生理活性物质复合制剂对低温胁迫烟草植株光合活性的影响

罗真华，高志强，张红兵，谢会雅，周 毅，贺利雄，史端甫（.湖南省烟草公司株洲市分公司，湖南 株洲 4000；.湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 408；.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 408）



生理活性物质复合制剂对低温胁迫烟草植株光合活性的影响

罗真华1，高志强1，张红兵1，谢会雅1，周 毅1，贺利雄2，史端甫3
（1.湖南省烟草公司株洲市分公司，湖南 株洲 412000；2.湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128；3.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128）

摘 要：以烟草K326、云87为材料，对生理活性物质复合制剂改善遭遇低温逆境胁迫烟草植株光合活性的生理效果进行了评价。结果表明：低温逆境遭遇期间和常温生长恢复期间，复合制剂处理的植株在低温逆境响应及常温生长恢复方面明显优于对照，植株的净光合速率（Pn）、气孔传导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）和叶绿素荧光参数最大光化学效率（Fv/Fm）、PSII量子产量（ΦPSII）、表观电子传导率（ETR）、非光化学淬灭（NPQ）的变化均优于对照；表明该复合制剂可减轻低温逆境对烟草植株光合作用的抑制作用，改善植株烟草低温逆境抗性。

关键词：烟草；生理活性物质；低温胁迫；光合作用

烟草生产中早春季节频繁发生的低温危害（即“倒春寒”），将导致烟草移栽后幼苗受害、大田前期生长缓慢以及发生早花现象，烟叶的产量和品质受到严重的影响，这已成为烟草生产中的突出问题[1]。目前，对于早春低温危害主要是通过适宜品种选择、剪叶炼苗、适时移栽和平衡施肥等栽培措施来应对；对于低温导致的烟草早花，则主要是通过“放弃主茎，培育杈烟”、加强肥培的措施来补救。研究表明，多种植物生理活性物质对植物的逆境抗性具有调节作用[2-4]；因此，制备生理活性物质抗性调节剂、通过叶面喷施来改善烟草植株抗性，不失为烟草生产中减轻早春低温危害的有效农艺措施。

光合作用是对温度最为敏感的生理过程之一，低温等逆境条件抑制植物光合作用，甚至引起或加剧光抑制现象；植物受低温逆境胁迫后即使恢复到适宜生长条件下，较长时期内其光合作用仍维持在较低水平，严重影响光能的吸收和利用能力，延迟植株的生长发育、造成产量和质量的下降[5-6]。光合作用是作物生长发育的物质基础，产量和品质决定于其光合能力的大小，烟叶既是烟草植株的营养器官、又是其经济器官。因此，生理活性物质对遭遇低温胁迫烟草植株光合活性的影响是改善植物逆境抗性的重点关注之一。在前期研究中，比较了多种生理活性物质对遭遇低温逆境烟草抗性生理指标的影响，并进行了成分的优选；该研究就生理活性物质复合制剂对烟草光合作用的影响进行初步探讨，以期为该复合制剂对烟草低温耐性的改善提供依据。

1　材料与方法

试验在湖南农业大学中国烟草中南试验站进行，利用人工气候室（AGC-D003N，浙江大学求是人工环境有限公司）模拟早春低温气候条件进行低温胁迫处理，选用甜菜碱、水杨酸、5-氨基乙酰丙酸、脱落酸、锰（Mn）、铝（Co）、钼（Mo）等微量元素和表面活性剂调配制成复合制剂。

1.1试验材料

试验材料K326、云87由中南烟草试验站提供。采用漂浮育苗法育苗，播种出苗后，3～4片真叶期移植至装填有漂浮育苗基质的塑料花盆（20 cm×25 cm），依照烟草育苗技术进行肥水管理，选用生长旺盛、长势基本一致的6～7片真叶盆栽幼苗供试验用。

1.2低温胁迫处理

将6～7片叶龄的盆栽烟草幼苗移入人工气候室常温驯化3 d（25℃、5 000 lx、光照 12 h），生理活性物质复合制剂叶面喷施处理烟草幼苗24 h后（喷施清水为对照），开始低温逆境处理7 d（8℃、1 000 lx、光照 12 h）；低温处理结束后恢复常温生长10 d，处理期间肥水供应适宜。

1.3观测指标与方法

1.3.1生长情况观察 低温处理期间第 0、0.5、1、2、3、5和7天观察烟苗的低温逆境响应（萎蔫程度、冷害症状），常温恢复期间的第5、10天，观察烟苗的生长恢复情况。

1.3.2光合活性测定 低温弱光照处理第0、1、3、5天和常温恢复期间第5、10天的中午，使用LI-6400型便携式光合系统分析仪（美国LI-COR 公司），测定5株烟苗倒4、或5叶片的净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）和气孔导度（Gs）等光合活性参数指标[7]；测定条件如下：红蓝光源、光量子通量密度为1 000 μmol/m2∙s、气孔速率为0.5、CO2浓度为400 μmol/mol。

