不同鉀效率基因型香蕉根際鉀營養與根系特性研究

吳宇佳，張文，符傳良，鄭道君，劉國彪，謝良商

海南省農業科學院農業環境與土壤研究所//農業部海南耕地保育科學觀測試驗站，海南 海口 571100

香蕉（Musa spp.）為芭蕉科（Musaceae）芭蕉屬（Musa）多年生常綠大型單子葉草本植物，分布于世界120多個國家和地區，FAO（聯合國糧農組織）把香蕉認定為僅次于水稻（Oryza sativa）、小麥（Triticum aestivum）、玉米（Zea mays）之后的第四大糧食作物。據統計，全世界香蕉品種約有300多個，我國臺灣省有80個，大陸諸省區共有30余個（徐遲默，2006）。2011年中國香蕉產量達到1070.5×104t，位居世界第2位。香蕉喜鉀，但中國卻以海南、福建、廣西、廣東等土壤缺鉀嚴重的亞熱帶、熱帶地區為主產區。目前我國鉀肥資源短缺嚴重、香蕉栽培品種比較單一（韋開蕾等，2013）。因此，篩選和培育鉀高效基因型香蕉，研究不同基因型香蕉的鉀效率差異機制，利用鉀高效基因型作物來挖掘土壤鉀素潛力，是解決這一問題的有效途徑之一。

在植物的生長過程中，其根系在攝取環境中養分的同時也向環境溢泌離子、質子與有機物質，這便為根際的微生物提供了能源物質，還能極大程度地影響根際微區化學與物理環境的變化，從而對根際土壤的養分狀況產生很大的影響（張福鎖等，1993；郝艷如等，2001）。然而，根系主導的根際動態又具有明顯的基因型差異（李春喜等，2016；祖艷群等，2015），并受植物營養狀況的誘導和調控。以往研究已發現，不同鉀效率的小麥（Triticum aestivum）、烤煙（Nicotiana tabacum）、籽粒莧（Amaranthus hypochondriacus）等作物的基因型間根際鉀營養特點具有明顯的差異（曹一平等，1991；楊鐵釗等，2009）。香蕉是高喜鉀植物，根際鉀營養會隨著根系吸收、活化土壤鉀的能力大小而變化，因此，應結合香蕉自身根系特性進行相關研究。然而，至今未見針對香蕉不同鉀效率基因型進行的根際鉀營養動態與根系特點方面差異的研究。本研究在水培和低鉀土培條件下，對4個不同鉀效率基因型香蕉根際與非根際土壤的速效鉀、緩效鉀與全鉀質量分數，以及根系主要分泌物、根際微生物數量、根系CEC和根系H+分泌量的變化差異及其之間的相關性進行了具體的分析，以期為香蕉的品種選育、香蕉與根際土壤環境之間的相互影響機制方面的研究提供理論依據。

1　材料與方法

1.1　試驗材料

1.1.1供試土壤

磚紅壤，取自海口美蘭區荒地0～20 cm瘦土，基本理化性質：有機質12.5 g·kg-1，堿解氮（N）36.5 mg·kg-1，有效磷（P）3.8 mg·kg-1，全鉀（K2O）1546.2 mg·kg-1，緩效鉀（K）42.8 mg·kg-1，速效鉀（K）23.3 mg·kg-1。

1.1.2供試品種

鉀高效基因型香蕉品種為廣粉、牛角蕉，是以鉀效率系數和鉀利用指數為指標篩選出來的鉀高效基因型品種（吳宇佳等，2014；2015）；對照品種為黎母山野生蕉和天寶蕉。將4個基因型的香蕉組培苗置于沙床中煉苗，每天視天氣情況和蕉苗生長狀態，噴施一定量的營養液（以滿足蕉苗生長需求為準），選取生長一致的具有6片真葉的蕉苗進行移栽，同時進行水培與土培試驗。

1.1.3供試肥料

尿素（含N46%），過磷酸鈣（含P2O512%）。

1.2　試驗設計

1.2.1土培試驗

盆栽種植，盆高30 cm，內徑40 cm。每盆裝瘦土25 kg，施用尿素30 g、過磷酸鈣200 g作基肥，生長30 d后視生長情況適量追施氮肥，4次重復，隨機區組排列。選取生長一致的蕉苗移栽至盆，培養90 d后取樣測定各相關項目。此時蕉株已經進入旺長期，代謝旺盛，吸收礦質元素量大，能更準確地反映出植株基因型間對礦質元素吸收的差異。取樣時除去盆內表土，采用抖落法收集根際與非根際土壤，并分別對根際、非根際土壤的各形態鉀含量及真菌、細菌、放線菌的數量進行測定。

