连作马铃薯对抗性酶及生物学特性变化的研究

裴国平 ，王 蒂 ，张俊莲 ，沈宝云 ，杨 乾

（1.甘肃作物遗传改良与种质创新重点实验室，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070）

马铃薯是世界第四大粮食作物，可利用价值高达71%，比其他粮食作物高21%[1]。由于马铃薯具有产量高、生育期短、适应性强、营养丰富、适口性好、利于健康、用途广泛等特点，已成为世界性重要的农业资源和多种工业加工原料，其需求量不断增加。但由于世界人口的急剧增加，可利用土地面积的日益减少，提高土地利用率和单位面积产量是现代农业发展的一种趋势。因此作物种类的单一，栽培年限的增加，便出现了农业可持续发展中的一个亟待解决的瓶颈问题——作物连作障碍[2-3]。国内外对连作障碍的研究主要集中在黄瓜、旱稻、番茄、茄子、花生、玉米和部分中药材川（明）参、附子、地黄、人参，以及连作与杂草的关系[4]、连作与土壤肥料的关系[5]等方面，对马铃薯连作障碍的研究少有报道，胡宇[6]只对旱地马铃薯连作对土壤养分的影响进行了研究。

本试验对加工型马铃薯大西洋在4个不同连作年限的3个生育时期的7项指标进行了研究，总结了马铃薯在不同连作状态下各种生理生化指标的变化规律，以期为减轻马铃薯连作障碍和马铃薯高效栽培管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试品种 供试材料选用西北种植面积较大的马铃薯品种大西洋，试验选用其脱毒种薯，由甘肃条山集团双丰公司提供。

1.1.2 试验地概况 试验马铃薯种植在亚盛集团条山农场（东经 103°33′～104°43′，北纬 36°43′～37°38′，海拔1 600 m）大西洋生产基地不同连作年限的土壤上，土壤类型主要为洪积灰棕荒漠土和灰钙土。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验地分为：连作零年（L0-stubble cropping）、 连 作 一 年 （L1-continuous cropping）、连作二年（L2-triple cropping）、连作三年（L3-alternate cropping），小区面积 4 m×5 m＝20 m2，各小区种植85株，株距30 cm，行距80 cm，重复3次，水肥管理和病虫害防治与农场商品薯生产相同，各小区用5点法采样。分别在马铃薯现蕾期、盛花期、成熟期采取4个不同连作年限小区中植株相同部位的新鲜叶片，在甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室（甘肃农业大学农学院）对生理指标进行测定。株高、叶面积和产量在田间测定。试验所得数据用Microsoft Office Excel 2003进行处理，用SPSS 16.0作数据分析。

1.2.2 测定方法 （1）丙二醛、脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性的测定。参考赵世杰和邹琦等[7－8]的方法测定丙二醛含量；参考张永成和田丰[9]测定脯氨酸含量；按邹琦等[10]的氮蓝四唑（NBT）光化学还原法测定超氧化物歧化酶。

（2）植物组织含水量的测定。参考张永成和田丰[11]测定植物组织含水量，现蕾期采集马铃薯植株地上主茎第4分枝的第5片叶子，盛花期采集第6分枝的第6片叶子，成熟期采集第7分支的第6片叶子。

（3）株高的测定。现蕾期以花蕾最集中部位、盛花期以主茎主花序顶端部位、成熟期以植株最高部位距地面的高度为准，用直尺测量各小区的植株高度。

（4）叶面积的测定。采用张永成等[12]的剪纸称重法，测定马铃薯植株地上主茎第4分枝的第6片叶进行叶面积大小，测后挂牌标记。具体如下：①取质地均一的硫酸铅纸一张，称出其重量W1，然后量其长宽计算出面积S1；②将不同茬口的马铃薯叶片并拓在硫酸铅纸上用铅笔画沿叶片边缘直观地画出其轮廓；③用剪刀将画在硫酸铅纸上的叶片轮廓裁下，称其重量W2；④利用如下公式求出S：

