三个南方主栽香蕉品种对低钾胁迫的生理响应分析
时间：2022-12-05 08:55:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
萧美玲，李方剑，黄丽雅，麦翠珊，杨乔松，王金祥
（1.华南农业大学根系生物学研究中心/华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642；
2.东莞市中堂镇农业技术服务中心，广东 东莞 523220；
3.广东省农业农村污染治理与环境安全重点实验室，广东 广州 510642；
4.广东省农业科学院果树研究所/农业农村部南亚热带果树生物学与遗传资源利用重点实验室/广东省热带亚热带果树研究重点实验室，广东 广州 510640）
【研究意义】香蕉(Musaspp.)是典型的喜钾作物之一。单株香蕉钾总吸收量为311.9 g［1］，香蕉对钾的需求量约是氮的3 倍、磷的30 倍；
2 000～3 000 kg 香蕉吸钾量达到60～80 kg，是水稻吸钾量的6～8 倍［2］。2020 年全国香蕉种植面积为32.72 万hm2，广东香蕉种植面积为11.13 万hm2，年产量478.7 万t［3］，为五大主产区之首。但广东是土壤缺钾严重、供钾能力不足的亚热带地区［4］，加之蕉农不合理施肥，香蕉多氮缺钾的情况比较多［5］，导致香蕉产量和品质锐减［6］。湛江雷州田间试验显示，缺钾导致产量减少近一半［7］，且多施氮肥易造成土壤污染。因此，筛选和推广耐低钾高效型的香蕉品种十分紧迫。【前人研究进展】香蕉缺钾最普遍症状是老叶失绿，随后枯死，严重时叶片中脉弯曲；
缺钾不严重时，香蕉生长也会受到抑制，其叶片变小，抽蕾延迟，果穗减产［8］，且大多为细根，根系吸收养分和水分的能力显著降低［5,9］。缺钾导致香蕉幼苗的光合特性受到明显抑制，叶片净光合速率下降六成多［10］。当钾质量浓度为210～560 mg/L 时，香蕉对钾离子吸收速率基本不变，此时吸收速率最高，钾质量浓度过低或过高，其吸收速率会上升或下降［11］。有研究发现，香蕉缺钾临界值为228 mg/L，适宜的供钾质量浓度为228～539 mg/L［12］。吴宇佳等以香蕉苗期地上部相对和绝对生物量、钾利用指数、吸钾量和钾效率系数等，作为筛选耐低钾香蕉基因型的指标，从16 个香蕉品种中筛选出4 个钾高效基因型品种，分别为广粉、泰蕉、牛角和粉蕉［2,13］。陈文亮等以国内8 个香蕉品种进行生理差异筛选，初步确定金粉1号、桂蕉1号为钾高效基因型［14］。【本研究切入点】本研究以广东主导香蕉品种粉杂1 号、南天黄、巴西为材料，设计正常钾（NK）和低钾（LK）水培试验，测定与钾营养有关的生理指标，进行比较研究，筛选出耐低钾高效型香蕉品种。【拟解决的关键问题】筛选耐低钾的广东主栽香蕉品种，为将来减少香蕉钾肥用量、降低种植户成本、在缺钾严重的广东地区推广耐低钾高效香蕉品种提供理论依据，此外为后期从分子层面研究香蕉快速响应低钾胁迫的机制、提高香蕉钾吸收效率打下基础。
1.1 试验材料
试验采用粉杂1 号、南天黄、巴西3 个香蕉品种，均为广东省农业科学院果树研究所的组培苗，其中盆栽苗株高约18 cm、5～6 片叶蕉苗。试验采用改良的Hoagland 营养液，设计正常钾（NK，2.5 mmol/L K2SO4）和低钾（LK，0.25 mmol/L K2SO4）两种钾水平，营养液母液的配方如表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 营养液配方Table 1 Formula of improved Hoagland nutrient solution
1.2 试验方法
试验于2021 年5—7 月在华南农业大学根系生物学中心温室大棚内进行，选择长势良好一致的3 个香蕉品种（粉杂1 号、巴西、南天黄）组培苗，经去掉基质和炼苗后，移栽至塑料箱中，用塑料板和定植棉固定好，每个塑料箱栽种6 株（每个品种2 株），种植位置随机，做好标记。塑料箱的容积约26 L，长宽高分别约为50、35、15 cm，塑料箱连接两个通气装置，每次间隔15 min，通气15 min。为使蕉苗生长一致，对蕉苗进行缓根，进行10 d 正常钾培养之后，进行正常钾（NK）和低钾（LK）处理，每个品种每个浓度处理16 株组培苗。处理后15 d、30 d 后随机采4株苗用于测定。
