三個南方主栽香蕉品種對低鉀脅迫的生理響應分析

蕭美玲，李方劍，黃麗雅，麥翠珊，楊喬松，王金祥

（1.華南農業大學根系生物學研究中心/華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州 510642；2.東莞市中堂鎮農業技術服務中心，廣東 東莞 523220；3.廣東省農業農村污染治理與環境安全重點實驗室，廣東 廣州 510642；4.廣東省農業科學院果樹研究所/農業農村部南亞熱帶果樹生物學與遺傳資源利用重點實驗室/廣東省熱帶亞熱帶果樹研究重點實驗室，廣東 廣州 510640）

【研究意義】香蕉(Musaspp.)是典型的喜鉀作物之一。單株香蕉鉀總吸收量為311.9 g［1］，香蕉對鉀的需求量約是氮的3 倍、磷的30 倍；2 000～3 000 kg 香蕉吸鉀量達到60～80 kg，是水稻吸鉀量的6～8 倍［2］。2020 年全國香蕉種植面積為32.72 萬hm2，廣東香蕉種植面積為11.13 萬hm2，年產量478.7 萬t［3］，為五大主產區之首。但廣東是土壤缺鉀嚴重、供鉀能力不足的亞熱帶地區［4］，加之蕉農不合理施肥，香蕉多氮缺鉀的情況比較多［5］，導致香蕉產量和品質銳減［6］。湛江雷州田間試驗顯示，缺鉀導致產量減少近一半［7］，且多施氮肥易造成土壤污染。因此，篩選和推廣耐低鉀高效型的香蕉品種十分緊迫。【前人研究進展】香蕉缺鉀最普遍癥狀是老葉失綠，隨后枯死，嚴重時葉片中脈彎曲；缺鉀不嚴重時，香蕉生長也會受到抑制，其葉片變小，抽蕾延遲，果穗減產［8］，且大多為細根，根系吸收養分和水分的能力顯著降低［5,9］。缺鉀導致香蕉幼苗的光合特性受到明顯抑制，葉片凈光合速率下降六成多［10］。當鉀質量濃度為210～560 mg/L 時，香蕉對鉀離子吸收速率基本不變，此時吸收速率最高，鉀質量濃度過低或過高，其吸收速率會上升或下降［11］。有研究發現，香蕉缺鉀臨界值為228 mg/L，適宜的供鉀質量濃度為228～539 mg/L［12］。吳宇佳等以香蕉苗期地上部相對和絕對生物量、鉀利用指數、吸鉀量和鉀效率系數等，作為篩選耐低鉀香蕉基因型的指標，從16 個香蕉品種中篩選出4 個鉀高效基因型品種，分別為廣粉、泰蕉、牛角和粉蕉［2,13］。陳文亮等以國內8 個香蕉品種進行生理差異篩選，初步確定金粉1號、桂蕉1號為鉀高效基因型［14］。【本研究切入點】本研究以廣東主導香蕉品種粉雜1 號、南天黃、巴西為材料，設計正常鉀（NK）和低鉀（LK）水培試驗，測定與鉀營養有關的生理指標，進行比較研究，篩選出耐低鉀高效型香蕉品種。【擬解決的關鍵問題】篩選耐低鉀的廣東主栽香蕉品種，為將來減少香蕉鉀肥用量、降低種植戶成本、在缺鉀嚴重的廣東地區推廣耐低鉀高效香蕉品種提供理論依據，此外為后期從分子層面研究香蕉快速響應低鉀脅迫的機制、提高香蕉鉀吸收效率打下基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用粉雜1 號、南天黃、巴西3 個香蕉品種，均為廣東省農業科學院果樹研究所的組培苗，其中盆栽苗株高約18 cm、5～6 片葉蕉苗。試驗采用改良的Hoagland 營養液，設計正常鉀（NK，2.5 mmol/L K2SO4）和低鉀（LK，0.25 mmol/L K2SO4）兩種鉀水平，營養液母液的配方如表1 所示，母液1 按照100 倍配制，母液3（Stock 3）中的K2SO4（NK）按照500 倍配制，其他按照1 000 倍配制。

