不同浓度钾元素对西番莲组培苗根系生长和内源激素含量的影响*

罗海斌，黄诚梅，曹辉庆，蒋胜理，吴兴剑，叶丽萍，魏源文

（1 广西作物遗传改良生物技术重点开放实验室，南宁530007）（2 广西农业科学院农产品质量安全与检测技术研究所）

西番莲（Passiflora edulis）是我国南方地区重要的经济作物，西番莲根系较浅，对水肥要求较高，西番莲自身生长所需的钾元素绝大部分靠根系从土壤中获取，根系的发育状况及其获取钾的能力在很大程度上影响西番莲的生长。目前，大量研究发现钾匮乏环境下可导致水稻、大豆、甘蔗、玉米和小麦等作物生长缓慢，根系短小，产量降低[1-5]，同时，钾也是西番莲生产过程中不可缺少的元素，钾肥的合理施用可以保障西番莲的增产[6]。

植物内源激素是影响作物生长发育的关键因子，不同内源激素协同调控植物形成层细胞和根尖分生组织细胞的分裂生长，在作物根系构建中起着重要的调控作用[7-9]。研究证实，作物钾元素含量的高低可影响作物细胞分裂素和吲哚乙酸的含量与分布，是影响根系生长分布的内在因素[10-13]。此外，钾含量的高低不仅影响内源激素的含量，而且利用激素之间的比例和动态平衡改变光合产物的分配和运输，进而调控花芽分化[14-15]。目前，对钾元素作用下西番莲性状和内源激素含量与分布影响的研究鲜有报道。

为探讨钾元素浓度对西番莲组培苗生长的影响，本试验通过设置不同浓度钾元素，筛选最适合西番莲组培苗生长的钾元素浓度，探讨钾元素对西番莲根系生长及体内内源激素含量的动态变化，以期为下一步西番莲幼苗大田移栽的营养管理提供生理依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料和处理

供试西番莲品种为黄金西番莲（黄果种），由广西作物遗传改良生物技术重点开放实验室提供，均为继代1 次的组培苗。将未出根的组培苗在促根培养基上进行促根，待根长出0.5 cm 左右时挑选生长一致的组培苗进行试验。以添加琼脂的MS 培养基（不含钾元素）为基础培养基，根据试验需要添加不同浓度的硝酸钾（KNO3）和磷酸二氢钾（KH2PO4），不同浓度钾元素处理编号依次为K1、K2、K3、K4、K5，各处理培养基钾元素浓度配方如表1 所示。将配好的培养基分装至200 mL 的玻璃瓶中，在高压灭菌锅中消毒后备用。挑选生长一致的西番莲植株，在无菌操作台接入灭菌的玻璃瓶中，每个玻璃瓶接入3 株苗，每个处理重复5 次，置于光照培养箱培养30 d 后进行各项指标测定。光照培养箱设置培养温度为26 ℃，光照强度为2 000 lx，光照时间为16 h/d。

表1 不同浓度钾元素处理

1.2 检测指标与方法

用根系扫描分析系统（GXY-A，浙江托普云农科技股份有限公司）对根系进行扫描，并对根系的总长、体积、平均直径和表面积等参数进行测量分析，采用酶联免疫分析法（ELISA 试剂盒，南京建成生物公司）测定样品中脱落酸（ABA）、吲哚乙酸（IAA）、赤霉素（GA）、细胞分裂素（CTK）和油菜素内酯（BR）含量。按照何钟佩[16]的方法处理样品：称取0.5 g 西番莲样品，用甲醇溶液（80%浓度）磨碎匀浆状态，4 ℃提取8 h，4 000g离心15 min，沉淀，用80%的甲醇重复提取3 次，合并上清液，氮气吹干，磷酸盐缓冲液（PBS）溶解定容，用于ELISA 测定。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2019 和SPSS 19 软件整理、统计数据以及作图。

2 结果与分析

2.1 不同浓度钾元素处理对西番莲组培苗根系形态的影响

由表2 可以看出，西番莲组培苗总根长、根表面积、根总体积和根尖数随着钾浓度的升高而增长，0.200 mol/L 钾浓度处理的总根长、根表面积、根总体积和根尖数均最高，分别是0.004 mol/L 钾浓度处理的2.84、5.17、11.27、3.85 倍，均差异显著，而0.500 mol/L 钾浓度处理各指标均有所下降。0.020 mol/L 钾浓度处理西番莲根直径最大，较0.004 mol/L钾浓度处理增加了107.09%，差异显著。根系形态的变化说明西番莲对钾浓度变化敏感，适当的钾浓度可以促进根系的生长，而较低的钾浓度会引起西番莲根直径变粗，但是会阻碍根系长度和根尖数的增长（图1）。