1.2.2水培試驗

試驗采用4個不同香蕉基因型品種，設0.025、2.5 mmol·L-1兩個鉀處理水平，共8個處理，9次重復，隨機區組排列。將蕉苗移栽至水培箱中，分別于培養40 d和42 d時各取3個重復進行根系分泌物的收集及根系H+分泌量和根系CEC的測定。

1.3　測定內容與方法

1.3.1微生物測定方法

采用稀釋平板法測定細菌、真菌、放線菌的數量（Carter，1993），細菌培養用牛肉膏蛋白胨培養基，放線菌培養用高氏一號培養基，真菌培養用馬丁氏培養基。稀釋程度為：細菌10-6～10-4；真菌10-3～10-1；放線菌 10-5～10-3。計算公式：每克干土中菌落個數=菌落平均個數×稀釋倍數。

1.3.2植株與土樣測定

采用1 mol·L-1HCl浸提-火焰光度計法測定植株鉀含量；土壤基本理化性質測定采用常規方法（魯如坤，2000）進行：土壤有機質含量采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定；土壤有效磷含量采用鹽酸-氟化銨法測定；土壤全鉀含量采用 NaOH熔融-火焰光度計法測定；土壤速效鉀含量采用醋酸銨-火焰光度計法；土壤緩效鉀含量以1 mol·L-1熱硝酸浸提的鉀含量減去速效鉀含量計。所有土樣 均設3次重復。

1.3.3根系分泌物的收集方法和測定

首先對根系進行簡單處理，然后置于盛有 5 mg·L-1百里酚溶液的燒杯中浸泡2.5 min，再轉入裝有300 mL蒸餾水的棕色玻璃瓶中，每瓶4株，重復3次。連續收集16 h，將根系分泌物過濾去除雜質后進行超低溫冷凍干燥，濃縮至8 mL，于-20 ℃下低溫保存（李廷軒等，2004）。氨基酸與糖類總量的測定分別采用南京建成生物工程公司生產的植物可溶性糖和總氨基酸測定試劑盒。

1.3.4根系氫質子分泌能力的測定

將蕉株在無鉀營養液中放置48 h后，取生長一致的蕉株15株，用0.2 mmol·L-1CaSO4溶液浸洗3次，用濾紙吸干水分，將植株放入250 mL吸收液（2.0 mmol·L-1K2SO4+0.2 mmol·L-1CaSO4）中培養，3.5 h 后取吸收液 50 mL，用 0.01 mol·L-1標準 NaOH溶液進行滴定，計算得出香蕉不同基因型品種的氫質子分泌能力（鄒春琴等，2000）。

1.3.5根系陽離子交換量（CEC）的測定

參考（崔國賢等，2000）的方法，將沖洗干凈的根系于80 ℃下烘干，磨碎后混勻備用。稱取0.1 g樣品于燒杯中，加入100 mL 0.01 mol·L-1鹽酸溶液，攪拌過濾后用去離子水將剩下的殘渣洗至沒有氯離子（用3% AgNO3檢驗）為止，再用100 mL 1 mol·L-1KCl溶液將根樣沖入小燒杯中，最后用0.01 mol·L-1KOH溶液進行滴定，至pH值穩定在7.0，記錄所消耗KOH的體積V。根系陽離子交換量CEC（cmol·kg-1）計算式如下：

式中，m為根系干質量。

1.4　統計分析

運用Excel 2007和SAS 9.0對實驗數據進行統計分析，采用ANOVA結合Duncan法進行方差分析和多重比較。

2　結果與分析

2.1　不同鉀效率基因型香蕉根際土壤的不同形態鉀質量分數差異

土壤中鉀離子的移動性很強，史剛榮（2004）研究認為，作物在正常條件下，其根際會出現鉀素養分虧缺的現象。本研究結果顯示（見表 1），4個品種香蕉，無論是根際土壤的速效鉀還是緩效鉀質量分數都比非根際區高，牛角蕉、廣粉、天寶蕉和黎母山野生蕉根際土壤速效鉀和緩效鉀分別是非根際土壤的3.9、3.4、2.5、2.2倍和2.6、3.3、2.5、1.9倍。牛角蕉和廣粉為鉀高效基因型，其根際土壤的速效鉀和緩效鉀質量分數均比低效基因型天寶蕉和黎母山野生蕉高出 27.35%以上。供試的 4個品種根際土壤的全鉀質量分數相比非根際土壤均有所下降，但降低幅度沒有土壤緩效鉀和速效鉀的增幅大，僅在 3.2%～13.1%之間。在兩種不同鉀效率基因型間進行顯著性檢驗，結果顯示，根際土壤的速效鉀和緩效鉀質量分數差異達到極顯著水平，根際土壤全鉀質量分數差異達顯著水平，非根際土壤全鉀質量分數差異并不顯著。在相同鉀效率基因型內進行的顯著性檢驗結果顯示，相同基因型的不同香蕉品種間非根際土壤的全鉀、緩效鉀和速效鉀質量分數間均無顯著差異，根際土壤僅速效鉀質量分數間無顯著差異。

