不同濃度鉀元素對西番蓮組培苗根系生長和內源激素含量的影響*

羅海斌，黃誠梅，曹輝慶，蔣勝理，吳興劍，葉麗萍，魏源文

（1 廣西作物遺傳改良生物技術重點開放實驗室，南寧530007）（2 廣西農業(yè)科學院農產品質量安全與檢測技術研究所）

西番蓮（Passiflora edulis）是我國南方地區(qū)重要的經濟作物，西番蓮根系較淺，對水肥要求較高，西番蓮自身生長所需的鉀元素絕大部分靠根系從土壤中獲取，根系的發(fā)育狀況及其獲取鉀的能力在很大程度上影響西番蓮的生長。目前，大量研究發(fā)現鉀匱乏環(huán)境下可導致水稻、大豆、甘蔗、玉米和小麥等作物生長緩慢，根系短小，產量降低[1-5]，同時，鉀也是西番蓮生產過程中不可缺少的元素，鉀肥的合理施用可以保障西番蓮的增產[6]。

植物內源激素是影響作物生長發(fā)育的關鍵因子，不同內源激素協(xié)同調控植物形成層細胞和根尖分生組織細胞的分裂生長，在作物根系構建中起著重要的調控作用[7-9]。研究證實，作物鉀元素含量的高低可影響作物細胞分裂素和吲哚乙酸的含量與分布，是影響根系生長分布的內在因素[10-13]。此外，鉀含量的高低不僅影響內源激素的含量，而且利用激素之間的比例和動態(tài)平衡改變光合產物的分配和運輸，進而調控花芽分化[14-15]。目前，對鉀元素作用下西番蓮性狀和內源激素含量與分布影響的研究鮮有報道。

為探討鉀元素濃度對西番蓮組培苗生長的影響，本試驗通過設置不同濃度鉀元素，篩選最適合西番蓮組培苗生長的鉀元素濃度，探討鉀元素對西番蓮根系生長及體內內源激素含量的動態(tài)變化，以期為下一步西番蓮幼苗大田移栽的營養(yǎng)管理提供生理依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和處理

供試西番蓮品種為黃金西番蓮（黃果種），由廣西作物遺傳改良生物技術重點開放實驗室提供，均為繼代1 次的組培苗。將未出根的組培苗在促根培養(yǎng)基上進行促根，待根長出0.5 cm 左右時挑選生長一致的組培苗進行試驗。以添加瓊脂的MS 培養(yǎng)基（不含鉀元素）為基礎培養(yǎng)基，根據試驗需要添加不同濃度的硝酸鉀（KNO3）和磷酸二氫鉀（KH2PO4），不同濃度鉀元素處理編號依次為K1、K2、K3、K4、K5，各處理培養(yǎng)基鉀元素濃度配方如表1 所示。將配好的培養(yǎng)基分裝至200 mL 的玻璃瓶中，在高壓滅菌鍋中消毒后備用。挑選生長一致的西番蓮植株，在無菌操作臺接入滅菌的玻璃瓶中，每個玻璃瓶接入3 株苗，每個處理重復5 次，置于光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)30 d 后進行各項指標測定。光照培養(yǎng)箱設置培養(yǎng)溫度為26 ℃，光照強度為2 000 lx，光照時間為16 h/d。

表1 不同濃度鉀元素處理

1.2 檢測指標與方法

用根系掃描分析系統(tǒng)（GXY-A，浙江托普云農科技股份有限公司）對根系進行掃描，并對根系的總長、體積、平均直徑和表面積等參數進行測量分析，采用酶聯(lián)免疫分析法（ELISA 試劑盒，南京建成生物公司）測定樣品中脫落酸（ABA）、吲哚乙酸（IAA）、赤霉素（GA）、細胞分裂素（CTK）和油菜素內酯（BR）含量。按照何鐘佩[16]的方法處理樣品：稱取0.5 g 西番蓮樣品，用甲醇溶液（80%濃度）磨碎勻漿狀態(tài)，4 ℃提取8 h，4 000g離心15 min，沉淀，用80%的甲醇重復提取3 次，合并上清液，氮氣吹干，磷酸鹽緩沖液（PBS）溶解定容，用于ELISA 測定。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2019 和SPSS 19 軟件整理、統(tǒng)計數據以及作圖。

