低pH條件下鉀對液培甘蔗幼苗生長及根系形態(tài)的影響

陳迪文，黃 瑩，盧穎林，敖俊華，周文靈，黃振瑞，江 永

(廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業(yè)研究所) 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點試驗室，廣東 廣州 510316)

低pH條件下鉀對液培甘蔗幼苗生長及根系形態(tài)的影響

陳迪文，黃 瑩，盧穎林，敖俊華，周文靈，黃振瑞，江 永*

(廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業(yè)研究所) 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點試驗室，廣東 廣州 510316)

本研究采用液培方法模擬在低pH條件下，不同鉀水平(0.1、3、6 mmol/L)對甘蔗幼苗生長及根系形態(tài)的影響。研究結(jié)果表明，在低pH液培條件下供鉀不足時(0.1 mmol/L)，甘蔗幼苗干物質(zhì)量下降，株高降低，根冠比增大，根系形態(tài)參數(shù)包括根總長、根平均直徑、根總表面積與根總體積均顯著減小，根系活力下降，植株鉀含量降低。當(dāng)鉀水平提高到3 mmol/L時則可以恢復(fù)正常生長，但當(dāng)鉀水平繼續(xù)升高到6 mmol/L時則會減少根總長與根總體積，對根系生長不利。

低pH；甘蔗；鉀；根系形態(tài)；液培

0 引言

我國糖料甘蔗產(chǎn)區(qū)主要集中在華南熱帶區(qū)域如廣西、云南和廣東等省份，這些地區(qū)由于高溫高濕的氣候條件以及大量使用化肥的長期連作模式導(dǎo)致土壤酸化嚴(yán)重，從而影響甘蔗生長，降低甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)，制約甘蔗產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展[1]。鉀是作物生長必需的大量營養(yǎng)元素之一，在維持細(xì)胞生理代謝，增強(qiáng)作物抗逆性方面具有重要作用[2]。甘蔗是喜鉀作物[3]，研究表明，缺鉀會導(dǎo)致苗期甘蔗生長矮小，葉色加深，生物量顯著下降[4]。根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官，在不同的環(huán)境條件下根系為了適應(yīng)不同環(huán)境條件會形成不同的形態(tài)特征來適應(yīng)環(huán)境，增加植物對不良環(huán)境的抗性。因此，探討低pH條件下鉀對甘蔗幼苗生長和根系形態(tài)的影響，對甘蔗育苗及生產(chǎn)具有重要參考價值。研究表明，在組培條件下，甘蔗根系形態(tài)參數(shù)包括根總長、根平均直徑、根總表面積與根總體積在一定范圍內(nèi)均隨著培養(yǎng)基鉀水平的升高而顯著增大[5]。另外，在鹽脅迫下供鉀能促進(jìn)甘蔗生長，增加甘蔗生物量、根長、株高和根冠比，增強(qiáng)甘蔗耐鹽性[6]。本研究采用液培方法模擬低pH環(huán)境，研究不同鉀水平對甘蔗幼苗生長及根系形態(tài)指標(biāo)參數(shù)的影響，為我國甘蔗生產(chǎn)提供相關(guān)參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗采用的甘蔗品種為：粵糖60號。

1.2 試驗設(shè)計

挑選靠近生長點的健康種莖，斬成長度為10 cm的單芽苗，經(jīng)400倍多菌靈稀釋液浸泡5 min后，放于育苗盤內(nèi)用干凈河沙覆蓋育苗，待第4片真葉完全展開后，選取生長一致的甘蔗幼苗，移栽到純凈水中培養(yǎng)3天后轉(zhuǎn)入營養(yǎng)液中，日光溫室內(nèi)培養(yǎng)。試驗設(shè)置4個處理，分別為：pH6K6，K 6 mmol/L，pH 6.0(常規(guī)營養(yǎng)液鉀水平和pH水平)；pH4K0.1，K 0.1 mmol/L，pH 4.0(低pH、低鉀)；pH4K3，K 3 mmol/L，pH 4.0(低pH、中鉀)；pH4K6，K 6 mmol/L，pH 4.0(低pH、高鉀)，各處理重復(fù)6次。各處理的營養(yǎng)液大、中量元素配方見表1，微量元素配方為通用配方[7]。培養(yǎng)期間每天用pH計和0.1 mol/L NaOH或0.1 mol/L鹽酸調(diào)節(jié)所有處理的營養(yǎng)液pH值至指定值，每隔5天完全更換一次營養(yǎng)液，營養(yǎng)液用通氣泵間歇性通氣，每隔2 h通氣30 min。培養(yǎng)至幼苗開始拔節(jié)(約65～70天)時收獲進(jìn)行測量分析。

