甜瓜苗期鉀高效基因型篩選體系研究

裴義瑋 張屹東 陸怡然

（1上海市金山工業區農業技術推廣服務站 201506）

（2上海交通大學農業與生物學院，上海市閔行區 200240）

鉀在植物生長發育過程中具有非常重要的生理作用，鉀肥短缺問題隨著農業生產的發展日益受到關注[1-2]。培育鉀高效作物品種是直接有效緩解鉀短缺的一種方法，而培育鉀高效品種和作物種質資源的篩選均須建立一個鉀吸收和利用效率的評價體系。傳統的評價方法往往以單一鉀脅迫濃度作為篩選條件，且反映不同品種鉀吸收利用能力的觀察指標也較為單調。同時，由于不同甜瓜品種的鉀轉運系統表達和調節會與環境條件發生一定的動態響應，從而使不同甜瓜基因型表現出的鉀吸收利用效率產生一定的差異，且在不同的生長時期這種差異也會有所不同；而通過設立多個水平的鉀脅迫濃度，研究在哪個鉀脅迫濃度和生長時期下甜瓜品種間的這種差異程度達到最大，則在該生長時期進行鉀高效基因型甜瓜篩選，該鉀脅迫濃度就能對不同的甜瓜品種起到越強烈的篩選作用。因此，本試驗研究的目的就是確立篩選作用最強烈的篩選條件，即建立甜瓜苗期鉀高效基因型篩選體系。

本試驗以4個甜瓜栽培品種為試驗材料，通過設計水培試驗，分別在幼苗期的不同生長時段進行數據測定與統計分析，最終確立甜瓜苗期鉀高效基因型篩選的適宜篩選時段、篩選鉀濃度與篩選生長指標，初步建立一個甜瓜苗期鉀高效基因型篩選體系。該甜瓜篩選體系是一個能夠便捷、快速、嚴謹、可靠地篩選或判別出一個甜瓜鉀高效基因型的篩選方法與模式，從而為后續甜瓜鉀營養相關試驗提供參考?，F將相關試驗結果報道如下。

1 材料與方法

1.1 供試品種

供試甜瓜品種為市場上常見的甜瓜推廣品種，品種具體信息見表1。

1.2 試驗設計

各品種取適當數量的甜瓜種子于55 ℃溫水中浸種15 min，30 ℃恒溫催芽露白后，移至75孔穴盤中，并放入組織培養箱進行育苗，待苗長至1葉1心期后移植進行水培。育苗地點位于上海交通大學農業與生物學院實踐中心，水培試驗地點位于學院東北角的連棟玻璃溫室，試驗時間為2017年2月上旬至5月中旬。

表1 供試甜瓜品種信息

水培具體方法：裁剪泡沫塑料板至與水培槽規格吻合并均勻打孔，每孔容納1株甜瓜幼株并用海綿填充洞孔，以固定莖基部。植株根系全部浸沒在營養液中，在培養過程中使用氣泵進行不間斷供氧，并每2 d更換1次營養液，初期使用牙簽扶固幼株。營養液采用苗錦山等推薦的水培配方[3]，母液配置完成后按比例稀釋得到最終體積為6 L左右的營養液，調整溶液pH至6.5～7.0。在原配方的基礎上對鉀離子濃度進行改動，以設置不同的鉀濃度處理，見表2。以K2SO4作為供鉀形式，同時改動Ca(NO3)2和NaNO3的含量，以維持硝態氮濃度，將KH2PO4替換為NaH2PO4，以提供磷元素。

試驗共設置5個水平的鉀濃度作為備選的篩選濃度，分別為原配方濃度CK(9 mmol/L)、K1（1 mmol/L）、K2（0.5 mmol/L）、K3（0.1 mmol/L）、K4（0.01 mmol/L），每個甜瓜品種分別在3葉期和6葉期兩個生長時期取鮮樣并測定相關指標，每處理重復3次。

表2 不同鉀濃度的營養液配方 （單位：g/L)

1.3 測定項目與方法

1.3.1 形態生長指標測定

（1）莖高，測量莖基部到頂葉基部的高度。（2）莖粗，用游標卡尺測量第一片真葉出生處莖部的直徑。（3）地上部干重、地下部干重，將植株從莖基處剪開，地上部置于105 ℃烘箱殺青15 min，然后與地下部分別放入信封后，于75 ℃烘干至恒重并稱量。

