低鉀脅迫下不同鈣濃度對煙草鉀吸收的影響

王英鋒 徐高強 代卓 代曉燕 郭澤 李子紳 陳培鈺 張銅津

摘要：為探討低鉀脅迫下鈣對煙株生長發(fā)育及鉀素吸收的影響及其機制，通過室內(nèi)水培法，以煙草品種K326為試驗材料，設(shè)置2個鉀水平和6個鈣濃度，分別測定煙株生理特征、根系鈣離子含量和Atpase活性及煙株各部位鉀含量。結(jié)果表明不同鉀水平對煙株生長發(fā)育及鉀吸收影響顯著，低鉀水平下的煙株地上部及根系物質(zhì)量、煙株生理指標及各部位鉀含量均低于常鉀水平，低鉀脅迫下煙株地上部及根系鉀含量分降低了71.80%～25.63%和8868%～45.47%。同一鉀水平下，隨著鈣濃度的升高，煙株各部位物質(zhì)量、煙株生理指標、煙株各部位鉀含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。低鉀脅迫下，煙株各部位物質(zhì)量、葉片和根系可溶性蛋白含量、葉片POD和CAT酶活性及煙株各部位鉀含量以鈣濃度為5mmol/L時表現(xiàn)最佳，其中根系鉀含量達到7323mgg。低鉀脅迫顯著影響煙株生長發(fā)育及鉀吸收，外界適當?shù)腃a2濃度可以促進煙株K吸收，但過高的Ca2+濃度則會對煙株K吸收產(chǎn)生抑制，水培條件下鈣濃度為5mmol/L時最利于煙株生長發(fā)育及鉀吸收。

關(guān)鍵詞：煙草;鉀吸收;低鉀脅迫;鈣濃度;生長發(fā)育

鉀是植物生長必需的營養(yǎng)元素，也是公認的煙草品質(zhì)元素，但我國植煙土壤供鉀不足及煙株鉀素利用率低等問題2-，嚴重影響著我國煙葉鉀含量。由于北方植煙土壤主要以2：1型黏土礦物為主，干濕交替頻繁，土壤中鈣含量較高;而南方施用石灰改良土壤酸堿度，増加了土壤鈣含量導(dǎo)致土壤中Ca2+、K等交換性陽離子比例失調(diào)，煙草吸收鉀困難且煙葉鉀含量整體較低。因此研究鈣對煙草鉀吸收的影響，對提高煙葉鉀含量具有重要意義。植株鉀吸收與外界鈣濃度密切相關(guān)且關(guān)系十分復(fù)雜。有研究發(fā)現(xiàn)，高鈣處理可以提高烤煙根系和煙葉的鉀含量91，Ca2可以防止細胞內(nèi)K外滲，減少根系陽離子流失，有利于K*的吸收。然而也有研究表明，土壤有效鈣含量與煙葉鉀含量呈負相關(guān)，鈣對鉀有一定的拮抗作用，Ca2+的存在會與K爭質(zhì)膜上的吸收通道，減少植株對鉀的吸收。目前關(guān)于外界鈣濃度對煙草鉀吸收的影響研究，多集中在正常鉀水平下且兩者關(guān)系并不十分明確。因此本文以煙草品種K326為研究材料，采用室內(nèi)水培的方法，通過對煙株進行兩種鉀水平和不同鈣濃度組合處理，探索低鉀脅迫下外界鈣濃度與煙草鉀吸收之間的關(guān)系，為鉀鈣平衡施肥提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試材料與培養(yǎng)

供試材料為煙草品種K326，試驗于2019年在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草行業(yè)煙草栽培重點實驗室進行。煙草種子催芽后，移栽到裝有珍珠巖的小黑盆中，在光照培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，每日補充Hoagland完全營養(yǎng)液。培養(yǎng)條件如下：白天溫度（282）℃，夜間溫度（18±2）℃，每日照光14h，光強為4000k相對濕度為65%～70%。

