吡咯喹啉醌对植烟土壤和烤烟生长的影响

李 震，罗 杰，张清壮 ，许石剑，罗富方，刘胜传，宋莉丹，李 鑫

吡 咯 喹 啉 醌（pyrroloquinoline quinone），简 称PQQ，是目前发现的第3 种氧化还原酶的新有机辅酶，PQQ 具有高度的水溶性和热稳定性，稳定的化学结构和较高的氧化还原电势使其成为迄今为止催化氧化还原反应能力最强的生物活性分子。 PQQ 不仅可作为辅酶参与部分还原酶类的催化作用，还可对植物和微生物的生长发育有一定的促进作用，且广泛存在于植物、动物及人体组织内[1-5]。目前，关于PQQ 在作物生产上的应用进行了有关研究，刘卫群等[6-7]研究发现，PQQ 能够促进烟草种子萌发，PQQ 喷洒烟草幼苗叶片并做灌根处理，能够显著提高烟草幼苗中吲哚乙酸、玉米素和玉米核苷的含量，从而促进植物生长发育，调节代谢和增强细胞内新陈代谢。ChoiO等[8]研究表明荧光假单胞菌 B16（野生型根杆菌可产生 PQQ）能够明显提高番茄的植株高度、开花数、坐果数和总果重，而未产生 PQQ 的菌株均未促进番茄的生长。朱云集等[9]研究表明，在冬小麦的孕穗期对叶面喷施 PQQ，叶片中叶绿素含量明显提高，而且增加了谷丙转氨酶和硝酸还原酶活性，植株体内的生理代谢得到有效调节，从而降低穗部小花败育率，提高冬小麦结实率。焦子伟等[10]研究发现PQQ 可作为直接促生因子，参与HX2 菌株对增加玉米生物量，提高玉米营养的摄入，促进其根形态等方面起到关键调控作用。匡炜等[11]研究表明PQQ 能够有效提高水稻的每穗实粒数和结实率，对水稻增产有促进作用。李鑫等[12]研究表明施用PQQ 可以显著促进辣椒的生长，提高辣椒对水分胁迫的抗逆性。PQQ 是葡萄糖脱氢酶的辅酶，溶磷菌通过GDH-PQQ 全酶作用能溶解土壤无机或有机磷酸盐，从而促进植物对营养的摄入和植物生长[13-14]。但有关PQQ 对烤烟经济性状和土壤微生物的影响的研究报道较少，笔者在大田试验生产条件下，探讨不同浓度PQQ 对植烟土壤理化性质、土壤微生物数量、烤烟农艺性状、根系性状及经济性状的影响，以期为PQQ 在优质特色烟叶技术体系中的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2019 年在兴义市兴仁县雨樟镇交乐村立山坪进行，海拔1 560 m（N25°20'53"，E105°7'49"），属中亚热带季风气候。供试品种为云烟97，烤烟品种由黔西南州烟草公司兴义市分公司提供，吡咯喹啉醌（PQQ）由上海医学生命科学研究中心有限公司提供。

土壤pH 值5.16，有机质26.31 g/kg，全氮1.53 g/kg，碱解氮146.32 mg/kg，有效磷24.67 mg/kg，速效钾526.32 mg/kg。

1.2 试验设计

采用田间小区试验，设置PQQ 浓度和施用方式2 个因素。施用方式采用喷施和灌根2 种处理，PQQ浓度设4 个水平，即处理T1、T2、T3、CK，4 个水平值分别为200 、500 、1 000、0 nmol/L，CK 为不施PQQ 的处理。各处理重复3 次，每个重复30 株，两端为保护行，株行距0.6 m×1.1 m。叶片喷施和灌根分别在烤烟移栽期、团棵期和旺长期3 个时期，3 个时期总喷施量等同于灌根处理施用量。4 月21 日开始移栽，其栽培管理措施均与当地优质烟叶生产中的管理措施完全一致。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤理化性质和微生物数量测定在烤烟采收后，按五点取样法，取样位置在两株烟之间，分别取≥1 kg 的土壤样品7 个。土壤样品在阴凉处自然开袋晾干、剔除异物、研磨、过60 目筛后，送湖南农业大学检测分析pH 值、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾。土壤容重采用环刀法，土壤孔隙度采用容重-比重换算法测定[17]。土壤微生物菌群数量测定采用固体平板混匀浇注培养计数法[18]。每个土样重复3 次，不同种类微生物的培养基分别是：细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基、真菌采用马铃薯蔗糖培养基、放线菌采用高氏1 号培养基。

1.3.2 烤烟农艺性状、根系性状及烤后烟叶指标测定在打顶后测定烟株农艺性状，参照YC/T 142—2010标准[15]测定烤烟株高、茎围、有效叶片、最大叶长和最大叶宽等农艺性状指标，最大叶面积=最大叶长×最大叶宽×0.634 5，0.634 5 为烤烟叶面积指数。取各处理鲜根系，先用自来水冲洗干净，再用蒸馏水漂洗，采用WinRHIZO 植物根系扫描系统（PSC 公司，加拿大）测定根系结构然后用吸水纸吸干水分，采用氧化三苯基四氮唑（TTC）[16]进行活力测定，根系生物量用去离子水将根系洗净后吸水纸吸干在天平上测量，即为鲜重，75℃杀青30 min 后，105℃烘干至恒重并称重，即为干重。