1.3.3叶绿素荧光参数测定 使用叶绿素荧光仪（PAM-2000、Walz、Germany）测定烟苗叶片叶绿素荧光动力学参数，测定5株烟苗倒4、或5叶、每张叶片测定3点（与光合作用参数测定同时进行）[7]。叶片暗适应处理30 min、测定初始荧光（Fo）后，再用饱和脉冲光[1 000 μmol/（m2∙s）]测定最大荧光（Fm）；然后用光化光[400 μmol/（m2∙s）、脉冲时间0.7 s、照射间隔20 s]测定叶片在光适应状态下的荧光值（Fo'）和最大荧光（Fm'），直至Fo'和Fm'趋于稳定值为止（约重复测定15次）。依照相应公式计算荧光参数[8]，SII最大光化学量子效率：Fv/Fm=（Fm-Fo）/Fm、PSII光化学量子效率ΦPSII=（Fm'-Fs）/Fm'、非光化学淬灭系数：NPQ=（Fm-Fm'）/Fm'、电子传递速率：ETR=PPFD×ΦPSII×0.84×0.5。

1.3.4数据处理 应用Excel 2007和SPSS软件处理测定数据和统计分析。

2　结果与分析

2.1复合制剂对烟苗低温胁迫响应及常温恢复状况的影响

在低温处理第0、0.5、1、2、3、5、7天观察烟苗的萎蔫程度、冷害症状，常温恢复第5、10天观察烟苗的生长恢复情况（表1）。从参试两品种烟苗的低温逆境胁迫响应来看，对照组烟苗低温胁迫处理第2天开始有性状表现，部分植株整株表现轻度萎焉（图1 A），低温处理第3～5天时部分植株芯叶和幼叶出现边缘褶皱、云87的少数植株幼叶出现了水渍斑；而复合制剂处理烟苗，其形态方面基本无变化，植株挺立如常（图1 B）。另外，低温处理后续的常温恢复期间，复合制剂处理组植株叶色常绿，第5天时呈现生长恢复状态、后期的长势较好；而对照组植株第5天时的生长恢复状态比较“迟钝”，第10天观察时部分植株的下部叶轻度退绿现黄、或黄化脱落，呈现出了低温“伤害”的症状。复合制剂处理和对照幼苗的低温逆境胁迫响应和常温生长恢复状况的差异，初步说明了复合制剂处理对烟草幼苗低温抗性具有一定的改善效果。

表1　复合制剂对烟草低温逆境胁迫响应和常温生长恢复状况的影响

图1　烟草幼苗低温逆境胁迫响应

2.2复合制剂对低温胁迫及常温恢复期烟苗光合活性的影响

低温逆境胁迫对植物叶片光合作用的影响涉及的主要方面有光能吸收、气体交换、碳固定过程等多个环节，将显著影响叶片光合作用的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）等光合作用参数。低温逆境胁迫和常温生长恢复期间烟草幼苗叶片光合活性的测定结果（表2）显示，低温逆境处理期间，叶片的Pn、Gs、Ci和Tr均显著降低，且随着低温逆境胁迫的延伸持续下降；低温处理后的常温恢复生长时期，叶片的光合活性参数均得到了较好的恢复，但时至第10天时，这些光合作用参数仍然没有恢复到处理前的水平，这说明了低温胁迫对烟草幼苗叶片光合系统产生了一定的低温“伤害”，且“伤害的修复”在随后的正常生长条件下会持续较长时期。另一方面，在同样低温逆境条件下，复合制剂处理的光合参数变化均优于对照组，常温生长期间的恢复程度亦优于对照（参试两品种的变化趋势类似）。

表2　复合制剂处理对烟草幼苗叶片光合活性的影响

植物叶片的净光合速率是叶绿体内光反应（PSII、PSI光能吸收、电子传递）和暗反应（卡尔文循环碳固定）的“综合”结果；气孔是叶片与外界交换O2、CO2和水蒸气的主要通道，通过调节其张开程度（气孔导度）在损失水分较少的条件下获取最多量的CO2用于光合作用；胞间CO2浓度取决于叶片周围空气的CO2浓度、气孔导度、叶肉导度和叶肉细胞的光合活性这四个方面的因素，研究中试验材料处于同一环境条件，因此其胞间CO2浓度主要取决于气孔导度和叶肉细胞的光合活性。结果表明，复合制剂处理植株的气孔导度大于对照、而胞间CO2浓度低于对照，这一结果暗示了对照植株叶肉细胞的光合活性低于复合制剂处理植株；因此，推测复合制剂可能对遭遇低温逆境烟草植株光合系统的D1、D2蛋白及卡尔文循环中的某些酶类具有“保护”作用，从而减轻了低温逆境胁迫对烟苗光合作用的抑制效果。

