保水剂和抗蒸腾剂配施对土壤水分和云烟87 化学成分、碳氮代谢的影响

韩雅婷，郭天骄，贾国涛，赵红朝，黄五星

（1.河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450046；2.河南中烟工业有限责任公司，河南 郑州 450000；3.三门峡市烟草公司渑池县分公司，河南 渑池 472400）

烟草是我国重要的经济作物，对土壤水分的需求很高，土壤持水量低于50%时其质量将受到严重影响[1-2]。豫西烟区属于山地丘陵地区，是我国重要的烟叶产区，是国内多家重要烟草加工企业的主要烟叶原料产地[3]。近年来，受前期干旱和后期低温影响，当地烤烟出现大田生育期延长、烟叶成熟过晚、品质下降等问题[4-6]。因此，发展抗旱技术措施对促进烟株早生快发，提升烟叶品质具有重要现实意义。

保水剂、抗蒸腾剂等抗旱物质近年来成为国内外学者研究的热点。保水剂是一种具有高吸水、反复吸水特性的化合物，其吸水后形成水凝胶，能够在干旱时向土壤释放水分[7]；根据其使用原料，保水剂可分为淀粉-聚丙烯酸型保水剂、纤维素型保水剂、复合型保水剂等[8]。梅雅楠等[9]研究发现，施用保水剂能够改善土壤理化性质，改善烤后烟叶化学物质的协调性，使烟叶品质提高；陈芳泉等[10]研究发现，施用保水剂可以降低烟株活性氧物质，增强烟株抗旱能力。抗蒸腾剂是一类抑制植物蒸腾作用、减少水分挥发的抗旱化学物质[11]；根据其作用机制，抗蒸腾剂可分为成膜型抗蒸腾剂、代谢型抗蒸腾剂、反射型抗蒸腾剂[12]。朴春红等[13]研究发现，喷施抗蒸腾剂能够降低玉米叶片的蒸腾作用，提高水分利用率；刘广成等[14]发现，对小麦施用抗蒸腾剂可以降低叶片气孔导度，提高土壤含水量，同时产量相比对照提高15%左右。

近年来，人们对保水剂的研究多集中在对土壤及烟株生长发育的影响上，然而保水剂受自身材质、外界环境等因素的影响[7]，无法彻底解决烟株贪青晚熟的问题；抗蒸腾剂广泛应用于瓜果蔬菜、园林作物的栽培生产中[15-19]，在烤烟上施用抗蒸腾剂的研究相对匮乏；且保水剂与抗蒸腾剂同时施用鲜见报道，二者配施能否达到更佳效果尚不清楚。因此，结合豫西烟区生态环境及栽培技术，研究保水剂和抗蒸腾剂配施对土壤含水率和云烟87 大田生育期、烤后烟叶化学成分、碳氮代谢关键酶活性以及相关基因相对表达量的影响，为当地烤烟旱作栽培提供现实参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料与设计

试验于2021 年在河南省三门峡市朱阳镇梁家庄（34°25′N，110°71′E）进行，该地区年平均气温13.2 ℃，无霜期184～218 d，烟叶大田生育期日照时数750 h 以上。土壤基础理化性质：碱解氮含量96.8 mg/kg、速效磷含量11.34 mg/kg、速效钾含量132.46 mg/kg、有机质含量10.03 g/kg，pH 值7.76。供试烤烟品种为云烟87；试验所用保水剂由山东宝莫生物化工股份有限公司提供，主要成分为丙烯酰胺；抗蒸腾剂由四川润尔科技有限公司提供，该抗蒸腾剂为含腐植酸水溶性物质。

试验采用完全随机设计，分别设置当地常规栽培方式（CK）、单独施用保水剂（T1）、单独施用抗蒸腾剂（T2）、保水剂和抗蒸腾剂配施（T3）4 个处理，3次重复，共12 个试验小区，行距1.2 m，株距0.5 m。拟设定每个小区种5 行，每行16 株，每个小区的面积48 m2，除 去 保 护 行，所 有 小 区 用 地48×4×3=576 m2。烟苗于5 月5 日移栽。在烟苗移栽时将保水剂与细土按1∶10体积比混合拌匀，均匀施入种植穴内；在移栽后30～60 d，将抗蒸腾剂用清水稀释800～1 000 倍，每3～5 d 早晚各喷1 次，共喷施8 次，整株喷施（包括主干，主喷叶片背部），以喷湿不滴水为度。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 土壤含水率、烤后烟叶常规化学成分、大田生育期 烟苗移栽后第30（伸根期）、60（旺长期）、90 天（成熟期），按照五点取样法分别采集各小区20 cm 土层根际土壤样品20 g，装入自封袋中，土样混匀后用烘干称质量法[20]测定土壤含水率；烟叶采收烘烤后，不同处理随机取上部烟叶（顶三叶），用连续流动分析法进行化学成分的测定[21]；并记录烤烟下、中、上部叶采收结束时间及大田生育期天数。

