不同钾效率烟草品种钾素吸收特性及动力学特征分析

孟祥宇，梁太波*，刘 芳，余 涵，胡利伟，张艳玲，周汉平，张仕祥，尹启生*

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

2.河南省农业科学院烟草研究所，河南省许昌市魏都区青梅路与永昌大道交叉口 461000

钾是植物生长所必需的重要营养元素，可以增强植物的抗逆性，提高光合效率，维持细胞膨压，调节细胞渗透势以及60多种酶的活性［1-2］。烟草是喜钾作物，较高的钾含量可以保证烟株正常成熟落黄，提高烟叶香气质和香气量，钾含量还是烟叶品质的重要评价指标［3-5］。目前，我国部分烟区烟叶钾含量仍然偏低，特别是黄淮烟区钾肥利用效率较低，已成为限制烟叶品质提升的重要因素［6-7］。钾的养分效率可以用吸收效率和利用效率来表征，二者可从不同角度反映植物对钾的吸收能力和利用能力［8］。不同植物或同种植物的不同品种在钾的吸收、分配、转运和利用效率等方面存在很大差异［9-10］。一般认为，烟叶中的钾含量主要由品种、生态条件以及栽培技术共同决定［11］。杨铁钊等［12］认为，富钾基因型烟草较一般型烟草具有更高的钾含量、钾素吸收效率以及较低的钾素利用效率。大量研究表明［13-14］，烟草根系的吸钾功能与根系形态、生理特征（根系活跃吸收面积、根系活力、ATPase活性等）密切相关。在耐低钾品种筛选中，从根系钾吸收动力学的角度分析，认为高的最大吸收速率（Vmax）、低的米氏常数（Km）和相对较高的钾素利用效率是影响耐低钾基因型品种形成的主要原因［15-16］。目前，关于不同钾效率烟草品种的钾素营养特性差异及根系钾吸收动力学特征差异的研究鲜见报道。为此，探究了不同钾效率烟草品种在对钾吸收过程中存在的具体差异，通过根系钾吸收动力学及钾流速的方法研究了不同烟草品种的钾效率特征，以期为烟草钾素养分管理和钾高效品种的选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为10个烟草品种，其中9个烤烟品种：RG17、G28、秦烟 96、红花大金元、K326、翠碧一号、云烟87、中烟100和豫烟6号；1个白肋烟品种：鄂烟1号。种子由中国烟草遗传育种研究（北方）中心和河南省农业科学院烟草研究所提供。

1.2 试验方法

1.2.1 烟苗种植

在郑州烟草研究院温室种植烟草。采用砂培方法，基质为石英砂，营养液为1/2 Hoagland营养液。选用6叶1心时期的烟苗，育苗时间为50 d。每个品种选取20株生长一致的烟苗进行培养，培养过程中记录所用营养液的体积，3周后分别进行钾含量、根系生理指标、根系钾离子流速等的测定和根系钾吸收动力学试验。

培养3周后，每个品种选取3株生长一致的烟苗，按茎叶和根系分开，蒸馏水清洗，滤纸吸干水分。105℃杀青15 min，65℃烘干，称重后磨粉。采用 HNO3-H2O2微波消解体系进行消解［17］，利用火焰光度法测定钾含量（质量分数）［18］。钾素吸收效率用烟株钾素积累量与总施钾量的比值表示，钾素利用效率用烟株干物质积累量与烟株钾素积累量的比值表示［19］。

1.2.3 根系指标测定

采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法测定根系活力［20］，利用考马斯亮蓝G-250比色法测定根系可溶性蛋白［20］，以牛血清蛋白为标准蛋白。

