缺钾对不同基因型香蕉根系分泌物产生及土壤钾活化的影响

吴宇佳，张 文，肖彤斌，符传良，吉清妹，谢良商

(海南省农业科学院农业环境与土壤研究所/农业部海南耕地保育科学观测试验站，海南 海口 571100)

缺钾对不同基因型香蕉根系分泌物产生及土壤钾活化的影响

吴宇佳，张 文，肖彤斌，符传良，吉清妹，谢良商*

(海南省农业科学院农业环境与土壤研究所/农业部海南耕地保育科学观测试验站，海南 海口 571100)

为了探讨低钾胁迫对香蕉幼苗生长和根系分泌物的影响，以及不同香蕉基因型对土壤钾活化差异。通过离位溶液培养法收集香蕉根分泌物，经低温冷冻干燥器浓缩后，进行土壤钾活化试验，利用高效液相色谱(HPLC)测定分泌物中有机酸成分及含量。结果表明，在低钾胁迫条件下,钾高效基因型香蕉幼苗鲜质量显著高于钾低效基因型。香蕉根系分泌物中的有机酸色谱图比较简单,钾低效基因型品种仅发现3种有机酸：草酸、酒石酸和柠檬酸，钾高效基因型品种发现了4种有机酸：是草酸、酒石酸、柠檬酸和琥珀酸。钾高效基因型根系有机酸、蛋白质和可溶性糖的分泌能力显著高于低效基因型，且含量变化与鲜质量变化趋势一致,总酚酸变化趋势正好相反。不同基因型香蕉根系分泌物对土壤钾素均有活化作用，其中广粉活化能力最强,各基因型间差异达极显著水平。低钾胁迫条件下，香蕉分泌大量有机物质，基因型之间差异较为明显，香蕉钾高效基因型根系有机酸的分泌能力和土壤钾的活化能力远高于低效基因型。

香蕉；基因型；根系分泌物；活化；有机酸；低钾胁迫

根系分泌物被定义为特定生长条件下活体植物释放到根际环境中物质的总称。根系分泌物组成变化可以在一定程度上体现植物的生长发育和健康状况[1]。根系分泌物种类繁多，不仅有质子、无机离子，还分泌大量的有机物质[2]。在特定养分胁迫条件下，植物根系可通过自身的调节能力，合成一些专一性物质分泌到根际中去[3-5,8]。特别是简单有机化合物，如有机酸、糖类等[6-7]。这些有机化合物中的有机酸能够活化土壤中的矿物态钾，促进土壤钾的有效化,并提高植物对缺钾胁迫环境的适应能力[5,8]。香蕉生长的钾需求量很大，其吸钾量远远高于一般作物，香蕉单位面积的吸钾量达到60～80kg，相当于水稻吸钾量的6～8倍。因此，研究香蕉根系分泌物的产生及其土壤钾活化的影响在理论研究和生产应用上都有重要意义。邹宇婷[9]等对蕺菜属不同钾效率基因型特性研究发现：除总酚外，钾高效基因型植物根系分泌物中可溶性糖、蛋白质，总氨基酸的含量明显高于钾低效基因型。低钾条件下钾高效基因型植物根系分泌物中草酸含量是钾低效基因型分泌物的15倍。薛刚等[10]对烟草根系分泌有机酸品种间差异及对根际土壤钾形态影响的研究发现：_在不同施肥条件下，高钾品种的根系分泌有机酸量都比低钾品种高，说明高钾品种对土壤钾素的活化能力较高，提高土壤可利用钾含量，进而增加对钾营养的吸收量。李廷轩等[11]采用溶液培养试验研究了籽粒苋不同富钾基因型在不同供钾水平条件下根系分泌物中氨基酸和有机酸的种类及含量变化情况。结果表明：籽粒苋根系分泌物中氨基酸和有机酸含量随着供钾水平的升高而降低,且富钾基因型始终大于一般基因型。籽粒苋根系分泌物处理后的土壤速效钾含量均高于清水对照处理,富钾基因型在低钾胁迫时的根系分泌物对土壤钾的活化作用明显大于一般基因型。可见许多学者都在以根系分泌物为切入点开展作物不同钾效率基因型间的差异研究，并结合其对土壤钾的活化作用进行深入探讨。但香蕉作为一种喜钾材料，系统研究其主要根系分泌物变化与植株钾效率的关系，尚未见报道。为此,有必要对低钾胁迫条件下香蕉钾高效基因型和低效基因型根系分泌物及其与钾效率的关系开展研究。本研究拟通过分析有机酸、蛋白质、酚酸等香蕉根系分泌物的状况，探索不同基因型对土壤钾的活化能力，旨在明确其利用土壤钾能力与根系分泌物活化特性的关系，为后续遗传研究和品种改良、南方红壤区钾的利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试品种 本实验采用4个不同钾效率基因型香蕉[12-13]为材料，即低效基因型黎母山野生蕉和天宝蕉，高效基因型牛角蕉和广东粉蕉，种质资源由中国热带农业科学院南亚热带作物研究所提供。

