烤煙降堿措施對上部葉生長和能量利用策略的影響

顧會戰(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)科學院 植物保護研究所，四川 成都 610066；3. 中國科學院·水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

全球變化背景下，植煙土壤質(zhì)量退化嚴重，直接影響烤煙生長，導致煙葉原料中煙堿含量不斷升高，上部葉可用率降低. 如何有效調(diào)控煙堿的合成與積累，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-分化平衡假說(growth-differentiation balance hypothesis,GDBH)認為，處于生長發(fā)育階段的細胞中存在生長與次生代謝之間的生理學折衷關系[2]. Glynn等[3]通過設置營養(yǎng)有效性試驗，驗證了柳樹生長響應與次生代謝產(chǎn)物含量變化之間的動態(tài)權衡關系. 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，延遲打頂和切根對烤煙的生長和發(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，烤煙的生長表現(xiàn)與煙堿積累狀況存在潛在的折衷關系. 研究上部葉生長-分化平衡關系，有助于更好地理解上部葉煙堿積累特征，豐富煙堿調(diào)控機制研究內(nèi)容.

本試驗以云煙87為研究對象，于2019年在四川省廣元煙區(qū)開展田間試驗，采用延遲打頂和切根措施調(diào)節(jié)上部葉煙堿含量，通過測定比葉重(leaf dry mass per unit area, LMA)、非結構性碳水化合物(non-structural carbohydrate, NSC)、總氮和煙堿等指標，分析不同處理對上部葉生長、分化及其相互關系的影響，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 試驗材料和試驗設計試驗在四川省廣元市普安煙葉科研基地(31°01′N，105°28′E)進行，供試品種為云煙87. 該地屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年均溫16.1 ℃，年降水量800～1 000 mm，日照時1 300～1 400 h，土壤為石灰性紫色土，pH =7.5，有機質(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. 試驗采用隨機區(qū)組設計，包含3個處理，每個處理重復5次，共15個小區(qū)，小區(qū)大小為5 m × 5 m，每個小區(qū)種植試驗煙株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 日選取長勢一致的健壯煙苗統(tǒng)一移栽進大田，移栽株行距為120 cm × 50 cm.處理包括：對照(在50%的中心花開放時統(tǒng)一打頂)[11]，延遲打頂(對照打頂后7 d進行打頂處理)和切根(對照打頂時同步進行打頂和切根處理. 切根標準為：距煙株20 cm，切根深度20 cm，單側(cè)切根)[12]. 9月初采收結束，烤煙生長期按當?shù)貥藴驶椒ńy(tǒng)一管理.

1.2 測定項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]. 非結構性碳水化合物(包括淀粉和可溶性糖)的測定參照O'Brien等[14]、Marquis等[15]、Myers等[16]的方法. 全氮和煙堿含量測定方法參照國家煙草行業(yè)標準YC/T161—2002[17]和YC/T 246—2008[18].

1.3 統(tǒng)計分析采用SPSS17.0軟件對本研究中所有生理生化指標進行一元方差分析(one-way ANOVA)和相關性分析. 平均數(shù)間的多重比較采用Tukey檢驗(p＜ 0.05).

2 結果與分析

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

圖1 降堿措施對上部葉(A)煙堿含量、（B）總氮含量和(C)二者相互關系的影響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 降堿措施對上部葉生長和能量利用策略的影響與對照相比，降堿措施顯著改變了煙株上部葉的生長和能量利用策略. 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. 非結構性碳水化合物的積累與分配反映煙株的碳供應狀況，是決定煙株生長的關鍵因子. 與對照相比，延遲打頂顯著降低了上部葉的非結構性碳水化合物質(zhì)量分數(shù)(下降22.57%)，而切根則顯著提高了上部葉的非結構性碳水化合物質(zhì)量分數(shù)(提高19.63%，達到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)，與對照相比淀粉質(zhì)量分數(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)量分數(shù)，達到15.48%. 此外，降堿措施還改變了烤煙對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%，與對照相比，降低26.37%，而切根對烤煙的可溶性糖利用方式影響不顯著.

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

圖2 降堿措施對上部葉(A)比葉重、(B)非結構性碳水化合物、(C)淀粉和(D)可溶性糖質(zhì)量分數(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 降堿措施對上部葉煙堿質(zhì)量分數(shù)和功能性狀間相互關系的影響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系. 本研究推測了延遲打頂和切根對烤煙上部葉煙堿積累的可能影響方式. 與對照相比，延遲打頂顯著降低了煙株用于上部葉生長和合成次級代謝產(chǎn)物的資源投入，使得葉片變薄，表現(xiàn)為較小的比葉重. 相關性分析表明，葉片性狀與煙堿含量變化顯著相關(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，上部葉非結構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. 單個葉片性狀與煙堿含量變化的相關性并不顯著.

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

3 討論與結論

作為調(diào)節(jié)煙堿積累的兩種重要手段，打頂和切根作用機制不盡相同. 打頂通過去除煙株頂端優(yōu)勢，打破原有源-庫關系，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]. 切根一般對根系生長具有先抑制后促進的雙重作用，表現(xiàn)為根系損傷恢復過程中，次生根大量萌發(fā)，根系活力提高，養(yǎng)分捕獲能力增強[9,22]. 然而，煙堿的累積與烤煙對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[24].在本試驗中，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照煙株(圖1A)，這為我們開展后續(xù)分析提供保障. 與對照相比，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，這與之前的研究結果一致[1]. 圖1C表明，對照上部葉總氮含量與煙堿含量相關性并不明顯(p= 0.148)，但經(jīng)過降堿措施處理后二者顯著相關. 這說明適當?shù)慕祲A措施促使了煙株體內(nèi)養(yǎng)分供應再平衡[19-20],協(xié)調(diào)內(nèi)在化學組分，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)分濃度來維持生長和繁殖的最佳養(yǎng)分平衡[25]. 與對照上部葉相比，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，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策略.

非結構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呈極顯著正相關關系. 本試驗中，與對照相比，延遲打頂顯著降低了上部葉的非結構性碳水化合物含量，表現(xiàn)為更低的淀粉和可溶性糖積累；相反，切根則增加了非結構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，減少非結構性碳水化合物積累. 切根后，煙株表現(xiàn)出的生理響應則相反，葉片壽命可能延長，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，具體的降堿機制還需進一步研究.