1.2.4 钾离子吸收动力学参数

培养3周后，每个品种选取生长一致的6株烟苗，参照Xu等［21］、杨铁钊等［22］的溶液耗竭法，对烟苗进行3 d的饥饿处理，每天更换饥饿液1次。耗竭试验开始时，将烟苗装入含有135 mL耗竭液的黑色三角瓶中，每个品种重复6次。分别在0、1、2、3、4、5、6、9、12、24、36、48、60和72 h取2 mL耗竭液，每次取样后用超纯水补充至原体积。取样结束后，用滤纸擦干烟苗根部，称量鲜质量。采用AAnalyst 800原子吸收仪（美国PerkinElmer公司）测量耗竭液中的钾离子浓度。

处理液配制。饥饿液：0.2 mmol·L-1CaSO4，5 mmol·L-1MES，用Tris碱调节pH值至 5.7。耗竭液 ：0.4 mmol·L-1KNO3，0.2 mmol·L-1CaSO4，5 mmol·L-1MES，用Tris碱调节pH值至5.7。

参照蒋廷惠等［23］、李廷轩等［13］的方法，运用Origin软件对耗竭液浓度和耗竭时间进行拟合，得出方程：

关于未来，马国新说：“我没有什么豪言壮语，也不表什么决心，我只要扎扎实实的干好本职工作，无愧于党和人民，这就足够了。”

式中：X代表吸收时间，h；Y代表该时刻耗竭液中的钾离子浓度，μmol·L-1；a、b、c分别代表方程中的常数项、一次项系数和二次项系数。

根系钾吸收动力学参数：

1.2.5 根系钾离子流速的测定

钾离子流速测定采用NMT100 Series非损伤微测系统（美国Younger USA LLC公司）。测定钾离子流速前对拟测试植株进行3 d的钾饥饿处理［24］（饥饿液为磷酸铵和硝酸铵替代硝酸钾和磷酸二氢钾的1/2 Hoagland营养液）。每株幼苗稳定测试300 s，每个品种做6次重复，柱状图的数据为每个样品流速的平均值。测试液：0.1 mmol·L-1KNO3，0.1 mmol·L-1CaCl2，0.3 mmol·L-1MES，pH 6.0。校 正 液 I：0.05 mmol·L-1KNO3，0.1 mmol·L-1CaCl2，0.3 mmol·L-1MES，pH 6.0。校正液 II：0.5 mmol·L-1KNO3，0.1 mmol·L-1CaCl2，0.3 mmol·L-1MES，pH 6.0。

1.3 数据处理

采用DPS 7.05软件进行统计分析，多重比较采用Duncan法。利用Excel 2007和Origin 9.0软件进行数据处理和作图。

2 结果

2.1 不同烟草品种生长发育和钾素营养特性差异

2.1.1 不同烟草品种干物质积累量的差异

由表1可以看出，不同烟草品种干物质积累量存在一定的差异。红花大金元和云烟87的茎叶干物质积累量显著高于鄂烟1号和G28，其余品种差异较小。而10个品种的根系干物质积累量均不存在显著差异。品种间单株干物质积累量的差异趋势与茎叶干物质积累量基本一致，G28显著低于红花大金元、云烟87、翠碧一号和豫烟6号，K326和鄂烟1号显著低于红花大金元。在10个供试品种中，G28干物质积累量显著较低。

表1 不同烟草品种的干物质积累量①Tab.1 Dry matter accumulation of different tobacco varieties （g·株-1）

2.1.2 不同烟草品种钾素营养特性的差异

由表2可知，不同品种间茎叶钾含量变化范围为4.48%~6.91%，其中白肋烟品种鄂烟1号的钾含量最高，烤烟品种中RG17的钾含量最高，为5.94%。根系钾含量变化范围为1.81%~3.28%，变异系数略高于茎叶。茎叶与根系钾积累量的变异系数较为接近，均略低于其钾含量的变异系数。从不同部位钾积累量占总积累量的比例来看，根系的变异系数远大于茎叶，茎叶的变异系数为1.36%，说明品种间茎叶钾积累量占总积累量比例的差异较小。

