‘商薯19’静置水培营养液的筛选与内源激素分析

王永江，王 爽，乔 奇，田雨婷

（河南省农业科学院植物保护研究所/农业农村部华北南部作物有害生物综合治理重点实验室，郑州 450002）

0 引言

甘薯(Ipomoea batatasLam.)是中国重要粮食作物和效益型经济作物，中国的甘薯产量和种植面积均居世界首位[1-2]。‘商薯19’是以‘SL-01’为母本，‘豫薯7号’为父本杂交选育而成的兼用型品种，在2014年第四届“天豫杯”全国甘薯高产竞赛中获特等奖，鲜薯产量达5190 kg，干薯产量达1826.88 kg，是目前在中国种植面积最大的甘薯品种[3]。病毒病危害可引起甘薯种性退化、产量降低、严重威胁甘薯生产[4-5]，种植脱毒甘薯是防治病毒病的主要措施之一[6-8]。目前脱毒甘薯苗主要采用组培室内切段快繁方法，存在成本高、工序繁杂等问题，影响脱毒甘薯的推广应用[9-10]。研究探索甘薯脱毒苗的水培快繁方法对于构建植物工厂、进行工厂化育苗、提高种植效益具有重要参考价值。植物激素不仅调控植物生长发育[11]，而且对外界病毒等多种生物[12-13]和非生物[14-15]胁迫具有重要防御调控作用，在农业生产中具有重要的应用价值。水培种植是目前中国推广越来越广泛的设施栽培方式之一[16]，适宜的营养液配方是建立水培体系的关键因素[17-19]。甘薯水培最早于20世纪80年代开始，当时美国国家航空航天局为了解决太空航行中密闭环境下的植物生产进行甘薯水培研究[20]。在营养元素筛选研究方面，李润根等[21]对‘台农71’菜用甘薯水培营养液配方进行筛选，发现华南农大A配方营养液为最适营养液。覃华勇等[22]对‘湘菜2号’、‘47129’、‘福薯10号’和‘CY-14’等4个菜用甘薯品种进行水培营养液配方研究，发现日本田园配方为菜用甘薯最适宜的水培营养液配方，霍格兰营养液配方次之，‘湘菜2号’、‘47129’与‘福薯10号’、‘CY-14’相比更适合水培生产。周雅倩等[23]对4个观赏甘薯品种进行了水培营养液筛选研究，发现玛格瑞特和卡罗琳紫品种的最适营养液为1/2倍循环水生菜

营养液，卡罗琳铜和三色薯最适营养液为1/2霍格兰营养液，MS营养液不适合用于上述品种的水培。罗林会等[19]筛选出脱毒甘薯组培苗水培适宜营养液为霍格兰营养液。周全卢等[10]以‘西成薯007’脱毒苗为材料，建立了流动式水培快繁体系，发现改良MS营养液(MA)优于MS营养液。在水培甘薯与土壤栽培差异研究方面，陈选阳等[24]对叶菜型甘薯茎尖营养品质与硝酸盐含量进行研究，结果发现，与土壤栽培相比，水培可增加甘薯Vc、黄酮和硝酸盐含量，蛋白质含量没有显著变化；同时发现，水培营养液中增加硝态氮会提高叶菜型甘薯硝酸盐含量，适量铵态氮可减缓硝酸盐含量的增加，而酰胺态氮可以降低硝酸盐含量。植物激素在甘薯生长发育中具有重要调控作用。目前水培甘薯激素的研究还未见报道。由于不同甘薯品种对营养液有不同的要求[10,18]，有必要对中国主栽甘薯品种‘商薯19’适宜的水培营养液进行研究。本研究在前人研究的基础上，采用静置水培方式，通过设置不同培养液的不同浓度处理，调查水培条件下甘薯苗的生长指标，期望筛选出‘商薯19’脱毒苗水培最适营养液。同时拟对水培甘薯植株与土壤栽培甘薯植株叶片中的激素种类及差异进行研究，了解水培条件下甘薯植株激素种类及其变化情况。明确‘商薯19’脱毒苗最适水培营养液以及水培对内源激素的影响，为建立植物工厂、‘商薯19’脱毒苗水培快繁体系、降低脱毒苗成本、促进脱毒苗应用、提高甘薯生产效益、利用激素进行生长发育调控等生产研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料及设备

1.1.1 水培材料及设备 植物材料为‘商薯19’脱毒苗，株高5 cm。水培设置为塑料托盘和泡沫漂浮板，塑料托盘长36 cm，宽6 cm，厚0.3 cm；漂浮板为厚1 cm的泡沫板，自行剪切成30 cm的方形定植板，每隔3 cm打一个定植孔，参考罗林会等[18]已报道的设备。试验于2016年3月—2018年9月在河南省农业科学院植物保护研究所完成。

