钾是植物生长不可或缺的三大元素之一^[1], 也是果树体内最重要的矿质营养元素之一。钾不仅对植物体内60多种酶具有活化作用, 而且参与植物体内光合产物的形成、运转及贮存, 能够通过其在气孔调节、渗透调节、电荷平衡、蛋白质合成和体内平衡等方面的调节功能增强植物的抗逆性^[2], 还可提高植物抵抗病菌入侵的能力^[3-4]。不同的植物种类或同种植物(作物)的不同品种对土壤缺钾的生理反应以及对钾元素的吸收利用效率存在明显差异^[5]。在梨树栽培中, 梨砧木在吸收、利用营养元素中起着关键作用。因此, 利用物种的遗传多样性, 选育钾高效梨砧木, 是提高梨树耐低钾能力、缓解梨园土壤钾素缺乏的有效途径。

目前, 国内外已先后开展了许多关于植物钾营养品种差异的研究工作并取得了较大进展, 如:玉米^[6]、番茄^[7]、西瓜^[8]等。Graham等^[9]总结了钾高效品种可能具有的主要形态学和生理学特征, 包括:良好的根系形态和根系分布; 遭受营养胁迫时根际有强烈的适应性反应; 钾可部分被其他元素(如Ca、Mg)替代; 钾向地上部的逆运转速率快, 再利用、再运转的效率高等。刘国栋等^[10]发现, 不同籼稻之间的钾素利用效率差异很大。胡承孝等^[11]对小麦的研究表明, 钾营养效率的差异主要表现在体内钾运输、分配等利用机制方面。这些结果表明植物不同钾效率品种之间形态学和生理学特征存在显著差异。目前, 对植物钾效率的研究基本上集中在一年生作物上, 对于梨树的研究涉及较少, 且前人的研究大多是在田间或盆栽进行, 具有许多不可控因素, 而水培影响因素少、可控性高, 对于深入了解不同品种梨砧木之间的钾效率差异具有重要意义。因此, 本研究以生产上常用的4种梨砧木幼苗为试验材料, 利用水培法研究了不同钾水平处理下不同品种梨砧木幼苗生长、根系形态、钾效率的差异等, 旨在发掘梨砧木钾高效品种, 为梨树耐低钾资源提供理论依据。

供试梨砧木品种为‘山梨’(Pyrus ussuriensis, 来自黑龙江)、‘杜梨Ⅰ’(P.betulifolia, 来自湖北)、‘杜梨Ⅱ’(P.betulifolia, 来自河南郑州)、‘豆梨’(P.calleryana, 来自河南郑州)。

试验于2016年5月至11月在实验室进行。2016年5月将进行过表面消毒和浸泡处理后的梨种子在4 ℃冰箱中低温沙藏1~2月左右。2016年6月下旬将经过沙藏处理的种子播入装有蛭石的穴盘中培养, 期间浇清水以维持适宜的土壤湿度。当穴盘中的幼苗长到5~6片真叶时, 选取大小比较一致的幼苗移至装有清水的水培盆中培养。2 d后, 将清水换成改良的1/2 Hoagland营养液进行培养, pH值用HCl或者NaOH调至6.5±0.2, 每7 d换1次营养液。营养液配方如下:2.5 mmol·L^-1Ca(NO₃)₂, 1.5 mmol·L^-1K₂SO₄, 1.0 mmol·L^-1 MgSO₄, 0.5 mmol·L^-1(NH₄)H₂PO₄, 0.2 μmol·L^-1 CuSO₄, 1.0 μmol · L^-1 ZnSO₄, 0.05 mmol·L^-1 Fe-Na-EDTA, 20 μmol·L^-1 H₃BO₃, 5.0 pmol·L^-1(NH₄)₆Mo₇O₂₄, 1.0 μmol·L^-1 MnCl₂。梨砧木幼苗生长2周后进行钾处理, 将4个品种砧木幼苗分成2组, 每组5盆, 即每个处理5个重复。一组进行适钾(含K⁺3.0 mmol·L^-1)处理, 另一组进行低钾(含K⁺0.1 mmol·L^-1)处理。连续培养4周后收获。

水培处理4周后, 从每个重复中取5株长势一致的幼苗测量其株高; 用根系扫描分析仪(WinRHIZO 2009)获取根系图像, 并对其根总长、根表面积、根体积、根直径及根尖数进行分析。

收获时对根、茎、叶各器官分别取样, 用去离子水洗净, 于105 ℃杀青30 min, 在70 ℃下烘干, 称质量, 研磨后, 用H₂SO₄-H₂O₂消煮, 采用火焰光度计测定钾含量; 采用硝酸-高氯酸消煮, ICP-AES(电感耦合等离子体发射光谱仪)测定钙与镁含量。

