甜瓜耐低鉀基因型的苗期篩選研究

康利允，常高正，馬政華，李曉慧，高寧寧，梁 慎，徐小利，李海倫，王慧穎，趙衛(wèi)星

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學院 園藝研究所，河南 鄭州 450002；2.河南省農(nóng)業(yè)科學院，河南 鄭州 450002)

鉀是作物必需的大量元素之一，在植物體內(nèi)的功能主要是參與酶的激活、物質(zhì)運輸、滲透調(diào)節(jié)及蛋白質(zhì)的合成，對品質(zhì)的形成非常關(guān)鍵，素有“品質(zhì)元素”之稱[1]。甜瓜作為人們最喜愛的水果之一，對鉀的需求量超過氮[2-3]。而過量施用鉀肥，在提高作物產(chǎn)量的同時，還會導致鉀肥利用率偏低，影響作物對其他營養(yǎng)元素如鎂、鈣的吸收，破壞土壤營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，還會造成水體污染、生產(chǎn)成本增加等[4-5]。因此，利用甜瓜遺傳多樣性，篩選耐低鉀的甜瓜基因型，發(fā)掘甜瓜自身吸收利用鉀素的潛力，提高鉀素營養(yǎng)效率，培育鉀高效利用甜瓜品種，實現(xiàn)甜瓜生產(chǎn)中鉀肥高效利用，對促進我國甜瓜高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)具有十分重要的意義。

國外關(guān)于作物耐低鉀基因型篩選研究較早，涉及大麥[6]、甘薯[7]、芒麥草[8]等作物，國內(nèi)起步相對較晚，但在水稻[9]、玉米[10]、小麥[11]等作物上亦開展了大量研究，園藝作物研究較少，而甜瓜作為一種喜鉀作物，國內(nèi)鮮有文獻報道，直到2018年才有系統(tǒng)性的報道。黃隆堂等[12]在水培條件下，初步確立莖粗和地下部干質(zhì)量作為甜瓜耐低鉀基因型的篩選指標，并指出六葉期可作為甜瓜耐低鉀基因型苗期篩選的適宜苗齡。本研究收集45個厚皮甜瓜品種(系)，采用基質(zhì)栽培方法，通過研究不同甜瓜品種(系)對低鉀脅迫的響應和評價，確定指示性最強的苗期篩選指標，挖掘甜瓜自身吸收利用鉀素的潛力，以期為甜瓜耐低鉀基因型的苗期篩選提供切實有效的方法。

1 材料和方法

1.1 供試材料

以45個厚皮甜瓜品種(系)為供試材料，種子均由河南省農(nóng)業(yè)科學院園藝研究所提供。甜瓜品種(系)的編號及名稱見表1。

表1 供試甜瓜品種(系)Tab.1 Melon genotypes for test

1.2 試驗設計

試驗于2018年5—6月在河南省農(nóng)業(yè)科學院溫室進行。采用穴盤基質(zhì)栽培方法，培養(yǎng)基質(zhì)為V(草炭)∶V(蛭石)=3∶1。設適鉀(K+2.50 mmol/L)和低鉀(K+0.01 mmol/L)2個處理。挑選籽粒飽滿、均勻一致的種子直播于32孔穴盤中，待子葉完全展開后，澆pH值為6.0的營養(yǎng)液，營養(yǎng)液由1/2倍Hoagland和1/1 000倍Arnon微量元素組成。第1周用1/4濃度營養(yǎng)液，第2周用1/2濃度營養(yǎng)液，第3周以后均用全量營養(yǎng)液。

1.3 測定項目與方法

待植株生長到五葉期(以低鉀處理為標準)時，取20株甜瓜苗分別測定最新完全展開葉SPAD值、株高、莖粗、葉面積、根體積、根系生物量等。將甜瓜苗分成植株和根系兩部分，分別于105 ℃殺青30 min后，75 ℃烘至恒定質(zhì)量，分別測量植株生物量和根系生物量。鉀含量采用用濃硫酸-過氧化氫法消煮，火焰光度法測定[13]。

鉀利用指數(shù)(g2/g)=植株生物量(g)/鉀含量(mg/g)×1 000；

鉀累積量(mg/株)=植株生物量(mg/株)×植株含鉀量(%)；

脅迫系數(shù)=(適鉀處理參數(shù)-低鉀處理參數(shù))/適鉀處理參數(shù)×100%。

隸屬函數(shù)值X(ij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)，X(ij)表示i篩選指標j品種(系)的隸屬值；Xij表示i篩選指標j品種(系)的測定值；Xjmax、Xjmin分別為品種(系)內(nèi)的最大值和最小值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用 Excel 2007和SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜瓜苗期耐低鉀能力的篩選

2.1.1 相關(guān)農(nóng)藝性狀的差異 由表2可知，與適鉀處理相比，低鉀水平下甜瓜苗期SPAD值、株高、莖粗、葉面積、根系活力、根系總吸收面積、根體積、植株生物量、根系生物量、鉀累積量等10個農(nóng)藝性狀指標的平均值均顯著降低，其中，對低鉀脅迫響應最為敏感的性狀為鉀累積量、根系活力和植株生物量，脅迫系數(shù)分別高達63.3%、50.7%和35.7%，而甜瓜苗期鉀利用指數(shù)則相反，低鉀較適鉀處理顯著增加78.3%。

