光照强度对雪茄烟叶光合特性、抗氧化特性及品质的影响

陈泳纬,吴永兵,袁华恩,阳苇丽,何正川,赵俊杰,董 涵,张 宇,赵铭钦

(1. 河南农业大学烟草学院,郑州 450002;2. 湖北省烟草公司襄阳市公司,湖北 襄阳 441003;四川省烟草公司达州市公司,四川 达州 635006)

【研究意义】光照直接影响植物生长发育过程中光合作用及光形态建成[1-2],生长在弱光环境中的植物形态结构会发生变化,生理生化特性等也会表现出一定的生态适应性[3-4]。烟草是喜光作物,充足的光照条件是保障其生长发育的关键,但日光充足而不强烈的光照条件更有助于烟叶质量形成[5-6]。雪茄的茄衣烟叶作为雪茄的外包装,直接影响雪茄质量和档次,其对烟叶组织结构细腻程度、颜色均匀性等外观质量方面以及厚度薄、弹性、拉力强度等可用性质量方面要求均较高[7]。目前,随着设施农业的发展,利用遮荫栽培技术改变光照强度是满足雪茄茄衣烟叶特殊质量要求的主要方式[8]。【前人研究进展】已有研究表明,弱光胁迫的时长和强度是影响植物生长发育的主要因素,长期处于弱光条件下,植物的营养生长会受到一定程度的抑制,而短期弱光处理的光照强度是影响植物生长发育的主要因素之一,同时处理光质、植物的品种及处理生长发育阶段的不同,有的植物在适当的弱光胁迫下,反而有利于其生长[9]。刘国顺等[10]研究表明,生育期持续较弱的光照强度对烤烟生长的影响主要表现在营养生长受抑制、净光合速率下降、生育期延长等。任晓春等[11]研究表明,短期低光强处理下,雪茄烟叶生物量积累下降,叶片形态结构发生变化,光合作用下降。吴晓颖等[12]研究表明,短期低光强处理下,叶片叶绿素含量下降,影响植物内源激素含量。赵喆等[13]研究表明,烤烟在成熟期光强降低可促进叶绿素含量,提高抗氧化酶活性,降低烟叶膜脂过氧化程度。目前关于光照强度对烤烟生长发育及产质量的影响研究较多[14-15],但针对雪茄烟生育期长期弱光适应性和不同光照强度响应的研究鲜有报道。【本研究切入点】以川雪1号雪茄品种为试材,设置光照强度递减的雪茄烟叶大田生育期栽培试验,从光合特性、抗氧化特性和品质的角度,探讨弱光胁迫对雪茄烟叶生长发育过程的影响。【拟解决的关键问题】分析不同光照强度下雪茄烟叶旺长期至成熟期生理特性的变化规律,为雪茄烟遮荫栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及地点

供试品种为当地主栽品种川雪1号,由四川省烟草公司达州市公司提供。试验于2022年在四川省达州市峰城镇(107°97′E,31°51′N)进行,试验地土壤质地为沙壤土,有机质含量21.68 g/kg,速效钾含量110.00 mg/kg,速效磷含量25.00 mg/kg,碱解氮含量124.22 mg/kg,pH 5.27。

1.2 试验设计

选取川雪1号种子漂浮育苗。移栽前整地、条施基肥,施肥质量比例为m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1.0∶0.8∶2.0。于2022年4月27日移栽,行距110 cm,株距40 cm。试验设置5个处理:CK(对照,100%自然光强)、T1(85%自然光强)、T2(70%自然光强)、T3(55%自然光强)、T4(40%自然光强),遮荫材料为定制的黑色遮阳网(通过调节纱网孔隙度和层数),控制光强偏差在±3%范围内,各处理试验期间的平均光强分别为905～1008、772～860、637～709、505～562、367～409 μmol/(m2·s)。于5月27日按试验设置搭棚进行遮荫,采用随机区组设计,重复3次,小区面积66.7 m2。大田管理按照当地雪茄烟叶生产技术规范进行。

取样方法:烟苗移栽后40 d(旺长初期)开始,每10 d取样1次,每次选取各小区具有代表性的中部叶(10～12叶位)5片,共取5次。取样后一部分去除主脉取第6～7支脉叶肉混匀放入液氮保存,用于生理指标测定;另一部分烟叶杀青烘干研磨后,过筛保存,用于化学成分测定。取各处理晾制后的中部烟叶样品10片,60 ℃烘干,粉碎过筛,用于晾制后化学成分的测定。