图1 不同浓度钾元素处理西番莲组培苗根系生长形态

表2 不同浓度钾元素处理西番莲组培苗根系形态

2.2 不同浓度钾元素处理对西番莲组培苗ABA 的影响

脱落酸在逆境下通过调节叶片气孔开合以及根系的吸水性保持体内的水分平衡，同时也具有拮抗赤霉素和细胞分裂素的作用。由图2 可知，不同浓度钾元素处理西番莲组培苗根系和叶片中ABA含量不一致。根系中ABA 含量随着钾浓度的升高而显著增加，0.500 mol/L 钾浓度处理根系ABA 含量为815.91 ng/g，是0.004 mol/L 钾浓度处理的1.39 倍。叶片中ABA 含量在0.004 mol/L 和0.500 mol/L 钾浓度处理较高，分别为749.72、734.27 ng/g，显著高于其他处理。

图2 不同浓度钾元素处理对西番莲组培苗ABA 含量的影响

2.3 不同浓度钾元素处理对西番莲组培苗IAA 的影响

生长素可以促进细胞生长，诱导不定根的形成。由图3 可知，0.020 mol/L 钾浓度处理根系中IAA含量最高（2 765.49 ng/g），随着钾浓度的升高显著降低，0.500 mol/L 钾浓度处理根系IAA 含量最低（1 518.92 ng/g），二者差异显著。叶片中IAA 含量变化趋势与根系不同，0.020 mol/L 钾浓度处理IAA 含量最高（1 976.33 ng/g），0.004 mol/L 钾浓度处理IAA 含量最低（1 187.91 ng/g），降低了39.89%。根系和叶片IAA/ABA 值均在0.020 mol/L 和0.200 mol/L 钾浓度处理下较高。

图3 不同浓度钾元素处理对西番莲组培苗IAA 含量和IAA/ABA 值的影响

2.4 不同浓度钾元素处理对西番莲组培苗GA 的影响

赤霉素高低影响根系的径向生长，过高的GA阻碍粗根的形成[17]。由图4 可知，0.020 mol/L 钾浓度处理根系中GA 含量最低（226.33 ng/g），0.080 mol/L 钾浓度处理根系中GA 含量最高（377.54 ng/g），较最低值增加了66.81%，之后呈显著降低的趋势。叶片中0.080 mol/L 钾浓度处理GA 含量最高（284.27 ng/g），0.500 mol/L 钾浓度处理GA 含量最低（145.86 ng/g），呈显著降低趋势。根系GA/ABA 值在0.080 mol/L 钾浓度处理下最高，然后呈下降趋势。

图4 不同浓度钾元素处理对西番莲组培苗GA 含量和GA/ABA 值的影响

2.5 不同浓度钾元素处理对西番莲组培苗CTK 的影响

细胞分裂素能促进植物中细胞质的分裂，加快细胞分裂增殖。由图5 可知，根系和叶片中CTK 含量随着钾元素浓度的升高而增加，在0.200 mol/L 钾浓度处理下根系CTK 含量达到最高值（480.59 ng/g），在0.080 mol/L 钾浓度处理下叶片CTK 含量达到最高（486.12 ng/g），随后CTK 含量开始显著下降，0.500 mol/L 钾浓度处理根系CTK 含量（346.63 ng/g）和叶片CTK 含量（274.12 ng/g）相比最高值分别下降了 27.87%和 43.61%。根系和叶片CTK/ABA 值随着钾浓度的升高而升高，在0.200 mol/L 钾浓度处理最高，在0.500 mol/L 钾浓度处理下降。

