稀土微肥氯化鐠調控馬鈴薯生長發育及抗旱的生理機制

楊宏偉，柴 強，李朝周，張俊蓮

(1.甘肅農業大學農學院/甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學生命科學技術學院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省作物遺傳改良和種質創新重點實驗室，甘肅 蘭州 730070； 4.甘肅農業大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070 )

因水資源短缺形成的旱災已成為影響農業生產最主要的自然災害之一，干旱造成的糧食作物減產位于各種自然災害之首，現已成為當今世界各國農業生產中面臨的共同問題[1-2]。旱地農業生產中，水和肥是限制農作物產量的2個主要因素。因此，在干旱及半干旱地區研究施肥方式及其與作物抗旱性的關系，對如何有效利用有限水分和肥料資源，提高干旱地區作物產品和質量，促進農業可持續發展具有現實和深遠的意義。

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)原產于南美洲的秘魯和玻利維亞的安第斯山脈，營養豐富，適應環境能力強，用途廣泛[3]。馬鈴薯是典型的溫帶氣候作物，對水分虧缺和高溫非常敏感；主要在我國北方種植，尤其在西北地區種植面積較大[4]。甘肅地處西北黃土高原，70%土地以上為山地，干旱或季節性干旱成為限制馬鈴薯高產和優良品質的重要因素。因此通過合理施肥提高馬鈴薯抗旱能力成為西北地區馬鈴薯種植生產中的主要措施之一。

我國是世界上首次將稀土元素作為農用微肥應用于農業生產上的國家，稀土微肥作為一種新型微肥，對農業生產的增益效果顯著[5]。研究表明，適量稀土元素在促進作物優質增產的同時，具有誘導植物抗性，提高植物耐酸雨、重金屬污染等脅迫的能力[6]。唐加紅等[7]研究發現，干旱脅迫下施用適量的稀土微肥能顯著抑制小麥葉片丙二醛(MDA)的累積速率和干旱對細胞膜的損傷，增加葉片脯氨酸含量，增強葉片的保水能力，增加葉片葉綠素含量，促進同化物的合成。目前，關于稀土微肥在農作物生產中的應用研究主要集中于多種混合元素在正常耕作條件下對作物生長發育的影響，而鮮見將單一稀土元素(鐠)和干旱脅迫相結合的研究。周荷益等[8]研究鑭對鹽脅迫下小麥幼苗活性氧代謝的影響發現硝酸鑭溶液能夠緩解鹽脅迫誘導的氧化傷害，具有促進鹽脅迫下小麥種植萌發和幼苗生長的作用。本試驗以馬鈴薯品種“大西洋”為材料，采用不同干旱處理后澆灌不同濃度氯化鐠水溶液，通過對苗期葉片葉綠素、可溶性糖、脯氨酸、MDA、抗氧化酶等生理生化指標及成熟期株高、莖粗等生長指標的測定，分析氯化鐠對干旱脅迫下馬鈴薯生長發育的影響，探究稀土元素鐠提高馬鈴薯抗旱性的生理機制，為提高干旱地區及半干旱地區馬鈴薯生產力提供科學依據和理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年在甘肅省景泰縣條山集團馬鈴薯種植基地(37°11′N，104°03′E)進行。基地年均降水量為193.72 mm。0～30 cm土層土壤有機質含量9.1 g·kg-1，全氮含量0.54 g·kg-1，堿解氮17.6 mg·kg-1，速效磷32.6 mg·kg-1，速效鉀272.0 mg·kg-1，pH 8.37。

1.2 試驗材料

供試馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)品種為“大西洋”，由甘肅省景泰縣條山農場提供；所用稀土肥為氯化鐠(純含量99.9%)，上海源葉生物科技有限公司生產。

1.3 試驗設計

2015年4月20日開始種植。進入幼苗期20 d后，通過控制灌溉量及0～30 cm土層土壤的稱重[9]控制土壤含水量，設置Water-CK(土壤質量含水量保持在32%～35%左右)，Water-1(土壤質量含水量保持在23%～25%左右)，Water-2(土壤質量含水量保持在15%～18%左右)3個水分梯度，直到生長發育周期結束。3個水分梯度分別各設置5行，每行間隔50 cm，采取相同的灌溉量，試驗取土和取材均取中間行。增施稀土微肥的量分為6個濃度梯度，在幼苗期第23天早晨通過澆灌增施不同量的氯化鐠水溶液，每株澆灌氯化鐠溶液100 mL，增施濃度分別為0，30，60，90，120，150 mg·L-1，每一處理設置3個重復。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 生長指標測定 株高：收獲前5～7 d測定，以植株莖最高部位距地表面的高度為準，用直尺測量；莖粗：以植株與地表面的交界處地上莖直徑為代表，用游標卡尺測量；地上莖分枝數：收獲時統計；匍匐莖數量：收獲后統計；根長：用直尺測量5根最長根長度，取平均值；地上部分重(以單株計算)，收獲時完整挖出馬鈴薯植株，先用自來水沖洗2～3次，再用蒸餾水沖洗2次，用濾紙擦干表面水分后稱鮮重，105℃殺青15 min，75℃烘干至恒重，再稱干重；塊莖產量：收獲后用電子天平稱量，取平均值[9]。

