KCl对烤烟光合作用、碳氮代谢主要酶活性的影响

徐茜 吴平 高文霞 王峰吉

摘 要 采用单因素随机区组试验，研究不同氯化钾浓度对烤烟光合作用、碳氮代谢主要酶活性的影响。结果表明：2～4 mmol/L氯化钾处理促进烟叶的光合作用，其蔗糖磷酸合成酶（SPS）、蔗糖合成酶（SS）、蔗糖转化酶（INV）、α-淀粉酶、β-淀粉酶的活性利于烟叶的碳代谢；而2 mmol/L氯化钾处理浓度可有效提高烟叶的硝酸还原酶（NR）和中性蛋白酶活力，有利于烟叶氮代谢的进行。

关键词 烤烟；氯化钾；光合作用；氮代谢；碳代谢

中图分类号 S572 文献标识码 A

氯是叶绿体的组成成分，同时还是光合反应的辅酶成分，在光合作用中，氯参与水的光解反应。氯离子是生物化学稳定性最强的阴离子，进入植物体内，可维持细胞的膨胀压，提高细胞内的渗透势和水势，从而延长或加强光合作用[1-4]，进而促进碳水化合物的合成[5-8]。植物体内的某些酶类必需有Cl-的存在和参与才可能具有酶活性[9-12]。氯在氮素代谢过程中有重要作用，氯化物能促进天冬酰胺和谷氨酸的合成。在缺氯条件下，植物细胞的增殖速度降低，叶面积减少，生长量明显下降（约60%）。以往人们了解较多的是原生质体上的H+-ATP酶，H+-ATP酶受K+的激活。而在液泡膜上也存在有H+-ATP酶，与原生质体上的H+-ATP酶不同，这种酶不受一价阳离子的影响，而专靠氯化物激活。适量的氯可改善烟草的整体生理机能，有利于碳水化合物和含氮物质的合成和积累，提高烟叶的产量和品质[13-14]。

钾是植物生长的必需营养元素， 也是所有有机体必需的唯一的一价阳离子，它的某些生理功能是其它一价阳离子无法替代的[15]。另一方面钾可促进烟草的光合、同化产物的合成与运输，特别是对于糖的运输和碳水化合物的合成与分解有促进作用[16]。对酶的活化作用是钾最重要的生理功能， 有许多酶的功能或者完全依赖于K+，或者受K+激活[17-20]。烟草是喜钾作物，在一定范围内，随钾含量的增加烟叶的品质持续增加，在烟草生产中钾肥具有重要作用[21-23]。

前人的研究多集中于增施钾肥对烟叶品质的影响和氯元素对植物生长的影响方面，而烟草对钾元素和氯元素的吸收是必不可少的，所以研究氯化钾对烟草生长发育的共同作用及使用氯化钾的合理范围是必要的。

鉴于此，本研究主要探讨不同氯化钾浓度对烤烟光合作用、碳氮代谢主要酶活性的影响，了解氯化钾调控烤烟生长发育的生理机制，为合理施用氯化钾肥料、改善烟株营养状况、提高烟叶的品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试烤烟品种为K326。试验于2010年3～7月在南平烟科分所试验基地育苗棚内进行，采用水培漂浮育苗方法，待烟苗长到7叶1心时，选取生长一致的幼苗移栽至10 L塑料桶内，内置定植网，烟苗植于网上。所用营养液配方为Hoagland营养液，每隔7 d更换1次营养液。设0、0.5、2、4、8、32 mmol/L共6个氯化钾浓度处理，每个处理烟苗30株。等烟苗长至团棵期时，取样用于测定各生理生化指标。

1.2 方法

采用CI-301型便携式CO2气体分析仪测定烟叶胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度、净光合速率等光合参数；采用饱和脉冲调制式叶绿素荧光分析仪测定F0、Fm、Fv、Fv/F0、Fv/Fm等叶绿素荧光参数；参照刘伦沛[19]的方法测定ATP酶活性；采用邓云龙等[20]的方法测定SPS活性；参照张智猛等[24]的方法测定SS活性； INV活性参照刘国顺等[25]的方法测定；α-淀粉酶、β-淀粉酶活性参照何俊瑜等[26]的方法测定；参照邹琦[28]的方法测定NR活性；采用屠波等[30]的方法测定中性蛋白酶的活性。

1.3 数据处理

采用EXCEL 2003和DPS 7.05对试验数据进行LSD差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同氯化钾浓度对烤烟光合作用的影响

2.1.1 不同氯化钾浓度对烤烟光合参数的影响 由表1可知，随着氯化钾浓度的提高，烟叶的胞间CO2浓度和烟叶的气孔导度呈现先升高，在4 mmol/L浓度处理下达最高值，然后下降的总体趋势。经方差分析，结果显示4 mmol/L与2 mmol/L浓度处理无显著差异，与其余浓度处理的差异达极显著水平；各氯化钾浓度处理胞间CO2浓度均极显著高于0 mmol/L浓度处理。