2.2 不同烟草品种钾效率的评价和分类

不同烟草品种钾素吸收效率和利用效率的关系见图1。整体上，不同品种的钾素吸收效率和利用效率呈负相关，即钾素吸收效率高的品种其钾素利用效率较低，吸收效率低的品种其钾素利用效率较高。参照文献［25-26］对氮效率分类的方法，根据钾效率指标最大值和最小值的平均值，将10个烟草品种分为3种钾效率类型：高效吸收低效利用型（鄂烟1号、RG17和红花大金元）、低效吸收低效利用型（G28和K326）、低效吸收高效利用型（秦烟96、豫烟6号、云烟87、翠碧一号和中烟100），本试验中没有高效吸收高效利用的品种。

表2 不同烟草品种钾素营养指标的差异Tab.2 Potassium nutrition indicators of different tobacco varieties

图1 不同烟草品种的钾素吸收效率和利用效率Fig.1 Potassium absorption efficiency and utilization efficiency of different tobacco varieties

2.3 不同钾效率烟草品种的钾素分配及根系生理特性差异

结果（表3）表明，高效吸收低效利用型烟草的茎叶钾含量、茎叶钾积累量最高，并且根系活力和可溶性蛋白含量均高于低效吸收低效利用型和低效吸收高效利用型烟草。从低效吸收低效利用型和低效吸收高效利用型烟草的钾素分配状况来看，钾含量方面前者显著高于后者，但钾积累量方面两者无显著差异，主要与低效吸收低效利用型烟草品种的生物量较低有关。

2.4 不同钾效率烟草品种的钾离子吸收动力学特征差异

植物钾离子吸收动力学特征参数Vmax、Km、Cmin、α和β分别反映根系对溶液中钾离子的最大吸收速率、亲和能力、最低吸收浓度、综合吸收能力和耐瘠能力［23］。从表4可以看出，高效吸收低效利用型烟草的Vmax和α值均最大，较低效吸收低效利用型分别高出90.6%和215.6%，较低效吸收高效利用型分别高出36.1%和90.6%。可见，高效吸收低效利用型烟草相比于其他两种类型对钾离子具有更强的吸收能力，体现在最大吸收速率以及对离子的综合吸收能力两个方面。在钾素吸收效率均较低的情况下，钾素利用效率越高，Vmax和α值也越大，低效吸收高效利用型较低效吸收低效利用型的Vmax和α值分别高出40.0%和65.6%，而Km值下降8.6%，说明钾素利用效率的高低对不同烟草品种的钾离子吸收也会产生影响。低效吸收高效利用型烟草的Cmin、β值分别较高效吸收低效利用型下降15.7%、10.2%，较低效吸收低效利用型下降15.9%、13.1%。并且高效吸收低效利用型和低效吸收低效利用型的Cmin、β值差异较小。可见，低效吸收高效利用型烟草较其他两种类型具有更强的耐低钾能力。

表3 不同钾效率烟草的钾素分配及根系生理特性Tab.3 Potassium distribution and root physiological characteristics of tobacco varieties with different potassium efficiency

表4 不同钾效率烟草的钾离子吸收动力学参数比较Tab.4 Potassium uptake kinetic parameters of tobacco varieties with different potassium efficiency

2.5 不同钾效率烟草品种的根系钾离子流速差异

根系钾离子流速是指根系离子内外交换过程中钾离子的运动速度，可以直观反映植物根系表面钾离子的流动方向和流动速率。从图2可以看出，在本试验的测试条件下，3种钾效率类型烟草根系钾离子流速整体表现为内流，在测试过程中流速较为平稳，其中低效吸收高效利用型的个别测试点表现为外流（图2A）。内流速率依次为高效吸收低效利用型＞低效吸收低效利用型＞低效吸收高效利用型，其中高效吸收低效利用型的内流速率分别是低效吸收低效利用型和低效吸收高效利用型的3.1和23.5倍（图2B）。其中，低效吸收高效利用型的内流速率较低，主要原因是翠碧一号的流速表现为外排，其流速值为53.60 pmol·

cm-2·s-1。结合3种钾效率类型烟草的钾含量可知，随着烟株钾含量降低，钾离子内流速率呈下降趋势，这也为高钾品种的钾含量较高提供了依据。可见，根系钾离子内流速率与烟株钾素积累量存在密切关系。