不同供鉀條件下，甜瓜苗期11個農(nóng)藝性狀在品種(系)間的變異幅度均較大，除SPAD值、適鉀水平下的莖粗外，變異系數(shù)均為10.0%以上，表明這些農(nóng)藝性狀對低鉀脅迫較為敏感，甜瓜苗期在耐低鉀方面存在顯著的遺傳差異性，這為耐低鉀甜瓜品品(系)的篩選提供了可能；在低鉀條件下，除根體積外其他農(nóng)藝性狀在品種(系)間的變異幅度均較適鉀處理明顯升高，其中鉀利用指數(shù)的品種(系)間變異幅度升高最大，增加56.9%。

表2 不同供鉀水平下甜瓜苗期生長發(fā)育的差異Tab.2 Differences in growth and development of melon seedlings under different potassium levels

注：不同小寫字母表示同一指標不同處理差異顯著(P<0.05)。
Note:Different letters indicate significant difference in different treatment of the same index(P<0.05)。

2.1.2 各農(nóng)藝性狀相對值的相關(guān)分析 各農(nóng)藝性狀相關(guān)分析結(jié)果表明(表3)，SPAD值與根系總吸收面積呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與莖粗、葉面積、根體積呈顯著正相關(guān)關(guān)系；株高與根系活力、根系總吸收面積及鉀累積量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與根體積、植株生物量、根系生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與鉀利用指數(shù)呈顯著負相關(guān)關(guān)系；莖粗與鉀累積量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與根系活力、根體積呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與鉀利用指數(shù)呈極顯著負相關(guān)關(guān)系；葉面積與根系總吸收面積、根體積、根系生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；根系活力與鉀累積量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與鉀利用指數(shù)呈極顯著負相關(guān)關(guān)系；根系總吸收面積與根體積呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；根體積與植株生物量、根系生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；植株生物量與鉀累積量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與根系生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；根系生物量與鉀累積量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；鉀利用指數(shù)與鉀累積量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系。表明這11個農(nóng)藝性狀綜合影響甜瓜苗期的耐低鉀能力，可作為篩選耐低鉀甜瓜品種(系)的指標。

表3 不同供鉀水平下甜瓜苗期農(nóng)藝性狀相對值的相關(guān)分析Tab.3 Correlation analysis of relative agronomic traits of melon seedlings under different potassium levels

注：*和**分別表示相關(guān)性達0.05、0.01水平，下同。
Note:* and ** mean significant at 0.05 and 0.01 level,respectively,the same below.

2.2 采用主成分分析法初篩甜瓜品種(系)結(jié)果

由對各農(nóng)藝性狀分析結(jié)果可知，不能簡單通過一個或幾個農(nóng)藝性狀對甜瓜品種(系)耐低鉀能力強弱進行評價，需要對各農(nóng)藝性狀進行綜合評價。相關(guān)分析表明，各農(nóng)藝性狀間存在不同程度的相關(guān)性，直接利用這11個農(nóng)藝性狀對甜瓜品種(系)耐低鉀能力進行評價將會使結(jié)果產(chǎn)生偏差，不能對不同甜瓜品種(系)耐低鉀能力強弱差異進行科學評價。本試驗采用主成分分析綜合得分法，將原來的11個農(nóng)藝性狀的相對變化值(脅迫系數(shù))構(gòu)建原始數(shù)據(jù)矩陣，經(jīng)過數(shù)據(jù)標準化處理，按其貢獻率大小選擇主成分個數(shù)(表4)，根據(jù)特征值大于1的原則，選取了3個主成分(表5)。

由表4和表5可知，主成分1由鉀累積量、株高、植株生物量、根系總吸收面積、根體積決定，方差貢獻率為35.643%，主成分2由SPAD值、葉面積決定，方差貢獻率為16.000%，主成分3由莖粗、根系活力、鉀利用指數(shù)決定，方差貢獻率為10.695%，前3個主成分的累計貢獻率為62.338%，特征值之和為6.857，即前3個主成分可以反映出由上述農(nóng)藝性狀所表征的甜瓜品種(系)耐低鉀能力的差異。

表4 不同供鉀水平下甜瓜苗期農(nóng)藝性狀的主成分特征值和貢獻率Tab.4 Eigenvalues and variance contributions of the principal components of melon agronomic traits at seedling stage under different potassium levels

表5 不同供鉀水平下甜瓜苗期農(nóng)藝性狀各綜合指標的系數(shù)Tab.5 The contribution rate of comprehensive index of melon agronomic traits at seedling stage under different potassium levels

