低鉀脅迫下干旱對烤煙幼苗生理特性及鉀含量的影響

石秋環(huán),徐高強(qiáng),代曉燕,張銅津,陳培鈺

(1.河南省煙草公司洛陽市公司,河南 洛陽 471023;2.福建金閩再造煙葉發(fā)展有限公司,福建 福州 350600;3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院/煙草行業(yè)煙草栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450002)

鉀作為必需營養(yǎng)元素和品質(zhì)元素[1-2],參與了植物生長發(fā)育和光合作用等重要生理活動[3-4],低鉀脅迫會顯著影響煙草幼苗的生長發(fā)育、鉀吸收及煙株生長后期產(chǎn)量和質(zhì)量的形成[5]。全球氣候變化增加了非生物脅迫的風(fēng)險(xiǎn),其中干旱是限制作物產(chǎn)量的重要環(huán)境因素,會造成烤煙生理和生化上的變化,影響其增產(chǎn)潛力[6]。干旱脅迫可通過影響離子吸收和酶活性影響烤煙生長,過度干旱還會降低土壤水勢,導(dǎo)致根部吸水受阻,抑制煙株對鉀的吸收[7]。我國黃淮、西南等主要煙草種植區(qū)的煙草幼苗常遭受干旱脅迫的影響[8],而鉀具有增強(qiáng)植物氣孔運(yùn)動[9]、調(diào)節(jié)蒸騰作用[10]、提高作物滲透調(diào)節(jié)能力[11]、減少干旱下活性氧積累[12]、提高植物吸水和保水能力[13]等作用,能夠有效提高干旱脅迫下煙草幼苗的存活率。

鉀含量是國際上考量煙葉質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo),鉀含量高的煙葉具有色澤桔黃、香氣量足、吃味好、填充性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[14]。美國和和津巴布韋的煙葉鉀含量多介于4%～6%[15],但我國的煙葉鉀含量偏低,僅為1%～2%[16]。河南煙區(qū)作為黃淮煙區(qū)的重要組成部分,每年產(chǎn)煙葉大于1億kg,煙草產(chǎn)業(yè)對河南經(jīng)濟(jì)發(fā)展有至關(guān)重要的作用[17]。但近年來由于干旱頻發(fā)、土壤供鉀能力不足及鉀肥利用率低等問題困擾,該煙區(qū)煙草生產(chǎn)面臨干旱和鉀營養(yǎng)不足的雙重脅迫,煙葉鉀含量僅為1.5%左右,煙草品質(zhì)下降[17-18],嚴(yán)重制約了河南煙區(qū)烤煙生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)化和高效化。如何提高干旱脅迫下煙株鉀含量成為目前亟待解決的問題?；诖?本試驗(yàn)采用室內(nèi)水培法,研究低鉀脅迫下不同干旱程度對煙草幼苗生理特性及鉀吸收的影響,探討低鉀脅迫下不同干旱程度與植株耐低鉀能力和發(fā)揮生理功能的關(guān)系,以期為烤煙抗逆提鉀栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料及其培養(yǎng)

試驗(yàn)于2021年在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草行業(yè)煙草栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,以煙草品種‘K326’(Nicotianatabacum‘K326’)為試驗(yàn)材料。培育方法:用10%的H2O2浸泡煙草種子15 min后使用蒸餾水清洗,再將種子置于蒸餾水中浸泡8 h,點(diǎn)種于育種海綿上,出苗后選擇大小一致的煙苗移栽至裝有珍珠巖的小黑盆中,每日補(bǔ)充Hoagland全營養(yǎng)液,并置于人工氣候箱(RXZ型,寧波江南儀器廠)中培養(yǎng)。人工氣候箱參數(shù)設(shè)置如下:白天溫度(28±2)℃,夜間溫度(18±2)℃,光照強(qiáng)度4 000 lx,光周期14 h,相對濕度65%～70%。

1.2 試驗(yàn)處理

當(dāng)煙苗長至3片真葉時(shí),選擇長勢均勻的煙苗,分別置于不同鉀水平和PEG-6000(聚乙二醇6000,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)濃度的Hoagland全營養(yǎng)液中處理8 d。試驗(yàn)為雙因素試驗(yàn),分別設(shè)低鉀(0.15 mmol·L-1,LK)和常鉀(5.00 mmol·L-1,CK) 2個鉀水平[19],0、5%、10%、15%、20%共5個PEG-6000濃度,以Hoagland全營養(yǎng)液配制。培養(yǎng)期間使用充氣泵每日通氣8 h,處理8 d后取樣測定相關(guān)指標(biāo),pH調(diào)節(jié)至6.5～7.0,每處理15個生物學(xué)重復(fù)。