表1 改良的Hoagland 營養液配方Table 1 Formula of improved Hoagland nutrient solution

1.2 試驗方法

試驗于2021 年5—7 月在華南農業大學根系生物學中心溫室大棚內進行，選擇長勢良好一致的3 個香蕉品種（粉雜1 號、巴西、南天黃）組培苗，經去掉基質和煉苗后，移栽至塑料箱中，用塑料板和定植棉固定好，每個塑料箱栽種6 株（每個品種2 株），種植位置隨機，做好標記。塑料箱的容積約26 L，長寬高分別約為50、35、15 cm，塑料箱連接兩個通氣裝置，每次間隔15 min，通氣15 min。為使蕉苗生長一致，對蕉苗進行緩根，進行10 d 正常鉀培養之后，進行正常鉀（NK）和低鉀（LK）處理，每個品種每個濃度處理16 株組培苗。處理后15 d、30 d 后隨機采4株苗用于測定。

1.3 測定指標及方法

1.3.1生物量 用游標卡尺測量第一片真葉處莖部直徑，即為假莖粗。用直尺測量植株從莖基部到最新展開葉的距離，即為株高。植株干質量，對地上部和根部分別取樣，在105 ℃下殺青15 min 后，在80 ℃下烘干至恒重稱質量，磨粉以備可溶性糖和氮磷鉀含量的測定。葉面積比率LAR，表示葉面積與相應植株的干質量之比，用直尺測量完全展開葉各葉片的葉長和最大葉寬，根據文獻計算出各葉片面積［15］，所有葉面積之和即為該植株的葉面積。

1.3.2生理學特征參數 采用TTC 比色法測定根系活力。采取植株新鮮的須根系，洗凈，用濾紙吸干擦干，稱取0.5 g 左右完全浸沒于 TTC 分析工作液中，37 ℃避光孵育2 h，加入TTC 終止液2 mL 終止反應，同時設置空白對照，將上述實驗組和空白對照組的根系分別取出吸干水分，加入3～4 mL 乙酸乙酯在研缽中充分研磨提取出TTF，之后轉移至離心管，用少量乙酸乙酯洗滌2～3 次殘渣，用乙酸乙酯補至10 mL，搖勻，以酶標儀測定提取液在485 nm 的吸光度值。可溶性糖，采用蒽酮比色法測定，稱取烘干的干樣品0.5 g 左右加入研缽，分多次加入15 mL 蒸餾水研磨勻漿，于沸水浴中提取30 min。待冷卻至室溫后過濾，全部濾液轉入50 mL容量管。重復收集濾液，定容。取15 mL 螺旋蓋離心管，按照順序依次加入2 mL提取液、0.5 mL 蒽酮試劑、5 mL 濃硫酸，充分振蕩，沸水加熱1 min 取出，自然冷卻至室溫混勻，以酶標儀測定630 nm 處標準管、測定管的吸光度。

1.3.3氮磷鉀含量 稱取植物烘干樣品（0.5 mm過篩）0.3～0.5 g 裝入100 mL 消煮管的底部，加濃硫酸8 mL，搖勻，放置過夜，在消煮爐上170℃小火加熱30 min，待濃硫酸發白煙后再逐步升高溫度至300 ℃加熱樣品。當溶液呈均勻的棕黑色時取下，稍冷后加入10 滴30% H2O2，再繼續消煮約10 min 左右，重復上步操作，消煮至溶液呈無色或清亮后，加入30 mL 蒸餾水，再加熱10 min，除去剩余的H2O2。取下冷卻后，用水將消煮液無損地轉移入100 mL 容量瓶中，冷卻至室溫后定容。用無磷鉀的干濾紙過濾，放置澄清后吸取清液，采用連續流動自動儀（AA3）測定全氮含量，紫外可見分光光度法測定全磷含量，火焰分光光度法測定全鉀含量［16］。

