連作馬鈴薯對(duì)抗性酶及生物學(xué)特性變化的研究

裴國(guó)平 ，王 蒂 ，張俊蓮 ，沈?qū)氃?，楊 乾

（1.甘肅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；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

馬鈴薯是世界第四大糧食作物，可利用價(jià)值高達(dá)71%，比其他糧食作物高21%[1]。由于馬鈴薯具有產(chǎn)量高、生育期短、適應(yīng)性強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)豐富、適口性好、利于健康、用途廣泛等特點(diǎn)，已成為世界性重要的農(nóng)業(yè)資源和多種工業(yè)加工原料，其需求量不斷增加。但由于世界人口的急劇增加，可利用土地面積的日益減少，提高土地利用率和單位面積產(chǎn)量是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種趨勢(shì)。因此作物種類的單一，栽培年限的增加，便出現(xiàn)了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的一個(gè)亟待解決的瓶頸問題——作物連作障礙[2-3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)連作障礙的研究主要集中在黃瓜、旱稻、番茄、茄子、花生、玉米和部分中藥材川（明）參、附子、地黃、人參，以及連作與雜草的關(guān)系[4]、連作與土壤肥料的關(guān)系[5]等方面，對(duì)馬鈴薯連作障礙的研究少有報(bào)道，胡宇[6]只對(duì)旱地馬鈴薯連作對(duì)土壤養(yǎng)分的影響進(jìn)行了研究。

本試驗(yàn)對(duì)加工型馬鈴薯大西洋在4個(gè)不同連作年限的3個(gè)生育時(shí)期的7項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了研究，總結(jié)了馬鈴薯在不同連作狀態(tài)下各種生理生化指標(biāo)的變化規(guī)律，以期為減輕馬鈴薯連作障礙和馬鈴薯高效栽培管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試品種 供試材料選用西北種植面積較大的馬鈴薯品種大西洋，試驗(yàn)選用其脫毒種薯，由甘肅條山集團(tuán)雙豐公司提供。

1.1.2 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)馬鈴薯種植在亞盛集團(tuán)條山農(nóng)場(chǎng)（東經(jīng) 103°33′～104°43′，北緯 36°43′～37°38′，海拔1 600 m）大西洋生產(chǎn)基地不同連作年限的土壤上，土壤類型主要為洪積灰棕荒漠土和灰鈣土。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)地分為：連作零年（L0-stubble cropping）、 連 作 一 年 （L1-continuous cropping）、連作二年（L2-triple cropping）、連作三年（L3-alternate cropping），小區(qū)面積 4 m×5 m＝20 m2，各小區(qū)種植85株，株距30 cm，行距80 cm，重復(fù)3次，水肥管理和病蟲害防治與農(nóng)場(chǎng)商品薯生產(chǎn)相同，各小區(qū)用5點(diǎn)法采樣。分別在馬鈴薯現(xiàn)蕾期、盛花期、成熟期采取4個(gè)不同連作年限小區(qū)中植株相同部位的新鮮葉片，在甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院）對(duì)生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。株高、葉面積和產(chǎn)量在田間測(cè)定。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用Microsoft Office Excel 2003進(jìn)行處理，用SPSS 16.0作數(shù)據(jù)分析。

1.2.2 測(cè)定方法 （1）丙二醛、脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性的測(cè)定。參考趙世杰和鄒琦等[7－8]的方法測(cè)定丙二醛含量；參考張永成和田豐[9]測(cè)定脯氨酸含量；按鄒琦等[10]的氮藍(lán)四唑（NBT）光化學(xué)還原法測(cè)定超氧化物歧化酶。

（2）植物組織含水量的測(cè)定。參考張永成和田豐[11]測(cè)定植物組織含水量，現(xiàn)蕾期采集馬鈴薯植株地上主莖第4分枝的第5片葉子，盛花期采集第6分枝的第6片葉子，成熟期采集第7分支的第6片葉子。

（3）株高的測(cè)定。現(xiàn)蕾期以花蕾最集中部位、盛花期以主莖主花序頂端部位、成熟期以植株最高部位距地面的高度為準(zhǔn)，用直尺測(cè)量各小區(qū)的植株高度。

（4）葉面積的測(cè)定。采用張永成等[12]的剪紙稱重法，測(cè)定馬鈴薯植株地上主莖第4分枝的第6片葉進(jìn)行葉面積大小，測(cè)后掛牌標(biāo)記。具體如下：①取質(zhì)地均一的硫酸鉛紙一張，稱出其重量W1，然后量其長(zhǎng)寬計(jì)算出面積S1；②將不同茬口的馬鈴薯葉片并拓在硫酸鉛紙上用鉛筆畫沿葉片邊緣直觀地畫出其輪廓；③用剪刀將畫在硫酸鉛紙上的葉片輪廓裁下，稱其重量W2；④利用如下公式求出S：

