不同鉀效率煙草品種鉀素吸收特性及動力學(xué)特征分析

孟祥宇，梁太波*，劉 芳，余 涵，胡利偉，張艷玲，周漢平，張仕祥，尹啟生*

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，河南省許昌市魏都區(qū)青梅路與永昌大道交叉口 461000

鉀是植物生長所必需的重要營養(yǎng)元素，可以增強(qiáng)植物的抗逆性，提高光合效率，維持細(xì)胞膨壓，調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢以及60多種酶的活性［1-2］。煙草是喜鉀作物，較高的鉀含量可以保證煙株正常成熟落黃，提高煙葉香氣質(zhì)和香氣量，鉀含量還是煙葉品質(zhì)的重要評價指標(biāo)［3-5］。目前，我國部分煙區(qū)煙葉鉀含量仍然偏低，特別是黃淮煙區(qū)鉀肥利用效率較低，已成為限制煙葉品質(zhì)提升的重要因素［6-7］。鉀的養(yǎng)分效率可以用吸收效率和利用效率來表征，二者可從不同角度反映植物對鉀的吸收能力和利用能力［8］。不同植物或同種植物的不同品種在鉀的吸收、分配、轉(zhuǎn)運和利用效率等方面存在很大差異［9-10］。一般認(rèn)為，煙葉中的鉀含量主要由品種、生態(tài)條件以及栽培技術(shù)共同決定［11］。楊鐵釗等［12］認(rèn)為，富鉀基因型煙草較一般型煙草具有更高的鉀含量、鉀素吸收效率以及較低的鉀素利用效率。大量研究表明［13-14］，煙草根系的吸鉀功能與根系形態(tài)、生理特征（根系活躍吸收面積、根系活力、ATPase活性等）密切相關(guān)。在耐低鉀品種篩選中，從根系鉀吸收動力學(xué)的角度分析，認(rèn)為高的最大吸收速率（Vmax）、低的米氏常數(shù)（Km）和相對較高的鉀素利用效率是影響耐低鉀基因型品種形成的主要原因［15-16］。目前，關(guān)于不同鉀效率煙草品種的鉀素營養(yǎng)特性差異及根系鉀吸收動力學(xué)特征差異的研究鮮見報道。為此，探究了不同鉀效率煙草品種在對鉀吸收過程中存在的具體差異，通過根系鉀吸收動力學(xué)及鉀流速的方法研究了不同煙草品種的鉀效率特征，以期為煙草鉀素養(yǎng)分管理和鉀高效品種的選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為10個煙草品種，其中9個烤煙品種：RG17、G28、秦?zé)?96、紅花大金元、K326、翠碧一號、云煙87、中煙100和豫煙6號；1個白肋煙品種：鄂煙1號。種子由中國煙草遺傳育種研究（北方）中心和河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 煙苗種植

在鄭州煙草研究院溫室種植煙草。采用砂培方法，基質(zhì)為石英砂，營養(yǎng)液為1/2 Hoagland營養(yǎng)液。選用6葉1心時期的煙苗，育苗時間為50 d。每個品種選取20株生長一致的煙苗進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中記錄所用營養(yǎng)液的體積，3周后分別進(jìn)行鉀含量、根系生理指標(biāo)、根系鉀離子流速等的測定和根系鉀吸收動力學(xué)試驗。

培養(yǎng)3周后，每個品種選取3株生長一致的煙苗，按莖葉和根系分開，蒸餾水清洗，濾紙吸干水分。105℃殺青15 min，65℃烘干，稱重后磨粉。采用 HNO3-H2O2微波消解體系進(jìn)行消解［17］，利用火焰光度法測定鉀含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）［18］。鉀素吸收效率用煙株鉀素積累量與總施鉀量的比值表示，鉀素利用效率用煙株干物質(zhì)積累量與煙株鉀素積累量的比值表示［19］。

1.2.3 根系指標(biāo)測定

采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測定根系活力［20］，利用考馬斯亮藍(lán)G-250比色法測定根系可溶性蛋白［20］，以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)蛋白。

1.2.4 鉀離子吸收動力學(xué)參數(shù)

