低鎂脅迫對馬鈴薯試管苗碳水化合物積累和分配的影響

袁劍龍，楊麗麗，王玉萍，2，王瑞新，張紹梅，周曉潔，余 斌，張 峰

(1.甘肅省作物遺傳改良與種質創新重點實驗室，甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅農業大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070)

鎂作為維持植物正常生長發育所必需的營養元素，不僅影響植物體內光合產物從源器官到庫器官的運輸，而且還調節碳水化合物在不同器官間的分配[1-2]。鎂是葉綠素分子結構的中心原子，參與植物體內葉綠素的生物合成[3-4]。缺鎂時，植物體內的葉綠素含量降低，影響植株的光合作用，導致光合產物減少，同時引起大量碳水化合物在葉中積累，尤其是蔗糖和淀粉，引發光合作用反饋調節，使得植物光合速率下降，碳固定減少[5-7]；缺鎂還導致植物源器官(葉)光合產物的韌皮部輸出受抑制，這種抑制作用不僅減少碳水化合物從葉向庫器官(根和種子、塊莖等)的轉運，還會影響庫器官的大小和數量[8]。由于鎂是可移動元素，植物苗期吸收的鎂含量基本決定了植株中鎂的最終含量，苗期光合作用形成的碳水化合物向根系的運輸決定了根系的發育和形態建成，所以苗期的鎂濃度水平對植株的生長發育非常關鍵[9]。

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)源、庫器官界定明顯，源器官主要是葉片，庫器官主要為塊莖(微型薯)，試管苗在整個生長發育過程中，源、庫器官間碳水化合物的分配和調節直接決定微型薯的產量和品質。馬鈴薯是須根系植物，根系在苗期形成后幾乎沒有變化。根系是植物從外界攝取鎂的主要器官[10]，根系的形態建成是由植株地上部分輸送的碳水化合物和根系吸收的水分與養分共同調節的。植物苗期通過光合作用合成的碳水化合物很大程度上都分配給了根系，碳水化合物在地上部分與根系間協調分配是植株正常生長發育的基礎[11]。鎂對馬鈴薯試管苗碳水化合物積累和分配特性以及根系的形態建成的影響與微型薯的形成緊密相關。通過闡明馬鈴薯試管苗苗期鎂穩態水平下植株碳水化合物積累、分配特點和規律以及對根系形態建成的影響，可以為馬鈴薯試管苗微繁提供施肥依據。

馬鈴薯試管苗繁殖作為微型薯繁育的主要生產過程，其生長狀況直接影響微型薯種薯的品質，較早生根且健壯的試管苗能夠吸收更多的養分誘導出高質量的微型薯。馬鈴薯試管苗苗期的根系形成后，光合作用將繼續影響微型薯的碳水化合物積累，微型薯的生物量可以作為衡量其品質的主要指標，而苗期地上部分碳水化合物的積累量可直接影響微型薯生物量的形成。本研究以馬鈴薯栽培品種的試管苗為試驗材料，研究不同低鎂濃度脅迫下葉綠素含量、碳水化合物積累與分配機制，探討碳水化合物分配的改變對根系形態建成的影響，為馬鈴薯試管苗的健壯生長提供微肥的施用依據，為優質微型薯的生產奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料選用馬鈴薯栽培品種“大西洋”試管苗，由甘肅省干旱生境作物學重點實驗室提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 培養基的配制 采用MS培養基為基礎培養基，進行液體培養，共設置4個鎂濃度處理，分別為T1(0 μmol·L-1)、T2(188 μmol·L-1)、T3(375 μmol·L-1)、T4(750 μmol·L-1)，以普通MS培養基的正常鎂濃度(1 500 μmol·L-1)為對照(CK)。培養基配方見表1。實驗所用藥品均為分析純。

1.2.2 材料培養 將長勢良好、整齊一致的“大西洋”試管苗接種于5個鎂濃度處理培養基，每個濃度5瓶，每瓶5株，3次重復。培養溫度20±2℃，光照強度2 000 lx，光照時間16 h·d-1，培養20 d后進行各項指標的測定。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生理指標測定