1.3 測試指標(biāo)和方法

1.3.1 地上部及根系干、鮮質(zhì)量測定 分別取煙株地上部及根系稱量鮮質(zhì)量,置于烘箱105℃殺青15 min后,65℃烘干至恒重,分別測定干質(zhì)量。

1.3.2 煙株脅迫相關(guān)的生理指標(biāo)測定

(1)葉片可溶性蛋白含量:取煙株自上而下第2、3葉位葉片(整片,下同),采用考馬斯亮藍(lán)G-250比色法測定葉片中的可溶性蛋白含量[20]。

(2)根系活力:取烤煙根尖部位0.5 g樣品,采用TTC(氯化三苯基四氮唑)法測定根系活力[21]。

(3)細(xì)胞電導(dǎo)率:取葉片鮮樣6份,各0.1 g,放進(jìn)50 mL離心管,加入10 mL蒸餾水后室溫下浸泡12 h,采用電導(dǎo)率儀 (DDS-307型,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司) 測定提取液電導(dǎo)率R1,沸水浴加熱30 min,冷卻搖勻后測定提取液電導(dǎo)率R2,相對電導(dǎo)率=R1/R2×100%[22]。

(2)學(xué)生明確測試的自變量(測試橋的結(jié)構(gòu))，控制無關(guān)變量(橋的長度、跨度)，掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，對實(shí)驗(yàn)過程作好記錄。

(4)葉片活性氧積累量:利用H2O2與硫酸鈦生成黃色的過氧化鈦復(fù)合物在415 nm有特征吸收的原理測定植株葉片中H2O2含量,根據(jù)試劑盒(南京建成生物工程研究所)使用步驟檢測;同理測定超氧陰離子含量。

(5)葉片丙二醛含量:采用TBA(硫代巴比妥酸)法測定丙二醛(MDA)含量[21]。

(6)葉片抗氧化酶活性:采用核黃素-NBT法測定煙葉超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[22]。

1.3.3 煙株光合指標(biāo)測定 每處理選6株長勢均勻一致的煙株,于9∶00—11∶00用光合儀(CIRAS-3,英國漢莎科學(xué)儀器公司)測定煙株第3片真葉的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、水汽壓飽和虧、水分利用率等光合參數(shù),測定環(huán)境條件嚴(yán)格控制,其中光強(qiáng)(PAR)設(shè)定為1 000 μmol·m-2·s-1,CO2摩爾分?jǐn)?shù)為390 μmol·mol-1,溫度為25℃。

1.3.4 煙株各部位鉀含量測定 將1.3.1中所述烘干樣品研磨粉碎并過0.2 mm篩后,精確稱量0.1000 g,采用1 mmol·L-1鹽酸浸提[23]后,使用火焰光度計(jì)(FP 640,上海奧析科學(xué)儀器有限公司)分別測定煙株地上部和根系中的鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 鉀水平和PEG脅迫對煙株生長發(fā)育及脅迫相關(guān)生理特性的影響

2.1.1 煙株地上部及根系的干、鮮質(zhì)量 由圖1可知,PEG濃度、供鉀水平和兩者互作對煙株地上部和根系干、鮮質(zhì)量影響均顯著(P<0.05)。相同PEG-6000濃度下,常鉀水平(CK)煙株的地上部及根系干、鮮質(zhì)量整體上高于低鉀水平(LK)。常鉀水平下,隨著干旱程度的加劇,煙株干、鮮質(zhì)量整體表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(地上部鮮質(zhì)量除外),均在PEG-6000為10%時(shí)達(dá)到最大值。低鉀水平下添加PEG-6000后,煙株地上部鮮質(zhì)量和根系干、鮮質(zhì)量均顯著下降,而地上部干質(zhì)量則在PEG-6000濃度為10%時(shí)相對較高。