1.3.2 生理生化指標測定

（1）丙二醛（MDA），MDA與植物在逆境下遭受傷害和活性氧積累誘發的膜脂過氧化作用密切相關，是膜脂過氧化最重要的產物之一，可作為間接測定植物抗逆性的指標[4]，MDA含量的測定方法可參考趙世杰等的硫代巴比妥酸法（TBA）[4]。（2）全株鉀濃度，使用HNO3∶H2O2體積比為3∶1的液體消煮已均勻研磨成粉的樣品，隨后轉移至新試管中，并將消煮液以恰當倍數稀釋，最后于上海交通大學分析測試中心的PE-AA800原子吸收光譜儀測定樣品的鉀濃度。（3）吸鉀量，即植株的鉀吸收能力指標，全株吸鉀量(mg)=鉀濃度(mg/g)×全株干重(g)。（4）鉀利用指數（KUI），指株體組織內每單位鉀濃度所形成的生物量，是植株對鉀的利用能力指標，計算表達式為KUI=干重(g)/鉀含量(g/kg)×39，單位為g2·Dw/mmol，其中39為單位換算系數。

1.4 數據處理方法

采用Excel和SPSS22.0進行數據整理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 各甜瓜品種在不同鉀濃度下的吸鉀量和鉀利用指數

吸鉀量和鉀利用指數（KUI）是衡量植株鉀的吸收和利用效率的兩個重要指標。由于本試驗中“蜜天下”的吸鉀量在K3濃度下可能存在較為嚴重的誤差，故在這里僅列出不同甜瓜品種在3葉期和6葉期的不同鉀濃度下KUI的試驗數據。

由表3可知，在鉀利用指數方面，3葉期時，在K1至K3濃度下，各甜瓜品種間KUI差異顯著，在K3濃度下，各甜瓜品種間KUI差異不顯著；同時，變異系數隨鉀濃度的降低大體上呈不斷下降的趨勢，說明甜瓜植株在幼苗階段的鉀利用能力差異無法通過增大篩選壓力而體現，更多還是在鉀供應充足的條件下才能夠反應出來。6葉期則與3葉期相反，隨著篩選壓力的提升，4個甜瓜品種的KUI的變異系數大體上呈逐漸增大的趨勢，且在壓力最大的K4濃度下各品種間KUI差異顯著，其中以“蜜天下”的KUI最高。

表3 不同時期各甜瓜品種在不同鉀濃度條件下的鉀利用指數（KUI） （單位：g2·Dw/mmol）

2.2 取樣時期與鉀脅迫濃度的交互作用分析

為確定最適宜的篩選濃度和篩選時期，進一步以KUI作為指標，將K1、K2、K3、K4作為可能的適宜篩選濃度與篩選時期進行交互作用分析。由表4可知，取樣時期與鉀濃度之間存在極顯著的交互作用，其中6葉期×K4和其他各取樣時期與濃度的組合之間在P=0.05和P=0.01的顯著性水平上均存在差異，表明該組合的交互作用最好。6葉期的其余3個濃度組合之間均沒有顯著差異，而3葉期與各濃度的交互作用普遍較差。因此，宜將K4=0.01 mmol/L作為適宜的篩選濃度，6葉期作為適宜的篩選時期。

表4 不同取樣時期與鉀濃度的交互作用分析

2.3 篩選指標的確定

2.3.1 各備選指標的結果與分析

在確定適宜的篩選時期和篩選濃度后，對此濃度下不同甜瓜品種的各生理生化指標進行了分析。

由表5、6可知，不同甜瓜品種的莖高在K4和對照兩個濃度間的變化規律有所差異，“江南蜜一號”和“東方蜜一號”在鉀脅迫的篩選濃度下莖高低于對照濃度，而“玉姑”和“蜜天下”則相反。在對照濃度下，各品種的莖高不存在顯著差異，表現趨于一致；且莖高未同時在品種與鉀濃度間表現出顯著性差異，故不能將莖高作為篩選指標。

表5 在篩選濃度與對照濃度下不同甜瓜品種間的莖高比較

表6 在篩選濃度和對照濃度下不同品種的莖高方差分析

由表7、8可知，在鉀脅迫的篩選濃度下，4個甜瓜品種的莖粗均大于對照濃度，同時，莖粗在品種與鉀濃度間均呈顯著性差異（P=0.05水平），故可將莖粗作為篩選指標。

表7 在篩選濃度與對照濃度下不同甜瓜品種間的莖粗比較

表8 在篩選濃度與對照濃度下不同甜瓜品種間的莖粗方差分析

由表9、10可知，在鉀脅迫的篩選濃度下，“玉姑”和“蜜天下”地上部干重均是對照濃度的1.7倍以上，是鉀利用效率較高的品種，且在鉀脅迫的篩選濃度下，各甜瓜品種的表現存在一定的顯著性差異，說明改變鉀濃度對不同品種具有一定的篩選作用，但由于地上部干重未同時在品種與鉀濃度間表現出顯著性差異，故不能將地上部干重作為篩選指標。

