外源亞精胺對烤煙幼苗干旱脅迫的緩解效應(yīng)研究

魏曉凱 景延秋 何佶弦 顧會戰(zhàn) 雷 強 俞世康 張啟莉 李俊舉

（1河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，450002，河南鄭州；2四川省煙草公司廣元市公司，628017，四川廣元；3中國煙草總公司四川省公司，610041，四川成都）

近年來，隨著全球溫室氣體排放量的增加，干旱問題日趨嚴峻，全國范圍內(nèi)干旱和半干旱地區(qū)面積已達到我國國土面積的50%[1-2]。干旱脅迫已成為嚴重制約我國農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的主要因素之一，其造成的損失相當于其他所有非生物脅迫損失之和[3-4]。干旱脅迫時，植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，光合器官受損，光合作用受到抑制，同時產(chǎn)生大量活性氧，進而造成植物生長發(fā)育受阻[5-7]。烤煙是喜溫暖而濕潤的經(jīng)濟作物，對水分的反應(yīng)較為敏感，在整個生長發(fā)育過程中，充足的水分供應(yīng)在一定程度上決定其品質(zhì)[8-9]。因此，研究植物在干旱脅迫下的適應(yīng)性和保護機制，對于我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

多胺是一種廣泛存在于植物體內(nèi)的脂肪族含氮堿，主要包括腐胺（Put）、精胺（Spm）和亞精胺（Spd）等，其在植物整個生長發(fā)育過程中起著重要的生理調(diào)節(jié)作用，其中Spd因其多聚陽離子特性，生理調(diào)節(jié)作用最為顯著，可作為脅迫信號直接參與植物的基因表達、蛋白質(zhì)修飾和激素調(diào)節(jié)，進而增強植物對逆境的緩解能力[10-14]。近年來，有研究[15]發(fā)現(xiàn)，Spd對于降低植物多種非生物脅迫損害具有顯著的作用。已有研究[16-18]表明，外源Spd在活性氧的清除、促進植物根系導(dǎo)水率與葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累、增強抗氧化酶活性和根系呼吸速率等方面有重要的作用。也有研究[19]發(fā)現(xiàn)在鹽堿脅迫下Spd浸泡過的苜蓿種子發(fā)芽率和生物量都顯著提高，同時鈉離子和丙二醛（MDA）毒害作用也顯著降低。李東等[3]研究了干旱脅迫下外源Spd對烤煙幼苗生長及生理特性的影響機理，發(fā)現(xiàn)噴施0.40mmol/L Spd對緩解烤煙幼苗干旱效果最佳，但是關(guān)于最佳濃度條件下噴施外源Spd對不同干旱脅迫程度烤煙幼苗影響的生理機理仍需深入研究。鑒于此，本研究以云煙87為供試品種，研究在不同干旱脅迫程度下，噴施最佳濃度外源Spd對烤煙幼苗的緩解效應(yīng)，為探究外源Spd對提高烤煙抗旱性的生理機制提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試烤煙品種為云煙87，由四川省煙草公司廣元市公司提供。外源Spd（純度為98%）購于山東福瑞達生物科技有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗于2021年3月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)人工氣候室進行，光照強度為4000Lx，晝溫為28℃±2℃，夜溫為20℃±2℃，光照周期為15h/d。選取大小均勻籽粒飽滿的種子進行消毒浸種（用體積分數(shù)10%的H2O2浸泡15min，再用自來水反復(fù)沖洗，然后浸泡8h），然后在盛有蛭石的育苗盤上進行發(fā)芽。當煙苗長至4片葉時，選取形態(tài)和長勢一致的煙苗移栽于盛有Hoagland營養(yǎng)液、pH 5.7（±0.2）的1.5L黑色塑料盆中，每盆定植3株。

在Hoagland營養(yǎng)液中分別加入10%和20%的PEG-6000（天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）模擬輕度干旱和重度干旱。設(shè)置6個處理，CK為噴施清水（不進行干旱處理），T1為噴施0.40mmol/L Spd（不進行干旱處理），T2為輕度干旱+噴施清水，T3為輕度干旱+噴施0.40mmol/L Spd，T4為重度干旱+噴施清水，T5為重度干旱+噴施0.40mmol/L Spd。每個處理20株，重復(fù)3次。每2d更換1次處理液，各個處理于每天17:00噴施1次，噴施量以烤煙葉片正反面均勻噴至形成細霧狀小液滴為準。連續(xù)噴施3d后，在脅迫第6天時，取從上向下第3片葉進行各項指標測定。