培養(yǎng)3周后，每個品種選取生長一致的6株煙苗，參照Xu等［21］、楊鐵釗等［22］的溶液耗竭法，對煙苗進(jìn)行3 d的饑餓處理，每天更換饑餓液1次。耗竭試驗開始時，將煙苗裝入含有135 mL耗竭液的黑色三角瓶中，每個品種重復(fù)6次。分別在0、1、2、3、4、5、6、9、12、24、36、48、60和72 h取2 mL耗竭液，每次取樣后用超純水補(bǔ)充至原體積。取樣結(jié)束后，用濾紙擦干煙苗根部，稱量鮮質(zhì)量。采用AAnalyst 800原子吸收儀（美國PerkinElmer公司）測量耗竭液中的鉀離子濃度。

處理液配制。饑餓液：0.2 mmol·L-1CaSO4，5 mmol·L-1MES，用Tris堿調(diào)節(jié)pH值至 5.7。耗竭液 ：0.4 mmol·L-1KNO3，0.2 mmol·L-1CaSO4，5 mmol·L-1MES，用Tris堿調(diào)節(jié)pH值至5.7。

參照蔣廷惠等［23］、李廷軒等［13］的方法，運用Origin軟件對耗竭液濃度和耗竭時間進(jìn)行擬合，得出方程：

關(guān)于未來，馬國新說：“我沒有什么豪言壯語，也不表什么決心，我只要扎扎實實的干好本職工作，無愧于黨和人民，這就足夠了?！?/p>

式中：X代表吸收時間，h；Y代表該時刻耗竭液中的鉀離子濃度，μmol·L-1；a、b、c分別代表方程中的常數(shù)項、一次項系數(shù)和二次項系數(shù)。

根系鉀吸收動力學(xué)參數(shù)：

1.2.5 根系鉀離子流速的測定

鉀離子流速測定采用NMT100 Series非損傷微測系統(tǒng)（美國Younger USA LLC公司）。測定鉀離子流速前對擬測試植株進(jìn)行3 d的鉀饑餓處理［24］（饑餓液為磷酸銨和硝酸銨替代硝酸鉀和磷酸二氫鉀的1/2 Hoagland營養(yǎng)液）。每株幼苗穩(wěn)定測試300 s，每個品種做6次重復(fù)，柱狀圖的數(shù)據(jù)為每個樣品流速的平均值。測試液：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 數(shù)據(jù)處理

采用DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，多重比較采用Duncan法。利用Excel 2007和Origin 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結(jié)果

2.1 不同煙草品種生長發(fā)育和鉀素營養(yǎng)特性差異

2.1.1 不同煙草品種干物質(zhì)積累量的差異

由表1可以看出，不同煙草品種干物質(zhì)積累量存在一定的差異。紅花大金元和云煙87的莖葉干物質(zhì)積累量顯著高于鄂煙1號和G28，其余品種差異較小。而10個品種的根系干物質(zhì)積累量均不存在顯著差異。品種間單株干物質(zhì)積累量的差異趨勢與莖葉干物質(zhì)積累量基本一致，G28顯著低于紅花大金元、云煙87、翠碧一號和豫煙6號，K326和鄂煙1號顯著低于紅花大金元。在10個供試品種中，G28干物質(zhì)積累量顯著較低。

表1 不同煙草品種的干物質(zhì)積累量①Tab.1 Dry matter accumulation of different tobacco varieties （g·株-1）

2.1.2 不同煙草品種鉀素營養(yǎng)特性的差異

由表2可知，不同品種間莖葉鉀含量變化范圍為4.48%~6.91%，其中白肋煙品種鄂煙1號的鉀含量最高，烤煙品種中RG17的鉀含量最高，為5.94%。根系鉀含量變化范圍為1.81%~3.28%，變異系數(shù)略高于莖葉。莖葉與根系鉀積累量的變異系數(shù)較為接近，均略低于其鉀含量的變異系數(shù)。從不同部位鉀積累量占總積累量的比例來看，根系的變異系數(shù)遠(yuǎn)大于莖葉，莖葉的變異系數(shù)為1.36%，說明品種間莖葉鉀積累量占總積累量比例的差異較小。

