低钾胁迫下干旱对烤烟幼苗生理特性及钾含量的影响

石秋环,徐高强,代晓燕,张铜津,陈培钰

(1.河南省烟草公司洛阳市公司,河南 洛阳 471023;2.福建金闽再造烟叶发展有限公司,福建 福州 350600;3.河南农业大学烟草学院/烟草行业烟草栽培重点实验室,河南 郑州 450002)

钾作为必需营养元素和品质元素[1-2],参与了植物生长发育和光合作用等重要生理活动[3-4],低钾胁迫会显著影响烟草幼苗的生长发育、钾吸收及烟株生长后期产量和质量的形成[5]。全球气候变化增加了非生物胁迫的风险,其中干旱是限制作物产量的重要环境因素,会造成烤烟生理和生化上的变化,影响其增产潜力[6]。干旱胁迫可通过影响离子吸收和酶活性影响烤烟生长,过度干旱还会降低土壤水势,导致根部吸水受阻,抑制烟株对钾的吸收[7]。我国黄淮、西南等主要烟草种植区的烟草幼苗常遭受干旱胁迫的影响[8],而钾具有增强植物气孔运动[9]、调节蒸腾作用[10]、提高作物渗透调节能力[11]、减少干旱下活性氧积累[12]、提高植物吸水和保水能力[13]等作用,能够有效提高干旱胁迫下烟草幼苗的存活率。

钾含量是国际上考量烟叶质量的一项重要指标,钾含量高的烟叶具有色泽桔黄、香气量足、吃味好、填充性强等优点[14]。美国和和津巴布韦的烟叶钾含量多介于4%～6%[15],但我国的烟叶钾含量偏低,仅为1%～2%[16]。河南烟区作为黄淮烟区的重要组成部分,每年产烟叶大于1亿kg,烟草产业对河南经济发展有至关重要的作用[17]。但近年来由于干旱频发、土壤供钾能力不足及钾肥利用率低等问题困扰,该烟区烟草生产面临干旱和钾营养不足的双重胁迫,烟叶钾含量仅为1.5%左右,烟草品质下降[17-18],严重制约了河南烟区烤烟生产的优质化和高效化。如何提高干旱胁迫下烟株钾含量成为目前亟待解决的问题。基于此,本试验采用室内水培法,研究低钾胁迫下不同干旱程度对烟草幼苗生理特性及钾吸收的影响,探讨低钾胁迫下不同干旱程度与植株耐低钾能力和发挥生理功能的关系,以期为烤烟抗逆提钾栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料及其培养

试验于2021年在河南农业大学烟草行业烟草栽培重点实验室进行,以烟草品种‘K326’(Nicotianatabacum‘K326’)为试验材料。培育方法:用10%的H2O2浸泡烟草种子15 min后使用蒸馏水清洗,再将种子置于蒸馏水中浸泡8 h,点种于育种海绵上,出苗后选择大小一致的烟苗移栽至装有珍珠岩的小黑盆中,每日补充Hoagland全营养液,并置于人工气候箱(RXZ型,宁波江南仪器厂)中培养。人工气候箱参数设置如下:白天温度(28±2)℃,夜间温度(18±2)℃,光照强度4 000 lx,光周期14 h,相对湿度65%～70%。

1.2 试验处理

当烟苗长至3片真叶时,选择长势均匀的烟苗,分别置于不同钾水平和PEG-6000(聚乙二醇6000,天津市科密欧化学试剂有限公司)浓度的Hoagland全营养液中处理8 d。试验为双因素试验,分别设低钾(0.15 mmol·L-1,LK)和常钾(5.00 mmol·L-1,CK) 2个钾水平[19],0、5%、10%、15%、20%共5个PEG-6000浓度,以Hoagland全营养液配制。培养期间使用充气泵每日通气8 h,处理8 d后取样测定相关指标,pH调节至6.5～7.0,每处理15个生物学重复。

