外源亚精胺对烤烟幼苗干旱胁迫的缓解效应研究

魏晓凯 景延秋 何佶弦 顾会战 雷 强 俞世康 张启莉 李俊举

（1河南农业大学烟草学院，450002，河南郑州；2四川省烟草公司广元市公司，628017，四川广元；3中国烟草总公司四川省公司，610041，四川成都）

近年来，随着全球温室气体排放量的增加，干旱问题日趋严峻，全国范围内干旱和半干旱地区面积已达到我国国土面积的50%[1-2]。干旱胁迫已成为严重制约我国农作物产量和质量的主要因素之一，其造成的损失相当于其他所有非生物胁迫损失之和[3-4]。干旱胁迫时，植物的形态结构发生变化，光合器官受损，光合作用受到抑制，同时产生大量活性氧，进而造成植物生长发育受阻[5-7]。烤烟是喜温暖而湿润的经济作物，对水分的反应较为敏感，在整个生长发育过程中，充足的水分供应在一定程度上决定其品质[8-9]。因此，研究植物在干旱胁迫下的适应性和保护机制，对于我国农业的发展具有重要意义。

多胺是一种广泛存在于植物体内的脂肪族含氮碱，主要包括腐胺（Put）、精胺（Spm）和亚精胺（Spd）等，其在植物整个生长发育过程中起着重要的生理调节作用，其中Spd因其多聚阳离子特性，生理调节作用最为显著，可作为胁迫信号直接参与植物的基因表达、蛋白质修饰和激素调节，进而增强植物对逆境的缓解能力[10-14]。近年来，有研究[15]发现，Spd对于降低植物多种非生物胁迫损害具有显著的作用。已有研究[16-18]表明，外源Spd在活性氧的清除、促进植物根系导水率与叶片渗透调节物质积累、增强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]发现在盐碱胁迫下Spd浸泡过的苜蓿种子发芽率和生物量都显著提高，同时钠离子和丙二醛（MDA）毒害作用也显著降低。李东等[3]研究了干旱胁迫下外源Spd对烤烟幼苗生长及生理特性的影响机理，发现喷施0.40mmol/L Spd对缓解烤烟幼苗干旱效果最佳，但是关于最佳浓度条件下喷施外源Spd对不同干旱胁迫程度烤烟幼苗影响的生理机理仍需深入研究。鉴于此，本研究以云烟87为供试品种，研究在不同干旱胁迫程度下，喷施最佳浓度外源Spd对烤烟幼苗的缓解效应，为探究外源Spd对提高烤烟抗旱性的生理机制提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试烤烟品种为云烟87，由四川省烟草公司广元市公司提供。外源Spd（纯度为98%）购于山东福瑞达生物科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验于2021年3月在河南农业大学人工气候室进行，光照强度为4000Lx，昼温为28℃±2℃，夜温为20℃±2℃，光照周期为15h/d。选取大小均匀籽粒饱满的种子进行消毒浸种（用体积分数10%的H2O2浸泡15min，再用自来水反复冲洗，然后浸泡8h），然后在盛有蛭石的育苗盘上进行发芽。当烟苗长至4片叶时，选取形态和长势一致的烟苗移栽于盛有Hoagland营养液、pH 5.7（±0.2）的1.5L黑色塑料盆中，每盆定植3株。

在Hoagland营养液中分别加入10%和20%的PEG-6000（天津市科密欧化学试剂有限公司）模拟轻度干旱和重度干旱。设置6个处理，CK为喷施清水（不进行干旱处理），T1为喷施0.40mmol/L Spd（不进行干旱处理），T2为轻度干旱+喷施清水，T3为轻度干旱+喷施0.40mmol/L Spd，T4为重度干旱+喷施清水，T5为重度干旱+喷施0.40mmol/L Spd。每个处理20株，重复3次。每2d更换1次处理液，各个处理于每天17:00喷施1次，喷施量以烤烟叶片正反面均匀喷至形成细雾状小液滴为准。连续喷施3d后，在胁迫第6天时，取从上向下第3片叶进行各项指标测定。

