不同促根措施对皖南烤烟成熟期钾素代谢的影响

2022-07-06张小全贾振宇李举旭李洪臣王豹祥武云杰

作物杂志 2022年3期

张小全贾振宇李举旭李洪臣王豹祥汪健石刚王川武云杰

（1河南农业大学烟草学院，450002，河南郑州；2河南省烟草公司三门峡市公司，472000，河南三门峡；3湖北中烟工业有限责任公司，430040，湖北武汉；4安徽皖南烟叶有限责任公司，242000，安徽宣城）

与国外优质烟叶相比，我国烟叶钾含量普遍较低，提钾增质是烟叶生产技术的研究热点[1-3]。皖南烟区是中国典型的浓香型烟叶产区，烟叶具有独特的焦甜香风格，但钾含量总体偏低[4]，提高钾含量是急需解决的问题。钾含量受品种、气候、土壤和钾肥施用技术等多种因素的影响[2-3,5]，人们从农艺措施、施肥技术、理化调控和土壤改良等角度研究提高烟叶钾含量[1]。烟株生长所需的钾大部分来源于土壤，因此，培育发达的根系、增强根系吸收能力是提高钾含量的技术措施之一[1,6]。大量研究[7-8]表明，黄腐酸钾能提高根系活力，促进根系发育，能有效促进烟株对钾的吸收，提高烟叶干物质累积量和钾含量。γ-聚谷氨酸作为肥料增效剂具有富集和促进养分吸收、提高养分利用率等作用[9-10]。团棵期豆浆灌根可以有效促进烤烟根系与地上部的生长发育，提高烟叶钾含量和品质[11-12]。

烟叶成熟期是决定烟株钾积累和烟叶钾含量的关键时期[3]。烟株进入成熟期后，由于土壤对钾的矿化固定、速效钾随水分流失、根系活力变化以及前期钾的大量吸收等原因，通常出现根际的速效钾供应不足，成熟期干物质积累的同时对钾的积累减缓或下降，且钾在烟叶中的分配率降低，在非经济器官中的分配率升高[13-15]，导致中后期烟叶钾含量偏低。生产上通常采用追施钾肥、根区施肥和喷施叶面钾肥等方法来提高钾含量[16-17]。众多研究聚焦在探索不同促根措施对烟株早期的生长发育、产量和质量的影响上，而关于不同促根措施对烤烟成熟期钾吸收利用机制深入的研究较少。鉴于此，本试验研究了皖南烟区在正常施肥基础上增施黄腐酸钾、γ-聚谷氨酸和豆浆灌根促根措施对烤烟成熟期根系生理、烤后烟叶钾含量、烟株不同部位钾积累量、钾离子通道和转运体基因表达的影响，探明不同促根措施对皖南烤烟成熟期钾代谢的影响机制，为皖南优质烟叶生产提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试烤烟品种为当地主栽品种云烟97，由安徽皖南烟叶有限责任公司提供。肥料为烟草专用有机无机复合肥（N:P:K=5:8:12，有机质含量20%）。黄腐酸钾为矿源黄腐酸钾（黄腐酸含量52%，氧化钾含量20%），γ-聚谷氨酸含量8%，豆浆为每千克黄豆加9kg水磨碎后密封保存，经腐熟发酵10d后得到（有机质674.3g/kg，磷 14.6g/kg，钾 14.1g/kg）。

1.2 试验设计

试验于2019年在安徽省宣城市鄂皖黄鹤楼烟叶高科技示范园（118°99′E，31°22′N）进行。试验地土壤为黄棕壤，质地为壤土，前茬为水稻，土壤pH 6.23、有机质24.90g/kg、全氮1.65g/kg、碱解氮146.90mg/kg、速效磷35.29mg/kg、速效钾184.25mg/kg。起垄前条施复合肥1350kg/hm2，移栽后35d垄上撒施复合肥750kg/hm2，并及时培土3～5cm。

采用单因素随机区组设计。CK处理为常规施肥；TPFA处理为常规施肥基础上添加黄腐酸钾3.0kg/hm2，每40g对水定容至100L，移栽时每株穴灌500mL；TPGA处理为常规施肥基础上添加γ-聚谷氨酸150L/hm2，每2L原液对水定容至100L，移栽时每株穴灌500mL；TSRI处理为常规施肥基础上豆浆灌根150kg/hm2，每千克黄豆加工成发酵豆浆后用水定容至50L，移栽后30d每株灌根500mL。小区面积为120.00m2，行距120.00cm，株距50.00cm，小区为4行区，每小区植烟200株，田间重复2次。于3月28日移栽，烟株第1朵中心花开放50%时打顶，每株留16片叶，其他田间管理按当地优质烤烟生产技术方案执行。待烟叶成熟时，各小区分别收获，按密集烘烤工艺进行烘烤。