1.3 樣品采集與測定

將根系用純水洗凈與地上部分別進(jìn)行收集，用根系掃描儀(EPSON expression 10000XL)對根系進(jìn)行掃描，并用根系分析系統(tǒng)(WinRHIZO-LA2400)分析統(tǒng)計各項根系形態(tài)參數(shù)；根系活力參照李合生的方法進(jìn)行[8]；用直尺測定株高，株高為莖基部到植株最高可見肥厚帶的距離，同時將根系最大根長度/株高的比值定義為根冠比；將地上部和根系烘干后分別稱量測定干重并計算總干重，樣品粉碎后通過硫酸-雙氧水消煮，火焰光度計法測定鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)，SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，方差分析采用最小顯著性差異法(LSD)。

表1 不同處理營養(yǎng)液大中量元素配方表

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對甘蔗幼苗生長的影響

從表2可知，在pH值為4.0的低pH條件下，pH4K0.1處理的甘蔗幼苗地上部干重、根系干重和整株總干重以及株高均顯著低于同pH條件下的K3與K6處理，表明低pH條件下缺鉀對植株生長產(chǎn)生不利影響。pH4K3處理與pH4K6處理的地上部干重、整株干重及株高與常規(guī)條件pH6K6處理之間差異均不顯著，說明在低pH條件下在補(bǔ)充鉀甘蔗生長良好。另外，鉀水平從3 mmol/L提高到6 mmol/L時pH4K6處理甘蔗幼苗根系干重顯著低于相同鉀水平的pH6K6處理，表明在高鉀環(huán)境下pH降低對甘蔗根系的生長有不利影響。pH4K0.1處理甘蔗株高顯著低于pH4K3和pH4K6，而根冠比顯著高于pH4K3和pH4K6，表明低pH條件下供鉀有利于干物質(zhì)更多地向地上部累積，根系則相對較少。

2.2 不同處理對甘蔗幼苗根系形態(tài)的影響

植物根系生長發(fā)育過程中表現(xiàn)出來相關(guān)的形態(tài)參數(shù)如根長、根總表面積和根總體積等參數(shù)與養(yǎng)分吸收密切相關(guān)。從表3可知，pH4K0.1處理的甘蔗幼苗根總長、根平均直徑、根總表面積與根總體積顯著低于pH4K3處理，表明在低pH條件下供鉀不足會影響根系的生長發(fā)育。pH4K3各指標(biāo)參數(shù)與常規(guī)pH6K6接近，二者無顯著差異，說明低pH條件下適量供鉀可以維持根系較好的生長，來抵抗不良環(huán)境的脅迫。而當(dāng)鉀濃度提高到6 mmol/L (pH4K6)時，根總長和根總體積又開始減小，顯著低于pH4K3與pH6K6，表明低pH條件下大量供鉀對甘蔗幼苗根系生長與形態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不利影響。

2.3 不同處理對甘蔗最大根長和根系活力的影響

表2 不同處理對甘蔗幼苗生長的影響

表3 不同處理對甘蔗幼苗根系形態(tài)的影響

雖然pH4K0.1處理根系形態(tài)參數(shù)指標(biāo)是各處理中最低的，但從表4可知，pH4K0.1處理甘蔗幼苗最大根長與其他處理無顯著差異，表明低pH條件以及不同鉀處理對于最大根長沒有影響。pH4K0.1處理甘蔗幼苗根系活力顯著低于其他處理，說明該條件下抑制了根系的生理活動。pH4K3與pH4K6處理的根系活力與pH6K6均無顯著差異，表明低pH條件下供鉀充足有利于增加根系活力。pH4K0.1處理甘蔗幼苗地上部和根系的鉀含量均顯著低于其他各處理，說明低鉀處理下根系吸收利用的鉀太少，導(dǎo)致地上部無法獲得充足的鉀，當(dāng)營養(yǎng)液中供鉀充足時根系即可將鉀運輸至地上部。pH4K3、pH4K6與pH6K6之間地上部和根系的鉀含量雖有上升趨勢但差異均不顯著。