S=（W2·S1）/W1

（5）產(chǎn)量的測(cè)定。每個(gè)不同連作年限的馬鈴薯收獲后用磅秤對(duì)各小區(qū)的產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)定，求出各小區(qū)的均值，單位換算成：t/hm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 連作對(duì)馬鈴薯植株丙二醛（MDA）含量的影響

從圖1可知，同一連作年限馬鈴薯植株丙二醛（MDA）濃度在盛花期最大，顯蕾期最小。在4個(gè)連作年限中，丙二醛在現(xiàn)蕾期時(shí)的含量連作兩年顯著高于連作一年，在盛花期和成熟期時(shí)無顯著性差異。MDA是植物器官在遭受逆境傷害時(shí)膜脂過氧化作用的最終分解產(chǎn)物，其含量可以反應(yīng)植物遭受逆境傷害的程度。由此可見，馬鈴薯植株體中MDA的含量隨著連作年限的增加而增加，并且隨生長(zhǎng)發(fā)育的推進(jìn)而升高，因此，連作增加了膜脂過氧化作用對(duì)馬鈴薯植株造成了逆境傷害。

圖1 連作馬鈴薯植株MDA含量的變化

2.2 連作對(duì)馬鈴薯植株脯氨酸含量的影響

從圖2可知，同一連作年限成熟期最大，現(xiàn)蕾期最小。現(xiàn)蕾期、盛花期和成熟期中連作二年含量均最大，連作零年含量均最小，表現(xiàn)為：連作二年＞連作三年＞連作一年＞連作零年。由此可見，連作馬鈴薯植株體中脯氨酸的含量在連作二年時(shí)達(dá)到最大，現(xiàn)蕾期為 80.80 μg/g，盛花期為 148.88 μg/g，成熟期為190.74 μg/g，連作三年時(shí)其含量開始下降，并且脯氨酸的含量隨生長(zhǎng)期的變化而變化，隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，其含量呈現(xiàn)明顯的倍性增長(zhǎng)趨勢(shì)。植物在正常情況下，游離脯氨酸的含量很低，但在遇到干旱、鹽堿、衰老等逆境時(shí)，其便在植株體內(nèi)大量積累，并且積累指數(shù)與植物的抗逆性有關(guān)。因此，植物體內(nèi)脯氨酸含量的多少可以衡量植物遭受逆境傷害的嚴(yán)重程度。由上面結(jié)果可以看出連作是一種逆境，對(duì)馬鈴薯的生長(zhǎng)造成了傷害，且連作二年時(shí)對(duì)植株體內(nèi)的脯氨酸含量影響最大但連作年現(xiàn)與含量不成比例。

圖2 連作馬鈴薯葉片中脯氨酸含量的變化

2.3 連作對(duì)馬鈴薯植株超氧化物歧化酶（SOD）活性的影響

從圖3可知，超氧化物歧化酶（SOD）的活性在任何一個(gè)時(shí)期里連作三年最大，連作零年最小。同一連作年限SOD活性成熟期最大，現(xiàn)蕾期最小，且從現(xiàn)蕾期到成熟期都呈增加的趨勢(shì)，在現(xiàn)蕾期時(shí)的活性連作一年、連作二年、連作三年均顯著高于連作零年，在盛花期時(shí)的活性連作二年和連作三年顯著高于連作一年和連作零年，在成熟期時(shí)連作二年顯著高于連作一年和連作零年。SOD是一種含金屬酶，能與過氧化物酶、過氧化氫酶等酶協(xié)同作用防御活性氧或其它過氧化物自由基對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害，從上面結(jié)果中可以看出，馬鈴薯植株體中SOD活性隨連作年限的增加均值呈增加的趨勢(shì)，并隨生長(zhǎng)期的變化而變化，生長(zhǎng)越衰老，活性越高，連作造成活性氧或其它過氧化物自由基對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的破壞，對(duì)馬鈴薯的生長(zhǎng)造成了逆境傷害。

圖3 連作馬鈴薯葉片中SOD活性的變化

2.4 連作對(duì)馬鈴薯植株高度的影響

從圖4可知，馬鈴薯植株高度在連作零年時(shí)最高，在連作三年時(shí)最低，現(xiàn)蕾期最低，成熟期最高，在盛花期和成熟期時(shí)是連作零年和連作一年顯著高于連作二年和連作三年，且連作零年顯著高于連作一年。由此可見，連作馬鈴薯植株的高度在同一生育期隨著連作年限的增加而降低，隨生長(zhǎng)期的變化而變化，連作年限越多，植株越矮，生長(zhǎng)越衰老，生長(zhǎng)速度越慢。因此，連作年限越長(zhǎng)，馬鈴薯植株的生長(zhǎng)勢(shì)越弱生長(zhǎng)越緩慢。