烟叶的蒸腾速率呈现先升高，在2 mmol/L浓度处理下达最高值，然后下降的总体趋势；2 mmol/L与0.5 mmol/L浓度处理无显著差异，与其余浓度处理的差异达极显著水平。烟叶的净光合速率呈现先升高，在2 mmol/L浓度处理下达最高值，然后下降的总体趋势；2 mmol/L与其余浓度处理的差异达极显著水平。

2.1.2 不同氯化钾浓度对烤烟叶绿素荧光参数的影响 F0：初始荧光，也称基础荧光，是光系统Ⅱ（PSⅡ）反应中心处于完全开放时的荧光产量。由表2可知，随着氯化钾浓度的提高，烟叶的F0呈现先升高，在2 mmol/L浓度处理下达最高值，然后下降的总体趋势。经方差分析，结果显示2 mmol/L与0.5 mmol/L浓度处理无显著差异，与其余浓度处理的差异达显著水平。

Fm：最大荧光产量是PSⅡ反应中心处于完全关闭时的荧光产量。可反映通过PSⅡ的电子传递情况。随着氯化钾浓度的提高，烟叶的Fm呈现先升高，在0.5 mmol/L浓度处理下达最高值，然后下降的总体趋势。经方差分析，结果显示0.5 mmol/L与2、8 mmol/L浓度处理无显著差异，与其余浓度处理的差异达极显著水平。

Fv=Fm-F0：为可变荧光，反映了QA的还原情况。随着氯化钾浓度的提高，烟叶的Fv呈现先升高，在0.5 mmol/L浓度处理下达最高值，然后下降的总体趋势。经方差分析，结果显示0.5 mmol/L与2、8 mmol/L浓度处理无显著差异，与其余浓度处理的差异达极显著水平。

Fv/F0：表示PSⅡ潜在活性。Fv/Fm：是PSⅡ最大光化学量子产量，反映PSⅡ反应中心内禀光能转换效率，或称最大PSⅡ的光能转换效率。各浓度处理Fv/F0、Fv/Fm经方差分析无显著差异。

2.1.3 不同氯化钾浓度对烤烟ATP酶活性的影响 叶绿体偶联因子ATP酶参与光合作用的能量转换并起重要作用。由图1可知，随着氯化钾浓度的提高，烟叶的ATP酶活性呈现先升高，在4 mmol/L浓度处理下达最高值，然后下降的总体趋势。经方差分析，结果显示4 mmol/L与2 mmol/L浓度处理有显著差异，与其余浓度处理的差异达极显著水平；各氯化钾浓度处理ATP酶活性均极显著高于0 mmol/L浓度处理。

2.2 不同氯化钾浓度对烤烟碳代谢主要酶活性的影响

2.2.1 不同氯化钾浓度对烤烟SPS活性的影响 SPS可将UDPG和6-磷酸果糖（F-6-P）合成6-磷酸蔗糖，然后6-磷酸蔗糖在蔗糖磷酸化酶的作用下生成蔗糖和磷酸根离子。前人曾指出蔗糖磷酸合成酶活性与淀粉积累呈现负相关，而与蔗糖形成呈正比关系，SPS的活力大小直接影响光合产物在淀粉与蔗糖之间的分配。由图2可知，随着氯化钾浓度的提高，烟叶的SPS活力呈现逐渐下降的趋势。经方差分析，各氯化钾浓度处理SPS活性均极显著低于0 mmol/L浓度处理。

2.2.2 不同氯化钾浓度对烤烟SS活性的影响 SS是蔗糖代谢的关键酶之一，可催化蔗糖的合成与分解，SS主要功能是催化蔗糖的分解，产生UDP-D-葡萄糖（或ADP-D-葡萄糖），进而用来合成淀粉及其他多糖。由图3可知，随着氯化钾浓度的提高，烟叶的SS活性呈现先升高，在2 mmol/L浓度处理下达最高值，然后下降的总体趋势。经方差分析，2 mmol/L与4 mmol/L浓度处理无显著差异，与其余浓度处理的差异达极显著水平；除32 mmol/L浓度处理外，其余氯化钾浓度处理SS活性均显著高于0 mmol/L浓度处理。

2.2.3 不同氯化钾浓度对烤烟INV活性的影响 INV又称蔗糖转化酶，可将蔗糖转化为葡萄糖和果糖。由图4可知，随着氯化钾浓度的提高，烟叶的INV活性呈现先升高，在2 mmol/L浓度处理下达最高值，然后下降的总体趋势。经方差分析，结果显示2 mmol/L与其余浓度处理的差异达极显著水平。

