張舒涵，張俊蓮，王 文，李朝周*

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)墾條山集團，甘肅 白銀 730400)

根系是聯(lián)系土壤與植物地上部之間物質(zhì)能量交換的重要橋梁[1]，是植物吸水的主要器官，也是感受水分脅迫信號并進(jìn)行傳遞的重要器官[2]。土壤水分狀況直接影響根系的生長分布、生理特性、形態(tài)特征以及吸水能力[3]。根系的生長發(fā)育過程具有自我調(diào)節(jié)性[4]，土壤缺水時，植物首先進(jìn)行基因表達(dá)上的調(diào)整，然后調(diào)整代謝途徑和方向，改變碳同化產(chǎn)物的分配比例和方向，進(jìn)而改變根系形態(tài)和分布以適應(yīng)環(huán)境脅迫[5]。干旱脅迫下，適宜的養(yǎng)分供應(yīng)能促進(jìn)植物根系形態(tài)的“優(yōu)化”，向著有利于增加土壤中的吸收面積以及接觸位點的方向進(jìn)行，從而提高對土壤養(yǎng)分和水分的利用[6]。這也可以看作是一種應(yīng)對水分虧缺的“開源”策略[7]。

鉀是植物生長發(fā)育的必需元素，在作物體中呈離子態(tài)且含量較高。具有高度的滲透性、流動性和可再利用的特點[8]。鉀可通過滲透調(diào)節(jié)和氣孔調(diào)節(jié)來提高作物的水分利用率(WUE)。K+作為最重要的滲透基質(zhì)，一方面維持植物組織的膨壓，另一方面通過改變保衛(wèi)細(xì)胞滲透勢而調(diào)節(jié)氣孔運動，減少水分散失[9]。此外，干旱誘導(dǎo)產(chǎn)生根源信號物質(zhì)脫落酸(ABA)，通過木質(zhì)部運輸?shù)饺~片保衛(wèi)細(xì)胞中調(diào)控氣孔開閉的過程亦需要K+的參與[10]。目前人們對鉀素營養(yǎng)在改變植物根系形態(tài)方面的研究結(jié)果不太一致[11-13]，因為植物根系的發(fā)生和生長還受到諸如植物內(nèi)源激素等多方面因素的調(diào)控[14-15]。

位于甘肅中部地區(qū)的景泰縣是全省18個干旱縣之一，馬鈴薯是當(dāng)?shù)刂匾募Z食作物和經(jīng)濟作物，其生長過程常受到土壤水分虧缺的影響。馬鈴薯屬喜鉀作物，目前干旱地區(qū)馬鈴薯鉀素營養(yǎng)研究多集中在地上莖、葉分配，塊莖品質(zhì)及產(chǎn)量上，而最先感受到土壤水分虧缺的根系是如何對鉀素營養(yǎng)作出響應(yīng)的機理卻鮮見報道。本試驗采用增施鉀肥的方法，研究不同供鉀水平對干旱脅迫下馬鈴薯根系抗性生理及形態(tài)建成的影響，旨在為干旱地區(qū)馬鈴薯合理施用鉀肥及根系生長調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

普通農(nóng)用馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)，品種大西洋(甘肅省景泰縣條山農(nóng)場提供)。

1.2 試驗區(qū)概況

試驗于2016年在甘肅省景泰縣條山集團馬鈴薯種植基地(37°11′N，104°03′E)進(jìn)行。景泰縣屬溫帶干旱型大陸氣候，基地年均降水量為193.72 mm。該區(qū)土壤類型為灰鈣土，土壤含有機質(zhì)13.06 g/kg、全N 0.63 g/kg、堿解N 14.5 mg/kg、有效P 41.34 mg/kg、速效K 213 mg/kg、pH值為8.03。

