低镁胁迫对马铃薯试管苗碳水化合物积累和分配的影响

袁剑龙，杨丽丽，王玉萍，2，王瑞新，张绍梅，周晓洁，余 斌，张 峰

(1.甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室，甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070；2. 甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070)

镁作为维持植物正常生长发育所必需的营养元素，不仅影响植物体内光合产物从源器官到库器官的运输，而且还调节碳水化合物在不同器官间的分配[1-2]。镁是叶绿素分子结构的中心原子，参与植物体内叶绿素的生物合成[3-4]。缺镁时，植物体内的叶绿素含量降低，影响植株的光合作用，导致光合产物减少，同时引起大量碳水化合物在叶中积累，尤其是蔗糖和淀粉，引发光合作用反馈调节，使得植物光合速率下降，碳固定减少[5-7]；缺镁还导致植物源器官(叶)光合产物的韧皮部输出受抑制，这种抑制作用不仅减少碳水化合物从叶向库器官(根和种子、块茎等)的转运，还会影响库器官的大小和数量[8]。由于镁是可移动元素，植物苗期吸收的镁含量基本决定了植株中镁的最终含量，苗期光合作用形成的碳水化合物向根系的运输决定了根系的发育和形态建成，所以苗期的镁浓度水平对植株的生长发育非常关键[9]。

马铃薯(SolanumtuberosumL.)源、库器官界定明显，源器官主要是叶片，库器官主要为块茎(微型薯)，试管苗在整个生长发育过程中，源、库器官间碳水化合物的分配和调节直接决定微型薯的产量和品质。马铃薯是须根系植物，根系在苗期形成后几乎没有变化。根系是植物从外界摄取镁的主要器官[10]，根系的形态建成是由植株地上部分输送的碳水化合物和根系吸收的水分与养分共同调节的。植物苗期通过光合作用合成的碳水化合物很大程度上都分配给了根系，碳水化合物在地上部分与根系间协调分配是植株正常生长发育的基础[11]。镁对马铃薯试管苗碳水化合物积累和分配特性以及根系的形态建成的影响与微型薯的形成紧密相关。通过阐明马铃薯试管苗苗期镁稳态水平下植株碳水化合物积累、分配特点和规律以及对根系形态建成的影响，可以为马铃薯试管苗微繁提供施肥依据。

马铃薯试管苗繁殖作为微型薯繁育的主要生产过程，其生长状况直接影响微型薯种薯的品质，较早生根且健壮的试管苗能够吸收更多的养分诱导出高质量的微型薯。马铃薯试管苗苗期的根系形成后，光合作用将继续影响微型薯的碳水化合物积累，微型薯的生物量可以作为衡量其品质的主要指标，而苗期地上部分碳水化合物的积累量可直接影响微型薯生物量的形成。本研究以马铃薯栽培品种的试管苗为试验材料，研究不同低镁浓度胁迫下叶绿素含量、碳水化合物积累与分配机制，探讨碳水化合物分配的改变对根系形态建成的影响，为马铃薯试管苗的健壮生长提供微肥的施用依据，为优质微型薯的生产奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料选用马铃薯栽培品种“大西洋”试管苗，由甘肃省干旱生境作物学重点实验室提供。

1.2 试验方法

1.2.1 培养基的配制 采用MS培养基为基础培养基，进行液体培养，共设置4个镁浓度处理，分别为T1(0 μmol·L-1)、T2(188 μmol·L-1)、T3(375 μmol·L-1)、T4(750 μmol·L-1)，以普通MS培养基的正常镁浓度(1 500 μmol·L-1)为对照(CK)。培养基配方见表1。实验所用药品均为分析纯。

1.2.2 材料培养 将长势良好、整齐一致的“大西洋”试管苗接种于5个镁浓度处理培养基，每个浓度5瓶，每瓶5株，3次重复。培养温度20±2℃，光照强度2 000 lx，光照时间16 h·d-1，培养20 d后进行各项指标的测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生理指标测定

