鉀素對(duì)馬鈴薯組培苗生長(zhǎng)及生理生化特性的影響

張茹艷，張衛(wèi)娜，康益晨，范艷玲，楊昕宇，余慧芳，王勇，劉玉匯，張俊蓮,，秦舒浩

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

鉀是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的大量元素之一，與氮、磷并列為植物營(yíng)養(yǎng)的“三大要素”，在作物的生長(zhǎng)發(fā)育和代謝過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[1].鉀作為生物體內(nèi)許多酶的活化劑，參與了植物體內(nèi)諸多代謝過(guò)程，如碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)的合成等[2].馬鈴薯(Solanumtuberosum)是我國(guó)廣泛種植的糧菜兼用型作物[3].馬鈴薯對(duì)鉀的需求量很高，作為一種典型的嗜鉀作物，充足的鉀源是保證馬鈴薯正常生長(zhǎng)的重要條件.馬鈴薯生產(chǎn)栽培中，合理施用鉀肥能夠增強(qiáng)馬鈴薯植株抗逆性，提高塊莖產(chǎn)量，改善塊莖品質(zhì).因此，馬鈴薯也被認(rèn)為是鉀可用性的指示作物[4-8].

已有大量的試驗(yàn)研究表明低鉀脅迫可導(dǎo)致水稻[9]、馬鈴薯[10]、小麥[11]、大蒜[12]、棉花[13]和大豆[14]等作物植株生物量減少，植株生長(zhǎng)緩慢，根系生長(zhǎng)受到抑制.在馬鈴薯生產(chǎn)當(dāng)中，不同施鉀水平對(duì)馬鈴薯的農(nóng)藝性狀、氮磷鉀素含量、干物質(zhì)、產(chǎn)量和品質(zhì)均會(huì)產(chǎn)生較大的影響.低鉀環(huán)境中適當(dāng)?shù)脑鍪┾浄士梢源龠M(jìn)馬鈴薯植株生長(zhǎng)健壯，莖稈粗壯堅(jiān)韌，增強(qiáng)抗旱、抗寒和抗病能力[14-15].同時(shí)，鉀也是組織培養(yǎng)的培養(yǎng)基中所必需的營(yíng)養(yǎng)元素[16].劉玉匯等[17]研究表明，60%的低鉀培養(yǎng)環(huán)境能促進(jìn)馬鈴薯組培苗的生長(zhǎng)，使其生物量增多.

采用組培方式獲得脫毒的健康種苗是解決病害的一個(gè)有效手段[18].目前對(duì)馬鈴薯研究最多的是馬鈴薯的脫毒、儲(chǔ)藏和平衡施肥，而對(duì)鉀素作用下馬鈴薯組培苗性狀研究較少[19-20].為探討鉀素濃度對(duì)馬鈴薯組培苗生長(zhǎng)發(fā)育能力的影響，獲得適生性更強(qiáng)的栽培種苗，本試驗(yàn)利用組織培養(yǎng)技術(shù)，通過(guò)設(shè)置不同的鉀素濃度，篩選最適合青薯9號(hào)組培苗生長(zhǎng)發(fā)育的鉀素濃度，研究鉀素對(duì)馬鈴薯組培苗生長(zhǎng)及生理生化特性的影響，以期為馬鈴薯生產(chǎn)和大量擴(kuò)繁組培苗提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試品種 供試品種：馬鈴薯品種青薯9號(hào)，由甘肅省定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供.

1.1.2 試驗(yàn)培養(yǎng)基 以MS培養(yǎng)基+30 g/L蔗糖為基礎(chǔ)液體培養(yǎng)基，將配好的培養(yǎng)基分裝到200 mL組培玻璃瓶中，每瓶裝50 mL，培養(yǎng)基分裝后置于121 ℃高壓鍋中滅菌30 min備用.

