楊勝男,張洪映,連文力,牛德新,崔紅
河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院/國家煙草栽培生理生化基地,河南鄭州 450002
復(fù)合有機(jī)肥對烤煙淀粉生物合成的影響
楊勝男,張洪映,連文力,牛德新,崔紅
河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院/國家煙草栽培生理生化基地,河南鄭州 450002
為探討復(fù)合有機(jī)肥(生物炭占30%,草炭占70%)對烤煙煙葉淀粉合成代謝途徑的影響,采用田間試驗方法,比較不同施用量下烤煙云煙87葉片超微結(jié)構(gòu)差異、淀粉積累規(guī)律以及淀粉合成關(guān)鍵酶基因的表達(dá)規(guī)律。結(jié)果表明:添加復(fù)合有機(jī)肥有利于葉片細(xì)胞中淀粉粒的積累,隨著施用量的增加,淀粉粒數(shù)目增多、體積變大;總淀粉和支鏈淀粉含量相應(yīng)增加,直鏈淀粉含量反而減少,淀粉組分顯著改變;淀粉合成關(guān)鍵酶基因的表達(dá)變化與淀粉含量變化一致,顆粒結(jié)合型淀粉合成酶基因(GBSS1)的表達(dá)隨復(fù)合有機(jī)肥的施用量增加而減弱,可溶性淀粉合成酶基因(SS1)的表達(dá)隨復(fù)合有機(jī)肥的施用量增加而增強(qiáng)。由此可見復(fù)合有機(jī)肥可增加淀粉的積累并改變淀粉組分。
烤煙;有機(jī)肥;淀粉;淀粉粒超微結(jié)構(gòu);生物炭和草炭
煙草中淀粉的積累、轉(zhuǎn)化和分解決定著煙葉內(nèi)在品質(zhì)和外觀商品等級的優(yōu)劣,煙葉生產(chǎn)中要求葉片在生長發(fā)育過程中積累一定量的淀粉,烘烤過程中又要求淀粉盡可能地降解為游離糖類,最終使煙葉化學(xué)成分協(xié)調(diào),品質(zhì)提高[1-4]。張松濤等[5]研究發(fā)現(xiàn),云南煙葉中GBSS1基因的轉(zhuǎn)錄水平和淀粉合成酶活性顯著高于河南,但兩者成熟煙葉中淀粉含量無顯著差異,烤后樣品中淀粉含量卻差異顯著,推測是由于河南與云南煙葉淀粉組分存在差異。烘烤過程中,淀粉在淀粉分解酶的作用下迅速降解,結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)如淀粉顆粒形貌、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、黏度等發(fā)生變化,更重要的是淀粉酶的分解作用在不同淀粉體結(jié)構(gòu)之間存在差異[6,7]。因此,淀粉的分子結(jié)構(gòu)和分支特性不同,直鏈淀粉與支鏈淀粉比例不同會影響烤后煙葉淀粉含量,甚至是煙葉的質(zhì)量和風(fēng)格特色。目前有關(guān)煙草淀粉的研究主要集中于烘烤過程中總淀粉的含量變化和淀粉分解酶活性強(qiáng)弱[8,9],忽視淀粉合成酶活性的變化以及淀粉組分的差異。
淀粉含量高作為難以解決的質(zhì)量問題[10-12],一方面與煙葉成熟度和烘烤技術(shù)等有關(guān),另一方面與煙葉生長發(fā)育過程中直鏈、支鏈淀粉的積累及其比值有關(guān)。研究表明,遺傳因素、生態(tài)條件、農(nóng)藝措施、調(diào)制技術(shù)及陳化發(fā)酵都會影響葉片中淀粉含量[13]。土壤質(zhì)地疏松,所栽培的煙葉糖分含量都較高[14];施肥量以及氮肥形態(tài)通過影響煙葉中酶的活性來影響碳氮代謝,進(jìn)而影響碳的固定、轉(zhuǎn)化和積累,煙草生產(chǎn)施肥中要增加一定比例的有機(jī)氮源才能獲得優(yōu)質(zhì)煙葉[15]。同時,淀粉組分配比不同會導(dǎo)致淀粉粒的大小、結(jié)構(gòu)和分解性能等的差異,而且淀粉的水解及酶解程度與直鏈淀粉的含量成反比,直鏈淀粉含量高的淀粉具抗酶解性[16,17]。因此,相對于總淀粉含量,直鏈淀粉與支鏈淀粉的含量比重及其比值對品質(zhì)影響的研究更有意義。