1.1.2 供试营养液 供试营养液采用改良1 /2 Hoagland 营养液，营养液中钾用 K2SO4配制。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验采用水培方式进行，设0.025和2.5 mmol/L 2个钾水平，重复6次,随机区组排列。2015年8月10日沙床练苗，9月16日移栽至塑料箱水培系统中, 塑料箱长 (60 cm)×宽 (40 cm)×高 (20 cm)，每箱装40 L营养液。用泡沫板和海绵固定植株，种植行距为10 cm×10 cm，每个塑料箱都连接自动通气装置，24 h通气，1周换1次营养液，于10月26日取样收集根系分泌物。

1.2.2 根系分泌物的收集[14-15]将经过处理后的根系置入5 mg·L-1百里酚溶液中浸泡3 min后转入装有300 mL蒸馏水的棕色玻璃瓶中，每瓶植4株，重复3次。连续收集16 h后,根系分泌物经定量滤纸过滤除去脱落的根毛和杂质,将收集到的根系分泌物超低温冷冻干燥浓缩至8 mL，贮于-20 ℃下的低温度冷冻箱中，待测。同时，称取供试植株的鲜重。

1.2.3 香蕉根系分泌物种类和含量测定 根系分泌物浓缩液直接用于测定蛋白质、总酚酸和可溶性总糖含量。分别采用南京建成生物工程研究所生产的蛋白定量测试盒、植物总酚检测试剂盒和植物可溶性糖检测试剂盒进行测定。

有机酸测定:根系分泌物上 waters 组合型液相色谱仪。样品和标样的前处理：用平头注射器吸取1 mL样液，过0.45 μm水相滤膜，等待进样。流动相：磷酸氢二钾溶液(0.08 mol/L, pH 2.90)，流速：0.60 mL/min，色谱柱XbridgeC18 250 mm×4.6 mm, ID×5.0 μm，柱温：35 ℃，检测器：Waters 2487紫外检测器，时间15 min、波长215 nm。

1.2.4 根系分泌物对土壤钾的活化试验 称取风干土壤2.50 g，按1∶1.5的土液比将浓缩的香蕉根系分泌物加入到土壤中,在26 ℃的恒温培养箱中培养10 d后，测定各处理土壤中速效钾的含量。火焰光度计法测定土壤速效钾含量[16]。

1.3 数据处理

本文的结果数据为3次重复的平均值，数据进行ANOA方差分析，并用duncan法进行多重比较。所有试验数据用Excel 2003和SAS9.0统计软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 低钾胁迫对不同基因型香蕉苗期生物量的影响

从图1可以看出,在1个半月的生长时间内，低价胁迫下不同基因型香蕉苗生长差异非常明显,钾高效基因型品种分别比钾低效基因型鲜质量高出75.3 %～125.4 %，且差异均达到显著性，其中广粉鲜质量是黎母山野生蕉的2.25倍，是天宝蕉的1.89倍，说明在低钾胁迫条件下钾高效基因型具有更好的生长优势。

2.2 根系分泌物中蛋白质、可溶性糖和总酚酸含量比较

植物的根系可以向外界环境分泌大量的有机物质，以适应或改变其生长环境,从而促进植物的生长发育。在养分胁迫条件下，可增加根系分泌量，同时会产生一些特殊的根系分泌物[17]。蛋白质中的酶类参与作物防御性反应和土壤物质转化；酚酸物质是一类最为普遍的化感物质，既能使植物根系受到破坏，导致根系对离子的吸附作用降低，还能使土壤微生物类群发生改变，导致作物连作障碍[18]。因此通过研究低钾胁迫对不同钾效率基因型香蕉根系分泌物种类和含量影响，可以揭示根系分泌物与钾效率的关系。