1.3 测定方法

1.3.1 叶片光合色素含量测定 叶绿素(Chla+b)及类胡萝卜素(Car)采用 80% 丙酮提取法测定[16]。

1.3.2 光合参数测定 叶片光合指标采用GFS-3000(WALZ,德国)便携式光合仪测定,于移栽后60 d,选择生长一致且受光良好的中部功能叶片(自下而上,第10～12叶位),于晴天9:00—11:30,测定雪茄烟叶净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci),每处理测定3株,每株重复3次,取平均值,计算叶片水分利用效率(WUEL)。

WUEL=Pn/Tr

1.3.3 丙二醛含量及过氧化氢含量测定 丙二醛(MDA)和过氧化氢(H2O2)含量采用紫外分光光度法,利用丙二醛(MDA)和过氧化氢(H2O2)含量试剂盒(苏州科铭生物技术有限公司)按照说明书方法测定。

1.3.4 抗氧化酶活性测定 采用NBT光还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性;紫外吸收法测定过氧化氢酶(CAT)活性;愈创木酚比色法测定过氧化物酶(POD)活性[17]。

1.3.5 晾后烟叶化学成分品质分析 采用 SEAL-AA3 连续流动分析仪测定烟叶常规化学成分含量,包括水溶性糖、烟碱、总氮、钾、氯[18]。

1.4 数据分析与处理

采用Microsoft Excel 2016软件进行试验数据整理及作图;采用SPSS 24.0软件进行单因素方差分析,LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 光照强度对雪茄烟叶光合色素含量的影响

由图1可知,雪茄烟叶在旺长期至成熟期叶绿素和类胡萝卜素含量均呈单峰变化趋势。40 d各处理叶绿素含量随着光照强度提升表现为先升后降,且T2处理显著高于CK处理,T4处理显著低于其他处理,但类胡萝卜素含量随着光照强度提升而降低,且CK处理显著高于各遮荫处理。说明在旺长期初期,光强适度减弱有利于叶绿素含量提升,但光照强度提升至T3处理时转变为不利于叶绿素合成,同时光强减弱会抑制类胡萝卜素含量。移栽50 d后各处理叶绿素与类胡萝卜素含量均达到峰值,表现为T3>T2>T4>T1>CK,且CK处理显著低于各遮荫处理,说明遮荫处理有利提升叶绿素和类胡萝卜素含量的峰值水平,适度遮荫(T2～T3处理)光照强度效果最佳。随后50～80 d叶绿素和类胡萝卜素含量不断下降,各处理之间均表现为CK处理显著低于遮荫处理,T2和T3处理显著高于T1处理。可见T2～T3区间的光照强度可以维持较高的光合色素含量,而后期维持较高的叶绿素有利于保障叶片光合作用持续抵抗弱光胁迫,并且后期维持较高类胡萝卜素则有利于抵抗光氧化对叶绿素的损伤,降低光合膜受损程度,提高烟株抗逆性,保障光合作用进行[19]。

柱形图上带有不同小写字母者表示处理间差异达显著水平(P<0.05)。下同。The column charts with different lowercase letters indicate significant differences between treatments(P<0.05).The same as below.图1 光照强度对雪茄烟叶光合色素含量的影响Fig.1 Effect of light intensity on photosynthetic pigment content of cigar leaves

2.2 光照强度对雪茄烟叶光合作用的影响

由表1可知,随着光照强度降低,雪茄烟叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率呈降低趋势,但胞间CO2浓度呈先升后降趋势,水分利用效率却呈上升趋势,不同光照强度处理差异显著。说明光照强度递增,使烟叶净光合速率、气孔导度、蒸腾速率递减。而胞间CO2浓度在光照强度从CK～T3处理区间递增,至T4处理回降,推测弱光胁迫下烟叶发育较弱,且净光合速率和气孔导度显著低于其他处理,多种因素导致胞间CO2浓度下降,叶片水分利用效率在光照强度达到T2～T4处理区间明显提升。

表1 光照强度对雪茄烟叶光合作用的影响Table 1 Effect of light intensity on photosynthesis of cigar leaves