1.3 試驗方法

試驗設(shè)2個干旱脅迫處理和1個正常灌溉(對照)，其中正常灌溉表示為W(“正常”，土壤含水量保持在32%左右)，輕度干旱脅迫表示為D1(“輕旱”，土壤含水量保持在14%左右)，中度干旱脅迫表示為D2(“中旱”，土壤含水量保持在9.5%左右)，直到生長發(fā)育周期結(jié)束。所施鉀肥為氯化鉀(KCl)，用量(以K2O計)分別為：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)，另設(shè)不施肥處理為空白對照(CK)。采用全膜覆蓋單壟雙行定植，小區(qū)面積4 m×6 m=24 m2，株距30 cm，每壟行距40 cm，壟寬20 cm，播種密度約為56 250株/hm2，于4月28日覆膜，4月30日種植。

氮肥和磷肥于播種前一次性施入，用量分別為N 210 kg/hm2,P2O5105 kg/hm2；所用氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O512%)。馬鈴薯進(jìn)入幼苗期20 d后，于當(dāng)日9:00～11:00一次性于根系周圍土壤中均勻追施氯化鉀。各處理氮、磷用量一致。

采用常規(guī)大田管理方法，通過滴灌及土壤水分檢測系統(tǒng)自動檢測、補水，將土壤含水量控制在設(shè)定范圍。

1.4 取材與指標(biāo)測定

1.4.1 根系生理指標(biāo)

施肥處理21 d后，盡量完整地挖出馬鈴薯植株，用剪刀將根系剪下，帶回實驗室測定各生理指標(biāo)。

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

過氧化氫酶(CAT)活性測定采用紫外吸收法；過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創(chuàng)木酚法；超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍(lán)四唑(NBT)法；丙二醛(MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸(TBA)法；超氧陰離子產(chǎn)生速率的測定采用羥胺氧化法。

1.4.2 根系形態(tài)指標(biāo)

于收獲前15 d，盡量完整地挖出馬鈴薯植株，用剪刀將根系剪下，先用自來水沖洗2～3次，再用蒸餾水沖洗2次，用濾紙擦干表面水分，對根系相關(guān)形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行測定。先用數(shù)字化掃描儀Epson Scanner對各處理的根系分別進(jìn)行掃描，掃描完成后用加拿大產(chǎn)Win-RHIZOTM2008a根系圖像分析軟件對掃描后的根系圖像進(jìn)行形態(tài)指標(biāo)分析，根系形態(tài)指標(biāo)取根系總長度、根直徑、總表面積、總體積和根尖數(shù)。

1.4.3 生物量和薯重

生物量的測定：收獲時盡量完整地挖出馬鈴薯植株，先用自來水沖洗去除泥垢，再將植株從莖基部剪下，獲得完整的地上部分和根；105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重(精確至0.01 g)，分別記錄地上、地下部分生物量。

根冠比=地下部根系生物量/地上部生物量

薯重的測定：收獲時用電子天平稱量單株總薯重。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和差異顯著性檢驗，不同英文小寫字母表示處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 增施氯化鉀對干旱脅迫下馬鈴薯根系含水量和根系活力的影響

根系是作物直接感受土壤水分信號和吸收土壤水分的器官。由圖1A可以看出，隨著土壤干旱脅迫程度的加深，馬鈴薯根系含水量呈下降趨勢。增施鉀肥有助于緩解馬鈴薯根系的缺水狀況，不同干旱程度下均以C3處理效果最佳，輕旱、中旱下分別較同水分CK顯著提高6.31%、5.93%(P<0.05)。

圖1 增施氯化鉀對干旱脅迫下馬鈴薯根系含水量和根系活力的影響

根系活力在低鉀肥用量處理下表現(xiàn)為中旱>對照>輕旱；高鉀肥用量處理下則表現(xiàn)為輕旱>對照>中旱；干旱脅迫下適量的鉀肥施入提高了根系活力，輕旱、中旱下均以C2處理活性最高，分別較同水分CK顯著提高了91.11%、38.89%(P<0.05)。中旱下C5處理根系活力較CK顯著降低31.48%(P<0.05)(圖1B)。