1.2.2 碳氮代谢关键酶活性和相关基因表达量

烟苗移栽后第120 天，于各小区分别采集3 株具有代表性的烟株，取上部叶（顶3叶）叶中部位，剔除主脉和支脉，锡纸包裹，液氮速冻，超低温冰箱保存。氮代谢关键酶[硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）]活性分别采用相应的试剂盒（北京索莱宝生物技术有限公司）进行测定；碳代谢关键酶[蔗糖合成酶（SS）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）]活性分别采用相应试剂盒（苏州科铭生物技术有限公司）进行测定，具体操作步骤按照相应酶试剂盒说明书进行。采用EastepSuper 总RNA 提取试剂盒提取烟叶总RNA，采用Novoprotein 试剂盒进行反转录，使用软件Primer 6.0 为所有候选基因设计qRT-PCR 引物，引物序列见表1。设计原则：每条引物碱基数18～23 bp，产 物 长 度150～250 bp，退 火 温 度60～70 ℃，GC 含量为40%～60%。采用AceQTM qPCR SYBR® Green Master Mix 试剂盒进行qRT-PCR，以上3 个试剂盒均由武汉赛弗瑞科技有限公司提供。试验结果采用2-ΔΔCt算法[22]进行分析。在试验的整个过程中，应借助超净工作台，佩戴无菌手套与口罩，确保无菌环境。

表1 引物序列Tab.1 Primer sequence

1.3 数据处理

试验结果采用SPSS 26.0软件处理和分析，使用Origin 2021软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对云烟87成熟采收结束时间和大田生育期的影响

不同处理各部位烟叶成熟采收结束时间和大田生育期如表2所示。根据当地栽培管理情况，4个处理下部叶采收结束时间一致；T1、T2、T3处理中部叶采收结束时间相比CK 分别提前了6、6、13 d；T3处理上部叶采收结束时间最早，分别比CK、T1、T2处理提前19、6、6 d。整个大田生育期以T3 处理最短，为126 d，T1、T2 处理烤烟大田生育期一致，相比CK 缩短了13 d。可见，保水剂、抗蒸腾剂能够使云烟87中、上部叶提前采收，缩短大田生育期。

表2 不同处理下、中、上部叶成熟采收时间Tab.2 Harvest time of tobacco leaves in different parts under different treatments

2.2 不同处理对云烟87烤后烟叶常规化学成分的影响

不同处理烤后上部烟叶常规化学成分如表3所示。4个处理之间烤后烟叶烟碱、总氮、氯含量均有显著差异，其关系为CK＜T1＜T2＜T3，表明保水剂、抗蒸腾剂能够降低烤烟中烟碱、总氮、氯含量；在还原糖、总糖、钾、钾氯比和糖碱比指标上均表现为T1、T2、T3处理显著高于CK，T3处理最高，表明保水剂、抗蒸腾剂能够提高还原糖、总糖、钾含量以及钾氯比、糖碱比。总的来看，施加保水剂和抗蒸腾剂处理（T3）最优，最能改善烤后烟叶常规化学成分的协调性。

表3 不同处理烤后上部烟叶常规化学成分Tab.3 Conventional chemical components of upper flue-cured tobacco leaves under different treatments

2.3 不同处理对云烟87移栽后土壤含水率的影响

3 个时期的土壤含水率如图1 所示，烤烟移栽后30 d，各处理的土壤含水率差异不显著；移栽后60 d，CK、T2 处理的土壤含水率相对栽后30 d 有所降低，T1、T3 处理土壤含水率则有所提高，T1、T2、T3 处理与CK 差异显著，且T3 处理显著高于T2 处理，说明保水剂、抗蒸腾剂一定程度上能够减少水分消耗，保水剂比抗蒸腾剂更能提高土壤含水率，且保水剂和抗蒸腾剂配施效果更好；移栽后90 d，土壤含水率下降，CK、T1、T2、T3 处理土壤含水率相对移栽后60 d 分别降低了20.47%、31.67%、33.09%、24.17%，T3 处理土壤含水率显著高于CK和T1、T2 处理，CK、T2 处理无显著差异，说明保水剂、抗蒸腾剂在后期作用相对减小。总体来看，保水剂、抗蒸腾剂对土壤含水率均有影响，保水剂影响较大，且主要在旺长期发挥作用，保水剂和抗蒸腾剂配施效果最好。