S=（W2·S1）/W1

（5）产量的测定。每个不同连作年限的马铃薯收获后用磅秤对各小区的产量进行测定，求出各小区的均值，单位换算成：t/hm2。

2 结果与分析

2.1 连作对马铃薯植株丙二醛（MDA）含量的影响

从图1可知，同一连作年限马铃薯植株丙二醛（MDA）浓度在盛花期最大，显蕾期最小。在4个连作年限中，丙二醛在现蕾期时的含量连作两年显著高于连作一年，在盛花期和成熟期时无显著性差异。MDA是植物器官在遭受逆境伤害时膜脂过氧化作用的最终分解产物，其含量可以反应植物遭受逆境伤害的程度。由此可见，马铃薯植株体中MDA的含量随着连作年限的增加而增加，并且随生长发育的推进而升高，因此，连作增加了膜脂过氧化作用对马铃薯植株造成了逆境伤害。

图1 连作马铃薯植株MDA含量的变化

2.2 连作对马铃薯植株脯氨酸含量的影响

从图2可知，同一连作年限成熟期最大，现蕾期最小。现蕾期、盛花期和成熟期中连作二年含量均最大，连作零年含量均最小，表现为：连作二年＞连作三年＞连作一年＞连作零年。由此可见，连作马铃薯植株体中脯氨酸的含量在连作二年时达到最大，现蕾期为 80.80 μg/g，盛花期为 148.88 μg/g，成熟期为190.74 μg/g，连作三年时其含量开始下降，并且脯氨酸的含量随生长期的变化而变化，随着生育时期的推进，其含量呈现明显的倍性增长趋势。植物在正常情况下，游离脯氨酸的含量很低，但在遇到干旱、盐碱、衰老等逆境时，其便在植株体内大量积累，并且积累指数与植物的抗逆性有关。因此，植物体内脯氨酸含量的多少可以衡量植物遭受逆境伤害的严重程度。由上面结果可以看出连作是一种逆境，对马铃薯的生长造成了伤害，且连作二年时对植株体内的脯氨酸含量影响最大但连作年现与含量不成比例。

图2 连作马铃薯叶片中脯氨酸含量的变化

2.3 连作对马铃薯植株超氧化物歧化酶（SOD）活性的影响

从图3可知，超氧化物歧化酶（SOD）的活性在任何一个时期里连作三年最大，连作零年最小。同一连作年限SOD活性成熟期最大，现蕾期最小，且从现蕾期到成熟期都呈增加的趋势，在现蕾期时的活性连作一年、连作二年、连作三年均显著高于连作零年，在盛花期时的活性连作二年和连作三年显著高于连作一年和连作零年，在成熟期时连作二年显著高于连作一年和连作零年。SOD是一种含金属酶，能与过氧化物酶、过氧化氢酶等酶协同作用防御活性氧或其它过氧化物自由基对细胞膜系统的伤害，从上面结果中可以看出，马铃薯植株体中SOD活性随连作年限的增加均值呈增加的趋势，并随生长期的变化而变化，生长越衰老，活性越高，连作造成活性氧或其它过氧化物自由基对细胞膜系统的破坏，对马铃薯的生长造成了逆境伤害。

图3 连作马铃薯叶片中SOD活性的变化

2.4 连作对马铃薯植株高度的影响

从图4可知，马铃薯植株高度在连作零年时最高，在连作三年时最低，现蕾期最低，成熟期最高，在盛花期和成熟期时是连作零年和连作一年显著高于连作二年和连作三年，且连作零年显著高于连作一年。由此可见，连作马铃薯植株的高度在同一生育期随着连作年限的增加而降低，随生长期的变化而变化，连作年限越多，植株越矮，生长越衰老，生长速度越慢。因此，连作年限越长，马铃薯植株的生长势越弱生长越缓慢。

