甜瓜苗期鉀高效基因型篩選體系研究

裴義瑋 張屹東 陸怡然

（1上海市金山工業(yè)區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)站 201506）

（2上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海市閔行區(qū) 200240）

鉀在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中具有非常重要的生理作用，鉀肥短缺問(wèn)題隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展日益受到關(guān)注[1-2]。培育鉀高效作物品種是直接有效緩解鉀短缺的一種方法，而培育鉀高效品種和作物種質(zhì)資源的篩選均須建立一個(gè)鉀吸收和利用效率的評(píng)價(jià)體系。傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法往往以單一鉀脅迫濃度作為篩選條件，且反映不同品種鉀吸收利用能力的觀察指標(biāo)也較為單調(diào)。同時(shí)，由于不同甜瓜品種的鉀轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)表達(dá)和調(diào)節(jié)會(huì)與環(huán)境條件發(fā)生一定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而使不同甜瓜基因型表現(xiàn)出的鉀吸收利用效率產(chǎn)生一定的差異，且在不同的生長(zhǎng)時(shí)期這種差異也會(huì)有所不同；而通過(guò)設(shè)立多個(gè)水平的鉀脅迫濃度，研究在哪個(gè)鉀脅迫濃度和生長(zhǎng)時(shí)期下甜瓜品種間的這種差異程度達(dá)到最大，則在該生長(zhǎng)時(shí)期進(jìn)行鉀高效基因型甜瓜篩選，該鉀脅迫濃度就能對(duì)不同的甜瓜品種起到越強(qiáng)烈的篩選作用。因此，本試驗(yàn)研究的目的就是確立篩選作用最強(qiáng)烈的篩選條件，即建立甜瓜苗期鉀高效基因型篩選體系。

本試驗(yàn)以4個(gè)甜瓜栽培品種為試驗(yàn)材料，通過(guò)設(shè)計(jì)水培試驗(yàn)，分別在幼苗期的不同生長(zhǎng)時(shí)段進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)定與統(tǒng)計(jì)分析，最終確立甜瓜苗期鉀高效基因型篩選的適宜篩選時(shí)段、篩選鉀濃度與篩選生長(zhǎng)指標(biāo)，初步建立一個(gè)甜瓜苗期鉀高效基因型篩選體系。該甜瓜篩選體系是一個(gè)能夠便捷、快速、嚴(yán)謹(jǐn)、可靠地篩選或判別出一個(gè)甜瓜鉀高效基因型的篩選方法與模式，從而為后續(xù)甜瓜鉀營(yíng)養(yǎng)相關(guān)試驗(yàn)提供參考?，F(xiàn)將相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 供試品種

供試甜瓜品種為市場(chǎng)上常見(jiàn)的甜瓜推廣品種，品種具體信息見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

各品種取適當(dāng)數(shù)量的甜瓜種子于55 ℃溫水中浸種15 min，30 ℃恒溫催芽露白后，移至75孔穴盤中，并放入組織培養(yǎng)箱進(jìn)行育苗，待苗長(zhǎng)至1葉1心期后移植進(jìn)行水培。育苗地點(diǎn)位于上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院實(shí)踐中心，水培試驗(yàn)地點(diǎn)位于學(xué)院東北角的連棟玻璃溫室，試驗(yàn)時(shí)間為2017年2月上旬至5月中旬。

表1 供試甜瓜品種信息

水培具體方法：裁剪泡沫塑料板至與水培槽規(guī)格吻合并均勻打孔，每孔容納1株甜瓜幼株并用海綿填充洞孔，以固定莖基部。植株根系全部浸沒(méi)在營(yíng)養(yǎng)液中，在培養(yǎng)過(guò)程中使用氣泵進(jìn)行不間斷供氧，并每2 d更換1次營(yíng)養(yǎng)液，初期使用牙簽扶固幼株。營(yíng)養(yǎng)液采用苗錦山等推薦的水培配方[3]，母液配置完成后按比例稀釋得到最終體積為6 L左右的營(yíng)養(yǎng)液，調(diào)整溶液pH至6.5～7.0。在原配方的基礎(chǔ)上對(duì)鉀離子濃度進(jìn)行改動(dòng)，以設(shè)置不同的鉀濃度處理，見(jiàn)表2。以K2SO4作為供鉀形式，同時(shí)改動(dòng)Ca(NO3)2和NaNO3的含量，以維持硝態(tài)氮濃度，將KH2PO4替換為NaH2PO4，以提供磷元素。