施用生物炭可以提高土壤的陽離子交換量,降低土壤容重,增加通氣性和土壤持水量,提高肥料養(yǎng)分利用率,促進(jìn)植物根系生長[18-20]。草炭是富含有機(jī)質(zhì)和腐殖酸的有機(jī)肥料,其施入土壤后表現(xiàn)為前期持水保肥力強(qiáng),后期礦化能力強(qiáng)[21-23]。改變土壤的供肥規(guī)律可能會改變直鏈淀粉的代謝規(guī)律,控釋氮肥對稻米品質(zhì)影響的研究發(fā)現(xiàn),施肥處理明顯降低了稻米的直鏈淀粉含量[24];鄭澤榮[25]研究發(fā)現(xiàn),與單施化肥相比,有機(jī)肥與化肥混施可以提高小麥淀粉的支/直比例,從而實現(xiàn)對淀粉品質(zhì)的調(diào)控。目前有關(guān)生物炭或草炭對煙草影響的報道多集中于煙葉干物質(zhì)積累、經(jīng)濟(jì)性狀和品質(zhì)變化,鮮少從分子水平來評價其對煙草內(nèi)在發(fā)育的影響;本研究以淀粉合成代謝為出發(fā)點,采集不同生物炭和草炭用量下的中部煙葉,對其進(jìn)行淀粉粒超微結(jié)構(gòu)觀察、淀粉組分測定和淀粉合成途徑相關(guān)基因表達(dá)水平分析,以期為合理使用有機(jī)肥料提供理論依據(jù)。
供試烤煙品種為云煙87。
大田試驗于2014年3月至9月在河南南陽金葉園-濃香型特色優(yōu)質(zhì)煙葉開發(fā)項目產(chǎn)區(qū)進(jìn)行,土壤質(zhì)地為黃壤土,肥力均勻適中,pH為7.42,土壤有機(jī)質(zhì)含量11.42 g/kg,堿解氮含量57.40 mg/kg,速效磷含量20.12 mg/kg,速效鉀含量121.18 mg/kg。供試有機(jī)肥由生物炭和草炭組成,其中生物炭為花生殼炭,在400℃無氧條件下熱解制成,容重為0.46 g/cm3,氮磷鉀含量可忽略。草炭有機(jī)質(zhì)含量59.4%,腐殖酸含量31.5%,全氮1.1%,全磷0.26%,全鉀0.17%,容重0.24 g/cm3,產(chǎn)地東北,由河南艾農(nóng)生物科技有限公司生產(chǎn)。試驗前按照生物炭占30%,草炭占70%的比例混合均勻備用。
試驗設(shè)置三個處理,對照CK依照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)進(jìn)行管理;處理1在對照的基礎(chǔ)上施用有機(jī)肥3000 kg/hm2(記作T1);處理2在對照的基礎(chǔ)上施用有機(jī)肥9000 kg/hm2(記作T2),移栽前條施施入土壤,各處理面積200 m2,重復(fù)三次。各項管理措施與當(dāng)?shù)刈顑?yōu)措施保持一致。
本試驗取樣在打頂后進(jìn)行,打頂前所有煙株統(tǒng)一打掉3片腳葉,留葉數(shù)保證為22片。采集中部葉(10~12葉位),第次取樣三個處理間葉位一致,第次取樣過后標(biāo)記,已取樣的煙株不再取樣。打頂當(dāng)天即移栽后60 d取第一次樣品,此時煙葉處于旺長生長后期;隨后第隔8 d取一次樣品,試驗過程中共取樣5次,最后一次取樣為打頂后32 d即移栽后92 d,此時煙葉達(dá)到成熟采收期。各處理選擇9株長勢一致的煙株,第株取1片煙葉,第3片混合均勻,作為一次重復(fù),煙葉迅速置于液氮中,于-80℃凍存,用于基因表達(dá)研究和淀粉含量測定。
煙葉組織樣取樣部位統(tǒng)一為從葉基部數(shù)第七和第八支脈之間,在葉片右側(cè)距離主脈3~5 cm處切取1 mm×3 mm葉肉組織,采用5%的戊二醛溶液進(jìn)行固定,于4℃冰箱內(nèi)保存。采用透射電鏡觀察淀粉粒超微結(jié)構(gòu)[26]。
采用高氯酸超聲萃?。B續(xù)流動法測定總淀粉含量[27]。直鏈淀粉和支鏈淀粉含量測定采用雙波比色法[28]。
采用Trizol法提取煙葉總RNA,樣品通過隨機(jī)引物法反轉(zhuǎn)錄合成cDNA。根據(jù)Genbank發(fā)布的ADPG焦磷酸化酶基因(AGPase)、可溶性淀粉合成酶基因(SS1)、顆粒結(jié)合型淀粉合成酶基因(GBSS1)、淀粉分支酶基因(SBE)和淀粉去分支酶基因(DBE)的序列設(shè)計各基因擴(kuò)增引物[29],進(jìn)行基因表達(dá)的半定量PCR檢測。以煙草核糖體蛋白編碼基因L25[30]作為內(nèi)參基因,引物由蘇州金唯智生物科技公司合成。