1.3 测定指标及方法
1.3.1生物量 用游标卡尺测量第一片真叶处茎部直径，即为假茎粗。用直尺测量植株从茎基部到最新展开叶的距离，即为株高。植株干质量，对地上部和根部分别取样，在105 ℃下杀青15 min 后，在80 ℃下烘干至恒重称质量，磨粉以备可溶性糖和氮磷钾含量的测定。叶面积比率LAR，表示叶面积与相应植株的干质量之比，用直尺测量完全展开叶各叶片的叶长和最大叶宽，根据文献计算出各叶片面积［15］，所有叶面积之和即为该植株的叶面积。
1.3.2生理学特征参数 采用TTC 比色法测定根系活力。采取植株新鲜的须根系，洗净，用滤纸吸干擦干，称取0.5 g 左右完全浸没于 TTC 分析工作液中，37 ℃避光孵育2 h，加入TTC 终止液2 mL 终止反应，同时设置空白对照，将上述实验组和空白对照组的根系分别取出吸干水分，加入3～4 mL 乙酸乙酯在研钵中充分研磨提取出TTF，之后转移至离心管，用少量乙酸乙酯洗涤2～3 次残渣，用乙酸乙酯补至10 mL，摇匀，以酶标仪测定提取液在485 nm 的吸光度值。可溶性糖，采用蒽酮比色法测定，称取烘干的干样品0.5 g 左右加入研钵，分多次加入15 mL 蒸馏水研磨匀浆，于沸水浴中提取30 min。待冷却至室温后过滤，全部滤液转入50 mL容量管。重复收集滤液，定容。取15 mL 螺旋盖离心管，按照顺序依次加入2 mL提取液、0.5 mL 蒽酮试剂、5 mL 浓硫酸，充分振荡，沸水加热1 min 取出，自然冷却至室温混匀，以酶标仪测定630 nm 处标准管、测定管的吸光度。
1.3.3氮磷钾含量 称取植物烘干样品（0.5 mm过筛）0.3～0.5 g 装入100 mL 消煮管的底部，加浓硫酸8 mL，摇匀，放置过夜，在消煮炉上170℃小火加热30 min，待浓硫酸发白烟后再逐步升高温度至300 ℃加热样品。当溶液呈均匀的棕黑色时取下，稍冷后加入10 滴30% H2O2，再继续消煮约10 min 左右，重复上步操作，消煮至溶液呈无色或清亮后，加入30 mL 蒸馏水，再加热10 min，除去剩余的H2O2。取下冷却后，用水将消煮液无损地转移入100 mL 容量瓶中，冷却至室温后定容。用无磷钾的干滤纸过滤，放置澄清后吸取清液，采用连续流动自动仪（AA3）测定全氮含量，紫外可见分光光度法测定全磷含量，火焰分光光度法测定全钾含量［16］。
试验数据采用SPSS 25.0 软件进行方差分析，采用最小显著性差异法（LSD）进行多重比较，采用Student"s t-test 进行差异显著性分析，通过Excel2010 作图。
2.1 不同钾水平处理对各香蕉品种假茎粗、株高、叶面积比率、鲜质量和干质量的影响
香蕉短时间缺钾症状不明显，香蕉不同品种的中长期缺钾症状开始有差异。相比于正常钾处理的蕉苗，低钾处理15 d 发现，植株株高开始变矮，假茎粗变细，根系的粗根数量减少，细根相比大量增多；
低钾处理60 d 发现，叶片出现典型的缺钾症状，老叶变黄变褐干枯较多，新叶出叶慢，叶片变小，植株矮小，假茎粗较细，生长缓慢（图1）。
图1 低钾处理后15 d 和60 d 3 个香蕉品种的缺钾情况Fig.1 Potassium deficiencies of the three banana varieties after 15 days and 60 days of low potassium treatments
不同钾水平处理对3 个香蕉品种的假茎粗、株高、叶面积比率与鲜质量干质量的影响如图2、图3 所示。
图2 低钾处理对3 个香蕉品种的假茎粗、株高、鲜质量和叶面积利率的影响Fig.2 Effects of low potassium treatment on pseudostem diameter,plant height,fresh weight and leaf area ratio of the three banana varieties
