镁缓解高温强光对烟草植株光合生理伤害的影响

魏晓玲，冯常青，黄云侠，徐时长，邱福祥，吴 题，郑英洁，李文卿，何华勤

（1. 福建农林大学生命科学学院，福建 福州 350002；2. 福建省烟草专卖局烟草科学研究所，福建 福州 350003）

0 引言

【研究意义】烟草（Nicotiana tabacum）是我国重要经济作物，在我国南北均有种植，其产量居于世界首位[1]。在烟草的生长发育与品质形成的过程中，光照与温度发挥着重要的作用，光强充足能促进烟草的生长发育和烟叶品质的形成[2-4]。但是过强的光照也不利于烟株的生长[5]。与河南、云南、贵州等省烟叶产区明显不同的是，2—6月份，福建烤烟大田生长期间旬平均气温呈线性上升趋势[6]，此时的高温强光严重影响了烟草的产量和品质。镁作为仅次于N、P、K的植物第四大营养元素，在提高植物抗逆性方面有重要作用。长期以来，由于高温多雨等因素的影响，南方红壤地区受到风化、淋洗等作用，土壤中有效性镁含量降低[4,5]。李春英等的研究结果显示，在福建烟区中，交换性镁含量低于临界值的烟区高达80%[6]。土壤镁含量的降低使得烟株的生长发育受阻，对烟叶的产量和质量都造成一定的影响。由此可见，福建地区烟草栽培不仅受到高温强光的影响，较低的土壤含镁量也限制了烟草的生长发育。因此，探究合理施镁对高温强光胁迫下烟草植株光合生理的影响显得尤为重要，这有助于缓解烟草植株所受的高温强光伤害，具有重要的理论意义和实践价值。【前人研究进展】研究表明，镁是植物生长发育的重要营养元素，缺镁会影响植物的光合生理过程。杨广东等研究发现，缺镁加剧了强光胁迫对甜椒叶片的伤害，使甜椒发生明显的光抑制[7]。凌丽俐等也证实，在夏季高光照条件下，缺镁纽荷尔脐橙叶片易发生光抑制，产生光伤害，严重影响其光合作用[8]。杨利华等发现，适量施镁能显著提高玉米吸收N、P、K的能力，提高籽粒蛋白质和淀粉含量，促进作物增产[9]。Cakmak 等与Mengutay等的研究表明，充足的镁营养能有效减轻高温胁迫对小麦和玉米的危害，促进作物的生长发育[10,11]。邵宇航等的研究进一步佐证，镁素施用能有效缓解花后高温对小麦叶片光合能力的伤害，有助于光合产物的积累和产量的形成[12]。【本研究切入点】目前，国内外关于关于高温强光胁迫或缺镁胁迫对于植株的影响的报道不在少数，通过施镁缓解植物所受的高温强光伤害虽有一些研究，但前人多集中在小麦、玉米等粮食作物上，关于施镁对高温强光胁迫下烟草植株光合生理的影响等方面的研究有待深入进行。【拟解决的关键问题】以烟草翠碧一号为试验材料，通过设置不同镁质量浓度与光强处理，对烟草植株的形态、干物质量、光合作用、抗氧化系统等生理过程相关指标进行测定，以分析镁缓解高温强光对烟草植株光合生理伤害的影响，为福建地区烟草栽培实践提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 供试品种与处理方法

供试烟草品种为翠碧一号，由福建省烟草专卖局烟草农业科学研究所提供。将烟草植株培养至七叶一心后，轻轻洗掉根系的沙土，移栽至水培罐中，每株烟草用容量为1 000 mL的水培罐（12 cm×8 cm×11 cm）加不同镁质量浓度的Hoagland 营养液。设置4个镁质量浓度梯度的营养液，即0 mg·L-1（Mg0）、12.0 mg·L-1（Mg12）、48.0 mg·L-1（Mg48）、120.0mg·L-1（Mg120），每个处理30株。每个水培罐中加入900 mL相对应的镁质量浓度培养液，每个星期各补充、更换一次培养液至900 mL处，以保证营养液与空气充足以维持烟株的生长。人工气候室的温度设定为18 ℃、湿度为80%、光照强度为8:00～24:00 160 μmol·m-2·s-1和24:00～8:00 0 μmol·m-2·s-1。待烟苗生长至团棵期时（移栽后38 d），设置两个光照处理，一种是高温正常光照（L600），即温度为33 ℃、湿度为80%、光照强度为600 μmol·m-2·s-124 h；另一种是高温强光（L1 200），即温度为33 ℃、湿度为80%、光照强度为1 200 μmol·m-2·s-124 h，以高温正常光下的0 mg·L-1镁处理作为对照。利用照度计测定到达叶片表面的光照强度，以保证到达烤烟叶片的有效光照强度。

