不同濃度鉀元素對(duì)西番蓮組培苗根系生長(zhǎng)和內(nèi)源激素含量的影響*

羅海斌，黃誠(chéng)梅，曹輝慶，蔣勝理，吳興劍，葉麗萍，魏源文

（1 廣西作物遺傳改良生物技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南寧530007）（2 廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與檢測(cè)技術(shù)研究所）

西番蓮（Passiflora edulis）是我國(guó)南方地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物，西番蓮根系較淺，對(duì)水肥要求較高，西番蓮自身生長(zhǎng)所需的鉀元素絕大部分靠根系從土壤中獲取，根系的發(fā)育狀況及其獲取鉀的能力在很大程度上影響西番蓮的生長(zhǎng)。目前，大量研究發(fā)現(xiàn)鉀匱乏環(huán)境下可導(dǎo)致水稻、大豆、甘蔗、玉米和小麥等作物生長(zhǎng)緩慢，根系短小，產(chǎn)量降低[1-5]，同時(shí)，鉀也是西番蓮生產(chǎn)過程中不可缺少的元素，鉀肥的合理施用可以保障西番蓮的增產(chǎn)[6]。

植物內(nèi)源激素是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因子，不同內(nèi)源激素協(xié)同調(diào)控植物形成層細(xì)胞和根尖分生組織細(xì)胞的分裂生長(zhǎng)，在作物根系構(gòu)建中起著重要的調(diào)控作用[7-9]。研究證實(shí)，作物鉀元素含量的高低可影響作物細(xì)胞分裂素和吲哚乙酸的含量與分布，是影響根系生長(zhǎng)分布的內(nèi)在因素[10-13]。此外，鉀含量的高低不僅影響內(nèi)源激素的含量，而且利用激素之間的比例和動(dòng)態(tài)平衡改變光合產(chǎn)物的分配和運(yùn)輸，進(jìn)而調(diào)控花芽分化[14-15]。目前，對(duì)鉀元素作用下西番蓮性狀和內(nèi)源激素含量與分布影響的研究鮮有報(bào)道。

為探討鉀元素濃度對(duì)西番蓮組培苗生長(zhǎng)的影響，本試驗(yàn)通過設(shè)置不同濃度鉀元素，篩選最適合西番蓮組培苗生長(zhǎng)的鉀元素濃度，探討鉀元素對(duì)西番蓮根系生長(zhǎng)及體內(nèi)內(nèi)源激素含量的動(dòng)態(tài)變化，以期為下一步西番蓮幼苗大田移栽的營(yíng)養(yǎng)管理提供生理依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和處理

供試西番蓮品種為黃金西番蓮（黃果種），由廣西作物遺傳改良生物技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室提供，均為繼代1 次的組培苗。將未出根的組培苗在促根培養(yǎng)基上進(jìn)行促根，待根長(zhǎng)出0.5 cm 左右時(shí)挑選生長(zhǎng)一致的組培苗進(jìn)行試驗(yàn)。以添加瓊脂的MS 培養(yǎng)基（不含鉀元素）為基礎(chǔ)培養(yǎng)基，根據(jù)試驗(yàn)需要添加不同濃度的硝酸鉀（KNO3）和磷酸二氫鉀（KH2PO4），不同濃度鉀元素處理編號(hào)依次為K1、K2、K3、K4、K5，各處理培養(yǎng)基鉀元素濃度配方如表1 所示。將配好的培養(yǎng)基分裝至200 mL 的玻璃瓶中，在高壓滅菌鍋中消毒后備用。挑選生長(zhǎng)一致的西番蓮植株，在無(wú)菌操作臺(tái)接入滅菌的玻璃瓶中，每個(gè)玻璃瓶接入3 株苗，每個(gè)處理重復(fù)5 次，置于光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)30 d 后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定。光照培養(yǎng)箱設(shè)置培養(yǎng)溫度為26 ℃，光照強(qiáng)度為2 000 lx，光照時(shí)間為16 h/d。