2.3复合制剂对低温胁迫和常温恢复期烟苗叶绿素荧光的影响

叶绿素荧光参数作为植物抗逆反应的指标之一，用于植物的耐逆境能力鉴定评价方面得到广泛的应用和认可[9]。低温逆境胁迫和常温生长恢复期间烟草叶片的叶绿素荧光参数检测结果见表3。

表3　复合制剂处理对烟草植株叶片光合系统叶绿素荧光的影响

从表3可以看出，低温胁迫明显降低了烟草幼苗叶片的光能利用能力，降低了PSII的最大光化学效率（Fv/Fm）、量子产量（ΦPSII）和表观电子传导率（ETR），而增大了非光化学猝灭系数（NPQ），且随着低温逆境处理时间越长、影响越大；常温生长恢复期内，叶绿素荧光参数得以较快的恢复，但第10天时仍与低温处理前存在明显的差异。另一方面，在同样低温逆境条件下，复合制剂处理植株的叶绿素荧光参数的变化均优于对照组，常温生长期间的恢复程度亦优于对照。烟草叶片叶绿素荧光参数的变化，与2.2叶片光合作用参数的变化趋势相匹配，从另一个角度较好的验证了复合制剂对烟草叶片光合作用低温抑制的减轻效果。

从常温期间的恢复“效果”来看，对照植株的Fv/Fm和NPQ的恢复程度均低于复合制剂处理植株，说明了对照植株光能吸收能力的下降，不仅是因其非光化能量耗散（光保护反应）、还有部分原因是由于光合系统蛋白（如PSII D1、D2蛋白）的低温“伤害”程度更大或修复受阻所致；因此可以细胞微观层面来推断复合制剂对叶片光合系统具有保护作用。

4　小结与讨论

温度是影响植物光合作用的主要因素之一，不良的环境温度（高温或低温）对光合作用有明显的抑制作用。试验结果表明，在遭遇低温逆境胁迫时，叶面喷施复合制剂具有明显改善烟草植株的低温逆境响应和光合活性、提高烟草植株低温抗性的生理效果；但在复合制剂的后续研究中，需对烟草植株低温逆境抗性的改善效果经大田试验验证。

如前2.2所述，复合制剂减轻低温逆境胁迫对烟苗光合作用的抑制效果，可能与其对光合系统的某些蛋白具有“保护”作用有关。因此，可通过检测低温逆境胁迫期间复合制剂对卡尔文循环中的某些调节酶（如FBPase、SBPase、Rubisco）活性的影响来进一步确认复合制剂减轻低温逆境胁迫对烟苗光合作用的抑制效果。同时，植物遭遇低温逆境胁迫时，光合系统由于低温光抑制的影响，其积累的过剩光能与O2富集供应将使叶绿体产生多量的活性氧，将导致光合作用的光抑制、甚至光氧化、光破坏，加剧低温逆境对植物的“伤害”[10-12]；另外，当遭遇逆境胁迫时，植物会调整自身代谢、强化专一的生理代谢。鉴于生理活性物质对植物代谢具有调节作用，因此在后续试验中，需检验复合制剂处理对烟草植株生理生化指标的影响。

植物生理活性调节物质可明显影响烟草的生长发育，而复合制剂系多种生理活性物质调制而成；因此，在后续大田试验时需制备烤烟样品，进行主要烤烟品质成分指标的检测分析，以确认复合制剂对烟草品质方面的影响。

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（责任编辑：高国赋）

Effects of Physiological Active Substance Compound Preparation on Photosynthetic Activity of Tobacco Plants under Chilling Stress

LOU Zhen-hua1，GAO Zhi-qiang1，ZHANG Hong-bing1，XIE hui-ya1，ZHOU yi1，HE Li-xiong2，SHI Duan-fu3
（1.Zhuzhou Branch of Tobacco Company in Hunan Province, Changsha 412000, PRC; 2.College of Bioscience and Biotechnology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, PRC; 3.College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, PRC）

Abstract：K326 and Yun87 were used to investigate the improvement effects of plant physiological active substance compound preparation on the photosynthetic activity of tobacco plants under chilling stress in this research.The results showed that both the response to chilling stress and the recovery at normal temperature of plants treated by compound preparation were significantly better than the control plants, as the index including net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), and intercellular CO2concentration (Ci), transpiration rate (Tr) and chlorophyll fluorescence parameters involving the maximal photochemical efficiency (Fv/Fm), PSII quantum yield (ΦPSII), apparent electron transport rate (ETR) and non-photochemical quenching (NPQ) indicated.This compound preparation could decrease chilling-induced photoinhibition, and improve chilling resistance of tobacco.

Key words：tobacco; physiological active substance; chilling stress; photosynthesis

通讯作者：史瑞甫

作者简介：罗真华 （1968-），男，湖南炎陵县人，经济师，主要从事烟叶生产经营及技术推广。

基金项目：湖南省烟草公司株洲市分公司科技开发项目（13-008）

收稿日期：2015-09-02

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2015.12.008

中图分类号：S572

文献标识码：A

文章编号：1006-060X（2015）12-0025-04