2.1.2 煙株脅迫相關(guān)的生理特性 由圖2可知,PEG濃度及供鉀水平對煙株葉片可溶性蛋白含量、根系活力、相對電導(dǎo)率和抗氧化酶活性的影響顯著,而兩者交互作用影響不顯著。如圖2A所示,除20% PEG-6000外,低鉀水平下各PEG-6000濃度處理的煙葉可溶性蛋白含量顯著高于常鉀水平;隨著干旱程度的加劇,2個鉀水平下的葉片可溶性蛋白含量均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,且均在PEG-6000濃度為10%時(shí)達(dá)到最大值。由圖2B可知,低鉀水平根系活力低于常鉀水平,且0、10%、15% PEG-6000濃度下兩者差異均達(dá)顯著水平;兩種鉀水平下,根系活力均隨PEG-6000濃度的增加表現(xiàn)為先增加后降低,且均在PEG-6000濃度為10%時(shí)達(dá)最大值。

注:不同小寫字母表示處理之間在P<0.05水平差異顯著;PEG、K+和PEG×K+分別表示PEG濃度、供鉀水平和PEG濃度×供鉀水平(二者交互作用),P<0.05表示該因素對指標(biāo)影響顯著,P>0.05表示影響不顯著。下同。

如圖2C所示,低鉀水平下煙株葉片的相對電導(dǎo)率均高于常鉀水平,且兩者差異達(dá)到顯著水平(15% PEG-6000處理除外)。兩種鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加(即干旱程度的加劇),葉片的相對電導(dǎo)率逐漸上升,且均在PEG-6000濃度為20%處達(dá)到最大值。低鉀水平下,隨PEG-6000濃度的上升,葉片的相對電導(dǎo)率分別顯著增加了20.45%、39.24%、24.66%和108.55%。

如圖2D、2E、2F可知,在相同PEG-6000濃度處理下,低鉀水平的葉片抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性均高于常鉀水平。在相同鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的上升,3種抗氧化酶活性整體均呈先增加后降低的趨勢。低鉀水平下,SOD活性在PEG-6000濃度為10%時(shí)最大,較PEG濃度0、15%、20%處理分別顯著增加35.17%、14.97%和17.28%(圖2D)。

低鉀水平下,添加PEG-6000處理的POD活性與PEG 0處理相比差異均達(dá)到顯著水平,其中,以PEG-6000濃度為5%和10%的增幅最大,分別為137.89%和120.26%(圖2E)。CAT活性與SOD活性的變化規(guī)律類似,兩種鉀水平下均在PEG-6000濃度為10%處達(dá)到最大值,且PEG-6000濃度10%處理的CAT活性顯著高于其他處理(PEG-6000濃度為5%除外)(圖2F)。

2.1.3 烤煙葉片活性氧含量 如圖3所示,PEG濃度、供鉀水平及二者交互作用對煙株葉片活性氧含量影響顯著。相同PEG-6000濃度下,低鉀水平活性氧含量較常鉀水平顯著提高。常鉀水平下,PEG-6000濃度5%、10%、15%和20%處理的葉片過氧化氫含量較PEG 0處理分別顯著增加了78.78%、153.60%、164.21%和208.48%;低鉀水平下分別顯著增加了34.53%、85.61%、128.85%和297.61%(圖3A)。超氧陰離子的變化趨勢與過氧化氫相似,即在相同鉀水平下,PEG-6000處理后煙葉超氧陰離子含量均顯著增加。常鉀水平下,隨PEG濃度增加,PEG-6000處理的煙葉超氧陰離子含量較PEG 0處理分別增加了96.70%、169.73%、188.12%和312.26%;低鉀水平下分別顯著增加了67.38%、90.56%、154.55%和206.24%。

圖2 鉀和PEG處理對煙株脅迫相關(guān)生理指標(biāo)的影響

圖3 鉀和PEG處理對烤煙葉片活性氧含量的影響

2.1.4 烤煙葉片丙二醛含量 如圖4所示,PEG濃度和供鉀水平對煙株葉片丙二醛含量影響顯著。葉片丙二醛含量在低鉀水平下顯著高于常鉀水平。

圖4 鉀和PEG處理對烤煙葉片丙二醛含量的影響

無論何種鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加,煙株葉片丙二醛含量均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢,其中常鉀水平下,10%、15%、20% PEG-6000處理與PEG 0處理相比分別顯著增加了26.34%、81.52%和88.77%;低鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加,各PEG處理與PEG 0處理相比依次增加了10.98%、17.48%、60.20%和69.80%。