1.2.2 測定項目及方法 各處理選取均勻一致的烤煙幼苗5株，按照YC/T 142-1998[20]測定煙株農(nóng)藝性狀。將煙株根、莖和葉在105℃殺青20min后，60℃烘干，測定各器官干物質(zhì)質(zhì)量。采用TTC法測定根系活力[21]，采用考馬斯亮藍G-250染色法測定可溶性蛋白含量[22]，采用水合茚三酮法測定脯氨酸含量[23]。采用北京索萊寶科技有限公司生產(chǎn)的檢測試劑盒測定MDA含量，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性，采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的檢測試劑盒測定超氧陰離子（O-2·）產(chǎn)生速率。

使用便攜式光合測定儀（Li-6400，美國LICOR公司）于脅迫第6天9:00-11:00測定葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr），參照李合生[24]的方法測定葉綠素含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS 17.0以及Excel 2016進行數(shù)據(jù)分析整理，采用最小顯著差異法比較不同處理在0.05水平上的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗生物量的影響

由表1可知，直接噴施Spd（T1）時烤煙幼苗農(nóng)藝性狀和生物量與CK處理之間沒有顯著的差異。與CK處理相比，輕度干旱（T2）和重度干旱（T4）處理顯著抑制了烤煙幼苗的生長發(fā)育。T3處理烤煙幼苗的最大葉長、最大葉寬、最大葉面積、根干重、莖干重和葉干重顯著高于T2處理，分別增加了14.54%、10.18%、26.17%、50.00%、57.14%和35.71%。T5處理烤煙幼苗的最大葉寬和最大葉面積顯著高于T4處理，分別增加了3.73%和5.88%，但最大葉長、根干重、莖干重和葉干重與T4處理之間沒有顯著差異。說明葉面噴施Spd緩解輕度干旱的作用顯著，但對重度干旱則沒有明顯作用。

表1 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗葉片及生物量的影響Table 1 Effects of exogenous Spd on leaves and biomass of flue-cured tobacco seedlings under drought stress

2.2 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗光合特性和葉綠素含量的影響

由表2可知，與CK處理相比，T1處理葉片的Pn、Gs和葉綠素含量沒有顯著的變化，而Ci顯著降低，Tr顯著提高。與T2處理相比，T4處理葉片的Pn、Gs、Tr和葉綠素含量顯著降低，說明干旱脅迫下烤煙幼苗的光合色素合成受阻，抑制了光合效率。T3處理的Pn、Gs、Tr和葉綠素含量均顯著高于T2處理，分別提高了7.02%、8.89%、11.73%和35.80%，而Ci顯著降低了12.13%，T5處理的Pn、Gs、Ci和Tr與T4處理之間沒有顯著差異，而葉綠素含量顯著提高了8.33%。說明噴施Spd可以有效 提高輕度干旱脅迫下烤煙幼苗的光合特性和葉綠素含量，增強抗旱能力。

表2 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗光合特性和葉綠素含量的影響Table 2 Effects of exogenous Spd on photosynthetic characteristics and chlorophyll content of flue-cured tobacco seedlings under drought stress

2.3 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗根系活力的影響

圖1表明，與CK處理相比，T1處理烤煙幼苗根系活力沒有明顯的變化，而T2和T4處理烤煙幼苗的根系活力顯著降低。與T2處理相比，T3處理的烤煙根系活力顯著提高了33.26%。與T4處理相比，T5處理的烤煙根系活力顯著提高34.71%。說明外源Spd對于提高正常生長烤煙幼苗的根系活力沒有顯著作用，但對于提高干旱脅迫下的烤煙幼苗根系活力作用顯著。

圖1 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗根系活力的影響Fig.1 Effects of exogenous Spd on root activity of flue-cured tobacco seedlings under drought stress