处理6 d后，烟株间出现明显的表型差异，每个处理各取3株长势相同的烟株，测定第2叶位（由上至下）完全展开叶的光合和荧光参数。测定完成后进行拍照，取2、3叶位的叶片，剔除主脉后剪碎混合均匀，也将根系剪下混匀，分别打包速冻后于-80 ℃冰箱中冷冻保存，用于后续的生理指标测定。

1.2 光合特性相关指标的测定

采用CIRAS-3 便携式光合仪（PPSystems，英国）测定第2叶位（由上至下）完全展开叶的光合参数。利用荧光仪（Pocket PEA，Hansatech，英国）在烟株叶片暗处理30 min后测定初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、可变荧光（Fv）、最大光化学效应（Fv/Fm）等参数。用丙酮法测定叶片的叶绿体色素含量[13]。

1.3 抗逆指标的测定方法

超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶(CAT)活性的测定，参照张志良等的方法[14]。丙二醛（MDA）的测定参照林植芳的方法[15]。相对电导度的测定参照邹琦等的方法[13]。H2O2含量的测定采用丙酮法[11]。

1.4 数据统计分析

采用DPS 7.05软件进行数据分析，同时采用Microsoft Office Excel 2010软件进行数据统计、整理和绘图。采用单因素方差法（ANOVA）进行数据多重比较，以最小显著差异法（LSD）检验数据间的差异性（P＜0.05表示数据间有显著差异）。

2 结果与分析

2.1 镁对不同光强处理下烟草植株生长的影响

烟株经过不同施镁量和不同光强的处理，形态发生了明显的差异。图1表明，高温强光（即33 ℃，1 200 μmol·m-2·s-1）处理使烟株叶片表面形成明显的日灼斑。且缺镁增强了高温强光对烟株的伤害，表现为脉间失绿，灼伤程度更为严重。适宜的镁离子质量浓度（48.0 mg·L-1）缓解了高温强光引起的烟株叶片的灼伤，烟株整体呈现较为正常的绿色。与高温强光处理相比，高温正常光（即33 ℃，600 μmol·m-2·s-1）下的烟株均未出现日灼斑，随着镁质量浓度的升高，烟株的缺镁症状得到缓解，烟株叶片从淡绿色变为深绿色。

表 1 不同施镁量与光强处理下烟草植株的干物质量Table 1 Dry weight of tobacco plants under treatments

图 1 不同施镁量与光强处理下烟草的叶片形态.Fig. 1 Morphology of leaves from tobacco plants under treatments

2.2 镁对不同光强处理下烟草植株干物质量的影响

如表1所示，在相同光强处理条件下，随着镁质量浓度的增加，地上部干物质量逐渐增加，但未出现显著性差异。在相同的镁水平下，强光处理的烟株的地上部干物质量高于正常光下的烟株地上部的干物质量。当镁质量浓度高于48.0 mg·L-1时，两种光强处理下的烟株地上部干物质量间出现显著性差异。在地下部中，同一光强处理下，随着镁质量浓度的增加，地下部干物质量逐渐增加，并且出现显著性差异。而在镁质量浓度为120.0 mg·L-1时，两种光强处理下烟株地下部干物质量间出现显著性差异。

对烟草植株的干物质量与镁质量浓度、光强以及镁质量浓度和光强交互作用的方差分析表明，镁质量浓度、光强对烟株的地上部的干物质量的影响达到了显著水平（P＜0.05）；光强对烟株的地下部的干物质量的影响达到了极其显著水平（P＜0.001）；镁质量浓度对烟株整株生物量的影响达到了极显著水平（P＜0.01）；而镁质量浓度和光强交互作用对烟株的干物质量均无显著影响（表2）。

表 2 不同施镁量与光强处理对烟草植株的干物质量影响的方差分析Table 2 Variance analysis on effects of treatments on dry matters of tobacco plants

