氯化钾对干旱胁迫下马铃薯根系生理及形态的影响

张舒涵，张俊莲，王 文，李朝周*

(1.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070；3.甘肃农垦条山集团，甘肃 白银 730400)

根系是联系土壤与植物地上部之间物质能量交换的重要桥梁[1]，是植物吸水的主要器官，也是感受水分胁迫信号并进行传递的重要器官[2]。土壤水分状况直接影响根系的生长分布、生理特性、形态特征以及吸水能力[3]。根系的生长发育过程具有自我调节性[4]，土壤缺水时，植物首先进行基因表达上的调整，然后调整代谢途径和方向，改变碳同化产物的分配比例和方向，进而改变根系形态和分布以适应环境胁迫[5]。干旱胁迫下，适宜的养分供应能促进植物根系形态的“优化”，向着有利于增加土壤中的吸收面积以及接触位点的方向进行，从而提高对土壤养分和水分的利用[6]。这也可以看作是一种应对水分亏缺的“开源”策略[7]。

钾是植物生长发育的必需元素，在作物体中呈离子态且含量较高。具有高度的渗透性、流动性和可再利用的特点[8]。钾可通过渗透调节和气孔调节来提高作物的水分利用率(WUE)。K+作为最重要的渗透基质，一方面维持植物组织的膨压，另一方面通过改变保卫细胞渗透势而调节气孔运动，减少水分散失[9]。此外，干旱诱导产生根源信号物质脱落酸(ABA)，通过木质部运输到叶片保卫细胞中调控气孔开闭的过程亦需要K+的参与[10]。目前人们对钾素营养在改变植物根系形态方面的研究结果不太一致[11-13]，因为植物根系的发生和生长还受到诸如植物内源激素等多方面因素的调控[14-15]。

位于甘肃中部地区的景泰县是全省18个干旱县之一，马铃薯是当地重要的粮食作物和经济作物，其生长过程常受到土壤水分亏缺的影响。马铃薯属喜钾作物，目前干旱地区马铃薯钾素营养研究多集中在地上茎、叶分配，块茎品质及产量上，而最先感受到土壤水分亏缺的根系是如何对钾素营养作出响应的机理却鲜见报道。本试验采用增施钾肥的方法，研究不同供钾水平对干旱胁迫下马铃薯根系抗性生理及形态建成的影响，旨在为干旱地区马铃薯合理施用钾肥及根系生长调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

普通农用马铃薯(SolanumtuberosumL.)，品种大西洋(甘肃省景泰县条山农场提供)。

1.2 试验区概况

试验于2016年在甘肃省景泰县条山集团马铃薯种植基地(37°11′N，104°03′E)进行。景泰县属温带干旱型大陆气候，基地年均降水量为193.72 mm。该区土壤类型为灰钙土，土壤含有机质13.06 g/kg、全N 0.63 g/kg、碱解N 14.5 mg/kg、有效P 41.34 mg/kg、速效K 213 mg/kg、pH值为8.03。

1.3 试验方法

试验设2个干旱胁迫处理和1个正常灌溉(对照)，其中正常灌溉表示为W(“正常”，土壤含水量保持在32%左右)，轻度干旱胁迫表示为D1(“轻旱”，土壤含水量保持在14%左右)，中度干旱胁迫表示为D2(“中旱”，土壤含水量保持在9.5%左右)，直到生长发育周期结束。所施钾肥为氯化钾(KCl)，用量(以K2O计)分别为：C1(1.2 g/株)、C2(2.4 g/株)、C3(3.6 g/株)、C4(4.8 g/株)、C5(6.0 g/株)，另设不施肥处理为空白对照(CK)。采用全膜覆盖单垄双行定植，小区面积4 m×6 m=24 m2，株距30 cm，每垄行距40 cm，垄宽20 cm，播种密度约为56 250株/hm2，于4月28日覆膜，4月30日种植。