表1 不同濃度鉀元素處理

1.2 檢測(cè)指標(biāo)與方法

用根系掃描分析系統(tǒng)（GXY-A，浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司）對(duì)根系進(jìn)行掃描，并對(duì)根系的總長(zhǎng)、體積、平均直徑和表面積等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量分析，采用酶聯(lián)免疫分析法（ELISA 試劑盒，南京建成生物公司）測(cè)定樣品中脫落酸（ABA）、吲哚乙酸（IAA）、赤霉素（GA）、細(xì)胞分裂素（CTK）和油菜素內(nèi)酯（BR）含量。按照何鐘佩[16]的方法處理樣品：稱取0.5 g 西番蓮樣品，用甲醇溶液（80%濃度）磨碎勻漿狀態(tài)，4 ℃提取8 h，4 000g離心15 min，沉淀，用80%的甲醇重復(fù)提取3 次，合并上清液，氮?dú)獯蹈?，磷酸鹽緩沖液（PBS）溶解定容，用于ELISA 測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019 和SPSS 19 軟件整理、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度鉀元素處理對(duì)西番蓮組培苗根系形態(tài)的影響

由表2 可以看出，西番蓮組培苗總根長(zhǎng)、根表面積、根總體積和根尖數(shù)隨著鉀濃度的升高而增長(zhǎng)，0.200 mol/L 鉀濃度處理的總根長(zhǎng)、根表面積、根總體積和根尖數(shù)均最高，分別是0.004 mol/L 鉀濃度處理的2.84、5.17、11.27、3.85 倍，均差異顯著，而0.500 mol/L 鉀濃度處理各指標(biāo)均有所下降。0.020 mol/L 鉀濃度處理西番蓮根直徑最大，較0.004 mol/L鉀濃度處理增加了107.09%，差異顯著。根系形態(tài)的變化說明西番蓮對(duì)鉀濃度變化敏感，適當(dāng)?shù)拟洕舛瓤梢源龠M(jìn)根系的生長(zhǎng)，而較低的鉀濃度會(huì)引起西番蓮根直徑變粗，但是會(huì)阻礙根系長(zhǎng)度和根尖數(shù)的增長(zhǎng)（圖1）。

圖1 不同濃度鉀元素處理西番蓮組培苗根系生長(zhǎng)形態(tài)

表2 不同濃度鉀元素處理西番蓮組培苗根系形態(tài)

2.2 不同濃度鉀元素處理對(duì)西番蓮組培苗ABA 的影響

脫落酸在逆境下通過調(diào)節(jié)葉片氣孔開合以及根系的吸水性保持體內(nèi)的水分平衡，同時(shí)也具有拮抗赤霉素和細(xì)胞分裂素的作用。由圖2 可知，不同濃度鉀元素處理西番蓮組培苗根系和葉片中ABA含量不一致。根系中ABA 含量隨著鉀濃度的升高而顯著增加，0.500 mol/L 鉀濃度處理根系A(chǔ)BA 含量為815.91 ng/g，是0.004 mol/L 鉀濃度處理的1.39 倍。葉片中ABA 含量在0.004 mol/L 和0.500 mol/L 鉀濃度處理較高，分別為749.72、734.27 ng/g，顯著高于其他處理。

圖2 不同濃度鉀元素處理對(duì)西番蓮組培苗ABA 含量的影響

2.3 不同濃度鉀元素處理對(duì)西番蓮組培苗IAA 的影響

生長(zhǎng)素可以促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，誘導(dǎo)不定根的形成。由圖3 可知，0.020 mol/L 鉀濃度處理根系中IAA含量最高（2 765.49 ng/g），隨著鉀濃度的升高顯著降低，0.500 mol/L 鉀濃度處理根系IAA 含量最低（1 518.92 ng/g），二者差異顯著。葉片中IAA 含量變化趨勢(shì)與根系不同，0.020 mol/L 鉀濃度處理IAA 含量最高（1 976.33 ng/g），0.004 mol/L 鉀濃度處理IAA 含量最低（1 187.91 ng/g），降低了39.89%。根系和葉片IAA/ABA 值均在0.020 mol/L 和0.200 mol/L 鉀濃度處理下較高。

