，余垚穎，蔣 豪

（1四川省煙草公司廣元分公司，四川廣元 628000；2四川省農業科學院植保所，成都 610066；3中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所，成都 610041）

0 引言

煙堿主要合成于根系的根冠。當種子發芽生根后，在新生根的根端部形成煙堿，而后通過木質部向地上部的葉片及其他器官或部位運輸，是煙葉中最為重要的化學成分，其含量高低直接關系到烤煙的內在品質。全球變化背景下，人為活動加劇了土壤酸化[1]、微環境改變[2-3]、養分供應失衡[4-6]等植煙土壤質量退化的問題，直接影響烤煙生長，導致煙葉原料中煙堿含量不斷升高，上部煙葉可用率降低。如何有效調控煙堿的合成與積累，保持煙葉適宜的煙堿含量，是優質低害煙葉生產亟待解決的重要課題。目前，被證實有效的調控措施包括選育煙堿含量適宜的優良品種[7-8]、煙葉生產向生態最適宜區轉移[9-11]、合理施肥[1,12-16]、調控栽植密度、調控打頂時間、抹杈和留葉數[17]、噴施生長調節劑[18-22]、施用微生物菌劑[23-24]等。研究發現，部分烤煙物理/農藝性狀（如單葉重、腰葉長、下二棚葉長等）與煙堿含量變化存在較高的相關性[25-27]。不同部位煙葉煙堿含量與土壤養分指標的關聯度顯著不同[6]。

植物功能性狀是指對植物體生命過程存在顯著影響的一系列植物屬性，它們能夠有效地反映植物體對環境變化產生的響應[28]。植物功能性狀及性狀間的權衡對植物的生理功能具有一致性的影響[29-30]。常見的植物功能性狀包括干物質含量、比葉重(leaf mass per area，LMA)、葉重比(leaf weight ratio，LWR)、根重比(root weight ratio，RWR)、莖重 比(stem weight ratio，SWR)、氮磷含量等。當前，從植物生理生態學角度探討煙株不同生長時期生物量積累對物質能量分配和儲存的影響，特別是煙葉功能性狀與煙堿積累潛在權衡關系的研究相對較少。本研究以‘云煙87’為研究對象，對2018年在四川省廣元煙區不同試驗地隨機采集的大田種植煙葉進行植物形態學和生物化學特征分析，解析烤煙不同生長時期烤煙生物量與葉片煙堿含量的潛在關系，旨在為合理有效地調控煙堿合成和積累提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點

田間試驗于2018 年在四川省廣元市普安煙葉科研基地(31°01′N，105°28′E)進行，樣品采集后于當日帶回實驗室保存，用于后續相關分析。該地屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年均溫16.1℃，年降雨量800～1000 mm，日照數1300～1400 h，土壤為石灰性紫色土。試驗期間烤煙生長未遇異常天氣影響。

1.2 試驗材料

煙苗于2018 年4 月下旬移栽至大田，供試品種為‘云煙87’?？緹熒L期按當地標準化方法統一管理，在60%的中心花開放時統一打頂并立即涂抹抑芽劑，9月初采收結束。

1.3 測定項目及方法

移栽后第85天，于不同地塊隨機選取長勢一致的煙株5株，采集足量下部煙葉；移栽后第108天，于不同地塊隨機選取長勢一致的煙株5 株，采集足量中部煙葉；移栽后第128天，于不同地塊隨機選取長勢一致的煙株5株，采集足量上部煙葉。所采煙葉經100～105℃高溫殺青15～30 min 后，干燥粉碎過40 目篩，按《煙草及煙草制品煙堿的測定 氣相色譜法》(YC/T 246—2008)測定煙堿含量。

移栽后第50、65、85、108 和128 天，于不同地塊分別隨機選擇長勢一致煙株各5株進行生物量測定。采集樣品經高溫殺青、烘干至恒重后用于測定總生物量、葉生物量、莖生物量、根生物量、地上部生物量，根冠比、葉重比、莖重比、根重比和比葉重計算如式(1)～(4)。

移栽后第50、65、85、108 和128 天，于不同地塊分別隨機選擇長勢一致煙株各5株，采用SPAD-502型葉綠素儀測定煙株自上而下第3、4、5片完全展開煙葉的SPAD值。

1.4 統計分析

使用SPSS 17.0 軟件對形態和生理生化指標進行一元方差分析(ANOVA)、相關性分析(correlation analysis)和逐步回歸分析(stepwise regression analysis)，平均數間的多重比較采用Tukey檢驗(P＜0.05)，需要時進行數據ln對數轉換。