(1)叶绿素含量测定：取第2、3、4片完全展开叶用丙酮提取法测定[11]。

(2)糖类含量测定：可溶性糖和淀粉的测定采用蒽酮比色法。蔗糖测定参照薛应龙的方法[12]。果糖测定采用钼酸铵法。

(3)鲜重、干重测定和根冠比的计算：将马铃薯试管苗用清水冲洗干净，根系和地上部分分开，分别测定根系和地上部分的鲜重；然后80℃杀青90 min，65℃恒温烘干，分别测定其干重。根冠比=根系干重/地上部分干重。

1.3.2 根系形态指标测定 将马铃薯试管苗根系剪下，清水冲洗干净，根系扫描分析仪对根系进行扫描，利用WinRHIZO软件定量分析总根长、根表面积、平均根直径、根体积和侧根数。

表1 各处理培养基的成分Table 1 Components of different culture media

1.4 数据处理

试验设3次重复，所有数据以平均值±标准误表示。数据采用SPSS19.0数据分析软件进行统计分析。数据间的比较采用方差分析(ANOVA)，以Duncan法检测差异显著性，显著水平P<0.05。

2 结果与分析

2.1 低镁胁迫对马铃薯试管苗叶绿素含量的影响

为明确低镁水平对试管苗叶绿素的影响，对不同低镁浓度胁迫下马铃薯试管苗叶绿素含量进行测定。结果显示(表2)，马铃薯试管苗的叶绿素、Chla和Chlb含量随镁浓度升高而增加。缺镁处理(T1)马铃薯试管苗的叶绿素、Chla 和Chlb含量均最低，分别为0.634、0.471 mg·g-1和0.163 mg·g-1，叶绿素、Chla和Chlb含量均在高镁水平处理(对照)达到最大值，是T1处理的1.73、1.69、1.86倍，差异均达显著水平。T1处理时Chla/ Chlb值最高，为2.89，对照最低，为2.63。

表2 低镁胁迫对马铃薯试管苗叶绿素含量的影响Table 2 The effects of low-Mg2+ concentration on chlorophyll content of potato plantlet in vitro

注：数值后不同字母表示处理间在P<0.05下存在显著差异，下同。

Note: Values followed by different letters mean significant difference atP<0.05 between treatments, the same as below

2.2 低镁胁迫对马铃薯试管苗碳水化合物含量的影响

为探究低镁胁迫对马铃薯试管苗碳水化合物积累的影响，测定了不同低镁水平下试管苗的淀粉、蔗糖、果糖和可溶性糖含量。结果表明(表3)，马铃薯试管苗茎叶中，淀粉、蔗糖、果糖和可溶性糖含量均在T1处理下最大，分别为22.257、0.042、5.03 mg·g-1和17.26 mg·g-1，并且均显著高于对照；淀粉含量随镁浓度升高而降低，T1处理的淀粉含量与T2处理无显著差异，显著高于T3、T4处理和对照，分别是T3、T4处理和对照的1.6、1.7、2.4倍，对照淀粉含量最低，为9.243 mg·g-1；蔗糖含量在T4处理最低，为0.016 mg·g-1，是T1处理的38.1%，与T2、T3处理和对照差异不显著；果糖含量随镁浓度升高而降低，对照达到最低值，为2.029 mg·g-1，分别是T1、T2、T3和T4处理的40.3%、54.1%、58.5%和64%，与T4处理差异不显著；可溶性糖含量在T1、T2、T3和T4处理间无显著差异，均显著高于对照，对照含量最低，为12.782 mg·g-1，分别是T1、T2、T3和T4处理的74.1%、77.5%、77.4%和75.8%。在马铃薯试管苗根系中，淀粉含量在T1处理最低，为5.852 mg·g-1，分别是T2、T3、T4处理和对照的70.1%、80.3%、87%和67.2%，对照淀粉含量最高，为8.713 mg·g-1，淀粉含量在T2、T3和T4处理随镁浓度升高而降低；蔗糖、果糖和可溶性糖含量均在T1处理最大，分别为0.025、5.509 mg·g-1和23.232 mg·g-1；蔗糖含量变化与茎叶中完全一致，T1处理的蔗糖含量分别是T2、T3、T4处理和对照处理的1.19、1.22、1.23倍和1.13倍；果糖含量变化与茎叶中基本相同，随镁浓度升高呈现降低的趋势，其含量在T3处理时最小，为2.667 mg·g-1，是T1处理的48.4%，与T4处理和对照差异不显著；可溶性糖含量最低的是对照，为10.533 mg·g-1，分别是T1、T2、T3和T4处理的45.3%、64.2%、85.2%、67.6%，与T3处理无显著差异。