圖3 不同濃度鉀元素處理對(duì)西番蓮組培苗IAA 含量和IAA/ABA 值的影響

2.4 不同濃度鉀元素處理對(duì)西番蓮組培苗GA 的影響

赤霉素高低影響根系的徑向生長(zhǎng)，過高的GA阻礙粗根的形成[17]。由圖4 可知，0.020 mol/L 鉀濃度處理根系中GA 含量最低（226.33 ng/g），0.080 mol/L 鉀濃度處理根系中GA 含量最高（377.54 ng/g），較最低值增加了66.81%，之后呈顯著降低的趨勢(shì)。葉片中0.080 mol/L 鉀濃度處理GA 含量最高（284.27 ng/g），0.500 mol/L 鉀濃度處理GA 含量最低（145.86 ng/g），呈顯著降低趨勢(shì)。根系GA/ABA 值在0.080 mol/L 鉀濃度處理下最高，然后呈下降趨勢(shì)。

圖4 不同濃度鉀元素處理對(duì)西番蓮組培苗GA 含量和GA/ABA 值的影響

2.5 不同濃度鉀元素處理對(duì)西番蓮組培苗CTK 的影響

細(xì)胞分裂素能促進(jìn)植物中細(xì)胞質(zhì)的分裂，加快細(xì)胞分裂增殖。由圖5 可知，根系和葉片中CTK 含量隨著鉀元素濃度的升高而增加，在0.200 mol/L 鉀濃度處理下根系CTK 含量達(dá)到最高值（480.59 ng/g），在0.080 mol/L 鉀濃度處理下葉片CTK 含量達(dá)到最高（486.12 ng/g），隨后CTK 含量開始顯著下降，0.500 mol/L 鉀濃度處理根系CTK 含量（346.63 ng/g）和葉片CTK 含量（274.12 ng/g）相比最高值分別下降了 27.87%和 43.61%。根系和葉片CTK/ABA 值隨著鉀濃度的升高而升高，在0.200 mol/L 鉀濃度處理最高，在0.500 mol/L 鉀濃度處理下降。

圖5 不同濃度鉀元素處理對(duì)西番蓮組培苗CTK 含量和CTK/ABA 值的影響

2.6 不同濃度鉀元素處理對(duì)西番蓮組培苗BR 的影響

油菜素內(nèi)酯可以提高作物的抗性，促進(jìn)細(xì)胞分裂，調(diào)節(jié)植物的衰退進(jìn)程。由圖6 可知，提高鉀元素含量，可以促進(jìn)根系和葉片中油菜素內(nèi)酯含量的增加。0.080 mol/L 鉀濃度處理根系中BR 含量最高（4.49 ng/g），隨后開始下降，在0.500 mol/L 鉀濃度處理BR 含量最低（2.81 ng/g），與最高值相比下降了37.42%。葉片中BR 含量在0.200 mol/L 鉀濃度處理下最高（4.32 ng/g），在0.500 mol/L 鉀濃度處理下含量最低（2.57 ng/g），與最高值相比下降了40.51%。隨著鉀濃度升高，根系和葉片BR/ABA值也隨之升高，在0.200 mol/L 鉀濃度處理下最高，在0.500 mol/L 鉀濃度處理下最低。

圖6 不同濃度鉀元素處理對(duì)西番蓮組培苗BR 含量和BR/ABA 值的影響

3 討論與結(jié)論

作物根系的生長(zhǎng)與遺傳、栽培措施、環(huán)境因子等因素息息相關(guān)，其中土壤養(yǎng)分是影響作物根系生長(zhǎng)的主要影響因子，有研究發(fā)現(xiàn)鉀元素含量過高阻礙根系的生長(zhǎng)發(fā)育，適量的鉀會(huì)促進(jìn)作物根系的生長(zhǎng)[18]，低鉀處理會(huì)抑制側(cè)根的發(fā)育、阻礙根系的生長(zhǎng)，同時(shí)導(dǎo)致光合產(chǎn)物的運(yùn)輸受阻，導(dǎo)致生物量下降[19]。但目前鉀濃度的高低對(duì)部分植物根系伸長(zhǎng)生長(zhǎng)的影響效應(yīng)尚未得到一致的結(jié)論，Shin 等[20]認(rèn)為缺鉀不抑制根系的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，而Sanchez 等[21]的結(jié)果相反。張志勇等[22]研究發(fā)現(xiàn)，低鉀環(huán)境抑制了棉花幼苗側(cè)根的發(fā)育，側(cè)根發(fā)生區(qū)縮短，而側(cè)根發(fā)生密度并沒有明顯變化。本研究中，西番蓮組培苗根系形態(tài)指標(biāo)如總根長(zhǎng)、根表面積、根總體積和根尖數(shù)隨著鉀元素的增加而呈上升趨勢(shì)，但根直徑在低鉀濃度下顯著增加，表明低鉀抑制了根系的伸長(zhǎng)發(fā)育，但促進(jìn)了根的徑向伸長(zhǎng)。

