外源性施用柠檬烯可以缓解烟草植物因干旱引起的氧化应激

《Industrial Crops and Products》：Exogenous application of limonene alleviates drought-induced oxidative stress in tobacco plants

干旱胁迫对烟草生长和品质的影响及柠檬烯缓解机制研究。通过盆栽试验，测定不同干旱梯度（60%-35%土壤含水量）和柠檬烯浓度（0-0.5 mg/mL）下烟草的形态指标、光合特性、抗氧化酶活性及品质性状。结果表明，0.3 mg/mL柠檬烯处理显著提升烟草株高（32.7%）、根干重（43.9%）、叶绿素含量（30.1%）及可溶性糖（20.5%），同时降低丙二醛（17.4%）和脯氨酸（10.2%）等氧化损伤指标，并调控钾离子（20.1%）与氯离子（29.1%）平衡。该研究证实叶面喷施柠檬烯可通过增强抗氧化防御、优化渗透调节及改善光合效率缓解干旱胁迫，为烟草抗旱管理提供新策略。

　　干旱是全球范围内限制作物产量的重要生态胁迫因素，随着全球气候变化的加剧，高温和干旱导致的胁迫对烟草的生长和产量产生了显著影响。本研究通过盆栽实验，探讨了柠檬烯叶面施用对干旱胁迫下烟草植物形态、生化和品质特性的影响。实验设置包括三种干旱胁迫程度（WW：充分供水，MDS：中度干旱胁迫，SDS：重度干旱胁迫）和四种柠檬烯施用浓度（0.0、0.1、0.3和0.5 mg mL?1）。研究结果表明，干旱胁迫显著影响了烟草的生长、产量和品质特性。在0.3 mg mL?1的柠檬烯施用条件下，植物的生长特性、生物量指标、总叶绿素含量（提升30.11%）和类胡萝卜素含量（提升43.41%）均优于对照组（0.0 mg mL?1）。这些发现进一步表明，干旱胁迫会引发植物体内脯氨酸和脂质过氧化的过度积累。在重度干旱条件下，0.3 mg mL?1的柠檬烯施用显著提升了可溶性糖含量（20.49%）、可溶性蛋白含量（29.20%），同时减少了脯氨酸积累（10.23%）和丙二醛（MDA）含量（17.39%）。此外，柠檬烯的施用通过限制氯离子积累（减少29.14%）提升了叶片钾含量（增加20.14%）。总体而言，0.3 mg mL?1的柠檬烯施用显示出显著的潜力，作为提高烟草抗旱能力的有效方法。本研究强调了柠檬烯叶面施用作为一种环境可持续的策略，以增强植物在干旱胁迫下的抗性，为可行的农业实践提供了新的见解。

干旱胁迫对作物生长的影响是多方面的，包括物理损伤、生态和生理变化以及分子层面的改变，这些变化可能导致植物代谢异常、生长停滞，甚至死亡。植物的抗旱能力依赖于其自身的适应机制，如形态、分子、生化和生理变化。这些策略包括气孔关闭、膜稳定性增强、碳固定水平调整、细胞适应、活性氧（ROS）清除系统、激素调控、基因信号传导，特别是与胁迫相关的基因诱导和蛋白质表达。这些变化被认为是植物在干旱条件下生存的关键工具。然而，由于干旱对作物的影响复杂且多样，需要采取多种方法来减轻其负面影响，提高作物的抗旱能力。例如，育种技术、外源施用渗透调节剂、植物化学物质和植物激素等生物刺激剂被广泛应用于增强作物的抗旱性。柠檬烯作为一种植物来源的生物刺激剂，能够提高线粒体电子传递效率，清除自由基，并激活植物的抗氧化防御系统。它有助于抗氧化活性的增强，减轻氧化胁迫，并促进在干旱胁迫下植物的水分保持能力。因此，柠檬烯可能成为一种有效的生物刺激剂，用于改善烟草作物的抗旱性。

