镁营养对高温强光下烟草碳氮代谢的影响研究

冯常青，魏晓玲，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，福州 350002；2福建省烟草专卖局烟草科学研究所，福州 350003）

0 引言

烟草(Nicotiana tabacum)是喜光植物，在中国南北方均有种植，其产量居于世界首位[1]。光照和温度等环境因素是影响烟草生长发育及其品质形成的重要因素[2-4]。福建省作为中国重要的烟叶产地，与其他烟叶生产大省不同的是，福建区域烟草生产往往遭遇烟苗移栽早期低温和后期高温强光的气候条件，特别是2—6月，福建旬平均气温呈线性上升趋势[5]，此时的高温强光严重影响了烟叶的产量和品质。因此，研究如何提高烟草的抗逆性，以缓解其高温强光胁迫伤害，对于福建地区的烟叶生产具有理论意义和实践价值。碳氮代谢是植物体内两大最主要的生理代谢过程，与作物的产量和品质有着直接的关系[6]。植物在生长和发育过程中，碳氮代谢及其产物的合成会受到诸多因素影响[7-9]。陈富彩等[7]的研究发现，一定浓度的植物激素IAA和GA3均能有效增强烤烟叶片的碳氮代谢能力，增加其碳水化合物的合成。张嘉雯等[8]通过施氮有效提高了四川雪茄烟叶碳氮代谢关键酶的活性，从而改善烟叶内在品质,提高烟叶可用性。保志娟等[9]的研究表明单一的Pb、Zn处理对烟草抗氧化酶及碳氮代谢,表现为低浓度促进高浓度抑制，而Pb、Zn复合作用则对烟叶的抗氧化系统和碳氮代谢影响更为显著。镁作为植物体内的重要营养元素，在促进植物生长发育、改善品质、提高抗逆性等方面起重要作用[10]。目前，中国农业土壤中镁素营养缺乏现象极为普遍，镁缺乏已经成为农业生产的潜在限制因子，合理施用镁肥显得尤为重要[11]。王鲲娇等[12]的研究表明，适宜浓度的镁营养供应能够增加油菜叶片同化物的合成，从而促进油菜地上部的生长。李春英等[13]的调查也发现，高达80%福建烟区的交换性镁含量低于临界值，导致这些区域烟株出现明显的缺镁症状。本课题组前期通过设置不同镁离子浓度的试验，发现适当提高镁离子供应，可以提升高温强光胁迫下烟株抗氧化还原系统清除多余自由基的能力，保护高温强光胁迫下烟株叶片的光合结构，保障烟株正常的光合作用。目前，国内外对于烟草碳氮代谢的研究报道不在少数，但不同的镁营养水平是否影响高温强光胁迫下烟株碳氮代谢的研究报道尚不多见。为此，本研究通过设置不同浓度的镁供应，探究镁对高温强光胁迫下碳氮代谢的影响机制，以寻找高温强光胁迫下烟株生长源库平衡的镁离子营养水平，以期为福建地区的烟叶生产实践提供理论指导。

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。为模拟福建烟区2—6月的气温跳跃式上升的情况，本试验结合往年福建烟区的气象资料，设置了2个阶段的温度，具体试验设计如下：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1000 mL的水培罐(12 cm×8 cm×11 cm)加不同镁浓度的Hoagland营养液。设置4个镁浓度梯度的营养液，即0、12.0、48.0、120.0 mg/L，每个处理30株。每个水培罐中加入900 mL相对应镁浓度的培养液，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/(m2·s)和 24:00—8:00 0 μmol/(m2·s)。待烟苗生长至团棵期时（移栽后38天），设置2个光照处理，一种是高温正常光照，即温度为33℃、湿度为80%、光照强度为600 μmol/(m2·s)24 h；另一种是高温强光，即温度为33℃、湿度为80%、光照强度为1200 μmol/(m2·s)24 h，以高温正常光下的0 mg/L处理作为对照。利用照度计（美国Kestrel公司，DRM-FQ）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天后，取2、3叶位的叶片，剔除主脉后剪碎混合均匀，打包速冻后于-80℃冰箱中冷冻保存，用于碳氮代谢关键酶活性的测定。另外再各选取3株长势相同的烟株，将其地上部与地下部分别于烘箱中105℃杀青15 min再在75℃下烘干至恒重，并研磨成粉后用于测定糖类物质以及氮、钾、钙的含量。

