低钾胁迫对烤烟根系生长和根毛形态的影响

低钾胁迫对烤烟根系生长和根毛形态的影响

烟雾是一种喜钾植物。钾素的吸收和积累不仅关系到烟草类别的生长发育，也关系到居叶区的品质。因此，提高耐叶性钾含量一直是我国茶叶生产的主要目标之一。我国南方烟区土壤有效钾含量普遍偏低。必须补充大量的钾肥,而我国钾肥资源严重短缺,需要大量进口才能解决。因此,供钾问题已成为限制我国烟叶含钾量提高的重要障碍。对此,除了要研究施钾技术和提高供钾水平之外,筛选出对钾素亲和力强、吸钾活性高并对钾素利用率高的烟草品种,是一条提高钾肥有效率的途径。植物主要通过根系从环境中吸收水分和养分,而根系吸收功能的发挥又与根系和根毛的形态密切相关。由于根系生长在地下,研究起来较为困难,而根系直接与土壤接触,是植物与土壤环境接触的重要界面,对土壤环境更为敏感,更易对土壤环境做出反应。研究表明,在逆境下植物能够感应外界胁迫,并能通过自身的调节系统,在生理和形态上发生适应性反应,以增强在胁迫条件下的生存机会。马新民等采用作物模拟技术,定量地描述了烟草根系生长与环境之间的动态关系,以较少的参数实现了烟草根系数量、长度、根长指数和根长密度等指标的输出,为根系的研究提供了新的手段。目前,关于低钾胁迫的研究大多集中在烤烟钾素的吸收以及积累特性等方面,而系统研究钾胁迫下根系形态特征的报道尚不多见。根毛生长不仅扩大根吸收水的面积,而且能使根更紧密地接触土壤颗粒,以利水分和养分的吸收。迄今,有关烟草在根毛形态的研究尚未见报道。本研究通过琼脂培养的方法,对我国5个主栽烤烟品种幼苗在低钾胁迫下根系和根毛形态的变化进行了研究,探讨不同烤烟品种对低钾胁迫的耐受性特征,为高钾烟草品种的筛选及烤烟生产中采用有效手段提高钾肥利用率提供参考。1材料和方法1.1试验材料的选择本试验在湖南农业大学烟草科学技术研究中心人工气候室内进行。以中国烟草(南方)育种中心2006年提供的我国烤烟主栽品种:红花大金元(以下简称红大)、K326、NC82、云烟85、RG11品种作为试验材料。1.2培养基的制备试验采用平板培养技术培养烟苗,营养液为经修改的Hoagland培养液,钾处理设为低钾水平K-(0.05mmol/L)和正常供钾水平K+(5mmol/L)(对照)2个处理,其余营养元素含量均相同,用NaOH和盐酸调节pH至6.5。然后分别加入0.8%琼脂,经高温高压灭菌后分别将45mL培养基分装于直径12cm的玻璃培养皿中制成固体培养基。选择饱满一致的烤烟种子,50℃温水浸泡10min;经75%CH3CH2OH处理30s,无菌水反复冲洗5次;再用10%次氯酸处理10min,无菌水冲洗5次后进行催芽露白,挑选发芽一致的种子接种到各个平板培养基上,每皿植入种子8粒,每个品种4粒,用无菌保鲜封口膜封口,每处理重复30次,待烟苗主根长出后培养皿竖立。放入人工气候室中培养,白天光照为350μmolphotons·m-2·s-1,夜间光照为0,光暗周期为14/10h,昼夜温度为25/20℃,空气相对湿度为60%～70%。培养过程中,注意不要染菌。培养30d后进行根系和根毛形态的各项参数测定。1.3鲜样品的制备钾胁迫30d后,用镊子小心将10株烟苗从琼脂内取出,用蒸馏水迅速将烟苗冲洗3次,分成地上部、地下部。再将鲜样品材料置105℃烘箱内杀青30min,转至80℃烘至恒重,称得单株干重。根冠比=根干重/地上部干重。1.4细根的测定和测微尺的测量选择生长良好颜色鲜白的根作为根毛形态测定的试验材料。用直尺测量主根长、根系总长度。用剪刀剪下根端约2cm长的细根,放入事先滴入少许蒸馏水的培养皿中,把培养皿里的细根置于NIKON7500型显微镜下观察并测量和照相,用显微测微尺和MoticImagesPlus2.0软件测量距根端0～7mm处的细根直径、根毛密度和长度。每株烟苗测定5次,然后计算平均数。1.5数据分析的处理数据采用DPS2000数据处理系统进行处理,用Excel2003绘图。2结果与分析2.1低钾胁迫对低钾烟分纤维固结剂的敏感程度影响从表1可以看出,平板培养条件下低钾胁迫处理对5个烤烟品种的苗期生长均有明显影响。在低钾条件下,5个烤烟品种苗期地上部分和根系的生物量都较对照明显减少,其中对RG11地上部分和根系生物量的影响最大,与其他烤烟品种的差异达到极显著水平。而对NC82和K326地上部分和根系生物量的影响较其它品种小。这说明NC82和K326对低钾的敏感程度低于其它3个品种,而RG11烤烟对低钾的敏感程度高于其他4个品种。