2.4 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

滲透調(diào)節(jié)作用是植物適應(yīng)逆境環(huán)境的重要生理機制，對于緩解植物逆境脅迫有重要的作用。由圖2可知，與CK處理相比，T1處理烤煙幼苗的可溶性蛋白和脯氨酸含量沒有顯著的變化，說明烤煙正常生長時，葉面噴施Spd對提高幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量沒有明顯作用。與T2處理相比，T4處理可溶性蛋白和脯氨酸含量顯著積累，說明干旱脅迫可促進烤煙幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的增加。T3和T5處理可溶性蛋白含量分別比T2和T4處理顯著提高了68.25%和28.95%，脯氨酸含量分別比T2和T4處理顯著提高32.33%和22.50%。說明烤煙幼苗在干旱時，可以通過葉面噴施外源Spd來提高幼苗內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量。

圖2 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗可溶性蛋白和脯氨酸含量的影響Fig.2 Effects of exogenous Spd on contents of soluble protein and proline of flue-cured tobacco seedlings under drought stress

2.5 外源Spd對烤煙幼苗MDA含量和O-2·產(chǎn)生速率的影響

由圖3可知，干旱脅迫時，烤煙幼苗的MDA含量和O-2·產(chǎn)生速率均顯著高于CK處理，與CK處理相比，T2處理分別提高了51.35%、82.95%，T4處理分別提高了73.94%、146.12%。而噴施外源Spd（T3、T5）則顯著降低了MDA含量和O-2·產(chǎn)生速率，與T2處理相比，T3處理MDA含量和O-2·產(chǎn)生速率分別降低了23.88%和27.19%，與T4處理相比，T5處理的MDA含量和O-2·產(chǎn)生速率分別降低了14.81%和29.50%。說明干旱脅迫時，外源噴施Spd可顯著降低烤煙幼苗活性氧和過氧化物含量，緩解膜質(zhì)過氧化傷害，提高煙株的抗旱能力。

圖3 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗MDA含量和O-2·產(chǎn)生速率的影響Fig.3 Effects of exogenous Spd on MDA content and O-2·production rate of flue-cured tobacco seedlings under drought stress

2.6 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗抗氧化酶活性的影響

圖4 表明，與CK處理相比，干旱脅迫（T2、T4）時烤煙幼苗葉片抗氧化酶SOD和CAT的活性顯著提高，說明干旱脅迫促使了烤煙幼苗葉片抗氧化酶活性的提高。T3處理時烤煙幼苗葉片的SOD、POD和CAT活性比T2處理分別提高了26.36%、30.48%和34.88%。T5處理時烤煙幼苗葉片的SOD、POD和CAT活性比T4處理分別顯著提高了7.25%、22.61%和9.32%。說明噴施Spd可以通過提高烤煙幼苗抗氧化酶活性來增強抗旱能力，尤其對輕度干旱作用最為顯著。

圖4 外源Spd對干旱脅迫下烤煙幼苗SOD、POD和CAT活性的影響Fig.4 Effects of exogenous Spd on SOD,POD,and CAT activities of flue-cured tobacco seedlings under drought stress

3 討論

植物干物質(zhì)的營養(yǎng)積累反映了其生長發(fā)育狀況，是植株對逆境響應(yīng)的直接體現(xiàn)，而根系活力反映了植物的新陳代謝能力，其活性的高低影響著植物對水分的利用能力[25-26]。李麗杰[16]研究發(fā)現(xiàn)，外源Spd能夠促使干旱脅迫下玉米幼苗根系生長，提高根系活力，進而促進幼苗對水分的吸收和轉(zhuǎn)運效率。本研究表明，干旱脅迫下烤煙幼苗根、莖和葉的干物質(zhì)積累量以及根系活力均顯著降低，說明干旱脅迫顯著抑制了烤煙幼苗根系對水分的吸收。噴施外源Spd有效緩解了輕度干旱脅迫對烤煙幼苗的損害，顯著提高了根系活力、最大葉長、最大葉寬、最大葉面積以及根、莖和葉的生物量。說明輕度干旱脅迫時，外源Spd可作為生長調(diào)節(jié)劑促進烤煙幼苗的發(fā)育和干物質(zhì)的積累，提高根系活力，增強其保水能力，進而緩解輕度干旱脅迫對烤煙幼苗的傷害，這與冀保毅等[27]的研究結(jié)果一致。