圖4 連作馬鈴薯植株高度的變化

2.5 連作對(duì)馬鈴薯植株葉面積的影響

從圖5可知，馬鈴薯植株葉面積連作零年最大，連作三年最小，成熟期最大，現(xiàn)蕾期最小。成熟期時(shí)連作零年顯著大于連作一年、連作二年、連作三年，且連作一年顯著大于連作二年和連作三年，連作零年的葉片面積達(dá)到18.63 cm2，連作三年為12.77 cm2。葉片是作物最重要的光合器官，也是判斷植株生長(zhǎng)旺盛與否的重要標(biāo)志，其面積的大小直接關(guān)系到光合作用的強(qiáng)弱直至影響產(chǎn)量。由此可見，連作馬鈴薯植株的葉片面積隨著連作年限的增加而減小，隨生長(zhǎng)期的變化而變化，連作年限越多，葉片面積越小，葉片生長(zhǎng)速度越慢。因此，連作年限越長(zhǎng)，馬鈴薯植株長(zhǎng)勢(shì)越虛弱，生長(zhǎng)越緩慢，馬鈴薯的產(chǎn)量相應(yīng)也越低。

圖5 連作馬鈴薯植株葉片面積的變化

2.6 連作對(duì)馬鈴薯植株組織含水量的影響

從圖6可知，葉片含水量在顯蕾期時(shí)無顯著性差異，在盛花期和成熟期時(shí)連作零年和連作一年的含水量均顯著大于連作二年和連作三年，成熟期時(shí)連作零年的葉片含水量占鮮重的83.84%，連作三年為82.15%。同生育期馬鈴薯葉片組織中的含水量在連作零年時(shí)最大，在連作三年時(shí)最小，成熟期最小，現(xiàn)蕾期最大。含水量是植物水分狀況的重要指標(biāo)，植物組織含水量不但直接影響植物的生長(zhǎng)、呼吸、光合直至作物產(chǎn)量，而且還對(duì)馬鈴薯品質(zhì)以及儲(chǔ)藏具有至關(guān)重要的作用。由此可見，連作馬鈴薯葉片組織中含水量隨著連作年限的增加而減少，隨生長(zhǎng)期的變化而變化，連作年限越多，含水量越少，生長(zhǎng)越衰老，含水量越少，馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)均下降。

圖6 連作馬鈴薯葉片組織中含水量的變化

2.7 連作對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響

以商品薯的產(chǎn)量為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。從圖7可知，連作馬鈴薯的產(chǎn)量隨著連作年限的增加呈下降趨勢(shì)，每公頃產(chǎn)量連作零年＞連作一年＞連作二年＞連作三年，且兩兩差異均顯著，連作零年高達(dá)34.50 t/hm2，連作三年僅為8.00 t/hm2，從連作零年到連作三年的產(chǎn)量降幅為331.3%。在四個(gè)不同連作年限中，相鄰兩個(gè)連作年限產(chǎn)量降幅最大的是從連作一年到連作二年，降幅為132.2%。由此可見，連作造成馬鈴薯單產(chǎn)迅速遞減，使其經(jīng)濟(jì)效益下降，連作年限越長(zhǎng)，產(chǎn)量越低且在連作一年到連作二年時(shí)降幅最大。

圖7 連作馬鈴薯產(chǎn)量的變化

3 討論與結(jié)論

引起馬鈴薯連作障礙的原因是作物和土壤兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部諸多因素綜合作用結(jié)果的體現(xiàn)[13-14]。1983年日本的瀧島[3]將產(chǎn)生作物連作障礙的原因歸納為五大因子：①土壤養(yǎng)分虧缺；②土壤反應(yīng)異常；③土壤理化性狀惡化；④來自植物的有害物質(zhì)；⑤土壤微生物變化。

本試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）丙二醛的含量與連作年限的長(zhǎng)短關(guān)系不大，這可能是不同作物對(duì)連作的不同反應(yīng)造成的，值得繼續(xù)深入研究。（2）馬鈴薯植株葉片中脯氨酸的含量隨連作年限的加長(zhǎng)而增多，SOD的活性隨連作年限的增加而加強(qiáng)。SOD酶是存在于細(xì)胞中的保護(hù)性酶，其主要功能是清除自由基，使自由基保持在低水平上，連作使SOD酶活性加強(qiáng)，說明馬鈴薯受到脅迫。（3）隨著連作年限的增加，馬鈴薯株高、葉面積、植物組織含水量和產(chǎn)量都降低。葉面積的變小降低了植株的光合作用，進(jìn)而減慢塊莖的膨大；植高和含水的降低增大了植株衰老的速度；生理生物學(xué)性質(zhì)的變差均降低了植株對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和對(duì)化感物質(zhì)和病蟲害抗性，形成一種惡性循環(huán)，最終的綜合結(jié)果就是產(chǎn)量降低、品質(zhì)變差、抗逆性降低。

馬鈴薯連作后丙二醛含量變化不明顯、超氧化物歧化酶活性增強(qiáng)、脯氨酸增多，植株變矮、葉片變小、組織含水量降低，產(chǎn)量銳減，造成這種變化的因素是多樣的，也是各種素綜合的結(jié)果。因此，綜合其他因素并深入細(xì)致地研究馬鈴薯連作障礙抗性酶的變化規(guī)律，才能更好地為減輕馬鈴薯連作障礙和高效栽培管理提供理論科學(xué)依據(jù)。

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