图3 低钾处理后15 d 和30 d 对3 个香蕉品种干质量的影响Fig.3 Effects of low potassium treatment on dry weight of the three banana varieties after 15 days and 30 days
假茎粗和株高是评价香蕉生长状况的重要指标，植株的高度和粗壮程度能体现植株利用营养的情况［17］。由图2A、B 可知，粉杂1 号无论正常钾或低钾处理，假茎粗相对值最大，低钾处理15 d 后，各品种假茎粗无显著差异，低钾处理30 d 后，粉杂1 号和巴西假茎粗差异显著，南天黄假茎粗差异不显著，说明南天黄假茎粗受低钾影响较小，且与正常钾处理相比，两次采样测定均显示南天黄假茎粗差异最小。
与正常钾相比，低钾处理粉杂1 号、巴西和南天黄鲜质量分别降低48.35%、18.53%和11.00%，且只有南天黄鲜质量无显著差异（图2C），说明低钾对粉杂1 号鲜质量影响最大，对南天黄鲜质量影响最小。
粉杂1 号无论正常钾或低钾处理，株高相对值最大，巴西次之，南天黄株高较小。与正常钾处理相比，低钾处理15 d 后，粉杂1 号、巴西、南天黄株高分别降低19.2%、16.4%、17.6%，只有粉杂1 号有显著差异(图2D）；
低钾处理30 d 后，粉杂1 号、巴西、南天黄株高分别降低19.4%、18.9%、16.4%，差异显著（图2E）。两次采样测定显示低钾对粉杂1 号株高影响最大，对巴西和南天黄株高影响相对较小。
低钾胁迫使得3 种香蕉品种的叶面积比率减小，与正常钾处理相比，低钾处理15 d 后粉杂1号、巴西和南天黄叶面积比率分别降低6.72%、15.89%和11.41%，均无显著差异（图2F），说明3 个香蕉品种叶面积比率在低钾处理15 d 受低钾影响较小，地上部缺钾症状仍较轻。
干质量是表示植物有机物积累、营养成分多寡的一个重要指标。由图3 可知，粉杂1 号地上部和整株无论正常钾或低钾处理，干质量相对值最大。与正常钾处理相比，低钾处理15 d粉杂1号、巴西和南天黄地上部干质量分别降低17.56%、23.31%和9.09%，根部干质量分别降低22.91%、18.58%、6.43%，整株干质量分别降低15.25%、22.41%、8.49%。低钾处理30 d 粉杂1 号、巴西和南天黄地上部干质量分别降低20.18%、19.73%和9.30%，根部干质量分别降低16.89%、6.81%和12.32%，整株干质量分别降低19.79%、18.17%和9.87%。两次采样测定结果基本一致。粉杂1 号干质量降低幅度为南天黄的2 倍左右，说明粉杂1 号受低钾影响最大，巴西次之，南天黄受低钾影响最小。
2.2 不同钾水平处理对各香蕉品种根系活力、可溶性糖含量的影响
根系活力即根的生长情况和代谢水平，直接影响植物地上部分的生长和营养状况以及最终产量，是植物生长的重要生理指标之一［18］。由图4可知，低钾胁迫均降低各香蕉品种的根系活力，与正常钾处理相比，低钾处理30 d 后粉杂1 号、巴西和南天黄根系活力分别下降67.29%、71.64%和73.28%，3 个品种根系活力下降幅度相差不大，但低钾处理后粉杂1 号根系活力为巴西的2.07 倍，为南天黄的1.99 倍。
图4 低钾处理后30 d 对3 个香蕉品种的根系活力的影响Fig.4 Effect of low potassium treatment on root activity of the three banana varieties after 30 days
植物体内的可溶性糖主要是指能溶于水及乙醇的单糖和寡聚糖，是光合作用的直接产物，是参与糖代谢的主要形式［19］。为适应逆境条件，植物会主动积累一些可溶性糖，降低渗透势和冰点，以适应外界环境条件的变化［20］。从图5 可知，低钾胁迫促进香蕉苗期可溶性糖含量的增加，与正常钾处理相比，低钾处理15 d 后粉杂1号、巴西和南天黄地上部可溶性糖含量分别增加67.26%、15.68%和26.42%，根部可溶性糖含量分别增加91.37%、44.43%和29.78%，整株可溶性糖含量分别增加70.52%、21.24%和27.10%，说明粉杂1 号生理状况比其他两个品种好，更适应低钾环境，对后续生长发育也比其他两个品种好，但只有粉杂1 号地上部和根部可溶性糖有显著差异，其他两个香蕉品种无显著差异，说明3个品种中粉杂1 号对低钾胁迫比较敏感。