1.2 碳氮代谢关键酶活性与主要糖类物质的测定方法

用pH 6.7的50 mmol/L Tris-HCl提取酶液。取酶液100 μL，加入0.2 mL底物，35℃水浴1 h后沸水浴终止反应，加入2 mL 3,5-二硝基水杨酸(DNS)沸水浴10 min，用去离子水定容至10 mL，摇匀于OD540处比色，测定酸性转化酶(AI)活性。

取0.7 mL酶液与1.6 mL反应混合液B、40 mmol/L ATP溶液0.7 mL，混匀37℃保温0.5 h，加入1 mL显色剂，放置片刻离心取上清液测定OD540处的吸光值，以测定谷氨酰胺合成酶(GS)的活性。

采用活体法测定硝酸还原酶(NR)，参照邹琦等介绍的方法进行[14]。蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)的活性测定参照张志良等介绍的方法进行[15]。采用间二苯酚法测定蔗糖含量[14]。可溶性糖和淀粉含量的测定采用蒽酮比色法[15]。

1.3 氮、钾、钙含量的测定方法

样品采用浓H2SO4-H2O2法进行消解，滤液即可用于钾、钙的测定。采用ICP-AES法测定钾、钙含量，等离子体原子发射光谱仪的型号为赛默飞世尔科技有限公司的iCAP 7000型。氮含量的测定采用碳氮分析仪（SKALAR Primacs SNC100-1C，荷兰）。

1.4 数据统计分析

本试验采用DPS7.05软件进行方差分析和显著性检验，同时采用Microsoft Office Excel 2010软件进行数据统计、整理和绘图。数据多重比较采用单因素方差法(One-Way ANOVA)进行，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株糖类物质代谢的影响

如表1所示，不管是地上部还是地下部，不同镁营养供应下，强光处理均使烟株可溶性糖含量高于正常光；烟株地上部可溶性糖含量在镁离子浓度为48.0 mg/L且强光处理时达到最大值，而地下部可溶性糖含量在无镁营养且强光处理下达到最大值。由表1又可见，强光处理下烟株地上部的蔗糖含量均显著低于正常光，在镁离子浓度为48.0 mg/L时，两者无显著性差异；但强光下烟株地下部的蔗糖含量显著高于正常光。除48.0 mg/L镁离子供应外，其它镁浓度供应时强光处理的烟株地上部淀粉含量均显著高于正常光处理；而除了最高的镁离子浓度外，强光处理的烟株地下部淀粉含量均显著低于正常光。随着镁供应浓度的升高，不同光强处理下烟株地下部的淀粉含量均逐渐上升。

表1 不同镁浓度与光强处理下烟株的糖类物质含量 %

镁浓度、光强和镁浓度×光强影响烟株糖类物质含量的方差分析结果见表2。由表2可知，镁浓度对烟株地上部与地下部的蔗糖与可溶性糖含量有显著影响，对地上部淀粉含量也影响显著，但对地下部淀粉含量无显著影响；光强对烟草植株糖类物质的含量均有显著影响；镁浓度和光强交互作用对蔗糖含量均有显著影响，对烟株地下部的淀粉含量与地上部可溶性糖含量也有显著影响。

表2 不同镁浓度与光强处理对烟株糖类物质含量影响的方差分析

2.2 镁对不同光强处理下烟株碳代谢关键酶的影响

在不同镁浓度与光强处理下，烟株叶片的SPS、SS和AI活性如图1所示。由图1A和B可见，随着镁浓度的升高，不同光强处理下烟株SPS和SS酶活性均呈现先升高后降低的趋势，且强光处理下活性均高于正常光处理；在镁离子浓度为48.0 mg/L时，两者均达到最大。由图1C可见，随着镁浓度的升高，不同光强处理下烟株AI酶活性也呈现先升高后降低的趋势，且强光处理下活性均高于正常光处理；但强光和正常光处理分别在镁离子浓度为48.0、120.0 mg/L时酶活性均达到最大。

图1 不同镁浓度与光强处理下烟草植株的SPS(A)、SS(B)和AI(C)活性

镁浓度、光强和镁浓度×光强影响烟株碳代谢关键酶的方差分析结果见表3。由表3可知，镁浓度、光强均对SPS、SS、AI活性均有显著影响；镁浓度和光强交互作用仅对AI活性有显著影响；镁浓度、光强及两者交互作用均显著影响了AI活性。

