外源物质提高烟草抗非生物的研究

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关键词：烟草；外源物质；非生物胁迫；水分；温度；盐碱；重金属

引言：近年来，由于工业发展和极端气候频发，受非生物胁迫的耕地面积逐年增大，2020年国内受水灾、旱灾、低温灾害影响的耕地面积分别为1106万、508.1万、105.2万hm2[1]。据联合国教科文组织和粮农组织不完全统计，国内盐碱地面积为9910万hm2[2]。中国耕地表层土壤受镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)等重金属污染的土地约2000万hm2，并呈逐年增长的趋势[3]，严重制约了农业的可持续发展。烟草是世界重要的经济作物。国家统计局数据显示，2019年国内烟草种植面积为102.7万hm2，产烟叶215.34万t[1]，烟草行业工商税利总额为12056亿元，上缴财政总额为11770亿元。但烟草在整个生育期都易受到非生物胁迫的危害，轻则抑制根和叶的生长，造成烟叶产量降低、品质下降，重则导致烟草死亡，烟田绝产。研究表明，外源水杨酸(SA)[4]、褪黑素(MT)[5]、β-氨基丁酸(BABA)[6]、硅(Si)[7]、甜菜碱(GB)[8]、一氧化氮(NO)[9]等物质处理能有效缓解干旱、低温、盐碱、重金属等非生物胁迫对烟草的损伤（表1），保障烟草的产量和品质。笔者综述利用外源物质提高烟草抗非生物胁迫的研究进展，包括其提高烟草抗各种非生物胁迫的效果、作用机理及未来研究的展望，旨在为合理利用外源物质提高烟草抗逆能力提供参考。

1外源物质缓解烟草水分胁迫

1.1外源物质缓解烟草干旱胁迫

由于全球气候变化，干旱成为世界范围内威胁植物生存和作物生产力的主要环境胁迫[10]。干旱胁迫抑制烟草根系生长，降低根系活力[11]，降低叶片光合速率[12]，导致烟草细胞程序性死亡[13]。前人研究表明，干旱胁迫下叶面喷施100μmol/LMT能够增加烟草叶片中叶绿素含量，提高气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)，降低胞间二氧化碳浓度(Ci)，进而提高净光合速率(Pn)。增加超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)的活性，进而减少超氧阴离子(O2-·)和丙二醛(MDA)的积累量，增加可溶性蛋白(SP)和脯氨酸(Pro)等渗透调节物质的积累，降低失水速率[14]。刘领等[15]研究发现，外源MT处理可促进干旱胁迫下烟草根系的生长，提高根长、根表面积和根尖数，提高水分利用效率(WUE)，且对干旱敏感型的烟草效果更显著。李冬等[16]在干旱胁迫下对烟草喷施MT，烟草光合碳同化酶活性显著提高，可维持烟草内源激素和碳水化合物的正常代谢，提高烟草抗旱性。干旱条件下，添加外源钙可以稳定叶肉细胞叶绿体、线粒体和内膜系统的结构和功能，减缓光合色素的降解，维持正常的光合作用[17]。丁丹阳等[18]发现干旱胁迫下喷施2,4-表油菜素内酯(EBR)对缓解烟草干旱胁迫也有非常显著的效果，其作用机理与使用MT类似。李冬等[19]发现MT与EBR复配施用提高烟草抗旱性的效果明显优于单独使用MT或EBR。梁栋[20]发现外源α-萘乙酸(NAA)和EBR均能够促进干旱胁迫下烟草侧根的发育，保持根系构型的稳定。另外，外源施用SA、GB、氯化胆碱(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]、硫化氢(H2S)[27-28]、Pro[29]、NO[30-31]、Si[32]、海藻糖(TH)[33]、硒(Se)[34-35]、亚精胺(Spd)[36]、脱落酸(ABA)[37]等可提高烟草干旱胁迫下抗氧化酶活性，降低活性氧(ROS)产生速率和相对电导率，维护膜结构稳定，增加渗透调节物质积累量，降低失水率，提高光合速率，促进烟草根系生长，提高根系活力，加快养分吸收和利用速率，进而提高干旱胁迫下烟草的产量和品质，具有很好的效果。

