低鎂脅迫對(duì)馬鈴薯試管苗碳水化合物積累和分配的影響

袁劍龍，楊麗麗，王玉萍，2，王瑞新，張紹梅，周曉潔，余 斌，張 峰

(1.甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

鎂作為維持植物正常生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，不僅影響植物體內(nèi)光合產(chǎn)物從源器官到庫(kù)器官的運(yùn)輸，而且還調(diào)節(jié)碳水化合物在不同器官間的分配[1-2]。鎂是葉綠素分子結(jié)構(gòu)的中心原子，參與植物體內(nèi)葉綠素的生物合成[3-4]。缺鎂時(shí)，植物體內(nèi)的葉綠素含量降低，影響植株的光合作用，導(dǎo)致光合產(chǎn)物減少，同時(shí)引起大量碳水化合物在葉中積累，尤其是蔗糖和淀粉，引發(fā)光合作用反饋調(diào)節(jié)，使得植物光合速率下降，碳固定減少[5-7]；缺鎂還導(dǎo)致植物源器官(葉)光合產(chǎn)物的韌皮部輸出受抑制，這種抑制作用不僅減少碳水化合物從葉向庫(kù)器官(根和種子、塊莖等)的轉(zhuǎn)運(yùn)，還會(huì)影響庫(kù)器官的大小和數(shù)量[8]。由于鎂是可移動(dòng)元素，植物苗期吸收的鎂含量基本決定了植株中鎂的最終含量，苗期光合作用形成的碳水化合物向根系的運(yùn)輸決定了根系的發(fā)育和形態(tài)建成，所以苗期的鎂濃度水平對(duì)植株的生長(zhǎng)發(fā)育非常關(guān)鍵[9]。

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)源、庫(kù)器官界定明顯，源器官主要是葉片，庫(kù)器官主要為塊莖(微型薯)，試管苗在整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，源、庫(kù)器官間碳水化合物的分配和調(diào)節(jié)直接決定微型薯的產(chǎn)量和品質(zhì)。馬鈴薯是須根系植物，根系在苗期形成后幾乎沒(méi)有變化。根系是植物從外界攝取鎂的主要器官[10]，根系的形態(tài)建成是由植株地上部分輸送的碳水化合物和根系吸收的水分與養(yǎng)分共同調(diào)節(jié)的。植物苗期通過(guò)光合作用合成的碳水化合物很大程度上都分配給了根系，碳水化合物在地上部分與根系間協(xié)調(diào)分配是植株正常生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)[11]。鎂對(duì)馬鈴薯試管苗碳水化合物積累和分配特性以及根系的形態(tài)建成的影響與微型薯的形成緊密相關(guān)。通過(guò)闡明馬鈴薯試管苗苗期鎂穩(wěn)態(tài)水平下植株碳水化合物積累、分配特點(diǎn)和規(guī)律以及對(duì)根系形態(tài)建成的影響，可以為馬鈴薯試管苗微繁提供施肥依據(jù)。

馬鈴薯試管苗繁殖作為微型薯繁育的主要生產(chǎn)過(guò)程，其生長(zhǎng)狀況直接影響微型薯種薯的品質(zhì)，較早生根且健壯的試管苗能夠吸收更多的養(yǎng)分誘導(dǎo)出高質(zhì)量的微型薯。馬鈴薯試管苗苗期的根系形成后，光合作用將繼續(xù)影響微型薯的碳水化合物積累，微型薯的生物量可以作為衡量其品質(zhì)的主要指標(biāo)，而苗期地上部分碳水化合物的積累量可直接影響微型薯生物量的形成。本研究以馬鈴薯栽培品種的試管苗為試驗(yàn)材料，研究不同低鎂濃度脅迫下葉綠素含量、碳水化合物積累與分配機(jī)制，探討碳水化合物分配的改變對(duì)根系形態(tài)建成的影響，為馬鈴薯試管苗的健壯生長(zhǎng)提供微肥的施用依據(jù)，為優(yōu)質(zhì)微型薯的生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料選用馬鈴薯栽培品種“大西洋”試管苗，由甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 培養(yǎng)基的配制 采用MS培養(yǎng)基為基礎(chǔ)培養(yǎng)基，進(jìn)行液體培養(yǎng)，共設(shè)置4個(gè)鎂濃度處理，分別為T(mén)1(0 μmol·L-1)、T2(188 μmol·L-1)、T3(375 μmol·L-1)、T4(750 μmol·L-1)，以普通MS培養(yǎng)基的正常鎂濃度(1 500 μmol·L-1)為對(duì)照(CK)。培養(yǎng)基配方見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)所用藥品均為分析純。