1.3 测定项目与方法

在进入成熟期时（移栽后95d），每个处理选取12株生长一致的烟株，6株用于测定根鲜重、根体积和根系活力等指标；取3株将根、茎和叶分开，从下往上数第1～5片为下部叶，第6～10片为中部叶，第11片及以上为上部叶，105℃下杀青30min，70℃烘干后称干重，用于测定钾含量；另3株取从下往上数第3片叶和第8片叶，从上往下数第2片叶，各取10g烟叶，并取10g须根（用去离子水清洗干净），用液氮冷冻后于-80℃保存，重复3次，用于测定钾吸收转运相关基因相对表达量。

用称重法测根系鲜重，用排水法测根系体积，用氯化三苯基四氮唑（TTC）法测定根系活力[18]。用盐酸溶液浸提—火焰光度法测定杀青样钾含量。用流动分析仪法测定烤后烟样品钾含量。钾积累量是相同部位的干物质积累量乘以相同部位的钾含量。采用实时荧光定量PCR法测定钾相关基因相对表达量，具体引物信息和方法参照文献[19]，所有样品设置6次重复，基因相对表达水平用2-ΔΔCT方法计算。

1.4 数据处理

采用Excel 2016进行数据整理，并利用SPSS 26.0进行One-way ANOVA方差分析，采用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理烤烟成熟期根系特性比较

不同处理烤烟成熟期根系特性如表1所示。3个促根处理的根鲜重（除TPFA外）、根干重和根体积均极显著高于CK处理，TPGA处理的根鲜重极显著高于其他处理，较CK处理提高78.36%，TPFA和TPGA处理的根体积极显著高于TSRI处理。TPFA和TSRI处理的成熟期根系活力显著高于TPGA和CK处理。说明3种促根措施可明显促进烤烟根系发育。

表1 不同处理烤烟成熟期根系生理特性Table 1 Root physiological characteristics of flue-cured tobacco with different treatments at mature stage

2.2 不同处理烤烟成熟期钾积累特性差异

由表2可知，烟株不同器官的钾含量表现为茎＞叶＞根，各处理上部叶和中部叶的钾含量没有显著差异，在1.41%～1.53%范围内。TPGA和TSRI处理的中部叶钾含量高于其他处理，且差异不显著，而茎中的钾含量显著高于CK处理。TPGA处理根中的钾含量显著高于其他处理。说明不同促根措施对成熟期烤烟根和茎中钾含量的影响大于对叶中钾含量的影响。

表2 不同处理烤烟成熟期不同部位钾含量Table 2 Potassium contents in different parts of flue-cured tobacco with different treatments at mature stage %

烟株的钾吸收积累特性不仅与器官的钾含量相关，而且与不同器官的钾积累量密切相关。不同处理烤烟成熟期不同部位干物质积累量见表3。3个促根处理的单株、根和茎的干物质积累量均极显著高于CK处理，单株总量表现为TPGA＞TSRI＞TPFA，TSRI处理的根和TPGA处理的茎干物质积累量相对较高。各处理上部叶的干物质积累量差异不显著，3个促根处理的中部叶干物质积累量均极显著高于CK处理，TPGA处理下部叶干物质积累量极显著高于其他处理。说明不同促根措施可显著促进皖南烤烟根和茎的发育，增加植株干物质积累，且不同处理对中部叶和下部叶干物质积累的影响不同。

表3 不同处理烤烟成熟期不同部位干物质积累量Table 3 Dry matter accumulation in different parts of flue-cured tobacco with different treatments at mature stage g/株g/plant

不同处理烤烟成熟期不同部位钾积累量见表4。3个促根处理的单株和茎中钾积累量均极显著高于CK处理，与干物质积累表现一致，单株和茎中钾积累量也是TPGA＞TSRI＞TPFA，3个促根处理的根中钾积累量也极显著高于CK处理，而3个处理间则差异不显著。各处理上部叶的钾积累量差异不显著，3个促根处理的中部叶钾积累量极显著高于CK处理，TPGA处理中部叶和下部叶钾积累量极显著高于其他处理。说明不同促根措施可显著促进皖南烤烟成熟期钾的积累，尤其是促进根、茎和中部叶中的钾积累。

表4 不同处理烤烟成熟期不同部位钾积累量Table 4 Potassium accumulation in different parts of tobacco with different treatments at mature stage g/株g/plant

不同处理烤后烟叶钾含量见表5。TSRI处理上部叶中的钾含量极显著高于其他处理，较CK处理提高了12.93%，其他处理间差异不显著。3个促根处理中部叶的钾含量均极显著高于CK处理，TSRI处理极显著高于TPFA和TPGA处理。TSRI和TPGA处理下部叶的钾含量分别较CK处理提高8.84%和3.40%，差异达极显著水平。说明TSRI和TPGA处理对于提高烤后烟叶的钾含量具有明显的作用。

表5 不同处理烤后烟叶钾含量Table 5 Potassium content of flue-cured tobacco leaves with different treatments %