表1 PCR擴(kuò)增基因及引物序列Tab. 1 Genbank accession number and primer sequence
PCR體系:cDNA為1 μL,上游引物和下游引物(5 μM)均為0.4 μL,2×Taqmix(上海萊楓生物科技)為10 μL,diH2O為8.2 μL。反應(yīng)程序:94℃預(yù)變性5 min,94℃變性30 s,退火溫度為50℃,時間30s,72℃延伸30 s;30個循環(huán);72℃延伸10 min,4℃保存。
試驗數(shù)據(jù)采用DPS 7.05統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,由新復(fù)極差法分析均值差異的顯著性, 顯著性水平P<0 .05,以a、b、c表示其差異性,數(shù)字后不含有相同字母表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義;采用Excel 2013軟件繪圖制表。
在煙葉成熟過程中,對同一部位、不同時期的葉片取樣,進(jìn)行超微觀察,比較葉綠體中淀粉粒的積累規(guī)律。結(jié)果如圖1所示。
圖1 煙葉成熟期的淀粉粒超微結(jié)構(gòu)比較(×1000)Fig. 1 Ultrastructure of starch granule of tobacco leaves at maturing stage(×1000)
隨著煙葉成熟期的推進(jìn),柵欄組織葉綠體中的淀粉粒積累呈現(xiàn)規(guī)律性的變化;各處理淀粉粒數(shù)目增多、體積增大,到成熟后期淀粉粒降解,分散于細(xì)胞內(nèi)(圖1)。具體來看,打頂當(dāng)天及打頂后8 d,葉片仍處于快速生長時期,煙葉中的葉綠體層結(jié)構(gòu)清晰,已有1~4個被膜清晰、大小不同的淀粉粒,但淀粉粒體積較小、含量較少,各處理差異不大。打頂后16 d內(nèi),各處理淀粉粒體積急劇增加,數(shù)量增多;T2處理的淀粉粒體積最大,次之為T1。打頂后24 d,葉綠體類囊體開始腫脹,淀粉粒大多發(fā)育充盈,T1和T2的淀粉粒體積明顯大于對照。打頂后32 d,各處理的葉綠體類囊體片層結(jié)構(gòu)清晰程度下降;T2的淀粉粒游離到細(xì)胞內(nèi)部,降解程度最強(qiáng)。對比三個處理的淀粉超微結(jié)構(gòu)及含量發(fā)現(xiàn),施用生物炭和草炭的中部葉片各發(fā)育時期淀粉粒積累水平高于對照,均在打頂后24 d達(dá)到最大值。
對不同有機(jī)肥施用量下煙葉發(fā)育過程中樣品的淀粉總含量、直鏈淀粉和支鏈淀粉進(jìn)行測定,結(jié)果見圖2~4。
圖2 不同施肥水平下各時期煙葉中總淀粉含量Fig. 2 The total starch content in tobacco leaves under different application rates of organic mixed fertilizer
圖3 不同施肥水平下各時期煙葉中支鏈淀粉含量Fig. 3 The amylopectin content in tobacco leaves under different application rates of organic mixed fertilizer
圖4 不同施肥水平下各時期煙葉中直鏈淀粉含量Fig. 4 The amylose content in tobacco leaves under different application rates of organic mixed fertilizer
表2 直鏈淀粉占總淀粉含量的比例Tab. 2 The proportion of the amylose to the total starch content %
成熟期煙葉淀粉含量的測定結(jié)果發(fā)現(xiàn):煙葉成熟期淀粉總量逐漸增加,在打頂后24 d達(dá)到最高值,此時煙株處于生理成熟期,隨后淀粉降解,含量降低;支鏈淀粉變化趨勢與總淀粉一致,與直鏈淀粉相比提前達(dá)到最大值,隨后降解幅度較大;直鏈淀粉同樣在打頂后24 d達(dá)到最大值,但達(dá)到最大值后含量變化較小。
