外源物質提高煙草抗非生物的研究

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關鍵詞：煙草；外源物質；非生物脅迫；水分；溫度；鹽堿；重金屬

引言：近年來，由于工業發展和極端氣候頻發，受非生物脅迫的耕地面積逐年增大，2020年國內受水災、旱災、低溫災害影響的耕地面積分別為1106萬、508.1萬、105.2萬hm2[1]。據聯合國教科文組織和糧農組織不完全統計，國內鹽堿地面積為9910萬hm2[2]。中國耕地表層土壤受鎘(Cd)、汞(Hg)、砷(As)等重金屬污染的土地約2000萬hm2，并呈逐年增長的趨勢[3]，嚴重制約了農業的可持續發展。煙草是世界重要的經濟作物。國家統計局數據顯示，2019年國內煙草種植面積為102.7萬hm2，產煙葉215.34萬t[1]，煙草行業工商稅利總額為12056億元，上繳財政總額為11770億元。但煙草在整個生育期都易受到非生物脅迫的危害，輕則抑制根和葉的生長，造成煙葉產量降低、品質下降，重則導致煙草死亡，煙田絕產。研究表明，外源水楊酸(SA)[4]、褪黑素(MT)[5]、β-氨基丁酸(BABA)[6]、硅(Si)[7]、甜菜堿(GB)[8]、一氧化氮(NO)[9]等物質處理能有效緩解干旱、低溫、鹽堿、重金屬等非生物脅迫對煙草的損傷（表1），保障煙草的產量和品質。筆者綜述利用外源物質提高煙草抗非生物脅迫的研究進展，包括其提高煙草抗各種非生物脅迫的效果、作用機理及未來研究的展望，旨在為合理利用外源物質提高煙草抗逆能力提供參考。

1外源物質緩解煙草水分脅迫

1.1外源物質緩解煙草干旱脅迫

由于全球氣候變化，干旱成為世界范圍內威脅植物生存和作物生產力的主要環境脅迫[10]。干旱脅迫抑制煙草根系生長，降低根系活力[11]，降低葉片光合速率[12]，導致煙草細胞程序性死亡[13]。前人研究表明，干旱脅迫下葉面噴施100μmol/LMT能夠增加煙草葉片中葉綠素含量，提高氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)，降低胞間二氧化碳濃度(Ci)，進而提高凈光合速率(Pn)。增加超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)的活性，進而減少超氧陰離子(O2-·)和丙二醛(MDA)的積累量，增加可溶性蛋白(SP)和脯氨酸(Pro)等滲透調節物質的積累，降低失水速率[14]。劉領等[15]研究發現，外源MT處理可促進干旱脅迫下煙草根系的生長，提高根長、根表面積和根尖數，提高水分利用效率(WUE)，且對干旱敏感型的煙草效果更顯著。李冬等[16]在干旱脅迫下對煙草噴施MT，煙草光合碳同化酶活性顯著提高，可維持煙草內源激素和碳水化合物的正常代謝，提高煙草抗旱性。干旱條件下，添加外源鈣可以穩定葉肉細胞葉綠體、線粒體和內膜系統的結構和功能，減緩光合色素的降解，維持正常的光合作用[17]。丁丹陽等[18]發現干旱脅迫下噴施2,4-表油菜素內酯(EBR)對緩解煙草干旱脅迫也有非常顯著的效果，其作用機理與使用MT類似。李冬等[19]發現MT與EBR復配施用提高煙草抗旱性的效果明顯優于單獨使用MT或EBR。梁棟[20]發現外源α-萘乙酸(NAA)和EBR均能夠促進干旱脅迫下煙草側根的發育，保持根系構型的穩定。另外，外源施用SA、GB、氯化膽堿(CC)[21]、BABA[22-23]、茶氨酸(Thea)[24]、2,4-D、6-BA[25]、5-氨基乙酰丙酸(ALA)[26]、硫化氫(H2S)[27-28]、Pro[29]、NO[30-31]、Si[32]、海藻糖(TH)[33]、硒(Se)[34-35]、亞精胺(Spd)[36]、脫落酸(ABA)[37]等可提高煙草干旱脅迫下抗氧化酶活性，降低活性氧(ROS)產生速率和相對電導率，維護膜結構穩定，增加滲透調節物質積累量，降低失水率，提高光合速率，促進煙草根系生長，提高根系活力，加快養分吸收和利用速率，進而提高干旱脅迫下煙草的產量和品質，具有很好的效果。

