鉀素對馬鈴薯組培苗生長及生理生化特性的影響

張茹艷，張衛娜，康益晨，范艷玲，楊昕宇，余慧芳，王勇，劉玉匯，張俊蓮,，秦舒浩

(1.甘肅農業大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學作物遺傳改良與種質創新重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

鉀是植物生長發育必需的大量元素之一，與氮、磷并列為植物營養的“三大要素”，在作物的生長發育和代謝過程中發揮著重要作用[1].鉀作為生物體內許多酶的活化劑，參與了植物體內諸多代謝過程，如碳水化合物、脂肪和蛋白質的合成等[2].馬鈴薯(Solanumtuberosum)是我國廣泛種植的糧菜兼用型作物[3].馬鈴薯對鉀的需求量很高，作為一種典型的嗜鉀作物，充足的鉀源是保證馬鈴薯正常生長的重要條件.馬鈴薯生產栽培中，合理施用鉀肥能夠增強馬鈴薯植株抗逆性，提高塊莖產量，改善塊莖品質.因此，馬鈴薯也被認為是鉀可用性的指示作物[4-8].

已有大量的試驗研究表明低鉀脅迫可導致水稻[9]、馬鈴薯[10]、小麥[11]、大蒜[12]、棉花[13]和大豆[14]等作物植株生物量減少，植株生長緩慢，根系生長受到抑制.在馬鈴薯生產當中，不同施鉀水平對馬鈴薯的農藝性狀、氮磷鉀素含量、干物質、產量和品質均會產生較大的影響.低鉀環境中適當的增施鉀肥可以促進馬鈴薯植株生長健壯，莖稈粗壯堅韌，增強抗旱、抗寒和抗病能力[14-15].同時，鉀也是組織培養的培養基中所必需的營養元素[16].劉玉匯等[17]研究表明，60%的低鉀培養環境能促進馬鈴薯組培苗的生長，使其生物量增多.

采用組培方式獲得脫毒的健康種苗是解決病害的一個有效手段[18].目前對馬鈴薯研究最多的是馬鈴薯的脫毒、儲藏和平衡施肥，而對鉀素作用下馬鈴薯組培苗性狀研究較少[19-20].為探討鉀素濃度對馬鈴薯組培苗生長發育能力的影響，獲得適生性更強的栽培種苗，本試驗利用組織培養技術，通過設置不同的鉀素濃度，篩選最適合青薯9號組培苗生長發育的鉀素濃度，研究鉀素對馬鈴薯組培苗生長及生理生化特性的影響，以期為馬鈴薯生產和大量擴繁組培苗提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試品種 供試品種：馬鈴薯品種青薯9號，由甘肅省定西市農業科學研究院提供.

1.1.2 試驗培養基 以MS培養基+30 g/L蔗糖為基礎液體培養基，將配好的培養基分裝到200 mL組培玻璃瓶中，每瓶裝50 mL，培養基分裝后置于121 ℃高壓鍋中滅菌30 min備用.

1.2 材料培養與試驗設計

本試驗于2018年9月～2019年6月在甘肅農業大學蔬菜栽培與生物學實驗室進行，2018年10月開始擴繁，挑選生長一致的‘青薯9號’馬鈴薯組培苗，在無菌操作臺上剪取至少帶有一個葉原基的生長點(約0.2～0.5 mm)，迅速接入滅菌后的基礎培養瓶中，每瓶轉接4株.置于光照培養箱培養，設置25 ℃、4000 lx 光照度、濕度70%～90%、光照16 h/d的條件下培養25 d.后期在無菌操作臺對組培苗進行不同濃度外源鉀素的處理，吸取不同濃度硫酸鉀溶液分別沿培養瓶瓶壁加入到培養瓶中.試驗共設置5組處理，鉀素濃度梯度依次為K1(10 mmol/L)、K2(20 mmol/L)、K3(40 mmol/L)、K4(80 mmol/L)、K5(100 mmol/L)，選取不加硫酸鉀處理的組培苗為對照(K0).每個處理重復45瓶，處理10 d后進行各項指標測定，測定期間需不斷接種補苗以保持組培苗的最佳測定時期.

1.3 測定項目與方法

生長指標測定：株高以植株莖最高部位距MS培養基的高度為準，用直尺測量取平均值；新葉數和根數計算其平均值；稱量鮮質量時將地上與地下部分沖洗干凈后用電子天平稱量并取其平均值.

抗逆生理指標測定：脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮法測定[21]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定[21]；過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法測定[21]；過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測定[22]；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化還原法測定[22]；葉綠素含量的測定采用分光光度計法測定[23]；電導率的測定采用電導儀測定電導率測定[24].植株鉀素含量的測定：用火焰分光光度法測定[25].