各处理烟叶单采单收，初烤后进行计产计值，上等烟比例。

1.4 数据统计与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2007 软件进行处理，采用SPSS 24.0 软件进行差异分析。

2 结果与分析

2.1 PQQ 对土壤容重和孔隙度的影响

由图1 可知，相同浓度条件灌根PQQ 处理的土壤容重低于喷施PQQ 处理，喷施和灌根PQQ 处理土壤容重均低于CK，土壤容重随PQQ 浓度的增加整体呈先降后升的趋势。其中，以喷施T2 处理、灌根T1处理的土壤容重最低，但与其他处理差异不显著。

图1 各处理土壤容重分析

由图2 可知，相同PQQ 浓度条件喷施PQQ 处理的土壤孔隙度低于灌根PQQ 处理，随着PQQ 浓度的增加，土壤孔隙度整体呈上升趋势，总体无显著性差异。其中，喷施条件下以T2 的孔隙度最大，灌根条件下以T1 的土壤孔隙度最大。

2.2 PQQ 对植烟土壤pH 值和养分含量的影响

图2 各处理土壤孔隙度

2.2.1 土壤pH 值和有机质由表1 可知，与CK 相比，施用不同浓度PQQ 对pH 值有一定的降低，但差异不显著。土壤有机质是土壤中一种复杂而处于不断动态变化的物质。无论喷施还是灌根处理，有机质含量呈先增后降的趋势，2 种施用方式的有机质均以T1 处理最高，与CK 差异显著（P＜0.05）。

2.2.2 土壤全氮和碱解氮氮素是植物生长必须的大量营养元素之一，碱解氮能够较灵敏地反映土壤氮素动态和供氮水平[19]。由表1 可知，施用不同浓度PQQ，土壤中全氮含量无显著性差异，碱解氮含量均以T3 处理最高，且与其他处理差异显著，灌根与喷施方式无明显差异。

2.2.3 土壤有效磷和速效钾由表1 可知，除喷施方式T3 处理外，各处理有效磷含量均高于CK，差异显著，T1 处理有效磷含量达到最高，喷施和灌根施用T1 较CK 处理分别提高36.87%、89.13%。速效钾含量随PQQ 浓度的增加，呈先增加后降低的趋势，喷施方式以T2 处理最高，灌根方式以T1 处理最高，T3 处理速效钾含量低于CK。对比2 种施用方式可知，灌根施用的效果优于喷施。

表1 PQQ 不同施用方式和浓度下各处理烤烟收获后土壤pH 值和养分含量

2.3 PQQ 对土壤微生物活性的影响

由表2 可知，土壤微生物是土壤中活的有机体，是衡量植烟土壤质量、维持土壤肥力和作物生产力的一个重要指标。由表2 可知，施用PQQ 处理，土壤微生物数量明显高于对照CK 处理，施用PQQ 处理对土壤细菌数量提高最明显，与CK 差异显著，喷施和灌根均以T1 处理细菌数量最多，分别比CK 增加37.12%、74.62%。土壤真菌和放线菌数量也有增加，但差异不显著。相同浓度时，灌根比喷施更能有效提高土壤中微生物数量，细菌、真菌、放线菌最大分别可提高29.31%（P＜0.05）、8.55%和13.36%。

表2 PQQ 不同施用方式和浓度下各处理土壤微生物数量 （105 CFU/mL）

2.4 不同处理对烟株农艺性状的影响

由表3 可知，打顶后，无论是叶面喷施还是灌根，适宜浓度PQQ 对烟草的生长有一定的促进作用，灌根效果比叶面喷施更好。各处理的株高和茎围存在显著差异，T1 和T2 差异不显著。在灌根施用时，大多指标均以T1 表现最高，T1 的株高、茎围、有效叶数、最大叶长、最大叶宽和最大叶面积等指标较CK 分别显著提高了15.36%、8.74%、4.19%、8.53%、17.56%和25.36%。除喷施T2 处理外，随着PQQ 浓度的增加，各项指标呈下降趋势，在T1（200 nmol/L）效果最好，对比2 种施用方式可知，灌根施用的效果优于喷施。

2.5 不同处理对烟株根系性状的影响

由表4 可知，与CK 相比，烤烟生长过程中施用PQQ 可有效促进根系生长，灌根方式烤烟根系生长优于喷施方式。喷施条件下，施用PQQ 处理的根鲜重和根干重较CK 均有增加，以T2 的根系生物量最大，较CK 分别显著增加了11.71%和12.47%；灌根条件下烤烟生长与喷施条件生长有相同趋势，但以T1 为最佳PQQ 浓度，该处理下烤烟根鲜重、根干重、最大根长和主根数均达到最大。