2.2　不同鉀效率基因型香蕉的根際微生物數量差異

植物根際微生物與植物生長之間存在頗為密切的關系，植物根系可通過分泌各種有益物質而對根際微生物的種類、數量及分布產生影響（胡學玉等，2002）。本研究結果顯示（見表 2），4個香蕉品種根際土壤的真菌數量均比非根際區土壤高 1個數量級以上，細菌數量和放線菌數量均比非根際區土壤高，分別增加了3.8、4.9、1.4、0.6倍和3.5、4.6、1.1、0.3倍。在根際土壤微生物數量方面，顯著性檢驗顯示，不同鉀效率基因型間差異顯著，高效基因型香蕉根際土壤真菌、細菌和放線菌的數量均與低效基因型相差1倍以上，但基因型內各品種間差異卻不顯著。

2.3　不同基因型香蕉根系分泌游離氨基酸和可溶性糖的能力差異

在礦質營養脅迫條件下，植物的根系分泌量會增加，且與基因型有關（Ohwaki et al.，1992；Zhang et al.，1997；李廷軒等，2005）。本研究測定了4個不同基因型香蕉品種的根系分泌物，結果顯示（見表3），香蕉根系分泌的可溶性糖量非常高，與游離氨基酸分泌量相差幾十倍；不同香蕉基因型間的根系分泌量也存在較大的差別，鉀高效基因型根系游離氨基酸與可溶性糖的分泌量與低效基因型相差 0.62～2.09倍。統計分析結果顯示，基因型內品種間可溶性糖和游離氨基酸的分泌量差異并不顯著，而基因型間差異均達極顯著水平。

表1　不同鉀效率基因型香蕉的根際土壤鉀質量分數差異Table 1　Contents of potassium in rhizospheric soils of banana different in genetype　　　　　(K2O mg·kg-1)

表2　不同基因型香蕉的根際微生物數量差異Table 2　Numbers of soilmicrobe in rhizospheric soils of banana different in genetype　　　　(cfu·g-1 dry soil)

2.4　不同基因型香蕉根系分泌質子能力的差異

根系分泌 H+能力的大小能夠表征根系對外界環境中陽離子養分的吸收能力（劉洪升等，2002）。本研究結果表明，牛角蕉、廣粉、天寶蕉和黎母山野生蕉的根系質子（H+）分泌量分別為39.6、41.4、25.2、22.8 μmol·L-1·g-1·h-1。經顯著性分析，鉀高效基因型根系的質子分泌量顯著高于低效基因型，前者是后者的 1.57～1.82倍；相同基因型的不同品種之間，其根系質子分泌量相差甚微，僅達 1.8～2.4μmol·L-1·g-1·h-1，可見相同基因型內的品種間，根系對外界環境中陽離子養分的吸收能力相接近。經相關分析，根系質子分泌量與植株含鉀量之間呈顯著正相關（r=0.9605*）。

2.5　不同基因型香蕉根系CEC與植株鉀質量分數間的關系

根系杜南自由空間的選擇性吸收是由根系陽離子交換量掌控的，其對根系吸收礦質元素有很大影響（李興濤等，2010）。大多情況下，植物對礦質營養元素的吸收量隨根系 CEC的增大而增加。由表4可知，鉀高效基因型根系CEC顯著高于鉀低效基因型，分別是低效基因型的 1.69～2.57倍，且植株含鉀量高低與之有著相同的變化趨勢，而在相同基因型內的這種差異則不顯著。經相關性分析，香蕉根系陽離子交換量和植株鉀含量之間呈極顯著正相關（r=0.9993**）。

