吡咯喹啉醌對(duì)植煙土壤和烤煙生長(zhǎng)的影響

李 震，羅 杰，張清壯 ，許石劍，羅富方，劉勝傳，宋莉丹，李 鑫

吡 咯 喹 啉 醌（pyrroloquinoline quinone），簡(jiǎn) 稱PQQ，是目前發(fā)現(xiàn)的第3 種氧化還原酶的新有機(jī)輔酶，PQQ 具有高度的水溶性和熱穩(wěn)定性，穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)和較高的氧化還原電勢(shì)使其成為迄今為止催化氧化還原反應(yīng)能力最強(qiáng)的生物活性分子。 PQQ 不僅可作為輔酶參與部分還原酶類(lèi)的催化作用，還可對(duì)植物和微生物的生長(zhǎng)發(fā)育有一定的促進(jìn)作用，且廣泛存在于植物、動(dòng)物及人體組織內(nèi)[1-5]。目前，關(guān)于PQQ 在作物生產(chǎn)上的應(yīng)用進(jìn)行了有關(guān)研究，劉衛(wèi)群等[6-7]研究發(fā)現(xiàn)，PQQ 能夠促進(jìn)煙草種子萌發(fā)，PQQ 噴灑煙草幼苗葉片并做灌根處理，能夠顯著提高煙草幼苗中吲哚乙酸、玉米素和玉米核苷的含量，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，調(diào)節(jié)代謝和增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)新陳代謝。ChoiO等[8]研究表明熒光假單胞菌 B16（野生型根桿菌可產(chǎn)生 PQQ）能夠明顯提高番茄的植株高度、開(kāi)花數(shù)、坐果數(shù)和總果重，而未產(chǎn)生 PQQ 的菌株均未促進(jìn)番茄的生長(zhǎng)。朱云集等[9]研究表明，在冬小麥的孕穗期對(duì)葉面噴施 PQQ，葉片中葉綠素含量明顯提高，而且增加了谷丙轉(zhuǎn)氨酶和硝酸還原酶活性，植株體內(nèi)的生理代謝得到有效調(diào)節(jié)，從而降低穗部小花敗育率，提高冬小麥結(jié)實(shí)率。焦子偉等[10]研究發(fā)現(xiàn)PQQ 可作為直接促生因子，參與HX2 菌株對(duì)增加玉米生物量，提高玉米營(yíng)養(yǎng)的攝入，促進(jìn)其根形態(tài)等方面起到關(guān)鍵調(diào)控作用。匡煒等[11]研究表明PQQ 能夠有效提高水稻的每穗實(shí)粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，對(duì)水稻增產(chǎn)有促進(jìn)作用。李鑫等[12]研究表明施用PQQ 可以顯著促進(jìn)辣椒的生長(zhǎng)，提高辣椒對(duì)水分脅迫的抗逆性。PQQ 是葡萄糖脫氫酶的輔酶，溶磷菌通過(guò)GDH-PQQ 全酶作用能溶解土壤無(wú)機(jī)或有機(jī)磷酸鹽，從而促進(jìn)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的攝入和植物生長(zhǎng)[13-14]。但有關(guān)PQQ 對(duì)烤煙經(jīng)濟(jì)性狀和土壤微生物的影響的研究報(bào)道較少，筆者在大田試驗(yàn)生產(chǎn)條件下，探討不同濃度PQQ 對(duì)植煙土壤理化性質(zhì)、土壤微生物數(shù)量、烤煙農(nóng)藝性狀、根系性狀及經(jīng)濟(jì)性狀的影響，以期為PQQ 在優(yōu)質(zhì)特色煙葉技術(shù)體系中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2019 年在興義市興仁縣雨樟鎮(zhèn)交樂(lè)村立山坪進(jìn)行，海拔1 560 m（N25°20'53"，E105°7'49"），屬中亞熱帶季風(fēng)氣候。供試品種為云煙97，烤煙品種由黔西南州煙草公司興義市分公司提供，吡咯喹啉醌（PQQ）由上海醫(yī)學(xué)生命科學(xué)研究中心有限公司提供。