1.4.2 抗性生理指標測定 噴施后20 d取馬鈴薯幼苗葉片第3和第4復葉作為試驗材料。將葉片用蒸餾水沖洗干凈，擦干后測定各項生理指標。葉綠素含量采用乙醇提取法[9]測定；脯氨酸(Pro)含量采用水合茚三酮法[9]測定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法[9]測定；MDA采用硫代巴比妥酸法[9]測定；超氧陰離子采用王愛國等[10]的方法測定；相對電導率采用電解質外滲量法[9]測定；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用Giannopolitis和Ries[11]的方法測定；過氧化物酶(POD)活性采用Shi等[12]的方法測定；過氧化氫酶(CAT)活性采用Aebi[13]的方法測定。

1.5 數據處理

采用Office 2010軟件對數據進行處理和繪圖，采用SPSS 17.0統計分析軟件對數據進行差異顯著性檢驗，取P<0.05為顯著相關，各項指標測定重復3次。

2 結果與分析

2.1 稀土微肥氯化鐠對干旱脅迫下馬鈴薯幼苗葉片葉綠素含量的影響

由表1可知，同一水分梯度下，增施不同濃度PrCl3后，隨著增施濃度的升高，幼苗葉片葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)、葉綠素總量及葉綠素a/b(Chl a/Chl b)呈先升高后降低的趨勢，但均高于未增施處理。Water-CK處理下，當PrCl3濃度為90 mg·L-1時，葉片Chl a、Chl b、葉綠素總量達到最大值，分別較未增施處理升高了296.75%、298.10%和297.64%；Water-1處理下，當PrCl3濃度為90 mg·L-1時，葉片以上各指標達到最大值，分別較未增施處理升高了132.23%、131.06%和131.45%；Water-2處理下，當PrCl3濃度為90 mg·L-1時，葉片以上各指標達到最大值，分別較未增施處理升高了163.45%、161.80%和162.35%。

表1 稀土微肥氯化鐠對干旱脅迫下馬鈴薯幼苗葉片葉綠素含量的影響

注：同列不同小寫字母表示同一水分條件下不同施肥水平間差異顯著,下同。

Note：Different lowercase letters in the same column indicate significant difference atP<0.05 level of the different fertilizer content in the same water treatment, the same below.

2.2 稀土微肥氯化鐠對干旱脅迫下馬鈴薯幼苗葉片滲透調節物質含量的影響

由圖1A可知，隨干旱脅迫程度的加劇，馬鈴薯幼苗葉片可溶性糖含量逐漸升高，不同干旱脅迫處理下，增施不同量的PrCl3后，葉片內可溶性糖含量呈先升高后降低的趨勢，各處理下差異顯著(P<0.05)，當PrCl3的增施量為90 mg·L-1時，Water-CK、Water-1和Water-2可溶性糖含量達到最大值，分別為2.907、2.694 mg·g-1和3.121 mg·g-1，比未增施的升高了98.91%、59.36%和59.59%。

由圖1B可知，增施不同濃度的PrCl3后，Water-CK下馬鈴薯幼苗葉片脯氨酸含量逐漸升高，其余2個處理下脯氨酸含量呈先升高后降低的變化趨勢，各處理間差異顯著(P<0.05)。Water-1和Water-2處理下，PrCl3增施量為90 mg·L-1時，脯氨酸含量達到最大值，分別為354.53 μg·g-1和547.58 μg·g-1，較未增施處理分別升高了199.95%和151.45%。

注：同一類折線上不同小寫字母表示相同水分處理不同施肥水平間差異顯著,下同。Note：Different lowercase letters in the same fold line indicate significant difference atP<0.05 level of the different fertilizer content in the same water treatment, the same below.圖1 稀土微肥氯化鐠對干旱脅迫下馬鈴薯幼苗葉片可溶性糖和脯氨酸含量的影響Fig.1 Effects of rare-earth micronutrient fertilizer praseodymium chloride on the soluble sugar and proline contents in potato seedlings under drought stress