表3 不同镁浓度与光强处理对烟草植株碳代谢关键酶影响的方差分析

2.3 镁对不同光强处理下烟株氮代谢关键酶活性与氮累积量的影响

在不同镁浓度与光强处理下烟草的氮累积量如图2A所示，随着镁浓度的增加，强光与正常光处理下烟株的氮累积量呈升高趋势，且强光下烟株的氮累积量均高于正常光处理下烟株的氮累积量。

如图2B所示，在强光或正常光处理下，施镁均能显著提高烟株的NR活性。而在镁离子浓度低于120.0 mg/L时，强光下烟株的NR活性均高于正常光下烟株的NR活性，特别在镁离子浓度为48.0 mg/L时，强光与正常光下烟株的NR活性差异达到最大。GS活性的变化如图2C，强光下烟株的GS活性均高于正常光下烟株的GS活性，相同光强下，不同镁浓度之间没有显著性差异，在镁离子浓度为48.0 mg/L时，强光与正常光下烟株的GS活性差异达到最大值。

图2 不同镁浓度与光强处理下烟株的氮积累量(A)、NR(B)和GS(C)活性

镁浓度、光强、镁浓度×光强影响烟株氮代谢关键酶及氮累积量的方差分析结果如表4。由表4可知，镁浓度、光强均能显著影响烟株的氮累积量；镁浓度、光强以及镁浓度和光强交互作用均显著影响NR活性；仅镁浓度对GS活性有显著影响。

表4 不同镁浓度与光强处理对烟草植株氮代谢关键酶与氮累积量影响的方差分析

2.4 镁对不同光强处理下烟株钾、钙吸收的影响

如表5所示，除了镁离子浓度为48.0 mg/L时，强光处理下烟株地下部钾含量均显著低于正常光处理。强光处理下烟株地上部钾含量均低于正常光。

表5 不同镁浓度与光强处理下烟株的钾、钙含量 g/kg

随着镁浓度的升高，强光与正常光处理下烟株地下部钙含量逐渐降低，且强光处理的降低程度更加显著。在相同镁浓度下，强光下烟株地下部钙含量高于正常光，镁浓度越高，两者间的差异越小。强光处理下烟株地上部钙含量均低于正常光处理，且在镁离子浓度为48.0 mg/L时，两者差异最大。

镁浓度、光强及两者交互作用影响烟草植株钾、钙含量的方差分析结果如表6所示。由表6可知，镁浓度、光强及两者交互作用均能显著影响烟草植株地下部的钾和钙含量；仅镁浓度能显著影响烟草植株地上部钾和钙含量。

表6 不同镁浓度与光强处理对烟草植株钾、钙含量影响的方差分析

3 结论与讨论

3.1 镁对不同光强处理下烟株碳代谢的影响

在植物光合作用碳同化的过程中，由叶绿体产生了原初产物磷酸丙糖，其去向的不同决定了产物的不同，其中一部分进入卡尔文循环参与CO2的固定，另一部分在叶绿体内合成淀粉，还有一部分则被转运到细胞质中形成蔗糖[16-17]。本文研究结果表明正常光处理下烟株地上部的蔗糖含量均显著高于强光处理下的烟株，但烟株地下部蔗糖含量的趋势与地上部相反，说明强光处理下烟株光合作用合成的蔗糖主要是从叶片运输到根中，用于根部的形态建成。

AI、SS和SPS是控制叶片中蔗糖合成的关键酶[18-19]。研究表明强光下烟株的AI、SS和SPS活性会增加[20]，张建波等[21]的研究表明烟株从移栽至团棵期，AI、SS和SPS活性明显提高，有利于蔗糖的分解代谢，HUSSAIN[22]认为，蔗糖磷酸合成酶的活性随着光照强度的增强而增加。本文研究中，强光处理下烟株的SPS、SS和AI活性均高于正常光处理的烟株，蔗糖与淀粉的合成属于竞争性合成的过程，淀粉含量在强光和正常光处理下的变化趋势与蔗糖累积趋势刚好相反，所以强光处理下烟株地上部蔗糖含量降低可能是由于蔗糖合成关键酶活性的提高引起的。