(1)葉綠素含量測定：取第2、3、4片完全展開葉用丙酮提取法測定[11]。

(2)糖類含量測定：可溶性糖和淀粉的測定采用蒽酮比色法。蔗糖測定參照薛應龍的方法[12]。果糖測定采用鉬酸銨法。

(3)鮮重、干重測定和根冠比的計算：將馬鈴薯試管苗用清水沖洗干凈，根系和地上部分分開，分別測定根系和地上部分的鮮重；然后80℃殺青90 min，65℃恒溫烘干，分別測定其干重。根冠比=根系干重/地上部分干重。

1.3.2 根系形態指標測定 將馬鈴薯試管苗根系剪下，清水沖洗干凈，根系掃描分析儀對根系進行掃描，利用WinRHIZO軟件定量分析總根長、根表面積、平均根直徑、根體積和側根數。

表1 各處理培養基的成分Table 1 Components of different culture media

1.4 數據處理

試驗設3次重復，所有數據以平均值±標準誤表示。數據采用SPSS19.0數據分析軟件進行統計分析。數據間的比較采用方差分析(ANOVA)，以Duncan法檢測差異顯著性，顯著水平P<0.05。

2 結果與分析

2.1 低鎂脅迫對馬鈴薯試管苗葉綠素含量的影響

為明確低鎂水平對試管苗葉綠素的影響，對不同低鎂濃度脅迫下馬鈴薯試管苗葉綠素含量進行測定。結果顯示(表2)，馬鈴薯試管苗的葉綠素、Chla和Chlb含量隨鎂濃度升高而增加。缺鎂處理(T1)馬鈴薯試管苗的葉綠素、Chla 和Chlb含量均最低，分別為0.634、0.471 mg·g-1和0.163 mg·g-1，葉綠素、Chla和Chlb含量均在高鎂水平處理(對照)達到最大值，是T1處理的1.73、1.69、1.86倍，差異均達顯著水平。T1處理時Chla/ Chlb值最高，為2.89，對照最低，為2.63。

表2 低鎂脅迫對馬鈴薯試管苗葉綠素含量的影響Table 2 The effects of low-Mg2+ concentration on chlorophyll content of potato plantlet in vitro

注：數值后不同字母表示處理間在P<0.05下存在顯著差異，下同。

Note: Values followed by different letters mean significant difference atP<0.05 between treatments, the same as below

2.2 低鎂脅迫對馬鈴薯試管苗碳水化合物含量的影響

為探究低鎂脅迫對馬鈴薯試管苗碳水化合物積累的影響，測定了不同低鎂水平下試管苗的淀粉、蔗糖、果糖和可溶性糖含量。結果表明(表3)，馬鈴薯試管苗莖葉中，淀粉、蔗糖、果糖和可溶性糖含量均在T1處理下最大，分別為22.257、0.042、5.03 mg·g-1和17.26 mg·g-1，并且均顯著高于對照；淀粉含量隨鎂濃度升高而降低，T1處理的淀粉含量與T2處理無顯著差異，顯著高于T3、T4處理和對照，分別是T3、T4處理和對照的1.6、1.7、2.4倍，對照淀粉含量最低，為9.243 mg·g-1；蔗糖含量在T4處理最低，為0.016 mg·g-1，是T1處理的38.1%，與T2、T3處理和對照差異不顯著；果糖含量隨鎂濃度升高而降低，對照達到最低值，為2.029 mg·g-1，分別是T1、T2、T3和T4處理的40.3%、54.1%、58.5%和64%，與T4處理差異不顯著；可溶性糖含量在T1、T2、T3和T4處理間無顯著差異，均顯著高于對照，對照含量最低，為12.782 mg·g-1，分別是T1、T2、T3和T4處理的74.1%、77.5%、77.4%和75.8%。在馬鈴薯試管苗根系中，淀粉含量在T1處理最低，為5.852 mg·g-1，分別是T2、T3、T4處理和對照的70.1%、80.3%、87%和67.2%，對照淀粉含量最高，為8.713 mg·g-1，淀粉含量在T2、T3和T4處理隨鎂濃度升高而降低；蔗糖、果糖和可溶性糖含量均在T1處理最大，分別為0.025、5.509 mg·g-1和23.232 mg·g-1；蔗糖含量變化與莖葉中完全一致，T1處理的蔗糖含量分別是T2、T3、T4處理和對照處理的1.19、1.22、1.23倍和1.13倍；果糖含量變化與莖葉中基本相同，隨鎂濃度升高呈現降低的趨勢，其含量在T3處理時最小，為2.667 mg·g-1，是T1處理的48.4%，與T4處理和對照差異不顯著；可溶性糖含量最低的是對照，為10.533 mg·g-1，分別是T1、T2、T3和T4處理的45.3%、64.2%、85.2%、67.6%，與T3處理無顯著差異。

