烤烟功能性状变化对叶片烟碱含量的影响

何佶弦，顾会战，喻 晓，陈利平，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保所，成都 610066；3中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041）

0 引言

烟碱主要合成于根系的根冠。当种子发芽生根后，在新生根的根端部形成烟碱，而后通过木质部向地上部的叶片及其他器官或部位运输，是烟叶中最为重要的化学成分，其含量高低直接关系到烤烟的内在品质。全球变化背景下，人为活动加剧了土壤酸化[1]、微环境改变[2-3]、养分供应失衡[4-6]等植烟土壤质量退化的问题，直接影响烤烟生长，导致烟叶原料中烟碱含量不断升高，上部烟叶可用率降低。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，被证实有效的调控措施包括选育烟碱含量适宜的优良品种[7-8]、烟叶生产向生态最适宜区转移[9-11]、合理施肥[1,12-16]、调控栽植密度、调控打顶时间、抹杈和留叶数[17]、喷施生长调节剂[18-22]、施用微生物菌剂[23-24]等。研究发现，部分烤烟物理/农艺性状（如单叶重、腰叶长、下二棚叶长等）与烟碱含量变化存在较高的相关性[25-27]。不同部位烟叶烟碱含量与土壤养分指标的关联度显著不同[6]。

植物功能性状是指对植物体生命过程存在显著影响的一系列植物属性，它们能够有效地反映植物体对环境变化产生的响应[28]。植物功能性状及性状间的权衡对植物的生理功能具有一致性的影响[29-30]。常见的植物功能性状包括干物质含量、比叶重(leaf mass per area，LMA)、叶重比(leaf weight ratio，LWR)、根重比(root weight ratio，RWR)、茎重 比(stem weight ratio，SWR)、氮磷含量等。当前，从植物生理生态学角度探讨烟株不同生长时期生物量积累对物质能量分配和储存的影响，特别是烟叶功能性状与烟碱积累潜在权衡关系的研究相对较少。本研究以‘云烟87’为研究对象，对2018年在四川省广元烟区不同试验地随机采集的大田种植烟叶进行植物形态学和生物化学特征分析，解析烤烟不同生长时期烤烟生物量与叶片烟碱含量的潜在关系，旨在为合理有效地调控烟碱合成和积累提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点

田间试验于2018 年在四川省广元市普安烟叶科研基地(31°01′N，105°28′E)进行，样品采集后于当日带回实验室保存，用于后续相关分析。该地属亚热带季风性湿润气候，年均温16.1℃，年降雨量800～1000 mm，日照数1300～1400 h，土壤为石灰性紫色土。试验期间烤烟生长未遇异常天气影响。

1.2 试验材料

烟苗于2018 年4 月下旬移栽至大田，供试品种为‘云烟87’。烤烟生长期按当地标准化方法统一管理，在60%的中心花开放时统一打顶并立即涂抹抑芽剂，9月初采收结束。

1.3 测定项目及方法

移栽后第85天，于不同地块随机选取长势一致的烟株5株，采集足量下部烟叶；移栽后第108天，于不同地块随机选取长势一致的烟株5 株，采集足量中部烟叶；移栽后第128天，于不同地块随机选取长势一致的烟株5株，采集足量上部烟叶。所采烟叶经100～105℃高温杀青15～30 min 后，干燥粉碎过40 目筛，按《烟草及烟草制品烟碱的测定 气相色谱法》(YC/T 246—2008)测定烟碱含量。

移栽后第50、65、85、108 和128 天，于不同地块分别随机选择长势一致烟株各5株进行生物量测定。采集样品经高温杀青、烘干至恒重后用于测定总生物量、叶生物量、茎生物量、根生物量、地上部生物量，根冠比、叶重比、茎重比、根重比和比叶重计算如式(1)～(4)。

移栽后第50、65、85、108 和128 天，于不同地块分别随机选择长势一致烟株各5株，采用SPAD-502型叶绿素仪测定烟株自上而下第3、4、5片完全展开烟叶的SPAD值。

1.4 统计分析

使用SPSS 17.0 软件对形态和生理生化指标进行一元方差分析(ANOVA)、相关性分析(correlation analysis)和逐步回归分析(stepwise regression analysis)，平均数间的多重比较采用Tukey检验(P＜0.05)，需要时进行数据ln对数转换。

