薏苡耐低鉀指標(biāo)篩選與分析

錢 兵， 時(shí)丕彪， 彭亞民， 王 軍， 費(fèi)月躍， 耿安紅， 王春云， 李亞芳， 郭樹慶

(鹽城市新洋農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站，江蘇射陽(yáng) 224049)

鉀是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素之一，鉀離子廣泛分布于植物組織中，是植物體內(nèi)含量最豐富的1價(jià)陽(yáng)離子[1]。土壤鉀是植物鉀素最主要的來(lái)源，然而土壤缺鉀以及鉀肥短缺已經(jīng)成為制約我國(guó)乃至世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要限制因子之一[2]。相關(guān)研究表明，不同作物或相同作物不同基因型對(duì)低鉀的耐性存在著明顯的基因型差異[3-6]，品系鉀營(yíng)養(yǎng)利用效率差異是可遺傳的。我國(guó)植物種質(zhì)資源豐富，通過(guò)常規(guī)育種和生物技術(shù)培育出鉀利用效率高的優(yōu)良品系，這不但在理論上是可行的，而且在生產(chǎn)上也具有重要意義。目前，在水稻、小麥、玉米、大豆、土豆等作物上已展開了研究[7-13]。利用和選育耐低鉀的植物基因型，挖掘作物自身基因潛力，是提高鉀素營(yíng)養(yǎng)效率和緩解我國(guó)鉀素資源短缺、促進(jìn)生態(tài)環(huán)保型農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

薏苡是我國(guó)傳統(tǒng)的藥食兼用型食品資源之一，隨著人們對(duì)健康綠色食品的意識(shí)不斷提高，薏苡在藥食、飲品等方面的開發(fā)研究越來(lái)越廣泛。近年來(lái)，有關(guān)鉀高效種質(zhì)資源篩選的研究采用的篩選環(huán)境有大田、土培、沙培、液培等，篩選指標(biāo)有鉀利用效率、鉀利用指數(shù)、生物量、鉀吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)、吸鉀量和鉀吸收效率等。缺鉀對(duì)其產(chǎn)量和品質(zhì)均有較大影響，培育薏苡鉀利用高效新品種迫在眉睫。雖然鉀等大量元素對(duì)薏苡的影響已有一些研究，但有關(guān)薏苡耐低鉀品系的研究等至今尚缺乏系統(tǒng)的報(bào)道。因此，本研究在沙培條件下，對(duì)不同品種薏苡幼苗的鉀素利用效率及耐低鉀能力進(jìn)行比較，確定主要的篩選指標(biāo)及耐低鉀品種，以期為在有限鉀素資源條件下充分利用薏苡遺傳性狀獲得高產(chǎn)和鉀素高效利用上提供理論支撐，也為生產(chǎn)上培育鉀素高效利用薏苡新品種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試薏苡品種有龍薏1號(hào)、莊河薏苡、新薏1251、新白薏1370、浦薏6號(hào)、薄殼紅衣等，市場(chǎng)上薏苡品種資源目前不多，栽培用的多為農(nóng)家種。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 營(yíng)養(yǎng)液配制 化學(xué)試劑均為分析純，用蒸餾水配制，配制溶液濃度如下所示，然后將各溶液混合成完全營(yíng)養(yǎng)液和缺鉀營(yíng)養(yǎng)液。

完全營(yíng)養(yǎng)液成分：5.0 mmol/L Ca(NO3)2，5.0 mmol/L KNO3，2.0 mmol/L MgSO4，1.0 mmol/L KH2PO4，0.1 mmol/L EDTA-Fe，37 μmol/L H3BO4，9.1 μmol/L MnCl2，0.32 μmol/L CuSO4，0.77 μmol/L ZnSO4，0.5 μmol/L Na2MoO4。