氮肥和磷肥于播种前一次性施入，用量分别为N 210 kg/hm2,P2O5105 kg/hm2；所用氮肥为尿素(N 46%)，磷肥为过磷酸钙(P2O512%)。马铃薯进入幼苗期20 d后，于当日9:00～11:00一次性于根系周围土壤中均匀追施氯化钾。各处理氮、磷用量一致。

采用常规大田管理方法，通过滴灌及土壤水分检测系统自动检测、补水，将土壤含水量控制在设定范围。

1.4 取材与指标测定

1.4.1 根系生理指标

施肥处理21 d后，尽量完整地挖出马铃薯植株，用剪刀将根系剪下，带回实验室测定各生理指标。

根系含水量的测定采用烘干法；根系活力的测定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法。

过氧化氢酶(CAT)活性测定采用紫外吸收法；过氧化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚法；超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑(NBT)法；丙二醛(MDA)含量的测定采用硫代巴比妥酸(TBA)法；超氧阴离子产生速率的测定采用羟胺氧化法。

1.4.2 根系形态指标

于收获前15 d，尽量完整地挖出马铃薯植株，用剪刀将根系剪下，先用自来水冲洗2～3次，再用蒸馏水冲洗2次，用滤纸擦干表面水分，对根系相关形态指标进行测定。先用数字化扫描仪Epson Scanner对各处理的根系分别进行扫描，扫描完成后用加拿大产Win-RHIZOTM2008a根系图像分析软件对扫描后的根系图像进行形态指标分析，根系形态指标取根系总长度、根直径、总表面积、总体积和根尖数。

1.4.3 生物量和薯重

生物量的测定：收获时尽量完整地挖出马铃薯植株，先用自来水冲洗去除泥垢，再将植株从茎基部剪下，获得完整的地上部分和根；105℃杀青30 min，75℃烘干至恒重(精确至0.01 g)，分别记录地上、地下部分生物量。

根冠比=地下部根系生物量/地上部生物量

薯重的测定：收获时用电子天平称量单株总薯重。

1.5 数据处理

采用Excel 2003进行数据处理和作图，采用SPSS 17.0进行数据分析和差异显著性检验，不同英文小写字母表示处理间差异达显著水平(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 增施氯化钾对干旱胁迫下马铃薯根系含水量和根系活力的影响

根系是作物直接感受土壤水分信号和吸收土壤水分的器官。由图1A可以看出，随着土壤干旱胁迫程度的加深，马铃薯根系含水量呈下降趋势。增施钾肥有助于缓解马铃薯根系的缺水状况，不同干旱程度下均以C3处理效果最佳，轻旱、中旱下分别较同水分CK显著提高6.31%、5.93%(P<0.05)。

图1 增施氯化钾对干旱胁迫下马铃薯根系含水量和根系活力的影响

根系活力在低钾肥用量处理下表现为中旱>对照>轻旱；高钾肥用量处理下则表现为轻旱>对照>中旱；干旱胁迫下适量的钾肥施入提高了根系活力，轻旱、中旱下均以C2处理活性最高，分别较同水分CK显著提高了91.11%、38.89%(P<0.05)。中旱下C5处理根系活力较CK显著降低31.48%(P<0.05)(图1B)。

2.2 增施氯化钾对干旱胁迫下马铃薯地上和地下部分干重的影响

由表1可以看出，干旱胁迫下，马铃薯地上部分干重表现为对照>轻旱>中旱。水分亏缺导致马铃薯地上部分生长发育减弱，增施钾肥提高了地上部分干重，轻旱、中旱下分别以C3、C2处理最为显著，分别较同水分CK提高37.35%、41.54%(P<0.05)。马铃薯地下部分干重表现为轻旱>中旱，中旱C4、C5处理下马铃薯地下部分干重较对照有所降低，整体上看，水分亏缺促进了马铃薯地下部分的发育。增施钾肥亦提高了地下部分干重，且轻旱、中旱下分别以C3、C2处理最为显著，分别较同水分CK提高35.36%、44.51%(P<0.05)(表1)。