2 結果與分析

2.1 不同濃度鉀元素處理對西番蓮組培苗根系形態(tài)的影響

由表2 可以看出，西番蓮組培苗總根長、根表面積、根總體積和根尖數隨著鉀濃度的升高而增長，0.200 mol/L 鉀濃度處理的總根長、根表面積、根總體積和根尖數均最高，分別是0.004 mol/L 鉀濃度處理的2.84、5.17、11.27、3.85 倍，均差異顯著，而0.500 mol/L 鉀濃度處理各指標均有所下降。0.020 mol/L 鉀濃度處理西番蓮根直徑最大，較0.004 mol/L鉀濃度處理增加了107.09%，差異顯著。根系形態(tài)的變化說明西番蓮對鉀濃度變化敏感，適當的鉀濃度可以促進根系的生長，而較低的鉀濃度會引起西番蓮根直徑變粗，但是會阻礙根系長度和根尖數的增長（圖1）。

圖1 不同濃度鉀元素處理西番蓮組培苗根系生長形態(tài)

表2 不同濃度鉀元素處理西番蓮組培苗根系形態(tài)

2.2 不同濃度鉀元素處理對西番蓮組培苗ABA 的影響

脫落酸在逆境下通過調節(jié)葉片氣孔開合以及根系的吸水性保持體內的水分平衡，同時也具有拮抗赤霉素和細胞分裂素的作用。由圖2 可知，不同濃度鉀元素處理西番蓮組培苗根系和葉片中ABA含量不一致。根系中ABA 含量隨著鉀濃度的升高而顯著增加，0.500 mol/L 鉀濃度處理根系ABA 含量為815.91 ng/g，是0.004 mol/L 鉀濃度處理的1.39 倍。葉片中ABA 含量在0.004 mol/L 和0.500 mol/L 鉀濃度處理較高，分別為749.72、734.27 ng/g，顯著高于其他處理。

圖2 不同濃度鉀元素處理對西番蓮組培苗ABA 含量的影響

2.3 不同濃度鉀元素處理對西番蓮組培苗IAA 的影響

生長素可以促進細胞生長，誘導不定根的形成。由圖3 可知，0.020 mol/L 鉀濃度處理根系中IAA含量最高（2 765.49 ng/g），隨著鉀濃度的升高顯著降低，0.500 mol/L 鉀濃度處理根系IAA 含量最低（1 518.92 ng/g），二者差異顯著。葉片中IAA 含量變化趨勢與根系不同，0.020 mol/L 鉀濃度處理IAA 含量最高（1 976.33 ng/g），0.004 mol/L 鉀濃度處理IAA 含量最低（1 187.91 ng/g），降低了39.89%。根系和葉片IAA/ABA 值均在0.020 mol/L 和0.200 mol/L 鉀濃度處理下較高。

圖3 不同濃度鉀元素處理對西番蓮組培苗IAA 含量和IAA/ABA 值的影響

2.4 不同濃度鉀元素處理對西番蓮組培苗GA 的影響

赤霉素高低影響根系的徑向生長，過高的GA阻礙粗根的形成[17]。由圖4 可知，0.020 mol/L 鉀濃度處理根系中GA 含量最低（226.33 ng/g），0.080 mol/L 鉀濃度處理根系中GA 含量最高（377.54 ng/g），較最低值增加了66.81%，之后呈顯著降低的趨勢。葉片中0.080 mol/L 鉀濃度處理GA 含量最高（284.27 ng/g），0.500 mol/L 鉀濃度處理GA 含量最低（145.86 ng/g），呈顯著降低趨勢。根系GA/ABA 值在0.080 mol/L 鉀濃度處理下最高，然后呈下降趨勢。

圖4 不同濃度鉀元素處理對西番蓮組培苗GA 含量和GA/ABA 值的影響

2.5 不同濃度鉀元素處理對西番蓮組培苗CTK 的影響

細胞分裂素能促進植物中細胞質的分裂，加快細胞分裂增殖。由圖5 可知，根系和葉片中CTK 含量隨著鉀元素濃度的升高而增加，在0.200 mol/L 鉀濃度處理下根系CTK 含量達到最高值（480.59 ng/g），在0.080 mol/L 鉀濃度處理下葉片CTK 含量達到最高（486.12 ng/g），隨后CTK 含量開始顯著下降，0.500 mol/L 鉀濃度處理根系CTK 含量（346.63 ng/g）和葉片CTK 含量（274.12 ng/g）相比最高值分別下降了 27.87%和 43.61%。根系和葉片CTK/ABA 值隨著鉀濃度的升高而升高，在0.200 mol/L 鉀濃度處理最高，在0.500 mol/L 鉀濃度處理下降。