钾积累量=组织钾浓度×组织干物质量;

钾分配比例=组织钾积累量/整株钾积累量;

钾效率比=低钾干物质总质量/适钾干物质总质量;

钾利用效率=全株干质量/全株钾积累量。

参照王学奎^[12]的方法, 采用分光光度法测定叶绿素含量, 采用硫代巴比妥酸(TBA)法测定丙二醛(MDA)含量。

采用SPSS 18.0统计分析软件对数据进行分析, 用Microsoft Excel 2010与Origin Pro 9.1软件绘图。

由表 1可以看出:‘山梨’和‘杜梨Ⅱ’株高在不同钾水平处理下无显著差异, 但‘杜梨Ⅰ’和‘豆梨’株高在低钾处理下显著低于适钾处理, 分别下降了23.66%和17.22%。在低钾处理下, ‘山梨’‘杜梨Ⅰ’‘杜梨Ⅱ’和‘豆梨’幼苗的根、茎、叶干质量均低于适钾处理, 其中根干质量分别比适钾处理下降9.65%、10.88%、19.05%和14.77%, 茎干质量分别下降22.57%、30.08%、24.21%和26.81%, 叶干质重分别下降21.38%、22.11%、28.93%和28.67%。从全株来看, 低钾处理下4种梨砧木幼苗干质量分别下降20.61%、22.91%、26.83%和26.37%, 处理间均达显著水平。不同品种间相比较, ‘山梨’幼苗的根、茎、叶以及全株干质量的下降幅度都是最小的, 表明‘山梨’幼苗可能更耐低钾胁迫, ‘杜梨Ⅱ’和‘豆梨’幼苗可能对供钾量比较敏感。低钾处理下各个品种砧木幼苗的根冠比均有增加趋势, 其中‘山梨’幼苗的根冠比在适钾或低钾处理下均较低, 表明‘山梨’可能具有使用较少的根系物质维持较多的地上部生长的能力。

不同梨砧木幼苗根系形态对供钾水平的响应不同(表 2)。相同钾水平下, ‘山梨’的各根系参数均显著低于其他3种梨砧木。对于根系总根长来说, ‘山梨’幼苗在低钾处理下高于适钾处理, 提高了15.91%;‘杜梨Ⅰ’‘杜梨Ⅱ’和‘豆梨’幼苗在低钾处理下均低于适钾处理, 其中‘杜梨Ⅱ’降低了41.96%, 达到差异显著水平。对于根表面积和总根体积, 4种梨砧木幼苗在低钾处理下都低于适钾处理, 但只有‘杜梨Ⅱ’达到差异显著水平, 分别降低了39.06%和28.42%。在根尖数方面, ‘山梨’幼苗在低钾处理下高于适钾处理, 增加了20.76%;‘杜梨Ⅰ’‘杜梨Ⅱ’和‘豆梨’幼苗在低钾处理下均低于适钾处理, 其中‘杜梨Ⅱ’和‘豆梨’分别降低了48.47%和27.19%, 均达到差异显著水平。4种梨砧木幼苗的根平均直径在不同钾水平处理间均无显著差异。这说明低钾处理在一定程度上促进了‘山梨’幼苗新根发生, 但抑制了其他3种梨砧木幼苗的根系生长, 尤其是‘杜梨Ⅱ’。

从图 1-A、B、C可以看出:在低钾处理下, ‘山梨’‘杜梨Ⅰ’‘杜梨Ⅱ’和‘豆梨’幼苗的根、茎、叶钾含量均显著低于适钾处理, 根中钾含量分别降低了27.84%、25.78%、39.41%和16.38%, 茎中钾含量分别降低了26.98%、25.26%、9.09%和26.32%, 叶中钾含量分别降低了24.99%、24.19%、24.58%和35.63%, 这说明介质中供钾强度可显著影响梨砧木幼苗根、茎、叶钾浓度。不同品种间相比, ‘山梨’幼苗在适钾和低钾处理下各部位的钾含量都较低, 表明‘山梨’维持植株正常生长的需钾量较低。

	图 1 不同钾水平对不同梨砧木幼苗各部位钾、钙、镁含量的影响 Figure 1 Effects of different K+ levels on the contents of K+, Ca2+ and Mg2+ in root, stem and leaf of different pear rootstocks 柱上不同字母表示处理间在0.05水平显著差异。下同。 Different letters above the block in a single domain indicate significant difference between the treatments at 0.05 level. The same as follows.
图选项