2.3 光照强度对雪茄烟叶片丙二醛(MDA)和过氧化氢含量的影响

由图2可知,各处理烟叶MDA含量变化逐渐上升。40～60 d,CK和T1处理缓慢上升,但T2、T3和T4处理烟叶MDA含量无明显增幅,维持动态平衡。60～80 d各处理MDA含量增幅逐渐增大,至80 d各处理MDA含量明显上升。各处理的MDA含量在生长发育的各个旺长期阶段存在不同差异,移栽后第40天各处理MDA含量呈单峰变化,以T2处理最高,说明在旺长初期T2处理抗氧化能力较弱,T1处理次之,但T3和T4处理低于CK处理。说明在旺长初期,各处理烟叶MDA含量差异不大,随着光照强度提升,T1和T2处理在旺长初期的发育情况受到轻微影响,抗氧化能力减弱,MDA含量稍高于CK,但光照强度提升至T3、T4处理时,烟叶MDA含量低于CK处理,推测是因为当地栽培环境属于中高海拔的山地,紫外线较强,虽然遮荫延缓烟株发育,但当光照强度达到T3处理时,紫外线的隔绝对生长发育初期的烟株提供保护。第50天各处理MDA含量随着光照强度提升呈下降趋势,60～80 d各处理的MDA含量均表现为光照强度以CK处理提升至T3处理,烟叶MDA含量呈下降趋势,但至T4处理稍有回升,可见光照强度在T1～T3区间时,烟叶受到的氧化损伤程度递减,但达到T4强度时可能受到弱光胁迫较大影响烟叶发育,使其抗氧化能力减弱,MDA含量稍高于T3处理。

图2 光照强度对雪茄烟叶片MDA含量的影响Fig.2 Effect of light intensity on MDA content of cigar tobacco leaves

由图3可知,各处理烟叶H2O2含量缓慢上升,在40～80 d均以CK处理烟叶H2O2含量高于遮荫处理,且各处理第80天H2O2含量较40 d增幅分别为22.44%、14.80%、11.93%、13.45%、12.68%。说明遮荫处理可以有效降低烟叶内的H2O2含量,减少烟叶氧化损伤。除第60天以T2含量最低且与T3、T4处理无显著差异外,其他时期均表现为随遮荫处理强度的提升烟叶H2O2含量下降,可见提升光照强度有利于减少烟叶在各时期的氧化损伤。

图3 光照强度对雪茄烟叶片H2O2含量的影响Fig.3 Effect of light intensity on H2O2 content in cigar tobacco leaves

2.4 光照强度对雪茄烟叶片抗氧化酶活性的影响

由图4可知,在雪茄烟40～80 d旺长期至成熟期,各处理烟叶SOD、CAT、POD均保持较高活性。各处理SOD活性均呈单峰变化趋势,CK和T1处理的峰值在60 d,T2、T3和T4的峰值在70 d,可见光照强度的提升,对烟叶SOD活性的峰值变化有一定影响。40～60 d均以CK处理SOD活性较高,且相邻处理之间无显著差异,说明在生长发育前中期,各处理SOD均积极响应,70～80 d CK处理SOD活性显著低于其他处理,T2、T3处理较高,且处理之间无显著差异。可见光照强度在T2～T3区间,有利于烟叶在生长发育时期维持较高SOD活性。

图4 光照强度对雪茄烟叶片抗氧化酶活性的影响Fig.4 Effect of light intensity on antioxidant enzyme activity of cigar tobacco leaves

在40～80 d CK、T1和T2处理CAT活性呈上升趋势,而T3和T4处理在40～50 d快速提升,50～60 d轻微降幅,60～80 d继续上升。说明光照强度在T3～T4处理区间,CAT活性提前响应。60～80 d各处理增幅表现为3.16%、4.73%、7.34%、11.52%、10.84%。说明在生长发育中后期,光照强度在T2～T4处理区间仍能积极提升酶活性。各处理CAT活性在各个时期随光照强度提升存在不同趋势,40 d随光照强度提升CAT活性递减,50～80 d光照强度提升,CAT活性均高于CK处理。说明前期光照强度提升对CAT活性促进作用较小。70～80 d,T2～T4处理均显著高于CK处理,且之间无显著差异。可见随着遮荫时期延长,光照强度T2～T4处理区间有利于烟叶在生长发育时期维持较高CAT活性。

各处理烟叶POD活性在40～80 d呈单峰变化趋势,各个时期CK处理活性均小于遮荫处理,可见遮荫处理提升各个阶段的POD活性,但光照强度在CK～T3处理区间60 d达到峰值,T4处理在50 d达到峰值,说明光照强度达到T4处理时烟叶无法在中后期维持较高POD活性。80 d各处理烟叶POD活性低于生长发育初期(40 d)活性,降幅分别为6.79%、8.27%、5.17%、6.99%、9.98%,可见雪茄烟叶POD前期活性较高,至60 d开始下降,至80 d各处理烟叶POD活性均低于初期,T2处理对POD活性的维持优于CK处理。

