王寒,陈建军,林锐峰,彭琛,李茂军,邓世媛,王维
1 华南农业大学烟草研究室,广州510642;2 广东中烟工业有限责任公司,广州 510145;3 广东烟草韶关市有限公司,韶关 512000
烟叶品质是由遗传因素、生态环境和栽培技术共同作用的结果[1]。在遗传因素与栽培技术一定的条件下,通过改变烤烟移栽期,可以改变不同生育期温度、降水、光照、积温等气候条件,进而影响烤烟的生长发育及其产量和品质[2-3]。移栽过早,烟苗处于低温寡照的条件下,营养生长受阻,烟株提前进行花芽分化出现早花,烟叶的产量和品质降低;移栽过迟,烟苗前中期处于高温环境下,营养生长快,干物质积累少,叶片薄,不能完成其正常的生育周期[4-5]。
前人围绕移栽期对烤烟的生长发育[6]、经济性状[7]和化学成分的含量及相互之间的协调性[8]进行了大量研究,结果不尽相同,不同移栽期下的烤烟生长发育及产质量不同,除了与当地的气候因素和试验品种有关,归根到底还是因为烟株内部代谢产物的含量及物质间的比例造成。碳氮代谢是烤烟植株最基本的代谢过程,碳氮代谢强度、协调程度及其在烟叶生长和成熟过程中的动态变化模式直接或间接影响烟叶各类化学成分的含量和组成比例,对烟叶品质产生重大影响[9-10]。优质烟的生产应该使烟叶在适当发育时期,及时由以氮代谢和碳的固定和转化代谢为主转变为以碳的积累代谢为主,保证碳水化合物和含氮化合物之间的平衡和协调[11-12]。前人的研究大多围绕不同移栽期对烤烟化学成分及其品质的影响,而对烤烟大田生理代谢的研究尚未报道,因此,本文就粤北烟区不同移栽期下烤烟成熟期的一些生理指标进行了研究,旨在探明不同移栽期下的烤烟碳氮代谢变化规律,以期为优质烟叶的生产调控提供理论依据。
试验材料为烤烟(Nicotiana tabacumL.)品种“K326”,试验于2011年在广东省韶关市马市镇高水村进行,土壤类型为紫色土,前茬为水稻,土壤基本农化性状为:pH 7.38,有机质2.65%,全氮0.18%,全磷0.06%,全钾2.57%,碱解氮95.44 mg·kg1,速效磷 15.78 mg·kg1,速效钾 110 mg·kg1。
试验烟苗于2010年12月1日统一播种,采用膜下移栽,设置4个移栽期处理:2月14日移栽(A处理)、2月19日移栽(B处理)、2月24日移栽(C处理:当地常规移栽时间)和3月1日移栽(D处理)。植烟密度为15000株/hm2,4月25日-5月5日打顶,每株留叶数22-24片,5月7日开始采收,6月30日采收完毕。田间小区采用随机区组排列,3次重复,每小区种烟75株,四周设保护行,共计1000株烟。其它栽培措施按当地优质烟生产技术规范进行。
中部烟叶(自下而上第12叶位)和上部烟叶(自下而上第18叶位)分别从移栽后64 d和74 d开始取样,每5 d取一次样,直至采收结束。取样时间为上午9 h,采用三点取样法,每小区取3片叶,混合为1个重复,保鲜袋封口,每个处理3个小区,3个重复,封口后立即带回实验室进行测定。叶片用去离子水洗净,棉布拭干,沿主脉将叶片剪为两部分,去除主脉,剩余叶片用于生理指标测定。