1.2 材料培養(yǎng)與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2018年9月～2019年6月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)蔬菜栽培與生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，2018年10月開(kāi)始擴(kuò)繁，挑選生長(zhǎng)一致的‘青薯9號(hào)’馬鈴薯組培苗，在無(wú)菌操作臺(tái)上剪取至少帶有一個(gè)葉原基的生長(zhǎng)點(diǎn)(約0.2～0.5 mm)，迅速接入滅菌后的基礎(chǔ)培養(yǎng)瓶中，每瓶轉(zhuǎn)接4株.置于光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)，設(shè)置25 ℃、4000 lx 光照度、濕度70%～90%、光照16 h/d的條件下培養(yǎng)25 d.后期在無(wú)菌操作臺(tái)對(duì)組培苗進(jìn)行不同濃度外源鉀素的處理，吸取不同濃度硫酸鉀溶液分別沿培養(yǎng)瓶瓶壁加入到培養(yǎng)瓶中.試驗(yàn)共設(shè)置5組處理，鉀素濃度梯度依次為K1(10 mmol/L)、K2(20 mmol/L)、K3(40 mmol/L)、K4(80 mmol/L)、K5(100 mmol/L)，選取不加硫酸鉀處理的組培苗為對(duì)照(K0).每個(gè)處理重復(fù)45瓶，處理10 d后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定，測(cè)定期間需不斷接種補(bǔ)苗以保持組培苗的最佳測(cè)定時(shí)期.

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定：株高以植株莖最高部位距MS培養(yǎng)基的高度為準(zhǔn)，用直尺測(cè)量取平均值；新葉數(shù)和根數(shù)計(jì)算其平均值；稱量鮮質(zhì)量時(shí)將地上與地下部分沖洗干凈后用電子天平稱量并取其平均值.

抗逆生理指標(biāo)測(cè)定：脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮法測(cè)定[21]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法測(cè)定[21]；過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定[21]；過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測(cè)定[22]；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化還原法測(cè)定[22]；葉綠素含量的測(cè)定采用分光光度計(jì)法測(cè)定[23]；電導(dǎo)率的測(cè)定采用電導(dǎo)儀測(cè)定電導(dǎo)率測(cè)定[24].植株鉀素含量的測(cè)定：用火焰分光光度法測(cè)定[25].

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 25.0進(jìn)行原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、方差分析和作圖；LSD法進(jìn)行差異顯著性分析(α=0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 鉀素對(duì)馬鈴薯組培苗生長(zhǎng)特性的影響

不同鉀素濃度處理下的馬鈴薯組培苗各生長(zhǎng)指標(biāo)及狀況見(jiàn)表1和圖1.K1、K2和K3處理下的組培苗植株株高、新葉數(shù)、根數(shù)、地上鮮質(zhì)量、地下鮮質(zhì)量與對(duì)照相比均有不同程度的增加，K4和K5處理下的馬鈴薯組培苗長(zhǎng)勢(shì)均比對(duì)照差.其中K3處理下植株株高增長(zhǎng)了119.88%，新葉數(shù)和根數(shù)分別增加了52.72%和33.33%，地上部與地下部鮮質(zhì)量分別增加了49.45%和37.57%.與其他處理相比，K3處理下植株生長(zhǎng)健壯，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到最高且差異顯著(P<0.05).

2.2 鉀素對(duì)馬鈴薯組培苗葉綠素含量的影響

由圖2可知，在鉀素處理10 d后，馬鈴薯組培苗葉片葉綠素含量隨鉀素濃度的增大呈先增高后降低的整體趨勢(shì)；與對(duì)照相比，K1與K4處理下無(wú)顯著性差異；K5處理的馬鈴薯組培苗葉綠素含量與對(duì)照相比，降低了47.29%；K2和K3處理的馬鈴薯組培苗葉綠素含量分別比對(duì)照增加了19.38%和63.82%.其中K3處理下馬鈴薯組培苗葉綠素含量最高，與對(duì)照和其他處理間差異顯著(P<0.05).

表1 不同鉀素濃度對(duì)馬鈴薯組培苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

2.3 鉀素對(duì)馬鈴薯組培苗抗氧化酶活性和MDA含量的影響

馬鈴薯組培苗葉片中抗氧化酶活性(SOD、CAT和POD)的變化如圖3-A～C所示.SOD、CAT、POD活性變化均呈先增高后降低的趨勢(shì)，且在K3處理下3種抗氧化酶活性均達(dá)到最高，分別高達(dá)14.80、4.227和48.003 U/g，與對(duì)照相比分別增加了15.3%、70.87%和14.99%，差異性顯著(P<0.05).馬鈴薯組培苗葉片MDA含量呈(以鮮質(zhì)量計(jì))先降低后升高的變化趨勢(shì).如圖(3-D)所示，K1、K2和K4鉀素濃度處理下，MDA含量與對(duì)照相比無(wú)顯著差異，K5處理下馬鈴薯組培苗葉片MDA含量比對(duì)照增高了26.63%，顯著高于對(duì)照(P<0.05).K3處理下馬鈴薯組培苗葉片MDA含量比對(duì)照降低了53.57%，差異顯著(P<0.05).