2.2 不同煙草品種鉀效率的評價和分類

不同煙草品種鉀素吸收效率和利用效率的關(guān)系見圖1。整體上，不同品種的鉀素吸收效率和利用效率呈負(fù)相關(guān)，即鉀素吸收效率高的品種其鉀素利用效率較低，吸收效率低的品種其鉀素利用效率較高。參照文獻(xiàn)［25-26］對氮效率分類的方法，根據(jù)鉀效率指標(biāo)最大值和最小值的平均值，將10個煙草品種分為3種鉀效率類型：高效吸收低效利用型（鄂煙1號、RG17和紅花大金元）、低效吸收低效利用型（G28和K326）、低效吸收高效利用型（秦?zé)?6、豫煙6號、云煙87、翠碧一號和中煙100），本試驗中沒有高效吸收高效利用的品種。

表2 不同煙草品種鉀素營養(yǎng)指標(biāo)的差異Tab.2 Potassium nutrition indicators of different tobacco varieties

圖1 不同煙草品種的鉀素吸收效率和利用效率Fig.1 Potassium absorption efficiency and utilization efficiency of different tobacco varieties

2.3 不同鉀效率煙草品種的鉀素分配及根系生理特性差異

結(jié)果（表3）表明，高效吸收低效利用型煙草的莖葉鉀含量、莖葉鉀積累量最高，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煙草。從低效吸收低效利用型和低效吸收高效利用型煙草的鉀素分配狀況來看，鉀含量方面前者顯著高于后者，但鉀積累量方面兩者無顯著差異，主要與低效吸收低效利用型煙草品種的生物量較低有關(guān)。

2.4 不同鉀效率煙草品種的鉀離子吸收動力學(xué)特征差異

植物鉀離子吸收動力學(xué)特征參數(shù)Vmax、Km、Cmin、α和β分別反映根系對溶液中鉀離子的最大吸收速率、親和能力、最低吸收濃度、綜合吸收能力和耐瘠能力［23］。從表4可以看出，高效吸收低效利用型煙草的Vmax和α值均最大，較低效吸收低效利用型分別高出90.6%和215.6%，較低效吸收高效利用型分別高出36.1%和90.6%?？梢?，高效吸收低效利用型煙草相比于其他兩種類型對鉀離子具有更強(qiáng)的吸收能力，體現(xiàn)在最大吸收速率以及對離子的綜合吸收能力兩個方面。在鉀素吸收效率均較低的情況下，鉀素利用效率越高，Vmax和α值也越大，低效吸收高效利用型較低效吸收低效利用型的Vmax和α值分別高出40.0%和65.6%，而Km值下降8.6%，說明鉀素利用效率的高低對不同煙草品種的鉀離子吸收也會產(chǎn)生影響。低效吸收高效利用型煙草的Cmin、β值分別較高效吸收低效利用型下降15.7%、10.2%，較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值差異較小?？梢?，低效吸收高效利用型煙草較其他兩種類型具有更強(qiáng)的耐低鉀能力。

表3 不同鉀效率煙草的鉀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 不同鉀效率煙草的鉀離子吸收動力學(xué)參數(shù)比較Tab.4 Potassium uptake kinetic parameters of tobacco varieties with different potassium efficiency

2.5 不同鉀效率煙草品種的根系鉀離子流速差異

根系鉀離子流速是指根系離子內(nèi)外交換過程中鉀離子的運動速度，可以直觀反映植物根系表面鉀離子的流動方向和流動速率。從圖2可以看出，在本試驗的測試條件下，3種鉀效率類型煙草根系鉀離子流速整體表現(xiàn)為內(nèi)流，在測試過程中流速較為平穩(wěn)，其中低效吸收高效利用型的個別測試點表現(xiàn)為外流（圖2A）。內(nèi)流速率依次為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內(nèi)流速率分別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（圖2B）。其中，低效吸收高效利用型的內(nèi)流速率較低，主要原因是翠碧一號的流速表現(xiàn)為外排，其流速值為53.60 pmol·

cm-2·s-1。結(jié)合3種鉀效率類型煙草的鉀含量可知，隨著煙株鉀含量降低，鉀離子內(nèi)流速率呈下降趨勢，這也為高鉀品種的鉀含量較高提供了依據(jù)?？梢?，根系鉀離子內(nèi)流速率與煙株鉀素積累量存在密切關(guān)系。