缺鉀營(yíng)養(yǎng)液成分：5.0 mmol/L Ca(NO3)2，5.0 mmol/L NaNO3，2.0 mmol/L MgSO4，1.0 mmol/L NaH2PO4，0.1 mmol/L EDTA-Fe，37 μmol/L H3BO4，9.1 μmol/L MnCl2，0.32 μmol/L CuSO4，0.77 μmol/L ZnSO4，0.5 μmol/L Na2MoO4。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于2017年4月于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院鹽城市新洋農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站實(shí)驗(yàn)室及溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。將薏苡種子播種在裝有約7 cm高的河沙(速效鉀含量為13 mg/kg)塑料盆中(盆口長(zhǎng)32 cm、寬25 cm，盆底長(zhǎng)29 cm、寬21 cm，盆高10 cm，盆底有14個(gè)透氣孔)，每盆200粒，每個(gè)品種種2盆，共12盆。9 d后子葉平展并進(jìn)行間苗，每盆留70株。每個(gè)品種設(shè)置2個(gè)鉀水平：K0(低鉀，澆灌缺鉀營(yíng)養(yǎng)液，0 mmol/L)、K1(高鉀，澆灌完全營(yíng)養(yǎng)液，6.0 mmol/L)。每隔2 d分別澆灌 300 mL 相應(yīng)的1/2濃度營(yíng)養(yǎng)液，子葉平展后改為300 mL全濃度營(yíng)養(yǎng)液，培養(yǎng)至第10天(3～4葉期)進(jìn)行第1次取樣。7 d 后(5～6葉期)進(jìn)行第2次取樣。各處理每次取生長(zhǎng)狀況完好、大小相同的15株幼苗，分3組，設(shè)3次重復(fù)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 生物量測(cè)定 將植株從沙中完整取出，用蒸餾水快速?zèng)_洗全部樣品地上部的灰塵，并小心將根部沖洗干凈。用吸水紙吸干植株表面水分，分別稱取地上部和地下部鮮質(zhì)量。將鮮樣置70℃的烘箱內(nèi)烘至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量。

1.3.2 幼苗根系形態(tài)指標(biāo) 用根系掃描分析系統(tǒng)(WinRHIZO)分析測(cè)定薏苡根系總長(zhǎng)、根體積、根表面積、根平均直徑及根尖數(shù)等指標(biāo)。

1.3.3 生物含鉀量測(cè)定 樣品烘干稱質(zhì)量后，粉碎、過(guò)60目篩，用1 mol/L HCl溶液浸提5 h，振蕩30 min，過(guò)濾，用火焰光度計(jì)測(cè)定濾液中鉀的含量，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.3.4 其他指標(biāo)的計(jì)算 由以上所測(cè)指標(biāo)分別計(jì)算出根冠比、生物吸鉀量、鉀體內(nèi)利用效率、鉀吸收速率等其他相關(guān)指標(biāo)，計(jì)算公式如下：根冠比=植株地下部干質(zhì)量/植株地上部干質(zhì)量；生物吸鉀量=植株地上部干質(zhì)量×植株地上部含鉀量+植株地下部干質(zhì)量×植株地下部含鉀量；鉀體內(nèi)利用效率=整株生物量/整株吸鉀量×100%；鉀吸收速率=兩時(shí)期生物吸鉀量之差/(兩時(shí)期根長(zhǎng)之差×取樣時(shí)間間隔)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0和Excel 2003對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與作表。

2 結(jié)果與分析

2.1 薏苡生物量指標(biāo)及根冠比的基因型差異

由表1可以看出，3～4葉期時(shí)，施鉀不能使每個(gè)品種的生物量指標(biāo)和根冠比都有所升高。施鉀可以顯著增加龍薏1號(hào)、新白薏1370和浦薏6號(hào)的生物量，顯著降低新薏1251和薄殼紅衣的生物量；施鉀顯著增加浦薏6號(hào)的根冠比，但對(duì)其他品種的根冠比無(wú)顯著影響。由表2可知，施鉀能顯著增加龍薏1號(hào)、莊河薏苡、新薏1251和新白薏1370的生物量，顯著降低薄殼紅衣的生物量，對(duì)浦薏6號(hào)的生物量影響不顯著；施鉀并沒(méi)有對(duì)各品種的根冠比產(chǎn)生顯著影響。低鉀處理下，各品種間的生物量存在顯著差異(除龍薏1號(hào)與薄殼紅衣差異不顯著外)，根冠比在各品種間存在一定差異。