1.1.2 植物激素检测材料及设备 植物材料为常规培养的‘商薯19’脱毒苗和水培培养的‘商薯19’脱毒苗。试剂有：超纯水、乙腈、甲醇、甲酸、相应的色谱纯试剂、Waters固相萃取小柱等。所需的标准物质：水杨酸(SA)、吲哚乙酸(IAA)、茉莉酸(JA)、吲哚丙酸(IPA)、脱落酸(ABA)、4-氯-吲哚乙酸(4-Cl-IAA)、赤霉素 3(GA3)、利波腺苷(2-iPA)、赤霉素7(GA7)、玉米素(cZ)、赤霉素4(GA4)、6-糠氨基嘌呤(6-KT)、反玉米素(tZ)、吲哚丁酸(IBA)、反玉米素核苷(tZR)、N6-异戊烯基腺嘌呤(2-iP)等。所需仪器设备有：分析天平、超声波清洗器、0.45µm微膜过滤器、震荡混匀器、超高效液相色谱-三重四极杆串联质谱仪(AB公司QTrap6500)等。

1.2 水培营养液及处理设置

参考前人研究结果[10,22-23]，以循环水生菜营养液配方(Ⅰ)、霍格兰营养液配方(Ⅱ)和MS营养液配方(Ⅲ)营养液中大量元素剂量设置1/4、1/2、1倍剂量共9种处理（表1），设清水培养为对照处理。所有溶液配制均用静置1天后的清水配制。每种营养元素先配成母液，随后稀释成最终工作浓度。用梅特勒pH计(Mettler-FE20)测量pH，用NaCl或NaOH的0.5 M溶液调节pH至6.5。每个培养盘放4 L培养液。每个处理重复3次，每次种植甘薯10株，共30株。培养条件温度(26±2)℃，光照16 h，黑暗8 h。

表1 营养液大量元素用量

各种营养液微量元素为通用配方[18]：H3BO33 mg/L，MnSO4·4H2O 1.5 mg/L，ZnSO4·7H2O 0.2 mg/L，CuSO4·5H2O 0.1 mg/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.03 mg/L，Na2Fe-EDTA20 mg/L。

1.3 生长指标测定及方法

1.3.1 生根情况调查 在水培5天和20天时，用直尺测量每株甘薯最大根长。

1.3.2 鲜根重测量 水培20天时，摘取每株所有根，用卫生纸吸干鲜根水分，放置电子称上，称取每株鲜根重。

1.3.3 鲜根体积测量 水培20天时，把称量后的每株鲜根迅速放入盛有一定量清水中的量筒中，读取溶液差，计算出每株根的体积。

1.3.4 茎长情况调查 在水培养第20天时，用直尺测量每株茎长，统计每株平均茎长。

1.3.5 叶绿素含量调查 采用叶绿素测量仪器(Chlorophyll mete SPAD-502 Plus)分别在第 1、5、10、15、20天测定水培苗叶绿素相对含量(SPAD)，每株测定全部叶片叶绿素含量，计算每株平均叶绿素含量相对值。

1.4 水培苗移栽成活率调查

在水培苗水培20天后，随机剪切携带3～4叶片的茎段进行基质中扦插移栽，混合基质配方（珍珠岩:蛭石:草炭土=1:1:1），温度和光照同1.2。移栽扦插15天后调查成活株数，统计成活率。

1.5 激素含量检测

根据已报导甘薯激素检测的采样方法[25-27]采样。以常规种植为对照，分别取对照和水培培养甘薯3株顶部第4片叶，以混合样作为检测样品。随后利用超高效液相色谱-三重四极杆质谱技术（AB公司QTrap6500）进行16种激素检测，参考已报到的方法[28-29]进行激素检测。液相色谱条件为：色谱柱：BEH C18色谱柱(2.1×100 mm，1.8µm)流动相：0.1%甲酸水溶液（溶剂A），乙腈（溶剂B），梯度洗脱，流速0.25 mL/min，进样量：5µL，柱温：40℃。质谱条件为：电喷雾电离源(ESI)，正负离子电离模式。离子源温度500℃，离子源电压5500～4500 V，气帘气30 psi，雾化气和辅助气均为50 psi。样品中激素含量计算见式(1)。

1.6 数据处理及分析

借助Excel进行数据整理及图表绘制，并采用DPS 7.05(SPSS 20.0)统计分析软件进行方差分析及Ducan新复极差法多重比较分析。激素数据通过AB Analyst化学工作站和Excel软件进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 不同营养液对‘商薯19’脱毒苗生根茎的影响