叶绿素含量和类胡萝卜素含量测定用乙醇丙酮法[13],淀粉酶活性测定采用3,5二硝基水杨酸比色法[13];硝酸还原酶活性测定采用活体法[13]。收获时各小区随机取15株烟进行计产, 烤后烟叶按照国家烤烟分级标准(GB2635-92)进行分级,各级别烟叶价格参照当地烟叶收购价格,计算产量、产值、均价、中上等烟比例。
用SPSS 17.0软件进行数据的统计分析,用Origin 7.5软件进行绘图。
新鲜烟叶中的质体色素主要包括叶绿素(chlorophyII)和类胡萝卜素(carotenoids),其含量高低不仅决定烟草的光合特性,而且与烟叶的色泽、香气密切相关[14],叶绿素和类胡萝卜素的降解物又是烟叶重要的致香物质[15]。随着烟叶成熟的进程,叶绿素和类胡萝卜素含量逐渐降低,烟叶细胞逐渐衰老[16]。图1表明,各处理烤烟成熟期叶绿素含量整体呈降低趋势,A处理移栽后69 d中部叶叶绿素含量达到最大值且显著高于其它处理,之后接近线性降低,成熟采收前(移栽后99 d)含量仍然最高,其它处理在移栽后64 d左右已达到最大值,之后均逐渐降低,降解速率随着移栽期的推迟而减小。与正常移栽相比,提前移栽增加了烟叶中的叶绿素含量,且整个成熟期叶绿素降解较快,推迟移栽的烟叶叶绿素含量明显低于正常和提前移栽的烟叶,成熟中前期叶绿素的降解较慢,移栽后89 d叶绿素降解速率加快,但因整体上叶绿素降解较慢,推迟移栽处理的烟叶成熟采收前,叶绿素含量显著高于正常和适当提前移栽处理的烟叶,与过度提前移栽处理的烟叶差异不显著。各处理上部叶的叶绿素含量变化与中部叶的变化趋势基本上相似,叶绿素的降解速率呈“快慢快”的变化规律,即叶绿素的含量随着成熟期的推进而逐渐下降,成熟前期下降较快,中期代谢趋于缓慢下降,成熟后期又快速下降。各处理烟叶叶绿素含量达到最高的时间相比:过度提前移栽(A处理)烟叶叶绿素含量达到峰值的时间最长,适度提前移栽(B处理)和正常移栽(C处理)次之,推迟移栽(D处理)烟叶叶绿素含量达到峰值的时间最短,过度提前移栽和推迟移栽处理的烟叶,接近成熟采收时叶绿素含量显著高于正常和适当提前移栽的烟叶。
图1 移栽期对中上部叶中叶绿素含量的影响
烟叶中残留的叶绿素过多,将使烟叶产生青杂气,因此成熟采收时较低的叶绿素含量有利于烤后烟叶香气质和香气量的形成[17]。与之相反,类胡萝卜素是烟气中重要的致香成分的前体物,在烟叶生长和成熟期采用适宜的调控技术,促进类胡萝卜素的积累,减少烟叶在调制过程中类胡卜素的降解,将有利于烤烟香气质和香气量的改善和提高[18]。从图2可以看出,各处理中、上部叶类胡萝卜素含量达到峰值的时间与叶绿素相同,且成熟中前期处理间类胡萝卜素的含量多少和降解速率的快慢程度与叶绿素相同,均是随着移栽的推迟而降低,说明类胡萝卜素与叶绿素之间联系密切,有学者认为二者的比值可以用来判断叶片的最佳成熟度和香气醇和的饱满程度[17,19]。B和C处理成熟后期(中部叶移栽后89 d和上部叶移栽后99 d)烟叶类胡萝卜素含量高于A和D处理,上部叶达到显著水平,中部叶不显著。
图2 移栽期对中上部叶中类胡萝卜素含量的影响