1.3 测试指标和方法

1.3.1 地上部及根系干、鲜质量测定 分别取烟株地上部及根系称量鲜质量,置于烘箱105℃杀青15 min后,65℃烘干至恒重,分别测定干质量。

1.3.2 烟株胁迫相关的生理指标测定

(1)叶片可溶性蛋白含量:取烟株自上而下第2、3叶位叶片(整片,下同),采用考马斯亮蓝G-250比色法测定叶片中的可溶性蛋白含量[20]。

(2)根系活力:取烤烟根尖部位0.5 g样品,采用TTC(氯化三苯基四氮唑)法测定根系活力[21]。

(3)细胞电导率:取叶片鲜样6份,各0.1 g,放进50 mL离心管,加入10 mL蒸馏水后室温下浸泡12 h,采用电导率仪 (DDS-307型,上海仪电科学仪器股份有限公司) 测定提取液电导率R1,沸水浴加热30 min,冷却摇匀后测定提取液电导率R2,相对电导率=R1/R2×100%[22]。

(2)学生明确测试的自变量(测试桥的结构)，控制无关变量(桥的长度、跨度)，掌握科学的实验方法，对实验过程作好记录。

(4)叶片活性氧积累量:利用H2O2与硫酸钛生成黄色的过氧化钛复合物在415 nm有特征吸收的原理测定植株叶片中H2O2含量,根据试剂盒(南京建成生物工程研究所)使用步骤检测;同理测定超氧阴离子含量。

(5)叶片丙二醛含量:采用TBA(硫代巴比妥酸)法测定丙二醛(MDA)含量[21]。

(6)叶片抗氧化酶活性:采用核黄素-NBT法测定烟叶超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性[22]。

1.3.3 烟株光合指标测定 每处理选6株长势均匀一致的烟株,于9∶00—11∶00用光合仪(CIRAS-3,英国汉莎科学仪器公司)测定烟株第3片真叶的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率、水汽压饱和亏、水分利用率等光合参数,测定环境条件严格控制,其中光强(PAR)设定为1 000 μmol·m-2·s-1,CO2摩尔分数为390 μmol·mol-1,温度为25℃。

1.3.4 烟株各部位钾含量测定 将1.3.1中所述烘干样品研磨粉碎并过0.2 mm筛后,精确称量0.1000 g,采用1 mmol·L-1盐酸浸提[23]后,使用火焰光度计(FP 640,上海奥析科学仪器有限公司)分别测定烟株地上部和根系中的钾含量。

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 钾水平和PEG胁迫对烟株生长发育及胁迫相关生理特性的影响

2.1.1 烟株地上部及根系的干、鲜质量 由图1可知,PEG浓度、供钾水平和两者互作对烟株地上部和根系干、鲜质量影响均显著(P<0.05)。相同PEG-6000浓度下,常钾水平(CK)烟株的地上部及根系干、鲜质量整体上高于低钾水平(LK)。常钾水平下,随着干旱程度的加剧,烟株干、鲜质量整体表现为先增加后降低的趋势(地上部鲜质量除外),均在PEG-6000为10%时达到最大值。低钾水平下添加PEG-6000后,烟株地上部鲜质量和根系干、鲜质量均显著下降,而地上部干质量则在PEG-6000浓度为10%时相对较高。

2.1.2 烟株胁迫相关的生理特性 由图2可知,PEG浓度及供钾水平对烟株叶片可溶性蛋白含量、根系活力、相对电导率和抗氧化酶活性的影响显著,而两者交互作用影响不显著。如图2A所示,除20% PEG-6000外,低钾水平下各PEG-6000浓度处理的烟叶可溶性蛋白含量显著高于常钾水平;随着干旱程度的加剧,2个钾水平下的叶片可溶性蛋白含量均呈现先增加后降低的趋势,且均在PEG-6000浓度为10%时达到最大值。由图2B可知,低钾水平根系活力低于常钾水平,且0、10%、15% PEG-6000浓度下两者差异均达显著水平;两种钾水平下,根系活力均随PEG-6000浓度的增加表现为先增加后降低,且均在PEG-6000浓度为10%时达最大值。