介质中供钾水平也影响了幼苗体内钙、镁含量。低钾处理下, ‘山梨’幼苗的根、茎、叶中钙含量均显著高于适钾处理, 其钙含量分别增加了53.27%、36.12%和22.68%;‘杜梨Ⅱ’的叶中钙含量降低, ‘豆梨’的叶中钙含量仅增加了14.89%;‘杜梨Ⅰ’的根、茎、叶及‘杜梨Ⅱ’和‘豆梨’的根、茎中钙含量在适钾和低钾处理下均无显著差异(图 1-D、E、F)。‘山梨’‘杜梨Ⅰ’和‘豆梨’幼苗的根中镁含量在低钾处理下显著高于适钾处理, 分别增加了39.65%、23.12%和28.90%(图 1-G); 低钾处理下‘山梨’‘杜梨Ⅰ’和‘杜梨Ⅱ’幼苗的茎中镁含量显著高于适钾处理, 分别增加了25.14%、20.09%和14.55%(图 1-H); ‘山梨’和‘杜梨Ⅱ’幼苗的叶中镁含量在低钾处理下显著高于适钾处理, 分别增加了18.79%和11.46%(图 1-I)。与其他品种相比, ‘山梨’幼苗根、茎、叶中钙与镁含量的增加幅度都是最大的, 说明‘山梨’在低钾下可能具有较强的利用钙、镁替代钾的能力, 这可能是‘山梨’具有较高钾利用效率的内在机制之一。

在低钾处理下, ‘山梨’‘杜梨Ⅰ’‘杜梨Ⅱ’和‘豆梨’幼苗的根、茎、叶及植株中钾累积量均显著低于适钾处理(表 3)。‘山梨’幼苗的根、茎、叶和植株中钾积累量分别下降了43.17%、43.59%、44.46%和46.41%, ‘杜梨Ⅰ’幼苗的根、茎、叶和植株中钾积累量分别下降了34.78%、50.58%、41.39%和42.21%, ‘杜梨Ⅱ’幼苗的根、茎、叶和植株中钾积累量分别下降了54.09%、30.86%、46.03%和44.90%, ‘豆梨’幼苗的根、茎、叶和植株中钾积累量分别下降了33.53%、42.58%、49.56%和46.48%。

从表 3还可以看出:适钾和低钾处理下, 钾在叶片中的分配比例均最高, 在茎中的分配比例均最低。其中, ‘山梨’地上部叶片钾积累量占总量的比例明显高于其他品种, 表明它可能具有将有限的钾更多地向地上部、尤其是叶片转移的能力。

不同品种梨砧木幼苗钾效率比未达显著差异水平(图 2-A), 但‘山梨’的钾效率比相对较高。低钾处理下不同品种梨砧木幼苗的钾利用效率均显著高于适钾处理(图 2-B), ‘山梨’‘杜梨Ⅰ’‘杜梨Ⅱ’和‘豆梨’的钾利用效率分别增加45.89%、28.54%、32.90%和38.94%。其中‘山梨’的上升幅度最大, 这说明同一品种梨砧木在不同供钾水平下, 钾利用效率是不同的。在适钾或低钾处理下, ‘山梨’幼苗的钾利用效率均显著高于其他3种梨砧木, 说明‘山梨’幼苗具有较强的钾素利用能力。

	图 2 不同钾水平对梨砧木幼苗钾效率比及钾利用效率的影响 Figure 2 Effects of different K+ levels on the K+ efficient ratio and K utilization efficiency of different pear rootstocks
图选项

低钾处理下4种梨砧木幼苗的叶绿素含量均明显低于适钾处理。在适钾或低钾处理下, ‘山梨’幼苗的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b以及类胡萝卜素含量均显著高于其他梨砧木幼苗(图 3-A、B、C、D), 表明‘山梨’可能具有更强地利用钾促进叶绿素合成的能力。从图 3-E、F可以看出:低钾胁迫下, 4种梨幼苗的根和叶中的MDA含量均明显高于适钾处理, ‘山梨’‘杜梨Ⅰ’‘杜梨Ⅱ’和‘豆梨’根中MDA含量分别比适钾处理增加9.97%、15.60%、47.84%和54.99%, 其中‘山梨’的增加幅度最小; 叶中分别增加25.19%、42.55%、20.98%和21.51%, ‘山梨’‘杜梨Ⅱ’和‘豆梨’的增加幅度均明显低于‘杜梨Ⅰ’, 表明梨不同品种与部位受低钾胁迫的影响程度不同, ‘山梨’受低钾影响最小。

	图 3 不同钾水平对不同梨砧木幼苗叶绿素与MDA含量的影响 Figure 3 Effects of different K+ levels on the chlorophyll and MDA contents of different pear rootstocks
图选项