光合作用作為植物有機物合成的主要方式，直接反映植物生理代謝的持續(xù)能力[28]。葉綠素作為植物主要的光合色素和功能物質(zhì)，擔負著對光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換，其含量體現(xiàn)了植物的光合能力[29-30]。干旱脅迫時，植物通過收縮或關(guān)閉氣孔減少蒸騰作用，降低水分散失，但同時也抑制了CO2進出細胞的通道，光合速率減弱，進而阻礙植物的生長發(fā)育[31]。本試驗研究表明，干旱脅迫顯著降低了烤煙幼苗的Pn、Gs、Tr和葉綠素含量，而Ci升高，這是因為干旱脅迫使植物失水速率增加，引起氣孔關(guān)閉，Tr降低，又因為細胞失水破壞了葉綠體結(jié)構(gòu)，葉綠素含量減少，造成光合速率減弱。另有研究[32]發(fā)現(xiàn)，外源Spd能有效緩解干旱脅迫時葉片氣孔的閉合程度，促進植物對CO2的吸收，從而提高光合能力。本研究也表明，外源Spd能夠顯著提高輕度干旱脅迫下烤煙幼苗的光合能力，這可能是因為Spd能夠控制植物光合色素的降解，保護了光反應(yīng)系統(tǒng)，從而提高了輕度干旱脅迫下烤煙幼苗的光合能力[19,33]。

滲透調(diào)節(jié)是植物應(yīng)對逆境環(huán)境的一種適應(yīng)性反應(yīng)，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)越多，則抗逆性越強[3,34-35]。脯氨酸和可溶性蛋白作為植物體內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以有效清除植物體內(nèi)的活性氧自由基，提高其抗氧化能力，從而提高抗逆性[36-37]。本研究表明，干旱脅迫時，烤煙幼苗可溶性蛋白和脯氨酸含量顯著高于CK處理，但以輕度干旱含量最高，說明干旱脅迫能促使烤煙幼苗積累更多的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來應(yīng)對逆境脅迫。已有研究[38]表明，干旱脅迫下外源Spd能夠提高植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，從而削弱逆境環(huán)境造成的損害。本研究也發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下噴施Spd仍能大幅增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，說明外源Spd通過增加烤煙幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量使細胞維持較低的滲透勢，增強吸水能力，提高烤煙幼苗的抗逆性，這與韓忠明等[39]研究結(jié)果一致。

膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物是反映植物抗逆能力的重要指標[40]。植物在干旱脅迫時，會引起細胞內(nèi)活性氧（ROS）產(chǎn)生和清除系統(tǒng)的失衡，引起并加劇膜質(zhì)過氧化反應(yīng)[41]。MDA作為膜質(zhì)過氧化的主要產(chǎn)物，會對植物細胞膜造成損傷，抑制植物的生長發(fā)育[42]。賀嘉豪等[43]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下烤煙幼苗的膜質(zhì)過氧化程度與O-2·產(chǎn)生速率呈正相關(guān)關(guān)系。在本研究中，干旱脅迫下烤煙幼苗抗氧化酶活性、MDA含量和O-2·產(chǎn)生速率均顯著增加，這可能是因為干旱脅迫使烤煙幼苗產(chǎn)生了大量的ROS，加劇了膜質(zhì)過氧化反應(yīng)。已有研究[33]表明，外源Spd能夠顯著增加干旱脅迫下植物內(nèi)抗氧化酶活性，從而清除活性氧等造成的細胞傷害。本研究也發(fā)現(xiàn)，外源Spd能夠顯著提高烤煙幼苗抗氧化酶活性，從而削弱O-2·產(chǎn)生速率和MDA含量。由此推測，外源Spd促進抗氧化酶等相關(guān)基因的表達，減少烤煙幼苗活性氧自由基的產(chǎn)生，從而緩解干旱脅迫對烤煙幼苗生長的抑制作用[3]。

4 結(jié)論

干旱脅迫下烤煙幼苗的生長發(fā)育受到抑制，而葉面噴施Spd可提高抗氧化酶活性，增強幼苗的滲透調(diào)節(jié)能力，降低MDA含量和O-2·產(chǎn)生速率，可有效緩解光合系統(tǒng)的損害，促進烤煙幼苗的抗旱能力，尤以輕度干旱最為顯著。