烤烟降碱措施对上部叶生长和能量利用策略的影响

顾会战，喻 晓，何佶弦，张启莉，余垚颖，蒋 豪

(1. 四川省烟草公司 广元分公司，四川 广元 628000；2. 四川省农业科学院 植物保护研究所，四川 成都 610066；3. 中国科学院·水利部 成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041)

全球变化背景下，植烟土壤质量退化严重，直接影响烤烟生长，导致烟叶原料中烟碱含量不断升高，上部叶可用率降低. 如何有效调控烟碱的合成与积累，保持烟叶适宜的烟碱含量，是优质低害烟叶生产亟待解决的重要课题. 目前应用较为广泛、有效的烟碱调控措施有延迟打顶和切根[1]. 生长-分化平衡假说(growth-differentiation balance hypothesis,GDBH)认为，处于生长发育阶段的细胞中存在生长与次生代谢之间的生理学折衷关系[2]. Glynn等[3]通过设置营养有效性试验，验证了柳树生长响应与次生代谢产物含量变化之间的动态权衡关系. 徐辰生等[4]研究发现，延迟打顶除了能降低上部叶烟碱含量外，还会改变烟叶的形态特征，降低下部叶总糖和还原糖含量，降低中部叶的两糖比. 此外，适宜的切根可以提高根系活力，改变烤烟内在激素平衡[5]，提高上部叶干物质量累积[6]. 由此可见，延迟打顶和切根对烤烟的生长和发育影响显著[7-9]. 烟碱作为烟草中最为重要的次生代谢产物，约占生物碱总量的95%[10]. 可以推断，烤烟的生长表现与烟碱积累状况存在潜在的折衷关系. 研究上部叶生长-分化平衡关系，有助于更好地理解上部叶烟碱积累特征，丰富烟碱调控机制研究内容.

本试验以云烟87为研究对象，于2019年在四川省广元烟区开展田间试验，采用延迟打顶和切根措施调节上部叶烟碱含量，通过测定比叶重(leaf dry mass per unit area, LMA)、非结构性碳水化合物(non-structural carbohydrate, NSC)、总氮和烟碱等指标，分析不同处理对上部叶生长、分化及其相互关系的影响，解析降碱措施如何调控烤烟上部叶的新陈代谢.

1 材料与方法

1.1 试验材料和试验设计试验在四川省广元市普安烟叶科研基地(31°01′N，105°28′E)进行，供试品种为云烟87. 该地属亚热带季风性湿润气候，年均温16.1 ℃，年降水量800～1 000 mm，日照时1 300～1 400 h，土壤为石灰性紫色土，pH =7.5，有机质8.3 g/kg，碱解氮38 mg/kg，有效磷18.1 mg/kg，速效钾112.1 mg/kg. 试验采用随机区组设计，包含3个处理，每个处理重复5次，共15个小区，小区大小为5 m × 5 m，每个小区种植试验烟株27株.所用烟苗全部在温室大棚中以托盘漂浮育苗方式育苗，并于2019年 4 月 28 日选取长势一致的健壮烟苗统一移栽进大田，移栽株行距为120 cm × 50 cm.处理包括：对照(在50%的中心花开放时统一打顶)[11]，延迟打顶(对照打顶后7 d进行打顶处理)和切根(对照打顶时同步进行打顶和切根处理. 切根标准为：距烟株20 cm，切根深度20 cm，单侧切根)[12]. 9月初采收结束，烤烟生长期按当地标准化方法统一管理.

1.2 测定项目和方法上部叶采回后经100～105 ℃高温杀青15～30 min，再经60 ℃烘干至恒重. 测定比叶重(LMA, g/m2)：叶单位面积生物量与单位面积的比值[13]. 非结构性碳水化合物(包括淀粉和可溶性糖)的测定参照O'Brien等[14]、Marquis等[15]、Myers等[16]的方法. 全氮和烟碱含量测定方法参照国家烟草行业标准YC/T161—2002[17]和YC/T 246—2008[18].

1.3 统计分析采用SPSS17.0软件对本研究中所有生理生化指标进行一元方差分析(one-way ANOVA)和相关性分析. 平均数间的多重比较采用Tukey检验(p＜ 0.05).

2 结果与分析

2.1 降碱措施对上部叶烟碱和总氮质量分数的影响图1A显示，延迟打顶和切根后，上部叶烟碱质量分数分别为3.08%和3.11%，显著低于常规生产模式下(对照)上部叶的烟碱质量分数(3.35%). 对照上部叶总氮质量分数为1.16%，而延迟打顶和切根后，总氮质量分数显著降低，与对照相比，分别下降18.99%和17.44%(图1B). 相关性分析表明(图1C)，对照烟碱和总氮含量相关性不显著(p= 0.148)，而经降碱措施处理后，二者显著相关(p延迟打顶＜0.001和p切根＜ 0.01).

图1 降碱措施对上部叶(A)烟碱含量、（B）总氮含量和(C)二者相互关系的影响Fig. 1 Effects of measures for nicotine reduction on (A)nicotine, (B) total nitrogen content and (C) their interactions of the upper leaves

2.2 降碱措施对上部叶生长和能量利用策略的影响与对照相比，降碱措施显著改变了烟株上部叶的生长和能量利用策略. 如图2A所示，延迟打顶显著降低了单位面积叶片的干物质投入，表现为较低的比叶重(83.64 g/m2)，而切根则显著提高了上部叶的比叶重，为97.54 g/m2. 非结构性碳水化合物的积累与分配反映烟株的碳供应状况，是决定烟株生长的关键因子. 与对照相比，延迟打顶显著降低了上部叶的非结构性碳水化合物质量分数(下降22.57%)，而切根则显著提高了上部叶的非结构性碳水化合物质量分数(提高19.63%，达到25.54%，图2B). 不同降碱措施改变了烤烟的能量利用策略. 图2C表明，延迟打顶后，烤烟更偏向于利用淀粉作为能量物质，与对照相比淀粉质量分数下降19.57%. 而切根后，烤烟的淀粉利用显著减少，表现为积累更高的淀粉质量分数，达到15.48%. 此外，降碱措施还改变了烤烟对可溶性糖的利用策略(图2D)，主要表现为延迟打顶后，上部叶的可溶性糖积累显著降低，为6.73%，与对照相比，降低26.37%，而切根对烤烟的可溶性糖利用方式影响不显著.

