低pH条件下钾对液培甘蔗幼苗生长及根系形态的影响

陈迪文，黄 莹，卢颖林，敖俊华，周文灵，黄振瑞，江 永

(广东省生物工程研究所(广州甘蔗糖业研究所) 广东省甘蔗改良与生物炼制重点试验室，广东 广州 510316)

低pH条件下钾对液培甘蔗幼苗生长及根系形态的影响

陈迪文，黄 莹，卢颖林，敖俊华，周文灵，黄振瑞，江 永*

(广东省生物工程研究所(广州甘蔗糖业研究所) 广东省甘蔗改良与生物炼制重点试验室，广东 广州 510316)

本研究采用液培方法模拟在低pH条件下，不同钾水平(0.1、3、6 mmol/L)对甘蔗幼苗生长及根系形态的影响。研究结果表明，在低pH液培条件下供钾不足时(0.1 mmol/L)，甘蔗幼苗干物质量下降，株高降低，根冠比增大，根系形态参数包括根总长、根平均直径、根总表面积与根总体积均显著减小，根系活力下降，植株钾含量降低。当钾水平提高到3 mmol/L时则可以恢复正常生长，但当钾水平继续升高到6 mmol/L时则会减少根总长与根总体积，对根系生长不利。

低pH；甘蔗；钾；根系形态；液培

0 引言

我国糖料甘蔗产区主要集中在华南热带区域如广西、云南和广东等省份，这些地区由于高温高湿的气候条件以及大量使用化肥的长期连作模式导致土壤酸化严重，从而影响甘蔗生长，降低甘蔗产量和品质，制约甘蔗产业健康发展[1]。钾是作物生长必需的大量营养元素之一，在维持细胞生理代谢，增强作物抗逆性方面具有重要作用[2]。甘蔗是喜钾作物[3]，研究表明，缺钾会导致苗期甘蔗生长矮小，叶色加深，生物量显著下降[4]。根系是植物吸收养分和水分的主要器官，在不同的环境条件下根系为了适应不同环境条件会形成不同的形态特征来适应环境，增加植物对不良环境的抗性。因此，探讨低pH条件下钾对甘蔗幼苗生长和根系形态的影响，对甘蔗育苗及生产具有重要参考价值。研究表明，在组培条件下，甘蔗根系形态参数包括根总长、根平均直径、根总表面积与根总体积在一定范围内均随着培养基钾水平的升高而显著增大[5]。另外，在盐胁迫下供钾能促进甘蔗生长，增加甘蔗生物量、根长、株高和根冠比，增强甘蔗耐盐性[6]。本研究采用液培方法模拟低pH环境，研究不同钾水平对甘蔗幼苗生长及根系形态指标参数的影响，为我国甘蔗生产提供相关参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验采用的甘蔗品种为：粤糖60号。

1.2 试验设计

挑选靠近生长点的健康种茎，斩成长度为10 cm的单芽苗，经400倍多菌灵稀释液浸泡5 min后，放于育苗盘内用干净河沙覆盖育苗，待第4片真叶完全展开后，选取生长一致的甘蔗幼苗，移栽到纯净水中培养3天后转入营养液中，日光温室内培养。试验设置4个处理，分别为：pH6K6，K 6 mmol/L，pH 6.0(常规营养液钾水平和pH水平)；pH4K0.1，K 0.1 mmol/L，pH 4.0(低pH、低钾)；pH4K3，K 3 mmol/L，pH 4.0(低pH、中钾)；pH4K6，K 6 mmol/L，pH 4.0(低pH、高钾)，各处理重复6次。各处理的营养液大、中量元素配方见表1，微量元素配方为通用配方[7]。培养期间每天用pH计和0.1 mol/L NaOH或0.1 mol/L盐酸调节所有处理的营养液pH值至指定值，每隔5天完全更换一次营养液，营养液用通气泵间歇性通气，每隔2 h通气30 min。培养至幼苗开始拔节(约65～70天)时收获进行测量分析。

1.3 样品采集与测定

将根系用纯水洗净与地上部分别进行收集，用根系扫描仪(EPSON expression 10000XL)对根系进行扫描，并用根系分析系统(WinRHIZO-LA2400)分析统计各项根系形态参数；根系活力参照李合生的方法进行[8]；用直尺测定株高，株高为茎基部到植株最高可见肥厚带的距离，同时将根系最大根长度/株高的比值定义为根冠比；将地上部和根系烘干后分别称量测定干重并计算总干重，样品粉碎后通过硫酸-双氧水消煮，火焰光度计法测定钾含量。

1.4 数据分析

所有数据均采用Microsoft Excel 2010软件整理数据，SPSS 19.0软件进行统计分析，方差分析采用最小显著性差异法(LSD)。

表1 不同处理营养液大中量元素配方表

2 结果与分析

2.1 不同处理对甘蔗幼苗生长的影响

从表2可知，在pH值为4.0的低pH条件下，pH4K0.1处理的甘蔗幼苗地上部干重、根系干重和整株总干重以及株高均显著低于同pH条件下的K3与K6处理，表明低pH条件下缺钾对植株生长产生不利影响。pH4K3处理与pH4K6处理的地上部干重、整株干重及株高与常规条件pH6K6处理之间差异均不显著，说明在低pH条件下在补充钾甘蔗生长良好。另外，钾水平从3 mmol/L提高到6 mmol/L时pH4K6处理甘蔗幼苗根系干重显著低于相同钾水平的pH6K6处理，表明在高钾环境下pH降低对甘蔗根系的生长有不利影响。pH4K0.1处理甘蔗株高显著低于pH4K3和pH4K6，而根冠比显著高于pH4K3和pH4K6，表明低pH条件下供钾有利于干物质更多地向地上部累积，根系则相对较少。