图5 不同浓度钾元素处理对西番莲组培苗CTK 含量和CTK/ABA 值的影响

2.6 不同浓度钾元素处理对西番莲组培苗BR 的影响

油菜素内酯可以提高作物的抗性，促进细胞分裂，调节植物的衰退进程。由图6 可知，提高钾元素含量，可以促进根系和叶片中油菜素内酯含量的增加。0.080 mol/L 钾浓度处理根系中BR 含量最高（4.49 ng/g），随后开始下降，在0.500 mol/L 钾浓度处理BR 含量最低（2.81 ng/g），与最高值相比下降了37.42%。叶片中BR 含量在0.200 mol/L 钾浓度处理下最高（4.32 ng/g），在0.500 mol/L 钾浓度处理下含量最低（2.57 ng/g），与最高值相比下降了40.51%。随着钾浓度升高，根系和叶片BR/ABA值也随之升高，在0.200 mol/L 钾浓度处理下最高，在0.500 mol/L 钾浓度处理下最低。

图6 不同浓度钾元素处理对西番莲组培苗BR 含量和BR/ABA 值的影响

3 讨论与结论

作物根系的生长与遗传、栽培措施、环境因子等因素息息相关，其中土壤养分是影响作物根系生长的主要影响因子，有研究发现钾元素含量过高阻碍根系的生长发育，适量的钾会促进作物根系的生长[18]，低钾处理会抑制侧根的发育、阻碍根系的生长，同时导致光合产物的运输受阻，导致生物量下降[19]。但目前钾浓度的高低对部分植物根系伸长生长的影响效应尚未得到一致的结论，Shin 等[20]认为缺钾不抑制根系的伸长生长，而Sanchez 等[21]的结果相反。张志勇等[22]研究发现，低钾环境抑制了棉花幼苗侧根的发育，侧根发生区缩短，而侧根发生密度并没有明显变化。本研究中，西番莲组培苗根系形态指标如总根长、根表面积、根总体积和根尖数随着钾元素的增加而呈上升趋势，但根直径在低钾浓度下显著增加，表明低钾抑制了根系的伸长发育，但促进了根的径向伸长。

植物生长发育除内在遗传因素的影响外，还受到诸多外界环境信号的影响，钾元素含量高低可影响植物激素的合成代谢及植物激素间动态平衡，从而影响植物的生长发育[23]。在棉花中改变钾肥的施用量可以影响内源激素的分布，促进纤维素的合成和纤维细胞的拉长[24]。有研究发现，适当的钾肥不仅影响植物根系的发育生长，同时还会改变植物体内IAA 和CTK 的含量和位置，说明钾对内源激素含量的影响很可能是影响植物根系发育和构造的潜在因素[25-26]。钾含量的缺乏则会降低根系中IAA和BR 的含量，抑制根系的生长发育[27]。ABA 含量的升高与植株衰老和块茎生长发育有密切的关系，ABA 升高抑制了蛋白质合成和光合作用速率的降低，加快植物的衰老[28]。研究发现，提高钾肥含量也会导致棉花叶片中GA3、IAA 和BR 含量升高，同时降低叶片中ABA 的含量，改变棉花叶片中GA3/ABA、BR/ABA 和IAA/ABA 值，表明内源激素的变化可影响棉花苗期植株生长发育，延缓叶片衰老[29]。本研究显示，适量地添加钾元素可提高西番莲根系和叶片中IAA、GA 和BR 的含量，并降低ABA 的含量。通过比较不同内源激素间的比值，发现在0.020 mol/L 和0.080 mol/L 钾浓度处理下叶片和根系中IAA/ABA、GA/ABA 和BR/ABA 的值升高。前人研究发现，叶片的抵抗能力与叶片中内源激素的比例密切相关，低钾胁迫下水稻叶片中IAA/ABA、BR/ABA 和GA/ABA 值明显降低。而适当增加钾含量可以提高根系中IAA 和BR 的含量，促进根系生长[30]。本研究结果与前人一致，说明适量的钾元素影响了内源激素间的含量和分布，ABA含量增加会阻碍GA 和CTK 含量的升高，进而延缓了根系的伸长，促进根直径的增粗。推测钾元素对西番莲根系生长的影响可能是通过调节植株体内内源激素含量与分布来实现的。

钾元素含量的增加不仅改变了根系的形态指标如总根长、根表面积、根总体积、根直径和根尖数，还提高了西番莲苗期根系和叶片中的IAA、GA、CTK 和BR 含量，降低了ABA 含量以及ABA/（IAA＋GA＋CTK＋BR）值，综合来看，0.200 mol/L 钾浓度处理西番莲组培苗的根系发育最好，根系较粗壮，也更有利于根系的伸长，更适合在大田移栽。