土壤pH 值5.16，有機(jī)質(zhì)26.31 g/kg，全氮1.53 g/kg，堿解氮146.32 mg/kg，有效磷24.67 mg/kg，速效鉀526.32 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用田間小區(qū)試驗(yàn)，設(shè)置PQQ 濃度和施用方式2 個(gè)因素。施用方式采用噴施和灌根2 種處理，PQQ濃度設(shè)4 個(gè)水平，即處理T1、T2、T3、CK，4 個(gè)水平值分別為200 、500 、1 000、0 nmol/L，CK 為不施PQQ 的處理。各處理重復(fù)3 次，每個(gè)重復(fù)30 株，兩端為保護(hù)行，株行距0.6 m×1.1 m。葉片噴施和灌根分別在烤煙移栽期、團(tuán)棵期和旺長(zhǎng)期3 個(gè)時(shí)期，3 個(gè)時(shí)期總噴施量等同于灌根處理施用量。4 月21 日開(kāi)始移栽，其栽培管理措施均與當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)中的管理措施完全一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)和微生物數(shù)量測(cè)定在烤煙采收后，按五點(diǎn)取樣法，取樣位置在兩株煙之間，分別取≥1 kg 的土壤樣品7 個(gè)。土壤樣品在陰涼處自然開(kāi)袋晾干、剔除異物、研磨、過(guò)60 目篩后，送湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)檢測(cè)分析pH 值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀。土壤容重采用環(huán)刀法，土壤孔隙度采用容重-比重?fù)Q算法測(cè)定[17]。土壤微生物菌群數(shù)量測(cè)定采用固體平板混勻澆注培養(yǎng)計(jì)數(shù)法[18]。每個(gè)土樣重復(fù)3 次，不同種類(lèi)微生物的培養(yǎng)基分別是：細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、真菌采用馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基、放線菌采用高氏1 號(hào)培養(yǎng)基。

1.3.2 烤煙農(nóng)藝性狀、根系性狀及烤后煙葉指標(biāo)測(cè)定在打頂后測(cè)定煙株農(nóng)藝性狀，參照YC/T 142—2010標(biāo)準(zhǔn)[15]測(cè)定烤煙株高、莖圍、有效葉片、最大葉長(zhǎng)和最大葉寬等農(nóng)藝性狀指標(biāo)，最大葉面積=最大葉長(zhǎng)×最大葉寬×0.634 5，0.634 5 為烤煙葉面積指數(shù)。取各處理鮮根系，先用自來(lái)水沖洗干凈，再用蒸餾水漂洗，采用WinRHIZO 植物根系掃描系統(tǒng)（PSC 公司，加拿大）測(cè)定根系結(jié)構(gòu)然后用吸水紙吸干水分，采用氧化三苯基四氮唑（TTC）[16]進(jìn)行活力測(cè)定，根系生物量用去離子水將根系洗凈后吸水紙吸干在天平上測(cè)量，即為鮮重，75℃殺青30 min 后，105℃烘干至恒重并稱重，即為干重。

各處理煙葉單采單收，初烤后進(jìn)行計(jì)產(chǎn)計(jì)值，上等煙比例。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007 軟件進(jìn)行處理，采用SPSS 24.0 軟件進(jìn)行差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 PQQ 對(duì)土壤容重和孔隙度的影響

由圖1 可知，相同濃度條件灌根PQQ 處理的土壤容重低于噴施PQQ 處理，噴施和灌根PQQ 處理土壤容重均低于CK，土壤容重隨PQQ 濃度的增加整體呈先降后升的趨勢(shì)。其中，以噴施T2 處理、灌根T1處理的土壤容重最低，但與其他處理差異不顯著。

圖1 各處理土壤容重分析

由圖2 可知，相同PQQ 濃度條件噴施PQQ 處理的土壤孔隙度低于灌根PQQ 處理，隨著PQQ 濃度的增加，土壤孔隙度整體呈上升趨勢(shì)，總體無(wú)顯著性差異。其中，噴施條件下以T2 的孔隙度最大，灌根條件下以T1 的土壤孔隙度最大。

2.2 PQQ 對(duì)植煙土壤pH 值和養(yǎng)分含量的影響

圖2 各處理土壤孔隙度

2.2.1 土壤pH 值和有機(jī)質(zhì)由表1 可知，與CK 相比，施用不同濃度PQQ 對(duì)pH 值有一定的降低，但差異不顯著。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中一種復(fù)雜而處于不斷動(dòng)態(tài)變化的物質(zhì)。無(wú)論噴施還是灌根處理，有機(jī)質(zhì)含量呈先增后降的趨勢(shì)，2 種施用方式的有機(jī)質(zhì)均以T1 處理最高，與CK 差異顯著（P＜0.05）。

2.2.2 土壤全氮和堿解氮氮素是植物生長(zhǎng)必須的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，堿解氮能夠較靈敏地反映土壤氮素動(dòng)態(tài)和供氮水平[19]。由表1 可知，施用不同濃度PQQ，土壤中全氮含量無(wú)顯著性差異，堿解氮含量均以T3 處理最高，且與其他處理差異顯著，灌根與噴施方式無(wú)明顯差異。