2.2 增施氯化鉀對干旱脅迫下馬鈴薯地上和地下部分干重的影響

由表1可以看出，干旱脅迫下，馬鈴薯地上部分干重表現(xiàn)為對照>輕旱>中旱。水分虧缺導(dǎo)致馬鈴薯地上部分生長發(fā)育減弱，增施鉀肥提高了地上部分干重，輕旱、中旱下分別以C3、C2處理最為顯著，分別較同水分CK提高37.35%、41.54%(P<0.05)。馬鈴薯地下部分干重表現(xiàn)為輕旱>中旱，中旱C4、C5處理下馬鈴薯地下部分干重較對照有所降低，整體上看，水分虧缺促進(jìn)了馬鈴薯地下部分的發(fā)育。增施鉀肥亦提高了地下部分干重，且輕旱、中旱下分別以C3、C2處理最為顯著，分別較同水分CK提高35.36%、44.51%(P<0.05)(表1)。

表1 增施氯化鉀對干旱脅迫下馬鈴薯地上和地下部分干重的影響 (g/株)

注:同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.3 增施氯化鉀對干旱脅迫下馬鈴薯根冠比和薯重的影響

根冠比反映了根系與地上部生長的協(xié)調(diào)狀況，是在環(huán)境因素作用下，植物體內(nèi)通過一系列自我適應(yīng)與調(diào)節(jié)過程后最終反映出的綜合性指標(biāo)。根冠比受地下、地上部分生長狀況的共同作用。由表2可以看出，干旱脅迫下，馬鈴薯根冠比增大，且輕旱>中旱；增施鉀肥對輕旱、中旱下馬鈴薯根冠比的作用效果并不顯著(P﹥0.05)。

土壤水分虧缺最終導(dǎo)致馬鈴薯薯重降低，中旱下較輕旱降幅更為明顯。增施鉀肥有效提高了馬鈴薯單株產(chǎn)量，輕旱、中旱下均以C3處理效果最佳，分別較同水分CK增產(chǎn)29.99%、31.09%(P<0.05)(表2)。

表2 增施氯化鉀對干旱脅迫下馬鈴薯根冠比和薯重的影響

2.4 增施氯化鉀對干旱脅迫下馬鈴薯根系抗氧化酶活性的影響

SOD是抵御活性氧自由基介導(dǎo)的氧化損傷的第一道防線，其主要功能是催化超氧陰離子自由基發(fā)生歧化反應(yīng)，生成H2O2和O2；CAT和POD作用于抗氧化保護(hù)的第二步，主要清除不同細(xì)胞定位的H2O2。本試驗結(jié)果顯示，干旱脅迫下，馬鈴薯根系3種抗氧化酶活性均有不同程度的提高(圖2A～C)。整體上看，低鉀肥用量處理下，CAT和SOD活性表現(xiàn)為中旱>輕旱，隨鉀肥用量的進(jìn)一步增加，兩種酶活性表現(xiàn)為輕旱>中旱。且輕旱、中旱下均分別以C3、 C2處理活性最高。POD活性隨干旱脅迫程度的加深而增強。中旱POD活性除在C1處理下低于輕旱外，之后隨鉀肥用量的增加一直高于輕旱，且以C3處理活性最高，較CK高出64.90%(P<0.05)(圖2A)；中旱下C5處理根系CAT、SOD活性較CK分別下降28.62%、7.98%。