图5 低钾处理后15 d 对3 个香蕉品种的可溶性糖含量的影响Fig.5 Effects of low potassium treatment on soluble sugar contents of the three banana varieties after 15 days
2.3 不同钾水平处理对3 个香蕉品种氮、磷、钾营养的影响
氮、磷、钾积累量是指植株的干质量与全氮、全磷、全钾含量的比重。不同钾水平处理对3 个香蕉品种氮、磷、钾积累量与钾效率系数的影响如表2 和图6 所示。
图6 不同香蕉品种的钾效率系数Fig.6 Potassium efficiency coefficients of different banana varieties
由表2 可知，低钾处理均降低各香蕉品种的氮磷积累量。与正常钾处理相比，低钾处理15 d后粉杂1 号、巴西和南天黄地上部氮积累量分别降低36.72%、14.79%和5.76%，整株氮积累量分别降低33.82%、14.20%和9.32%；
低钾处理15 d后粉杂1 号、巴西和南天黄地上部磷积累量分别降低35.48%、26.95%和17.74%，根部磷积累量分别降低43.22%、29.28%和12.09%，整株磷积累量分别降低37.94%、25.38%和3.05%。粉杂1号和巴西氮磷积累量与对照均有显著差异，但南天黄无显著差异，可见低钾胁迫对南天黄氮磷积累量影响相对较小。
植株钾积累量是判断植物富钾能力大小的一个容量指标，其值越大说明该植物的钾积累能力就越强，植株对钾的富集量越大，也就能够从溶液或土壤中吸收更多的钾［21］。由表2 可知，低钾处理均降低各香蕉品种的钾积累量。与正常钾处理相比，低钾处理15 d 后粉杂1 号、巴西和南天黄地上部钾积累量分别降低67.96%、73.92%和65.36%，根部钾积累量分别降低59.98%、65.00% 和71.86%，整株钾积累量分别降低67.24%、73.04%和66.48%，均有显著差异。单纯从降低幅度对比，3 个香蕉品种相差不大，但是从降低的总量相比，粉杂1 号、巴西和南天黄每株钾积累量分别降低72、62、47 g，粉杂1 号每株降低钾积累量为南天黄的1.53 倍，且粉杂1号、巴西地上部钾的分配比率在低钾处理后呈下降趋势，南天黄地上部钾的分配比率在低钾处理后反而升高，说明南天黄钾积累量受低钾的影响相对较小。
表2 低钾处理对3 个香蕉品种氮磷钾积累量的影响Table 2 Effects of low potassium treatment on accumulation of NPK in the three banana varieties
钾效率系数（KUE）是指低钾处理与正常钾处理的地上部生物量比值（相对生物量），表示香蕉的耐低钾的能力，系数越大，钾效率越高，其耐低钾能力就越强［2］。由图6 可知，两次时间点采样测定均显示南天黄的钾效率系数最大，粉杂1 号次之，巴西最小。
钾是植物必需三大营养元素之一，也被称为品质元素。植物钾离子通道和钾转运蛋白参与钾离子的吸收和运输［22］。供钾不足会抑制蛋白质的合成、降低光合作用相关酶活性、影响细胞质pH 值稳态的调节以及细胞渗透压调节等［23］。因此缺钾降低植物茎粗、株高和干物质积累等。黄海云研究表明，低钾胁迫降低了除苗期外其他时期的不同品种花生的主茎高、干物质［24］。杜琪等研究发现，低钾胁迫降低了玉米的光合作用，显著降低根、茎和穗干物质积累量［25］。吴宇佳等提出干物质量可以作为筛选香蕉钾效率基因型的首要指标［2,26］。本研究发现，低钾胁迫降低了3 个香蕉品种的假茎粗、株高、鲜质量、干质量，粉杂1 号、巴西和南天黄整株干质量分别降低15.25%、22.41%、8.49%，南天黄的干质量降低幅度最小，且在假茎粗、株高、鲜重对比发现，南天黄受低钾影响最小。这些结果证明，低钾胁迫对南天黄的生长和生物量影响最小。