1.2試驗處理

當煙苗長至3片真葉時，挑選長勢一致的煙苗，于蒸餾水中饑餓處理24h，再分別置于不同鉀和鈣濃度的營養(yǎng)液中培養(yǎng)12d后，取煙株地上部及根系進行指標測定。試驗共設(shè)12個處理，包括2個鉀水平，分別為常鉀（5mmol/L）和低鉀（0.15mmol/L），以及6個鈣濃度（0、2、5、7、10、12mmol/L）試驗所用營液根據(jù)Hoagland完全營養(yǎng)溶液改良而成，去除營養(yǎng)液配方中所有鈣離子，使用氯化鈣調(diào)節(jié)營養(yǎng)液中鈣濃度，調(diào)節(jié)pH至6.5～70。在培養(yǎng)過程中，使用充氣泵每日通氣2h，每4d更換一次營養(yǎng)液，以保持營養(yǎng)液的成分相對穩(wěn)定。每處理6個重復(fù)。

1.3測試指標和方法

1.3.1煙株地上部及根系的物質(zhì)量分別取地上部及根系稱取鮮質(zhì)量，105℃殺青15min，80℃烘干，分別測定地上部及根系干質(zhì)量。

1.3.2煙株生理特征采用考馬斯亮藍G-250比色法測定葉片及根系中的可溶性蛋白含量;采用TTC（氯化三苯基四氮唑）法測定根系活力。葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性測定采用核黃素NBT法，過氧化物酶（POD）活性測定采用愈創(chuàng)木酚法，過氧化氫酶（CAT）活性測定采用紫外吸收法。

1.3.3根系鈣離子含量采用甲基百里香酚藍測定法定量檢測煙株根系中鈣離子含量，根據(jù)試劑盒使用步驟測定（試劑盒購自南京建成生物工程研究所）

1.3.4根系A(chǔ)tpase活性根系K-Atpase和Ca2+-Al Pase活性根據(jù)試劑盒使用步驟測定（試劑盒購自南京建成生物工程研究所）。

1.3.5煙株各部位鉀含量樣品烘干研磨粉碎過0.2mm篩后，精確稱量0.1000g，采用1mmol/L鹽酸提取，使用FP6400火焰光度計測定煙株地上部及根系鉀含量。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Excel2016進行數(shù)據(jù)整理及作圖，運用DPS7.05進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，使用Duncan新復(fù)極差法進行差異顯著性檢驗。

2結(jié)果

2.1不同鉀水平下鈣濃度對煙株生長發(fā)育的影響

2.1.1煙株地上部及根系的物質(zhì)量如圖1所示，常鉀水平下煙株地上部及根系的物質(zhì)量均高于低鉀水平。兩種鉀水平下，隨著鈣濃度的升高，煙株地上部及根系的物質(zhì)量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且均在鈣濃度為5mmol/L時達到最大值。鈣濃度為5mmol/L時，在同一鉀水平下地上部鮮質(zhì)量與其他處理差異均達到顯著水平，地上部干質(zhì)量與除鈣濃度為7mmol/L外的其他處理差異達到顯著水平。常鉀水平下的根系鮮質(zhì)量和低鉀水平下的根系干質(zhì)量在鈣濃度為5mmol/L時均與0、10、12mmo/L的處理差異達到顯著水平。低鉀水平下，鈣濃度為5mmol/L時的根系鮮質(zhì)量與其他處理（除2mmol/L）差異達到顯著水平。

2.1.2煙株生理特征如圖2A所示，葉片可溶性蛋白含量在低鉀水平顯著高于常鉀水平（除鈣濃度0mmol/L）;兩種鉀水平下均在鈣濃度為5mmol/L時最大，低鉀水平下較其他鈣濃度處理最大增加幅度為110.72%。根系可溶性蛋白（圖2B）在低鉀水平整體低于常鉀水平;常鉀水平隨著鈣濃度的升高呈現(xiàn)先增加后降低的單峰趨勢，鈣濃度為5moL時最大;低鉀水平下，在鈣濃度為2和mmol/L時較高，且與其他4個鈣濃度處理相比差異顯著。

