鉀脅迫對枳生長及根系激素和信號物質水平的影響

高偉勤 劉春艷 吳強盛

摘要：以枳為材料，研究在沙培條件下其生長、內源激素和信號物質對不同濃度K脅迫的響應。結果顯示，與適鉀（6 mmol/L）處理相比，無鉀（0 mmol/L）、低鉀（2 mmol/L）和高鉀（12 mmol/L）處理都抑制了植株株高、莖粗、葉片數以及葉、莖和根生物量，也顯著降低了根系吲哚乙酸（IAA）、赤霉素（GAs）、油菜素內酯（BR）、玉米素核苷（ZR）含量，但顯著增加了根系脫落酸（ABA）含量以及根系信號物質鈣調素（CaM）、水楊酸（SA）、一氧化氮（NO）、茉莉酸（JA）水平。K誘導的內源激素和信號物質水平變化表明枳實生苗能對K脅迫快速響應。

關鍵詞：柑橘砧木枳;生長;根系內源激素;信號物質;鉀脅迫;酶聯免疫吸附檢測法

中圖分類號： S666.01文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）08-0139-03

收稿日期：2019-10-14

基金項目：湖北省高等學校優秀中青年科技創新團隊計劃（編號：T201604）;湖北省農業科技創新行動項目（編號：鄂農發[2018]1號）。

作者簡介：高偉勤（1994—），男，河南南陽人，碩士研究生，主要從事果樹生理研究。E-mail：weiqin925148@163.com。

通信作者：吳強盛，博士，教授，主要從事果樹菌根生物技術研究。E-mail：wuqiangsh@163.com。

鉀元素（K）參與了植物光合作用、同化物運輸、碳水化合物代謝、蛋白質合成和酶系統等過程，對植物生長發育呈現重要的作用[1]。當土壤K含量過低時，老葉葉尖和葉緣會產生褐斑，根系短而少，嚴重時還會出現老葉葉尖灼燒狀和根系腐爛等現象。若K肥使用過多，也易導致土壤和作物營養元素失調，影響作物增產，并造成環境污染[2]。因此，適當的K水平對植物的生長發育顯得尤為重要。

植物應對非生物脅迫時，通過調節相關信號分子的水平以適應環境條件的改變[3]。信號分子是在細胞間和細胞內傳遞信息的物質，它們唯一的功能是與細胞受體結合并傳遞信息。植物激素類如生長素（IAA）、赤霉素（GAs）、脫落酸（ABA）以及小分子信號物質如鈣調素（CaM）、水楊酸（SA）、一氧化氮（NO）、茉莉酸（JA）等均屬于信號分子的范疇。陳虞超等已證實，信號分子的水平可反映植物的生理狀態，且與營養脅迫密切相關[4]。因此，研究植物信號分子水平在K脅迫下的變化，對于了解植物的營養脅迫響應至關重要。

柑橘作為我國重要的果樹之一，對K的需求量較大，如果土壤K缺乏時，柑橘生長受到抑制，果實產量和品質下降[5]。但是，柑橘的內源激素和信號物質對K脅迫的響應，目前尚不清楚。本研究以柑橘砧木枳（Poncirus trifoliata Raf.）為試驗材料，探究不同濃度K脅迫對枳生長、根系內源激素和信號分子水平的影響，旨在為今后柑橘的施肥管理提供依據。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

枳種經70%乙醇表面消毒5 min，蒸餾水沖洗后，置于滅菌的河沙中，于晝/夜溫度28 ℃/20 ℃、相對濕度68%的培養箱中發芽。隨后選取5葉齡的2株枳實生苗移栽于塑料盆（15.5 cm×11.0 cm×13.0 cm）中，盆栽河沙（河沙直徑 Ф≤4 mm）預先經0.11 MPa、121 ℃高壓蒸汽滅菌30 min。

1.2?試驗設計

試驗為單因素設計，設無鉀（0 mmol/L K）、低鉀（2 mmmol/L K）、適鉀（6 mmol/L K）、高鉀（12 mmol/L K）4個處理，每個處理重復5次，每盆2株枳實生苗，共20盆，隨機排列。其中，適鉀水平參照曹秀等的研究[6]進行設計。幼苗移栽14 d內，每天澆ddH2O 100 mL/盆。之后，每2 d澆施設計的不同K濃度Hoagland營養液100 mL/盆。K的控制是對營養液中KNO3進行設置，為保證N濃度一致，通過額外添加NH4NO3來完成。為避免K在基質中積累，每次K處理后的1 d內，ddH2O 100 mL/盆用于除去基質殘留的K養分。試驗于2018年3—5月在長江大學園藝園林學院玻璃溫室內進行，每周隨機調整各盆位置。