图2 不同钾效率烟草根系的钾离子流速Fig.2 K+fluxes of tobacco varieties with different potassium efficiency in roots

3 讨论

一般认为，钾在植物体内的吸收、分配以及代谢利用情况是影响植物钾效率的关键，基因型的差异在钾素吸收效率和利用效率上也均有体现［12］。本试验中，按照钾效率的差异将10个烟草品种分为3类，其钾含量按照高效吸收低效利用型、低效吸收低效利用型、低效吸收高效利用型的顺序依次降低。可见，烟株钾含量与其钾素吸收效率和利用效率的综合效应有密切关系。杨铁钊等［12］认为，钾素利用效率较低的农大202和RG17烟株中钾含量较高，钾素利用效率较高的净叶黄和NC89烟株中钾含量却较低，与本试验所得的钾素吸收效率与利用效率呈现一定负相关的结果类似。本试验中，低效吸收低效利用型品种G28和K326具有较高的钾含量，但是在本试验条件下却划分到“双低效”类型中，主要原因是其生物量较低，导致钾素吸收效率明显低于其他品种，与其品种特性有关。在根系生理特性对植物钾素吸收的影响方面，有研究表明，钾高效型品种的根系更为发达、吸收面积更大、根系活力更强［12,27-28］。从本研究结果来看，高效吸收低效利用型烟草钾含量较高的重要原因是其根系活力、可溶性蛋白含量等生理指标高于低效吸收低效利用型和低效吸收高效利用型烟草。

植物体内的钾易流动，其再分配、再利用的能力很强［8］。有研究表明，耐低钾棉花基因型对钾素有更高的利用效率，与低钾敏感基因型相比，其能利用体内相对较低含量的钾生产更多的干物质［29］。从生理角度讲，钾素高效利用的条件是在植物细胞进行生理活动时对钾的需求量较低或是植物体内钾的再利用能力较强［9］。本试验中，通过比较不同钾效率烟草钾离子吸收动力学参数，发现钾素低效吸收高效利用型相比于高效吸收低效利用型和低效吸收低效利用型具有更低的Cmin和β值，而Cmin和β值越小，代表植物对钾胁迫的耐受性越强。因此，认为烟草钾素利用效率越高，对低钾胁迫的耐受性越强，此结果与李建峰［30］对不同钾效率烟草钾胁迫研究的结果相一致。利用根系钾离子吸收动力学方法测定了不同时间点耗竭液中的钾离子浓度，该结果反映的是一段时间内溶液中钾离子总量的变化，而钾离子流速反映的是测试时间内根系表面钾离子内外流动速度的矢量和。通过钾离子吸收动力学和钾离子流速相结合，分别从吸收量与吸收速度两个方面直接研究了不同钾效率烟草对钾离子吸收的差异，得出钾素高效吸收低效利用型烟草品种较低效吸收低效利用型和低效吸收高效利用型具有更高的Vmax、α值和钾离子内流速率，并认为是影响其吸收效率和钾素积累的重要原因。同时，烟草品种RG17的结果与杨铁钊等［12］的结果相一致，并验证了RG17钾含量高、钾素利用效率低是由于根系钾离子吸收速率较高的推测。

4 结论

①利用钾素吸收效率和利用效率将供试烟草分为高效吸收低效利用（鄂烟1号、RG17和红花大金元）、低效吸收低效利用（G28和K326）、低效吸收高效利用（秦烟96、豫烟6号、云烟87、翠碧一号和中烟100）3种类型。②较高的根系活力、可溶性蛋白含量和钾离子内流速率是高效吸收低效利用型烟草具有较高钾含量和钾积累量的重要原因。③与高效吸收低效利用型和低效吸收低效利用型烟草相比，低效吸收高效利用型烟草具有更低的 Cmin和β值。