2.3 不同处理烤烟成熟期钾离子通道和转运体基因表达差异

2.3.1 钾离子通道基因内流型钾离子通道基因NKT1和NtKC1在各处理根中的相对表达量均高于叶中的表达量（图1a和图1b）。TSRI处理的上部叶和下部叶中NKT1的相对表达量极显著高于其他处理，TPGA和TSRI处理中部叶中NKT1基因的相对表达量极显著高于其他处理，3个促根处理根中NKT1的相对表达量极显著高于CK处理，且TPFA处理极显著高于其他处理。NtKC1在TSRI处理上部叶、TPGA处理中部叶、TPFA和TSRI处理下部叶中的相对表达量均显著高于对应部位的其他处理。说明3个促根处理烟株成熟期均保持着较高的钾吸收水平。

外流型钾离子通道基因NtORK1在TSRI处理3个部位叶片中的表达量极显著高于其他处理（图1c），而在根中的相对表达量则显著低于其他处理，说明TSRI处理成熟期叶片中的钾代谢旺盛，钾外排较多，而根中的钾则外排较少。TPFA和TPGA处理上部叶和中部叶中NtORK1的相对表达量极显著低于CK处理，钾外排较少，TPFA处理根中NtORK1的相对表达量极显著高于其他处理，钾外排较多。烤烟成熟期各处理钾离子吸收转运基因NtTPK1在叶片中的表达量明显高于根中的相对表达量（图1d）。TSRI处理叶片3个部位中NtTPK1的相对表达量显著低于其他处理，其中上部叶与下部叶中NtTPK1的相对表达量极显著低于其他处理，在根中的相对表达量则极显著高于其他处理，TPGA下部叶中NtTPK1的相对表达量极显著低于TPFA和CK处理。说明TSRI处理成熟期叶片中的钾离子吸收转运代谢较弱，有利于钾的积累，而根中的钾离子吸收转运代谢较强，有利于从土壤中持续地吸收钾。

图1 不同处理烤烟成熟期不同部位钾离子通道基因的相对表达量Fig.1 The relative expression levels of potassium ion channel genes in different parts of tobacco at mature stage of different treatments

2.3.2 钾离子转运体基因 3个促根处理烟株成熟期根中NtHAK1基因的表达量极显著高于CK处理（图2a），而根中NtKT12基因的表达量则与CK差异不显著（图2b）。叶片中2个钾转运体基因的表达有较大的差异，3个促根处理中部叶NtHAK1的相对表达量极显著低于CK处理，TPGA和TSRI处理下部叶NtHAK1的相对表达量极显著低于CK处理，而NtKT12的相对表达量则极显著高于CK处理。说明3个促根处理可提高成熟期烟株根中钾的转运和积累能力。

图2 不同处理烤烟成熟期不同部位钾离子转运体基因的相对表达量Fig.2 The relative expression levels of potassium transporter genes in different parts of tobacco at mature stage of different treatments

3 讨论

烟叶成熟期烟株能否从土壤中吸收充足的速效钾，是决定烟株钾积累和烟叶钾含量的关键[15]。成熟期烟株仍具有发达的根系、较强的根系吸收能力和活化土壤矿化钾的能力，有利于提高烟株钾积累量和烟叶钾含量[19]。根系发达、分布广、根毛多则可扩大吸收面积，缓解成熟期土壤矿化导致的根际土壤速效钾供应不足的问题[20]。本研究发现，皖南烟区在正常施肥的基础上添加黄腐酸钾、γ-聚谷氨酸和豆浆灌根均可促进成熟期烟株根系发育，提高钾积累量，尤其是促进根和茎中的钾积累，而对烟株叶片的钾含量却没有显著效应，可能与本试验用的都是同一烤烟品种云烟97、在相同的施钾量情况下其鲜叶片的钾含量由于遗传背景原因提升空间有限有关，也可能与皖南烟区烟叶成熟期降雨频繁、叶片钾外排较多有关。3种促根措施烟株都有发达的根系，TPGA和TSRI处理根系活力也很高，烟株对钾的吸收和转运能力也较强，从土壤中吸收转运的钾积累在茎秆和根系中较多。本研究还发现，TPFA处理烤后烟叶钾含量相对较低，与陈亚茹等[7]的研究结果不一致，可能与不同地点的土壤类型和黄腐酸钾的用量不同有关。

烟株中钾素的积累和再分配与不同器官的钾吸收与转运能力密切相关[19,21-23]。本研究中，TPGA和TSRI处理成熟期烟株钾离子通道基因和钾转运体基因的相对表达量较高，烟株钾积累量和烤后烟叶钾含量也相对较高。TPFA处理叶片中钾积累量相对其他促根处理较低，烤后烟上部叶和下部叶的钾含量也相对较低，与其成熟期叶片中钾转运体基因NtKT12的表达量相对较低的结果一致。TPFA、TPGA和TSRI处理施入到土壤中的各种养分含量与施入的肥料养分相比非常低，烟株生长前期可及时补充土壤养分，促进植株吸收和根系发育，而3种促根措施在皖南生态条件下，成熟期是如何持续地促进烟株根系生长、并通过改变土壤理化特性[24-26]、根际微生态环境[27-29]等影响烟株钾吸收与转运的，还需要进一步深入研究。