植物通过根系吸收养分和水分来维持正常的生长，通过根系活力的大小可以判断根系生理活性强弱［27］。研究发现低钾胁迫会使得根系细胞质K+无法维持细胞的酸碱度、抑制蛋白质的阴离子负电荷，会造成细胞质溶液不平衡，从而影响植物根系生长发育［28］。邢静发现低钾胁迫显著降低大豆根系的总根长、根体积和根平均直径［29］。刘芳等研究发现低钾胁迫使得香蕉根系粗根变少，大多为细根［5］。本研究中，低钾胁迫使得3个香蕉品种根系变细，根系活力显著下降，三者降低幅度相差不大，但正常钾处理的粉杂1 号的根系活力远高于其他两个品种，造成低钾处理后粉杂1 号的根系活力仍高于其他两个品种，这可能与粉杂1 号生物量大有关，说明无论正常钾还是低钾处理，粉杂1 号的根系活力比南天黄要好些，会有利于后期的生长。
可溶性糖作为渗透保护物质，在逆境下可提高细胞液的浓度，而钾是植物细胞中重要的无机渗透调节物质，液泡中富集的钾离子为细胞的伸展和生长提供了必要的渗透势环境［26］。所以低钾环境下植物为维持细胞的渗透压，会引起可溶性糖含量的变化。陈坤伦等研究提出根系活力强，对可溶性糖的消耗大，累积的可溶性糖较低［30］，反之根系活力降低，对可溶性糖消耗少，累积的可溶性糖就增加。本研究中低钾处理15 d 后粉杂1 号、巴西和南天黄整株可溶性糖含量分别增加70.52%、21.24%和27.10%，这与陈坤伦研究结果相一致。低钾处理的粉杂1 号整株可溶性糖含量约是其他两个品种的2 倍，但只有粉杂1 号在不同钾水平下差异显著。这说明粉杂1 号的可溶性糖含量受低钾影响较大，巴西和南天黄受低钾影响较小。
植物氮磷钾积累量高，说明植物营养充足，能满足快速生长的需求［31］。钾具有移动性，能从较老的器官转移至幼嫩器官和生长部位［32］。本试验中，低钾处理15 d，粉杂1 号和巴西的氮磷积累量均有显著差异，但南天黄无显著差异，可见，低钾胁迫对南天黄的氮磷积累量影响相对较小。在钾积累量方面，香蕉3 个品种降低的幅度相差不大，但粉杂1 号每株降低的钾积累量为南天黄的1.53 倍，而且只有南天黄地上部钾的分配比率在低钾处理后升高，说明南天黄钾积累量受低钾的影响相对较小。钾效率系数能较好地反应不同基因型之间钾效率差异［2］，两次时间点采样分析，均显示南天黄的钾效率系数最高。
钾是植物细胞中含量最丰富的无机阳离子，约占植物干重的1/10［33］，对细胞酶激活，促进碳水化合物代谢，增强细胞膜对离子的渗透性有重要作用，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现方面，南天黄为中抗［34］或高抗［35］，巴西为高感品种［35］，这很大可能与南天黄的低钾高效特性有关。在香蕉尚未结果之前，根茎对钾的含量较高，需求较大，而球茎以及叶子部位对钾的需求并无显著特征［31］。本研究发现，香蕉地上部对钾的积累量占80%以上，说明地上部分对钾的需求极大。因此低钾会造成地上部钾的积累量有显著变化。
国内已有很少学者对不同的香蕉品种进行钾高效品种筛选，但对近几年的广东主导品种粉杂1 号、南天黄、巴西进行耐低钾胁迫筛选的报道鲜少。本研究通过深入比较与钾营养有关的生理指标，发现南天黄是耐低钾且钾高效的香蕉品种，值得在广东地区推广栽培。在缺钾严重的广东土壤上种植粉杂1 号和巴西，理论上需要比南天黄投入更多的钾肥，这需要在后期的大田实际种植过程中进行验证。
与正常钾相比，低钾处理30 d，南天黄的假茎粗、鲜物质、干物质量和氮磷积累量降低幅度最小，均无显著差异，而粉杂1 号和巴西有显著差异；
南天黄整株干物质量降低幅度为9.87%，分别为粉杂1 号和巴西的49.87%、54.32%，南天黄降低的钾积累量为47g/株，分别为粉杂1 号和巴西的65.28%、75.81%；
且只有南天黄的地上部钾的分配比率在低钾处理后升高，低钾处理15 d和30 d的采样结果显示南天黄的钾效率系数最高。南天黄苗期对低钾胁迫不敏感，为3 个香蕉品种中最耐低钾的钾高效型品种。