2.3 镁对不同光强处理下烟草植株光合特性的影响

叶绿素含量测定结果如表3所示，强光处理下烟株的叶绿素a（Chl.a）、叶绿素b（Chl.b）、类胡萝卜素（Car）与叶绿素总含量（Chl.）都低于正常光处理，而随着镁质量浓度的上升，不同光照处理下这些指标均出现逐渐增加的趋势。当镁达到48.0 mg·L-1时，强光处理下的烟株的叶绿素含量与正常光下的烟株相比，叶绿素含量相差最小。

如表3所示，正常光处理下，随着镁质量浓度的升高，Chl.（a/b）的值呈下降趋势；强光处理下，随着镁质量浓度的增加，Chl.（a/b）的值呈上升趋势，镁质量浓度升高，强光与正常光处理下烟株的Chl.（a/b）的值越接近。在镁质量浓度为0 mg·L-1时，强光与正常光处理下烟株叶绿素 a/b的值差异最大，而在镁质量浓度为120 mg·L-1时，差异最小。

表 3 同施镁量与光强处理下烟草植株的叶绿体色素含量Table 3 Chloroplast pigment content of tobacco plants under treatments

如图2-A所示，在相同镁处理下，正常光处理的烟株的气孔导度（Gs）均高于强光处理的，在48 mg·L-1镁处理时，正常光与强光处理间的差异最小。

如图2-C、D所示，蒸腾速率（Tr）、净光合速率（Pn）的变化趋势与气孔导度的变化趋势一致。在相同镁处理下，正常光处理的烟株的蒸腾速率与净光合速率均高于强光处理，在48.0 mg·L-1镁处理时，正常光与强光处理间的差异最小。如图2-B所示，胞间二氧化碳浓度（Ci）在正常光和强光处理下，不同镁处理（除了0 mg·L-1）间无显著差异；而在相同镁质量浓度处理下，两者也无显著性差异。

如图3所示，可变荧光量、最大荧光量、PSⅡ最大量子产量Fv/Fm的趋势较为一致，当镁质量浓度相同时，正常光处理下烟株的Fv、Fm、Fv/Fm均显著高于强光处理下的烟株，且在镁质量浓度为48.0 mg·L-1时，强光与正常光处理下烟株的Fv、Fm、Fv/Fm值的差异减小。

图 2 不同施镁量与光强处理下烟草植株的光合参数Fig. 2 Photosynthetic parameters of tobacco plants under treatments

烟草植株的光合特性相关指标与镁质量浓度、光强以及镁质量浓度和光强交互作用的方差分析，结果如表4。从表4可看出，镁质量浓度除了对Chl.b含量、气孔导度Ci无显著影响外，对烟草植株光合特性其他的相关指标均有显著影响。光强对Chl.（a/b）、Ci、Fv/Fm、Fo无显著影响，但对烟草植株光合特性其他的相关指标均有显著影响；镁质量浓度和光强交互作用对Chl.a含量、Chl.含量、Chl.（a/b）有显著影响，但对烟草植株光合特性其他的相关指标均无显著影响。

表 4 不同施镁量与光强处理对烟草植株光合特性影响的方差分析Table 4 Variance analysis on effects of treatments on photosynthetic characteristics of tobacco plants

2.4 镁对不同光强处理下烟草植株抗氧化系统的影响

如图4-A所示，强光处理增加了烟株的H2O2含量，缺镁与高镁供应下，强光处理的烟株的H2O2含量显著高于正常光处理下烟株的H2O2含量。在48.0 mg·L-1时，正常光与强光处理下烟株间的H2O2含量的差异减小且未达显著性水平。

由图4-B可见，高温强光处理下烟株的MDA含量均高于正常光处理下烟株的MDA含量，而在48.0 mg·L-1时，正常光与强光处理下烟株间MDA含量的差异最小。

膜相对透性的变化情况如图4-C所示，强光处理下烟株的膜相对透性增强，均高于正常光处理的烟株，在48.0 mg·L-1时，强光与正常光处理下的烟株间膜相对透性的差异最小。