1.2.2 测定项目及方法 各处理选取均匀一致的烤烟幼苗5株，按照YC/T 142-1998[20]测定烟株农艺性状。将烟株根、茎和叶在105℃杀青20min后，60℃烘干，测定各器官干物质质量。采用TTC法测定根系活力[21]，采用考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白含量[22]，采用水合茚三酮法测定脯氨酸含量[23]。采用北京索莱宝科技有限公司生产的检测试剂盒测定MDA含量，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性，采用苏州科铭生物技术有限公司生产的检测试剂盒测定超氧阴离子（O-2·）产生速率。

使用便携式光合测定仪（Li-6400，美国LICOR公司）于胁迫第6天9:00-11:00测定叶片净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr），参照李合生[24]的方法测定叶绿素含量。

1.3 数据处理

运用SPSS 17.0以及Excel 2016进行数据分析整理，采用最小显著差异法比较不同处理在0.05水平上的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 外源Spd对干旱胁迫下烤烟幼苗生物量的影响

由表1可知，直接喷施Spd（T1）时烤烟幼苗农艺性状和生物量与CK处理之间没有显著的差异。与CK处理相比，轻度干旱（T2）和重度干旱（T4）处理显著抑制了烤烟幼苗的生长发育。T3处理烤烟幼苗的最大叶长、最大叶宽、最大叶面积、根干重、茎干重和叶干重显著高于T2处理，分别增加了14.54%、10.18%、26.17%、50.00%、57.14%和35.71%。T5处理烤烟幼苗的最大叶宽和最大叶面积显著高于T4处理，分别增加了3.73%和5.88%，但最大叶长、根干重、茎干重和叶干重与T4处理之间没有显著差异。说明叶面喷施Spd缓解轻度干旱的作用显著，但对重度干旱则没有明显作用。

表1 外源Spd对干旱胁迫下烤烟幼苗叶片及生物量的影响Table 1 Effects of exogenous Spd on leaves and biomass of flue-cured tobacco seedlings under drought stress

2.2 外源Spd对干旱胁迫下烤烟幼苗光合特性和叶绿素含量的影响

由表2可知，与CK处理相比，T1处理叶片的Pn、Gs和叶绿素含量没有显著的变化，而Ci显著降低，Tr显著提高。与T2处理相比，T4处理叶片的Pn、Gs、Tr和叶绿素含量显著降低，说明干旱胁迫下烤烟幼苗的光合色素合成受阻，抑制了光合效率。T3处理的Pn、Gs、Tr和叶绿素含量均显著高于T2处理，分别提高了7.02%、8.89%、11.73%和35.80%，而Ci显著降低了12.13%，T5处理的Pn、Gs、Ci和Tr与T4处理之间没有显著差异，而叶绿素含量显著提高了8.33%。说明喷施Spd可以有效 提高轻度干旱胁迫下烤烟幼苗的光合特性和叶绿素含量，增强抗旱能力。

表2 外源Spd对干旱胁迫下烤烟幼苗光合特性和叶绿素含量的影响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对干旱胁迫下烤烟幼苗根系活力的影响

图1表明，与CK处理相比，T1处理烤烟幼苗根系活力没有明显的变化，而T2和T4处理烤烟幼苗的根系活力显著降低。与T2处理相比，T3处理的烤烟根系活力显著提高了33.26%。与T4处理相比，T5处理的烤烟根系活力显著提高34.71%。说明外源Spd对于提高正常生长烤烟幼苗的根系活力没有显著作用，但对于提高干旱胁迫下的烤烟幼苗根系活力作用显著。

图1 外源Spd对干旱胁迫下烤烟幼苗根系活力的影响Fig.1 Effects of exogenous Spd on root activity of flue-cured tobacco seedlings under drought stress