2.4 鉀素對(duì)馬鈴薯組培苗脯氨酸含量和電導(dǎo)率的影響

如圖4所示，馬鈴薯組培苗葉片脯氨酸含量及相對(duì)電導(dǎo)率隨鉀素濃度增大均呈先降低后增加的變化趨勢(shì).從圖4-A可知，K1處理下脯氨酸含量與對(duì)照無(wú)顯著性差異；從K2、K3處理下馬鈴薯組培苗脯氨酸含量顯著低于對(duì)照(P<0.05)，K4和K5處理分別比對(duì)照高20.31%和49.48%，與對(duì)照相比差異顯著(P<0.05)；從圖(4-B)可知，K1、K2處理的馬鈴薯組培苗葉片相對(duì)電導(dǎo)率與對(duì)照無(wú)顯著差異；K4和K5處理的葉片電導(dǎo)率分別比對(duì)照高11.02%和13.63%，與對(duì)照差異顯著(P<0.05).K3處理下馬鈴薯組培苗葉片脯氨酸含量和電導(dǎo)率分別比對(duì)照降低了58.32%和13.6%，均顯著低于對(duì)照和其他各處理(P<0.05).

圖1 不同濃度鉀素處理下馬鈴薯組培苗生長(zhǎng)狀況圖Figure 1 Growth status of potato tissue cultured seedlings treated with different concentrations of potassium

不同字母表示差異顯著(P<0.05).Different letters indicate significant differences(P<0.05).圖2 不同濃度鉀素處理對(duì)馬鈴薯組培苗葉綠素含量的影響Figure 2 Effects of different potassium concentrations on chlorophyll content of potato tissue cultured seedlings

不同字母表示差異顯著(P<0.05).Different letters indicate significant differences(P<0.05).圖3 不同鉀素處理對(duì)馬鈴薯組培苗對(duì)馬鈴薯組培苗抗氧化酶活性和MDA含量的影響Figure 3 Effects of different potassium treatments on antioxidant enzyme activity and MDA content of potato tissue cultured seedlings

不同字母表示差異顯著(P<0.05).Different letters indicate significant differences(P<0.05).圖4 不同濃度鉀素處理對(duì)馬鈴薯組培苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(Pro)含量和電導(dǎo)率的影響Figure 4 Effects of different concentrations of potassium on Pro content and electrical conductivity of potato tissue cultured seedlings

2.5 鉀素對(duì)馬鈴薯組培苗植株鉀含量的影響

如圖5所示，在鉀素處理10 d后，馬鈴薯組培苗植株鉀含量隨著鉀素濃度增大呈現(xiàn)出先大幅度增大后小幅度降低的整體趨勢(shì).與對(duì)照相比，K1、K2、K3、K4和K5處理的馬鈴薯組培苗植株鉀含量分別比對(duì)照增加了66.79%、222.33%、291.49%、264.78%和207.85%，均與對(duì)照差異顯著(P<0.05)，其中K3處理下的馬鈴薯組培苗鉀素含量最高，與對(duì)照和其他處理差異顯著.

不同字母表示差異顯著(P<0.05).Different letters indicate significant differences(P<0.05).圖5 不同濃度硫酸鉀處理對(duì)馬鈴薯組培苗鉀含量的影響Figure 5 Effects of different concentrations of potassium sulfate on the potassium content of potato tissue seedlings

3 討論

本研究中，適宜的鉀素濃度可促進(jìn)青薯9號(hào)馬鈴薯組培苗的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)植株株高、新葉發(fā)生能力和根的生長(zhǎng)以及地上地下部的增重均具有促進(jìn)作用.同時(shí)，馬鈴薯組培苗的葉綠素含量達(dá)到最高水平，植株發(fā)育最好，但鉀素含量過(guò)高時(shí)，會(huì)抑制根數(shù)以及地上地下部的增長(zhǎng)，不利于植株的生長(zhǎng)，葉綠素的合成受阻，光合作用下降，有機(jī)物合成下降.