本研究的实验设置是在云南大学昆明校区的温室中进行的，温度范围为22–24°C，湿度保持在60–70%。实验中使用的烟草品种为K326，由云南玉溪烟草种苗基地提供。实验土壤为从云南大学农场0–20厘米耕作层中采集的壤土。土壤的理化特性如土壤质地、pH值、电导率、有机质含量、碱性水解氮、有效磷和有效钾等已被详细记录（见表1）。为了满足植物的营养需求，实验中加入了特定的肥料（K?O:N:P?O? = 12.0:4.0:8.0 g pot?1）。实验中，每个干旱胁迫等级和柠檬烯施用浓度的组合都进行了三次重复，总共有36个实验单元。柠檬烯（500 mL）的外源施用按照实验方案在叶片的两面进行，直到形成细小的水滴，分别在干旱开始、中期和晚期进行三次施用。在干旱胁迫结束后，实验组和对照组的植株均在正常灌溉条件下直至收获期，以消除由于水分供应差异带来的变量影响。

在生长特性方面，研究结果表明，干旱胁迫显著降低了烟草植物的生长参数。例如，植物高度、茎粗和叶面积均呈现出线性下降的趋势。然而，不同浓度的柠檬烯施用显著改善了植物的生长特性，无论是在干旱还是正常供水条件下。其中，0.3 mg mL?1的柠檬烯施用效果最佳，显著提升了植物的生长指标。相比之下，对照组（未施用柠檬烯）在干旱条件下表现较差。此外，干旱胁迫导致的植物生物量减少，包括鲜重和干重。在重度干旱条件下，根部鲜重和干重分别减少了30.76%和26.15%，茎部鲜重和干重分别减少了34.17%和34.10%。但施用0.3 mg mL?1的柠檬烯显著提升了根部和茎部的生物量，这可能归因于柠檬烯对植物细胞分裂和生长的促进作用。同时，柠檬烯还增强了植物的抗氧化能力，改善了叶绿素含量和类胡萝卜素水平，从而提高了植物的光合作用效率。

在光合作用相关指标方面，研究发现，不同浓度的柠檬烯显著提高了烟草植物的光合特性。例如，总叶绿素含量、叶绿素a和叶绿素b含量以及类胡萝卜素含量均有所增加。其中，0.3 mg mL?1的柠檬烯施用效果最为显著，分别提升了20.17%、13.03%、47.27%和33.83%。同时，柠檬烯的施用还改善了气孔导度、蒸腾速率和细胞间CO?浓度等光合相关参数。这表明，柠檬烯在干旱胁迫下能够有效提升烟草植物的光合作用效率，从而促进其生长和产量。此外，研究还发现，光合特性与生物量和生长变量之间存在显著的正相关关系，这进一步支持了柠檬烯在增强植物抗旱能力方面的有效性。

在抗氧化酶活性和脂质过氧化相关指标方面，研究结果表明，干旱胁迫显著提高了植物体内丙二醛（MDA）和脯氨酸的含量，同时增加了抗氧化酶的活性。例如，CAT（过氧化氢酶）、SOD（超氧化物歧化酶）、POD（过氧化物酶）和APX（抗坏血酸过氧化物酶）的活性均有所上升。然而，施用0.3 mg mL?1的柠檬烯能够有效降低这些指标，表明其在减轻干旱胁迫下的氧化损伤方面具有重要作用。研究还发现，随着柠檬烯浓度的增加，抗氧化酶活性呈现出先升后降的趋势，其中0.3 mg mL?1的施用浓度表现最佳，能够显著提升植物的抗氧化能力，同时减少氧化胁迫带来的细胞损伤。这说明柠檬烯在优化植物生理功能方面具有显著的调节作用。