施用復(fù)合有機(jī)肥后淀粉總量較對照明顯升高,其中,T1處理和T2處理的支鏈淀粉含量較對照明顯提高,T2的直鏈淀粉含量較T1處理和對照明顯降低,支鏈淀粉含量自打頂開始發(fā)生較大變化,直鏈淀粉含量自打頂后8 d開始較大幅度上升;總體來看,打頂后8 d至24 d是各處理間淀粉含量發(fā)生變化的關(guān)鍵時期。由表2可知,T2處理下直鏈淀粉所占比例明顯小于對照,T1處理與其相差不大。施用復(fù)合有機(jī)肥造成直鏈淀粉降低,支鏈淀粉明顯上升,由此可見,施用復(fù)合有機(jī)肥可使淀粉組分明顯改變且使淀粉的支鏈/直鏈比值變大。
為探明不同處理對成熟期煙葉淀粉合成途徑中關(guān)鍵基因的影響,通過半定量RT-PCR對ADPG焦磷酸化酶基因(AGPase)、結(jié)合型淀粉合成酶基因(GBSS1)、淀粉合成酶基因(SS1)、淀粉分支酶基因(SBE)和淀粉去分支酶基因(DBE)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄水平分析。
由圖5可知,AGPase在各處理中成熟期煙葉中的表達(dá)量無明顯變化;GBSS1的表達(dá)量隨著施肥量的增加逐漸減弱,在同一處理條件下各生育期差異不大;SS1在煙葉成熟期的表達(dá)量呈下降趨勢,但在T2處理條件下表達(dá)量要明顯強(qiáng)于對照和T1處理;SBE和DBE的表達(dá)量變化趨勢相同:在對照的成熟期煙葉中的表達(dá)量無明顯變化,增施有機(jī)肥后表達(dá)量呈由弱變強(qiáng)趨勢,總體弱于對照的表達(dá)量。
圖5 不同施用量下淀粉合成關(guān)鍵基因的半定量RT-PCR分析Fig. 5 Expression level of starch biosynthesis-related genes under different application rates of organic mixed fertilizer
土壤是優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)和環(huán)境條件,優(yōu)質(zhì)的土壤是優(yōu)質(zhì)煙生產(chǎn)的必要前提。碳代謝相關(guān)基因和酶活性對土壤條件極其敏感[31,32],可利用改善土壤營養(yǎng)和物理條件對其進(jìn)行有效調(diào)控,進(jìn)而提高煙葉品質(zhì)。本試驗設(shè)計生物炭和草炭,相互配合,共同調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分供應(yīng),為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉打下良好的生理基礎(chǔ)。本試驗結(jié)果表明,與對照相比,增施生物炭和草炭有利于淀粉在煙葉生理成熟前積累和成熟后分解,各時期的電鏡觀察結(jié)果與此保持一致。隨著細(xì)胞中淀粉粒體積增大,數(shù)量增多,所測得的淀粉含量亦增加,生長后期淀粉粒逐漸降解分散,所測得的淀粉含量相應(yīng)減少。目前的研究表明,生物炭和草炭均可顯著改良土壤,主要表現(xiàn)為增加土壤中有機(jī)質(zhì)的含量,降低土壤容重,提高土壤孔隙度,從而對煙株的根系發(fā)育起著極大的促進(jìn)作用。草炭和生物炭還有一定的區(qū)別:草炭本身的肥效釋放緩慢,在煙株生育后期有機(jī)質(zhì)礦化能力強(qiáng),釋放出較多的無機(jī)氮素,土壤供氮能力增強(qiáng)[33];施用生物炭可提高土壤C/N比,降低土壤堿解氮的含量,限制土壤氮素的利用度[34]。試驗中T2處理淀粉含量前期少后期急劇增加就可能與草炭和生物炭致使土壤供肥能力增加,肥效釋放緩慢有關(guān)。
