施鉀對紫花苜蓿苗期光合特性及抗薊馬的影響

李亞姝，溫雅潔，趙曉東，周生英，胡桂馨，孫堯德

(1.甘肅農業大學草業學院，草業生態系統教育部重點實驗室，甘肅省草業工程實驗室，中-美草地畜牧業可持續發展研究中心,甘肅 蘭州 730070；2.民勤縣草原工作站，甘肅 民勤 73399)

鉀是作物生長發育所必需的礦質元素之一，它不僅在維持細胞內正常代謝、改善氣孔運動、優化光合性能、增強抗逆性等方面具有重要作用[1-5]，在降低植物病蟲害發生率方面的作用也尤為突出[6]。植物缺鉀時，往往表現出植株矮小、葉面積下降、下部葉片失綠、葉緣黃化凋萎等癥狀，最終抑制植株生長和產量形成[7]。大量研究表明，鉀素的供應不足會導致葉片的光合速率下降[4,8]；而充足的鉀素供應能增大氣孔孔徑、改善氣孔功能，還可以改變葉片結構、葉綠體結構和分布，加速同化產物的合成及向根部的運輸，提高根瘤利用同化產物(氨基酸)的效率，從而提高苜蓿再生期間的固氮率，為苜蓿高產提供了條件[9]。苜蓿的產草量隨著施鉀量的增加而增加[10-11]。一般認為我國北方土壤中鉀含量較高，在北方苜蓿田施鉀肥不必要[12]。但由于近年來農田鉀素投入與支出嚴重不平衡以及土壤水分含量對K+移動的影響，使北方地區土壤的速效鉀或緩效鉀含量呈顯著下降的趨勢[13]。因此，在我國北方苜蓿主產區，鉀素在苜蓿產業發展過程中尤為重要。

紫花苜蓿(Medicagosativa)為多年生豆科草本植物，其高產優質、利用年限長、抗逆性強，是支撐我國北方草產業發展的重要牧草[14]。而隨著苜蓿利用年限的增加，草地生境穩定，苜蓿上的病蟲害發生日益嚴重，其中牛角花齒薊馬(Odontothripsloti)是我國北方苜蓿生產中的重要害蟲之一[15]。在苜蓿營養生長階段，薊馬成蟲和若蟲以特有的銼吸式口器吸食頂端幼嫩組織汁液，使苜蓿葉片卷曲、皺縮[16-17]，光能利用能力下降，光合效率降低[18]。王小珊等[19]研究表明，苜蓿在受到牛角花齒薊馬危害后，葉片中的粗蛋白、粗脂肪和可消化蛋白含量均顯著降低。張曉燕等[20]的研究表明抗薊馬苜蓿品種的補償生長能力及生長指標高于感薊馬品種。研究發現施鉀可以提高播種當年苜蓿葉片的光合速率和蒸騰速率[21]。但關于施鉀后苜蓿對薊馬為害的反應與苜蓿光合作用的關系，尚不明確。

因此，本研究以抗薊馬品種甘農9號紫花苜蓿和西北地區廣泛種植的品種甘農3號紫花苜蓿為材料，在不同施鉀水平下，評價兩個苜蓿品種對牛角花齒薊馬的抗性表現，并測定其光合氣體交換參數和功能葉片的葉綠素含量，揭示施鉀對苜蓿抗薊馬的光合機制。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

1.1.1 供試苜蓿品種 甘農3號紫花苜蓿(M.sativacv.Gannong No.3)，甘農9號紫花苜蓿(M.sativacv.Gannong No.9)。