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 25.0進行原始數據統計、方差分析和作圖；LSD法進行差異顯著性分析(α=0.05).

2 結果與分析

2.1 鉀素對馬鈴薯組培苗生長特性的影響

不同鉀素濃度處理下的馬鈴薯組培苗各生長指標及狀況見表1和圖1.K1、K2和K3處理下的組培苗植株株高、新葉數、根數、地上鮮質量、地下鮮質量與對照相比均有不同程度的增加，K4和K5處理下的馬鈴薯組培苗長勢均比對照差.其中K3處理下植株株高增長了119.88%，新葉數和根數分別增加了52.72%和33.33%，地上部與地下部鮮質量分別增加了49.45%和37.57%.與其他處理相比，K3處理下植株生長健壯，各項指標均達到最高且差異顯著(P<0.05).

2.2 鉀素對馬鈴薯組培苗葉綠素含量的影響

由圖2可知，在鉀素處理10 d后，馬鈴薯組培苗葉片葉綠素含量隨鉀素濃度的增大呈先增高后降低的整體趨勢；與對照相比，K1與K4處理下無顯著性差異；K5處理的馬鈴薯組培苗葉綠素含量與對照相比，降低了47.29%；K2和K3處理的馬鈴薯組培苗葉綠素含量分別比對照增加了19.38%和63.82%.其中K3處理下馬鈴薯組培苗葉綠素含量最高，與對照和其他處理間差異顯著(P<0.05).

表1 不同鉀素濃度對馬鈴薯組培苗生長指標的影響

2.3 鉀素對馬鈴薯組培苗抗氧化酶活性和MDA含量的影響

馬鈴薯組培苗葉片中抗氧化酶活性(SOD、CAT和POD)的變化如圖3-A～C所示.SOD、CAT、POD活性變化均呈先增高后降低的趨勢，且在K3處理下3種抗氧化酶活性均達到最高，分別高達14.80、4.227和48.003 U/g，與對照相比分別增加了15.3%、70.87%和14.99%，差異性顯著(P<0.05).馬鈴薯組培苗葉片MDA含量呈(以鮮質量計)先降低后升高的變化趨勢.如圖(3-D)所示，K1、K2和K4鉀素濃度處理下，MDA含量與對照相比無顯著差異，K5處理下馬鈴薯組培苗葉片MDA含量比對照增高了26.63%，顯著高于對照(P<0.05).K3處理下馬鈴薯組培苗葉片MDA含量比對照降低了53.57%，差異顯著(P<0.05).

2.4 鉀素對馬鈴薯組培苗脯氨酸含量和電導率的影響

如圖4所示，馬鈴薯組培苗葉片脯氨酸含量及相對電導率隨鉀素濃度增大均呈先降低后增加的變化趨勢.從圖4-A可知，K1處理下脯氨酸含量與對照無顯著性差異；從K2、K3處理下馬鈴薯組培苗脯氨酸含量顯著低于對照(P<0.05)，K4和K5處理分別比對照高20.31%和49.48%，與對照相比差異顯著(P<0.05)；從圖(4-B)可知，K1、K2處理的馬鈴薯組培苗葉片相對電導率與對照無顯著差異；K4和K5處理的葉片電導率分別比對照高11.02%和13.63%，與對照差異顯著(P<0.05).K3處理下馬鈴薯組培苗葉片脯氨酸含量和電導率分別比對照降低了58.32%和13.6%，均顯著低于對照和其他各處理(P<0.05).

圖1 不同濃度鉀素處理下馬鈴薯組培苗生長狀況圖Figure 1 Growth status of potato tissue cultured seedlings treated with different concentrations of potassium

不同字母表示差異顯著(P<0.05).Different letters indicate significant differences(P<0.05).圖2 不同濃度鉀素處理對馬鈴薯組培苗葉綠素含量的影響Figure 2 Effects of different potassium concentrations on chlorophyll content of potato tissue cultured seedlings

不同字母表示差異顯著(P<0.05).Different letters indicate significant differences(P<0.05).圖3 不同鉀素處理對馬鈴薯組培苗對馬鈴薯組培苗抗氧化酶活性和MDA含量的影響Figure 3 Effects of different potassium treatments on antioxidant enzyme activity and MDA content of potato tissue cultured seedlings

不同字母表示差異顯著(P<0.05).Different letters indicate significant differences(P<0.05).圖4 不同濃度鉀素處理對馬鈴薯組培苗滲透調節物質(Pro)含量和電導率的影響Figure 4 Effects of different concentrations of potassium on Pro content and electrical conductivity of potato tissue cultured seedlings

2.5 鉀素對馬鈴薯組培苗植株鉀含量的影響

如圖5所示，在鉀素處理10 d后，馬鈴薯組培苗植株鉀含量隨著鉀素濃度增大呈現出先大幅度增大后小幅度降低的整體趨勢.與對照相比，K1、K2、K3、K4和K5處理的馬鈴薯組培苗植株鉀含量分別比對照增加了66.79%、222.33%、291.49%、264.78%和207.85%，均與對照差異顯著(P<0.05)，其中K3處理下的馬鈴薯組培苗鉀素含量最高，與對照和其他處理差異顯著.