2.2 低鉀脅迫對(duì)不同品種薏苡根系形態(tài)特征的影響

根系的發(fā)育狀況和活力水平在一定程度上影響著植物體內(nèi)的鉀營(yíng)養(yǎng)狀況，根系發(fā)達(dá)、活力強(qiáng)、表面積大的植物可獲得更多的養(yǎng)分[14]。有研究認(rèn)為，耐低鉀優(yōu)良基因型在根形態(tài)上的特征是根冠比高，根系縱向、側(cè)向分布廣泛，根數(shù)多而纖細(xì)[15]。由表3可知，3～4葉期，施鉀能顯著增加浦薏6號(hào)的各種根系形態(tài)指標(biāo)，顯著增加各品種(除新薏1251外)的總根長(zhǎng)和根表面積，對(duì)龍薏1號(hào)、莊河薏苡、新薏1251和薄殼紅衣的根平均直徑與根體積影響不顯著，但顯著降低了薄殼紅衣的根尖數(shù)。低鉀處理下，總根長(zhǎng)與根尖數(shù)在品種間存在顯著差異(除新薏1251和莊河薏苡的根尖數(shù)差異不顯著外)，新薏1251的根表面積、根體積均顯著高于其他品種。

表1 薏苡3～4葉期生物量和根冠比的基因型差異

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下表同。

表2 薏苡5～6葉期生物量和根冠比的基因型差異

表3 3～4葉期單株根系各篩選指標(biāo)的基因型差異

5～6葉期，施鉀顯著增加了龍薏1號(hào)和莊河薏苡的總根長(zhǎng)、根表面積與根尖數(shù)，顯著降低了新薏1251的各根系形態(tài)指標(biāo)及新白薏1370的總根長(zhǎng)、根表面積、根尖數(shù)，鉀處理能使浦薏6號(hào)和薄殼紅衣的各種根系形態(tài)指標(biāo)發(fā)生相同程度的變化，如顯著降低總根長(zhǎng)，顯著增加根體積和根尖數(shù)，對(duì)根表面積和根平均直徑影響不顯著。低鉀處理下，總根長(zhǎng)與根尖數(shù)在品種間存在顯著性差異，新薏1251的根表面積、平均直徑和體積均顯著高于除新白薏1370外的其他品種(表4)。

表4 5～6葉期根系各篩選指標(biāo)的基因型差異

2.3 生物指標(biāo)在不同苗齡的基因型比較

篩選耐低鉀薏苡基因型的生物指標(biāo)可分為含鉀量、吸鉀量和鉀體內(nèi)利用效率。從表5可以看出，在不同苗齡施鉀均能顯著增加各品種的生物含鉀量和生物吸鉀量，且顯著降低它們的鉀體內(nèi)利用效率。3～4葉期時(shí)，在低鉀處理下，新薏1251的生物含鉀量和生物吸鉀量均顯著高于其他品種，鉀體內(nèi)利用效率顯著低于其他品種。5～6葉期時(shí)，在低鉀處理下，生物含鉀量和生物吸鉀量在品種間存在一定的差異，新薏1251的鉀體內(nèi)利用效率最大，達(dá)到72.035%。

表5 不同苗齡各生物指標(biāo)的基因型差異

2.4 篩選指標(biāo)的變異比較

由表6可知，3～4葉期，在低鉀處理下，生物吸鉀量的變異系數(shù)最大，達(dá)到55.023%，生物含鉀量的次之，為40.078%，根表面積、根體積和根尖數(shù)的變異系數(shù)均在30%左右，其他指標(biāo)(根平均直徑除外)的變異系數(shù)都分布在20%左右；在高鉀處理下，地下部干質(zhì)量的變異系數(shù)最大，達(dá)到30.146%，根冠比和根尖數(shù)在20%左右，其他指標(biāo)的變異程度相近，均集中在10%左右。而5～6葉期，高鉀處理下篩選指標(biāo)變異系數(shù)的變化規(guī)律與低鉀處理基本一致?？梢姡?～4葉期各篩選指標(biāo)在2種鉀濃度處理下的變異系數(shù)不盡相同，其中，生物吸鉀量和生物含鉀量適合作為篩選指標(biāo)進(jìn)行薏苡資源材料的耐低鉀特性分析。