2.2.4 不同氯化钾浓度对淀粉酶活性的影响 由图5可知，随着氯化钾浓度的提高，烟叶的α-淀粉酶、β-淀粉酶活性均呈现先升高，然后下降的总体趋势；α-淀粉酶在2 mmol/L浓度处理下达最高值，β-淀粉酶在4 mmol/L浓度处理下达最高值。经方差分析，结果显示2 mmol/L与4 mmol/L浓度处理α-淀粉酶活性无显著差异，与其余处理的差异达显著水平；4 mmol/L与其余浓度处理β-淀粉酶活性的差异达极显著水平；各氯化钾浓度处理β-淀粉酶活性均极显著高于0 mmol/L浓度处理。

2.3 不同氯化钾浓度对烤烟氮代谢主要酶活性的影响

2.3.1 不同氯化钾浓度对烤烟NR活性的影响 NR是烟草氮代谢的关键限速酶。由图6可知，随着氯化钾浓度的提高，烟叶的NR活性呈现先升高，在2 mmol/L浓度处理下达最高值，然后下降的总体趋势。经方差分析，结果显示2 mmol/L与其余浓度处理的差异达极显著水平；各氯化钾浓度处理NR活性均极显著高于0 mmol/L浓度处理。

2.3.2 不同氯化钾浓度对烤烟中性蛋白酶活性的影响 中性蛋白酶的作用是将蛋白质水解成氨基酸。氨基酸参与众多的生理生化过程，中性蛋白酶的活性在一定程度上代表着氮代谢的活跃程度。图7可知，氯化钾浓度提高，烟叶的中性蛋白酶活性呈现先升高，在2 mmol/L浓度处理下达最高值，然后下降的总体趋势。经方差分析，结果显示2 mmol/L与其余浓度处理差异极显著；各氯化钾浓度处理中性蛋白酶活性均极显著高于0 mmol/L浓度处理。

3 讨论与结论

2 mmol/L氯化钾浓度处理的烟叶净光合速率最高，伴随着较高或最高的胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度；继续提高氯化钾浓度，会导致烟叶净光合速率下降。王少先等[29]的研究结果表明随施氯量的增加，光合作用增强，到达一定量后，效果下降，本研究进一步确定了最适施用量的范围，对指导生产具有重要意义。随着氯化钾浓度的提高，基础荧光、QA的还原均呈先升高再下降的趋势，有利于烟叶生长的氯化钾浓度以2 mmol/L比较适宜。4 mmol/L的氯化钾浓度可以有效提高烟叶的ATP酶活力，最有利于光合作用的能量转换。

随着氯化钾浓度的提高，SPS活性逐渐下降，蔗糖的合成逐渐减少，淀粉的合成相应增加。2～4 mmol/L氯化钾浓度处理的SS活性较高，促进蔗糖的分解，进而增加淀粉的累积。2 mmol/L氯化钾浓度处理的INV活性最高，可使蔗糖有效地转化为葡萄糖和果糖，供烟叶生长所需。2～4 mmol/L氯化钾浓度处理的α-淀粉酶活性较高，4 mmol/L氯化钾浓度处理的β-淀粉酶活性最高。继续提高氯化钾浓度，会导致烟叶SS、INV、淀粉酶活性下降，不利于烟叶碳代谢的进行。刘国顺[30]认为，适量Cl-（0.5～4 mmol/L）使INV活性处于较高水平， 缺Cl-（0 mmol/L）和高Cl-（4 mmol/L）均降低了整个生育期的INV活性，本研究进一步确认了最适的浓度范围。

2 mmol/L的氯化钾浓度可有效提高烟叶的NR和中性蛋白酶活力，有利于烟叶的氮代谢的进行，氯化钾浓度如再增加，上述酶的活性反而下降。王少先等[29]的研究结果表明，NR活性随Cl-浓度提高而降低，本研究的结果与其不同，与刘洪斌等[31]认为适量施氯NR活性提高，高氯NR活性逐渐降低的研究结果一致。目前国内有关氯对烤烟叶绿素荧光参数、SPS、SS、淀粉酶、中性蛋白酶影响的报道依然较少。

对于在8 mmol/L浓度和32 mmol/L浓度处理范围内INV活性和NR活性又有上升趋势，可能由于随施钾量的增加对烟草的生理机制产生新的影响。前人研究结果表明，烤烟产量随钾用量的增加而增加，当钾用量达到一定水平后，继续增加其用量对烟叶产量无显著影响，但烟叶品质还会不断提高[32-35]。具体相关的科学问题需要进一步研究探讨。

因此，2～4 mmol/L氯化钾浓度有利于促进烟叶的光合作用和碳代谢；2 mmol/L氯化钾浓度有利于烟叶氮代谢的进行。本研究的结果进一步证实，氯元素和钾元素均为烟草生长发育所必需的营养元素，适宜的氯、钾营养水平有利于促进烟草的光合作用和碳、氮代谢，进而促进烟草植株的生长发育。烟叶生产中，获得最佳烟叶品质的氯、钾营养水平的确定，及氯化钾施用量、施用方法等相关问题需要进一步研究探讨。

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责任编辑：黄东杰