2.5 光照强度对雪茄烟叶片晾后化学成分含量的影响

由表2可知,随着光照强度提升,各处理烟叶中总糖、总氮、烟碱含量呈先上升后降低趋势,氯、钾呈上升趋势,还原糖、糖碱比、氮碱比、两糖比呈下降趋势。可见,光照强度在CK～T3处理区间提升总糖、总氮、烟碱、氯、钾含量,但还原糖、糖碱比、氮碱比、两糖比则相反。糖碱比以CK处理较好,其比值低,影响吸食品质,氮碱比以T3、T4处理较好,其比值接近1代表烟叶的感官质量好[20],钾氯比各处理均大于4,以T2处理较好,其比值越大烟叶燃烧性越好[20]。综合来看,不同光照强度处理对化学成分影响较大,对比各处理化学成分协调性,遮荫处理可能会影响烟叶的感官质量,但由于茄衣烟叶以外观质量和物理特性质量为主,T1～T3处理对烟叶化学成分协调性影响较小,而T4处理对烟叶化学成分品质协调性影响较大。

表2 光照强度对雪茄烟叶片晾后化学成分含量的影响Table 2 Effect of light intensity on chemical composition content of cigar tobacco leaves after air curing

3 讨 论

植物利用光通过光合作用,提供同化力形成所需要的能量,活化参与光合作用的关键酶等[21]。植物叶片中叶绿体的光合色素含量直接影响光合作用的进行,因此植物的光合特性受弱光胁迫的影响至关重要[22]。本研究发现各处理雪茄烟叶在旺长期至成熟期阶段,叶绿素类和类胡萝卜素含量均呈单峰变化趋势,至50 d达到峰值,光照强度在55%～70%自然光强时,有利于旺长期至成熟期维持较好的叶绿素含量,促进叶片吸收更多光能进行光合作用,抵抗长期的弱光胁迫,同时光照强度在55%～70%自然光强时,各时期烟叶的类胡萝卜素含量均维持较高水平,说明55%～70%自然光强处理有利于提高烟叶类胡萝卜素含量,而类胡萝卜素含量高有利于保护叶绿素受光氧化的损伤,降低光合膜受损程度,保障光合作用进行。这与云菲等[23]、付景等[24]研究结果一致。而光照强度在40%自然光强时,对比55%～70%自然光强处理,烟叶的叶绿素和类胡萝卜素含量未进一步增加,推测该处理光照强度抑制了生长发育,限制了色素合成,这与任晓春等[11]研究一致。同时弱光环境下植物的适应性调节,还通过调控自身光合参数,提高光能利用率,以维持弱光环境下的碳平衡[25]。本研究发现随着光强降低,雪茄烟叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率呈降低趋势,这与云菲等[23]、王佳佳等[26]研究结果一致。胞间CO2浓度随着自然光强从100%降至55%时呈上升趋势,但降至40%自然光强时胞间CO2浓度未随着光强降低而上升,推测受到该处理气孔导度明显下降的影响,使该处理胞间CO2浓度下降,这与云菲等[23]略有不同。水分利用效率随着光强降低呈上升趋势,这与战吉宬等[27]研究一致。

不同光照强度对烟叶生长发育的影响,导致烟叶化学成分含量变化形成了烟叶品质的差异[10]。与乔新荣等[6]研究结果一致,弱光胁迫使烤烟化学成分中总糖和还原糖含量下降,总氮和钾含量上升,烟碱含量虽光强减弱先升后降,综合来看55%～70%自然光强处理烟叶钾氯比和氮碱比适宜,化学成分协调性较好。

4 结 论

长期不同弱光条件对雪茄烟叶光合特性和抗氧化特性影响显著,提升了雪茄烟叶光合色素含量、胞间CO2浓度、水分利用效率及抗氧化酶活性,降低了膜脂过氧化程度,但净光合速率、气孔导度、蒸腾速率下降。适度弱光(55%～70%自然光强)能够促进光能吸收,提升抗氧化酶活性,降低烟叶氧化,有利于品质形成。综合考虑品种特性、烟区气候条件等因素,适宜四川达州地区优质茄衣烟叶生产的光照强度为55%～70%自然光强,为国产优质茄衣烟叶提供参考。