有研究表明，不同施鉀條件下，對(duì)馬鈴薯的株高、莖粗、主莖數(shù)等衡量其長(zhǎng)勢(shì)的重要形態(tài)指標(biāo)的影響效果不盡相同.缺鉀時(shí)馬鈴薯植株發(fā)育遲緩、植株矮小、根系不發(fā)達(dá)、葉片變小且早衰、光合作用差、塊莖小、品質(zhì)差產(chǎn)量低[26-27].鉀營(yíng)養(yǎng)充足時(shí)馬鈴薯植株生長(zhǎng)健壯、保水能力強(qiáng)、抗病力強(qiáng)、莖桿增粗、抗倒伏能力強(qiáng)，鉀的合理施用可以提高植株高度和作物活力，增強(qiáng)抗旱、抗凍和抗病能力，能夠在生長(zhǎng)初期增加葉片擴(kuò)張并延長(zhǎng)葉片持續(xù)時(shí)間，塊莖成熟后期可延遲葉片脫落，能顯著改善馬鈴薯的品質(zhì).在一定范圍內(nèi)，鉀肥施用量越多馬鈴薯產(chǎn)量和商品率越高，經(jīng)濟(jì)效益越好.但當(dāng)鉀肥施用量增加到一定限度后，隨鉀肥用量增加，馬鈴薯的產(chǎn)量反而下降.高濃度的鉀不僅不利于馬鈴薯增產(chǎn)，還會(huì)降低淀粉含量和單株淀粉產(chǎn)量，不利于薯塊形成[27-29].

抗氧化酶是植物自身保護(hù)酶系統(tǒng)的重要構(gòu)成成分，SOD、POD、CAT等作為植物活性氧清除系統(tǒng)中重要的酶，在植物體內(nèi)起著清除自由基、保護(hù)植物器官、延緩葉片早衰的作用，它們的活性能夠反映細(xì)胞內(nèi)活性氧與其清除系統(tǒng)之間的平衡狀態(tài)[30].MDA含量是反映植物受脅迫時(shí)細(xì)胞膜脂過(guò)氧化損傷程度的指標(biāo)，作為考察細(xì)胞受到脅迫嚴(yán)重程度的指標(biāo)，MDA含量的高低反應(yīng)著植物受損傷程度的大小，進(jìn)而判斷植物生長(zhǎng)環(huán)境條件是否適宜.有研究表明鉀素濃度過(guò)低和過(guò)高都會(huì)使馬鈴薯幼苗的抗氧化酶活性增強(qiáng)，丙二醛含量增大.適宜的鉀素利于馬鈴薯葉片活性增增強(qiáng)，延緩葉片衰老[31].

脯氨酸是植物體內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以清除活性氧，提高抗氧化能力，穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu)等[32]，細(xì)胞提取液電導(dǎo)率能夠反應(yīng)植物細(xì)胞質(zhì)膜透性.有研究結(jié)果表明，馬鈴薯幼苗游離脯氨酸含量在鉀素濃度過(guò)低和過(guò)高時(shí)都會(huì)增加，施鉀能夠降低細(xì)胞膜透性，保持葉片細(xì)胞膜的完整[33]，使葉片的相對(duì)電導(dǎo)率和降低.這些結(jié)果均與本研究適量的鉀素用量有利于保護(hù)細(xì)胞膜透性的結(jié)果一致.適宜的鉀肥用量可以更好地促進(jìn)馬鈴薯對(duì)鉀營(yíng)養(yǎng)的吸收[34].在沒(méi)有鉀素處理的情況下，馬鈴薯組培苗的鉀含量非常低，其體內(nèi)的鉀來(lái)自于培養(yǎng)基，其他馬鈴薯組培苗植株鉀含量都隨培養(yǎng)基中鉀素濃度增加而上升，不同鉀素濃度對(duì)植株鉀的吸收累積有顯著差異，在高鉀水平下生物量已經(jīng)產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng).由于植物對(duì)鉀的吸收存在奢侈吸收[34-35]，環(huán)境中的鉀濃度越高，植物吸收的就越多.

綜上所述，適宜的鉀素濃度在青薯9號(hào)組培苗的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，但是，鉀素的用量是有一定限制的，當(dāng)濃度超過(guò)一定的值時(shí)，會(huì)對(duì)植株造成傷害，繼而抑制馬鈴薯生長(zhǎng).本研究中，40 mmol/L的鉀素濃度最適合青薯9號(hào)組培苗的生長(zhǎng).關(guān)于鉀素濃度對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及品質(zhì)的影響還需繼續(xù)進(jìn)一步探究.