1.2外源物质缓解烟草水涝胁迫

据统计，全世界约有16%的农业用地遭受水涝胁迫[38]，且由于降雨量分布不均，受洪涝灾害的土地面积逐年递增[39]。涝害导致烟草光合色素降解[40]，Gs下降，Ci降低，抑制烟草的光合作用和蒸腾作用[41]，淹水还导致烟草体内积累大量的ROS，损伤膜结构[42]，同时降低烟草根系活力，阻碍根部对钾元素的吸收[41]，且烟田湿度过大还极易引发黑胫病等土传病害[43]，严重威胁烟草的产量和品质。张永福等[40]研究发现，淹水胁迫下使用50mmol/L的SA和50mmol/L硝普钠(SNP)处理，显著提高了烟草的根冠比和根系活力，缓解光合色素的降解，提高抗氧化酶活性，减少ROS积累，维护膜结构的稳定性，还能增加渗透调节物质的积累，增强渗透调节能力。沈平等[44]通过使用二乙基二硫代氨基甲酸钠(DDTC)、IAA和抗坏血酸(AsA)处理涝害胁迫下的‘云烟87’，发现3种物质均能促进涝害胁迫下烟草根系生长，并显著提高了烟叶烤后外观质量，叶面喷施18mmol/LDDTC的促进效果最为显著。

2外源物质缓解烟草温度胁迫

2.1外源物质缓解烟草高温胁迫

温度是调控烟草生长发育及品质形成的重要环境因素，高温胁迫通过减小烟草气孔导度抑制蒸腾和光合速率，进而抑制烟草干物质的积累[45]。高温影响烤烟中酚类、烟碱等物质的代谢，降低烟草品质[46]。成熟期遭受高温胁迫还容易造成“高温逼熟”，导致烟叶还未成熟便出现黄斑、褐变，严重影响了烟叶的可用性[47]。已有文献报道温度高于35℃会导致烟草干物质消耗加剧，对烟叶产量和品质造成不利影响[48]。Ca2+是负责植物细胞信号转导的第二信使，在植物应对逆境胁迫方面发挥重要作用[49]。前人研究通过叶面喷施CaCl2溶液有效缓解了高温胁迫对烟草光合作用的抑制，提高了抗氧化酶活性，降低过氧化氢(H2O2)和膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)的含量，提高了烟草耐热性[50-51]。张艾改等[52]发现高温强光胁迫下喷施0.5mmol/L葡萄糖显著提高烟草的光合性能，维持碳氮代谢平衡，促进胁迫下烟株的生长。外源施加0.2mmol/LBABA通过诱导热激蛋白基因NtHSP101的表达提高烟草抗高温胁迫能力[53]。

2.2外源物质缓解烟草低温胁迫

低温胁迫是烟草移栽期常见的气候灾害，通过降低叶片中栅栏组织和海绵组织厚度导致烟草叶片厚度降低，破坏叶绿体超微结构，降低Pn、Gs、Ci和Tr[54]，低温处理还会导致烟草叶面积减小，有效叶数量减少，干物质积累量降低[55]。王欣亚等[56]发现低温胁迫下烟草体内抗氧化酶活性呈先升后降的趋势，12℃处理10d不同耐寒性的烟草均会出现早花现象，不耐低温的品种在低温诱导下开花更早。低温胁迫下，前人通过外源施加茉莉酸甲酯(MeJA)提高烟草幼苗光合色素的含量，提高抗氧化酶活性，加速抗坏血酸-谷胱甘肽循环(ASA-GSH)，降低ROS和MDA的积累量，增加可溶性糖(SS)和Pro的积累，提高脱落酸(ABA)和IAA含量，增强烟草抗寒性[57-58]，但MeJA处理还会导致烟草叶形指数增大，叶片狭长，降低烟叶的商品价值[59]。外源SA提高了低温胁迫下烟草抗氧化酶活性，降低了MDA含量和相对电导率，降低细胞膜收到的氧化损伤，提高了SP、Pro、叶绿素、AsA和GSH的含量，帮助烟草抵御低温胁迫[60-62]。李琦瑶等[63]研究发现，低温胁迫下烟草叶形指数增大，外源施加500nmol/LNAA可有效缓解低温对叶形指数的影响。BABA[23]、GB[64]、MT[65]、CaCl2[66]、EBR[67]、H2O2[67]等处理对缓解烟草低温胁迫也有非常显著的效果。