表1表明，低钾胁迫下，钾高效基因型香蕉苗根系分泌物蛋白质含量和可溶性糖含量远高于钾低效基因型，蛋白质含量高出40 %～105 %，可溶性总糖含量高出109 %～152 %。对于总酚酸, 则是钾低效基因型含量最高，分别是高效基因型的1.7～3.3倍。将蛋白质、总酚酸和可溶性总糖含量与香蕉苗鲜质量一起分析发现，蛋白质和可溶性总糖分泌量与鲜质量变化趋势一致，都是广粉>牛角蕉>天宝蕉>黎母山野生蕉，总酚酸变化趋势正好相反。表明总酚酸、可溶性糖和蛋白质含量变化与香蕉生长密切相关，低价胁迫对香蕉幼苗生长有重要影响。经统计分析，钾高效基因型与低效基因型间3种分泌物的量差异均达极显著水平，而基因型内的2品种间的差异则不显著。

凡是有一个相同大写字母者,表示处理间差异不显著(Duncan法,P=0.01,n=4)图1 低钾胁迫对不同基因型蕉苗的整株鲜重的影响Fig.1 Effect of K deficiency on fresh mass of seedings in different banana genotypes

2.3 根系分泌物中有机酸组分和含量的差异

样品离子色谱图简单(图2),特征峰少，与标准样品比较,钾低效基因型品种仅发现3种有机酸(图2a)，分别是草酸、酒石酸和柠檬酸，钾高效基因型品种发现了4种有机酸(图2b)，分别是草酸、酒石酸、柠檬酸和琥珀酸。

表1 不同基因型香蕉苗根系分泌物中蛋白质、总糖和总酚酸含量

注：同列数据后凡是有一个大写字母相同者,表示差异不显著(Duncan s法,P=0.01,n=4)。

图中依据出峰时间分别代表草酸、酒石酸、柠檬酸和琥珀酸图2 根系分泌物中有机酸离子色谱图Fig.2 Ion chromatogram of organic acids in root exudates

表2 不同基因型香蕉苗根系分泌物中有机酸含量

注：同列数据后凡是有一个大写字母相同者,表示差异不显著(Duncan法,P=0.01,n=4)。

根据面积归一法，计算不同基因型蕉苗根系中有机酸含量(表2)。除琥珀酸外，根系分泌物中柠檬酸酸含量最高。4种基因型中，钾高效基因型柠檬酸含量最高，分别达钾低效基因型的6.3～63.3倍；酒石酸与草酸变化趋势相同，都是钾高效基因型显著高于钾低效基因型，分别达钾低效基因型的3～27倍。钾高效基因型在受到低钾胁迫时根系会比钾低效基因型多分泌出琥珀酸物质，且占总有机酸比例达17.4和24.5。从有机酸总量看，钾高效基因型根系有机酸分泌总量是低效基因型的7.5～43.8倍，这表明香蕉钾高效基因型根系有机酸的分泌能力大大强于低效基因型基因型。根系有机酸分泌量变化趋势与香蕉苗鲜质量相同。

2.4 不同钾效率香蕉基因型根系分泌物对土壤钾的活化能力差异

根系分泌物可以通过多种方式使土壤的理化性质得以改变，进而改变根际土壤中矿质元素的形态[19-20]。从表3可以看出，低钾胁迫条件下，4个基因型香蕉根系分泌物对土壤速效钾的浸出量都显著高于对照(去离子水)，分别高出对照18.3 %、28.4 %、53.9 %、60.4 %，表明4个基因型香蕉苗期根系分泌物都具有活化土壤矿物钾，增加土壤速效钾含量的作用。经显著性检验，钾高效基因型与低效基因型香蕉苗期根系分泌物活化土壤钾的能力差异达极显著，对土壤钾活化能力以广粉最强,牛角蕉次之，黎母山野生蕉最弱。根系分泌物对土壤钾的活化能力强可能是其钾高效的内在基础。