2 结果与分析

2.1 烤烟不同时期烟碱含量变化

烟碱含量随生长时间增加而增加，不同部位烟叶间烟碱含量差异显著（P＜0.001，图1）。其中，移栽后第85天的下部烟叶烟碱含量为1.7%，移栽后第108天的中部烟叶烟碱含量为2.76%，移栽后第128天的上部烟叶烟碱含量为3.63%。

图1 叶片不同部位烟碱含量变化

2.2 烤烟生物量积累与烟碱含量的关系

分析移栽85、108和128天后烤烟样品生物量积累特征。结果表明，烟株生物量积累对烤烟烟碱含量影响显著。数值经ln对数转换后，烟碱含量随烟株总生物量（图2a，R2=0.276，P=0.04）、根生物量（图2b，R2=0.8，P＜0.001）和茎生物量（图2c，R2=0.85，P＜0.001）的增加而增加，呈显著的正相关关系，而叶生物量（图2d）、地上部质量（图2e）以及根冠比（图2f）的变化对烟碱含量影响不显著。

图2 烤烟生物量与叶片烟碱含量的相关性分析

不仅如此，烤烟生物量的分配特征间也存在显著的相关性（图3a）。一般来说，LWR的变化趋势与RWR、SWR线性负相关。LWR越大，RWR越小(R2=0.67，P＜0.001)；LWR越小，SWR越大(R2=0.91，P＜0.001)。SWR和RWR两者间表现出显著的线性正相关关系，RWR随SWR的增大而增大(R2=0.367，P=0.02)。统计分析还表明，LWR越大，烟碱含量越低（图3b，R2=0.502，P=0.003），而SWR与烟碱含量的变化则呈现出显著的线性正相关关系（图3c，R2=0.692，P＜0.001）。RWR与烟碱含量之间相关性不显著(P=0.304)。

图3 烤烟生物量分配特征间相互关系(a)及与叶片烟碱含量(b、c)的相关性分析

2.3 烤烟比叶重与烟碱含量的关系

比叶重在烟株生长的不同阶段差异较大（图4a）。比叶重在烟株旺长期时（烟苗移栽后65 天）较小，为45.08 g/m2。在烟株生长后期达到103.29 g/m2，显著高于其他生长期，较测定期间最小值提高129.13%。统计分析表明，比叶重在中部烟叶采收期（烟苗移栽后108 天）和上部烟叶采收期（烟苗移栽后128天）差异不显著(P=0.535)。数值经ln对数转换后，比叶重与烟碱含量呈显著的正相关关系（图4b，R2=0.85，P＜0.001）。

图4 比叶重与烟株(a)生长时间和(b)烟碱含量之间的相互关系

2.4 烟叶SPAD值与烟碱含量的关系

与预期一致，烟叶SPAD值随烟株的生长逐渐变小，除烟株第4 片叶在烟苗移栽后85 天时与第3、5 片叶差异较大外，其余统计时期差异不明显（图5a）。烟叶采收期，取叶部位不断上移，烟叶不同叶片SPAD值经ln 对数转换后均与烟碱含量呈显著的负相关关系（图5b）。

图5 烟叶SPAD值与烟株生长时间(a)和烟碱含量(b)之间的相互关系

2.5 回归分析

基于生物量积累和分配特征，分别以总生物量、根生物量、茎生物量、叶生物量、地上部生物量、根冠比、茎重比、根重比、叶重比为自变量，烟碱含量为因变量，采用逐步回归分析法，拟合回归模型。表1结果表明，茎生物量、根重比与烟碱含量的回归模型达极显著水平。

基于叶功能性状特征，分别以叶生物量、比叶重、第3 片叶SPAD值、第4 片叶SPAD值和第5 片叶SPAD值为自变量，烟碱含量为因变量，采用逐步回归分析法，拟合回归模型（表1）。结果表明，比叶重、第5片叶SPAD值与烟碱含量的回归模型达极显著水平。