2.2.3 土壤有效磷和速效鉀由表1 可知，除噴施方式T3 處理外，各處理有效磷含量均高于CK，差異顯著，T1 處理有效磷含量達(dá)到最高，噴施和灌根施用T1 較CK 處理分別提高36.87%、89.13%。速效鉀含量隨PQQ 濃度的增加，呈先增加后降低的趨勢(shì)，噴施方式以T2 處理最高，灌根方式以T1 處理最高，T3 處理速效鉀含量低于CK。對(duì)比2 種施用方式可知，灌根施用的效果優(yōu)于噴施。

表1 PQQ 不同施用方式和濃度下各處理烤煙收獲后土壤pH 值和養(yǎng)分含量

2.3 PQQ 對(duì)土壤微生物活性的影響

由表2 可知，土壤微生物是土壤中活的有機(jī)體，是衡量植煙土壤質(zhì)量、維持土壤肥力和作物生產(chǎn)力的一個(gè)重要指標(biāo)。由表2 可知，施用PQQ 處理，土壤微生物數(shù)量明顯高于對(duì)照CK 處理，施用PQQ 處理對(duì)土壤細(xì)菌數(shù)量提高最明顯，與CK 差異顯著，噴施和灌根均以T1 處理細(xì)菌數(shù)量最多，分別比CK 增加37.12%、74.62%。土壤真菌和放線菌數(shù)量也有增加，但差異不顯著。相同濃度時(shí)，灌根比噴施更能有效提高土壤中微生物數(shù)量，細(xì)菌、真菌、放線菌最大分別可提高29.31%（P＜0.05）、8.55%和13.36%。

表2 PQQ 不同施用方式和濃度下各處理土壤微生物數(shù)量 （105 CFU/mL）

2.4 不同處理對(duì)煙株農(nóng)藝性狀的影響

由表3 可知，打頂后，無(wú)論是葉面噴施還是灌根，適宜濃度PQQ 對(duì)煙草的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，灌根效果比葉面噴施更好。各處理的株高和莖圍存在顯著差異，T1 和T2 差異不顯著。在灌根施用時(shí)，大多指標(biāo)均以T1 表現(xiàn)最高，T1 的株高、莖圍、有效葉數(shù)、最大葉長(zhǎng)、最大葉寬和最大葉面積等指標(biāo)較CK 分別顯著提高了15.36%、8.74%、4.19%、8.53%、17.56%和25.36%。除噴施T2 處理外，隨著PQQ 濃度的增加，各項(xiàng)指標(biāo)呈下降趨勢(shì)，在T1（200 nmol/L）效果最好，對(duì)比2 種施用方式可知，灌根施用的效果優(yōu)于噴施。

2.5 不同處理對(duì)煙株根系性狀的影響

由表4 可知，與CK 相比，烤煙生長(zhǎng)過(guò)程中施用PQQ 可有效促進(jìn)根系生長(zhǎng)，灌根方式烤煙根系生長(zhǎng)優(yōu)于噴施方式。噴施條件下，施用PQQ 處理的根鮮重和根干重較CK 均有增加，以T2 的根系生物量最大，較CK 分別顯著增加了11.71%和12.47%；灌根條件下烤煙生長(zhǎng)與噴施條件生長(zhǎng)有相同趨勢(shì)，但以T1 為最佳PQQ 濃度，該處理下烤煙根鮮重、根干重、最大根長(zhǎng)和主根數(shù)均達(dá)到最大。

表3 PQQ 不同施用方式和濃度下各處理煙株打頂后農(nóng)藝性狀

表4 PQQ 不同施用方式和濃度下各處理煙株根系性狀

2.6 不同處理對(duì)煙株根系活力的影響

由圖3 可知，施用PQQ 處理均可提高煙株根系活力，相同濃度時(shí)，煙株根系活力灌根方式優(yōu)于噴施方式，且隨PQQ 濃度的增加，根系活力呈下降趨勢(shì)，兩種施用方式均在T1 達(dá)到最大，分別為135.4 μg/（g·h）和142.8 μg/（g·h），分別是CK 的1.40 倍和1.45 倍，各處理與CK 處理均差異顯著。

圖3 各處理烤煙根系活力

2.7 不同處理對(duì)烤煙經(jīng)濟(jì)性狀的影響

由表5 可知，無(wú)論葉面噴施還是灌根，T1 和T2 處理的產(chǎn)量、產(chǎn)值和均價(jià)均高于CK 與T3，其中T1 較CK 煙葉產(chǎn)量提高了126.30 kg/hm2和168.75 kg/hm2，煙葉產(chǎn)值提高了8 339.68 元/hm2和8 554.72 元/hm2，均價(jià)提高了2.28 元/kg 和2.21 元/kg。T3 的煙葉產(chǎn)量、產(chǎn)值和均價(jià)最低，噴施方式T3 比CK 分別低0.72%、4.45%和3.70%；灌根方式T3 比CK 分別低0.41%、3.36%和2.94%。從煙葉等級(jí)來(lái)看，與對(duì)照相比，所有PQQ 處理一定程度提高了上等煙比例，但差異不顯著。這表明在PQQ適宜濃度范圍內(nèi)，T1（200 nmol/L）對(duì)煙株生長(zhǎng)發(fā)育最適宜，能保障烤煙較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但PQQ 濃度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量、產(chǎn)值下降。