2.4 外源Spd对干旱胁迫下烤烟幼苗渗透调节物质含量的影响

渗透调节作用是植物适应逆境环境的重要生理机制，对于缓解植物逆境胁迫有重要的作用。由图2可知，与CK处理相比，T1处理烤烟幼苗的可溶性蛋白和脯氨酸含量没有显著的变化，说明烤烟正常生长时，叶面喷施Spd对提高幼苗渗透调节物质含量没有明显作用。与T2处理相比，T4处理可溶性蛋白和脯氨酸含量显著积累，说明干旱胁迫可促进烤烟幼苗渗透调节物质含量的增加。T3和T5处理可溶性蛋白含量分别比T2和T4处理显著提高了68.25%和28.95%，脯氨酸含量分别比T2和T4处理显著提高32.33%和22.50%。说明烤烟幼苗在干旱时，可以通过叶面喷施外源Spd来提高幼苗内渗透调节物质含量。

图2 外源Spd对干旱胁迫下烤烟幼苗可溶性蛋白和脯氨酸含量的影响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对烤烟幼苗MDA含量和O-2·产生速率的影响

由图3可知，干旱胁迫时，烤烟幼苗的MDA含量和O-2·产生速率均显著高于CK处理，与CK处理相比，T2处理分别提高了51.35%、82.95%，T4处理分别提高了73.94%、146.12%。而喷施外源Spd（T3、T5）则显著降低了MDA含量和O-2·产生速率，与T2处理相比，T3处理MDA含量和O-2·产生速率分别降低了23.88%和27.19%，与T4处理相比，T5处理的MDA含量和O-2·产生速率分别降低了14.81%和29.50%。说明干旱胁迫时，外源喷施Spd可显著降低烤烟幼苗活性氧和过氧化物含量，缓解膜质过氧化伤害，提高烟株的抗旱能力。

图3 外源Spd对干旱胁迫下烤烟幼苗MDA含量和O-2·产生速率的影响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对干旱胁迫下烤烟幼苗抗氧化酶活性的影响

图4 表明，与CK处理相比，干旱胁迫（T2、T4）时烤烟幼苗叶片抗氧化酶SOD和CAT的活性显著提高，说明干旱胁迫促使了烤烟幼苗叶片抗氧化酶活性的提高。T3处理时烤烟幼苗叶片的SOD、POD和CAT活性比T2处理分别提高了26.36%、30.48%和34.88%。T5处理时烤烟幼苗叶片的SOD、POD和CAT活性比T4处理分别显著提高了7.25%、22.61%和9.32%。说明喷施Spd可以通过提高烤烟幼苗抗氧化酶活性来增强抗旱能力，尤其对轻度干旱作用最为显著。

图4 外源Spd对干旱胁迫下烤烟幼苗SOD、POD和CAT活性的影响Fig.4 Effects of exogenous Spd on SOD,POD,and CAT activities of flue-cured tobacco seedlings under drought stress

3 讨论

植物干物质的营养积累反映了其生长发育状况，是植株对逆境响应的直接体现，而根系活力反映了植物的新陈代谢能力，其活性的高低影响着植物对水分的利用能力[25-26]。李丽杰[16]研究发现，外源Spd能够促使干旱胁迫下玉米幼苗根系生长，提高根系活力，进而促进幼苗对水分的吸收和转运效率。本研究表明，干旱胁迫下烤烟幼苗根、茎和叶的干物质积累量以及根系活力均显著降低，说明干旱胁迫显著抑制了烤烟幼苗根系对水分的吸收。喷施外源Spd有效缓解了轻度干旱胁迫对烤烟幼苗的损害，显著提高了根系活力、最大叶长、最大叶宽、最大叶面积以及根、茎和叶的生物量。说明轻度干旱胁迫时，外源Spd可作为生长调节剂促进烤烟幼苗的发育和干物质的积累，提高根系活力，增强其保水能力，进而缓解轻度干旱胁迫对烤烟幼苗的伤害，这与冀保毅等[27]的研究结果一致。