由圖2C可知，常鉀水平下的煙株根系活力均

顯著高于低鉀水平。兩種鉀水平下，隨著鈣濃度的升高均呈現(xiàn)先升高后降低的單峰趨勢，且都在鈣濃度為7mmol/L時最大。

由圖2D、E、F可知，在相同鈣濃度下，常鉀處理葉片抗氧化酶活性均高于低鉀處理。3種抗氧化酶活性在相同鉀水平下隨鈣濃度升高均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢：SOD活性在鈣濃度為7mmol/L時最大，低鉀水平下與其他處理相比差異達到顯著水平，最大增幅為53.73%;POD和CAT活性均在鈣濃度為5mmol/L時最大，CAT活性與其他鈣濃度處理達到顯著差異。

2.2不同鉀水平下鈣濃度對煙株鉀吸收的影響

2.2.1根系鈣離子含量由圖3可知，煙株根系鈣離子含量在鈣濃度為0～7mmo/L時，低鉀煙株顯著高于常鉀煙株;鈣濃度為10～12mmol/L時，則表現(xiàn)出相反的規(guī)律。常鉀處理下，根系鈣離子含量在鈣濃度為10mmol/L時達到最大值0640mmog低鉀水平下，在鈣濃度為7mmol/L時達到峰值0.828mmog，且顯著高于其他鈣濃度處理;當鈣濃度為0mmol/L時的低鉀水平下的鈣離子含量也保持在較高的水平。

2.2.2根系A(chǔ)tpase活性如圖4所示，煙株根系K+-Atpase活性在常鉀水平下顯著高于低鉀水平在兩種鉀水平下隨鈣濃度增加呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，在鈣濃度為7mmol/L時最大。兩種鉀水平下，根系Ca2+-Atpase活性隨鈣濃度增加均呈現(xiàn)先降低再升高后降低的趨勢。常鉀水平下在鈣濃度為10mmoL時達到最大值0.388U/mg，低鉀水平下在鈣濃度為7mmol/L時達到峰值且差異顯著，并在鈣濃度為0mmol/L時保持較高的活性為0.389Umg。

2.2.3煙株各部位鉀含量由表1、2可知，鉀水平和鈣濃度以及兩者互作對煙株地上部和根系鉀含量有顯著影響。其中鉀水平對地上部和根系鉀含量的貢獻率均為最大，分別為54.71%和7990%其次是鈣濃度，貢獻率分別達到23.62%和17.32%;兩者互作對地上部鉀含量的貢獻率也較高為21.61。

如圖5所示，無論地上部還是根系，常鉀水平下其鉀含量均顯著高于低鉀水平。在地上部中，隨著鈣濃度的增加，常鉀煙株的鉀含量，表現(xiàn)為先增加后降低再增加的趨勢，在鈣濃度為5、7mmol/L時顯著高于其他處理;低鉀煙株地上部鉀含量在濃度為5mmol/L時達到最大值30.613mgg。在根系中，鉀含量的變化與地上部呈現(xiàn)相同的趨勢，兩種鉀水平處理均在鈣濃度為5mmol/L時達到最大值，且低鉀水平下與其他鈣濃度處理差異達到顯著水平。

3討論

低鉀脅迫下外界鈣濃度會顯著影響煙株生長發(fā)育。本研究表明，在同一鉀水平下，隨著外界鈣濃度的升高，煙株地上部及根系物質(zhì)量呈拋物線型變化，這與介曉磊等8的研究結(jié)果一致。此外，本試驗還發(fā)現(xiàn)，兩種鉀水平下，鈣濃度均在5mmol/L時最利于煙株各部位干物質(zhì)積累，這說明過高或過低的鈣濃度均不利于煙株的干物質(zhì)積累。植物可溶性蛋白和根系活力是反應(yīng)植物代謝狀況的重要指標92。根系可溶性蛋白含量和根系活力的變化規(guī)律相一致，常鉀水平整體高于低鉀水平，說明低鉀水平下根系的吸收能力有一定程度的降低。其原因可能是植物為了減少低鉀脅迫下根系K順濃度梯度外流而產(chǎn)生的一種保護機制2。不同鈣濃度處理下煙株各部位可溶性蛋白含量和根系活力整體均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，說明較低和較高的外界鈣濃度都不利于煙株代謝活動。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Ca2+作為外部刺激的次要信使與各種鈣信號傳感器相互作用，調(diào)節(jié)多種機制，包括維持細胞膜的穩(wěn)定性、改善抗氧化酶系統(tǒng)等。本研究發(fā)現(xiàn)，葉片抗氧化酶活性均隨外界鈣濃度升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這說明適當?shù)耐饨鏑a2濃度有利于提高煙株葉片抗逆性。