如图5-A所示，随着镁质量浓度的升高，强光与正常光处理下烟株的CAT活性均呈先下降后上升的趋势，其中镁质量浓度为0 mg·L-1时，强光处理下的烟株的CAT活性显著低于正常光处理下的烟株，而当镁离子浓度高于0 mg·L-1时，强光处理下烟株的CAT活性高于正常光处理下的烟株，其中在48.0 mg·L-1时，强光处理下的烟株的CAT活性与正常光处理下的烟株相比出现显著性差异。由图5-B可见，正常光处理下烟株的POD活性均高于强光处理，在48.0 mg·L-1时，两者间的差异达到最大值，而在120 mg·L-1时，强光下的活性略高于正常光。由图5-C可见，随着镁质量浓度的升高，强光与正常光处理下烟株的SOD活性均呈先上升后下降的趋势，在48.0 mg·L-1时，两者处理下烟株间SOD活性差异最大。

图 3 不同施镁量与光强处理下烟株的荧光参数Fig. 3 Fluorescence parameters of tobacco plants under treatments

图 4 不同施镁量与光强处理下烟草植株的H2O2（A）、MDA（B）的含量和相对膜透性（C）Fig. 4 Contents of H2O2 (A), MDA (B), and membrane permeability (C) of tobacco plants under treatments

图 5 不同施镁量与光强处理下烟草植株的抗氧化酶活力Fig. 5 Activity of antioxidant enzymes in tobacco plants under treatments

烟草植株的抗氧化系统相关指标与施镁量、光强以及施镁量和光强交互作用的方差分析，结果如表5。从表5可知，施镁量对烟株MDA含量、相对膜透性、POD活力、SOD活力均有显著影响，光强对烟株H2O2含量、CAT活力、POD活力、SOD活力均有显著影响，施镁量和光强交互作用对烟株H2O2含量、相对膜透性、CAT活力、POD活力、SOD活力的影响也都达到显著性。

表 5 不同施镁量与光强处理对烟草植株抗氧化系统影响的方差分析Table 5 Variance analysis on effects of treatments on antioxidant system of tobacco plants

3 讨论与结论

3.1 镁对不同光强处理下烟草植株叶片形态与干物质量的影响

在烟草的生长发育过程中，合适的光强有利于烟草的光合作用、形态建成与品质形成。镁作为烟草生长中重要的营养元素，对烟草的生长发育有重要的作用。李京睿等的研究发现，在驻马店地区由于强光照射及高温晴热天气，经常诱发葡萄水分生理失调出现缺磷、缺镁等症状，进而出现日灼病[16]。本研究也表明，在高温强光下烟草的叶片出现明显的日灼斑，缺镁情况下这种情况更加严重，适当提高镁供应能缓解因强光而引起的日灼斑症状。这对福建的烟草生产具有重要的指导意义。

烟草的经济价值主要来源于叶片，因此叶片的产量与质量对烟草的经济价值有很大的影响。韦翔华等的研究结果发现，适量施用镁肥，烟叶的叶面积可提高24%～27%，叶片厚度增加[17]。吕世保等对烤烟K326的研究也发现，适量施镁能够提高烟株的叶面积与产量产值等[18]。这与本研究的结果一致，施镁显著提高了烟草的干物质量，提高了烟株的产量。镁肥的合理施用可能通过促进烤烟叶片中糖分含量的积累，促进烟叶生物量的增加，从而提高了烟株产量。

3.2 镁对不同光强处理下烟草植株光合特性的影响

高温强光处理下的烟株可能受到光抑制，而镁作为叶绿素不可或缺的组成成分，其缺乏会加剧植株受光抑制的程度[19]。植物荧光特性作为光合作用的分子探针，能反映植株是否受到光抑制。其中，Fv/Fm是暗适应下的最大光化学效率，可以探知PSII反应中心是否遭到破坏；可变荧光Fv与PSⅡ原初电子受体的氧化还原状态密切相关，它的强度愈大，说明PSⅡ的活性愈高。有研究表明，高温强光下温州蜜橘叶片Fv/Fm值降低，反映烟株PSⅡ的活性可能降低，发生光抑制，从而导致其叶片的净光合速率Pn下降[20]。在本研究中，强光降低了Fv/Fm与Fv的值，烟株Pn也下降，与其结果一致。在光合作用中，镁对维持电子载体间的关系和保证光能吸收的有效性、传递与转化都有重要作用[21]。本研究发现，在48.0 mg·L-1镁供应时，强光处理与正常光处理下的Fv/Fm与Fv值的差异均最小，说明适当施镁可能提高了PSⅡ反应中心的开放程度，使得烟草捕获的光能更多分配给光化学途径，加快了PSⅡ电子传递链的还原，以防止过剩光能导致光合结构的破坏。因此，在本研究中，通过添加适宜浓度的镁缓解了烟草高温强光伤害，这可能与施镁条件下促进激发能在烟草光系统PsⅡ和PsI间的分配，以维持烟株较高的光合作用效率有关。