3外源物质缓解烟草盐碱胁迫

世界上超过7%的陆地和20%的灌溉土地为盐碱地，据估计，到2050年受盐碱影响的土地将超过50%[68]。低浓度(0.2%、0.4%)的盐碱胁迫能够促进‘K326’、‘红花大金元’和‘云烟97’种子的萌发，高浓度(0.6%)盐碱胁迫则显著抑制了烟草种子的萌发，且各种浓度的盐碱均抑制烟草幼苗的生长，降低烟草的干重和鲜重，盐碱浓度越高抑制效果越显著[69]。王美佳等[70]发现，盐碱胁迫导致烟草叶绿素的降解，抗氧化酶活性先升高后降低，MDA含量提高，渗透调节物质含量先升高后降低，Na+含量升高，K+含量降低，造成离子毒害。同时，盐胁迫还损伤烟草根系，导致烟草内源激素代谢紊乱[71]。乙酰胆碱(ACh)广泛存在于动物、植物、微生物体内，在调控植物种子萌发、生长发育和抗逆性等方面发挥重要作用[72]。秦成等[73]研究发现叶面喷施和根施ACh均能提高盐胁迫下烟草体内抗氧化酶活性，降低MDA含量，提高渗透调节物质含量，缓解植株失水，提高烟草叶片气体交换速率和叶绿素含量，保证光合作用正常进行。ACh激活细胞壁生物合成相关和IAA、GA、SA、BR信号通路相关基因的表达[74]，减缓盐胁迫下Na+内流和K+外流速率，降低了烟草的Na/K比值[75]，提高了烟草对盐胁迫的耐受性。盐胁迫下，BABA通过提高抗氧化酶活性，降低MDA含量和相对电导率，缓解高盐胁迫对细胞膜造成的氧化损伤，提高ABA调控基因的表达，增强烟草耐盐性[6]。碱胁迫下，BABA除了调控抗氧化系统、离子转运和基因表达外，还能够促进有机酸的合成，缓解高pH毒害[76]。另外，外源NAA、GA3、ABA[77]、MT[78]、麝香草酚(ST)[79]、SNP[9]等在烟草抵御盐碱胁迫中发挥了重要作用。