1.2.2 材料培養(yǎng) 將長(zhǎng)勢(shì)良好、整齊一致的“大西洋”試管苗接種于5個(gè)鎂濃度處理培養(yǎng)基，每個(gè)濃度5瓶，每瓶5株，3次重復(fù)。培養(yǎng)溫度20±2℃，光照強(qiáng)度2 000 lx，光照時(shí)間16 h·d-1，培養(yǎng)20 d后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 生理指標(biāo)測(cè)定

(1)葉綠素含量測(cè)定：取第2、3、4片完全展開(kāi)葉用丙酮提取法測(cè)定[11]。

(2)糖類(lèi)含量測(cè)定：可溶性糖和淀粉的測(cè)定采用蒽酮比色法。蔗糖測(cè)定參照薛應(yīng)龍的方法[12]。果糖測(cè)定采用鉬酸銨法。

(3)鮮重、干重測(cè)定和根冠比的計(jì)算：將馬鈴薯試管苗用清水沖洗干凈，根系和地上部分分開(kāi)，分別測(cè)定根系和地上部分的鮮重；然后80℃殺青90 min，65℃恒溫烘干，分別測(cè)定其干重。根冠比=根系干重/地上部分干重。

1.3.2 根系形態(tài)指標(biāo)測(cè)定 將馬鈴薯試管苗根系剪下，清水沖洗干凈，根系掃描分析儀對(duì)根系進(jìn)行掃描，利用WinRHIZO軟件定量分析總根長(zhǎng)、根表面積、平均根直徑、根體積和側(cè)根數(shù)。

表1 各處理培養(yǎng)基的成分Table 1 Components of different culture media

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)，所有數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。數(shù)據(jù)采用SPSS19.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)間的比較采用方差分析(ANOVA)，以Duncan法檢測(cè)差異顯著性，顯著水平P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 低鎂脅迫對(duì)馬鈴薯試管苗葉綠素含量的影響

為明確低鎂水平對(duì)試管苗葉綠素的影響，對(duì)不同低鎂濃度脅迫下馬鈴薯試管苗葉綠素含量進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果顯示(表2)，馬鈴薯試管苗的葉綠素、Chla和Chlb含量隨鎂濃度升高而增加。缺鎂處理(T1)馬鈴薯試管苗的葉綠素、Chla 和Chlb含量均最低，分別為0.634、0.471 mg·g-1和0.163 mg·g-1，葉綠素、Chla和Chlb含量均在高鎂水平處理(對(duì)照)達(dá)到最大值，是T1處理的1.73、1.69、1.86倍，差異均達(dá)顯著水平。T1處理時(shí)Chla/ Chlb值最高，為2.89，對(duì)照最低，為2.63。

表2 低鎂脅迫對(duì)馬鈴薯試管苗葉綠素含量的影響Table 2 The effects of low-Mg2+ concentration on chlorophyll content of potato plantlet in vitro

注：數(shù)值后不同字母表示處理間在P<0.05下存在顯著差異，下同。

Note: Values followed by different letters mean significant difference atP<0.05 between treatments, the same as below