调查结果显示（表2），水培5天时1/2Ⅱ处理营养液中最大根长达11 cm，平均根长7.93 cm，最大根长和平均根长均为最高值。Ⅱ处理营养液中最大根长10.3 cm，平均根长6.83 cm；Ⅰ处理营养液中最大根长8.5 cm，平均根长6.28 cm；1/2Ⅰ处理营养液中最大根长9.5 cm，平均根长为7.38 cm；1/2Ⅲ处理营养液中最大根长9.5 cm，平均根长7 cm；1/4Ⅰ处理营养液中最大根长9 cm，平均根长6.48 cm；1/4Ⅱ处理营养液中最大根长9 cm，平均根长6.28 cm。1/2Ⅱ、Ⅱ、1/2Ⅰ、Ⅰ、1/2Ⅲ、1/4Ⅰ、1/4Ⅱ处理之间平均根长差异不显著，但与清水对照差异显著。水培20天时，最大根长为Ⅱ和1/2Ⅱ处理营养液，均为35.5 cm，其次1/2Ⅲ处理为34.3 cm。Ⅱ处理营养液平均根长为31.44 cm，1/2Ⅱ处理平均根长31.39 cm；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、1/2Ⅰ、1/2Ⅱ、1/2Ⅲ处理之间平均根长差异不显著。

表2 不同营养液中‘商薯19’的生长情况比较

鲜根重调查结果表明（表2），平均鲜根重最大的为1/2Ⅱ处理营养液为7.32 g，其次是1/2Ⅰ处理为6.91 g/株，2个营养液的差异不显著。Ⅱ处理的为6.03 g、Ⅰ处理为5.43 g、Ⅲ处理为5.11 g、1/2Ⅲ处理为5.5 g、1/4 Ⅰ处理为5.10 g、1/4Ⅱ处理为5.67 g，该6个处理之间的平均鲜根重差异不显著。

鲜根体积调查结果显示（表2），水培20天，平均鲜根体积最大为1/2Ⅱ处理营养液为6.83 mL，其次为1/2Ⅰ处理营养液为6.5 mL，2个处理平均鲜根体积数值之间差异不显著。清水对照平均鲜根体积为4.33 mL，数值最小。

茎长调查结果显示（表2），1/2Ⅱ处理的最大茎长16.5 cm，茎长最长。Ⅱ处理最大茎长16.2 cm，Ⅲ处理最大茎长15 cm，Ⅰ处理最大茎长13.5 cm，1/2Ⅰ处理最大茎长为14.7 cm，1/2Ⅲ处理最大茎长为15.2 cm。平均最大茎长中，1/2Ⅱ处理为13.93 cm，数值最大，其次Ⅱ处理为13.5 cm，1/2Ⅰ处理为13.1 cm，1/2Ⅲ处理为13.06 cm，Ⅲ处理为12.41 cm，该5个处理间平均茎长差异不显著。

2.2 不同营养液对‘商薯19’脱毒苗叶绿素的影响

叶绿素调查结果表明（表3），‘商薯19’脱毒苗水培1天时叶绿素含量值在39左右，各个处理之间差异不显著。水培5天，叶绿素相对含量平均值最大为1/2Ⅰ处理营养液，为37.97，其次1/2Ⅱ处理营养液的为37.36，另外1/2Ⅲ处理营养液的为37.25，3个配方处理之间叶绿素含量平均值差异不显著。水培10天，1/2Ⅱ处理营养液平均叶绿素相对含量值最高为46.53，Ⅰ处理为45.3、Ⅱ处理为45.53、1/2Ⅰ处理45.74，该4个处理之间叶绿素相对含量平均值差异不显著。水培15天时，Ⅱ处理中平均叶绿素含量值最高为48.24，其次1/2Ⅱ为48.08；其中1/2Ⅰ、1/2Ⅱ、Ⅰ、Ⅱ这4个处理的平均叶绿素含量值之间差异不显著。水培20天，Ⅱ处理中平均叶绿素含量值最大为48.41，其次1/2Ⅱ的为47.75，Ⅰ处理的为47.45，这3个配方营养液处理的叶绿素含量平均值之间差异不显著。表3结果显示，叶绿素含量平均值除清水对照外，随着培养时间的增加，呈现先降低后升高再降低现象，即第5天调查时降低，10、15天调查时升高，第20天调查时又降低。SPAD值为叶绿素含量的相对比较值，SPAD值高表明叶片叶绿素含量高，有利于提高光合作用强度和养分积累，甘薯的生长速度较快。

表3 不同营养液中‘商薯19’叶片绿素含量及方差分析平均值 SPAD

2.3 激素检测结果

检测结果显示，在甘薯植株中检测到11种激素，其中含量较多的有5种激素，分别为ABA、4-Cl-IAA、SA、JA、IAA。与对照植株相比，ABA、SA、IAA和2-iPA激素含量降低，其中ABA对照甘薯植株叶片含量131.868 ng/g，水培植株叶片为37.756 ng/g；IAA对照植株叶片含量16.251 ng/g，水培植株叶片中含量7.859 ng/g，这2种激素含量分别降低了71.37%和51.64%。另外，4-Cl-IAA、JA等含量增加，其中JA对照植株叶片含量12.044 ng/g，水培植株叶片含量为39.948 ng/g，增加了231.68%。详细见表4。