表3 低鎂脅迫對馬鈴薯試管苗淀粉、蔗糖、果糖和可溶性糖含量的影響/(mg·g-1)Table 3 The effects of low-Mg2+ concentration on starch, sucrose,fructose and soluble sugar content of potato plantlet in vitro

2.3 低鎂脅迫對馬鈴薯試管苗根冠比的影響

為闡明鎂與馬鈴薯試管苗根冠比的關系，測定了不同低鎂濃度下馬鈴薯試管苗根冠比。結果顯示(表4)，馬鈴薯試管苗地上部分的鮮重和干重在T1處理時均降低為最低值，分別為112.33、12.85 g·株-1，為對照的47.2%和64.5%，與T2處理差異不顯著。隨著鎂濃度升高，馬鈴薯試管苗地上部分的鮮重和干重呈增加趨勢，T4處理的鮮重和干重均達最大值，分別為255.57、21.81 g·株-1，與對照無顯著差異。馬鈴薯試管苗根系的鮮重和干重均在T1處理時為最小值，分別是2.25、0.11 g·株-1，為對照的13.4%和2.2%，與T2、T3、T4處理和對照差異顯著。馬鈴薯試管苗的根冠比在T1處理時為0.91，隨著鎂濃度升高，根冠比顯著增大，T2、T3、T4處理和對照的根冠比分別是T1處理的25、28、27倍和28倍。

表4 低鎂脅迫對馬鈴薯試管苗鮮重、干重和根冠比的影響Table 4 The effects of low-Mg2+ concentration on fresh weight, dry weight and root/shoot ratio of potato plantlet in vitro

2.4 低鎂脅迫對馬鈴薯試管苗根系形態的影響

對不同低鎂濃度下馬鈴薯試管苗根系形態進行觀察，并對形態指標進行定量分析。結果(圖1，表5)表明，馬鈴薯試管苗的總根長、根表面積、根體積和側根數均在T1處理時為最小值，分別為對照的36.1%、45.9%、17.6%和10.1%，顯著低于T2、T3、T4處理和對照；而平均根直徑在T1處理最大，為0.54 mm，與T2、T3、T4處理和對照差異顯著。T2、T3和T4處理的馬鈴薯試管苗的總根長、根表面積、平均根直徑以及根體積與對照差異不顯著，側根數卻顯著增加，T2、T3和T4處理的側根數分別是對照的1.7、1.8倍和2.4倍。

表5 低鎂脅迫對馬鈴薯試管苗根系形態的影響Table 5 The effects of low-Mg2+concentration on root morphology of potato plantlet in vitro

圖1 低鎂脅迫下馬鈴薯試管苗形態(A,T1處理; B,T2處理; C,T3處理; D,T4處理; E,CK)Fig.1 The effects of low-Mg2+ concentration on morphology of potato plantlet in vitro (A, T1; B, T2; C, T3; D, T4; E, CK)