試驗數據采用SPSS 25.0 軟件進行方差分析，采用最小顯著性差異法（LSD）進行多重比較，采用Student's t-test 進行差異顯著性分析，通過Excel2010 作圖。

2 結果與分析

2.1 不同鉀水平處理對各香蕉品種假莖粗、株高、葉面積比率、鮮質量和干質量的影響

香蕉短時間缺鉀癥狀不明顯，香蕉不同品種的中長期缺鉀癥狀開始有差異。相比于正常鉀處理的蕉苗，低鉀處理15 d 發現，植株株高開始變矮，假莖粗變細，根系的粗根數量減少，細根相比大量增多；低鉀處理60 d 發現，葉片出現典型的缺鉀癥狀，老葉變黃變褐干枯較多，新葉出葉慢，葉片變小，植株矮小，假莖粗較細，生長緩慢（圖1）。

圖1 低鉀處理后15 d 和60 d 3 個香蕉品種的缺鉀情況Fig.1 Potassium deficiencies of the three banana varieties after 15 days and 60 days of low potassium treatments

不同鉀水平處理對3 個香蕉品種的假莖粗、株高、葉面積比率與鮮質量干質量的影響如圖2、圖3 所示。

圖2 低鉀處理對3 個香蕉品種的假莖粗、株高、鮮質量和葉面積利率的影響Fig.2 Effects of low potassium treatment on pseudostem diameter,plant height,fresh weight and leaf area ratio of the three banana varieties

圖3 低鉀處理后15 d 和30 d 對3 個香蕉品種干質量的影響Fig.3 Effects of low potassium treatment on dry weight of the three banana varieties after 15 days and 30 days

假莖粗和株高是評價香蕉生長狀況的重要指標，植株的高度和粗壯程度能體現植株利用營養的情況［17］。由圖2A、B 可知，粉雜1 號無論正常鉀或低鉀處理，假莖粗相對值最大，低鉀處理15 d 后，各品種假莖粗無顯著差異，低鉀處理30 d 后，粉雜1 號和巴西假莖粗差異顯著，南天黃假莖粗差異不顯著，說明南天黃假莖粗受低鉀影響較小，且與正常鉀處理相比，兩次采樣測定均顯示南天黃假莖粗差異最小。

與正常鉀相比，低鉀處理粉雜1 號、巴西和南天黃鮮質量分別降低48.35%、18.53%和11.00%，且只有南天黃鮮質量無顯著差異（圖2C），說明低鉀對粉雜1 號鮮質量影響最大，對南天黃鮮質量影響最小。

粉雜1 號無論正常鉀或低鉀處理，株高相對值最大，巴西次之，南天黃株高較小。與正常鉀處理相比，低鉀處理15 d 后，粉雜1 號、巴西、南天黃株高分別降低19.2%、16.4%、17.6%，只有粉雜1 號有顯著差異(圖2D）；低鉀處理30 d 后，粉雜1 號、巴西、南天黃株高分別降低19.4%、18.9%、16.4%，差異顯著（圖2E）。兩次采樣測定顯示低鉀對粉雜1 號株高影響最大，對巴西和南天黃株高影響相對較小。

低鉀脅迫使得3 種香蕉品種的葉面積比率減小，與正常鉀處理相比，低鉀處理15 d 后粉雜1號、巴西和南天黃葉面積比率分別降低6.72%、15.89%和11.41%，均無顯著差異（圖2F），說明3 個香蕉品種葉面積比率在低鉀處理15 d 受低鉀影響較小，地上部缺鉀癥狀仍較輕。

