薏苡耐低钾指标筛选与分析

钱 兵， 时丕彪， 彭亚民， 王 军， 费月跃， 耿安红， 王春云， 李亚芳， 郭树庆

(盐城市新洋农业试验站，江苏射阳 224049)

钾是植物生长发育所必需的大量元素之一，钾离子广泛分布于植物组织中，是植物体内含量最丰富的1价阳离子[1]。土壤钾是植物钾素最主要的来源，然而土壤缺钾以及钾肥短缺已经成为制约我国乃至世界农业生产发展的重要限制因子之一[2]。相关研究表明，不同作物或相同作物不同基因型对低钾的耐性存在着明显的基因型差异[3-6]，品系钾营养利用效率差异是可遗传的。我国植物种质资源丰富，通过常规育种和生物技术培育出钾利用效率高的优良品系，这不但在理论上是可行的，而且在生产上也具有重要意义。目前，在水稻、小麦、玉米、大豆、土豆等作物上已展开了研究[7-13]。利用和选育耐低钾的植物基因型，挖掘作物自身基因潜力，是提高钾素营养效率和缓解我国钾素资源短缺、促进生态环保型农业可持续发展的有效途径。

薏苡是我国传统的药食兼用型食品资源之一，随着人们对健康绿色食品的意识不断提高，薏苡在药食、饮品等方面的开发研究越来越广泛。近年来，有关钾高效种质资源筛选的研究采用的筛选环境有大田、土培、沙培、液培等，筛选指标有钾利用效率、钾利用指数、生物量、钾吸收动力学参数、吸钾量和钾吸收效率等。缺钾对其产量和品质均有较大影响，培育薏苡钾利用高效新品种迫在眉睫。虽然钾等大量元素对薏苡的影响已有一些研究，但有关薏苡耐低钾品系的研究等至今尚缺乏系统的报道。因此，本研究在沙培条件下，对不同品种薏苡幼苗的钾素利用效率及耐低钾能力进行比较，确定主要的筛选指标及耐低钾品种，以期为在有限钾素资源条件下充分利用薏苡遗传性状获得高产和钾素高效利用上提供理论支撑，也为生产上培育钾素高效利用薏苡新品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试薏苡品种有龙薏1号、庄河薏苡、新薏1251、新白薏1370、浦薏6号、薄壳红衣等，市场上薏苡品种资源目前不多，栽培用的多为农家种。

1.2 试验方法

1.2.1 营养液配制 化学试剂均为分析纯，用蒸馏水配制，配制溶液浓度如下所示，然后将各溶液混合成完全营养液和缺钾营养液。

完全营养液成分：5.0 mmol/L Ca(NO3)2，5.0 mmol/L KNO3，2.0 mmol/L MgSO4，1.0 mmol/L KH2PO4，0.1 mmol/L EDTA-Fe，37 μmol/L H3BO4，9.1 μmol/L MnCl2，0.32 μmol/L CuSO4，0.77 μmol/L ZnSO4，0.5 μmol/L Na2MoO4。

缺钾营养液成分：5.0 mmol/L Ca(NO3)2，5.0 mmol/L NaNO3，2.0 mmol/L MgSO4，1.0 mmol/L NaH2PO4，0.1 mmol/L EDTA-Fe，37 μmol/L H3BO4，9.1 μmol/L MnCl2，0.32 μmol/L CuSO4，0.77 μmol/L ZnSO4，0.5 μmol/L Na2MoO4。

1.2.2 试验设计 试验于2017年4月于江苏省农业科学院盐城市新洋农业试验站实验室及温室大棚内进行。将薏苡种子播种在装有约7 cm高的河沙(速效钾含量为13 mg/kg)塑料盆中(盆口长32 cm、宽25 cm，盆底长29 cm、宽21 cm，盆高10 cm，盆底有14个透气孔)，每盆200粒，每个品种种2盆，共12盆。9 d后子叶平展并进行间苗，每盆留70株。每个品种设置2个钾水平：K0(低钾，浇灌缺钾营养液，0 mmol/L)、K1(高钾，浇灌完全营养液，6.0 mmol/L)。每隔2 d分别浇灌 300 mL 相应的1/2浓度营养液，子叶平展后改为300 mL全浓度营养液，培养至第10天(3～4叶期)进行第1次取样。7 d 后(5～6叶期)进行第2次取样。各处理每次取生长状况完好、大小相同的15株幼苗，分3组，设3次重复。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生物量测定 将植株从沙中完整取出，用蒸馏水快速冲洗全部样品地上部的灰尘，并小心将根部冲洗干净。用吸水纸吸干植株表面水分，分别称取地上部和地下部鲜质量。将鲜样置70℃的烘箱内烘至恒质量，称干质量。