表1 烤烟功能性状与烟碱含量的逐步回归分析

将上述模型中筛选得到的关键变量与烟株生长时间和烟碱含量做进一步分析。结果表明，茎生物量与根重比的比值经ln 对数转换后与烟株生长时间呈二次响应关系(R2=0.86，P＜0.001)，中部烟叶采收之前变化迅速（图6a）；比叶重与第5片叶SPAD值的比值与烟株生长时间同样呈二次响应关系(R2=0.972，P＜0.001)，下部烟叶采收后变化较快（图6c）。此外，茎生物量与根重比的比值经ln 对数转换后与烟碱含量呈正相关关系（R2=0.491，P=0.004，图6b），而比叶重与第5 片叶SPAD值的比值与烟碱含量呈二次响应关系（R2=0.971，P＜0.001，图6d）。

图6 预测的关键变量与烟株生长时间(a、c)、烟碱含量(b、d)之间的相关性分析

3 结论

烟株不同生物量分配模式对烟碱积累影响显著，烟碱含量随总生物量、根生物量、茎生物量、茎重比和比叶重增大而增加，随叶重比增大而降低。基于生物量分配特征和叶功能性状特征拟合模型可以较好地表征烟碱含量的变化。

4 讨论

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权衡关系；而在成熟细胞中，初生代谢和次生代谢间存在竞争性的权衡关系[32]。烟碱是烟草中重要的次生代谢产物，约占生物碱总量的95%。据此推测，烟碱含量变化与烤烟生长特性间可能存在动态权衡关系。然而，当前研究更多关注烤烟农艺性状，土壤性质等与烟碱含量变化的内在联系，从功能性状角度解析烟碱含量变化相对较少。本研究发现，烟碱含量在烟株生长的不同时期存在较大差异，随生长时间增加，逐步增大（图1），烟碱含量与烟株的生长在物质能量分配方面存在动态权衡关系。

研究发现，烟株移栽85、108、128 天后，烟碱含量随总生物量、根生物量、茎生物量、茎重比和比叶重增大而增加，随叶重比增大而降低（图2），说明烟株生物量积累特征与不同分配模式对烤烟烟碱含量影响显著。然而，叶生物量、地上部生物量和根冠比变化与烟碱含量变化相关性并不显著。这可能与烟叶分批成熟采收有关。随着采收的进行，叶生物量明显减少，采收时所得的叶生物量、地上部生物量和根冠比数据并不是烟株正常生长下的真实反映。因此，茎生物量、茎重比和比叶重在分析和预测烟碱含量变化时可能更具参考价值。

SPAD值通常用于衡量植物叶绿素的相对含量和烟叶的成熟度[31]。本研究动态监测了不同时期、不同部位叶片SPAD值。结果表明，烟叶采收期烟叶SPAD值随烟株生长和取叶部位的不断上移而逐渐变小（图5），这与彭新辉等[32]研究的结果一致，表明动态监测叶片SPAD值不仅有助于判断植株光合能力与代谢水平是否正常，还能提高烟碱含量预测的准确性。

通常情况下，植物在资源充足时以生长为主，而在资源匮乏时以分化为主[33]。本试验动态监测了移栽85、108、128 天后烤烟样品生物量积累特征。结果表明，虽然单个生物量积累特征与烟碱含量变化相关性显著（图3b），但茎生物量和根重比的协同变化更能反映烟碱含量变化。这与尹鹏嘉等[27]通过烤烟农艺性状预测烟碱含量变化结果相似。此外，基于叶功能性状拟合的回归模型中也得到了相似的结果，比叶重和第5 片叶SPAD值的共同变化决定烟碱含量大小（表1）。进一步分析表明，筛选得到的变量与烟株生长时间呈二次响应关系，分别在中部叶采收前和下部叶采收后变化显著（图6）。说明烟株在生长和次生代谢的资源投入方面存在时间和空间差异。

综上所述，基于生物量分配和叶功能性状特征，能较好地解析烟碱积累与烟株生长在物质能量分配过程中的生长-分化平衡关系。运用拟合模型对烟碱含量变化进行预测，有助于烟农提前判断是否应采取控碱措施降低后期烟叶烟碱积累，从而提高上部烟叶的利用率，增加烟农收入。需要指出的是，当前研究可能存在研究区域较小、供试烤烟品种单一、样本量较小等局限。后续研究应增加供试品种，在更广泛区域开展研究，构建烤烟生物量积累特征和叶功能性状数据库，优化预测模型，提高早期预测的准确度。