連作馬鈴薯對抗性酶及生物學特性變化的研究

裴國平 ，王 蒂 ，張俊蓮 ，沈寶云 ，楊 乾

（1.甘肅作物遺傳改良與種質創新重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070）

馬鈴薯是世界第四大糧食作物，可利用價值高達71%，比其他糧食作物高21%[1]。由于馬鈴薯具有產量高、生育期短、適應性強、營養豐富、適口性好、利于健康、用途廣泛等特點，已成為世界性重要的農業資源和多種工業加工原料，其需求量不斷增加。但由于世界人口的急劇增加，可利用土地面積的日益減少，提高土地利用率和單位面積產量是現代農業發展的一種趨勢。因此作物種類的單一，栽培年限的增加，便出現了農業可持續發展中的一個亟待解決的瓶頸問題——作物連作障礙[2-3]。國內外對連作障礙的研究主要集中在黃瓜、旱稻、番茄、茄子、花生、玉米和部分中藥材川（明）參、附子、地黃、人參，以及連作與雜草的關系[4]、連作與土壤肥料的關系[5]等方面，對馬鈴薯連作障礙的研究少有報道，胡宇[6]只對旱地馬鈴薯連作對土壤養分的影響進行了研究。

本試驗對加工型馬鈴薯大西洋在4個不同連作年限的3個生育時期的7項指標進行了研究，總結了馬鈴薯在不同連作狀態下各種生理生化指標的變化規律，以期為減輕馬鈴薯連作障礙和馬鈴薯高效栽培管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試品種 供試材料選用西北種植面積較大的馬鈴薯品種大西洋，試驗選用其脫毒種薯，由甘肅條山集團雙豐公司提供。

1.1.2 試驗地概況 試驗馬鈴薯種植在亞盛集團條山農場（東經 103°33′～104°43′，北緯 36°43′～37°38′，海拔1 600 m）大西洋生產基地不同連作年限的土壤上，土壤類型主要為洪積灰棕荒漠土和灰鈣土。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗地分為：連作零年（L0-stubble cropping）、 連 作 一 年 （L1-continuous cropping）、連作二年（L2-triple cropping）、連作三年（L3-alternate cropping），小區面積 4 m×5 m＝20 m2，各小區種植85株，株距30 cm，行距80 cm，重復3次，水肥管理和病蟲害防治與農場商品薯生產相同，各小區用5點法采樣。分別在馬鈴薯現蕾期、盛花期、成熟期采取4個不同連作年限小區中植株相同部位的新鮮葉片，在甘肅省作物遺傳改良與種質創新重點實驗室（甘肅農業大學農學院）對生理指標進行測定。株高、葉面積和產量在田間測定。試驗所得數據用Microsoft Office Excel 2003進行處理，用SPSS 16.0作數據分析。

1.2.2 測定方法 （1）丙二醛、脯氨酸含量和超氧化物歧化酶活性的測定。參考趙世杰和鄒琦等[7－8]的方法測定丙二醛含量；參考張永成和田豐[9]測定脯氨酸含量；按鄒琦等[10]的氮藍四唑（NBT）光化學還原法測定超氧化物歧化酶。

（2）植物組織含水量的測定。參考張永成和田豐[11]測定植物組織含水量，現蕾期采集馬鈴薯植株地上主莖第4分枝的第5片葉子，盛花期采集第6分枝的第6片葉子，成熟期采集第7分支的第6片葉子。

（3）株高的測定。現蕾期以花蕾最集中部位、盛花期以主莖主花序頂端部位、成熟期以植株最高部位距地面的高度為準，用直尺測量各小區的植株高度。

（4）葉面積的測定。采用張永成等[12]的剪紙稱重法，測定馬鈴薯植株地上主莖第4分枝的第6片葉進行葉面積大小，測后掛牌標記。具體如下：①取質地均一的硫酸鉛紙一張，稱出其重量W1，然后量其長寬計算出面積S1；②將不同茬口的馬鈴薯葉片并拓在硫酸鉛紙上用鉛筆畫沿葉片邊緣直觀地畫出其輪廓；③用剪刀將畫在硫酸鉛紙上的葉片輪廓裁下，稱其重量W2；④利用如下公式求出S：