2.2 低鎂脅迫對(duì)馬鈴薯試管苗碳水化合物含量的影響

為探究低鎂脅迫對(duì)馬鈴薯試管苗碳水化合物積累的影響，測(cè)定了不同低鎂水平下試管苗的淀粉、蔗糖、果糖和可溶性糖含量。結(jié)果表明(表3)，馬鈴薯試管苗莖葉中，淀粉、蔗糖、果糖和可溶性糖含量均在T1處理下最大，分別為22.257、0.042、5.03 mg·g-1和17.26 mg·g-1，并且均顯著高于對(duì)照；淀粉含量隨鎂濃度升高而降低，T1處理的淀粉含量與T2處理無(wú)顯著差異，顯著高于T3、T4處理和對(duì)照，分別是T3、T4處理和對(duì)照的1.6、1.7、2.4倍，對(duì)照淀粉含量最低，為9.243 mg·g-1；蔗糖含量在T4處理最低，為0.016 mg·g-1，是T1處理的38.1%，與T2、T3處理和對(duì)照差異不顯著；果糖含量隨鎂濃度升高而降低，對(duì)照達(dá)到最低值，為2.029 mg·g-1，分別是T1、T2、T3和T4處理的40.3%、54.1%、58.5%和64%，與T4處理差異不顯著；可溶性糖含量在T1、T2、T3和T4處理間無(wú)顯著差異，均顯著高于對(duì)照，對(duì)照含量最低，為12.782 mg·g-1，分別是T1、T2、T3和T4處理的74.1%、77.5%、77.4%和75.8%。在馬鈴薯試管苗根系中，淀粉含量在T1處理最低，為5.852 mg·g-1，分別是T2、T3、T4處理和對(duì)照的70.1%、80.3%、87%和67.2%，對(duì)照淀粉含量最高，為8.713 mg·g-1，淀粉含量在T2、T3和T4處理隨鎂濃度升高而降低；蔗糖、果糖和可溶性糖含量均在T1處理最大，分別為0.025、5.509 mg·g-1和23.232 mg·g-1；蔗糖含量變化與莖葉中完全一致，T1處理的蔗糖含量分別是T2、T3、T4處理和對(duì)照處理的1.19、1.22、1.23倍和1.13倍；果糖含量變化與莖葉中基本相同，隨鎂濃度升高呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，其含量在T3處理時(shí)最小，為2.667 mg·g-1，是T1處理的48.4%，與T4處理和對(duì)照差異不顯著；可溶性糖含量最低的是對(duì)照，為10.533 mg·g-1，分別是T1、T2、T3和T4處理的45.3%、64.2%、85.2%、67.6%，與T3處理無(wú)顯著差異。

表3 低鎂脅迫對(duì)馬鈴薯試管苗淀粉、蔗糖、果糖和可溶性糖含量的影響/(mg·g-1)Table 3 The effects of low-Mg2+ concentration on starch, sucrose,fructose and soluble sugar content of potato plantlet in vitro

2.3 低鎂脅迫對(duì)馬鈴薯試管苗根冠比的影響

為闡明鎂與馬鈴薯試管苗根冠比的關(guān)系，測(cè)定了不同低鎂濃度下馬鈴薯試管苗根冠比。結(jié)果顯示(表4)，馬鈴薯試管苗地上部分的鮮重和干重在T1處理時(shí)均降低為最低值，分別為112.33、12.85 g·株-1，為對(duì)照的47.2%和64.5%，與T2處理差異不顯著。隨著鎂濃度升高，馬鈴薯試管苗地上部分的鮮重和干重呈增加趨勢(shì)，T4處理的鮮重和干重均達(dá)最大值，分別為255.57、21.81 g·株-1，與對(duì)照無(wú)顯著差異。馬鈴薯試管苗根系的鮮重和干重均在T1處理時(shí)為最小值，分別是2.25、0.11 g·株-1，為對(duì)照的13.4%和2.2%，與T2、T3、T4處理和對(duì)照差異顯著。馬鈴薯試管苗的根冠比在T1處理時(shí)為0.91，隨著鎂濃度升高，根冠比顯著增大，T2、T3、T4處理和對(duì)照的根冠比分別是T1處理的25、28、27倍和28倍。

表4 低鎂脅迫對(duì)馬鈴薯試管苗鮮重、干重和根冠比的影響Table 4 The effects of low-Mg2+ concentration on fresh weight, dry weight and root/shoot ratio of potato plantlet in vitro