2.3 降碱措施对上部叶烟碱和功能性状间相互关系的影响不同降碱措施对烤烟上部叶烟碱质量分数和功能性状间的相互关系影响不同(图3). 线性回归分析表明，对照和切根处理中，烤烟上部叶的烟碱与比叶重、非结构性碳水化合物、淀粉和可溶性糖之间相关性较差. 然而，经过延迟打顶处理后，烟碱与各个功能性状呈显著的线性相关. 例如，延迟打顶处理后，上部叶的烟碱质量分数与比叶重显著相关(图3A，R2= 0.83，p= 0.032).

图2 降碱措施对上部叶(A)比叶重、(B)非结构性碳水化合物、(C)淀粉和(D)可溶性糖质量分数的影响Fig. 2 Effects of measures for nicotine reduction on (A) leaf dry mass per unit area, (B) non-structural carbohydrate, (C) starch and(D) soluble sugar content of the upper leaves

图3 降碱措施对上部叶烟碱质量分数和功能性状间相互关系的影响Fig. 3 Effects of nicotine reduction measures on the relationships between nicotine and functional traits of the upper leaves

2.4 延迟打顶措施对上部叶烟碱积累的可能影响方式如图4所示，降碱措施显著改变了烤烟上部叶的烟碱积累、功能性状和二者间的相互关系. 本研究推测了延迟打顶和切根对烤烟上部叶烟碱积累的可能影响方式. 与对照相比，延迟打顶显著降低了烟株用于上部叶生长和合成次级代谢产物的资源投入，使得叶片变薄，表现为较小的比叶重. 相关性分析表明，叶片性状与烟碱含量变化显著相关(图3). 相反，切根使得上部叶具有较高的比叶重，叶片厚度增加. 此外，上部叶非结构性碳水化合物含量显著上升，主要以淀粉含量增加为主，但可溶性糖含量变化并不明显. 单个叶片性状与烟碱含量变化的相关性并不显著.

图4 降碱措施通过影响烤烟生长调节上部叶烟碱积累的假设途径Fig. 4 Hypothesized paths regulating nicotine accumulation by nicotine reduction measures in the upper leaves.

3 讨论与结论

作为调节烟碱积累的两种重要手段，打顶和切根作用机制不尽相同. 打顶通过去除烟株顶端优势，打破原有源-库关系，刺激根系再发育，调控次生代谢产物的生物合成[19-21]. 切根一般对根系生长具有先抑制后促进的双重作用，表现为根系损伤恢复过程中，次生根大量萌发，根系活力提高，养分捕获能力增强[9,22]. 然而，烟碱的累积与烤烟对氮素的吸收并不同步[7]，但随着施氮量增加，上部叶烟碱积累增加明显[23]，与来自土壤氮素比例呈正相关[24].在本试验中，延迟打顶和切根均有效地降低了上部叶的烟碱积累，烟碱含量显著低于对照烟株(图1A)，这为我们开展后续分析提供保障. 与对照相比，两种不同降碱措施均显著降低了上部叶总氮含量，处理间差异并不显著(图2B). 这说明上部叶氮素含量降低是烟叶烟碱积累减少所表现出的共同特征，这与之前的研究结果一致[1]. 图1C表明，对照上部叶总氮含量与烟碱含量相关性并不明显(p= 0.148)，但经过降碱措施处理后二者显著相关. 这说明适当的降碱措施促使了烟株体内养分供应再平衡[19-20],协调内在化学组分，提高上部叶的质量和可用性.研究发现，植物倾向于通过调节生物量积累分配和组织养分浓度来维持生长和繁殖的最佳养分平衡[25]. 与对照上部叶相比，延迟打顶显著降低了单位面积叶片的干物质投入，而切根却完全相反(图2A).通常情况下，叶片寿命较长，叶片干物质投入往往越高[13]. 由此可见，不同降碱措施改变了烟株上部叶的生长策略.

非结构性碳水化合物在一定程度上反映光合作用和呼吸作用之间的平衡[14]，表征植物的能量利用策略. 程昌新等[26]研究发现，烤烟淀粉含量与单叶重和叶片厚度等指标呈极显著正相关关系. 本试验中，与对照相比，延迟打顶显著降低了上部叶的非结构性碳水化合物含量，表现为更低的淀粉和可溶性糖积累；相反，切根则增加了非结构性碳水化合物的积累，表现为淀粉含量增加(图2B, C, D).

综上所述，降碱措施改变了烤烟原有的生长和能量利用策略，是上部叶烟碱含量下降的潜在原因. 延迟打顶可能缩短上部叶寿命，减少非结构性碳水化合物积累. 切根后，烟株表现出的生理响应则相反，叶片寿命可能延长，上部叶成熟度提高. 因此，烟株通过生理策略改变调节烟碱积累为上部叶产质量研究提供了新的思路，具体的降碱机制还需进一步研究.