在48.0 mg/L施镁处理下，无论是强光还是正常光处理烟株的地上部与地下部的蔗糖含量均减少，淀粉的累积量也有所减少，说明适宜的镁浓度能促使蔗糖分解，促进植株代谢使得光合碳固定的产物主要用于烟株生长发育或呼吸代谢消耗为烟株的生长提供必要能量。本文研究还发现施镁提高了AI、SS和SPS的活性，特别在镁离子浓度为48.0 mg/L时，烟株的蔗糖分解与代谢都处于较为活跃的状态。张珊[23]发现，在小麦灌浆期中，施镁有利于提高高温胁迫下旗叶的SPS活性，这与本文研究结果相一致。

3.2 镁对不同光强处理下烟株氮代谢的影响

氮素是植物生长过程中必不可少的营养元素之一。镁对氮代谢有着重要的影响，它在稳定核糖体结构、活化氨基酸、合成蛋白质、激活谷氨酰胺合成酶等过程中都发挥着作用[24]。本研究发现，高温下提高光照强度使烟株内的氮含量升高，且镁浓度的增加明显提高烟株内的氮含量。氮素的吸收与利用与氮代谢关键酶息息相关，其中硝酸还原酶和亚硝酸还原酶能使硝态氮被还原成铵态氮，再被植株利用。在本研究中，镁浓度为48.0 mg/L时，强光处理下烟株的NR与GS活性显著高于正常光，更有利于烟株在强光胁迫下吸收根系中的硝态氮与铵态氮，提高烟株对氮素的吸收同化，为蛋白质的合成提供物质基础。张珊[23]的研究结果表明，施镁对高温胁迫下小麦旗叶的NR和GS活性有显著的正效应。徐立新的研究结果也显示，施镁能提高小麦旗叶的NR的活性[25]。在镁离子浓度为48.0 mg/L时，不同光强处理下烟株内的氮含量差异不大的原因可能与碳氮代谢之间存在对光合三碳化合物的竞争有关，高廷东等的研究中也提到，碳氮代谢之间是一种相互竞争又相互依赖的关系，而氮代谢对碳代谢依赖性更强[26]。因此，在镁离子浓度为48.0 mg/L时，可能强光处理下烟株生成的光合三碳化合物主要流向碳代谢，用于碳代谢产物的合成，而光合三碳化合物流向氮代谢的量变少，这就造成了强光与正常光处理下，烟株内的氮素的积累量差异不显著。

3.3 镁对不同光强处理下烟株钾、钙含量的影响

充足的镁素供应有利于烟株光合产物的积累，促进烟株生长，从而促进烟株对于钾、钙等元素的吸收，但是钾、钙、镁间的相互关系不是简单的协同或者拮抗作用。在镁离子浓度为48.0 mg/L时，强光处理下烟株地下部的钾含量显著高于正常光，但强光处理下烟株地上部的钾含量反而低于正常光。强光处理可能抑制了钾元素从地下部向地上部的运输，导致烟株地上部的钾含量显著降低。这与张竹青[27]的研究结果相一致。在其他镁浓度处理下，强光处理下烟株对钾的吸收与转运都受到了抑制。表明钾镁的拮抗作用主要发生在钾的转运环节。

钙镁间常被认为存在拮抗作用。吴洵[28]对茶树的研究表明，茶树体内过量积累的钙会降低对镁的吸收，从而使茶树的镁含量降低。本文研究中发现，强光处理下烟株地下部钙含量均高于正常光处理的，说明强光促进烟株对钙的吸收。但在强光处理下，镁浓度升高则钙的吸收下降。另外本文研究发现，强光处理下烟株地上部钙含量显著低于正常光处理的，说明镁抑制强光下烟株对钙的吸收以及向地上部的转运。晋艳[29]对于烤烟的研究表明，镁会抑制烟株对钾与钙的吸收。对于钙与镁拮抗的原因，可能是因为钙、镁能竞争质外体交换位点，而在液泡负电荷平衡上，钙与镁能相互替代[30]。

总之，本文研究结果表明不同浓度的镁供应提高了高温强光下烟株的可溶性糖积累，增强了的AI、SS、SPS、NR、GS等碳氮代谢有关的酶活性，从而提高烟株的氮素累积量，适当施镁促进了高温强光下烟株的碳氮代谢过程。但镁对烟株的钾、钙吸收与运输具有拮抗作用，主要表现在烟株钾、钙从地下部向地上部的转运环节。