硝酸盐还原酶(Nitrate reductasre,NR)是氮同化过程中的第一个关键酶,对作物的光合、呼吸及氮素代谢等有着重要影响,其活性的高低在很大程度上显示出烟株体内氮代谢的强弱[20-21,10]。一般认为,烤烟生长成熟过程中NR活性呈单峰曲线,但峰值出现的时间前人的报道并不一致[11,20,22]。图3显示:总体上看,烤烟进入成熟期后NR活性呈下降趋势,表明氮同化代谢在成熟期减弱。各处理在移栽后69-79 d 中部叶NR活性达到峰值,上部叶NR活性峰值较中部叶推迟10 d左右出现,与上部叶的发生时间较中部叶晚有关。提前移栽提高了NR活性,并且NR活性峰值出现的时间较正常移栽(C处理)延迟,推迟移栽(D处理)NR活性峰值出现的时间与正常移栽相同,但大小显著低于正常移栽,说明移栽期不改变NR活性的变化趋势,但对烟株的碳氮代谢进程和强度都有显著影响。推迟移栽处理成熟后期烟叶NR活性下降缓慢,成熟采收时显著高于正常和提前移栽的烟叶,不利于烟叶品质的形成。
图3 移栽期对中上部叶中NR活性的影响
植物叶片淀粉降解主要通过水解和磷酸化两条途径,而两者最初的步骤均由淀粉酶(amylase)催化,淀粉酶将叶绿体中积累的淀粉转化为单糖,因而直接关系到烟叶中淀粉的积累量,进一步影响整个光合碳固定的强度。成熟期间较高的淀粉酶活性有利于淀粉分解和优质烟叶的形成,与烤后烟叶淀粉含量及化学成分的协调性密切相关[23-24]。淀粉酶活性测定结果如图4所示,中上部叶成熟期淀粉酶活性整体呈上升趋势,但不同部位淀粉酶活性变化规律不同。除了D处理,其它处理的中部叶淀粉酶活性均呈双峰曲线,但峰值出现的时间不同,正常移栽处理的烟叶淀粉酶活性峰值分别出现在移栽后74 d和89 d。与正常移栽相比(C处理),适度提前移栽(B处理)淀粉酶活性峰值出现的时间推迟5 d,而过度提前移栽(A处理)淀粉酶活性峰值出现的时间提前5 d,推迟移栽(D处理)淀粉酶活性呈单峰曲线,峰值出现在移栽后84 d,可能与推迟移栽缩短了烤烟大田生育期,成熟期缩短有关。各处理上部叶淀粉酶活性呈单峰曲线,活性峰值出现在移栽后94-109 d,其先后顺序与中部叶相同。
产量、产值、均价、中上等烟比例是烟叶的主要经济性状,它们综合反应了烟叶的质量和经济效益。从表6中可以看出,D处理产量最高,达到2946.78 Kg.hm-2;C处理除上等烟比例外,其它经济指标与D处理差异不明显;B处理产值、中上等烟比例和均价最高,而A处理各项经济指标均最低。移栽期对烤烟上等烟比例有显著影响,其中B处理上等烟比例最高为52.79%,而各处理中上等烟比例B处理最高为93.35%,其它3个处理间差异不显著,综合分析,在本试验条件下,2月19日-2月24日移栽的烤烟能取得较好的产量和产值,其中均价和中上等烟比例最高,经济性状表现最优。
图4 移栽期对中上部叶中淀粉酶活性的影响
表1 移栽期对烤烟烤后烟叶经济性状的影响
提前移栽提高了烟叶中的色素含量,但过度提前移栽的烟叶成熟后期仍保有较高的叶绿素含量,不利于烟叶的成熟落黄。部位间相比,成熟后期上部叶叶绿素含量较中部叶降解程度大,而类胡萝卜素的降解速率较中部叶慢,这与White fi eld和Rowan[25]的研究认为各色素的下降速度依不同部位的叶片而不同相一致。加之上部叶的叶绿素降解速度大于中部叶,类胡萝卜素占色素总量的比例增加,致使烟叶在外观上呈现黄色[26],因此上部叶成熟时的叶面外观颜色可以作为判断烤烟成熟度的一个重要标准。