表4 不同處理對甘蔗最大根長、根系活力及鉀含量的影響

注：表中同列小寫字母不同表示數(shù)據(jù)差異顯著，p＜0.05。

3 討論與結(jié)論

根系作為植物最重要的養(yǎng)分和水分吸收器官，直接影響著植物地上部生長[9]。甘蔗是須根系作物，根系多，針對其根系形態(tài)相關(guān)研究不多。本研究采用液培的方法，一方面是便于觀察根系和對根系進(jìn)行取樣分析，另一方面也是方便對營養(yǎng)液進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)而模擬低pH條件。研究表明，甘蔗生長的pH值適應(yīng)范圍較廣，在pH 4.5～7.5范圍內(nèi)的培養(yǎng)液對甘蔗幼苗的生長和發(fā)育不會產(chǎn)生顯著的不良影響，以pH 6.0為甘蔗幼苗生長的最適pH值[10]。因此，本研究中采用pH 6.0為常規(guī)pH值，pH 4.0為模擬低pH條件。本研究結(jié)果表明，在同樣的充足供鉀(6 mmol/L)條件下，雖然pH4K6與pH6K6營養(yǎng)液的pH 從6.0下降到 4.0，但二者地上部以及總的干物質(zhì)累積量、鉀含量及根系部分形態(tài)參數(shù)指標(biāo)并無顯著差異，說明在液培條件下甘蔗幼苗耐酸能力較強(qiáng)。

鉀對各種作物如西瓜[11]、大豆[12]和花生[13]等根系的生長發(fā)育及形態(tài)參數(shù)具有顯著影響。研究表明，低鉀脅迫顯著抑制了甘蔗的正常生長，植株干重比正常鉀水平顯著下降[14]。本研究中，低pH條件下低鉀水平的植株干重顯著低于其他處理，而當(dāng)鉀水平提高到常規(guī)處理（pH6K6）的1/2 水平即3 mmol/L時，植株干重與pH6K6之間并無顯著差異，說明低鉀影響了甘蔗幼苗的正常生長，而補(bǔ)充一定量的鉀則可以恢復(fù)正常生長。而繼續(xù)提高鉀濃度到6 mmol/L時，甘蔗根系生長卻受到了不良影響，根總長和根總體積又開始減小，其具體原因還需進(jìn)一步研究探討。

早期研究結(jié)果表明不同基因型甘蔗根系的鉀吸收動力學(xué)參數(shù)存在差異[15]，因此不同基因型對于酸的耐受能力以及低pH條件下鉀的吸收能力也可能存在差異，需要進(jìn)一步研究。另外，不同介質(zhì)培養(yǎng)的結(jié)果可能存在差異。研究表明，采用桶栽砂培的方法，甘蔗實生苗在營養(yǎng)液pH7.0和pH8.5處理下的根系形態(tài)和植株生長較好[16]。本研究采用液培是為了更直觀監(jiān)測以及更好地進(jìn)行取樣分析而進(jìn)行的模擬實驗，至于土壤條件下的情況還需要另外研究。

本研究結(jié)果表明，在低pH液培條件下供鉀不足時，甘蔗幼苗干物質(zhì)量下降，株高降低，根冠比增大，根系形態(tài)參數(shù)包括根總長、根平均直徑、根總表面積與根總體積均顯著減小，根系活力下降，植株鉀含量降低。當(dāng)補(bǔ)充一定鉀時則可以恢復(fù)正常生長，但過量供鉀則又可能對根系生長不利。

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(本篇責(zé)任編校：李金玉)

Effects of Different Potassium Levels on Growth and Root Morphological Traits of Sugarcane Seedling under Low pH Hydroponic Culture

CHEN Di-wen, HUANG Ying, LU Ying-lin, AO Jun-hua, ZHOU Wen-ling, HUANG Zhen-rui, JIANG Yong
(Guangdong Provincial Bioengineering Institute (Guangzhou Sugarcane Industrial Research Institute)/Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement & Bio-Refinery, Guangzhou 510316)

A hydroponic experiment was conducted to investigate the effect of different potassium levels (0.1, 3 and 6 mmol/L) on the growth and the root morphology of sugarcane seedling under low pH. The results showed that, under 0.1 mmol/L potassium level in the low pH (4.0) of nutrient solution, the dry matter and the plant height decreased; the total length, average diameter, total average superficial area and total volume of the roots significantly decreased; the root activity and potassium content in plant also decreased, and the root-shoot ratio increased. The seedling returned to normal growth when the potassium level increased to 3 mmol/L, while both the total length and the total volume decreased at 6 mmol/L potassium level, which were harmful to the root normal growth.

Lower pH; Sugarcane; Potassium; Root morphology; Hydroponic culture

S566.1

A

1005-9695(2016)06-0018-04

2016-11-03；

2016-12-02

廣東省自然科學(xué)基金(2016A030313416)；廣東省科技發(fā)展專項資金項目(2014B070705002)；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系甘蔗專項(CARS-20-3-1)

陳迪文(1983-)，男，農(nóng)藝師，主要從事作物養(yǎng)分管理研究；E-mail：chendiwen@126.com

*通訊作者：江永(1961-)，男，研究員；E-mail：gz510316@sina.com

陳迪文，黃瑩，盧穎林，等. 低pH條件下鉀對液培甘蔗幼苗生長及根系形態(tài)的影響[J]. 甘蔗糖業(yè)，2016(6)：18-21.