表1 增施氯化钾对干旱胁迫下马铃薯地上和地下部分干重的影响 (g/株)

注:同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.3 增施氯化钾对干旱胁迫下马铃薯根冠比和薯重的影响

根冠比反映了根系与地上部生长的协调状况，是在环境因素作用下，植物体内通过一系列自我适应与调节过程后最终反映出的综合性指标。根冠比受地下、地上部分生长状况的共同作用。由表2可以看出，干旱胁迫下，马铃薯根冠比增大，且轻旱>中旱；增施钾肥对轻旱、中旱下马铃薯根冠比的作用效果并不显著(P﹥0.05)。

土壤水分亏缺最终导致马铃薯薯重降低，中旱下较轻旱降幅更为明显。增施钾肥有效提高了马铃薯单株产量，轻旱、中旱下均以C3处理效果最佳，分别较同水分CK增产29.99%、31.09%(P<0.05)(表2)。

表2 增施氯化钾对干旱胁迫下马铃薯根冠比和薯重的影响

2.4 增施氯化钾对干旱胁迫下马铃薯根系抗氧化酶活性的影响

SOD是抵御活性氧自由基介导的氧化损伤的第一道防线，其主要功能是催化超氧阴离子自由基发生歧化反应，生成H2O2和O2；CAT和POD作用于抗氧化保护的第二步，主要清除不同细胞定位的H2O2。本试验结果显示，干旱胁迫下，马铃薯根系3种抗氧化酶活性均有不同程度的提高(图2A～C)。整体上看，低钾肥用量处理下，CAT和SOD活性表现为中旱>轻旱，随钾肥用量的进一步增加，两种酶活性表现为轻旱>中旱。且轻旱、中旱下均分别以C3、 C2处理活性最高。POD活性随干旱胁迫程度的加深而增强。中旱POD活性除在C1处理下低于轻旱外，之后随钾肥用量的增加一直高于轻旱，且以C3处理活性最高，较CK高出64.90%(P<0.05)(图2A)；中旱下C5处理根系CAT、SOD活性较CK分别下降28.62%、7.98%。

图2 增施氯化钾对干旱胁迫下马铃薯根系抗氧化酶活性的影响

2.5 增施氯化钾对干旱胁迫下马铃薯根系超氧阴离子产生速率和丙二醛含量的影响

干旱胁迫会打破植物细胞内自由基产生和消除的平衡导致自由基积累，从而导致脂质过氧化增强。MDA是脂质过氧化的最终产物，其含量可以反映脂质过氧化程度。随干旱胁迫程度的加深，马铃薯根系超氧阴离子产生速率和MDA含量也随之升高(图3 A、B)。C1处理下超氧阴离子产生速率有所增加，C2处理下超氧阴离子产生速率降低，且中旱下降幅显著，较CK降低29.91%(P<0.05)。此后随钾肥用量的增加，其作用效果逐渐减弱，至C5处理时超氧阴离子产生速率达到峰值，轻旱、中旱下分别较同水分CK显著增加49.18%，28.04%(P<0.05)。总体上看，除C5处理外，各梯度钾肥处理下MDA含量均低于CK，轻旱、中旱下分别以C3、C2处理降幅显著，分别较同水分CK降低37.81%、29.87%(P<0.05)。干旱胁迫下，整个处理超氧阴离子产生速率和MDA含量变化趋势较接近，说明二者之间从产生上可能存在着某种联系。总而言之，在一定用量范围施用钾肥可有效降低干旱逆境下因自由基积累而造成的氧化损伤。

图3 增施氯化钾对干旱胁迫下马铃薯根系超氧阴离子产生速率和丙二醛含量的影响

2.6 增施氯化钾对干旱胁迫下马铃薯根系形态指标的影响

干旱胁迫下，马铃薯根系总长度增加(图4A)。低钾肥用量处理下，根系总长度表现为中旱>轻旱，中旱下C1、C2处理总根长分别较CK增加12.95%、7.04%；随着钾肥用量的进一步增加，中旱下总根长逐渐减小，而轻旱下总根长显著增加。高钾肥用量处理下，根系总长度表现为轻旱>中旱，轻旱下C4处理总根长较CK显著增加20.74%(P<0.05)。中旱下C5处理总根长较CK减少10.75%(P<0.05)。