試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)水平的鉀濃度作為備選的篩選濃度，分別為原配方濃度CK(9 mmol/L)、K1（1 mmol/L）、K2（0.5 mmol/L）、K3（0.1 mmol/L）、K4（0.01 mmol/L），每個(gè)甜瓜品種分別在3葉期和6葉期兩個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期取鮮樣并測(cè)定相關(guān)指標(biāo)，每處理重復(fù)3次。

表2 不同鉀濃度的營(yíng)養(yǎng)液配方 （單位：g/L)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 形態(tài)生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定

（1）莖高，測(cè)量莖基部到頂葉基部的高度。（2）莖粗，用游標(biāo)卡尺測(cè)量第一片真葉出生處莖部的直徑。（3）地上部干重、地下部干重，將植株從莖基處剪開(kāi)，地上部置于105 ℃烘箱殺青15 min，然后與地下部分別放入信封后，于75 ℃烘干至恒重并稱量。

1.3.2 生理生化指標(biāo)測(cè)定

（1）丙二醛（MDA），MDA與植物在逆境下遭受傷害和活性氧積累誘發(fā)的膜脂過(guò)氧化作用密切相關(guān)，是膜脂過(guò)氧化最重要的產(chǎn)物之一，可作為間接測(cè)定植物抗逆性的指標(biāo)[4]，MDA含量的測(cè)定方法可參考趙世杰等的硫代巴比妥酸法（TBA）[4]。（2）全株鉀濃度，使用HNO3∶H2O2體積比為3∶1的液體消煮已均勻研磨成粉的樣品，隨后轉(zhuǎn)移至新試管中，并將消煮液以恰當(dāng)倍數(shù)稀釋，最后于上海交通大學(xué)分析測(cè)試中心的PE-AA800原子吸收光譜儀測(cè)定樣品的鉀濃度。（3）吸鉀量，即植株的鉀吸收能力指標(biāo)，全株吸鉀量(mg)=鉀濃度(mg/g)×全株干重(g)。（4）鉀利用指數(shù)（KUI），指株體組織內(nèi)每單位鉀濃度所形成的生物量，是植株對(duì)鉀的利用能力指標(biāo)，計(jì)算表達(dá)式為KUI=干重(g)/鉀含量(g/kg)×39，單位為g2·Dw/mmol，其中39為單位換算系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel和SPSS22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各甜瓜品種在不同鉀濃度下的吸鉀量和鉀利用指數(shù)

吸鉀量和鉀利用指數(shù)（KUI）是衡量植株鉀的吸收和利用效率的兩個(gè)重要指標(biāo)。由于本試驗(yàn)中“蜜天下”的吸鉀量在K3濃度下可能存在較為嚴(yán)重的誤差，故在這里僅列出不同甜瓜品種在3葉期和6葉期的不同鉀濃度下KUI的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由表3可知，在鉀利用指數(shù)方面，3葉期時(shí)，在K1至K3濃度下，各甜瓜品種間KUI差異顯著，在K3濃度下，各甜瓜品種間KUI差異不顯著；同時(shí)，變異系數(shù)隨鉀濃度的降低大體上呈不斷下降的趨勢(shì)，說(shuō)明甜瓜植株在幼苗階段的鉀利用能力差異無(wú)法通過(guò)增大篩選壓力而體現(xiàn)，更多還是在鉀供應(yīng)充足的條件下才能夠反應(yīng)出來(lái)。6葉期則與3葉期相反，隨著篩選壓力的提升，4個(gè)甜瓜品種的KUI的變異系數(shù)大體上呈逐漸增大的趨勢(shì)，且在壓力最大的K4濃度下各品種間KUI差異顯著，其中以“蜜天下”的KUI最高。