利用隸屬函數(shù)將3個主成分決定指標(鉀累積量、株高、植株生物量、根系總吸收面積、根體積、SPAD值、葉面積、莖粗、根系活力、鉀利用指數(shù))的脅迫系數(shù)進行歸一化處理以消除量綱差異，作為評價耐低鉀能力的新指標，然后采用Ward法的歐氏距離衡量不同品種(系)耐低鉀能力差異大小，以各農(nóng)藝性狀的隸屬函數(shù)值為變量對45個品種(系)進行聚類分析。由聚類樹形圖(圖1)可直觀看出，在歐氏距離為14時將45個甜瓜品種(系)分為4類，Ⅰ類為耐低鉀型品種(系)，分別有將軍玉、錦繡、雪蜜、IVF168、豐蜜29、銀蜜58、15-178、T65、T49、T15、T23、T59、T114、T119、T213、T238、T344；Ⅱ類為中耐低鉀型品種(系)，分別有眾云18、眾天8號、IVF523、白玫、錢隆蜜、風味五號、T34、T73、T37、16-180、T36、15-28、T22、T29、T31、T124、T125、T126、T136、T137、T162、T164、T223、T333、T347、T360；Ⅲ類為低鉀弱敏感型品種(系)，有T221；Ⅳ類為低鉀敏感型品種(系)，有T120。

圖1 不同供鉀水平下甜瓜苗期隸屬函數(shù)值的聚類樹形圖Fig.1 Arborescence of cluster analysis of melon seedling subordinate function value under different potassium levels

3 結(jié)論與討論

眾所周知，我國鉀資源匱乏，耕地普遍缺鉀[14]，因此，如何提高農(nóng)作物的鉀利用效率是最有效的方法之一。不同種類作物對鉀元素的吸收利用差異普遍存在[15-16]，同一作物的不同基因型亦存在明顯差異[17-18]。甜瓜作為我國人民最喜愛的水果之一，利用不同甜瓜基因型對鉀元素吸收利用的遺傳差異，培育耐低鉀的甜瓜品種(系)，是減少鉀肥用量，降低成本，提高甜瓜鉀利用效率及營養(yǎng)逆境能力的重要策略。

耐低鉀品種指鉀養(yǎng)分在較低水平下，作物仍能夠吸收利用較多的鉀素，構(gòu)建自身較大的生物產(chǎn)量，且在增加鉀濃度情況下作物生長未有明顯變化。楊佳蒴等[19]研究認為，棉花苗期與全生育期對低鉀脅迫的響應基本一致，且田間種植耗時、費工、效率低。本試驗通過苗期基質(zhì)栽培對甜瓜苗期的某些生長、生理指標進行快速篩選，在不漏掉有用種質(zhì)資源的前提下，適當縮小供試群體。

目前耐低鉀基因型篩選指標仍缺乏統(tǒng)一的標準，不同研究者評價和鑒定作物耐低鉀能力的指標不一致。田曉莉等[20]以棉花五葉期生物量、吸鉀量和鉀利用指數(shù)為主要篩選指標，結(jié)合根長、根表面積進行鉀高效基因型的篩選。楊佳麗[21]認為，根系活力、莖粗、過氧化物酶活性可作為番茄苗期鉀高效基因型篩選指標，其中根系活力為最適指標。張正社等[22]以生物量、鉀累積量和鉀利用效率作為耐低鉀指數(shù)，對山羊草苗期進行了耐低鉀評價。唐忠厚等[23]的長期肥料定位試驗結(jié)果表明，甘薯塊根鉀利用效率與鉀敏感性可作為耐低鉀甘薯基因型篩選的主要指標。徐順莉等[24]發(fā)現(xiàn)，相對生物量、鉀含量和鉀累積量可作為切花菊耐低鉀特性的評價指標，對供試群體進行耐低鉀評價。

鉀高效吸收利用是多種因素綜合作用的復雜性狀，不同甜瓜品種(系)的耐低鉀機制不盡相同，同時，不同甜瓜品種(系)對某一個具體耐低鉀指標的反映也不盡相同，因此，需要綜合多個指標才能準確全面地反映其耐低鉀能力的強弱。本研究采用主成分分析方法，將甜瓜苗期SPAD值、株高、莖粗、葉面積、根系活力、根系總吸收面積、根體積、植株生物量、鉀利用指數(shù)、鉀累積量這10個農(nóng)藝性狀轉(zhuǎn)換為3個綜合指標C1、C2、C3，這3個綜合指標彼此獨立，使各品種(系)的性狀得以量化，得到的結(jié)果更加可靠。王西志等[25]、貴會平等[26]、文琴[27]也利用主成分分析、隸屬函數(shù)和聚類分析篩選出耐低鉀玉米品種。本試驗采用這種方法，初步篩選出耐低鉀品種(系)，將不同甜瓜品種(系)劃分為耐低鉀型品種(系)、中耐低鉀型品種(系)、低鉀弱敏感型品種(系)、低鉀敏感型品種(系)4類，這為選育耐低鉀性較強的甜瓜高產(chǎn)品種提供一定的耐低鉀種質(zhì)資源。然而，甜瓜品種(系)耐低鉀性和高產(chǎn)性并不存在一致性，因此本試驗為下一步將要進行的全生育期田間試驗耐低鉀高產(chǎn)品種的篩選提供了基礎材料。