表3 不同基因型香蕉根系分泌物对土壤钾的活化作量

注：同列数据后凡是有一个大写字母相同者,表示差异不显著(Duncan法,P=0.01,n=4)。

3 讨 论

根系的分泌量是植物本身的反应特征，受外界环境和植物遗传特性的影响。矿质营养缺乏不仅会增加根分泌物的总量，并且也会影响根分泌物的组成成分及其比例[3, 6,21-23]。如缺钾会导致植物根分泌物中有机酸分泌量发生改变，缺锌会导致植物根分泌物中氨基酸、糖和有机酸之间的比例发生改变。植物根分泌物的组成及其含量也与基因型有关，如水稻不同氮效率基因型间有机酸及氨基酸的分泌不仅在总量上差异显著，而且在各组分含量上亦不相同[24]。本试验通过对低钾胁迫条件下幼苗根系分泌物的研究来探讨不同基因型香蕉钾效率差异的生理机制。通过与适钾条件下的香蕉根系分泌物对比发现，低钾胁迫导致香蕉根系分泌可溶性糖、总酚酸和有机酸的数量增加，尤其是有机酸增加迅速，且钾高效基因型的根系分泌量明显大于低效基因型;但在正常供钾条件下，两种基因型根系可溶性糖、总酚酸和有机酸的分泌量相差不大。在香蕉根分泌物中检测到3～4种有机酸,其中柠檬酸是主要有机酸，约占有机酸分泌总量的50 %以上。有机酸含量在低钾胁迫时大量增加，值得注意的是，在适钾条件下香蕉根系分泌物未检出琥珀酸，而低钾条件下只有钾高效基因型的根系分泌物中检出了琥珀酸，这与李廷轩等对低钾胁迫下籽粒苋根系分泌物中琥珀酸分泌量明显增加的研究结果相似，这可能正是高效基因型植株钾高效的一个重要原因，有待于作进一步深入研究。

植物的整个生长过程中，根系分泌物与根系对土壤养分的吸收利用关系密切。根系分泌物通过改变植物根际的pH值、氧化还原状况，或通过螯合和还原作用等来直接或间接地影响土壤养分的有效性[25-26]。本试验结果还进一步证明了香蕉根分泌物对土壤矿物钾有活化作用，且钾高效基因型香蕉苗期根系分泌物活化土壤钾的能力显著高于低效基因型，这种根系分泌物对土壤钾的高活化能力可能是其钾高效的内在原因之一。

4 结 论

低钾胁迫条件下，钾高效基因型香蕉较低效基因型具有更好的生长优势。

钾高效基因型根系蛋白质和可溶性糖的分泌能力显著高于低效基因型，且含量变化与鲜质量变化趋势一致,总酚酸变化趋势正好相反。

缺钾诱导香蕉根系大量分泌有机酸，其在根际环境有利于土壤钾活化，从而促进钾的吸收利用。香蕉钾高效基因型根系有机酸的分泌能力和活化土壤钾的能力大大强于低效基因型基因型。

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(责任编辑 李 洁)

EffectofKDeficiencyonEmergenceofRootExudatesandMobilizationofSoilPotassiuminDifferentBananaGenotypes

WU Yu-jia,ZHANG Wen, XIAO Tong-bin, FU Chuan-liang,JI Qing-mei, XIE Liang-shang*

(Institute of Agricultural Environment and Soil，Hainan Academy of Agricultural Sciences/Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation(Hainan)，Ministry of Agriculture，Hainan Haikou 571100，China)

The objective of this study was to investigate the effects of low potassium stress on banana seedling growth and root exudates, and genotypic variation of different banana in activation of Soil potassium. Vitro bathing root system was carried out to collect root exudate and test the mobilization of Soil potassium via concentrated Cryogenic refrigeration dryer, and the content of organic acids was analyzed by high performance liquid chromatography (HPLC). by using in vitro bathing root system under the condition of the water culture and low K stress. The results showed that high-efficiency genotypes grew much better than low-efficiency genotypes，Under low K stress，fresh masshigher than 75.3 %-125.4 %.Protein, total soluble sugar, total phenolic acids and organic acids in root exudates were measured. The map of iron chromatogram was relatively simple, only oxalic acid, citric acid and tartaric acid were found in root exudates of low-efficiency genotypes，but another kind of organic acid (Succinic acid)was found in root exudates of high-efficiency genotypes. Protein, total soluble sugar and organic acids of high-efficiency genotypes were Significantly higher than low efficiency genotype, and the trends was similar with fresh mass, but total phenolic acids was opposite. Root exudates from bananas, regardless of genotype, activated potassium in the soils. However, among the four Guangfen showed the strongest effect, and the differences between high-efficiency genotypes and low-efficiency genotypes were extremely significant. Under low K stress, a large number of organic substances secreted by banana, the difference between genotypes was obvious. The high-efficiency genotypes’s ability of Organic acid secretion and Soil potassium activation was much higher than the low-efficiency genotypes.

Banana; Genotype；Root exudate; Mobilization; Organic acid; K-deficiency stress

1001-4829(2017)3-0624-05

10.16213/j.cnki.scjas.2017.3.025

S668.1

A

2016-08-16

海南省自然科学基金项目 (20153097)；海南省农业科学院农业科技创新专项(CXZX201420)

吴宇佳(1982-)，女，吉林长春人，硕士研究生，副研究员，主要从事植物营养与土壤肥料研究，E-mail:wuyujia650@163.com，*为通讯作者：谢良商，E-mail:lshxie@163.com。