表3 低镁胁迫对马铃薯试管苗淀粉、蔗糖、果糖和可溶性糖含量的影响/(mg·g-1)Table 3 The effects of low-Mg2+ concentration on starch, sucrose,fructose and soluble sugar content of potato plantlet in vitro

2.3 低镁胁迫对马铃薯试管苗根冠比的影响

为阐明镁与马铃薯试管苗根冠比的关系，测定了不同低镁浓度下马铃薯试管苗根冠比。结果显示(表4)，马铃薯试管苗地上部分的鲜重和干重在T1处理时均降低为最低值，分别为112.33、12.85 g·株-1，为对照的47.2%和64.5%，与T2处理差异不显著。随着镁浓度升高，马铃薯试管苗地上部分的鲜重和干重呈增加趋势，T4处理的鲜重和干重均达最大值，分别为255.57、21.81 g·株-1，与对照无显著差异。马铃薯试管苗根系的鲜重和干重均在T1处理时为最小值，分别是2.25、0.11 g·株-1，为对照的13.4%和2.2%，与T2、T3、T4处理和对照差异显著。马铃薯试管苗的根冠比在T1处理时为0.91，随着镁浓度升高，根冠比显著增大，T2、T3、T4处理和对照的根冠比分别是T1处理的25、28、27倍和28倍。

表4 低镁胁迫对马铃薯试管苗鲜重、干重和根冠比的影响Table 4 The effects of low-Mg2+ concentration on fresh weight, dry weight and root/shoot ratio of potato plantlet in vitro

2.4 低镁胁迫对马铃薯试管苗根系形态的影响

对不同低镁浓度下马铃薯试管苗根系形态进行观察，并对形态指标进行定量分析。结果(图1，表5)表明，马铃薯试管苗的总根长、根表面积、根体积和侧根数均在T1处理时为最小值，分别为对照的36.1%、45.9%、17.6%和10.1%，显著低于T2、T3、T4处理和对照；而平均根直径在T1处理最大，为0.54 mm，与T2、T3、T4处理和对照差异显著。T2、T3和T4处理的马铃薯试管苗的总根长、根表面积、平均根直径以及根体积与对照差异不显著，侧根数却显著增加，T2、T3和T4处理的侧根数分别是对照的1.7、1.8倍和2.4倍。

表5 低镁胁迫对马铃薯试管苗根系形态的影响Table 5 The effects of low-Mg2+concentration on root morphology of potato plantlet in vitro

图1 低镁胁迫下马铃薯试管苗形态(A,T1处理; B,T2处理; C,T3处理; D,T4处理; E,CK)Fig.1 The effects of low-Mg2+ concentration on morphology of potato plantlet in vitro (A, T1; B, T2; C, T3; D, T4; E, CK)