2.4 低鎂脅迫對(duì)馬鈴薯試管苗根系形態(tài)的影響

對(duì)不同低鎂濃度下馬鈴薯試管苗根系形態(tài)進(jìn)行觀察，并對(duì)形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行定量分析。結(jié)果(圖1，表5)表明，馬鈴薯試管苗的總根長(zhǎng)、根表面積、根體積和側(cè)根數(shù)均在T1處理時(shí)為最小值，分別為對(duì)照的36.1%、45.9%、17.6%和10.1%，顯著低于T2、T3、T4處理和對(duì)照；而平均根直徑在T1處理最大，為0.54 mm，與T2、T3、T4處理和對(duì)照差異顯著。T2、T3和T4處理的馬鈴薯試管苗的總根長(zhǎng)、根表面積、平均根直徑以及根體積與對(duì)照差異不顯著，側(cè)根數(shù)卻顯著增加，T2、T3和T4處理的側(cè)根數(shù)分別是對(duì)照的1.7、1.8倍和2.4倍。

表5 低鎂脅迫對(duì)馬鈴薯試管苗根系形態(tài)的影響Table 5 The effects of low-Mg2+concentration on root morphology of potato plantlet in vitro

圖1 低鎂脅迫下馬鈴薯試管苗形態(tài)(A,T1處理; B,T2處理; C,T3處理; D,T4處理; E,CK)Fig.1 The effects of low-Mg2+ concentration on morphology of potato plantlet in vitro (A, T1; B, T2; C, T3; D, T4; E, CK)

2.5 馬鈴薯試管苗碳水化合物含量與鎂濃度相關(guān)性分析

對(duì)馬鈴薯試管苗的淀粉、果糖和可溶性糖含量與鎂濃度的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示(圖2)，馬鈴薯試管苗莖葉中的淀粉、果糖和可溶性糖含量與鎂濃度均呈顯著負(fù)相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