表9 在篩選濃度與對照濃度下不同甜瓜品種間的地上部干重比較

表10 在篩選濃度與對照濃度下不同甜瓜品種間的地上部干重方差分析

由表11、12可知，在對照濃度下“江南蜜一號”的地下部干重顯著高于其余甜瓜品種，但在鉀脅迫的篩選濃度下，“蜜天下”的地下部干重最高。地下部干重在品種與鉀濃度間均呈顯著性差異（P=0.05水平），故可將地下部干重作為篩選指標。

表11 在篩選濃度與對照濃度下不同甜瓜品種間的地下部干重比較

表12 在篩選濃度與對照濃度下不同甜瓜品種間的地下部干重方差分析

根冠比一般以地下部根系與地上部莖、葉的干重比值表示，能反映植株地上部、地下部生長發育情況。由表13、14可知，除“東方蜜一號”外，其余甜瓜品種的根冠比均是在鉀脅迫的篩選濃度下大于對照濃度，且“江南蜜一號”在對照濃度下根冠比顯著高于其余甜瓜品種，推測鉀脅迫對甜瓜植株地下部的生長可能具有較為不利的影響，但由于根冠比未同時在品種與鉀濃度間表現出顯著性差異，故不能將根冠比作為篩選指標。

表13 在篩選濃度與對照濃度下不同甜瓜品種間的根冠比比較

表14 在篩選濃度與對照濃度下不同甜瓜品種間的根冠比方差分析

由表15、16可知，“江南蜜一號”和“東方蜜一號”在鉀脅迫的篩選濃度下MDA含量高于對照濃度，其中“江南蜜一號”的MDA含量差異較大，表明“江南蜜一號”對低鉀濃度的適應性較差；“玉姑”和“蜜天下”在鉀脅迫的篩選濃度下MDA含量低于對照濃度，表明膜損傷程度較小。MDA含量未同時在品種與鉀濃度間表現出顯著性差異，故不能將MDA含量作為篩選指標。

表15 在篩選濃度與對照濃度下不同甜瓜品種間的MDA含量比較

表16 在篩選濃度與對照濃度下不同甜瓜品種間的MDA含量方差分析

2.3.2 鉀高效基因型篩選體系候選指標的相關性分析

對供試甜瓜品種在6葉期在篩選濃度與對照濃度下的各指標數據進行相關分析。由表17可知，與鉀利用指數KUI呈顯著相關的指標有莖粗和地下部干重，分別為顯著正相關和極顯著正相關，因此，地上部干重就與KUI的相關性而言，仍具有一定的鉀高效篩選能力。根冠比與MDA含量和KUI呈一定的負相關，表明在鉀脅迫條件下植株地下部生長大于地上部，MDA含量降低，表現了植株對鉀脅迫的生理響應。

3 結論與討論

通過水培試驗，對甜瓜苗期鉀高效基因型品種篩選的篩選時期、篩選濃度、篩選指標進行了研究，確定了以6葉期作為篩選時期、0.01 mmol/L的鉀濃度作為篩選濃度、莖粗與地下部干重作為篩選指標的甜瓜苗期鉀高效基因型快速篩選體系。該甜瓜篩選體系是一個能夠便捷、快速、嚴謹、可靠地篩選或判別出甜瓜鉀高效基因型的篩選方法和模式，能夠為后續甜瓜鉀營養的相關試驗提供參考價值。

在本研究中，各甜瓜品種間的吸鉀量與KUI在供鉀充足的情況下差異相對不顯著，差異系數也較小，而隨著篩選壓力的提升，吸鉀量與KUI的變異系數逐漸上升，差異程度也更加豐富。在前人試驗中，隨著鉀濃度趨于0，各作物品種的表現反而趨于一致[6，9]，這說明隨著篩選壓力的提升，大多數作物品種因鉀低效受到脅迫，而少數鉀高效品種的優勢則可以顯現。然而，隨著篩選壓力的進一步加大，鉀高效品種也會受到影響，導致作物品種間差異程度再次降低，這符合篩選試驗的一般規律。

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