提前移栽(A和B处理)提高了成熟前期NR活性,延迟了NR活性峰值出现的时间,说明提前移栽加强了氮代谢和碳代谢(碳的固定和转化)强度,延长了叶片的功能期,成熟后期NR活性明显下降,氮代谢减弱有利于碳氮代谢的适时转化,可减少氮素和烟碱的积累[27];有关烟叶中淀粉酶的变化规律前人曾经进行过一些研究,史宏志等[23]研究表明:烤烟NC89生长成熟过程中,烟叶中淀粉酶活性变化呈双峰曲线,峰值分别出现在叶片功能盛期(移栽后65 d)和成熟期(移栽后93 d)。张晓远等[28]对云烟87淀粉酶活性进行研究发现上部叶的双峰曲线更为明显。尹启生等[29]研究发现:烤烟K326中部12叶位烟叶的淀粉酶活性在大田中后期逐渐升高,至现蕾期时达到一个高峰,之后又逐渐降低,在圆顶前期有所回升,烟叶生理成熟时又达到一个高峰,之后下降。杨焕文等[30]的研究显示红花大金元和K326烟叶的α淀粉酶和β淀粉酶活性均在移栽后40 d达到最高峰,然后迅速下降,到移栽后60 d趋于稳定。张金霖等[27]对K326早花烟株成熟期淀粉酶活性的研究表明,上部叶淀粉酶活性呈单峰曲线,未驳枝的峰值比驳枝的早1周。目前,关于淀粉酶活性的变化规律研究结果不同主要体现在酶活性峰值出现的时间和个数两个方面,本试验结果中,上部叶淀粉酶活性变化呈单峰曲线,中部叶呈双峰曲线,且峰值均出现在成熟期,笔者认为前人研究结论的不同主要因品种的遗传特性和大田生育期不同以及各地的环境因素差异所致,淀粉酶前期活性低,表明淀粉在积累,烟叶生理成熟之后,淀粉酶活性提高,表明烟叶由积累淀粉向分解淀粉转变[10]。适当提前移栽延后了淀粉分解的进程,并且在成熟后期保持较高的淀粉酶活性,有利于烟叶的充分成熟和淀粉分解。并且,提前移栽的烟株淀粉酶活性高于推迟移栽的烟株,这可能意味着提前移栽的烟株可溶性糖类物质多,烤后烟叶的化学成分比例会更协调。
适度提前移栽的烟叶产值、中上等烟比例和均价均最高,其中产量、产值和均价与正常移栽处理的烟叶差异不显著;推迟移栽的烟叶产量最高,但产值、中上等烟比例和均价均降低,与提前移栽处理的烟叶相比,产量和产值差异不显著,但上等烟比例和均价显著降低,可见,成熟后期推迟移栽的烟叶内含物转化不充分,碳氮代谢不协调;过度提前移栽的烟叶各项经济指标均最低,成熟后期较高的叶绿素含量和酶活性不利于烟叶的品质形成。
综上所述,推迟移栽,叶片细胞发育低,叶绿素含量和酶活性低,烟株碳的分解代谢提前,叶片早衰导致提前落黄,近一步验证了谭子笛等[31]的研究,随着播种和移栽的推迟烤烟未达到正常叶数时就提前现蕾开花,烟叶未充分成熟而出现假熟落黄现象的结论。适度提前移栽可以增强烟株的光合能力和酶活性,延长了烤烟叶片的功能期,促进叶片碳水化合物的合成,烤烟碳氮代谢更加协调,成熟后期叶绿素含量又显著降低,江立等[32]认为生长后期叶绿素含量的逐渐降低,对烤烟烟叶的适时采收和调制有利。过度提前移栽叶绿素含量过高,不利于成熟后期叶绿素的及时分解和烟株的正常落黄,易产生调制后烟叶的青杂气味[27],而推迟移栽的烟株光合色素含量较低,不利于烟株的生长。
本研究在烤烟生理方面,进一步为烟区选择适合的移栽期提供理论依据,但不同移栽期下烟株生育期所处的外界条件不同,光、温、降水等因素间接影响了烤烟的生理代谢强度和协调程度,外界因子与移栽期的交互作用对烤烟生理机理的影响有待进一步研究。
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