在渗透调节物质和活性氧相关指标方面，研究发现，干旱胁迫显著增加了烟草植物体内脯氨酸和MDA的含量，而施用0.3 mg mL?1的柠檬烯能够有效降低这些物质的积累。此外，柠檬烯的施用还提高了可溶性蛋白和可溶性糖的含量，表明其在增强植物抗旱能力方面具有重要作用。研究还发现，MDA和脯氨酸含量与总叶绿素、类胡萝卜素、植物高度、生物量和品质特性之间存在显著的负相关关系，这进一步支持了柠檬烯在减轻干旱胁迫下的抗氧化和渗透调节作用。同时，可溶性糖和可溶性蛋白的含量在柠檬烯施用后显著增加，这可能归因于其对植物细胞代谢的调节作用，从而提升了植物的抗逆性。

在叶片品质特性方面，研究发现，施用不同浓度的柠檬烯显著改善了烟草叶片的品质参数。例如，干旱胁迫显著降低了叶片中的尼古丁含量、总糖含量和还原糖含量，同时减少了叶片中的氯离子含量。然而，施用0.3 mg mL?1的柠檬烯能够显著提升这些品质参数，表明其在增强烟草品质方面具有重要作用。此外，研究还发现，柠檬烯的施用有助于提高叶片中的钾离子含量，这可能与其对氯离子吸收的抑制作用有关。这种调节作用可能有助于植物在干旱条件下维持更好的生理平衡，从而提升其生长和品质表现。

通过相关性分析，研究进一步揭示了干旱胁迫下烟草植物各指标之间的相互关系。例如，光合特性与生物量和生长变量之间存在显著的正相关关系，而MDA和脯氨酸含量与这些指标之间存在显著的负相关关系。这表明，光合能力的提升可能有助于植物更好地应对干旱胁迫，从而减少氧化损伤和细胞膜破坏。此外，研究还发现，可溶性糖和可溶性蛋白的含量在干旱条件下显著增加，这可能与植物在应对水分胁迫时的渗透调节机制有关。

通过回归分析，研究进一步探讨了干旱胁迫下烟草植物各项指标之间的关系。例如，H?O?含量与总叶绿素含量之间存在较高的相关性（R2=0.89），这表明柠檬烯的施用能够有效减少H?O?的积累，从而降低氧化损伤。此外，总氮含量与尼古丁含量之间也存在显著的正相关关系（R2=0.93），这表明柠檬烯的施用可能促进了氮的吸收和利用，从而提高了尼古丁的积累。同时，脯氨酸含量与光合速率之间也存在较高的相关性（R2=0.93），这进一步支持了柠檬烯在增强植物抗逆性方面的潜力。

通过主成分分析（PCA），研究发现，干旱胁迫和不同浓度的柠檬烯施用对烟草植物的生理和生化参数产生了显著的影响。其中，MDA、脯氨酸、SOD、POD等指标在没有柠檬烯施用的干旱条件下呈现负向变化，而总叶绿素含量、根部干重、叶数和类胡萝卜素含量则在施用柠檬烯的条件下呈现正向变化。这表明，柠檬烯的施用能够显著改变烟草植物的生理和生化参数的分布，从而提升其抗旱能力。同时，可溶性蛋白和可溶性糖的含量与这些主要参数之间存在显著的相关性，但未显示出明显的集群效应。这可能表明，这些物质在植物抗逆过程中具有独立的作用。

本研究的结果还表明，柠檬烯的施用在提高烟草抗旱能力方面具有重要的生态和农业意义。它不仅能够通过增强抗氧化能力、改善光合作用效率和调节渗透调节物质的积累来减轻干旱胁迫的影响，还能够提升烟草的产量和品质。这些发现为干旱胁迫下的烟草栽培提供了新的策略，有助于实现可持续的农业生产。然而，本研究仍存在一定的局限性，例如实验环境的控制性可能无法完全模拟田间条件，因此未来的研究应进一步在田间条件下验证这些结果。此外，还需要关注柠檬烯对土壤微生物多样性和水体生态的影响，以确保其在实际应用中的环境友好性。