2.3 稀土微肥氯化鐠對干旱脅迫下馬鈴薯幼苗葉片活性氧相關物質代謝的影響

相同PrCl3濃度下，隨著干旱脅迫程度的加劇，馬鈴薯幼苗葉片相對電導率逐漸升高(圖2B)，Water-1和Water-2處理高于Water-CK。不同干旱脅迫下，增施不同濃度PrCl3后，馬鈴薯幼苗葉片相對電導率呈先降低后升高的趨勢，相同水分狀況不同濃度處理間差異顯著(P<0.05)。當PrCl3增施濃度為90 mg·L-1時，各干旱處理下葉片內相對電導率最小，分別為13.78%、23.02%和25.30%，較未增施處理降低了40.55%、16.86%和25.29%。

由圖2C可知，隨著干旱脅迫程度的加劇，馬鈴薯幼苗葉片MDA含量逐漸升高的變化趨勢，Water-2處理顯著高于Water-CK和Water-1處理。相同干旱脅迫下，增施不同濃度的PrCl3，馬鈴薯幼苗葉片MDA含量呈先降低后升高的趨勢，各處理間差異顯著(P<0.05)。當PrCl3濃度為90 mg·L-1時，馬鈴薯幼苗葉片MDA含量最低，較對應未增施處理降低了55.79%、38.48%和54.52%。

2.4 稀土微肥氯化鐠對干旱脅迫下馬鈴薯幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

如圖3所示，不同程度干旱處理及增施PrCl3后對馬鈴薯幼苗葉片SOD、POD和CAT活性均有影響。隨著干旱脅迫程度的加劇，Water-1和Water-2處理馬鈴薯幼苗葉片SOD活性顯著高于Water-CK處理。相同干旱處理下，增施PrCl3后，隨著PrCl3濃度的升高，葉片SOD活性呈先升高后降低的趨勢。在Water-1和Water-2處理下，當PrCl3濃度為90 mg·L-1時，馬鈴薯幼苗葉片SOD活性達到峰值，分別為717.71 U·g-1和662.35 U·g-1，比相同干旱處理下未增施PrCl3處理分別升高了52.99%和38.35%。

不同干旱處理下增施不同濃度PrCl3，隨著增施濃度的升高，馬鈴薯幼苗葉片POD活性呈先升高后下降的趨勢，且各處理間差異顯著(P<0.05)。Water-CK處理下，馬鈴薯幼苗葉片POD活性變化緩慢，而其他2組干旱處理下葉片POD活性變化劇烈，當PrCl3增施濃度達到90 mg·L-1時，葉片POD活性最高，分別較相同處理下未增施PrCl3升高了36.34%和28.08%。

隨干旱脅迫程度的加劇，馬鈴薯幼苗葉片CAT活性逐漸升高。相同干旱脅迫處理下，增施不同濃度PrCl3后，葉片CAT活性呈先升高后降低的趨勢，且各處理間差異顯著(P<0.05)。當PrCl3增施濃度達到90 mg·L-1時，各干旱脅迫處理下葉片CAT活性最高，較未增施PrCl3分別顯著升高了90.00%、114.00%和66.00%。

圖2 稀土微肥氯化鐠對干旱脅迫下馬鈴薯幼苗葉片產生速率、相對電導率及MDA含量的影響Fig.2 Effects of rare-earth micronutrient fertilizer praseodymium chloride on production rate,relative conductivity,and MDA contents in potato seedlings under drought stress

圖3 稀土微肥氯化鐠對干旱脅迫下馬鈴薯幼苗葉片SOD、POD及CAT活性的影響Fig.3 Effects of rare-earth micronutrient fertilizer praseodymium chloride on the activities of SOD,POD and CAT in potato seedlings under drought stress

2.5 稀土微肥氯化鐠對干旱脅迫下馬鈴薯生長發育的影響

由表2可知，隨著干旱脅迫程度的加劇，相同PrCl3處理下馬鈴薯株高、莖粗、地上部分干重、地下部分干重、地上分枝數及單株薯重呈逐漸下降的趨勢。同一干旱脅迫處理下，增施不同濃度PrCl3緩解了干旱脅迫對馬鈴薯生長發育造成的影響，馬鈴薯以上各指標均高于未增施處理，且隨著增施濃度的升高，各指標值呈先升高后下降的趨勢。Water-CK處理下，當PrCl3增施濃度達到90 mg·L-1時，馬鈴薯株高、莖粗、地上部分干重、地下部分干重、地上分枝數及單株薯重均達到峰值，分別較未增施處理升高了81.46%、87.16%、100.99%、30.31%、28.57%和46.91%；Water-1處理下，當PrCl3增施濃度達到90 mg·L-1時，馬鈴薯以上各指標分別較未增施處理升高了74.47%、63.99%、101.20%、39.15%、136.36%和59.52%；Water-2處理下，當PrCl3增施濃度達到90 mg·L-1時，馬鈴薯以上各指標分別較未增施處理升高了67.87%、21.68%、32.81%、49.05%、187.50%和63.91%。