植物生長(zhǎng)發(fā)育除內(nèi)在遺傳因素的影響外，還受到諸多外界環(huán)境信號(hào)的影響，鉀元素含量高低可影響植物激素的合成代謝及植物激素間動(dòng)態(tài)平衡，從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[23]。在棉花中改變鉀肥的施用量可以影響內(nèi)源激素的分布，促進(jìn)纖維素的合成和纖維細(xì)胞的拉長(zhǎng)[24]。有研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)拟浄什粌H影響植物根系的發(fā)育生長(zhǎng)，同時(shí)還會(huì)改變植物體內(nèi)IAA 和CTK 的含量和位置，說明鉀對(duì)內(nèi)源激素含量的影響很可能是影響植物根系發(fā)育和構(gòu)造的潛在因素[25-26]。鉀含量的缺乏則會(huì)降低根系中IAA和BR 的含量，抑制根系的生長(zhǎng)發(fā)育[27]。ABA 含量的升高與植株衰老和塊莖生長(zhǎng)發(fā)育有密切的關(guān)系，ABA 升高抑制了蛋白質(zhì)合成和光合作用速率的降低，加快植物的衰老[28]。研究發(fā)現(xiàn)，提高鉀肥含量也會(huì)導(dǎo)致棉花葉片中GA3、IAA 和BR 含量升高，同時(shí)降低葉片中ABA 的含量，改變棉花葉片中GA3/ABA、BR/ABA 和IAA/ABA 值，表明內(nèi)源激素的變化可影響棉花苗期植株生長(zhǎng)發(fā)育，延緩葉片衰老[29]。本研究顯示，適量地添加鉀元素可提高西番蓮根系和葉片中IAA、GA 和BR 的含量，并降低ABA 的含量。通過比較不同內(nèi)源激素間的比值，發(fā)現(xiàn)在0.020 mol/L 和0.080 mol/L 鉀濃度處理下葉片和根系中IAA/ABA、GA/ABA 和BR/ABA 的值升高。前人研究發(fā)現(xiàn)，葉片的抵抗能力與葉片中內(nèi)源激素的比例密切相關(guān)，低鉀脅迫下水稻葉片中IAA/ABA、BR/ABA 和GA/ABA 值明顯降低。而適當(dāng)增加鉀含量可以提高根系中IAA 和BR 的含量，促進(jìn)根系生長(zhǎng)[30]。本研究結(jié)果與前人一致，說明適量的鉀元素影響了內(nèi)源激素間的含量和分布，ABA含量增加會(huì)阻礙GA 和CTK 含量的升高，進(jìn)而延緩了根系的伸長(zhǎng)，促進(jìn)根直徑的增粗。推測(cè)鉀元素對(duì)西番蓮根系生長(zhǎng)的影響可能是通過調(diào)節(jié)植株體內(nèi)內(nèi)源激素含量與分布來實(shí)現(xiàn)的。

鉀元素含量的增加不僅改變了根系的形態(tài)指標(biāo)如總根長(zhǎng)、根表面積、根總體積、根直徑和根尖數(shù)，還提高了西番蓮苗期根系和葉片中的IAA、GA、CTK 和BR 含量，降低了ABA 含量以及ABA/（IAA＋GA＋CTK＋BR）值，綜合來看，0.200 mol/L 鉀濃度處理西番蓮組培苗的根系發(fā)育最好，根系較粗壯，也更有利于根系的伸長(zhǎng)，更適合在大田移栽。