1.3?測定方法

K處理10周后結束試驗，測定其株高、莖粗、葉片數以及葉片、莖和根系鮮質量。根系內源激素（ABA、IAA、GAs、油菜素內酯BR和玉米素核苷ZR）的提取參照Chen等的方法[7]進行，隨后采用酶聯免疫吸附檢測法（ELISA）分析，試劑盒由中國農業大學作物化學控制研究中心提供。根系CaM、NO、SA、JA含量也采用ELISA進行測定，試劑盒均購于上海酶聯生物科技有限公司，測定的所有操作均依照說明書進行。

1.4?統計分析

運用SAS 8.1軟件的ANOVA過程對處理間作差異性測驗，采用鄧肯氏新復極差法進行多重比較分析（P<0.05）。

2?結果與分析

2.1?枳實生苗生長對不同濃度K脅迫的響應

由表1可知，無鉀、低鉀和高鉀處理都能顯著抑制枳生長。與6 mmol/L K處理相比，不同濃度的K處理均顯著降低了株高、莖粗以及葉片、莖和根系鮮質量，尤其以無鉀處理降低效果最為明顯，表明K濃度過高或過低都不利于枳生長，在K濃度為 6 mmol/L 時枳生長狀況最佳。

2.2?枳根系激素對不同濃度K脅迫的響應

由圖1可知，與適鉀（6 mmol/L）處理相比，無鉀、低鉀和高鉀處理都顯著降低了枳根系BR、GAs、IAA、ZR含量，但是顯著增加了根系ABA含量。與適鉀處理相比，根系BR、GAs、IAA和ZR含量在無鉀（0 mmol/L）處理下分別降低38.2%、43.3%、336%、34.2%;在低鉀（2 mmol/L）處理下分別降低19.7%、30.4%、16.5%、21.9%;在高鉀（12 mmol/L）處理下分別降低13.9%、29.5%、7.3%、15.1%。此外，枳根系ABA含量在無鉀、低鉀和高鉀處理下分別升高34.6%、16.4%、12.7%。

2.3?枳根系信號物質對不同濃度K脅迫的響應

由表2可知，無鉀、低鉀或高鉀能顯著促進枳根系信號物質的合成，表現為CaM、NO、SA、JA含量比適鉀處理高，且CaM含量的變化趨勢是高鉀（12 mmol/L）>無鉀（0 mmol/L）>低鉀（2 mmol/L）>適鉀（6 mmol/L），而NO含量的變化趨勢為低鉀（2 mmol/L）>高鉀（12 mmol/L）>無鉀（0 mmol/L）>適鉀（6 mmol/L）。與適鉀相比，根系CaM含量在無鉀、低鉀和高鉀處理下分別增加538%、29.2%、71.3%，根系NO含量則分別增加 96.6%、156.5%、123.8%。無鉀、低鉀和高鉀處理根系的SA、JA含量均顯著高于適鉀處理的植株。這表明無論是低鉀、高鉀還是無鉀處理都能刺激根系信號物質含量的增加，以幫助植物抵御營養脅迫。

3?結論與討論

本研究結果顯示，與適鉀處理相比較，無鉀和低鉀處理顯著降低了枳生長狀況，這可能是因為缺鉀推遲了側根原基的發育進程[8]，進而抑制了枳實生苗根系的生長，同時阻礙了光合產物的合成以及運輸，導致其生物量下降[9]。此外，高鉀處理也輕微地降低了枳實生苗的生長，這可能是較高的鉀水平擾亂了植物體內離子平衡，不利于葉綠素的合成，造成光合速率下降，糖代謝失調[10]。盡管如此，因為K+參與植物體內的代謝機制復雜，其對植物生長的調控機制有待深入研究。

與適鉀處理相比較，無鉀、低鉀和高鉀處理顯著降低了枳根系BR、GAs、IAA和ZR含量，但提高了根系ABA含量，這與庫文珍等在大田作物上的研究結果[11]一致。植物體內BR、GAs、IAA和ZR能促進植物生長，延緩衰老，誘導植物體內物質運輸[11]。這些結果表明，K脅迫抑制植物生長與內源激素的改變密切相關。此外，根系的一些信號物質在K脅迫下也發生了強烈的變化，即與適鉀相比，無鉀、低鉀和高鉀處理均顯著提高枳實生苗根系CaM、JA、SA、NO含量。由此推測，當植物處于K脅迫時，根系信號物質通過提高自身含量，從而激活下游產物的表達[12]，促進多酚類物質和ABA的合成[13]，從而幫助植物抵御營養脅迫。

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