1.1.2 供試蟲源 牛角花齒薊馬(Odontothripsloti)成蟲。

1.2 試驗設計

試驗于2020年5-7 月在甘肅農業大學牧草實訓基地網室中進行。取河灘淤積沙土，待其自然風干后測定土壤氮磷鉀含量，土壤速效氮為31.14 mg/kg，速效磷3.68 mg/kg，速效鉀22.27 mg/kg，全氮含量為0.94 g/kg，全磷含量為0.52 g/kg，全鉀含量為0.07 g/kg。試驗采用高×直徑為25 cm×30 cm的塑料花盆，每盆裝5 kg土，半埋于網室中。于2020年5月30日施肥播種，N為5 mg/kg，P(P2O5)為50 mg/kg(按耕層折算相當于施氮肥和磷肥(P2O5)114 kg/hm2和57 kg/hm2)，K肥(以K2O含量計)設置分4個鉀量處理，分別為40，60，80和100 mg/kg(按耕層折算分別相當于施鉀肥 90,135,180和225 kg/hm2)，依次記做K1，K2，K3，K4，另設一個不施K肥的對照處理，記K0。管理過程中每次澆水以等體積、不滲漏為準，以確保各處理花盆中肥料不外流以及苜蓿苗水分條件的均一性。每個苜蓿品種每鉀處理9盆重復，于4葉期間苗，選取長勢一致的植株，每盆保留25株。苜蓿6葉期，按3頭/株接入牛角花齒薊馬成蟲，分別于薊馬為害7 d和14 d時，評價苜蓿的受害程度，測定苜蓿的光合參數，并取苜蓿功能葉片(倒4葉)，測定苜蓿葉片的葉綠素含量。

1.3 試驗方法

1.3.1 受害程度評價 兩個苜蓿品種每處理隨機取植株30株，根據苜蓿受薊馬危害的葉片分級標準[22]，統計每枝條上部1/3所有>4 mm葉片的受害級別，按下式計算受害指數：

1.3.2 氣體交換參數的測定 苜蓿植株接蟲7 d和14 d后，采用GFS-3000光合儀(Walz,Germany)對甘農3號和甘農9號功能葉片倒4葉(心葉往下數第4片葉子)的光合氣體交換參數進行測定，時間為9∶00～11∶00，空氣中CO2濃度固定為400 μmol/mol，光照強度設定為1 400 μmol/(m2·s)，光強設定后，最小穩定時間設定為120 s，當測量結果變異率小于0.5時，記錄測定指標。測定指標包括：凈光合速率[Pn，μmol/(m2·s)]、蒸騰速率[Tr，mmol/(m2·s)]、氣孔導度[Gs，mmol/(m2·s)]、胞間CO2濃度(Ci，μmol/mol)，并計算水分利用效率(WUE，mmol/mol)，計算公式為WUE=Pn/Tr。

1.3.3 葉綠素含量 葉綠素含量測定采用乙醇-丙酮(5∶5，V/V)浸提液提取法。稱取剪碎的苜蓿鮮樣0.2 g，放入10 mL離心管中，然后向試管中加入10 mL 浸提液，放入暗處提取24 h，期間搖動數次，混合均勻，即得到葉綠素的提取液。以乙醇-丙酮浸提液為空白，在波長646，663和470 nm下測定吸光值，根據以下公式計算葉綠素含量：

Ca(葉綠素a濃度；mg/L)=12.21D663 nm-2.81D646 nm；

Cb(葉綠素b濃度；mg/L)= 20.13D646 nm-5.03D663 nm；

Cc(類胡蘿卜素濃度；mg/L)=(1 000D470 nm-3.27Ca-104Cb )/229。

CT(葉綠素總量；mg/L)=Ca+Cb=7.18D663 nm+17.32D646 nm

葉綠素含量(mg/g)=(色素的濃度×提取液體積×稀釋倍數)/樣重

1.4 數據處理

運用SPSS 20.0軟件進行One-way ANOVA單因素方差分析對所測數據進行統計分析(Duncan氏新復極差法)，采用Microsoft Excel 2016進行圖表的繪制。

2 結果與分析

2.1 不同施鉀水平下苜蓿受害指數的變化

隨著施鉀水平的升高，兩個苜蓿品種的受害指數均下降；隨著受害時間的持續，苜蓿的受害指數升高。受害7d時，隨著施鉀水平的升高，甘農3號的受害指數呈先降后升的趨勢，甘農9號的受害指數呈下降的趨勢，甘農3號和甘農9號分別在K3和K4水平下受害指數最低，分別較對照CK處理顯著下降了41.00%和32.07%(P<0.05)。受害14 d時，兩個苜蓿品種的受害指數均隨施鉀水平的升高而呈持續降低的趨勢，均在K4水平下最低，甘農3號和甘農9號分別較CK處理顯著下降了42.95%和34.99%(P<0.05)。在同一受害時期、同一施鉀水平下，甘農9號的受害指數均低于甘農3號(表1)。