圖2 增施氯化鉀對干旱脅迫下馬鈴薯根系抗氧化酶活性的影響

2.5 增施氯化鉀對干旱脅迫下馬鈴薯根系超氧陰離子產(chǎn)生速率和丙二醛含量的影響

干旱脅迫會打破植物細(xì)胞內(nèi)自由基產(chǎn)生和消除的平衡導(dǎo)致自由基積累，從而導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化增強。MDA是脂質(zhì)過氧化的最終產(chǎn)物，其含量可以反映脂質(zhì)過氧化程度。隨干旱脅迫程度的加深，馬鈴薯根系超氧陰離子產(chǎn)生速率和MDA含量也隨之升高(圖3 A、B)。C1處理下超氧陰離子產(chǎn)生速率有所增加，C2處理下超氧陰離子產(chǎn)生速率降低，且中旱下降幅顯著，較CK降低29.91%(P<0.05)。此后隨鉀肥用量的增加，其作用效果逐漸減弱，至C5處理時超氧陰離子產(chǎn)生速率達(dá)到峰值，輕旱、中旱下分別較同水分CK顯著增加49.18%，28.04%(P<0.05)?？傮w上看，除C5處理外，各梯度鉀肥處理下MDA含量均低于CK，輕旱、中旱下分別以C3、C2處理降幅顯著，分別較同水分CK降低37.81%、29.87%(P<0.05)。干旱脅迫下，整個處理超氧陰離子產(chǎn)生速率和MDA含量變化趨勢較接近，說明二者之間從產(chǎn)生上可能存在著某種聯(lián)系?？偠灾谝欢ㄓ昧糠秶┯免浄士捎行Ы档透珊的婢诚乱蜃杂苫e累而造成的氧化損傷。

圖3 增施氯化鉀對干旱脅迫下馬鈴薯根系超氧陰離子產(chǎn)生速率和丙二醛含量的影響

2.6 增施氯化鉀對干旱脅迫下馬鈴薯根系形態(tài)指標(biāo)的影響

干旱脅迫下，馬鈴薯根系總長度增加(圖4A)。低鉀肥用量處理下，根系總長度表現(xiàn)為中旱>輕旱，中旱下C1、C2處理總根長分別較CK增加12.95%、7.04%；隨著鉀肥用量的進(jìn)一步增加，中旱下總根長逐漸減小，而輕旱下總根長顯著增加。高鉀肥用量處理下，根系總長度表現(xiàn)為輕旱>中旱，輕旱下C4處理總根長較CK顯著增加20.74%(P<0.05)。中旱下C5處理總根長較CK減少10.75%(P<0.05)。

各鉀肥處理下馬鈴薯根體積表現(xiàn)為輕旱>中旱(圖4B)。輕旱下C3處理根體積較CK顯著增大47.58%(P<0.05)；中旱下C2處理根體積較CK顯著增大52.01%(P<0.05)；中旱下根體積在高鉀肥用量處理下增幅顯著減小，但C5處理下仍較CK高出8.95%(P﹥0.05)。

馬鈴薯根直徑因水分虧缺程度的不同而表現(xiàn)出較大差異(圖4C)。低鉀肥用量處理下，根直徑表現(xiàn)為輕旱>對照>中旱；輕旱、中旱下均以C3處理為峰值，分別較同水分CK顯著增加28.67%、23.39%(P<0.05)。隨鉀肥用量的進(jìn)一步增加，根直徑表現(xiàn)為對照>輕旱>中旱；輕旱下根直徑對高鉀肥用量較為敏感，C4、C5處理下增幅顯著減小，C5處理下略低于CK，但始終高于中旱。

整體上看，各處理下馬鈴薯根系總表面積表現(xiàn)出輕旱>中旱(C1除外)(圖4D)；輕旱下C2處理根表面積較CK顯著增加16.80%(P<0.05)，C5處理下較CK略有降低。中旱下C1處理根表面積較CK顯著增加19.88%(P<0.05)，C3處理根表面積增幅最小，但仍較CK增加2.19%(P﹥0.05)。

干旱脅迫下，馬鈴薯根尖數(shù)增多(圖4E)。低鉀肥用量處理下，根尖數(shù)表現(xiàn)為中旱>輕旱，中旱下C1、C2處理根尖數(shù)分別較CK增加3.78%、2.52%(P﹥0.05)；隨著鉀肥用量的增加，中旱下根尖數(shù)減少并趨于穩(wěn)定，而輕旱下根尖數(shù)顯著增加，表現(xiàn)為輕旱>中旱，但輕旱下各鉀肥處理根尖數(shù)始終低于CK。C3處理下，輕旱、中旱根尖數(shù)降幅最為顯著，分別較同水分CK減少5.74%、9.10%(P<0.05)。