表2 稀土微肥氯化鐠對干旱脅迫下馬鈴薯植株生長發育的影響

3 討 論

葉片是植物對環境變化感應較為敏感的器官，葉片中的葉綠素是植物進行光合作用的物質基礎，也是植物生長過程中的重要生理參數[14]，因此葉綠素含量的高低在一定程度上反映了光合能力的強弱。光合作用是植物最重要的合成代謝過程之一，直接關系著植物的生長狀況[15]，其強弱對植物抗逆性有重要影響。本研究中，低濃度(0～90 mg·L-1)的氯化鐠處理顯著提高了干旱脅迫下馬鈴薯幼苗葉片葉綠素含量，高濃度(120～150 mg·L-1)的氯化鐠處理后葉綠素含量降低，這與唐加紅等[7]研究發現適量的稀土微肥可促進干旱脅迫下小麥葉片葉綠素含量的升高相似，其可能的作用機理是Pr能顯著提高葉片葉綠素含量，促進馬鈴薯葉片光合作用。

植物通過積累滲透調節物質以抵抗干旱脅迫的傷害。可溶性糖和脯氨酸是2種重要的滲透調節劑，是細胞質中重要的滲壓劑和防脫水劑，在逆境脅迫條件下，能保護細胞膜和原生質的穩定性，降低細胞的滲透勢[16]，提高植物組織的保水力[17]。因此保持植物體細胞內相對較低的滲透勢是提高作物抗旱性的重要保障。馬楠等[18]研究顯示干旱脅迫使4種花卉植物細胞內可溶性糖和脯氨酸含量升高。任艷芳等[19]研究表明稀土鐠可增加鎘脅迫下水稻根系脯氨酸含量。本試驗結果表明馬鈴薯幼苗葉片可溶性糖和脯氨酸含量隨干旱脅迫程度的加劇而升高，當澆灌PrCl3后，葉片可溶性糖和脯氨酸含量顯著高于未增施處理。由此推測，外源Pr的增施有助于促進馬鈴薯植株葉片細胞內滲透調劑物質的積累，從而提高馬鈴薯抗旱性。

干旱脅迫在一定程度上影響植物的生長與發育，且對其有整體性反應。植物生物量的積累是反映植物受到干旱脅迫最明顯的生理表征[28]。趙春橋等[29]研究表明柳枝稷在干旱脅迫處理下生長特性受到顯著抑制，株高、地上和地下部生物量顯著降低。楊祁峰[30]研究發現施用稀土肥料可顯著增加馬鈴薯單株薯重。本試驗結果表明干旱脅迫處理下馬鈴薯生長發育受到抑制，表現為植株矮小，莖細，地上、地下部分干重和地上分枝數減少，單株產量低。噴施PrCl3提高了馬鈴薯的株高、莖粗、地上及地下部分干重和單株薯重。其可能的作用機理是Pr促進馬鈴薯幼苗葉片光合作用，從而增加光合產物。

4 結 論

本文通過研究葉面增施不同濃度的PrCl3溶液對干旱脅迫下馬鈴薯幼苗的影響發現，增施90 mg·L-1PrCl3溶液對提高重度干旱下馬鈴薯株高、莖粗、地上部分干重、地下部分干重、地上分枝數及單株薯重的效果顯著，上述各指標分別較未增施處理升高了67.87%、21.68%、32.81%、49.05%、187.50%和63.91%。另外，馬鈴薯幼苗葉片中MDA和活性氧自由基產生速率隨土壤含水量的減少而逐漸升高，滲透調節物質含量增加；但由于干旱程度的加劇，馬鈴薯自身的抗逆體系已經不能完全抵御逆境對其的傷害，通過不同濃度的氯化鐠處理后，馬鈴薯幼苗葉片中SOD，POD以及CAT活性顯著升高，說明植株清除活性氧自由基的能力得到增強，這有利于維持膜的穩定性和減少膜質過氧化作用，從而提高馬鈴薯的抗旱性。