图1 烤烟移栽后30、60、90 d的土壤含水率Fig.1 Soil moisture content at 30，60，90 days after transplanting of flue-cured tobacco

2.4 不同处理对云烟87碳氮代谢关键酶活性的影响

烤烟移栽后120 d，不同处理上部叶碳氮代谢关键酶活性如图2所示。由图2A可知，3个处理NR活性与CK 有显著差异，T1、T2、T3 处理NR 活性分别为CK 的46.82%、39.92%、20.16%；由图2B 可看出，各处理GS 活性差异情况与NR 活性类似，T1、T2、T3 处理GS 活性分别是CK 的54.88%、53.83%、30.99%，T3 处理的GS 活性最低。可见，保水剂、抗蒸腾剂能够在烤烟成熟期降低NR、GS 活性，以T3处理最优。

图2 烤烟移栽后120 d上部叶NR（A）、GS（B）、SPS（C）、SS（D）活性Fig.2 Activities of NR（A），GS（B），SPS（C），SS（D）in the upper leaves of flue-cured tobacco at 120 days after transplanting

由图2C 可知，CK SPS 活性最高，显著高于T1、T2、T3 处理，T1、T2 处理间无显著差异，T3 处理SPS活性最低，分别比CK、T1、T2 处理降低62.29%、32.35%、34.28%；由图2D 可知，各处理SS 活性差异与SPS 活性相似，T3 处理SS 活性最低，分别比CK、T1、T2处理降低69.23%、44.83%、42.86%。

2.5 不同处理对云烟87碳氮代谢相关基因表达量的影响

烤烟移栽后120 d 不同处理碳氮代谢相关基因表达量如图3 所示。由图3A 可知，CK 的NtNR相对表达量显著高于T1、T2、T3处理，T1、T2处理间差异不显著，T3 处理的NtNR相对表达量最低，分别是CK、T1、T2 处理的25.74%、40.62%、44.07%；由图3B可知，T1、T2、T3 处理的NtGS相对表达量显著低于CK，T1、T2 处理间无显著差异，T1、T2、T3 处理的NtGS相对表达量分别是CK 的58.42%、54.46%、25.74%。

图3 烤烟移栽后120 d上部叶中NtNR（A）、NtGS（B）、NtSPS（C）、NtSS（D）相对表达量Fig.3 The relative expression of NtNR（A），NtGS（B），NtSPS（C）and NtSS（D）in the upper leaves of flue-cured tobacco at 120 days after transplanting

由图3C可知，T3处理的NtSPS相对表达量显著低于CK、T1、T2 处理，T1、T2 处理间无显著差异，各处理的NtSPS相对表达量为CK＜T2＜T1＜T3；由图3D可知，CK 的NtSS相对表达量最高，T3 处理最低，各处理NtSS相对表达量为CK＜T1＜T2＜T3。

2.6 不同处理云烟87碳氮代谢关键酶活性、相关基因表达量与烟叶常规化学成分的相关性

烤烟移栽后120 d 碳氮代谢酶活性与基因表达量的相关性如表4、5 所示。结果表明，NR、GS 活性与NtNR、NtGS相对表达量之间呈显著或极显著正相关，其中GS 活性与NR 活性、NtGS相对表达量间呈极显著相关，NtNR与NtGS相对表达量之间相关性达极显著水平；SPS、SS 活性与NtSPS、NtSS相对表达量四者之间呈显著正相关水平，其中SPS、SS活性之间和NtSPS、NtSS相对表达量之间达极显著水平。

表4 云烟87移栽后120 d氮代谢酶活性与基因表达量的相关性Tab.4 Correlation between enzyme activity of nitrogen metabolism and gene expression of Yunyan 87 at 120 days after transplanting

表5 云烟87移栽后120 d碳代谢酶活性与基因表达量的相关性Tab.5 Correlation between carbon metabolic enzyme activity and gene expression of Yunyan 87 at 120 days after transplanting