由图1可以看出,低钾胁迫下,不同烤烟品种的根冠比较对照都有不同程度的降低。下降幅度较小的是红花大金元,其次是NC82和K326,下降幅度较大的是RG11和云烟85。低钾胁迫下,NC82苗期的根冠比仍保持较高的水平,说明其苗期根系生长的速度较快。2.2主根长和根系长度由表2可知,在低钾的条件下,不同品种烤烟的主根长、总根数、根系总长度和根平均直径较对照都有明显降低的趋势,其中,主根长以NC82最小,其次分别是K326和红花大金元,云烟85和RG11表现较为明显,减少幅度分别达到了19.5%和33.1%,总根数和根系总长度也受到了明显的抑制,根系平均直径的变化在品种间没有达到显著水平,从处理间的差距来看,根系总长度的变化幅度最大,因而在烤烟低钾胁迫根系研究或耐低钾筛选指标研究时可考虑采用单株根系总长度这个指标。2.3根系分布情况从图2和图3可以看出,不同烤烟品种根系各层的分布有所差异。在0～1cm深度的琼脂内,主要是主根分布区,主根长几乎就是总根长。RG11和红花大金元根系在2cm以下的各层总根长差异不大,根系平均直径也相差不大,根系分布均匀,且多为小于0.1cm根。K326也有类似的根系分布,但根系分布更深,主要分布在3cm以下的区域,且3cm以下根系分布均匀。云烟85和NC82根系较多,但根系主要分布在3～5cm中部深度内,在根系的上部和下部的各层中,根系总长度较小,中部和下部根系的平均直径也相差不大,多为小于0.5cm的根。总体看,在平板培养下,5个不同烤烟品种苗期的根系主要由细根(直径小于0.110mm)组成,且根系的直径相差不大,分布也较均匀,低钾胁迫对根系的分布没有显著的影响,只是根系总长度有所减少。2.4不同烟资企业根系形态的分布从表3可以看出,不同烤烟品种间根毛长度存在着显著差异。低钾胁迫刺激了根毛的产生,所以不同烤烟品种在缺钾情况下根毛长度都不同程度的大于对照,其中,NC82根毛长度增加的较为明显,其次是K326和云烟85,红花大金元和RG11增加幅度较小。不同烤烟品种在低钾胁迫下的根毛长度差异比对照更为显著,可见,烤烟品种的根毛生长对低钾胁迫比较敏感。用显微镜对5个不同烤烟品种根系不同部位根毛的观察可以发现,5个烤烟品种的幼根,包括主根和侧根均着生有根毛,根毛分布比较均匀,没有明显的功能区分。根毛密度与根毛长度的变化类似,只是在不同烤烟品种之间有显著差异。在低钾胁迫条件下,不同烤烟品种的根毛密度和对照比,均有不同程度的增加(见图4),且形成的部位距根尖较近,这可能是烤烟对低钾胁迫的一种适应性反应。方差分析表明,不同烤烟品种根毛密度在低钾胁迫下差异性显著,根毛密度增加幅度大小依次为NC82>K326>云烟85>红花大金元>RG11。由于单位根毛总长度是以根毛长度和根毛密度为基础,单位总长度能反映根毛的总体特征。根毛主要通过增大根表面积来增加根系对水分和养分的吸收。单位根毛总长度反映了根毛吸收面积的大小,在一定程度上也反映了根系抗逆性和吸收养分的能力。有研究表明,单位根长的养分吸收量同根毛密度和根毛长度密切相关。因此根毛长度可以作为植物对养分利用效率、抗逆性等重要形态特征指标。从表3可以看出,低钾胁迫下,不同烤烟品种单位根毛总长度差异显著,NC82的单位根毛总长度较长,大于其他4个品种。因此可以推断,NC82比其它4个烤烟品种具有更高耐低钾胁迫的能力。这与前人研究结果相一致。3低钾胁迫对植物根系生长和形态的影响鉴定烤烟钾营养特性的方法主要有5种,即液培法、砂培法、土培法、固培法以及大田法。大田法是鉴定烤烟钾营养特性的最直接、最可靠的方法。但大田试验周期长,同时土壤肥力与含水量等因子有时较难控制得均匀一致;而且,降雨量及气温等气候因素的季节性和年度间的波动都会对鉴定准确性产生影响。而液培法、砂培法和土培法虽然在研究烤烟钾素吸收和转换效率方面具有不可替代的作用,但对于烤烟根系都有不同程度的损伤,外界干扰因素比较多。本试验的琼脂固体培养技术操作快捷简便又不受时期限制,具有环境条件易控制、影响小且周期短的特点,比大田试验节省了大量的人力、物力,而且可以保持根系的完整性,所以可应用于植物根系的研究。另外该方法也可以运用到品种的抗病、抗旱等抗逆性早期筛选研究。低钾胁迫抑制了烤烟品种根系的生长,降低了根冠比,减少了主根长和总根长度,抑制了侧根发生,对根系直径没有显著影响,但有减小的趋势。低钾胁迫刺激了根毛的产生,根毛数量增加,且