2 結果與分析

2.1 烤煙不同時期煙堿含量變化

煙堿含量隨生長時間增加而增加，不同部位煙葉間煙堿含量差異顯著（P＜0.001，圖1）。其中，移栽后第85天的下部煙葉煙堿含量為1.7%，移栽后第108天的中部煙葉煙堿含量為2.76%，移栽后第128天的上部煙葉煙堿含量為3.63%。

圖1 葉片不同部位煙堿含量變化

2.2 烤煙生物量積累與煙堿含量的關系

分析移栽85、108和128天后烤煙樣品生物量積累特征。結果表明，煙株生物量積累對烤煙煙堿含量影響顯著。數值經ln對數轉換后，煙堿含量隨煙株總生物量（圖2a，R2=0.276，P=0.04）、根生物量（圖2b，R2=0.8，P＜0.001）和莖生物量（圖2c，R2=0.85，P＜0.001）的增加而增加，呈顯著的正相關關系，而葉生物量（圖2d）、地上部質量（圖2e）以及根冠比（圖2f）的變化對煙堿含量影響不顯著。

圖2 烤煙生物量與葉片煙堿含量的相關性分析

不僅如此，烤煙生物量的分配特征間也存在顯著的相關性（圖3a）。一般來說，LWR的變化趨勢與RWR、SWR線性負相關。LWR越大，RWR越小(R2=0.67，P＜0.001)；LWR越小，SWR越大(R2=0.91，P＜0.001)。SWR和RWR兩者間表現出顯著的線性正相關關系，RWR隨SWR的增大而增大(R2=0.367，P=0.02)。統計分析還表明，LWR越大，煙堿含量越低（圖3b，R2=0.502，P=0.003），而SWR與煙堿含量的變化則呈現出顯著的線性正相關關系（圖3c，R2=0.692，P＜0.001）。RWR與煙堿含量之間相關性不顯著(P=0.304)。

圖3 烤煙生物量分配特征間相互關系(a)及與葉片煙堿含量(b、c)的相關性分析

2.3 烤煙比葉重與煙堿含量的關系

比葉重在煙株生長的不同階段差異較大（圖4a）。比葉重在煙株旺長期時（煙苗移栽后65 天）較小，為45.08 g/m2。在煙株生長后期達到103.29 g/m2，顯著高于其他生長期，較測定期間最小值提高129.13%。統計分析表明，比葉重在中部煙葉采收期（煙苗移栽后108 天）和上部煙葉采收期（煙苗移栽后128天）差異不顯著(P=0.535)。數值經ln對數轉換后，比葉重與煙堿含量呈顯著的正相關關系（圖4b，R2=0.85，P＜0.001）。

圖4 比葉重與煙株(a)生長時間和(b)煙堿含量之間的相互關系

2.4 煙葉SPAD值與煙堿含量的關系

與預期一致，煙葉SPAD值隨煙株的生長逐漸變小，除煙株第4 片葉在煙苗移栽后85 天時與第3、5 片葉差異較大外，其余統計時期差異不明顯（圖5a）。煙葉采收期，取葉部位不斷上移，煙葉不同葉片SPAD值經ln 對數轉換后均與煙堿含量呈顯著的負相關關系（圖5b）。

圖5 煙葉SPAD值與煙株生長時間(a)和煙堿含量(b)之間的相互關系

2.5 回歸分析

基于生物量積累和分配特征，分別以總生物量、根生物量、莖生物量、葉生物量、地上部生物量、根冠比、莖重比、根重比、葉重比為自變量，煙堿含量為因變量，采用逐步回歸分析法，擬合回歸模型。表1結果表明，莖生物量、根重比與煙堿含量的回歸模型達極顯著水平。

基于葉功能性狀特征，分別以葉生物量、比葉重、第3 片葉SPAD值、第4 片葉SPAD值和第5 片葉SPAD值為自變量，煙堿含量為因變量，采用逐步回歸分析法，擬合回歸模型（表1）。結果表明，比葉重、第5片葉SPAD值與煙堿含量的回歸模型達極顯著水平。