4外源物质缓解烟草重金属胁迫

随着工业化的发展，国内受重金属污染的土地已占总耕地面积的15.87%，成为亟待解决的难题[3]。重金属胁迫导致烟草体内代谢紊乱，破坏细胞结构，抑制生长发育，降低烟草产量和品质[80]。烟草根系吸收的重金属会转移到地上部，吸烟过程中以气溶胶或金属氧化物的形式进入人体[81]。据报道，吸烟者血液中Cd的含量是不吸烟人的4~5倍，严重危害吸烟者身体健康[82]。Cd胁迫抑制植物的光合和呼吸作用，降低植物对水分和营养元素的吸收，破坏正常的代谢过程，还能诱导植物体内活性氧大量积累，使细胞膜受到氧化损伤[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胁迫下烟草叶绿素含量，提高光合特性，提高抗氧化酶活性，降低氧化损伤，提高渗透调节物质含量和总酚含量，促进氮素吸收，同时还能调控Cd吸收转运和解毒基因的表达，增加烟草根部Cd的积累，降低叶部积累。铜(Cu)是高等植物生长发育过程中必要的微量元素，参与植物许多重要的生理过程，但过量的Cu会对烟草产生毒害作用，造成氧化损伤，抑制烟草对营养元素的吸收、利用，破坏碳氮代谢，抑制烟草的生长，烟叶中过量的Cu积累严重威胁吸烟者的健康[86-87]。前人研究表明，外源SA可有效促进烟草对K、Ca、Mg、Fe、Mn等营养元素的吸收，提高叶绿素、葡萄糖等碳代谢相关物质含量和蔗糖磷酸合成酶(SPS)、蔗糖合成酶(SS)等碳代谢关键酶的活性，促进烟草的生长，降低烟草体内Cu的积累量[87-88]。朱奎正等[89]发现Cu胁迫下外源BABA处理提高了烟草抗氧化酶活性，降低H2O2和MDA的积累，调节烟草二价离子运输相关基因NtNRAMP、NtYSL和NtPDR的表达，缓解Cu胁迫对烟草的危害。土壤中铅(Pb)[90]、锰(Mn)[91]、锌(Zn)[92]等元素过量也会对烟草产量和品质产生不利影响。李荟星等[7]发现外源Si可缓解Pb对烟草的毒害，并抑制Pb从地下部向地上部的转移。陈锦芬等[93]发现外源GB和SA能够降低Mn胁迫下烟草的相对电导率和MDA含量，减少烟叶中Mn的积累量。高Zn胁迫下，陆雪莲等[94]使用BABA处理提高离子转运蛋白相关基因NtMTP1A、NtMTP1B、NtC477等的表达，限制Zn向叶片的转移，调控烟草的抗氧化酶系统，诱导烟草抵御高Zn胁迫。

5展望

近年来，越来越多的外源物质被发现在缓解烟草非生物胁迫方面发挥重要作用。但在应用过程中，要注意外源物质的施用浓度（表1），缓解同种胁迫时，不同物质发挥作用的浓度不同。例如在缓解烟草干旱胁迫时，BABA浓度为5mmol/L时作用效果明显[22]，而MT浓度在0.2mmol/L时就能发挥显著作用[15]。同种外源物质在缓解不同非生物胁迫时使用的浓度也存在差异，外源SA在缓解烟草低温胁迫时最适浓度为1mmol/L[60]，而在缓解Cu胁迫时最佳使用浓度为300μmol/L[61]。更重要的是外源物质使用浓度高时促进作用会减弱[28]，浓度过高还可能对烟草造成毒害[4]，因此，在使用外源物质缓解烟草非生物胁迫时务必控制浓度。还要注意的是，部分外源物质虽然能够缓解非生物胁迫的危害，但会诱导产生其他不利影响，如MeJA处理使烟草叶片狭长[59]，因此，在应用外源物质时也应考虑其可能产生的不利影响。随着研究的深入，发现单一外源物质具有缓解烟草非生物胁迫的作用，但有时2种或多种外源物质复配效果更显著。缓解烟草干旱胁迫时，外源MT与EBR复配使用效果明显优于两者单独使用[19]；外源Si和SA复配对烟草Cd胁迫的缓解作用也要优于单独使用Si和SA，这可能是由于不同外源物质激发抗非生物胁迫的通路不同，因此复配使用能够激活更多的抗逆通路，作用效果更显著，在今后的研究和应用中可以更多考虑将外源物质进行复配。另外，有必要深入了解外源物质提高烟草非生物胁迫的分子机理，国际上对于具体分子机理的研究从未间断，但仍有很多探索空间。近年来，国内外均将目光投向纳米材料，并普遍认为纳米材料对于缓解非生物胁迫有着显著作用，今后纳米材料必将成为重要的研究对象。同时，现代方法的出现为促进研究提供了必要的工具，例如新生物技术。今后的研究务必要与基因组、转录组、蛋白质组和代谢组学水平的分子研究相结合，更加细致地阐明外源物质在缓解烟草非生物胁迫方面发挥作用的重要分子机制，为合理利用外源物质保障烟叶的优质生产提供科学的指导。

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作者:宗兆齐 曹守涛 吴修哲 刘治国 张楠 陈秀斋 刘朋 杨明峰 单位:山东中烟工业有限责任公司 山东农业大学植物保护学院 国家烟草专卖局 山东临沂烟草有限公司