各钾肥处理下马铃薯根体积表现为轻旱>中旱(图4B)。轻旱下C3处理根体积较CK显著增大47.58%(P<0.05)；中旱下C2处理根体积较CK显著增大52.01%(P<0.05)；中旱下根体积在高钾肥用量处理下增幅显著减小，但C5处理下仍较CK高出8.95%(P﹥0.05)。

马铃薯根直径因水分亏缺程度的不同而表现出较大差异(图4C)。低钾肥用量处理下，根直径表现为轻旱>对照>中旱；轻旱、中旱下均以C3处理为峰值，分别较同水分CK显著增加28.67%、23.39%(P<0.05)。随钾肥用量的进一步增加，根直径表现为对照>轻旱>中旱；轻旱下根直径对高钾肥用量较为敏感，C4、C5处理下增幅显著减小，C5处理下略低于CK，但始终高于中旱。

整体上看，各处理下马铃薯根系总表面积表现出轻旱>中旱(C1除外)(图4D)；轻旱下C2处理根表面积较CK显著增加16.80%(P<0.05)，C5处理下较CK略有降低。中旱下C1处理根表面积较CK显著增加19.88%(P<0.05)，C3处理根表面积增幅最小，但仍较CK增加2.19%(P﹥0.05)。

干旱胁迫下，马铃薯根尖数增多(图4E)。低钾肥用量处理下，根尖数表现为中旱>轻旱，中旱下C1、C2处理根尖数分别较CK增加3.78%、2.52%(P﹥0.05)；随着钾肥用量的增加，中旱下根尖数减少并趋于稳定，而轻旱下根尖数显著增加，表现为轻旱>中旱，但轻旱下各钾肥处理根尖数始终低于CK。C3处理下，轻旱、中旱根尖数降幅最为显著，分别较同水分CK减少5.74%、9.10%(P<0.05)。

图4 增施氯化钾对干旱胁迫下马铃薯根系形态指标的影响

3 小结与讨论

活性氧损伤机理之一在于它能够启动膜脂过氧化或膜脂脱酯作用，从而破坏膜结构。但它同时也可作为信号分子来激发植物的胁迫响应和保护性反应[16]。本试验中，低钾作用下，伴随3种保护酶活性的增强，根系超氧阴离子产生速率和MDA含量呈下降趋势，说明低钾处理下马铃薯根系保护酶系统具有积极的防御性反应，清除自由基及活性氧的能力较强；但随着钾肥用量的增加，保护酶系统防御功能不断增强的趋势逐渐减弱，尤其是中旱C5处理下CAT、SOD活性均低于CK，而与此相对应的是，同水分状况下根系超氧阴离子产生速率和MDA含量较CK相比显著上升，此时高钾的施入又作为另一种胁迫因素而导致植物体内水分平衡失调，保护酶系统调节能力减弱，进而导致活性氧代谢失调，膜脂过氧化作用加剧。刘碧容等[17]研究表明，MDA含量与超氧阴离子产生速率之间存在相关性，MDA的积累能在一定程度上反映植物体内自由基活动的状态，MDA生成越多，·OH和O2·-等自由基亦可能处于较高水平。本试验中，超氧阴离子产生速率和MDA含量亦表现出相似的变化趋势(图3)。有研究表明，POD的作用具有双重性[18-19]，一方面，它可作为细胞活性氧保护酶系统的成员之一，清除H2O2，表现为“保护效应”；另一方面，POD还参与活性氧的生成、叶绿素的降解,并引发膜脂过氧化作用,表现为“伤害效应”,是植物体衰老到一定阶段的产物。本试验中，高钾处理下，中旱CAT、SOD活性呈逐渐下降趋势，而POD活性则保持在一个相对稳定的、较高的范围内；这也可能与中旱、高钾的环境胁迫下细胞功能失常有关。