圖4 增施氯化鉀對干旱脅迫下馬鈴薯根系形態(tài)指標(biāo)的影響

3 小結(jié)與討論

活性氧損傷機理之一在于它能夠啟動膜脂過氧化或膜脂脫酯作用，從而破壞膜結(jié)構(gòu)。但它同時也可作為信號分子來激發(fā)植物的脅迫響應(yīng)和保護(hù)性反應(yīng)[16]。本試驗中，低鉀作用下，伴隨3種保護(hù)酶活性的增強，根系超氧陰離子產(chǎn)生速率和MDA含量呈下降趨勢，說明低鉀處理下馬鈴薯根系保護(hù)酶系統(tǒng)具有積極的防御性反應(yīng)，清除自由基及活性氧的能力較強；但隨著鉀肥用量的增加，保護(hù)酶系統(tǒng)防御功能不斷增強的趨勢逐漸減弱，尤其是中旱C5處理下CAT、SOD活性均低于CK，而與此相對應(yīng)的是，同水分狀況下根系超氧陰離子產(chǎn)生速率和MDA含量較CK相比顯著上升，此時高鉀的施入又作為另一種脅迫因素而導(dǎo)致植物體內(nèi)水分平衡失調(diào)，保護(hù)酶系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力減弱，進(jìn)而導(dǎo)致活性氧代謝失調(diào)，膜脂過氧化作用加劇。劉碧容等[17]研究表明，MDA含量與超氧陰離子產(chǎn)生速率之間存在相關(guān)性，MDA的積累能在一定程度上反映植物體內(nèi)自由基活動的狀態(tài)，MDA生成越多，·OH和O2·-等自由基亦可能處于較高水平。本試驗中，超氧陰離子產(chǎn)生速率和MDA含量亦表現(xiàn)出相似的變化趨勢(圖3)。有研究表明，POD的作用具有雙重性[18-19]，一方面，它可作為細(xì)胞活性氧保護(hù)酶系統(tǒng)的成員之一，清除H2O2，表現(xiàn)為“保護(hù)效應(yīng)”；另一方面，POD還參與活性氧的生成、葉綠素的降解,并引發(fā)膜脂過氧化作用,表現(xiàn)為“傷害效應(yīng)”,是植物體衰老到一定階段的產(chǎn)物。本試驗中，高鉀處理下，中旱CAT、SOD活性呈逐漸下降趨勢，而POD活性則保持在一個相對穩(wěn)定的、較高的范圍內(nèi)；這也可能與中旱、高鉀的環(huán)境脅迫下細(xì)胞功能失常有關(guān)。

干旱脅迫下，植物的根系形態(tài)和生長發(fā)育狀況會因作物類型[7,20-21]、生育時期、生長年限[22]、品種[20]等的差異而表現(xiàn)出不同的變化趨勢。本試驗結(jié)果表明，根系形態(tài)亦受土壤水分虧缺程度(或土壤含水量)的影響，且輕旱下根系生理活性較中旱更為穩(wěn)定。整體上看，輕旱下馬鈴薯根冠比、根直徑、根體積和根表面積均大于中旱，這說明輕度水分脅迫下，植物生長中心向根系轉(zhuǎn)移，有利于根系的擴大，從而增加水分的吸收，這可能是植物應(yīng)對外界環(huán)境變化的一種主動適應(yīng)性機制。安玉艷等[23]研究指出，適度干旱脅迫下植物會調(diào)整光合同化物在根冠間的分配，即優(yōu)先向根系分配，促進(jìn)根系生長，增大根冠比，進(jìn)而提高其對干旱條件的適應(yīng)能力，同時啟動抗逆生理。