1.3.2 幼苗根系形态指标 用根系扫描分析系统(WinRHIZO)分析测定薏苡根系总长、根体积、根表面积、根平均直径及根尖数等指标。

1.3.3 生物含钾量测定 样品烘干称质量后，粉碎、过60目筛，用1 mol/L HCl溶液浸提5 h，振荡30 min，过滤，用火焰光度计测定滤液中钾的含量，每个处理重复3次。

1.3.4 其他指标的计算 由以上所测指标分别计算出根冠比、生物吸钾量、钾体内利用效率、钾吸收速率等其他相关指标，计算公式如下：根冠比=植株地下部干质量/植株地上部干质量；生物吸钾量=植株地上部干质量×植株地上部含钾量+植株地下部干质量×植株地下部含钾量；钾体内利用效率=整株生物量/整株吸钾量×100%；钾吸收速率=两时期生物吸钾量之差/(两时期根长之差×取样时间间隔)。

1.4 数据处理

采用SPSS 17.0和Excel 2003对试验数据进行统计分析与作表。

2 结果与分析

2.1 薏苡生物量指标及根冠比的基因型差异

由表1可以看出，3～4叶期时，施钾不能使每个品种的生物量指标和根冠比都有所升高。施钾可以显著增加龙薏1号、新白薏1370和浦薏6号的生物量，显著降低新薏1251和薄壳红衣的生物量；施钾显著增加浦薏6号的根冠比，但对其他品种的根冠比无显著影响。由表2可知，施钾能显著增加龙薏1号、庄河薏苡、新薏1251和新白薏1370的生物量，显著降低薄壳红衣的生物量，对浦薏6号的生物量影响不显著；施钾并没有对各品种的根冠比产生显著影响。低钾处理下，各品种间的生物量存在显著差异(除龙薏1号与薄壳红衣差异不显著外)，根冠比在各品种间存在一定差异。

2.2 低钾胁迫对不同品种薏苡根系形态特征的影响

根系的发育状况和活力水平在一定程度上影响着植物体内的钾营养状况，根系发达、活力强、表面积大的植物可获得更多的养分[14]。有研究认为，耐低钾优良基因型在根形态上的特征是根冠比高，根系纵向、侧向分布广泛，根数多而纤细[15]。由表3可知，3～4叶期，施钾能显著增加浦薏6号的各种根系形态指标，显著增加各品种(除新薏1251外)的总根长和根表面积，对龙薏1号、庄河薏苡、新薏1251和薄壳红衣的根平均直径与根体积影响不显著，但显著降低了薄壳红衣的根尖数。低钾处理下，总根长与根尖数在品种间存在显著差异(除新薏1251和庄河薏苡的根尖数差异不显著外)，新薏1251的根表面积、根体积均显著高于其他品种。

表1 薏苡3～4叶期生物量和根冠比的基因型差异

注：同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下表同。

表2 薏苡5～6叶期生物量和根冠比的基因型差异

表3 3～4叶期单株根系各筛选指标的基因型差异

5～6叶期，施钾显著增加了龙薏1号和庄河薏苡的总根长、根表面积与根尖数，显著降低了新薏1251的各根系形态指标及新白薏1370的总根长、根表面积、根尖数，钾处理能使浦薏6号和薄壳红衣的各种根系形态指标发生相同程度的变化，如显著降低总根长，显著增加根体积和根尖数，对根表面积和根平均直径影响不显著。低钾处理下，总根长与根尖数在品种间存在显著性差异，新薏1251的根表面积、平均直径和体积均显著高于除新白薏1370外的其他品种(表4)。

表4 5～6叶期根系各筛选指标的基因型差异

2.3 生物指标在不同苗龄的基因型比较

筛选耐低钾薏苡基因型的生物指标可分为含钾量、吸钾量和钾体内利用效率。从表5可以看出，在不同苗龄施钾均能显著增加各品种的生物含钾量和生物吸钾量，且显著降低它们的钾体内利用效率。3～4叶期时，在低钾处理下，新薏1251的生物含钾量和生物吸钾量均显著高于其他品种，钾体内利用效率显著低于其他品种。5～6叶期时，在低钾处理下，生物含钾量和生物吸钾量在品种间存在一定的差异，新薏1251的钾体内利用效率最大，达到72.035%。