2.2 鉀水平和PEG脅迫對烤煙葉片光合特性的影響

如圖5所示,PEG濃度、供鉀水平和PEG濃度×供鉀水平對煙株各光合特性指標(biāo)的影響顯著。相同PEG-6000濃度下,常鉀水平幼苗葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、水分利用率整體高于低鉀水平,而葉片的胞間CO2濃度(PEG 0處理除外)和水汽壓飽和虧則低于低鉀水平。常鉀水平下,除胞間CO2濃度和水汽壓飽和虧外,其余光合特性指標(biāo)均隨著干旱程度的加劇呈先增加后降低趨勢,且在PEG-6000濃度為10%時(shí)達(dá)到最大值,與PEG 0相比,凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、水分利用率分別增加了27.87%(圖5A)、73.68%(圖5B)、37.50%(圖5C)、78.57%(圖5D)。低鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加,光合特性指標(biāo)(胞間CO2濃度和水汽壓飽和虧除外)均呈逐漸降低的趨勢,且均與PEG 0間差異顯著(5% PEG-6000處理的凈光合速率和蒸騰速率除外),其中各PEG-6000處理的凈光合速率較PEG 0處理分別降低14.00%、26.00%、42.00%和58.00%,氣孔導(dǎo)度分別顯著降低20.97%、24.19%、37.10%和41.94%,蒸騰速率分別降低14.29%、32.14%、42.86%、57.14%,水分利用率分別顯著降低15.48%、22.62%、34.52%、36.90%。

常鉀水平下,隨著干旱程度的加重,葉片的胞間CO2濃度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,且與PEG 0差異達(dá)到顯著水平;低鉀水平下規(guī)律則相反,即隨著PEG-6000濃度的增加,葉片胞間CO2濃度逐漸增加,且除5% PEG-6000濃度外,其余濃度處理均顯著高于PEG 0(圖5E)。常鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加,葉片的水汽壓飽和虧表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢,在PEG-6000濃度為10%時(shí)達(dá)到最低值;低鉀水平下葉片的水汽壓飽和虧則隨著干旱程度的加劇呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢,與PEG 0處理相比分別顯著增加了21.05%、47.37%、68.42%、62.11%(圖5F)。

2.3 鉀水平和PEG脅迫對煙株鉀素含量的影響

由表1可知,鉀水平和PEG-6000濃度以及兩者交互作用3個因素均顯著影響植株地上部和根系鉀含量,其中PEG-6000濃度對地上部和根系鉀含量的貢獻(xiàn)率均為最大,分別為75.35%和64.90%;其次是鉀水平,貢獻(xiàn)率分別達(dá)到21.06%和34.17%;兩者交互作用對鉀含量的貢獻(xiàn)率最低。

如圖6所示,在相同PEG-6000濃度下,常鉀水平地上部和根系鉀素含量均高于低鉀水平。常鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加,PEG處理地上部鉀含量較PEG 0依次顯著降低了25.00%、28.85%、32.97%和40.66%;根系鉀含量依次顯著降低了39.67%、45.52%、53.76%和63.44%。低鉀水平下,隨PEG-6000濃度的增加,地上部鉀含量與PEG 0相比分別顯著降低了14.39%、22.81%、31.23%和34.39%(圖6A);根系鉀含量分別顯著降低了52.24%、57.84%、69.96%和76.49%(圖6B)。各PEG-6000濃度處理低鉀條件地上部鉀含量較PEG 0處理降低幅度均小于常鉀水平,根系鉀含量則相反。

表1 鉀和PEG處理對煙株地上部和根系鉀含量影響的方差分析

3 討 論

本研究表明,低鉀脅迫下,不同干旱程度對煙株生長發(fā)育有不同影響。在常鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加,煙株地上部及根系干、鮮質(zhì)量整體上呈先升高后降低的趨勢;相較于常鉀水平,低鉀水平下煙株地上部及根系干、鮮質(zhì)量均有明顯降低,這與曹芳等[24]研究結(jié)果一致。本研究還表明,常鉀水平下,PEG-6000濃度10%最利于煙株各部位干物質(zhì)積累,這說明適當(dāng)?shù)母珊禇l件可對煙苗起到逆境鍛煉的作用。根系活力和可溶性蛋白含量與植物代謝狀況密切相關(guān)[25-26]。本研究中常規(guī)鉀和低鉀水平下,煙株葉片可溶性蛋白含量、根系活力均隨干旱程度的加劇呈先上升后下降的趨勢,說明煙株可通過提高可溶性蛋白含量以增強(qiáng)細(xì)胞持水力[27]和提高根系活力以增強(qiáng)根系吸水能力兩種方式響應(yīng)輕度干旱,而重度干旱下植物分解代謝大于合成作用[28],且根系伸長受到嚴(yán)重抑制[29],會導(dǎo)致可溶性蛋白含量和根系活力下降。此外,本研究發(fā)現(xiàn),隨外界干旱程度的加劇,葉片抗氧化酶活性均表現(xiàn)先升高后降低的趨勢,而活性氧含量和丙二醛含量卻表現(xiàn)為逐漸升高,說明在一定的脅迫范圍內(nèi),煙株可通過提高自身的抗逆水平來應(yīng)對干旱脅迫,當(dāng)干旱程度進(jìn)一步加劇時(shí),植株的生長發(fā)育則會受到嚴(yán)重抑制,甚至死亡。