注:不同小写字母表示处理之间在P<0.05水平差异显著;PEG、K+和PEG×K+分别表示PEG浓度、供钾水平和PEG浓度×供钾水平(二者交互作用),P<0.05表示该因素对指标影响显著,P>0.05表示影响不显著。下同。

如图2C所示,低钾水平下烟株叶片的相对电导率均高于常钾水平,且两者差异达到显著水平(15% PEG-6000处理除外)。两种钾水平下,随着PEG-6000浓度的增加(即干旱程度的加剧),叶片的相对电导率逐渐上升,且均在PEG-6000浓度为20%处达到最大值。低钾水平下,随PEG-6000浓度的上升,叶片的相对电导率分别显著增加了20.45%、39.24%、24.66%和108.55%。

如图2D、2E、2F可知,在相同PEG-6000浓度处理下,低钾水平的叶片抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性均高于常钾水平。在相同钾水平下,随着PEG-6000浓度的上升,3种抗氧化酶活性整体均呈先增加后降低的趋势。低钾水平下,SOD活性在PEG-6000浓度为10%时最大,较PEG浓度0、15%、20%处理分别显著增加35.17%、14.97%和17.28%(图2D)。

低钾水平下,添加PEG-6000处理的POD活性与PEG 0处理相比差异均达到显著水平,其中,以PEG-6000浓度为5%和10%的增幅最大,分别为137.89%和120.26%(图2E)。CAT活性与SOD活性的变化规律类似,两种钾水平下均在PEG-6000浓度为10%处达到最大值,且PEG-6000浓度10%处理的CAT活性显著高于其他处理(PEG-6000浓度为5%除外)(图2F)。

2.1.3 烤烟叶片活性氧含量 如图3所示,PEG浓度、供钾水平及二者交互作用对烟株叶片活性氧含量影响显著。相同PEG-6000浓度下,低钾水平活性氧含量较常钾水平显著提高。常钾水平下,PEG-6000浓度5%、10%、15%和20%处理的叶片过氧化氢含量较PEG 0处理分别显著增加了78.78%、153.60%、164.21%和208.48%;低钾水平下分别显著增加了34.53%、85.61%、128.85%和297.61%(图3A)。超氧阴离子的变化趋势与过氧化氢相似,即在相同钾水平下,PEG-6000处理后烟叶超氧阴离子含量均显著增加。常钾水平下,随PEG浓度增加,PEG-6000处理的烟叶超氧阴离子含量较PEG 0处理分别增加了96.70%、169.73%、188.12%和312.26%;低钾水平下分别显著增加了67.38%、90.56%、154.55%和206.24%。

图2 钾和PEG处理对烟株胁迫相关生理指标的影响

图3 钾和PEG处理对烤烟叶片活性氧含量的影响

2.1.4 烤烟叶片丙二醛含量 如图4所示,PEG浓度和供钾水平对烟株叶片丙二醛含量影响显著。叶片丙二醛含量在低钾水平下显著高于常钾水平。

图4 钾和PEG处理对烤烟叶片丙二醛含量的影响

无论何种钾水平下,随着PEG-6000浓度的增加,烟株叶片丙二醛含量均呈现逐渐升高的趋势,其中常钾水平下,10%、15%、20% PEG-6000处理与PEG 0处理相比分别显著增加了26.34%、81.52%和88.77%;低钾水平下,随着PEG-6000浓度的增加,各PEG处理与PEG 0处理相比依次增加了10.98%、17.48%、60.20%和69.80%。