干質量是表示植物有機物積累、營養成分多寡的一個重要指標。由圖3 可知，粉雜1 號地上部和整株無論正常鉀或低鉀處理，干質量相對值最大。與正常鉀處理相比，低鉀處理15 d粉雜1號、巴西和南天黃地上部干質量分別降低17.56%、23.31%和9.09%，根部干質量分別降低22.91%、18.58%、6.43%，整株干質量分別降低15.25%、22.41%、8.49%。低鉀處理30 d 粉雜1 號、巴西和南天黃地上部干質量分別降低20.18%、19.73%和9.30%，根部干質量分別降低16.89%、6.81%和12.32%，整株干質量分別降低19.79%、18.17%和9.87%。兩次采樣測定結果基本一致。粉雜1 號干質量降低幅度為南天黃的2 倍左右，說明粉雜1 號受低鉀影響最大，巴西次之，南天黃受低鉀影響最小。

2.2 不同鉀水平處理對各香蕉品種根系活力、可溶性糖含量的影響

根系活力即根的生長情況和代謝水平，直接影響植物地上部分的生長和營養狀況以及最終產量，是植物生長的重要生理指標之一［18］。由圖4可知，低鉀脅迫均降低各香蕉品種的根系活力，與正常鉀處理相比，低鉀處理30 d 后粉雜1 號、巴西和南天黃根系活力分別下降67.29%、71.64%和73.28%，3 個品種根系活力下降幅度相差不大，但低鉀處理后粉雜1 號根系活力為巴西的2.07 倍，為南天黃的1.99 倍。

圖4 低鉀處理后30 d 對3 個香蕉品種的根系活力的影響Fig.4 Effect of low potassium treatment on root activity of the three banana varieties after 30 days

植物體內的可溶性糖主要是指能溶于水及乙醇的單糖和寡聚糖，是光合作用的直接產物，是參與糖代謝的主要形式［19］。為適應逆境條件，植物會主動積累一些可溶性糖，降低滲透勢和冰點，以適應外界環境條件的變化［20］。從圖5 可知，低鉀脅迫促進香蕉苗期可溶性糖含量的增加，與正常鉀處理相比，低鉀處理15 d 后粉雜1號、巴西和南天黃地上部可溶性糖含量分別增加67.26%、15.68%和26.42%，根部可溶性糖含量分別增加91.37%、44.43%和29.78%，整株可溶性糖含量分別增加70.52%、21.24%和27.10%，說明粉雜1 號生理狀況比其他兩個品種好，更適應低鉀環境，對后續生長發育也比其他兩個品種好，但只有粉雜1 號地上部和根部可溶性糖有顯著差異，其他兩個香蕉品種無顯著差異，說明3個品種中粉雜1 號對低鉀脅迫比較敏感。

圖5 低鉀處理后15 d 對3 個香蕉品種的可溶性糖含量的影響Fig.5 Effects of low potassium treatment on soluble sugar contents of the three banana varieties after 15 days

2.3 不同鉀水平處理對3 個香蕉品種氮、磷、鉀營養的影響

氮、磷、鉀積累量是指植株的干質量與全氮、全磷、全鉀含量的比重。不同鉀水平處理對3 個香蕉品種氮、磷、鉀積累量與鉀效率系數的影響如表2 和圖6 所示。

圖6 不同香蕉品種的鉀效率系數Fig.6 Potassium efficiency coefficients of different banana varieties

由表2 可知，低鉀處理均降低各香蕉品種的氮磷積累量。與正常鉀處理相比，低鉀處理15 d后粉雜1 號、巴西和南天黃地上部氮積累量分別降低36.72%、14.79%和5.76%，整株氮積累量分別降低33.82%、14.20%和9.32%；低鉀處理15 d后粉雜1 號、巴西和南天黃地上部磷積累量分別降低35.48%、26.95%和17.74%，根部磷積累量分別降低43.22%、29.28%和12.09%，整株磷積累量分別降低37.94%、25.38%和3.05%。粉雜1號和巴西氮磷積累量與對照均有顯著差異，但南天黃無顯著差異，可見低鉀脅迫對南天黃氮磷積累量影響相對較小。