表4 植物激素检测结果

2.4 水培甘薯移栽成活情况调查

15天后，调查结果表明，移栽50棵，成活48棵，移栽成活率为96%。

3 结论与讨论

本研究对栽培面积最大的甘薯品种‘商薯19’进行水培培养基的筛选优化，并首次研究了甘薯水培与常规栽培相比甘薯叶片激素种类和含量的变化，为进一步研究奠定基础。

试验结果表明‘商薯19’脱毒苗，水培20天时，1倍霍格兰培养液中植株平均叶绿素含量值最大为48.41，1/2霍格兰营养液配方叶绿素相对含量为47.75，2个处理间叶绿素相对含量平均值差异不显著。培养20天，1/2霍格兰营养液中平均每株茎长13.93 cm，霍格兰营养液平均每株茎长13.50 cm，2个处理的平均茎长数据之间差异不显著。在1/2霍格兰营养液中，植株的根长、根体积、平均鲜根重、平均茎长均最好，‘商薯19’脱毒苗水培最适营养液配方为1/2霍格兰营养液配方。

霍格兰营养液配方作为水培营养液中经典配方，已广泛应用于不同植物的营养液的的筛选研究中[30-32]。如戚冰洁等[32]水培条件下利用1/4倍霍格兰营养液生根，1/2倍霍格兰营养液进行甘薯苗复壮培养研究外源氯元素对甘薯苗胁迫影响。Grant等[33]利用1/2倍霍格兰营养液研究块根养分成分与溶液营养成分的关系。周雅倩等[23]研究发现‘卡罗琳铜’和‘三色薯’2种观赏甘薯最适营养液为1/2霍格兰营养液。另外，覃华勇等[22]筛选出日本田园配方为菜用甘薯最适水培配方。周雅倩等[23]研究发现‘玛格瑞特’和‘卡罗琳紫’观赏甘薯最适营养液为1/2倍循环水生菜营养液。因此，不同甘薯品种，水培的适宜培养基差异比较大，应根据不同品种筛选适宜的培养基。

本研究采用水培法避免了常规超净工作台上无菌操作组培的复杂程序[10]，所用营养液无需高温灭菌、添加凝固物等，降低了培养苗的成本。通过研究首次确立了‘商薯19’水培适宜营养液，为进一步研究提供参考。本研究初步确立了营养液配方，而有关‘商薯19’水培甘薯快繁研究，如最佳快繁茎段、培养时间、移栽最适环境等问题有待进一步研究确认。

本研究首次利用超高效液相色谱-三重四极杆质谱技术对常规栽培和水培栽培的‘商薯19’植株叶片进行16种激素检测，结果检测出11种激素。11种激素中茉莉酸、吲哚乙酸和脱落酸含量变化比较大。与对照相比，水培植株叶片中茉莉酸含量增加了231.68%，ABA含量降低了71.37%，IAA降低了51.64%，结果可能与水培有关。有关研究表明，茉莉酸和脱落酸可参与植物的抗病和抗旱信号传导[12]。在甘薯激素研究中，目前主要集中在激素对地上部和地下部块根生长发育的影响方面[27,33]，但同一激素在不同条件下对甘薯的影响存在差异，如张海燕等[33]研究发现在干旱胁迫下地上部干重与叶片IAA、GA、ZR含量呈正相关，与ABA呈负相关，地下部干重与块根中IAA、GA、ZR含量呈正相关，与ABA含量呈负相关。王庆美等[27]研究发现块根干重与块根ABA、ZR等激素含量呈正相关，与IAA、GA4、iPA无明显的相关性。由于激素作用含量影响因素较多，本研究只是初步研究水培条件下植株叶片激素含量的种类和变化，而水培条件下植物激素的分布规律、调控途径以及内源激素和外源植物生长调节物质对植株的作用影响等需要进一步研究。

随着植物工厂在农业研究中的广泛应用，植物的水培将会对农业带来革命性变化。如杨其长等[34]研究

出在植物工厂下，60天成熟的水稻，把大田环境120天成熟的水稻生长周期缩短了一半，为作物育种提供参考。本研究初步筛选了最大甘薯品种‘商薯19’的水培营养液和甘薯叶片内源激素种类及变化情况，其结果可为甘薯设施农业、建立甘薯植物工厂[33]、降低脱毒苗成本[10]、提高甘薯营养物质含量[16-17,24]和利用激素调控甘薯生长发育[9,35]、抗病抗逆[11]等进一步研究提供参考。