2.2 钾水平和PEG胁迫对烤烟叶片光合特性的影响

如图5所示,PEG浓度、供钾水平和PEG浓度×供钾水平对烟株各光合特性指标的影响显著。相同PEG-6000浓度下,常钾水平幼苗叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、水分利用率整体高于低钾水平,而叶片的胞间CO2浓度(PEG 0处理除外)和水汽压饱和亏则低于低钾水平。常钾水平下,除胞间CO2浓度和水汽压饱和亏外,其余光合特性指标均随着干旱程度的加剧呈先增加后降低趋势,且在PEG-6000浓度为10%时达到最大值,与PEG 0相比,净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、水分利用率分别增加了27.87%(图5A)、73.68%(图5B)、37.50%(图5C)、78.57%(图5D)。低钾水平下,随着PEG-6000浓度的增加,光合特性指标(胞间CO2浓度和水汽压饱和亏除外)均呈逐渐降低的趋势,且均与PEG 0间差异显著(5% PEG-6000处理的净光合速率和蒸腾速率除外),其中各PEG-6000处理的净光合速率较PEG 0处理分别降低14.00%、26.00%、42.00%和58.00%,气孔导度分别显著降低20.97%、24.19%、37.10%和41.94%,蒸腾速率分别降低14.29%、32.14%、42.86%、57.14%,水分利用率分别显著降低15.48%、22.62%、34.52%、36.90%。

常钾水平下,随着干旱程度的加重,叶片的胞间CO2浓度呈现逐渐降低的趋势,且与PEG 0差异达到显著水平;低钾水平下规律则相反,即随着PEG-6000浓度的增加,叶片胞间CO2浓度逐渐增加,且除5% PEG-6000浓度外,其余浓度处理均显著高于PEG 0(图5E)。常钾水平下,随着PEG-6000浓度的增加,叶片的水汽压饱和亏表现为先降低后升高的趋势,在PEG-6000浓度为10%时达到最低值;低钾水平下叶片的水汽压饱和亏则随着干旱程度的加剧呈现逐渐上升的趋势,与PEG 0处理相比分别显著增加了21.05%、47.37%、68.42%、62.11%(图5F)。

2.3 钾水平和PEG胁迫对烟株钾素含量的影响

由表1可知,钾水平和PEG-6000浓度以及两者交互作用3个因素均显著影响植株地上部和根系钾含量,其中PEG-6000浓度对地上部和根系钾含量的贡献率均为最大,分别为75.35%和64.90%;其次是钾水平,贡献率分别达到21.06%和34.17%;两者交互作用对钾含量的贡献率最低。

如图6所示,在相同PEG-6000浓度下,常钾水平地上部和根系钾素含量均高于低钾水平。常钾水平下,随着PEG-6000浓度的增加,PEG处理地上部钾含量较PEG 0依次显著降低了25.00%、28.85%、32.97%和40.66%;根系钾含量依次显著降低了39.67%、45.52%、53.76%和63.44%。低钾水平下,随PEG-6000浓度的增加,地上部钾含量与PEG 0相比分别显著降低了14.39%、22.81%、31.23%和34.39%(图6A);根系钾含量分别显著降低了52.24%、57.84%、69.96%和76.49%(图6B)。各PEG-6000浓度处理低钾条件地上部钾含量较PEG 0处理降低幅度均小于常钾水平,根系钾含量则相反。

表1 钾和PEG处理对烟株地上部和根系钾含量影响的方差分析

3 讨 论

本研究表明,低钾胁迫下,不同干旱程度对烟株生长发育有不同影响。在常钾水平下,随着PEG-6000浓度的增加,烟株地上部及根系干、鲜质量整体上呈先升高后降低的趋势;相较于常钾水平,低钾水平下烟株地上部及根系干、鲜质量均有明显降低,这与曹芳等[24]研究结果一致。本研究还表明,常钾水平下,PEG-6000浓度10%最利于烟株各部位干物质积累,这说明适当的干旱条件可对烟苗起到逆境锻炼的作用。根系活力和可溶性蛋白含量与植物代谢状况密切相关[25-26]。本研究中常规钾和低钾水平下,烟株叶片可溶性蛋白含量、根系活力均随干旱程度的加剧呈先上升后下降的趋势,说明烟株可通过提高可溶性蛋白含量以增强细胞持水力[27]和提高根系活力以增强根系吸水能力两种方式响应轻度干旱,而重度干旱下植物分解代谢大于合成作用[28],且根系伸长受到严重抑制[29],会导致可溶性蛋白含量和根系活力下降。此外,本研究发现,随外界干旱程度的加剧,叶片抗氧化酶活性均表现先升高后降低的趋势,而活性氧含量和丙二醛含量却表现为逐渐升高,说明在一定的胁迫范围内,烟株可通过提高自身的抗逆水平来应对干旱胁迫,当干旱程度进一步加剧时,植株的生长发育则会受到严重抑制,甚至死亡。