植株鉀積累量是判斷植物富鉀能力大小的一個容量指標，其值越大說明該植物的鉀積累能力就越強，植株對鉀的富集量越大，也就能夠從溶液或土壤中吸收更多的鉀［21］。由表2 可知，低鉀處理均降低各香蕉品種的鉀積累量。與正常鉀處理相比，低鉀處理15 d 后粉雜1 號、巴西和南天黃地上部鉀積累量分別降低67.96%、73.92%和65.36%，根部鉀積累量分別降低59.98%、65.00% 和71.86%，整株鉀積累量分別降低67.24%、73.04%和66.48%，均有顯著差異。單純從降低幅度對比，3 個香蕉品種相差不大，但是從降低的總量相比，粉雜1 號、巴西和南天黃每株鉀積累量分別降低72、62、47 g，粉雜1 號每株降低鉀積累量為南天黃的1.53 倍，且粉雜1號、巴西地上部鉀的分配比率在低鉀處理后呈下降趨勢，南天黃地上部鉀的分配比率在低鉀處理后反而升高，說明南天黃鉀積累量受低鉀的影響相對較小。

表2 低鉀處理對3 個香蕉品種氮磷鉀積累量的影響Table 2 Effects of low potassium treatment on accumulation of NPK in the three banana varieties

鉀效率系數（KUE）是指低鉀處理與正常鉀處理的地上部生物量比值（相對生物量），表示香蕉的耐低鉀的能力，系數越大，鉀效率越高，其耐低鉀能力就越強［2］。由圖6 可知，兩次時間點采樣測定均顯示南天黃的鉀效率系數最大，粉雜1 號次之，巴西最小。

3 討論

鉀是植物必需三大營養元素之一，也被稱為品質元素。植物鉀離子通道和鉀轉運蛋白參與鉀離子的吸收和運輸［22］。供鉀不足會抑制蛋白質的合成、降低光合作用相關酶活性、影響細胞質pH 值穩態的調節以及細胞滲透壓調節等［23］。因此缺鉀降低植物莖粗、株高和干物質積累等。黃海云研究表明，低鉀脅迫降低了除苗期外其他時期的不同品種花生的主莖高、干物質［24］。杜琪等研究發現，低鉀脅迫降低了玉米的光合作用，顯著降低根、莖和穗干物質積累量［25］。吳宇佳等提出干物質量可以作為篩選香蕉鉀效率基因型的首要指標［2,26］。本研究發現，低鉀脅迫降低了3 個香蕉品種的假莖粗、株高、鮮質量、干質量，粉雜1 號、巴西和南天黃整株干質量分別降低15.25%、22.41%、8.49%，南天黃的干質量降低幅度最小，且在假莖粗、株高、鮮重對比發現，南天黃受低鉀影響最小。這些結果證明，低鉀脅迫對南天黃的生長和生物量影響最小。

植物通過根系吸收養分和水分來維持正常的生長，通過根系活力的大小可以判斷根系生理活性強弱［27］。研究發現低鉀脅迫會使得根系細胞質K+無法維持細胞的酸堿度、抑制蛋白質的陰離子負電荷，會造成細胞質溶液不平衡，從而影響植物根系生長發育［28］。邢靜發現低鉀脅迫顯著降低大豆根系的總根長、根體積和根平均直徑［29］。劉芳等研究發現低鉀脅迫使得香蕉根系粗根變少，大多為細根［5］。本研究中，低鉀脅迫使得3個香蕉品種根系變細，根系活力顯著下降，三者降低幅度相差不大，但正常鉀處理的粉雜1 號的根系活力遠高于其他兩個品種，造成低鉀處理后粉雜1 號的根系活力仍高于其他兩個品種，這可能與粉雜1 號生物量大有關，說明無論正常鉀還是低鉀處理，粉雜1 號的根系活力比南天黃要好些，會有利于后期的生長。