2.5 鉀吸收速率的基因型差異與變異比較

鉀吸收速率反映一定時(shí)間內(nèi)吸鉀量與根系長(zhǎng)度增長(zhǎng)量比值的大小，可作為篩選耐低鉀基因型的重要指標(biāo)。由表7可以看出，低鉀處理下，鉀吸收速率在6個(gè)品種間存在顯著性差異(除龍薏1號(hào)與浦薏6號(hào)外)。鉀吸收速率的變異系數(shù)較大，在低鉀處理下達(dá)到 59.601%，在高鉀處理下達(dá)到44.558%。通過(guò)與以上所測(cè)指標(biāo)的變異系數(shù)相比較可知，低鉀處理下鉀吸收速率的變異系數(shù)最大，也就是說(shuō)，篩選耐低鉀薏苡基因型首選的指標(biāo)應(yīng)為鉀吸收速率。

表6 不同苗齡各篩選指標(biāo)的變異系數(shù) %

表7 薏苡幼苗鉀吸收速率的基因型差異

2.6 低鉀脅迫對(duì)3～4葉期各篩選指標(biāo)間相關(guān)性的影響

由表8可以看出，3～4葉期，在低鉀處理下，生物吸鉀量和生物含鉀量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，并且它們都與鉀體內(nèi)利用效率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，生物量、根冠比、總根長(zhǎng)、根表面積和根尖數(shù)均與生物吸鉀量的相關(guān)性不大。

5～6葉期(表9)，在低鉀處理下，生物量、生物含鉀量都與生物吸鉀量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，生物量、總根長(zhǎng)都與生物含鉀量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，生物吸鉀量、生物含鉀量都與鉀體內(nèi)利用效率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，生物量與鉀體內(nèi)利用效率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。各種指標(biāo)與根冠比的相關(guān)系數(shù)均不大。

表8 3～4葉期低鉀條件下各單項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平上差異顯著、極顯著。表9同。

表9 5～6葉期低鉀條件下各單項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論與討論

3.1 3～4葉期為篩選耐低鉀薏苡基因型的最佳時(shí)期

基因型變異程度是衡量篩選苗齡是否適宜的重要依據(jù)，變異程度大，說(shuō)明該苗齡有利于基因型差異的顯示。低鉀處理下，3～4葉期生物吸鉀量的變異系數(shù)約為55%，5～6葉期則下降到20%左右，其變異系數(shù)下降程度大于其他各指標(biāo)?？梢?，薏苡苗期耐低鉀基因型篩選的適宜苗齡為3～4葉期。

3.2 薏苡耐低鉀基因型的最佳篩選指標(biāo)是鉀吸收速率，其次是生物吸鉀量和生物含鉀量

在幼苗生長(zhǎng)期，生物量是檢驗(yàn)植物耐低鉀能力高低的常規(guī)指標(biāo)，根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)可作為篩選耐低鉀植物品種的參考指標(biāo)，其他的重要篩選指標(biāo)還包括生物吸鉀量、鉀體內(nèi)利用效率、生物含鉀量、相對(duì)生物量和鉀吸收速率等。Sánchez-Calderón等認(rèn)為，缺鉀能對(duì)根系生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，通過(guò)鉀肥的施用，鉀素控制了吲哚乙酸氧化酶的活性，提高了吲哚乙酸的含量，促進(jìn)了根系的生長(zhǎng)[16]。Shin等認(rèn)為，缺鉀不抑制根系的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，卻顯著降低了側(cè)根數(shù)和側(cè)根分布密度[17]。實(shí)際上，很多文獻(xiàn)報(bào)道缺鉀會(huì)抑制主根伸長(zhǎng)生長(zhǎng)[18]，但能促進(jìn)根毛生長(zhǎng)[19]。鉀是一種在植物體內(nèi)可移動(dòng)的元素，根系吸收后轉(zhuǎn)運(yùn)至植物體的其他部位，對(duì)植物正常生理功能的進(jìn)行起著一定調(diào)控作用，從而對(duì)植物相關(guān)指標(biāo)產(chǎn)生影響。當(dāng)然，不同試驗(yàn)條件和試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間也可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)論不一致。

筆者認(rèn)為，生物量并非篩選耐低鉀基因型的最佳指標(biāo)。通過(guò)變異比較發(fā)現(xiàn)，3～4葉期薏苡鉀吸收速率的變異系數(shù)最大，生物吸鉀量和生物含鉀量次之。而變異系數(shù)越大，說(shuō)明該指標(biāo)越靈敏，因此可認(rèn)為最佳的篩選指標(biāo)是鉀吸收速率，其次是生物吸鉀量和生物含鉀量。