當植物遭受脅迫時，均會導(dǎo)致植物細胞質(zhì)內(nèi)Ca2濃度的變化，進而產(chǎn)生一系列生理反應(yīng)2。本試驗結(jié)果表明，在外界鈣濃度小于7mmol/L時，低鉀水平下的根系鈣離子含量和Ca2+-Atpase活性均高于常鉀水平，這可能是由于外界較低的鉀和鈣濃度導(dǎo)致細胞內(nèi)游離Ca2+濃度升高，較高的Ca2+Atpase活性控制胞質(zhì)鈣濃度，細胞內(nèi)大量的Ca2可能來源于細胞內(nèi)鈣庫252。作為響應(yīng)低鉀脅迫的重要第二信使，根系中較高的Ca2濃度也可使鈣傳感器更好的發(fā)揮作用，以提高植物應(yīng)對低鉀脅迫的能力。本試驗還發(fā)現(xiàn)，當外界鈣濃度為7mmol/L時K+-ATP酶活性最高。這些結(jié)果說明外界適當?shù)拟}濃度可以改善低鉀脅迫下根系A(chǔ)P酶的活性，提高根系的吸收能力。

本研究發(fā)現(xiàn)，兩種鉀水平下，隨著鈣濃度的升高，地上部和根系的鉀含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，其中低鉀脅迫下根系鉀含量變化最為明顯。研究認為外界鈣濃度會對煙株的吸鉀能力和鉀含量產(chǎn)生顯著影響，低濃度的Ca2可以促進K的吸收，但Ca2濃度過高時阻礙煙株鉀吸收，介曉磊等和雷廣海等的研究也支持這一觀點。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，外界鉀水平對煙株鉀吸收的貢獻率最高，尤其根系占79.90%，同時外界鈣濃度對煙株鉀吸收也有較大的影響，說明外界鉀水平和鈣濃度都是煙株鉀素含量的重要影響因素。植物對于K的吸收主要通過鉀離子通道和鉀轉(zhuǎn)運蛋白，但近些年隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)鉀離子通道或轉(zhuǎn)運蛋白可滲透Ca2+，如水稻高親和K轉(zhuǎn)運載體OSHII2：4具有滲透Ca2+的非選擇性陽離子通道功能2;外向整流的K通道KORC也是Ca2+可滲透的去極化激活的滲透通道（DACC）B。也有研究表明其他途徑如非選擇性陽離子通道（NSCCS）B]、環(huán)核苷酸門控通道（CNGC）等可同時參與植物K和Ca2+吸收。推測植物對K和Ca2+吸收擁有共用途徑可能是外界鈣濃度過高時植物對于鉀吸收明顯減少的主要原因之一，當外界鈣濃度過高時Ca2和K競爭共用的吸收通道或轉(zhuǎn)運體，降低K與載體之間的親和性，從而減少根系對K的吸收，其具體機理還有待進步研究探討。

4結(jié)論

水培試驗表明，當鈣濃度相同時，低鉀脅迫可通過抑制煙草根系代謝活動、根系A(chǔ)tpase活性、干物質(zhì)積累和葉片抗氧化酶活性等抑制煙草對鉀素的吸收和積累。低濃度鈣對煙草地上部和根系鉀吸收有促進作用，高濃度鈣則會抑制煙草鉀吸收。適量的鈣能有效促進煙株生長發(fā)育，增強根系活力和吸收能力以及對鉀離子的親和力，促進煙株鉀吸收，且5mmol/L鈣濃度的作用效果最好。

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