叶绿体色素是植物光合作用能量吸收转换的关键部位，它的含量高低一定程度反映了植物光合能力的强弱。孙晓娥等认为适当施镁使得菊芋中的Chl.a、Chl.b以及Chl.含量增多，光合参数和荧光参数均呈现增加的趋势[22]。本研究也得到了类似的结论，强光造成Chl.a、Chl.b、Car与Chl.的下降，抑制了烟株叶绿素的合成，而随着镁质量浓度的提高，不同光照处理下这些指标均出现逐渐增加的趋势。强光处理使Chl.（a/b）值降低，而在48.0 mg·L-1镁供应时，强光与正常光处理下烟株的Chl.（a/b）值差异减小。说明在强光处理下，适宜的镁质量浓度能提高叶绿素含量从而促进烟株在强光下的光合作用，提升烟草的产量与品质。

3.3 镁对不同光强处理下烟草植株活性氧代谢与抗氧化系统的影响

Ralph等研究认为，在强光处理下，植物Chl.（a/b）值和捕获及传递给PSII反应中心光能的多少呈负相关[23]。当植株吸收的光能大于植株所能利用的能量时，光化学反应途径和非辐射能量途径耗散受阻，会造成激发能的累积，过剩光能激发的电子传递给O2，产生超氧阴离子自由基，造成活性氧（ROS）的累积[24]。ROS的积累会引起膜脂过氧化，而MDA作为膜脂过氧化的最终产物，反映膜脂过氧化伤害的程度。本研究结果表明在强光和缺镁条件下烟株的H2O2含量比正常光下缺镁的显著增加，且MDA含量也增加，加剧了膜脂过氧化程度，增加了相对膜透性。这也解释了前述实验发现强光使得缺镁烟株出现失绿、日灼斑症状的原因。杨广东等的研究也发现，强光和缺镁下，烟株活性氧含量增加，膜脂过氧化程度加剧，叶绿体受到损伤，叶片最终呈失绿坏死症状[19]。本研究中随着镁离子浓度的提高，强光下烟株的H2O2含量与正常光下烟株的H2O2含量间的差异减小，膜脂过氧化程度也有所降低，说明适宜的镁质量浓度能减轻强光所造成的减小，延缓植株衰老。另外在强光处理下缺镁烟株出现的H2O2的积累，可能会造成PSⅡ氧化破坏或加剧光抑制[25]，导致光合结构的受损，这与前述结果相一致。

逆境胁迫下，植株通过改变氧化还原酶活性来减少ROS的累积。SOD、CAT、POD等在清除ROS过程中发挥重要的作用。孙克香等对甜椒的研究发现，高温强光下甜椒叶片的SOD、POD、CAT活性均增加，从而降低 ROS 自由基含量，提高了甜椒的抗逆性[26]。本研究结果也表明，强光处理下烟株为避免ROS的伤害，烟株内SOD活性显著增强。在缺镁烟株中，强光对CAT伤害较大，其活性比正常光处理下的烟株低，适当提高镁质量浓度后，CAT活性显著提高。但本研究中，不同施镁水平下POD活性并未出现显著性变化，这与王芳等[27]在研究施镁对大豆叶片保护酶活性的影响中提到的结果相似，施镁能提高叶片中的CAT活性，但POD 对ROS具有较强的耐受性，因此不同施镁水平下POD未出现显著性变化。

总之，高温强光和缺镁条件下，烟株的H2O2和MDA含量增加，膜脂过氧化程度加剧，膜透性增强，导致烟株失绿、叶片出现日灼斑症状。适当施镁，促使烟株启动保护酶系统，清除过量的自由基，使烟株光合系统免受伤害，保障福建地区烟叶的优质和高产。