S=（W2·S1）/W1

（5）產量的測定。每個不同連作年限的馬鈴薯收獲后用磅秤對各小區的產量進行測定，求出各小區的均值，單位換算成：t/hm2。

2 結果與分析

2.1 連作對馬鈴薯植株丙二醛（MDA）含量的影響

從圖1可知，同一連作年限馬鈴薯植株丙二醛（MDA）濃度在盛花期最大，顯蕾期最小。在4個連作年限中，丙二醛在現蕾期時的含量連作兩年顯著高于連作一年，在盛花期和成熟期時無顯著性差異。MDA是植物器官在遭受逆境傷害時膜脂過氧化作用的最終分解產物，其含量可以反應植物遭受逆境傷害的程度。由此可見，馬鈴薯植株體中MDA的含量隨著連作年限的增加而增加，并且隨生長發育的推進而升高，因此，連作增加了膜脂過氧化作用對馬鈴薯植株造成了逆境傷害。

圖1 連作馬鈴薯植株MDA含量的變化

2.2 連作對馬鈴薯植株脯氨酸含量的影響

從圖2可知，同一連作年限成熟期最大，現蕾期最小。現蕾期、盛花期和成熟期中連作二年含量均最大，連作零年含量均最小，表現為：連作二年＞連作三年＞連作一年＞連作零年。由此可見，連作馬鈴薯植株體中脯氨酸的含量在連作二年時達到最大，現蕾期為 80.80 μg/g，盛花期為 148.88 μg/g，成熟期為190.74 μg/g，連作三年時其含量開始下降，并且脯氨酸的含量隨生長期的變化而變化，隨著生育時期的推進，其含量呈現明顯的倍性增長趨勢。植物在正常情況下，游離脯氨酸的含量很低，但在遇到干旱、鹽堿、衰老等逆境時，其便在植株體內大量積累，并且積累指數與植物的抗逆性有關。因此，植物體內脯氨酸含量的多少可以衡量植物遭受逆境傷害的嚴重程度。由上面結果可以看出連作是一種逆境，對馬鈴薯的生長造成了傷害，且連作二年時對植株體內的脯氨酸含量影響最大但連作年現與含量不成比例。

圖2 連作馬鈴薯葉片中脯氨酸含量的變化

2.3 連作對馬鈴薯植株超氧化物歧化酶（SOD）活性的影響

從圖3可知，超氧化物歧化酶（SOD）的活性在任何一個時期里連作三年最大，連作零年最小。同一連作年限SOD活性成熟期最大，現蕾期最小，且從現蕾期到成熟期都呈增加的趨勢，在現蕾期時的活性連作一年、連作二年、連作三年均顯著高于連作零年，在盛花期時的活性連作二年和連作三年顯著高于連作一年和連作零年，在成熟期時連作二年顯著高于連作一年和連作零年。SOD是一種含金屬酶，能與過氧化物酶、過氧化氫酶等酶協同作用防御活性氧或其它過氧化物自由基對細胞膜系統的傷害，從上面結果中可以看出，馬鈴薯植株體中SOD活性隨連作年限的增加均值呈增加的趨勢，并隨生長期的變化而變化，生長越衰老，活性越高，連作造成活性氧或其它過氧化物自由基對細胞膜系統的破壞，對馬鈴薯的生長造成了逆境傷害。

圖3 連作馬鈴薯葉片中SOD活性的變化

2.4 連作對馬鈴薯植株高度的影響

從圖4可知，馬鈴薯植株高度在連作零年時最高，在連作三年時最低，現蕾期最低，成熟期最高，在盛花期和成熟期時是連作零年和連作一年顯著高于連作二年和連作三年，且連作零年顯著高于連作一年。由此可見，連作馬鈴薯植株的高度在同一生育期隨著連作年限的增加而降低，隨生長期的變化而變化，連作年限越多，植株越矮，生長越衰老，生長速度越慢。因此，連作年限越長，馬鈴薯植株的生長勢越弱生長越緩慢。