圖5 不同濃度鉀元素處理對西番蓮組培苗CTK 含量和CTK/ABA 值的影響

2.6 不同濃度鉀元素處理對西番蓮組培苗BR 的影響

油菜素內酯可以提高作物的抗性，促進細胞分裂，調節(jié)植物的衰退進程。由圖6 可知，提高鉀元素含量，可以促進根系和葉片中油菜素內酯含量的增加。0.080 mol/L 鉀濃度處理根系中BR 含量最高（4.49 ng/g），隨后開始下降，在0.500 mol/L 鉀濃度處理BR 含量最低（2.81 ng/g），與最高值相比下降了37.42%。葉片中BR 含量在0.200 mol/L 鉀濃度處理下最高（4.32 ng/g），在0.500 mol/L 鉀濃度處理下含量最低（2.57 ng/g），與最高值相比下降了40.51%。隨著鉀濃度升高，根系和葉片BR/ABA值也隨之升高，在0.200 mol/L 鉀濃度處理下最高，在0.500 mol/L 鉀濃度處理下最低。

圖6 不同濃度鉀元素處理對西番蓮組培苗BR 含量和BR/ABA 值的影響

3 討論與結論

作物根系的生長與遺傳、栽培措施、環(huán)境因子等因素息息相關，其中土壤養(yǎng)分是影響作物根系生長的主要影響因子，有研究發(fā)現鉀元素含量過高阻礙根系的生長發(fā)育，適量的鉀會促進作物根系的生長[18]，低鉀處理會抑制側根的發(fā)育、阻礙根系的生長，同時導致光合產物的運輸受阻，導致生物量下降[19]。但目前鉀濃度的高低對部分植物根系伸長生長的影響效應尚未得到一致的結論，Shin 等[20]認為缺鉀不抑制根系的伸長生長，而Sanchez 等[21]的結果相反。張志勇等[22]研究發(fā)現，低鉀環(huán)境抑制了棉花幼苗側根的發(fā)育，側根發(fā)生區(qū)縮短，而側根發(fā)生密度并沒有明顯變化。本研究中，西番蓮組培苗根系形態(tài)指標如總根長、根表面積、根總體積和根尖數隨著鉀元素的增加而呈上升趨勢，但根直徑在低鉀濃度下顯著增加，表明低鉀抑制了根系的伸長發(fā)育，但促進了根的徑向伸長。

植物生長發(fā)育除內在遺傳因素的影響外，還受到諸多外界環(huán)境信號的影響，鉀元素含量高低可影響植物激素的合成代謝及植物激素間動態(tài)平衡，從而影響植物的生長發(fā)育[23]。在棉花中改變鉀肥的施用量可以影響內源激素的分布，促進纖維素的合成和纖維細胞的拉長[24]。有研究發(fā)現，適當的鉀肥不僅影響植物根系的發(fā)育生長，同時還會改變植物體內IAA 和CTK 的含量和位置，說明鉀對內源激素含量的影響很可能是影響植物根系發(fā)育和構造的潛在因素[25-26]。鉀含量的缺乏則會降低根系中IAA和BR 的含量，抑制根系的生長發(fā)育[27]。ABA 含量的升高與植株衰老和塊莖生長發(fā)育有密切的關系，ABA 升高抑制了蛋白質合成和光合作用速率的降低，加快植物的衰老[28]。研究發(fā)現，提高鉀肥含量也會導致棉花葉片中GA3、IAA 和BR 含量升高，同時降低葉片中ABA 的含量，改變棉花葉片中GA3/ABA、BR/ABA 和IAA/ABA 值，表明內源激素的變化可影響棉花苗期植株生長發(fā)育，延緩葉片衰老[29]。本研究顯示，適量地添加鉀元素可提高西番蓮根系和葉片中IAA、GA 和BR 的含量，并降低ABA 的含量。通過比較不同內源激素間的比值，發(fā)現在0.020 mol/L 和0.080 mol/L 鉀濃度處理下葉片和根系中IAA/ABA、GA/ABA 和BR/ABA 的值升高。前人研究發(fā)現，葉片的抵抗能力與葉片中內源激素的比例密切相關，低鉀脅迫下水稻葉片中IAA/ABA、BR/ABA 和GA/ABA 值明顯降低。而適當增加鉀含量可以提高根系中IAA 和BR 的含量，促進根系生長[30]。本研究結果與前人一致，說明適量的鉀元素影響了內源激素間的含量和分布，ABA含量增加會阻礙GA 和CTK 含量的升高，進而延緩了根系的伸長，促進根直徑的增粗。推測鉀元素對西番蓮根系生長的影響可能是通過調節(jié)植株體內內源激素含量與分布來實現的。

鉀元素含量的增加不僅改變了根系的形態(tài)指標如總根長、根表面積、根總體積、根直徑和根尖數，還提高了西番蓮苗期根系和葉片中的IAA、GA、CTK 和BR 含量，降低了ABA 含量以及ABA/（IAA＋GA＋CTK＋BR）值，綜合來看，0.200 mol/L 鉀濃度處理西番蓮組培苗的根系發(fā)育最好，根系較粗壯，也更有利于根系的伸長，更適合在大田移栽。