在施用量上,本試驗中,增施生物炭和草炭明顯提高打頂前期煙葉中淀粉含量,同時后期又有利于淀粉的降解,尤以T2處理施用9000 kg/hm2生物炭和草炭混合肥效果更好,這與前人的研究結(jié)果表現(xiàn)一致。王樹會等[35]利用盆栽試驗研究,發(fā)現(xiàn)第株煙施用草炭量達(dá)到1~2 kg時,煙葉的產(chǎn)量有大幅提高,但對煙葉的品質(zhì)無影響,同時尚未有報道關(guān)于草炭用量對植物生長不利。劉新源等[36]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),施用1125 kg/hm2、1575 kg/hm2的生物炭,淀粉含量較對照增加,施用量增加至2025 kg/hm2、2475 kg/hm2時,淀粉含量反而降低。綜合來看,在一定的施用量范圍內(nèi),生物炭和草炭施用量越多,其保肥蓄水能力表現(xiàn)的越明顯,對淀粉的合成和降解影響越大,時間越持久;適宜的生物碳與草碳的配比和施用量應(yīng)與供試植煙土壤的質(zhì)地、容重、結(jié)構(gòu)和肥力水平等直接有關(guān),該方面尚待進(jìn)一步研究。
淀粉降解的內(nèi)部因素主要有淀粉粒的大小、形狀、組成及結(jié)構(gòu)等[37]。本試驗對煙葉中的淀粉組分進(jìn)行測定,比較三個處理的結(jié)果發(fā)現(xiàn),T2處理直鏈淀粉比例最小,降解幅度最大。煙草淀粉粒內(nèi)部具有結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū),直鏈淀粉、支鏈淀粉分子的側(cè)鏈都是直鏈,趨向平行排列,相鄰羥基間經(jīng)氫鍵結(jié)合成散射狀結(jié)晶性“束”構(gòu)即結(jié)晶區(qū),有一定強(qiáng)度,其余為無定形區(qū)[38]。研究表明,隨直鏈淀粉含量比重增加,淀粉顆粒內(nèi)部無定形區(qū)減小,結(jié)構(gòu)致密性增強(qiáng),更易通過氫鍵結(jié)合形成較為穩(wěn)固的晶格;一般認(rèn)為,淀粉的水解及酶解首先發(fā)生在支鏈淀粉所形成的無定形區(qū),結(jié)構(gòu)致密的晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致水解酶不易發(fā)生作用[16,17]。因此,增施有機(jī)肥降低直鏈淀粉含量比例,可能更有利成熟后期煙葉中淀粉的降解,進(jìn)而對烘烤過程淀粉的降解有一定的影響。
基因表達(dá)結(jié)果顯示AGPase基因的表達(dá)在各處理間差異不大,但增施生物炭和草炭后的GBSS1基因的RNA表達(dá)水平明顯低于對照,說明生長過程中直鏈淀粉的合成量降低,與所測得的直鏈淀粉積累量變化相一致。GBSS1作為顆粒結(jié)合型淀粉合成酶,緊密結(jié)合在淀粉粒上,通過α-1,4糖苷鍵將ADPG中的葡萄糖基加到葡萄糖鏈的非還原端,形成線性大分子,因此是直鏈淀粉合成途徑關(guān)鍵基因[39]。可溶性淀粉合成酶是一大類被廣泛研究的支鏈淀粉合成酶,它有多個同工型酶,SS1只是其中一種,具有調(diào)控支鏈淀粉短鏈合成的作用;SBE和DBE具有合成和分解淀粉的作用,并有兩種以上的同工型,因而關(guān)于支鏈淀粉的分支、延伸及共同作用的酶學(xué)機(jī)理更為復(fù)雜[40]。相關(guān)研究認(rèn)為支鏈淀粉合成是SBE和DBE平衡的結(jié)果[41],這也可能是本試驗中SBE和DBE的基因表達(dá)量變化趨勢相同的原因。
試驗通過對淀粉粒的超微結(jié)構(gòu)觀察以及淀粉總量及組分的測定表明施用復(fù)合有機(jī)肥有利于淀粉的合成,并造成直鏈淀粉比重降低,影響淀粉的降解性能;根據(jù)不同有機(jī)肥施用量對淀粉生物合成的影響,我們認(rèn)為在該試驗條件下,隨著復(fù)合有機(jī)肥用量的升高,更易獲得優(yōu)質(zhì)煙葉,至于最佳施用量則需進(jìn)一步設(shè)置梯度進(jìn)行試驗。但是本試驗重點關(guān)注煙葉成熟過程中的淀粉變化,未能采集不同處理的樣品進(jìn)行烘烤和調(diào)制,進(jìn)一步測定其淀粉含量及組分的變化。對于淀粉組分改變是否造成煙葉最終的品質(zhì)和質(zhì)量風(fēng)格特色變化尚需進(jìn)一步研究。
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Effect of compound organic fertilizer on starch biosynthesis in fl ue-cured tobacco leaves