中旱下各處理根直徑均小于輕旱和對照。細(xì)根有利于降低根系的吸水阻力[24]，馬鈴薯植株通過促進(jìn)其細(xì)根的發(fā)育來提高對土壤貯水的利用。此外，細(xì)根能有效地吸收和固定養(yǎng)分以供地上部分生長的需要。中旱下總根長和根尖數(shù)隨著鉀肥用量的增加表現(xiàn)出一種相似的、“低鉀促進(jìn),高鉀抑制”的趨勢，結(jié)合中旱下根系活力的變化趨勢，低鉀處理下根系的代謝功能增強，誘發(fā)了大量側(cè)根的生長，故而根尖數(shù)增多，總根長亦顯著增加，而高鉀處理下，馬鈴薯根系代謝活動相對減弱，加之較重的土壤水分虧缺，可能給根系造成了雙重脅迫，根系生長活躍性降低，根尖數(shù)減小。當(dāng)然，這一下降趨勢也可能與高鉀下根系水分利用效率的提高有關(guān)，研究表明，干旱條件下，鉀與作物的水分關(guān)系主要體現(xiàn)在對作物水分利用率(WUE)的提高上[9]。鉀離子提高馬鈴薯植株WUE可體現(xiàn)在以下兩個方面：一方面，鉀通過調(diào)節(jié)氣孔運動來控制蒸騰失水[25]；另一方面，馬鈴薯屬喜鉀作物，植物吸鉀量高時，根細(xì)胞的滲透勢降低，增加了土-根界面的水勢梯度，從而增強了根系的吸水能力[26]，根系水分利用效率增加，缺水狀況得到緩解。因此，根系無需以消耗地上部分光合產(chǎn)物為代價來刺激自身的生長。馬鈴薯通過主動調(diào)整自身地上部和根系的干物質(zhì)分配(如根冠比)和形態(tài)變化來應(yīng)對逆境或與碳骨架的消耗，這種自身干物質(zhì)的過度消耗亦有可能導(dǎo)致產(chǎn)量的下降[22]。

馬鈴薯屬喜鉀作物，充足鉀素營養(yǎng)能促進(jìn)葉綠素的合成和穩(wěn)定，改善葉綠體結(jié)構(gòu)，提高光合速率[12]并影響光合產(chǎn)物的合成和運輸，進(jìn)而影響馬鈴薯的品質(zhì)以及產(chǎn)量的高低。研究表明，不論何種土壤類型，增施鉀肥都能有效增加馬鈴薯塊莖產(chǎn)量[27-28]。本試驗中，不同干旱脅迫程度下鉀肥的施用都能有效提高馬鈴薯產(chǎn)量，但過高鉀肥用量下其增產(chǎn)效應(yīng)減弱，因此肥料的施用應(yīng)適量,同時注意鉀素營養(yǎng)要和其他營養(yǎng)配合使用，平衡施肥才更有利于馬鈴薯產(chǎn)量的提高。

植物體吸收K+的能力并不是無限的。植物體內(nèi)存在K+吸收的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能根據(jù)體內(nèi)K+濃度調(diào)節(jié)K+的吸收速率，使植物體內(nèi)K+濃度維持在一個較小的范圍內(nèi)[29]。本試驗結(jié)果說明，鉀對干旱逆境下馬鈴薯根系的生理、形態(tài)發(fā)育以及抗旱性均有一定程度的調(diào)控作用，但不同鉀肥施用量的作用效果不同?？傮w上表現(xiàn)為中、低鉀肥用量更有利于根系生長，而高鉀肥用量下作用減弱甚至抑制根系生長，此外，結(jié)合土壤水分狀況來看，輕旱下馬鈴薯根系比中旱下更能適應(yīng)高鉀環(huán)境。因此鉀肥的施入應(yīng)充分結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥浪譅顩r，此外，還應(yīng)考慮到土壤自身的鉀素水平、作物特點和需求，適量施用并制定合理的施入時期。