2.5 馬鈴薯試管苗碳水化合物含量與鎂濃度相關性分析

對馬鈴薯試管苗的淀粉、果糖和可溶性糖含量與鎂濃度的相關性進行分析，結果顯示(圖2)，馬鈴薯試管苗莖葉中的淀粉、果糖和可溶性糖含量與鎂濃度均呈顯著負相關。

3 討論與結論

馬鈴薯試管苗是進行微型薯生產的基礎，其生長發育狀況直接關系到微型薯的產量和品質。較早生根、長勢良好的試管苗能誘導出高產優質的微型薯。鎂不僅參與植物光合產物的合成、運輸和分配，還影響根系的形態建成，與植物長勢緊密相關。在植物體內，鎂是葉綠素的組成成分，還參與鎂螯合酶的激活[13]，而葉綠素的合成需要該酶催化，在完全缺鎂狀態下，馬鈴薯試管苗的葉綠素、Chla和Chlb含量均為最低，Chla/ Chlb值最高，表明缺鎂不利于合成Chlb，而Chlb合成影響植株的捕光能力，同時缺鎂還會導致植物體內依賴Mg2+的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBPcase)活性受到抑制[14]，引起植株CO2固定反應下降，光合速率降低，最終造成植株光合產物合成減少。鎂還參與激活植物體內磷酸化酶、磷酸激酶和焦磷酸酶等光合產物合成與運輸過程中的關鍵酶，在完全缺鎂時，這些酶不能被激活，碳水化合物無法正常運輸，僅有的淀粉和蔗糖在莖葉中大量積累，向根部輸送的碳水化合物減少，馬鈴薯試管苗的總根長、根表面積、根體積和側根數減少，根系不能形成足夠的有效吸收面積，植株根冠比降低，根系系統不能建成有效的形態，無法從外界攝取充足營養滿足植株正常生長和發育的需要。植株葉中糖類高濃度積累還會抑制編碼葉綠素a(Chla)和葉綠素b(Chlb)蛋白的Cab2基因的表達，引起植株體內葉綠素含量下降[15]。缺鎂時，老葉中蔗糖輸出不受抑制，是植株運輸碳水化合物到根系的最主要途徑。14C蔗糖標記也表明，蔗糖在植株頂葉大量積累是由于蔗糖從頂葉運出被抑制而引起的[16]，分子水平的分析顯示缺鎂會誘導編碼伴胞中蔗糖/H+轉運體的BvSUT1基因在頂葉上調表達，但韌皮部的蔗糖裝載量并未增加，表明它的蔗糖裝載可能存在缺陷[17-18]。馬鈴薯試管苗淀粉和蔗糖在頂葉積累的原因可能就是缺鎂導致的韌皮部蔗糖裝載缺陷。鎂還與ATP相互作用，產生質子流為蔗糖轉運提供能量[19]。這說明缺鎂時，除試管苗光合效率下降導致碳水化合物合成減少外，運輸途徑受阻也是試管苗根系無法獲取足夠營養并建成正常根系形態的原因。低鎂水平和高鎂水平下馬鈴薯試管苗植株的葉綠素、Chla和Chlb含量升高，Chla/ Chlb值降低，光合產物合成增多，根系的生長顯著增加，尤其是側根，植株的根冠比升高；其次，低鎂脅迫(約1/2對照水平)和高鎂水平(對照)時馬鈴薯試管苗的碳水化合物運輸恢復正常，最終植株能夠運輸較多碳水化合物用于根系的形態建成，低鎂脅迫(約1/2對照水平)下馬鈴薯試管苗根系側根數高于正常鎂水平，可能是馬鈴薯試管苗對低鎂脅迫的一種適應性反應，通過增加根系側根來吸收更多的鎂和其他營養，低營養條件下側根發生發育高于高營養條件的現象在其它植物響應低養分脅迫時也普遍存在[20]。植物在低鎂水平時，合成尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)所需酶無法被激活[21-22]，影響蔗糖合成，造成果糖含量較高，說明多糖的合成過程還沒有完全恢復，同時植物體內與碳水化合物代謝有關的磷酸化酶、磷酸激酶和焦磷酸酶活性受到抑制[23]，碳水化合物的轉化和再利用較少，造成可溶性糖積累。高鎂水平(正常)下馬鈴薯試管苗合成蔗糖的途徑得到恢復，果糖含量降低，同時可溶性糖的代謝也恢復正常，含量減少。

圖2 馬鈴薯試管苗碳水化合物含量與鎂濃度的相關性Fig.2 The correlation analysis between carbohydrates and Mg2+ level of potato plantlet in vitro

因此，缺鎂會使馬鈴薯試管苗的葉綠素含量降低，嚴重影響光合產物合成和碳水化合物的積累與分配，使植株的根冠比降低，抑制植株生長；低鎂脅迫(約1/2對照水平)下馬鈴薯試管苗葉綠素含量增加，光合效率提高，同時促使碳水化合物向根系運輸，根冠比增大，促進根系的形態建成，與正常鎂水平(對照)下馬鈴薯試管苗指標的變化差異不大，適宜于馬鈴薯試管苗的生長，為微型薯的生產提供良好條件。