1.2外源物質緩解煙草水澇脅迫

據統計，全世界約有16%的農業用地遭受水澇脅迫[38]，且由于降雨量分布不均，受洪澇災害的土地面積逐年遞增[39]。澇害導致煙草光合色素降解[40]，Gs下降，Ci降低，抑制煙草的光合作用和蒸騰作用[41]，淹水還導致煙草體內積累大量的ROS，損傷膜結構[42]，同時降低煙草根系活力，阻礙根部對鉀元素的吸收[41]，且煙田濕度過大還極易引發黑脛病等土傳病害[43]，嚴重威脅煙草的產量和品質。張永福等[40]研究發現，淹水脅迫下使用50mmol/L的SA和50mmol/L硝普鈉(SNP)處理，顯著提高了煙草的根冠比和根系活力，緩解光合色素的降解，提高抗氧化酶活性，減少ROS積累，維護膜結構的穩定性，還能增加滲透調節物質的積累，增強滲透調節能力。沈平等[44]通過使用二乙基二硫代氨基甲酸鈉(DDTC)、IAA和抗壞血酸(AsA)處理澇害脅迫下的‘云煙87’，發現3種物質均能促進澇害脅迫下煙草根系生長，并顯著提高了煙葉烤后外觀質量，葉面噴施18mmol/LDDTC的促進效果最為顯著。

2外源物質緩解煙草溫度脅迫

2.1外源物質緩解煙草高溫脅迫

溫度是調控煙草生長發育及品質形成的重要環境因素，高溫脅迫通過減小煙草氣孔導度抑制蒸騰和光合速率，進而抑制煙草干物質的積累[45]。高溫影響烤煙中酚類、煙堿等物質的代謝，降低煙草品質[46]。成熟期遭受高溫脅迫還容易造成“高溫逼熟”，導致煙葉還未成熟便出現黃斑、褐變，嚴重影響了煙葉的可用性[47]。已有文獻報道溫度高于35℃會導致煙草干物質消耗加劇，對煙葉產量和品質造成不利影響[48]。Ca2+是負責植物細胞信號轉導的第二信使，在植物應對逆境脅迫方面發揮重要作用[49]。前人研究通過葉面噴施CaCl2溶液有效緩解了高溫脅迫對煙草光合作用的抑制，提高了抗氧化酶活性，降低過氧化氫(H2O2)和膜脂過氧化產物丙二醛(MDA)的含量，提高了煙草耐熱性[50-51]。張艾改等[52]發現高溫強光脅迫下噴施0.5mmol/L葡萄糖顯著提高煙草的光合性能，維持碳氮代謝平衡，促進脅迫下煙株的生長。外源施加0.2mmol/LBABA通過誘導熱激蛋白基因NtHSP101的表達提高煙草抗高溫脅迫能力[53]。

2.2外源物質緩解煙草低溫脅迫

低溫脅迫是煙草移栽期常見的氣候災害，通過降低葉片中柵欄組織和海綿組織厚度導致煙草葉片厚度降低，破壞葉綠體超微結構，降低Pn、Gs、Ci和Tr[54]，低溫處理還會導致煙草葉面積減小，有效葉數量減少，干物質積累量降低[55]。王欣亞等[56]發現低溫脅迫下煙草體內抗氧化酶活性呈先升后降的趨勢，12℃處理10d不同耐寒性的煙草均會出現早花現象，不耐低溫的品種在低溫誘導下開花更早。低溫脅迫下，前人通過外源施加茉莉酸甲酯(MeJA)提高煙草幼苗光合色素的含量，提高抗氧化酶活性，加速抗壞血酸-谷胱甘肽循環(ASA-GSH)，降低ROS和MDA的積累量，增加可溶性糖(SS)和Pro的積累，提高脫落酸(ABA)和IAA含量，增強煙草抗寒性[57-58]，但MeJA處理還會導致煙草葉形指數增大，葉片狹長，降低煙葉的商品價值[59]。外源SA提高了低溫脅迫下煙草抗氧化酶活性，降低了MDA含量和相對電導率，降低細胞膜收到的氧化損傷，提高了SP、Pro、葉綠素、AsA和GSH的含量，幫助煙草抵御低溫脅迫[60-62]。李琦瑤等[63]研究發現，低溫脅迫下煙草葉形指數增大，外源施加500nmol/LNAA可有效緩解低溫對葉形指數的影響。BABA[23]、GB[64]、MT[65]、CaCl2[66]、EBR[67]、H2O2[67]等處理對緩解煙草低溫脅迫也有非常顯著的效果。