圖4 連作馬鈴薯植株高度的變化

2.5 連作對馬鈴薯植株葉面積的影響

從圖5可知，馬鈴薯植株葉面積連作零年最大，連作三年最小，成熟期最大，現蕾期最小。成熟期時連作零年顯著大于連作一年、連作二年、連作三年，且連作一年顯著大于連作二年和連作三年，連作零年的葉片面積達到18.63 cm2，連作三年為12.77 cm2。葉片是作物最重要的光合器官，也是判斷植株生長旺盛與否的重要標志，其面積的大小直接關系到光合作用的強弱直至影響產量。由此可見，連作馬鈴薯植株的葉片面積隨著連作年限的增加而減小，隨生長期的變化而變化，連作年限越多，葉片面積越小，葉片生長速度越慢。因此，連作年限越長，馬鈴薯植株長勢越虛弱，生長越緩慢，馬鈴薯的產量相應也越低。

圖5 連作馬鈴薯植株葉片面積的變化

2.6 連作對馬鈴薯植株組織含水量的影響

從圖6可知，葉片含水量在顯蕾期時無顯著性差異，在盛花期和成熟期時連作零年和連作一年的含水量均顯著大于連作二年和連作三年，成熟期時連作零年的葉片含水量占鮮重的83.84%，連作三年為82.15%。同生育期馬鈴薯葉片組織中的含水量在連作零年時最大，在連作三年時最小，成熟期最小，現蕾期最大。含水量是植物水分狀況的重要指標，植物組織含水量不但直接影響植物的生長、呼吸、光合直至作物產量，而且還對馬鈴薯品質以及儲藏具有至關重要的作用。由此可見，連作馬鈴薯葉片組織中含水量隨著連作年限的增加而減少，隨生長期的變化而變化，連作年限越多，含水量越少，生長越衰老，含水量越少，馬鈴薯的產量和品質均下降。

圖6 連作馬鈴薯葉片組織中含水量的變化

2.7 連作對馬鈴薯產量的影響

以商品薯的產量為計量標準。從圖7可知，連作馬鈴薯的產量隨著連作年限的增加呈下降趨勢，每公頃產量連作零年＞連作一年＞連作二年＞連作三年，且兩兩差異均顯著，連作零年高達34.50 t/hm2，連作三年僅為8.00 t/hm2，從連作零年到連作三年的產量降幅為331.3%。在四個不同連作年限中，相鄰兩個連作年限產量降幅最大的是從連作一年到連作二年，降幅為132.2%。由此可見，連作造成馬鈴薯單產迅速遞減，使其經濟效益下降，連作年限越長，產量越低且在連作一年到連作二年時降幅最大。

圖7 連作馬鈴薯產量的變化

3 討論與結論

引起馬鈴薯連作障礙的原因是作物和土壤兩個系統內部諸多因素綜合作用結果的體現[13-14]。1983年日本的瀧島[3]將產生作物連作障礙的原因歸納為五大因子：①土壤養分虧缺；②土壤反應異常；③土壤理化性狀惡化；④來自植物的有害物質；⑤土壤微生物變化。

本試驗結果表明：（1）丙二醛的含量與連作年限的長短關系不大，這可能是不同作物對連作的不同反應造成的，值得繼續深入研究。（2）馬鈴薯植株葉片中脯氨酸的含量隨連作年限的加長而增多，SOD的活性隨連作年限的增加而加強。SOD酶是存在于細胞中的保護性酶，其主要功能是清除自由基，使自由基保持在低水平上，連作使SOD酶活性加強，說明馬鈴薯受到脅迫。（3）隨著連作年限的增加，馬鈴薯株高、葉面積、植物組織含水量和產量都降低。葉面積的變小降低了植株的光合作用，進而減慢塊莖的膨大；植高和含水的降低增大了植株衰老的速度；生理生物學性質的變差均降低了植株對土壤養分的吸收和對化感物質和病蟲害抗性，形成一種惡性循環，最終的綜合結果就是產量降低、品質變差、抗逆性降低。

馬鈴薯連作后丙二醛含量變化不明顯、超氧化物歧化酶活性增強、脯氨酸增多，植株變矮、葉片變小、組織含水量降低，產量銳減，造成這種變化的因素是多樣的，也是各種素綜合的結果。因此，綜合其他因素并深入細致地研究馬鈴薯連作障礙抗性酶的變化規律，才能更好地為減輕馬鈴薯連作障礙和高效栽培管理提供理論科學依據。

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