表3 不同時(shí)期各甜瓜品種在不同鉀濃度條件下的鉀利用指數(shù)（KUI） （單位：g2·Dw/mmol）

2.2 取樣時(shí)期與鉀脅迫濃度的交互作用分析

為確定最適宜的篩選濃度和篩選時(shí)期，進(jìn)一步以KUI作為指標(biāo)，將K1、K2、K3、K4作為可能的適宜篩選濃度與篩選時(shí)期進(jìn)行交互作用分析。由表4可知，取樣時(shí)期與鉀濃度之間存在極顯著的交互作用，其中6葉期×K4和其他各取樣時(shí)期與濃度的組合之間在P=0.05和P=0.01的顯著性水平上均存在差異，表明該組合的交互作用最好。6葉期的其余3個(gè)濃度組合之間均沒(méi)有顯著差異，而3葉期與各濃度的交互作用普遍較差。因此，宜將K4=0.01 mmol/L作為適宜的篩選濃度，6葉期作為適宜的篩選時(shí)期。

表4 不同取樣時(shí)期與鉀濃度的交互作用分析

2.3 篩選指標(biāo)的確定

2.3.1 各備選指標(biāo)的結(jié)果與分析

在確定適宜的篩選時(shí)期和篩選濃度后，對(duì)此濃度下不同甜瓜品種的各生理生化指標(biāo)進(jìn)行了分析。

由表5、6可知，不同甜瓜品種的莖高在K4和對(duì)照兩個(gè)濃度間的變化規(guī)律有所差異，“江南蜜一號(hào)”和“東方蜜一號(hào)”在鉀脅迫的篩選濃度下莖高低于對(duì)照濃度，而“玉姑”和“蜜天下”則相反。在對(duì)照濃度下，各品種的莖高不存在顯著差異，表現(xiàn)趨于一致；且莖高未同時(shí)在品種與鉀濃度間表現(xiàn)出顯著性差異，故不能將莖高作為篩選指標(biāo)。

表5 在篩選濃度與對(duì)照濃度下不同甜瓜品種間的莖高比較

表6 在篩選濃度和對(duì)照濃度下不同品種的莖高方差分析

由表7、8可知，在鉀脅迫的篩選濃度下，4個(gè)甜瓜品種的莖粗均大于對(duì)照濃度，同時(shí)，莖粗在品種與鉀濃度間均呈顯著性差異（P=0.05水平），故可將莖粗作為篩選指標(biāo)。

表7 在篩選濃度與對(duì)照濃度下不同甜瓜品種間的莖粗比較

表8 在篩選濃度與對(duì)照濃度下不同甜瓜品種間的莖粗方差分析

由表9、10可知，在鉀脅迫的篩選濃度下，“玉姑”和“蜜天下”地上部干重均是對(duì)照濃度的1.7倍以上，是鉀利用效率較高的品種，且在鉀脅迫的篩選濃度下，各甜瓜品種的表現(xiàn)存在一定的顯著性差異，說(shuō)明改變鉀濃度對(duì)不同品種具有一定的篩選作用，但由于地上部干重未同時(shí)在品種與鉀濃度間表現(xiàn)出顯著性差異，故不能將地上部干重作為篩選指標(biāo)。

表9 在篩選濃度與對(duì)照濃度下不同甜瓜品種間的地上部干重比較

表10 在篩選濃度與對(duì)照濃度下不同甜瓜品種間的地上部干重方差分析

由表11、12可知，在對(duì)照濃度下“江南蜜一號(hào)”的地下部干重顯著高于其余甜瓜品種，但在鉀脅迫的篩選濃度下，“蜜天下”的地下部干重最高。地下部干重在品種與鉀濃度間均呈顯著性差異（P=0.05水平），故可將地下部干重作為篩選指標(biāo)。