3外源物質緩解煙草鹽堿脅迫

世界上超過7%的陸地和20%的灌溉土地為鹽堿地，據估計，到2050年受鹽堿影響的土地將超過50%[68]。低濃度(0.2%、0.4%)的鹽堿脅迫能夠促進‘K326’、‘紅花大金元’和‘云煙97’種子的萌發，高濃度(0.6%)鹽堿脅迫則顯著抑制了煙草種子的萌發，且各種濃度的鹽堿均抑制煙草幼苗的生長，降低煙草的干重和鮮重，鹽堿濃度越高抑制效果越顯著[69]。王美佳等[70]發現，鹽堿脅迫導致煙草葉綠素的降解，抗氧化酶活性先升高后降低，MDA含量提高，滲透調節物質含量先升高后降低，Na+含量升高，K+含量降低，造成離子毒害。同時，鹽脅迫還損傷煙草根系，導致煙草內源激素代謝紊亂[71]。乙酰膽堿(ACh)廣泛存在于動物、植物、微生物體內，在調控植物種子萌發、生長發育和抗逆性等方面發揮重要作用[72]。秦成等[73]研究發現葉面噴施和根施ACh均能提高鹽脅迫下煙草體內抗氧化酶活性，降低MDA含量，提高滲透調節物質含量，緩解植株失水，提高煙草葉片氣體交換速率和葉綠素含量，保證光合作用正常進行。ACh激活細胞壁生物合成相關和IAA、GA、SA、BR信號通路相關基因的表達[74]，減緩鹽脅迫下Na+內流和K+外流速率，降低了煙草的Na/K比值[75]，提高了煙草對鹽脅迫的耐受性。鹽脅迫下，BABA通過提高抗氧化酶活性，降低MDA含量和相對電導率，緩解高鹽脅迫對細胞膜造成的氧化損傷，提高ABA調控基因的表達，增強煙草耐鹽性[6]。堿脅迫下，BABA除了調控抗氧化系統、離子轉運和基因表達外，還能夠促進有機酸的合成，緩解高pH毒害[76]。另外，外源NAA、GA3、ABA[77]、MT[78]、麝香草酚(ST)[79]、SNP[9]等在煙草抵御鹽堿脅迫中發揮了重要作用。