圖2 不同鉀效率煙草根系的鉀離子流速Fig.2 K+fluxes of tobacco varieties with different potassium efficiency in roots

3 討論

一般認(rèn)為，鉀在植物體內(nèi)的吸收、分配以及代謝利用情況是影響植物鉀效率的關(guān)鍵，基因型的差異在鉀素吸收效率和利用效率上也均有體現(xiàn)［12］。本試驗中，按照鉀效率的差異將10個煙草品種分為3類，其鉀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順序依次降低?？梢姡瑹熤赈浐颗c其鉀素吸收效率和利用效率的綜合效應(yīng)有密切關(guān)系。楊鐵釗等［12］認(rèn)為，鉀素利用效率較低的農(nóng)大202和RG17煙株中鉀含量較高，鉀素利用效率較高的凈葉黃和NC89煙株中鉀含量卻較低，與本試驗所得的鉀素吸收效率與利用效率呈現(xiàn)一定負(fù)相關(guān)的結(jié)果類似。本試驗中，低效吸收低效利用型品種G28和K326具有較高的鉀含量，但是在本試驗條件下卻劃分到“雙低效”類型中，主要原因是其生物量較低，導(dǎo)致鉀素吸收效率明顯低于其他品種，與其品種特性有關(guān)。在根系生理特性對植物鉀素吸收的影響方面，有研究表明，鉀高效型品種的根系更為發(fā)達(dá)、吸收面積更大、根系活力更強(qiáng)［12,27-28］。從本研究結(jié)果來看，高效吸收低效利用型煙草鉀含量較高的重要原因是其根系活力、可溶性蛋白含量等生理指標(biāo)高于低效吸收低效利用型和低效吸收高效利用型煙草。

植物體內(nèi)的鉀易流動，其再分配、再利用的能力很強(qiáng)［8］。有研究表明，耐低鉀棉花基因型對鉀素有更高的利用效率，與低鉀敏感基因型相比，其能利用體內(nèi)相對較低含量的鉀生產(chǎn)更多的干物質(zhì)［29］。從生理角度講，鉀素高效利用的條件是在植物細(xì)胞進(jìn)行生理活動時對鉀的需求量較低或是植物體內(nèi)鉀的再利用能力較強(qiáng)［9］。本試驗中，通過比較不同鉀效率煙草鉀離子吸收動力學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)鉀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，代表植物對鉀脅迫的耐受性越強(qiáng)。因此，認(rèn)為煙草鉀素利用效率越高，對低鉀脅迫的耐受性越強(qiáng)，此結(jié)果與李建峰［30］對不同鉀效率煙草鉀脅迫研究的結(jié)果相一致。利用根系鉀離子吸收動力學(xué)方法測定了不同時間點耗竭液中的鉀離子濃度，該結(jié)果反映的是一段時間內(nèi)溶液中鉀離子總量的變化，而鉀離子流速反映的是測試時間內(nèi)根系表面鉀離子內(nèi)外流動速度的矢量和。通過鉀離子吸收動力學(xué)和鉀離子流速相結(jié)合，分別從吸收量與吸收速度兩個方面直接研究了不同鉀效率煙草對鉀離子吸收的差異，得出鉀素高效吸收低效利用型煙草品種較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值和鉀離子內(nèi)流速率，并認(rèn)為是影響其吸收效率和鉀素積累的重要原因。同時，煙草品種RG17的結(jié)果與楊鐵釗等［12］的結(jié)果相一致，并驗證了RG17鉀含量高、鉀素利用效率低是由于根系鉀離子吸收速率較高的推測。

4 結(jié)論

①利用鉀素吸收效率和利用效率將供試煙草分為高效吸收低效利用（鄂煙1號、RG17和紅花大金元）、低效吸收低效利用（G28和K326）、低效吸收高效利用（秦?zé)?6、豫煙6號、云煙87、翠碧一號和中煙100）3種類型。②較高的根系活力、可溶性蛋白含量和鉀離子內(nèi)流速率是高效吸收低效利用型煙草具有較高鉀含量和鉀積累量的重要原因。③與高效吸收低效利用型和低效吸收低效利用型煙草相比，低效吸收高效利用型煙草具有更低的 Cmin和β值。