干旱胁迫下，植物的根系形态和生长发育状况会因作物类型[7,20-21]、生育时期、生长年限[22]、品种[20]等的差异而表现出不同的变化趋势。本试验结果表明，根系形态亦受土壤水分亏缺程度(或土壤含水量)的影响，且轻旱下根系生理活性较中旱更为稳定。整体上看，轻旱下马铃薯根冠比、根直径、根体积和根表面积均大于中旱，这说明轻度水分胁迫下，植物生长中心向根系转移，有利于根系的扩大，从而增加水分的吸收，这可能是植物应对外界环境变化的一种主动适应性机制。安玉艳等[23]研究指出，适度干旱胁迫下植物会调整光合同化物在根冠间的分配，即优先向根系分配，促进根系生长，增大根冠比，进而提高其对干旱条件的适应能力，同时启动抗逆生理。

中旱下各处理根直径均小于轻旱和对照。细根有利于降低根系的吸水阻力[24]，马铃薯植株通过促进其细根的发育来提高对土壤贮水的利用。此外，细根能有效地吸收和固定养分以供地上部分生长的需要。中旱下总根长和根尖数随着钾肥用量的增加表现出一种相似的、“低钾促进,高钾抑制”的趋势，结合中旱下根系活力的变化趋势，低钾处理下根系的代谢功能增强，诱发了大量侧根的生长，故而根尖数增多，总根长亦显著增加，而高钾处理下，马铃薯根系代谢活动相对减弱，加之较重的土壤水分亏缺，可能给根系造成了双重胁迫，根系生长活跃性降低，根尖数减小。当然，这一下降趋势也可能与高钾下根系水分利用效率的提高有关，研究表明，干旱条件下，钾与作物的水分关系主要体现在对作物水分利用率(WUE)的提高上[9]。钾离子提高马铃薯植株WUE可体现在以下两个方面：一方面，钾通过调节气孔运动来控制蒸腾失水[25]；另一方面，马铃薯属喜钾作物，植物吸钾量高时，根细胞的渗透势降低，增加了土-根界面的水势梯度，从而增强了根系的吸水能力[26]，根系水分利用效率增加，缺水状况得到缓解。因此，根系无需以消耗地上部分光合产物为代价来刺激自身的生长。马铃薯通过主动调整自身地上部和根系的干物质分配(如根冠比)和形态变化来应对逆境或与碳骨架的消耗，这种自身干物质的过度消耗亦有可能导致产量的下降[22]。

马铃薯属喜钾作物，充足钾素营养能促进叶绿素的合成和稳定，改善叶绿体结构，提高光合速率[12]并影响光合产物的合成和运输，进而影响马铃薯的品质以及产量的高低。研究表明，不论何种土壤类型，增施钾肥都能有效增加马铃薯块茎产量[27-28]。本试验中，不同干旱胁迫程度下钾肥的施用都能有效提高马铃薯产量，但过高钾肥用量下其增产效应减弱，因此肥料的施用应适量,同时注意钾素营养要和其他营养配合使用，平衡施肥才更有利于马铃薯产量的提高。

植物体吸收K+的能力并不是无限的。植物体内存在K+吸收的反馈调节系统，能根据体内K+浓度调节K+的吸收速率，使植物体内K+浓度维持在一个较小的范围内[29]。本试验结果说明，钾对干旱逆境下马铃薯根系的生理、形态发育以及抗旱性均有一定程度的调控作用，但不同钾肥施用量的作用效果不同。总体上表现为中、低钾肥用量更有利于根系生长，而高钾肥用量下作用减弱甚至抑制根系生长，此外，结合土壤水分状况来看，轻旱下马铃薯根系比中旱下更能适应高钾环境。因此钾肥的施入应充分结合当地土壤水分状况，此外，还应考虑到土壤自身的钾素水平、作物特点和需求，适量施用并制定合理的施入时期。