光合作用作为植物有机物合成的主要方式，直接反映植物生理代谢的持续能力[28]。叶绿素作为植物主要的光合色素和功能物质，担负着对光能的吸收、传递和转换，其含量体现了植物的光合能力[29-30]。干旱胁迫时，植物通过收缩或关闭气孔减少蒸腾作用，降低水分散失，但同时也抑制了CO2进出细胞的通道，光合速率减弱，进而阻碍植物的生长发育[31]。本试验研究表明，干旱胁迫显著降低了烤烟幼苗的Pn、Gs、Tr和叶绿素含量，而Ci升高，这是因为干旱胁迫使植物失水速率增加，引起气孔关闭，Tr降低，又因为细胞失水破坏了叶绿体结构，叶绿素含量减少，造成光合速率减弱。另有研究[32]发现，外源Spd能有效缓解干旱胁迫时叶片气孔的闭合程度，促进植物对CO2的吸收，从而提高光合能力。本研究也表明，外源Spd能够显著提高轻度干旱胁迫下烤烟幼苗的光合能力，这可能是因为Spd能够控制植物光合色素的降解，保护了光反应系统，从而提高了轻度干旱胁迫下烤烟幼苗的光合能力[19,33]。

渗透调节是植物应对逆境环境的一种适应性反应，渗透调节物质越多，则抗逆性越强[3,34-35]。脯氨酸和可溶性蛋白作为植物体内主要的渗透调节物质，可以有效清除植物体内的活性氧自由基，提高其抗氧化能力，从而提高抗逆性[36-37]。本研究表明，干旱胁迫时，烤烟幼苗可溶性蛋白和脯氨酸含量显著高于CK处理，但以轻度干旱含量最高，说明干旱胁迫能促使烤烟幼苗积累更多的渗透调节物质来应对逆境胁迫。已有研究[38]表明，干旱胁迫下外源Spd能够提高植物体内渗透调节物质含量，从而削弱逆境环境造成的损害。本研究也发现，干旱胁迫下喷施Spd仍能大幅增加渗透调节物质含量，说明外源Spd通过增加烤烟幼苗渗透调节物质含量使细胞维持较低的渗透势，增强吸水能力，提高烤烟幼苗的抗逆性，这与韩忠明等[39]研究结果一致。

膜质过氧化产物是反映植物抗逆能力的重要指标[40]。植物在干旱胁迫时，会引起细胞内活性氧（ROS）产生和清除系统的失衡，引起并加剧膜质过氧化反应[41]。MDA作为膜质过氧化的主要产物，会对植物细胞膜造成损伤，抑制植物的生长发育[42]。贺嘉豪等[43]研究发现，干旱胁迫下烤烟幼苗的膜质过氧化程度与O-2·产生速率呈正相关关系。在本研究中，干旱胁迫下烤烟幼苗抗氧化酶活性、MDA含量和O-2·产生速率均显著增加，这可能是因为干旱胁迫使烤烟幼苗产生了大量的ROS，加剧了膜质过氧化反应。已有研究[33]表明，外源Spd能够显著增加干旱胁迫下植物内抗氧化酶活性，从而清除活性氧等造成的细胞伤害。本研究也发现，外源Spd能够显著提高烤烟幼苗抗氧化酶活性，从而削弱O-2·产生速率和MDA含量。由此推测，外源Spd促进抗氧化酶等相关基因的表达，减少烤烟幼苗活性氧自由基的产生，从而缓解干旱胁迫对烤烟幼苗生长的抑制作用[3]。

4 结论

干旱胁迫下烤烟幼苗的生长发育受到抑制，而叶面喷施Spd可提高抗氧化酶活性，增强幼苗的渗透调节能力，降低MDA含量和O-2·产生速率，可有效缓解光合系统的损害，促进烤烟幼苗的抗旱能力，尤以轻度干旱最为显著。