同一植物不同基因型生长和形态特征在同一供钾水平和不同供钾水平间均存在着明显差异, 且这些差异是受遗传基因控制的^[5]。在苹果砧木上的研究表明, 不同苹果砧木在低钾胁迫下的干质量下降幅度存在显著性差异^[13]。对植物不同钾效率基因型的研究结果表明, 低钾胁迫下钾高效基因型玉米^[14]和西瓜^[15]的干质量下降程度远远低于钾低效基因型。本研究中, 4种梨砧木幼苗的根、茎、叶及全株的干质量在低钾胁迫下均明显降低, 但与其他品种相比, ‘山梨’各部位及全株干质量的下降幅度均最小, 表明与其他3种梨砧木相比, ‘山梨’对低钾胁迫具有更强的耐受性。根系形态直接控制着植物吸收水分和养分, 进而影响其生长发育^[16]。根系的发育情况在一定程度上反映了植物体内的钾营养状况^[17]。许多研究表明, 低钾胁迫对作物的根系形态有很大影响^[18-20]。王英珍等^[21]指出, 缺钾严重抑制了‘翠冠梨’根系的生长, 各根系形态参数均显著降低。本研究表明, 低钾胁迫在一定程度上抑制了‘杜梨Ⅰ’‘杜梨Ⅱ’和‘豆梨’幼苗的根系生长, 其中‘杜梨Ⅱ’下降幅度最大, 而‘山梨’幼苗的总根长和根尖数则有所提高, 进一步表明‘山梨’可能通过优化根系形态来适应低钾胁迫。这与郝艳淑等^[22]的研究结果一致, 即低钾时棉花钾高效基因型的总根长和根总表面积显著升高, 而钾低效基因型根系各参数则均下降。

植物不同基因型对钾的吸收、积累、转运和利用效率等存在着很大差异^[23]。已有一些研究对水稻^[24]、大豆^[25]、棉花^[26]等作物在不同钾水平处理下钾素吸收、利用效率差异及其机制上进行了探索, 如低钾胁迫下植物体内原来的平衡状态会被打破, 为了适应外界环境的变化, 植物可以通过吸收较多其他阳离子(如Na⁺、Ca²⁺等)来弥补自身K⁺的不足或缺乏, 以此调节细胞的渗透势, 维持植物的正常代谢功能。低钾胁迫条件下, 棉花植株对Ca²⁺和Mg²⁺等阳离子的吸收量较高^[27], 表明K⁺可以部分被其他阳离子所代替^[28]。本研究也发现, 低钾处理使4种梨砧木幼苗体内各部位中的K⁺浓度有不同程度的降低, 同时提高了其Ca²⁺和Mg²⁺浓度; 与其他品种相比, ‘山梨’幼苗各部位中Ca²⁺和Mg²⁺浓度的上升幅度均最大, 表明‘山梨’可能具有更强地利用Ca²⁺和Mg²⁺来弥补体内K⁺不足的能力, 在一定程度上说明‘山梨’具有比其他品种更高的钾利用效率。钾在植株体内是高速移动的, 主要集中在生长活动旺盛的部分^[29-30]。卢颖林等^[31]研究表明, 低钾处理下不同基因型斑茅体内的钾主要积累在地上部。也有研究指出, 在不同钾水平处理下, 钾高效基因型棉花能将更多的钾转移至叶片中, 低钾时转移率更大, 表现出较强的耐低钾胁迫能力^[22]。本研究中, 不同钾水平处理下, 不同梨砧木幼苗体内钾素分配比例从大到小的器官依次为叶、根、茎, 且‘山梨’叶片中的钾积累量占总量的比例明显高于其他3种梨砧木, 表明‘山梨’可能具有将更多的钾转运到叶片中从而更有效利用钾的能力。因此, 我们将进一步研究不同钾效率梨砧木的钾转运特性。植物体内钾的利用效率是指植物组织内每单位钾生产的生物量。徐云等^[32]研究表明随着施钾量的逐渐减少, 大麻的钾利用效率会逐渐升高。汪吉东等^[33]则指出, 不同施钾水平下甘薯钾高效品种块根钾利用效率都显著高于对应的钾低效品种处理。本研究发现, 低钾处理使4个品种梨砧木幼苗的钾利用效率显著升高, ‘山梨’的上升幅度最大, 且适钾及低钾处理下‘山梨’钾利用效率都高于其他3种梨砧木。这些都表明‘山梨’能更有效地利用钾素, 耐低钾胁迫。

综上所述, ‘山梨’具有较强的耐低钾胁迫能力, 其机制可能在于‘山梨’具有较强的钾替代能力、钾向地上部转运能力以及钾利用效率。在下一步研究中可以从钾素在梨砧木幼苗体内的转运和再分配以及分子水平上研究其钾效率差异及其机制, 为生产上提供钾营养高效的优异砧木种质资源。