4外源物質緩解煙草重金屬脅迫

隨著工業化的發展，國內受重金屬污染的土地已占總耕地面積的15.87%，成為亟待解決的難題[3]。重金屬脅迫導致煙草體內代謝紊亂，破壞細胞結構，抑制生長發育，降低煙草產量和品質[80]。煙草根系吸收的重金屬會轉移到地上部，吸煙過程中以氣溶膠或金屬氧化物的形式進入人體[81]。據報道，吸煙者血液中Cd的含量是不吸煙人的4~5倍，嚴重危害吸煙者身體健康[82]。Cd脅迫抑制植物的光合和呼吸作用，降低植物對水分和營養元素的吸收，破壞正常的代謝過程，還能誘導植物體內活性氧大量積累，使細胞膜受到氧化損傷[81]。前人使用BABA[83]、Si[84]、SA[4,85]、GB[8]、Se[85]和γ-谷氨酸(GABA)[86]等增加了Cd脅迫下煙草葉綠素含量，提高光合特性，提高抗氧化酶活性，降低氧化損傷，提高滲透調節物質含量和總酚含量，促進氮素吸收，同時還能調控Cd吸收轉運和解毒基因的表達，增加煙草根部Cd的積累，降低葉部積累。銅(Cu)是高等植物生長發育過程中必要的微量元素，參與植物許多重要的生理過程，但過量的Cu會對煙草產生毒害作用，造成氧化損傷，抑制煙草對營養元素的吸收、利用，破壞碳氮代謝，抑制煙草的生長，煙葉中過量的Cu積累嚴重威脅吸煙者的健康[86-87]。前人研究表明，外源SA可有效促進煙草對K、Ca、Mg、Fe、Mn等營養元素的吸收，提高葉綠素、葡萄糖等碳代謝相關物質含量和蔗糖磷酸合成酶(SPS)、蔗糖合成酶(SS)等碳代謝關鍵酶的活性，促進煙草的生長，降低煙草體內Cu的積累量[87-88]。朱奎正等[89]發現Cu脅迫下外源BABA處理提高了煙草抗氧化酶活性，降低H2O2和MDA的積累，調節煙草二價離子運輸相關基因NtNRAMP、NtYSL和NtPDR的表達，緩解Cu脅迫對煙草的危害。土壤中鉛(Pb)[90]、錳(Mn)[91]、鋅(Zn)[92]等元素過量也會對煙草產量和品質產生不利影響。李薈星等[7]發現外源Si可緩解Pb對煙草的毒害，并抑制Pb從地下部向地上部的轉移。陳錦芬等[93]發現外源GB和SA能夠降低Mn脅迫下煙草的相對電導率和MDA含量，減少煙葉中Mn的積累量。高Zn脅迫下，陸雪蓮等[94]使用BABA處理提高離子轉運蛋白相關基因NtMTP1A、NtMTP1B、NtC477等的表達，限制Zn向葉片的轉移，調控煙草的抗氧化酶系統，誘導煙草抵御高Zn脅迫。

5展望

近年來，越來越多的外源物質被發現在緩解煙草非生物脅迫方面發揮重要作用。但在應用過程中，要注意外源物質的施用濃度（表1），緩解同種脅迫時，不同物質發揮作用的濃度不同。例如在緩解煙草干旱脅迫時，BABA濃度為5mmol/L時作用效果明顯[22]，而MT濃度在0.2mmol/L時就能發揮顯著作用[15]。同種外源物質在緩解不同非生物脅迫時使用的濃度也存在差異，外源SA在緩解煙草低溫脅迫時最適濃度為1mmol/L[60]，而在緩解Cu脅迫時最佳使用濃度為300μmol/L[61]。更重要的是外源物質使用濃度高時促進作用會減弱[28]，濃度過高還可能對煙草造成毒害[4]，因此，在使用外源物質緩解煙草非生物脅迫時務必控制濃度。還要注意的是，部分外源物質雖然能夠緩解非生物脅迫的危害，但會誘導產生其他不利影響，如MeJA處理使煙草葉片狹長[59]，因此，在應用外源物質時也應考慮其可能產生的不利影響。隨著研究的深入，發現單一外源物質具有緩解煙草非生物脅迫的作用，但有時2種或多種外源物質復配效果更顯著。緩解煙草干旱脅迫時，外源MT與EBR復配使用效果明顯優于兩者單獨使用[19]；外源Si和SA復配對煙草Cd脅迫的緩解作用也要優于單獨使用Si和SA，這可能是由于不同外源物質激發抗非生物脅迫的通路不同，因此復配使用能夠激活更多的抗逆通路，作用效果更顯著，在今后的研究和應用中可以更多考慮將外源物質進行復配。另外，有必要深入了解外源物質提高煙草非生物脅迫的分子機理，國際上對于具體分子機理的研究從未間斷，但仍有很多探索空間。近年來，國內外均將目光投向納米材料，并普遍認為納米材料對于緩解非生物脅迫有著顯著作用，今后納米材料必將成為重要的研究對象。同時，現代方法的出現為促進研究提供了必要的工具，例如新生物技術。今后的研究務必要與基因組、轉錄組、蛋白質組和代謝組學水平的分子研究相結合，更加細致地闡明外源物質在緩解煙草非生物脅迫方面發揮作用的重要分子機制，為合理利用外源物質保障煙葉的優質生產提供科學的指導。

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作者:宗兆齊 曹守濤 吳修哲 劉治國 張楠 陳秀齋 劉朋 楊明峰 單位:山東中煙工業有限責任公司 山東農業大學植物保護學院 國家煙草專賣局 山東臨沂煙草有限公司