表3 PQQ 不同施用方式和浓度下各处理烟株打顶后农艺性状

表4 PQQ 不同施用方式和浓度下各处理烟株根系性状

2.6 不同处理对烟株根系活力的影响

由图3 可知，施用PQQ 处理均可提高烟株根系活力，相同浓度时，烟株根系活力灌根方式优于喷施方式，且随PQQ 浓度的增加，根系活力呈下降趋势，两种施用方式均在T1 达到最大，分别为135.4 μg/（g·h）和142.8 μg/（g·h），分别是CK 的1.40 倍和1.45 倍，各处理与CK 处理均差异显著。

图3 各处理烤烟根系活力

2.7 不同处理对烤烟经济性状的影响

由表5 可知，无论叶面喷施还是灌根，T1 和T2 处理的产量、产值和均价均高于CK 与T3，其中T1 较CK 烟叶产量提高了126.30 kg/hm2和168.75 kg/hm2，烟叶产值提高了8 339.68 元/hm2和8 554.72 元/hm2，均价提高了2.28 元/kg 和2.21 元/kg。T3 的烟叶产量、产值和均价最低，喷施方式T3 比CK 分别低0.72%、4.45%和3.70%；灌根方式T3 比CK 分别低0.41%、3.36%和2.94%。从烟叶等级来看，与对照相比，所有PQQ 处理一定程度提高了上等烟比例，但差异不显著。这表明在PQQ适宜浓度范围内，T1（200 nmol/L）对烟株生长发育最适宜，能保障烤烟较高的经济价值，但PQQ 浓度过高会导致产量、产值下降。

3 结 论

研究结果表明，施用适宜浓度PQQ 有益于烤烟的生长发育、产质量的增加和上等烟比例，对土壤微生态环境有一定的改良作用，提高了烟农的经济效益。灌根施用PQQ 200 nmol/L 具备最优的综合效益，显著提高了土壤有效磷和速效钾含量，明显增加了微生物数量，烤烟农艺性状各项指标均和烟株根系性状及根系活力有不同程度的提高，烟叶经济性状得到提高，综合考虑，在实际生产中可根据烤烟生长时期灌根与喷施配合施用适宜浓度的PQQ，来提高烟叶产量。

表5 PQQ 不同施用方式和浓度下各处理烤后烟叶的经济性状

4 讨 论

土壤是烤烟生长的载体，给烤烟生长供给各种营养，其理化性质的变化均会影响烤烟养分吸收。Han等[14,20]研究发现，PQQ 作为PGPR 细菌脱氢酶的辅酶，能够使土壤环境趋于酸化，有助于不溶性磷变成可溶性磷，对于抗植物真菌病也有一定的作用。焦子伟 等[12,21]研究表明DH5 α（pqq）菌株处理的玉米，植株全磷、全钾和土壤有效磷的含量提高，主要原因是DH5 α（pqq）菌株能分泌葡萄糖酸，使更多的难溶磷变成可溶性磷。此研究表明，施用适宜浓度的PQQ能够改良土壤物理性质，降低土壤容重，对土壤养分含量的提高有一定的促进作用，土壤pH 值较CK 有下降趋势，有效磷，速效钾含量显著增加，说明施用适宜浓度PQQ 可以改善植烟土壤速效养分，从而调节土壤肥力。这与Han，焦子伟等[14,21]的研究结果类似。施用PQQ 能够提高土壤细菌数量，且喷施和灌根不同浓度PQQ 与CK 均存在显著性差异；施用PQQ 对真菌和放线菌数量也有提高，但差异不显著。说明施用PQQ 对植烟土壤的微生态环境有一定的改良作用，但具体的作用机制及相关性有待进一步探讨。

通过比较不同浓度的PQQ 处理下烟株农艺性状、根系性状、根系活力和经济性状，表明不同处理的农艺性状指标差异显著，尤其是株高、茎围和最大叶面积；根系性状和根系活力的差异影响烟株对养分的吸收，从而影响烟株地上部分的生长发育，无论喷施还是灌根，不同浓度PQQ 处理的烟株根系活力及根系性状与CK 均差异显著；在适宜浓度范围内，施用PQQ 可显著提高烟叶产量及上等烟比例，说明PQQ有益于烟株生殖器官的发育，从而增加烟株生殖器官干物质的积累。类似的研究结果也有报道，PQQ 能促进烟草幼苗生长、提高冬小麦结实率、促进玫瑰红和红富士苹果花粉萌发和花粉管生长[6,9,22]；Choi 等[8]证明了PQQ 作为一个促生因子能显著提高黄瓜苗的鲜重；焦子伟等[10]也证明了PQQ 纯品处理对增加玉米的生物量（茎长、根长、鲜重等）和提高玉米营养摄入方面起到关键调控作用。说明PQQ 能够促进烟株对营养的摄入和烟株生长，但关于PQQ 促生方面的研究还有待进一步深入研究。