可溶性糖作為滲透保護物質，在逆境下可提高細胞液的濃度，而鉀是植物細胞中重要的無機滲透調節物質，液泡中富集的鉀離子為細胞的伸展和生長提供了必要的滲透勢環境［26］。所以低鉀環境下植物為維持細胞的滲透壓，會引起可溶性糖含量的變化。陳坤倫等研究提出根系活力強，對可溶性糖的消耗大，累積的可溶性糖較低［30］，反之根系活力降低，對可溶性糖消耗少，累積的可溶性糖就增加。本研究中低鉀處理15 d 后粉雜1 號、巴西和南天黃整株可溶性糖含量分別增加70.52%、21.24%和27.10%，這與陳坤倫研究結果相一致。低鉀處理的粉雜1 號整株可溶性糖含量約是其他兩個品種的2 倍，但只有粉雜1 號在不同鉀水平下差異顯著。這說明粉雜1 號的可溶性糖含量受低鉀影響較大，巴西和南天黃受低鉀影響較小。

植物氮磷鉀積累量高，說明植物營養充足，能滿足快速生長的需求［31］。鉀具有移動性，能從較老的器官轉移至幼嫩器官和生長部位［32］。本試驗中，低鉀處理15 d，粉雜1 號和巴西的氮磷積累量均有顯著差異，但南天黃無顯著差異，可見，低鉀脅迫對南天黃的氮磷積累量影響相對較小。在鉀積累量方面，香蕉3 個品種降低的幅度相差不大，但粉雜1 號每株降低的鉀積累量為南天黃的1.53 倍，而且只有南天黃地上部鉀的分配比率在低鉀處理后升高，說明南天黃鉀積累量受低鉀的影響相對較小。鉀效率系數能較好地反應不同基因型之間鉀效率差異［2］，兩次時間點采樣分析，均顯示南天黃的鉀效率系數最高。

鉀是植物細胞中含量最豐富的無機陽離子，約占植物干重的1/10［33］，對細胞酶激活，促進碳水化合物代謝，增強細胞膜對離子的滲透性有重要作用，能提高植物抗旱、抗寒和抗病害等抗逆境的能力［28］。有研究表明，在香蕉枯萎病抗病表現方面，南天黃為中抗［34］或高抗［35］，巴西為高感品種［35］，這很大可能與南天黃的低鉀高效特性有關。在香蕉尚未結果之前，根莖對鉀的含量較高，需求較大，而球莖以及葉子部位對鉀的需求并無顯著特征［31］。本研究發現，香蕉地上部對鉀的積累量占80%以上，說明地上部分對鉀的需求極大。因此低鉀會造成地上部鉀的積累量有顯著變化。

國內已有很少學者對不同的香蕉品種進行鉀高效品種篩選，但對近幾年的廣東主導品種粉雜1 號、南天黃、巴西進行耐低鉀脅迫篩選的報道鮮少。本研究通過深入比較與鉀營養有關的生理指標，發現南天黃是耐低鉀且鉀高效的香蕉品種，值得在廣東地區推廣栽培。在缺鉀嚴重的廣東土壤上種植粉雜1 號和巴西，理論上需要比南天黃投入更多的鉀肥，這需要在后期的大田實際種植過程中進行驗證。

4 結論

與正常鉀相比，低鉀處理30 d，南天黃的假莖粗、鮮物質、干物質量和氮磷積累量降低幅度最小，均無顯著差異，而粉雜1 號和巴西有顯著差異；南天黃整株干物質量降低幅度為9.87%，分別為粉雜1 號和巴西的49.87%、54.32%，南天黃降低的鉀積累量為47g/株，分別為粉雜1 號和巴西的65.28%、75.81%；且只有南天黃的地上部鉀的分配比率在低鉀處理后升高，低鉀處理15 d和30 d的采樣結果顯示南天黃的鉀效率系數最高。南天黃苗期對低鉀脅迫不敏感，為3 個香蕉品種中最耐低鉀的鉀高效型品種。