表1 不同施鉀水平下苜蓿的受害指數

2.2 不同施鉀水平下苜蓿光合氣體交換參數的比較

2.2.1 薊馬為害7 d時苜蓿光合氣體交換參數的比較 施鉀后，兩個苜蓿品種的凈光合速率(Pn)均升高，甘農3號在K2處理下凈光合速率最大但不顯著(P>0.05)，甘農9號苜蓿的凈光合速率在K3處理下最大，較CK處理顯著增加了31.34%(P<0.05)；兩個苜蓿品種的蒸騰速率均在K3處理最小，但變化不顯著(P>0.05)；甘農3號苜蓿的氣孔導度(Gs)在K3處理最大，較CK處理顯著增加106.46%(P<0.05)，甘農9號苜蓿在K2處理下氣孔導度最大，較CK處理顯著增加46.99%(P<0.05)；甘農3號和甘農9號苜蓿的胞間CO2濃度(Ci)均在K2處理最大，分別較CK處理顯著增加50.35%和28.53%(P<0.05)；甘農3號苜蓿的水分利用率在K2處理最大，甘農9號苜蓿的水分利用率在K3處理最大，但各處理間均無顯著差異(P>0.05)(表2)。

表2 薊馬為害7d時不同施鉀水平下苜蓿的氣體交換參數

2.2.2 薊馬為害14 d時苜蓿光合氣體交換參數的比較 施鉀后，甘農3號的凈光合速率升高，在K4處理下較CK處理顯著增加46.93%(P<0.05)，甘農9號苜蓿的凈光合速率在K2處理下最大，較CK處理顯著增加176.99%(P<0.05)；甘農3號的蒸騰速率隨施鉀水平升高呈先下降再升高的趨勢，在K2處理最小，甘農9號的蒸騰速率在K4處理最小，但變化均不顯著(P>0.05)；甘農3號和甘農9號苜蓿的氣孔導度分別在K3和K1處理最大，分別較CK處理顯著增加118.75%和164.30%(P<0.05)；甘農3號和甘農9號苜蓿的胞間CO2濃度均在K3處理最小，但甘農3號的變化不顯著(P>0.05)；兩個苜蓿品種的水分利用率均在K2處理下最大，甘農9號的水分利用率升高顯著(P<0.05)。

表3 薊馬為害14d時不同施鉀水平下苜蓿的氣體交換參數

2.3 不同施鉀水平下苜蓿葉綠素含量的變化

2.3.1 薊馬為害7 d時不同施鉀水平下苜蓿葉綠素含量的變化 施鉀后，兩個苜蓿品種葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量及甘農9號的類胡蘿卜素的含量均增加，甘農3號的類胡蘿卜素含量減少。甘農3號的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量分別在K2、K4、K2處理最大，分別較CK處理顯著增加了32.99%、53.57%和33.87%(P<0.05)，類胡蘿卜素在CK和K1處理下含量最大，但不顯著。在K2處理下，甘農9號葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量最大，類胡蘿卜素含量在K3處理下最大，但變化均不顯著(P>0.05)(圖1)。

圖1 薊馬為害7 d時不同施鉀水平下苜蓿的葉綠素含量Fig.1 Leaf chlorophyll content of alfalfa infested by Odontothrips loti for 7 days under different levels of potassium application 注:不同小寫字母表示同一品種不同水平間差異顯著(P<0.05)；G3表示甘農3號，G9表示甘農9號。下同

2.3.2 薊馬為害14 d時不同施鉀水平下苜蓿葉綠素含量的變化 施鉀后，在K2處理下，甘農3號葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類蘿卜素含量均最大，分別較CK處理顯著增加了114.55%、123.53%、97.22%和257.14%(P<0.05)。甘農9號葉綠素a在K2處理含量最高，葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量在K1處理下最大，但增加均不顯著(P>0.05)(圖2)。