2.5 马铃薯试管苗碳水化合物含量与镁浓度相关性分析

对马铃薯试管苗的淀粉、果糖和可溶性糖含量与镁浓度的相关性进行分析，结果显示(图2)，马铃薯试管苗茎叶中的淀粉、果糖和可溶性糖含量与镁浓度均呈显著负相关。

3 讨论与结论

马铃薯试管苗是进行微型薯生产的基础，其生长发育状况直接关系到微型薯的产量和品质。较早生根、长势良好的试管苗能诱导出高产优质的微型薯。镁不仅参与植物光合产物的合成、运输和分配，还影响根系的形态建成，与植物长势紧密相关。在植物体内，镁是叶绿素的组成成分，还参与镁螯合酶的激活[13]，而叶绿素的合成需要该酶催化，在完全缺镁状态下，马铃薯试管苗的叶绿素、Chla和Chlb含量均为最低，Chla/ Chlb值最高，表明缺镁不利于合成Chlb，而Chlb合成影响植株的捕光能力，同时缺镁还会导致植物体内依赖Mg2+的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(RuBPcase)活性受到抑制[14]，引起植株CO2固定反应下降，光合速率降低，最终造成植株光合产物合成减少。镁还参与激活植物体内磷酸化酶、磷酸激酶和焦磷酸酶等光合产物合成与运输过程中的关键酶，在完全缺镁时，这些酶不能被激活，碳水化合物无法正常运输，仅有的淀粉和蔗糖在茎叶中大量积累，向根部输送的碳水化合物减少，马铃薯试管苗的总根长、根表面积、根体积和侧根数减少，根系不能形成足够的有效吸收面积，植株根冠比降低，根系系统不能建成有效的形态，无法从外界摄取充足营养满足植株正常生长和发育的需要。植株叶中糖类高浓度积累还会抑制编码叶绿素a(Chla)和叶绿素b(Chlb)蛋白的Cab2基因的表达，引起植株体内叶绿素含量下降[15]。缺镁时，老叶中蔗糖输出不受抑制，是植株运输碳水化合物到根系的最主要途径。14C蔗糖标记也表明，蔗糖在植株顶叶大量积累是由于蔗糖从顶叶运出被抑制而引起的[16]，分子水平的分析显示缺镁会诱导编码伴胞中蔗糖/H+转运体的BvSUT1基因在顶叶上调表达，但韧皮部的蔗糖装载量并未增加，表明它的蔗糖装载可能存在缺陷[17-18]。马铃薯试管苗淀粉和蔗糖在顶叶积累的原因可能就是缺镁导致的韧皮部蔗糖装载缺陷。镁还与ATP相互作用，产生质子流为蔗糖转运提供能量[19]。这说明缺镁时，除试管苗光合效率下降导致碳水化合物合成减少外，运输途径受阻也是试管苗根系无法获取足够营养并建成正常根系形态的原因。低镁水平和高镁水平下马铃薯试管苗植株的叶绿素、Chla和Chlb含量升高，Chla/ Chlb值降低，光合产物合成增多，根系的生长显著增加，尤其是侧根，植株的根冠比升高；其次，低镁胁迫(约1/2对照水平)和高镁水平(对照)时马铃薯试管苗的碳水化合物运输恢复正常，最终植株能够运输较多碳水化合物用于根系的形态建成，低镁胁迫(约1/2对照水平)下马铃薯试管苗根系侧根数高于正常镁水平，可能是马铃薯试管苗对低镁胁迫的一种适应性反应，通过增加根系侧根来吸收更多的镁和其他营养，低营养条件下侧根发生发育高于高营养条件的现象在其它植物响应低养分胁迫时也普遍存在[20]。植物在低镁水平时，合成尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)所需酶无法被激活[21-22]，影响蔗糖合成，造成果糖含量较高，说明多糖的合成过程还没有完全恢复，同时植物体内与碳水化合物代谢有关的磷酸化酶、磷酸激酶和焦磷酸酶活性受到抑制[23]，碳水化合物的转化和再利用较少，造成可溶性糖积累。高镁水平(正常)下马铃薯试管苗合成蔗糖的途径得到恢复，果糖含量降低，同时可溶性糖的代谢也恢复正常，含量减少。

图2 马铃薯试管苗碳水化合物含量与镁浓度的相关性Fig.2 The correlation analysis between carbohydrates and Mg2+ level of potato plantlet in vitro

因此，缺镁会使马铃薯试管苗的叶绿素含量降低，严重影响光合产物合成和碳水化合物的积累与分配，使植株的根冠比降低，抑制植株生长；低镁胁迫(约1/2对照水平)下马铃薯试管苗叶绿素含量增加，光合效率提高，同时促使碳水化合物向根系运输，根冠比增大，促进根系的形态建成，与正常镁水平(对照)下马铃薯试管苗指标的变化差异不大，适宜于马铃薯试管苗的生长，为微型薯的生产提供良好条件。