表11 在篩選濃度與對(duì)照濃度下不同甜瓜品種間的地下部干重比較

表12 在篩選濃度與對(duì)照濃度下不同甜瓜品種間的地下部干重方差分析

根冠比一般以地下部根系與地上部莖、葉的干重比值表示，能反映植株地上部、地下部生長(zhǎng)發(fā)育情況。由表13、14可知，除“東方蜜一號(hào)”外，其余甜瓜品種的根冠比均是在鉀脅迫的篩選濃度下大于對(duì)照濃度，且“江南蜜一號(hào)”在對(duì)照濃度下根冠比顯著高于其余甜瓜品種，推測(cè)鉀脅迫對(duì)甜瓜植株地下部的生長(zhǎng)可能具有較為不利的影響，但由于根冠比未同時(shí)在品種與鉀濃度間表現(xiàn)出顯著性差異，故不能將根冠比作為篩選指標(biāo)。

表13 在篩選濃度與對(duì)照濃度下不同甜瓜品種間的根冠比比較

表14 在篩選濃度與對(duì)照濃度下不同甜瓜品種間的根冠比方差分析

由表15、16可知，“江南蜜一號(hào)”和“東方蜜一號(hào)”在鉀脅迫的篩選濃度下MDA含量高于對(duì)照濃度，其中“江南蜜一號(hào)”的MDA含量差異較大，表明“江南蜜一號(hào)”對(duì)低鉀濃度的適應(yīng)性較差；“玉姑”和“蜜天下”在鉀脅迫的篩選濃度下MDA含量低于對(duì)照濃度，表明膜損傷程度較小。MDA含量未同時(shí)在品種與鉀濃度間表現(xiàn)出顯著性差異，故不能將MDA含量作為篩選指標(biāo)。

表15 在篩選濃度與對(duì)照濃度下不同甜瓜品種間的MDA含量比較

表16 在篩選濃度與對(duì)照濃度下不同甜瓜品種間的MDA含量方差分析

2.3.2 鉀高效基因型篩選體系候選指標(biāo)的相關(guān)性分析

對(duì)供試甜瓜品種在6葉期在篩選濃度與對(duì)照濃度下的各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。由表17可知，與鉀利用指數(shù)KUI呈顯著相關(guān)的指標(biāo)有莖粗和地下部干重，分別為顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān)，因此，地上部干重就與KUI的相關(guān)性而言，仍具有一定的鉀高效篩選能力。根冠比與MDA含量和KUI呈一定的負(fù)相關(guān)，表明在鉀脅迫條件下植株地下部生長(zhǎng)大于地上部，MDA含量降低，表現(xiàn)了植株對(duì)鉀脅迫的生理響應(yīng)。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)水培試驗(yàn)，對(duì)甜瓜苗期鉀高效基因型品種篩選的篩選時(shí)期、篩選濃度、篩選指標(biāo)進(jìn)行了研究，確定了以6葉期作為篩選時(shí)期、0.01 mmol/L的鉀濃度作為篩選濃度、莖粗與地下部干重作為篩選指標(biāo)的甜瓜苗期鉀高效基因型快速篩選體系。該甜瓜篩選體系是一個(gè)能夠便捷、快速、嚴(yán)謹(jǐn)、可靠地篩選或判別出甜瓜鉀高效基因型的篩選方法和模式，能夠?yàn)楹罄m(xù)甜瓜鉀營(yíng)養(yǎng)的相關(guān)試驗(yàn)提供參考價(jià)值。

在本研究中，各甜瓜品種間的吸鉀量與KUI在供鉀充足的情況下差異相對(duì)不顯著，差異系數(shù)也較小，而隨著篩選壓力的提升，吸鉀量與KUI的變異系數(shù)逐漸上升，差異程度也更加豐富。在前人試驗(yàn)中，隨著鉀濃度趨于0，各作物品種的表現(xiàn)反而趨于一致[6，9]，這說(shuō)明隨著篩選壓力的提升，大多數(shù)作物品種因鉀低效受到脅迫，而少數(shù)鉀高效品種的優(yōu)勢(shì)則可以顯現(xiàn)。然而，隨著篩選壓力的進(jìn)一步加大，鉀高效品種也會(huì)受到影響，導(dǎo)致作物品種間差異程度再次降低，這符合篩選試驗(yàn)的一般規(guī)律。

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