表5 不同苗龄各生物指标的基因型差异

2.4 筛选指标的变异比较

由表6可知，3～4叶期，在低钾处理下，生物吸钾量的变异系数最大，达到55.023%，生物含钾量的次之，为40.078%，根表面积、根体积和根尖数的变异系数均在30%左右，其他指标(根平均直径除外)的变异系数都分布在20%左右；在高钾处理下，地下部干质量的变异系数最大，达到30.146%，根冠比和根尖数在20%左右，其他指标的变异程度相近，均集中在10%左右。而5～6叶期，高钾处理下筛选指标变异系数的变化规律与低钾处理基本一致。可见，3～4叶期各筛选指标在2种钾浓度处理下的变异系数不尽相同，其中，生物吸钾量和生物含钾量适合作为筛选指标进行薏苡资源材料的耐低钾特性分析。

2.5 钾吸收速率的基因型差异与变异比较

钾吸收速率反映一定时间内吸钾量与根系长度增长量比值的大小，可作为筛选耐低钾基因型的重要指标。由表7可以看出，低钾处理下，钾吸收速率在6个品种间存在显著性差异(除龙薏1号与浦薏6号外)。钾吸收速率的变异系数较大，在低钾处理下达到 59.601%，在高钾处理下达到44.558%。通过与以上所测指标的变异系数相比较可知，低钾处理下钾吸收速率的变异系数最大，也就是说，筛选耐低钾薏苡基因型首选的指标应为钾吸收速率。

表6 不同苗龄各筛选指标的变异系数 %

表7 薏苡幼苗钾吸收速率的基因型差异

2.6 低钾胁迫对3～4叶期各筛选指标间相关性的影响

由表8可以看出，3～4叶期，在低钾处理下，生物吸钾量和生物含钾量呈极显著正相关关系，并且它们都与钾体内利用效率呈极显著负相关关系，生物量、根冠比、总根长、根表面积和根尖数均与生物吸钾量的相关性不大。

5～6叶期(表9)，在低钾处理下，生物量、生物含钾量都与生物吸钾量呈极显著正相关关系，生物量、总根长都与生物含钾量呈显著正相关关系，生物吸钾量、生物含钾量都与钾体内利用效率呈极显著负相关关系，生物量与钾体内利用效率呈显著负相关关系。各种指标与根冠比的相关系数均不大。

表8 3～4叶期低钾条件下各单项指标的相关系数

注：*、**分别表示在0.05、0.01水平上差异显著、极显著。表9同。

表9 5～6叶期低钾条件下各单项指标的相关系数

3 结论与讨论

3.1 3～4叶期为筛选耐低钾薏苡基因型的最佳时期

基因型变异程度是衡量筛选苗龄是否适宜的重要依据，变异程度大，说明该苗龄有利于基因型差异的显示。低钾处理下，3～4叶期生物吸钾量的变异系数约为55%，5～6叶期则下降到20%左右，其变异系数下降程度大于其他各指标。可见，薏苡苗期耐低钾基因型筛选的适宜苗龄为3～4叶期。

3.2 薏苡耐低钾基因型的最佳筛选指标是钾吸收速率，其次是生物吸钾量和生物含钾量

在幼苗生长期，生物量是检验植物耐低钾能力高低的常规指标，根系形态学指标可作为筛选耐低钾植物品种的参考指标，其他的重要筛选指标还包括生物吸钾量、钾体内利用效率、生物含钾量、相对生物量和钾吸收速率等。Sánchez-Calderón等认为，缺钾能对根系生长产生抑制作用，通过钾肥的施用，钾素控制了吲哚乙酸氧化酶的活性，提高了吲哚乙酸的含量，促进了根系的生长[16]。Shin等认为，缺钾不抑制根系的伸长生长，却显著降低了侧根数和侧根分布密度[17]。实际上，很多文献报道缺钾会抑制主根伸长生长[18]，但能促进根毛生长[19]。钾是一种在植物体内可移动的元素，根系吸收后转运至植物体的其他部位，对植物正常生理功能的进行起着一定调控作用，从而对植物相关指标产生影响。当然，不同试验条件和试验持续时间也可能导致试验结论不一致。

笔者认为，生物量并非筛选耐低钾基因型的最佳指标。通过变异比较发现，3～4叶期薏苡钾吸收速率的变异系数最大，生物吸钾量和生物含钾量次之。而变异系数越大，说明该指标越灵敏，因此可认为最佳的筛选指标是钾吸收速率，其次是生物吸钾量和生物含钾量。