烤烟移栽后120 d 碳氮代谢酶活性及基因表达量与常规化学成分的相关性如表6所示。碳氮关键酶活性及基因表达量与烟碱、总氮、氯含量呈显著或极显著正相关水平，与还原糖、总糖、钾含量以及钾氯比、糖碱比、氮碱比呈负相关水平，其中碳氮代谢关键酶活性及基因表达量与钾含量呈显著负相关。

表6 云烟87移栽后120 d碳氮代谢酶活性及基因表达量与常规化学成分的相关性Tab.6 Correlation between carbon and nitrogen metabolizing enzyme activities and gene expression levels and conventional chemical components of Yunyan 87 at 120 days after transplanting

综上所述，碳氮代谢关键酶活性与相关基因表达量呈显著正相关水平，说明碳氮代谢基因调控烟叶碳氮代谢；碳氮代谢关键酶活性及基因表达量与烟碱、总氮、氯、钾含量显著相关，说明碳氮代谢对烤烟常规化学成分有显著影响。

3 结论与讨论

在烤烟遇到干旱时，施加保水剂能够减少土壤水分流失，提高水分利用率[23]，施加抗蒸腾剂能够降低叶片蒸腾速率，减少水分蒸发，提高烤烟抗旱能力。前人研究[24-26]发现，适宜用量的保水剂能够对土壤含水率起到一定的“缓冲作用”，加快烤烟生长，缩短生育期；喷施抗蒸腾剂可以有效减少烟叶蒸腾作用导致的水分蒸发，使烟株正常落黄成熟，提高烟叶产量品质；但也有研究[27-28]表明，施加保水剂在前期对土壤含水率影响较大，能够推迟烟株现蕾和采收期，延长生育期。这可能是由于各地气候条件以及土壤理化性质不同所致。

本研究结果显示，在豫西烟区施用保水剂、抗蒸腾剂能够缩短大田生育期，缓解当地贪青晚熟问题，使烤烟适时成熟，这与崔德强[26]的研究结果一致；保水剂、抗蒸腾剂使云烟87烤后烟叶还原糖、总糖、钾含量增加，烟碱、总氮、氯含量降低，糖碱比、钾氯比提高，保水剂和抗蒸腾剂配施处理的烤后烟叶化学成分更协调，烟叶品质更好。

豫西烟叶贪青晚熟的最大原因是前期土壤水分不足，根系吸收的水分不能补偿烟株发育所需和蒸腾消耗。对烤烟各个时期土壤含水率的研究发现，移栽时施加保水剂对烤烟伸根期土壤含水率无显著影响，这与刘世亮等[29]的研究结果相似。受其自身属性、土壤微生物等因素的影响，保水剂在土壤中的作用效应是个复杂的过程，关于保水剂在烤烟伸根期的作用机制还需进一步研究。在旺长期和成熟期，保水剂、抗蒸腾剂均提高了土壤含水率，有助于烟叶快速生长，适时成熟，这与梅亚楠等[9]的研究结果一致。

碳氮代谢作为烟叶中最基本、最重要的代谢，其协调性对烤烟的生长发育和烟叶的产量、品质有很大影响[30-32]。随着烤烟成熟衰老，氮代谢能力逐渐降低[33]，碳代谢的固定和转化能力减弱[34]。本研究发现，在烤烟生长后期，保水剂与抗蒸腾剂的施用使碳氮代谢关键酶活性与基因表达量降低，进而促进烟叶落黄，加速烤烟成熟；碳氮代谢相关基因参与调控碳氮代谢，碳氮代谢不仅能反映烟叶成熟衰老程度，对烟叶常规化学成分也有重要影响，随着碳氮代谢的减弱，烟叶中烟碱、总氮、氯含量降低，还原糖、总糖、钾含量升高，钾氯比、糖碱比得到提高，施加保水剂和抗蒸腾剂使烤烟化学成分协调，烟叶品质提高，这与康雪莉[35]的研究结果一致。

综上所述，保水剂和抗蒸腾剂配施更能提高土壤含水率，单独施用保水剂比单独施用抗蒸腾剂效果好，二者在旺长期发挥作用较大；烟株的可利用水分提高使其在前中期得到充分发育，从而适时成熟，大田生育期提前；施用保水剂、抗蒸腾剂可以使成熟期云烟87的碳氮代谢能力减弱，进而促进淀粉转化，使烤后烟叶化学成分更协调，品质更佳；保水剂和抗蒸腾剂配施处理效果最优，能够缓解豫西烟区降雨与烤烟生长需水不协调、烟叶贪青晚熟等问题，符合当地烤烟栽培措施。