不同字母表示差異顯著(P<0.05).Different letters indicate significant differences(P<0.05).圖5 不同濃度硫酸鉀處理對馬鈴薯組培苗鉀含量的影響Figure 5 Effects of different concentrations of potassium sulfate on the potassium content of potato tissue seedlings

3 討論

本研究中，適宜的鉀素濃度可促進青薯9號馬鈴薯組培苗的生長發育，對植株株高、新葉發生能力和根的生長以及地上地下部的增重均具有促進作用.同時，馬鈴薯組培苗的葉綠素含量達到最高水平，植株發育最好，但鉀素含量過高時，會抑制根數以及地上地下部的增長，不利于植株的生長，葉綠素的合成受阻，光合作用下降，有機物合成下降.

有研究表明，不同施鉀條件下，對馬鈴薯的株高、莖粗、主莖數等衡量其長勢的重要形態指標的影響效果不盡相同.缺鉀時馬鈴薯植株發育遲緩、植株矮小、根系不發達、葉片變小且早衰、光合作用差、塊莖小、品質差產量低[26-27].鉀營養充足時馬鈴薯植株生長健壯、保水能力強、抗病力強、莖桿增粗、抗倒伏能力強，鉀的合理施用可以提高植株高度和作物活力，增強抗旱、抗凍和抗病能力，能夠在生長初期增加葉片擴張并延長葉片持續時間，塊莖成熟后期可延遲葉片脫落，能顯著改善馬鈴薯的品質.在一定范圍內，鉀肥施用量越多馬鈴薯產量和商品率越高，經濟效益越好.但當鉀肥施用量增加到一定限度后，隨鉀肥用量增加，馬鈴薯的產量反而下降.高濃度的鉀不僅不利于馬鈴薯增產，還會降低淀粉含量和單株淀粉產量，不利于薯塊形成[27-29].

抗氧化酶是植物自身保護酶系統的重要構成成分，SOD、POD、CAT等作為植物活性氧清除系統中重要的酶，在植物體內起著清除自由基、保護植物器官、延緩葉片早衰的作用，它們的活性能夠反映細胞內活性氧與其清除系統之間的平衡狀態[30].MDA含量是反映植物受脅迫時細胞膜脂過氧化損傷程度的指標，作為考察細胞受到脅迫嚴重程度的指標，MDA含量的高低反應著植物受損傷程度的大小，進而判斷植物生長環境條件是否適宜.有研究表明鉀素濃度過低和過高都會使馬鈴薯幼苗的抗氧化酶活性增強，丙二醛含量增大.適宜的鉀素利于馬鈴薯葉片活性增增強，延緩葉片衰老[31].

脯氨酸是植物體內主要的滲透調節物質，可以清除活性氧，提高抗氧化能力，穩定生物大分子結構等[32]，細胞提取液電導率能夠反應植物細胞質膜透性.有研究結果表明，馬鈴薯幼苗游離脯氨酸含量在鉀素濃度過低和過高時都會增加，施鉀能夠降低細胞膜透性，保持葉片細胞膜的完整[33]，使葉片的相對電導率和降低.這些結果均與本研究適量的鉀素用量有利于保護細胞膜透性的結果一致.適宜的鉀肥用量可以更好地促進馬鈴薯對鉀營養的吸收[34].在沒有鉀素處理的情況下，馬鈴薯組培苗的鉀含量非常低，其體內的鉀來自于培養基，其他馬鈴薯組培苗植株鉀含量都隨培養基中鉀素濃度增加而上升，不同鉀素濃度對植株鉀的吸收累積有顯著差異，在高鉀水平下生物量已經產生負面效應.由于植物對鉀的吸收存在奢侈吸收[34-35]，環境中的鉀濃度越高，植物吸收的就越多.

綜上所述，適宜的鉀素濃度在青薯9號組培苗的生長發育過程中發揮著重要的作用，但是，鉀素的用量是有一定限制的，當濃度超過一定的值時，會對植株造成傷害，繼而抑制馬鈴薯生長.本研究中，40 mmol/L的鉀素濃度最適合青薯9號組培苗的生長.關于鉀素濃度對馬鈴薯產量及品質的影響還需繼續進一步探究.