表1 烤煙功能性狀與煙堿含量的逐步回歸分析

將上述模型中篩選得到的關鍵變量與煙株生長時間和煙堿含量做進一步分析。結果表明，莖生物量與根重比的比值經ln 對數轉換后與煙株生長時間呈二次響應關系(R2=0.86，P＜0.001)，中部煙葉采收之前變化迅速（圖6a）；比葉重與第5片葉SPAD值的比值與煙株生長時間同樣呈二次響應關系(R2=0.972，P＜0.001)，下部煙葉采收后變化較快（圖6c）。此外，莖生物量與根重比的比值經ln 對數轉換后與煙堿含量呈正相關關系（R2=0.491，P=0.004，圖6b），而比葉重與第5 片葉SPAD值的比值與煙堿含量呈二次響應關系（R2=0.971，P＜0.001，圖6d）。

圖6 預測的關鍵變量與煙株生長時間(a、c)、煙堿含量(b、d)之間的相關性分析

3 結論

煙株不同生物量分配模式對煙堿積累影響顯著，煙堿含量隨總生物量、根生物量、莖生物量、莖重比和比葉重增大而增加，隨葉重比增大而降低?；谏锪糠峙涮卣骱腿~功能性狀特征擬合模型可以較好地表征煙堿含量的變化。

4 討論

生長-分化平衡假說(growth-differentiation balance hypothesis，GDBH)認為，處于生長發育階段的細胞中存在生長與次生代謝之間的生理學權衡關系；而在成熟細胞中，初生代謝和次生代謝間存在競爭性的權衡關系[32]。煙堿是煙草中重要的次生代謝產物，約占生物堿總量的95%。據此推測，煙堿含量變化與烤煙生長特性間可能存在動態權衡關系。然而，當前研究更多關注烤煙農藝性狀，土壤性質等與煙堿含量變化的內在聯系，從功能性狀角度解析煙堿含量變化相對較少。本研究發現，煙堿含量在煙株生長的不同時期存在較大差異，隨生長時間增加，逐步增大（圖1），煙堿含量與煙株的生長在物質能量分配方面存在動態權衡關系。

研究發現，煙株移栽85、108、128 天后，煙堿含量隨總生物量、根生物量、莖生物量、莖重比和比葉重增大而增加，隨葉重比增大而降低（圖2），說明煙株生物量積累特征與不同分配模式對烤煙煙堿含量影響顯著。然而，葉生物量、地上部生物量和根冠比變化與煙堿含量變化相關性并不顯著。這可能與煙葉分批成熟采收有關。隨著采收的進行，葉生物量明顯減少，采收時所得的葉生物量、地上部生物量和根冠比數據并不是煙株正常生長下的真實反映。因此，莖生物量、莖重比和比葉重在分析和預測煙堿含量變化時可能更具參考價值。

SPAD值通常用于衡量植物葉綠素的相對含量和煙葉的成熟度[31]。本研究動態監測了不同時期、不同部位葉片SPAD值。結果表明，煙葉采收期煙葉SPAD值隨煙株生長和取葉部位的不斷上移而逐漸變?。▓D5），這與彭新輝等[32]研究的結果一致，表明動態監測葉片SPAD值不僅有助于判斷植株光合能力與代謝水平是否正常，還能提高煙堿含量預測的準確性。

通常情況下，植物在資源充足時以生長為主，而在資源匱乏時以分化為主[33]。本試驗動態監測了移栽85、108、128 天后烤煙樣品生物量積累特征。結果表明，雖然單個生物量積累特征與煙堿含量變化相關性顯著（圖3b），但莖生物量和根重比的協同變化更能反映煙堿含量變化。這與尹鵬嘉等[27]通過烤煙農藝性狀預測煙堿含量變化結果相似。此外，基于葉功能性狀擬合的回歸模型中也得到了相似的結果，比葉重和第5 片葉SPAD值的共同變化決定煙堿含量大?。ū?）。進一步分析表明，篩選得到的變量與煙株生長時間呈二次響應關系，分別在中部葉采收前和下部葉采收后變化顯著（圖6）。說明煙株在生長和次生代謝的資源投入方面存在時間和空間差異。

綜上所述，基于生物量分配和葉功能性狀特征，能較好地解析煙堿積累與煙株生長在物質能量分配過程中的生長-分化平衡關系。運用擬合模型對煙堿含量變化進行預測，有助于煙農提前判斷是否應采取控堿措施降低后期煙葉煙堿積累，從而提高上部煙葉的利用率，增加煙農收入。需要指出的是，當前研究可能存在研究區域較小、供試烤煙品種單一、樣本量較小等局限。后續研究應增加供試品種，在更廣泛區域開展研究，構建烤煙生物量積累特征和葉功能性狀數據庫，優化預測模型，提高早期預測的準確度。