煙草為喜光作物,光合作用對其產(chǎn)量和品質(zhì)的形成有重要影響[30]。鉀素水平與植物葉片的葉綠素含量密切相關(guān),較高的K+濃度有利于維持葉綠體的光合作用[31]。本研究表明,常鉀水平下,植株葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、水分利用率均隨著干旱脅迫程度的增加呈先升高后降低的趨勢,而低鉀脅迫下則表現(xiàn)為逐漸降低,說明植物葉片光合作用在受到低鉀和干旱雙重脅迫時(shí)會有一定程度的降低,這可能是氣孔和非氣孔因素的共同影響造成的[32]。鉀能夠參與滲透調(diào)節(jié)、促進(jìn)植物氣孔運(yùn)動,進(jìn)而提高植株的干旱響應(yīng)能力[33]。本研究發(fā)現(xiàn),常鉀水平植株地上部及根系鉀素含量顯著高于低鉀處理,說明較高濃度的鉀水平可提高植株的耐旱性。兩種鉀水平下,隨著PEG-6000濃度的增加,煙株地上部及根系的鉀素含量明顯降低;但低鉀水平地上部鉀含量降幅小于常鉀水平,根部鉀含量降幅則相反?？赡苁且?yàn)榈外浐透珊惦p重脅迫下,煙株地上部可通過維持鉀含量來響應(yīng)脅迫,故鉀含量降低幅度相對較小;而根系細(xì)胞受損嚴(yán)重,根系吸收養(yǎng)分能力大幅減弱,從而導(dǎo)致鉀含量降低幅度更大[34]。雙因素方差分析表明,干旱對幼苗期煙株吸鉀能力影響最大,其對地上部和根系鉀含量的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了75.35%和64.90%;其次是外界鉀水平,貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了21.06%和34.17%;而二者交互作用的影響最小,可能原因是煙草幼苗期生長需鉀量較少[35],且煙草一般在苗期和大田前期較其他生育時(shí)期對干旱脅迫更為敏感[36],加之PEG濃度的增加對鉀含量產(chǎn)生抑制作用,鉀水平的提高對植株鉀含量的增加起到促進(jìn)作用,二者相互拮抗,這也可能是導(dǎo)致干旱對煙株鉀含量貢獻(xiàn)率大、鉀水平和PEG-6000濃度二者交互作用對鉀含量貢獻(xiàn)率低的主要原因。結(jié)合生理特性指標(biāo),本研究認(rèn)為常鉀水平下,適度的干旱脅迫可促進(jìn)煙株生長發(fā)育及光合作用,但煙株地上部及根部鉀含量明顯降低,這種降低可能是因?yàn)闊熤甑拈L勢增強(qiáng)造成鉀含量“稀釋”導(dǎo)致的。低鉀水平下,干旱脅迫會抑制煙株生長發(fā)育、光合作用及鉀素營養(yǎng)的吸收,說明干旱會加重低鉀脅迫的效果,這在一定程度上與植株能通過鉀饑餓促進(jìn)自身對水分的吸收和鉀有利于提高植物耐旱性的結(jié)論一致[37],但干旱脅迫影響低鉀條件下植株生長發(fā)育及鉀吸收的分子機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

煙草幼苗期干旱、低鉀及其復(fù)合脅迫會造成煙草干、鮮質(zhì)量降低,根系活力減弱,凈光合速率、氣孔導(dǎo)度等光合性能下降,可溶性蛋白含量、相對電導(dǎo)率等膜透性指標(biāo)增大,SOD、CAT等抗氧化酶活性增強(qiáng),抑制煙株正常生理功能,導(dǎo)致地上部和根系鉀含量顯著下降。其中,常鉀水平下10% PEG-6000濃度脅迫對煙草生理功能的影響最小,低鉀水平和20% PEG-6000濃度復(fù)合脅迫的影響大于低鉀和干旱單一脅迫。