YANG Shengnan, ZHANG Hongying, LIAN Wenli, NIU Dexin, CUI Hong
Key Laboratory of Tobacco Cultivation, College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China
E ff ect of compound organic fertilizer (biochar 30% and peat 70%) on starch biosynthesis in fl ue-cured tobacco was investigated through fi eld experiment. Characters such as ultrastructure of starch granule, starch accumulation in leaves were measured and the expression levels of starch biosynthesis-related genes were compared using tobacco variety Yunyan87. Results showed that applying compound organic fertilizer could markedly promote accumulation of starch granule in tobacco leaves. The number of starch granules increased and the volume became larger with the increase of application amount. Compound organic fertilizer could change starch components, i.e. total starch and amylopectin content increased, while amylose content decreased. Expression level of starch biosynthesis-related genes is in line with changes of starch content. The expression of granule bound starch synthase gene (GBSS1) weakened with increased application of compound organic fertilizer, while the expression of soluble starch synthase gene (SS1) enhanced. It was concluded that compound organic fertilizer can increase content of starch and change its composition.
fl ue-cured tobacco; compound organic fertilizer; starch; starch granule ultrastructure; biochar and peat
楊勝男,張洪映,連文力,等. 復(fù)合有機(jī)肥對烤煙淀粉生物合成的影響[J]. 中國煙草學(xué)報,2016,22(1)
中國煙草總公司特色優(yōu)質(zhì)煙葉開發(fā)重大專項(110200902045TS-01)
楊勝男(1991—),女,研究生,研究方向為煙草生物技術(shù),Email:yangshengnan91@126.com
崔 紅(1966—),教授,主要從事煙草生物技術(shù)研究,Email:cuihonger_13@163.com
2015-04-24
:YANG Shengnan, ZHANG Hongying, LIAN Wenli, et al. E ff ect of compound organic fertilizer on starch biosynthesis in fl ue-cured tobacco leaves[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2016, 22(1)