圖2 薊馬為害14 d時不同施鉀水平下苜蓿的葉綠素含量Fig.2 Leaf chlorophyll content of alfalfa infested by Odontothrips loti for 14 days under different levels of potassium

3 討論

鉀在改善植物蟲害發生及耐害性方面有著積極的作用[23]。吳暉等[24]研究表明，土壤的速效鉀含量越高，錐栗品種對栗癭蜂(Dryocosmuskuriphilus)的抗性越強，李劉杰[25]等研究發現適量供鉀可增強小麥對蚜蟲的抗性。不同的植物種類或同種作物的不同品種(品系)對昆蟲的抗性程度有較大的差異[26-27]。本試驗中，施鉀后，甘農3號和甘農9號的受害指數均下降，說明施鉀可增強苜蓿對薊馬的抗性；在同一受害時期、同一施鉀水平下，甘農9號的受害指數均低于甘農3號，說明甘農9號抗薊馬性強于甘農3號，但從施鉀后受害指數的下降率來看，施鉀對于感薊馬品種甘農3號的抗性增強效果高于甘農9號。

葉綠素是植物進行光合作用的基礎物質，而光合作用是植物生長發育的生理基礎，是植物主要的生命活動指標。有利的環境條件與栽培技術能顯著提高葉片的光合性能，尤其與施肥量密切相關。合理的施肥能提高葉片的葉綠素含量，延長葉片的光合作用時間，從而提高光合產量[28]，進而影響 ATP 的合成、光合作用關鍵酶的活化和CO2的利用等。鉀元素也能促進植物對氮素的吸收利用，延緩葉片衰老[29-31]。絕大部分研究認為，鉀素供應不足會顯著降低葉片鉀濃度，導致光合速率下降[32-35]。本試驗中，施鉀后兩個品種苜蓿的凈光合速率均升高，蒸騰速率降低；受害7 d時，甘農3號的凈光合速率升高但不顯著，受害14 d時，高鉀水平下(K4)甘農3號的凈光合速率顯著升高；在兩個受害時間，甘農9號的凈光合速率均顯著升高。說明施鉀能增強苜蓿葉片的光合能力，且對抗薊馬苜蓿甘農9號的增強效應高于甘農3號。施鉀后，兩個品種苜蓿葉片的葉綠素含量增加，苜蓿的光合速率和光合物質的合成速率提高，促進了苜蓿的補償生長能力，進而增強了苜蓿對薊馬的耐害性。

水分利用率反映了植物生產過程中的能量轉化能力。本試驗中，隨著施鉀水平的升高，兩個品種苜蓿的水分利用率均呈現先升高后降低的趨勢；受害7 d時，兩個苜蓿品種水分利用率差別并不明顯，但在受害后期(14 d)，甘農9號的水分利用率顯著升高。另外，除了對照，甘農9號的水分利用率均高于甘農3號，說明適量施鉀對甘農9號的能量轉化能力的增強明顯優于甘農3號，進而使甘農9號苜蓿對薊馬的耐害性表現更好。由于K+通過進出保衛細胞調節滲透勢起到調節氣孔開閉的作用，因此有研究將缺鉀條件下光合速率的下降歸因于氣孔限制[36]。但有研究發現缺鉀條件下乙烯的產生促使氣孔導度升高，由此可見，氣孔的開閉調節是一個復雜的調節網絡，不僅僅只受到鉀含量的影響[37]。本研究中，薊馬為害前期，施鉀紫花苜蓿的葉片氣孔導度和胞間CO2濃度隨著施鉀水平的升高而升高，但在為害后期胞間CO2濃度的變化與受害前期并不一致。由于氣孔的開閉調節極其復雜，因此，施鉀量不一定是導致氣孔導度降低的原因。由于苜蓿植株在網室中生長，測定光合氣體交換參數時將花盆移至室外進行測定，可能是由于網室內外CO2環境的差別，導致胞間CO2濃度升高。

4 結論

施鉀后，紫花苜蓿的受害指數顯著降低，苜蓿葉片的葉綠素含量增加，凈光合速率和水分利用率升高。施鉀提高了苜蓿葉片的葉綠素含量，增強了苜蓿的凈光合速率和光合物質的合成速率，進而增強了苜蓿對薊馬的耐害性。