3 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，施用適宜濃度PQQ 有益于烤煙的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)質(zhì)量的增加和上等煙比例，對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境有一定的改良作用，提高了煙農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益。灌根施用PQQ 200 nmol/L 具備最優(yōu)的綜合效益，顯著提高了土壤有效磷和速效鉀含量，明顯增加了微生物數(shù)量，烤煙農(nóng)藝性狀各項(xiàng)指標(biāo)均和煙株根系性狀及根系活力有不同程度的提高，煙葉經(jīng)濟(jì)性狀得到提高，綜合考慮，在實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)烤煙生長(zhǎng)時(shí)期灌根與噴施配合施用適宜濃度的PQQ，來(lái)提高煙葉產(chǎn)量。

表5 PQQ 不同施用方式和濃度下各處理烤后煙葉的經(jīng)濟(jì)性狀

4 討 論

土壤是烤煙生長(zhǎng)的載體，給烤煙生長(zhǎng)供給各種營(yíng)養(yǎng)，其理化性質(zhì)的變化均會(huì)影響烤煙養(yǎng)分吸收。Han等[14,20]研究發(fā)現(xiàn)，PQQ 作為PGPR 細(xì)菌脫氫酶的輔酶，能夠使土壤環(huán)境趨于酸化，有助于不溶性磷變成可溶性磷，對(duì)于抗植物真菌病也有一定的作用。焦子偉 等[12,21]研究表明DH5 α（pqq）菌株處理的玉米，植株全磷、全鉀和土壤有效磷的含量提高，主要原因是DH5 α（pqq）菌株能分泌葡萄糖酸，使更多的難溶磷變成可溶性磷。此研究表明，施用適宜濃度的PQQ能夠改良土壤物理性質(zhì)，降低土壤容重，對(duì)土壤養(yǎng)分含量的提高有一定的促進(jìn)作用，土壤pH 值較CK 有下降趨勢(shì)，有效磷，速效鉀含量顯著增加，說(shuō)明施用適宜濃度PQQ 可以改善植煙土壤速效養(yǎng)分，從而調(diào)節(jié)土壤肥力。這與Han，焦子偉等[14,21]的研究結(jié)果類(lèi)似。施用PQQ 能夠提高土壤細(xì)菌數(shù)量，且噴施和灌根不同濃度PQQ 與CK 均存在顯著性差異；施用PQQ 對(duì)真菌和放線菌數(shù)量也有提高，但差異不顯著。說(shuō)明施用PQQ 對(duì)植煙土壤的微生態(tài)環(huán)境有一定的改良作用，但具體的作用機(jī)制及相關(guān)性有待進(jìn)一步探討。

通過(guò)比較不同濃度的PQQ 處理下煙株農(nóng)藝性狀、根系性狀、根系活力和經(jīng)濟(jì)性狀，表明不同處理的農(nóng)藝性狀指標(biāo)差異顯著，尤其是株高、莖圍和最大葉面積；根系性狀和根系活力的差異影響煙株對(duì)養(yǎng)分的吸收，從而影響煙株地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育，無(wú)論噴施還是灌根，不同濃度PQQ 處理的煙株根系活力及根系性狀與CK 均差異顯著；在適宜濃度范圍內(nèi)，施用PQQ 可顯著提高煙葉產(chǎn)量及上等煙比例，說(shuō)明PQQ有益于煙株生殖器官的發(fā)育，從而增加煙株生殖器官干物質(zhì)的積累。類(lèi)似的研究結(jié)果也有報(bào)道，PQQ 能促進(jìn)煙草幼苗生長(zhǎng)、提高冬小麥結(jié)實(shí)率、促進(jìn)玫瑰紅和紅富士蘋(píng)果花粉萌發(fā)和花粉管生長(zhǎng)[6,9,22]；Choi 等[8]證明了PQQ 作為一個(gè)促生因子能顯著提高黃瓜苗的鮮重；焦子偉等[10]也證明了PQQ 純品處理對(duì)增加玉米的生物量（莖長(zhǎng)、根長(zhǎng)、鮮重等）和提高玉米營(yíng)養(yǎng)攝入方面起到關(guān)鍵調(diào)控作用。說(shuō)明PQQ 能夠促進(jìn)煙株對(duì)營(yíng)養(yǎng)的攝入和煙株生長(zhǎng)，但關(guān)于PQQ 促生方面的研究還有待進(jìn)一步深入研究。