2.6　相關性分析

通過土培盆栽試驗和水培試驗，將不同鉀效率基因型香蕉根際土壤鉀含量與各指標間進行相關性分析（見表 5），發現香蕉根際土速效鉀和緩效鉀分別與根際微生物數量、根系CEC、根系氫質子分泌量、根系總有機酸分泌量、根系蛋白質分泌量、可溶性糖分泌量和氨基酸分泌量均呈顯著正相關關系，相關系數達0.95以上。由此可以明確香蕉根際微區土壤的鉀營養狀況與根際土壤微生物、根系陽離子交換量、根系氫質子分泌量及根系分泌有著密不可分的關系。

3　討論

香蕉是高喜鉀作物，土壤中鉀的含量對香蕉根系鉀的吸收有著直接的影響。前期研究（吳宇佳等，2015）表明，牛角蕉與廣粉是香蕉鉀高效基因型，不僅鉀利用指數高，且具較高的鉀素吸收積累量。本研究擬在根系生理與根際生態方向上研究香蕉鉀高效基因型鉀吸收積累的特性，結果顯示，牛角蕉與廣粉根際土壤中的速效鉀、緩效鉀含量均比低效基因型高，且根際土壤的全鉀含量較非根際土壤的降低幅度亦大于低效基因型，間接說明了鉀高效基因型的根系土壤活化能力較強。

表3　不同基因型香蕉的主要根系單位時間分泌物含量差異Table 3　Content of main root exudates in different banana genetype　　　　　　　μg·g-1·h-1

表4　不同香蕉基因型根系CEC與植株鉀質量分數Table 4　Cation exchange capacity of the roots and potassium content of banana different in genotype

表5　不同基因型香蕉根際土鉀含量與各指標間的相關性分析Table 5　Analysis of correlation between potassium content in rhizosphere soil and each index in different genotypes of banana

根際是土壤-植物-微生物三者相互作用的場所，是土壤營養物質進入植物體內的門戶，也是植物體本身生命活動與代謝對土壤產生最直接影響的區域（劉建軍等，1998）。大多數植被都呈現出根際養分和土壤微生物數量相似的根際效應（李廷軒等，2004；杜有新等，2013）。本研究結果顯示，香蕉的根際微生物數量變化與植株鉀含量變化和根際土壤鉀的富集趨勢相同，這在一定程度上證明了根際微生物活動對香蕉根際的鉀營養有效性的促進作用。

大量研究結果顯示，植物在低養分脅迫時，根系分泌物的成分及數量會發生急劇變化以適應環境的改變（曹麗霞等，2009；吳林坤等，2014；趙寬等，2015），而低分子量根系分泌物及主要組分可顯著提高土壤微生物的活性（苑亞茹等，2011）。本研究結果表明，在低鉀脅迫下，香蕉鉀高效基因型的氨基酸、可溶性糖等根系分泌物的含量顯著增加，由表2、表3可知，香蕉不同基因型根系的可溶性糖、游離氨基酸的分泌量與根際微生物的數量呈相同變化趨勢。鉀高效基因型根際的細菌、真菌和放線菌數量均顯著高于低效基因型，根系分泌的可溶性糖和氨基酸總量亦如此。這也說明不同鉀效率基因型香蕉根系分泌的大量物質為土壤微生物提供了有效能源，直接影響著根際土壤的微生物數量，再間接地通過微生物的代謝活動來改變根際土壤的有效養分。

植株根系陽離子交換量和根系分泌質子的能力直接反映了根系對外界環境中陽離子的吸收能力（郭強等，2000；寧良丹，2012；鐘軍等，2014）。本研究結果顯示，香蕉不同基因型根系CEC、質子分泌量和植株的鉀含量呈顯著正相關（r＞0.96），且鉀高效基因型根系 CEC和質子分泌能力明顯強于低效基因型，這說明香蕉根系的吸鉀能力一定程度上受CEC與質子分泌量大小的影響。

4　結論

（1）香蕉根際土壤速效鉀和緩效鉀含量明顯高于非根際土壤，而全鉀含量卻低于非根際土壤，且鉀高效基因型的降低幅度大于低效基因型，不同鉀效率基因型間根際土壤的速效鉀和緩效鉀質量分數差異達到極顯著水平。（2）香蕉鉀高效型根際微生物數量和根系分泌能力顯著高于低效基因型，基因型內品種間差異不顯著。

（3）香蕉鉀高效基因型根系陽離子交換量和質子分泌量顯著高于低效基因型，二者與植株含鉀量之間呈顯著正相關。

（4）香蕉根際土速效鉀和緩效鉀分別與根際微生物數量、根系CEC、根系氫質子分泌量、可溶性糖分泌量和氨基酸分泌量呈顯著正相關關系，相關系數達0.95以上。

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