烟草为喜光作物,光合作用对其产量和品质的形成有重要影响[30]。钾素水平与植物叶片的叶绿素含量密切相关,较高的K+浓度有利于维持叶绿体的光合作用[31]。本研究表明,常钾水平下,植株叶片净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、水分利用率均随着干旱胁迫程度的增加呈先升高后降低的趋势,而低钾胁迫下则表现为逐渐降低,说明植物叶片光合作用在受到低钾和干旱双重胁迫时会有一定程度的降低,这可能是气孔和非气孔因素的共同影响造成的[32]。钾能够参与渗透调节、促进植物气孔运动,进而提高植株的干旱响应能力[33]。本研究发现,常钾水平植株地上部及根系钾素含量显著高于低钾处理,说明较高浓度的钾水平可提高植株的耐旱性。两种钾水平下,随着PEG-6000浓度的增加,烟株地上部及根系的钾素含量明显降低;但低钾水平地上部钾含量降幅小于常钾水平,根部钾含量降幅则相反。可能是因为低钾和干旱双重胁迫下,烟株地上部可通过维持钾含量来响应胁迫,故钾含量降低幅度相对较小;而根系细胞受损严重,根系吸收养分能力大幅减弱,从而导致钾含量降低幅度更大[34]。双因素方差分析表明,干旱对幼苗期烟株吸钾能力影响最大,其对地上部和根系钾含量的贡献率分别达到了75.35%和64.90%;其次是外界钾水平,贡献率分别达到了21.06%和34.17%;而二者交互作用的影响最小,可能原因是烟草幼苗期生长需钾量较少[35],且烟草一般在苗期和大田前期较其他生育时期对干旱胁迫更为敏感[36],加之PEG浓度的增加对钾含量产生抑制作用,钾水平的提高对植株钾含量的增加起到促进作用,二者相互拮抗,这也可能是导致干旱对烟株钾含量贡献率大、钾水平和PEG-6000浓度二者交互作用对钾含量贡献率低的主要原因。结合生理特性指标,本研究认为常钾水平下,适度的干旱胁迫可促进烟株生长发育及光合作用,但烟株地上部及根部钾含量明显降低,这种降低可能是因为烟株的长势增强造成钾含量“稀释”导致的。低钾水平下,干旱胁迫会抑制烟株生长发育、光合作用及钾素营养的吸收,说明干旱会加重低钾胁迫的效果,这在一定程度上与植株能通过钾饥饿促进自身对水分的吸收和钾有利于提高植物耐旱性的结论一致[37],但干旱胁迫影响低钾条件下植株生长发育及钾吸收的分子机理有待进一步研究。

4 结 论

烟草幼苗期干旱、低钾及其复合胁迫会造成烟草干、鲜质量降低,根系活力减弱,净光合速率、气孔导度等光合性能下降,可溶性蛋白含量、相对电导率等膜透性指标增大,SOD、CAT等抗氧化酶活性增强,抑制烟株正常生理功能,导致地上部和根系钾含量显著下降。其中,常钾水平下10% PEG-6000浓度胁迫对烟草生理功能的影响最小,低钾水平和20% PEG-6000浓度复合胁迫的影响大于低钾和干旱单一胁迫。