馬鈴薯試管苗是進(jìn)行微型薯生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其生長(zhǎng)發(fā)育狀況直接關(guān)系到微型薯的產(chǎn)量和品質(zhì)。較早生根、長(zhǎng)勢(shì)良好的試管苗能誘導(dǎo)出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的微型薯。鎂不僅參與植物光合產(chǎn)物的合成、運(yùn)輸和分配，還影響根系的形態(tài)建成，與植物長(zhǎng)勢(shì)緊密相關(guān)。在植物體內(nèi)，鎂是葉綠素的組成成分，還參與鎂螯合酶的激活[13]，而葉綠素的合成需要該酶催化，在完全缺鎂狀態(tài)下，馬鈴薯試管苗的葉綠素、Chla和Chlb含量均為最低，Chla/ Chlb值最高，表明缺鎂不利于合成Chlb，而Chlb合成影響植株的捕光能力，同時(shí)缺鎂還會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)依賴Mg2+的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBPcase)活性受到抑制[14]，引起植株CO2固定反應(yīng)下降，光合速率降低，最終造成植株光合產(chǎn)物合成減少。鎂還參與激活植物體內(nèi)磷酸化酶、磷酸激酶和焦磷酸酶等光合產(chǎn)物合成與運(yùn)輸過(guò)程中的關(guān)鍵酶，在完全缺鎂時(shí)，這些酶不能被激活，碳水化合物無(wú)法正常運(yùn)輸，僅有的淀粉和蔗糖在莖葉中大量積累，向根部輸送的碳水化合物減少，馬鈴薯試管苗的總根長(zhǎng)、根表面積、根體積和側(cè)根數(shù)減少，根系不能形成足夠的有效吸收面積，植株根冠比降低，根系系統(tǒng)不能建成有效的形態(tài)，無(wú)法從外界攝取充足營(yíng)養(yǎng)滿足植株正常生長(zhǎng)和發(fā)育的需要。植株葉中糖類(lèi)高濃度積累還會(huì)抑制編碼葉綠素a(Chla)和葉綠素b(Chlb)蛋白的Cab2基因的表達(dá)，引起植株體內(nèi)葉綠素含量下降[15]。缺鎂時(shí)，老葉中蔗糖輸出不受抑制，是植株運(yùn)輸碳水化合物到根系的最主要途徑。14C蔗糖標(biāo)記也表明，蔗糖在植株頂葉大量積累是由于蔗糖從頂葉運(yùn)出被抑制而引起的[16]，分子水平的分析顯示缺鎂會(huì)誘導(dǎo)編碼伴胞中蔗糖/H+轉(zhuǎn)運(yùn)體的BvSUT1基因在頂葉上調(diào)表達(dá)，但韌皮部的蔗糖裝載量并未增加，表明它的蔗糖裝載可能存在缺陷[17-18]。馬鈴薯試管苗淀粉和蔗糖在頂葉積累的原因可能就是缺鎂導(dǎo)致的韌皮部蔗糖裝載缺陷。鎂還與ATP相互作用，產(chǎn)生質(zhì)子流為蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)提供能量[19]。這說(shuō)明缺鎂時(shí)，除試管苗光合效率下降導(dǎo)致碳水化合物合成減少外，運(yùn)輸途徑受阻也是試管苗根系無(wú)法獲取足夠營(yíng)養(yǎng)并建成正常根系形態(tài)的原因。低鎂水平和高鎂水平下馬鈴薯試管苗植株的葉綠素、Chla和Chlb含量升高，Chla/ Chlb值降低，光合產(chǎn)物合成增多，根系的生長(zhǎng)顯著增加，尤其是側(cè)根，植株的根冠比升高；其次，低鎂脅迫(約1/2對(duì)照水平)和高鎂水平(對(duì)照)時(shí)馬鈴薯試管苗的碳水化合物運(yùn)輸恢復(fù)正常，最終植株能夠運(yùn)輸較多碳水化合物用于根系的形態(tài)建成，低鎂脅迫(約1/2對(duì)照水平)下馬鈴薯試管苗根系側(cè)根數(shù)高于正常鎂水平，可能是馬鈴薯試管苗對(duì)低鎂脅迫的一種適應(yīng)性反應(yīng)，通過(guò)增加根系側(cè)根來(lái)吸收更多的鎂和其他營(yíng)養(yǎng)，低營(yíng)養(yǎng)條件下側(cè)根發(fā)生發(fā)育高于高營(yíng)養(yǎng)條件的現(xiàn)象在其它植物響應(yīng)低養(yǎng)分脅迫時(shí)也普遍存在[20]。植物在低鎂水平時(shí)，合成尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)所需酶無(wú)法被激活[21-22]，影響蔗糖合成，造成果糖含量較高，說(shuō)明多糖的合成過(guò)程還沒(méi)有完全恢復(fù)，同時(shí)植物體內(nèi)與碳水化合物代謝有關(guān)的磷酸化酶、磷酸激酶和焦磷酸酶活性受到抑制[23]，碳水化合物的轉(zhuǎn)化和再利用較少，造成可溶性糖積累。高鎂水平(正常)下馬鈴薯試管苗合成蔗糖的途徑得到恢復(fù)，果糖含量降低，同時(shí)可溶性糖的代謝也恢復(fù)正常，含量減少。

圖2 馬鈴薯試管苗碳水化合物含量與鎂濃度的相關(guān)性Fig.2 The correlation analysis between carbohydrates and Mg2+ level of potato plantlet in vitro

因此，缺鎂會(huì)使馬鈴薯試管苗的葉綠素含量降低，嚴(yán)重影響光合產(chǎn)物合成和碳水化合物的積累與分配，使植株的根冠比降低，抑制植株生長(zhǎng)；低鎂脅迫(約1/2對(duì)照水平)下馬鈴薯試管苗葉綠素含量增加，光合效率提高，同時(shí)促使碳水化合物向根系運(yùn)輸，根冠比增大，促進(jìn)根系的形態(tài)建成，與正常鎂水平(對(duì)照)下馬鈴薯試管苗指標(biāo)的變化差異不大，適宜于馬鈴薯試管苗的生長(zhǎng)，為微型薯的生產(chǎn)提供良好條件。