图4 连作马铃薯植株高度的变化

2.5 连作对马铃薯植株叶面积的影响

从图5可知，马铃薯植株叶面积连作零年最大，连作三年最小，成熟期最大，现蕾期最小。成熟期时连作零年显著大于连作一年、连作二年、连作三年，且连作一年显著大于连作二年和连作三年，连作零年的叶片面积达到18.63 cm2，连作三年为12.77 cm2。叶片是作物最重要的光合器官，也是判断植株生长旺盛与否的重要标志，其面积的大小直接关系到光合作用的强弱直至影响产量。由此可见，连作马铃薯植株的叶片面积随着连作年限的增加而减小，随生长期的变化而变化，连作年限越多，叶片面积越小，叶片生长速度越慢。因此，连作年限越长，马铃薯植株长势越虚弱，生长越缓慢，马铃薯的产量相应也越低。

图5 连作马铃薯植株叶片面积的变化

2.6 连作对马铃薯植株组织含水量的影响

从图6可知，叶片含水量在显蕾期时无显著性差异，在盛花期和成熟期时连作零年和连作一年的含水量均显著大于连作二年和连作三年，成熟期时连作零年的叶片含水量占鲜重的83.84%，连作三年为82.15%。同生育期马铃薯叶片组织中的含水量在连作零年时最大，在连作三年时最小，成熟期最小，现蕾期最大。含水量是植物水分状况的重要指标，植物组织含水量不但直接影响植物的生长、呼吸、光合直至作物产量，而且还对马铃薯品质以及储藏具有至关重要的作用。由此可见，连作马铃薯叶片组织中含水量随着连作年限的增加而减少，随生长期的变化而变化，连作年限越多，含水量越少，生长越衰老，含水量越少，马铃薯的产量和品质均下降。

图6 连作马铃薯叶片组织中含水量的变化

2.7 连作对马铃薯产量的影响

以商品薯的产量为计量标准。从图7可知，连作马铃薯的产量随着连作年限的增加呈下降趋势，每公顷产量连作零年＞连作一年＞连作二年＞连作三年，且两两差异均显著，连作零年高达34.50 t/hm2，连作三年仅为8.00 t/hm2，从连作零年到连作三年的产量降幅为331.3%。在四个不同连作年限中，相邻两个连作年限产量降幅最大的是从连作一年到连作二年，降幅为132.2%。由此可见，连作造成马铃薯单产迅速递减，使其经济效益下降，连作年限越长，产量越低且在连作一年到连作二年时降幅最大。

图7 连作马铃薯产量的变化

3 讨论与结论

引起马铃薯连作障碍的原因是作物和土壤两个系统内部诸多因素综合作用结果的体现[13-14]。1983年日本的泷岛[3]将产生作物连作障碍的原因归纳为五大因子：①土壤养分亏缺；②土壤反应异常；③土壤理化性状恶化；④来自植物的有害物质；⑤土壤微生物变化。

本试验结果表明：（1）丙二醛的含量与连作年限的长短关系不大，这可能是不同作物对连作的不同反应造成的，值得继续深入研究。（2）马铃薯植株叶片中脯氨酸的含量随连作年限的加长而增多，SOD的活性随连作年限的增加而加强。SOD酶是存在于细胞中的保护性酶，其主要功能是清除自由基，使自由基保持在低水平上，连作使SOD酶活性加强，说明马铃薯受到胁迫。（3）随着连作年限的增加，马铃薯株高、叶面积、植物组织含水量和产量都降低。叶面积的变小降低了植株的光合作用，进而减慢块茎的膨大；植高和含水的降低增大了植株衰老的速度；生理生物学性质的变差均降低了植株对土壤养分的吸收和对化感物质和病虫害抗性，形成一种恶性循环，最终的综合结果就是产量降低、品质变差、抗逆性降低。

马铃薯连作后丙二醛含量变化不明显、超氧化物歧化酶活性增强、脯氨酸增多，植株变矮、叶片变小、组织含水量降低，产量锐减，造成这种变化的因素是多样的，也是各种素综合的结果。因此，综合其他因素并深入细致地研究马铃薯连作障碍抗性酶的变化规律，才能更好地为减轻马铃薯连作障碍和高效栽培管理提供理论科学依据。

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