2.2 不同处理对甘蔗幼苗根系形态的影响

植物根系生长发育过程中表现出来相关的形态参数如根长、根总表面积和根总体积等参数与养分吸收密切相关。从表3可知，pH4K0.1处理的甘蔗幼苗根总长、根平均直径、根总表面积与根总体积显著低于pH4K3处理，表明在低pH条件下供钾不足会影响根系的生长发育。pH4K3各指标参数与常规pH6K6接近，二者无显著差异，说明低pH条件下适量供钾可以维持根系较好的生长，来抵抗不良环境的胁迫。而当钾浓度提高到6 mmol/L (pH4K6)时，根总长和根总体积又开始减小，显著低于pH4K3与pH6K6，表明低pH条件下大量供钾对甘蔗幼苗根系生长与形态结构产生了不利影响。

2.3 不同处理对甘蔗最大根长和根系活力的影响

表2 不同处理对甘蔗幼苗生长的影响

表3 不同处理对甘蔗幼苗根系形态的影响

虽然pH4K0.1处理根系形态参数指标是各处理中最低的，但从表4可知，pH4K0.1处理甘蔗幼苗最大根长与其他处理无显著差异，表明低pH条件以及不同钾处理对于最大根长没有影响。pH4K0.1处理甘蔗幼苗根系活力显著低于其他处理，说明该条件下抑制了根系的生理活动。pH4K3与pH4K6处理的根系活力与pH6K6均无显著差异，表明低pH条件下供钾充足有利于增加根系活力。pH4K0.1处理甘蔗幼苗地上部和根系的钾含量均显著低于其他各处理，说明低钾处理下根系吸收利用的钾太少，导致地上部无法获得充足的钾，当营养液中供钾充足时根系即可将钾运输至地上部。pH4K3、pH4K6与pH6K6之间地上部和根系的钾含量虽有上升趋势但差异均不显著。

表4 不同处理对甘蔗最大根长、根系活力及钾含量的影响

注：表中同列小写字母不同表示数据差异显著，p＜0.05。

3 讨论与结论

根系作为植物最重要的养分和水分吸收器官，直接影响着植物地上部生长[9]。甘蔗是须根系作物，根系多，针对其根系形态相关研究不多。本研究采用液培的方法，一方面是便于观察根系和对根系进行取样分析，另一方面也是方便对营养液进行pH值调节而模拟低pH条件。研究表明，甘蔗生长的pH值适应范围较广，在pH 4.5～7.5范围内的培养液对甘蔗幼苗的生长和发育不会产生显著的不良影响，以pH 6.0为甘蔗幼苗生长的最适pH值[10]。因此，本研究中采用pH 6.0为常规pH值，pH 4.0为模拟低pH条件。本研究结果表明，在同样的充足供钾(6 mmol/L)条件下，虽然pH4K6与pH6K6营养液的pH 从6.0下降到 4.0，但二者地上部以及总的干物质累积量、钾含量及根系部分形态参数指标并无显著差异，说明在液培条件下甘蔗幼苗耐酸能力较强。

钾对各种作物如西瓜[11]、大豆[12]和花生[13]等根系的生长发育及形态参数具有显著影响。研究表明，低钾胁迫显著抑制了甘蔗的正常生长，植株干重比正常钾水平显著下降[14]。本研究中，低pH条件下低钾水平的植株干重显著低于其他处理，而当钾水平提高到常规处理（pH6K6）的1/2 水平即3 mmol/L时，植株干重与pH6K6之间并无显著差异，说明低钾影响了甘蔗幼苗的正常生长，而补充一定量的钾则可以恢复正常生长。而继续提高钾浓度到6 mmol/L时，甘蔗根系生长却受到了不良影响，根总长和根总体积又开始减小，其具体原因还需进一步研究探讨。

早期研究结果表明不同基因型甘蔗根系的钾吸收动力学参数存在差异[15]，因此不同基因型对于酸的耐受能力以及低pH条件下钾的吸收能力也可能存在差异，需要进一步研究。另外，不同介质培养的结果可能存在差异。研究表明，采用桶栽砂培的方法，甘蔗实生苗在营养液pH7.0和pH8.5处理下的根系形态和植株生长较好[16]。本研究采用液培是为了更直观监测以及更好地进行取样分析而进行的模拟实验，至于土壤条件下的情况还需要另外研究。

本研究结果表明，在低pH液培条件下供钾不足时，甘蔗幼苗干物质量下降，株高降低，根冠比增大，根系形态参数包括根总长、根平均直径、根总表面积与根总体积均显著减小，根系活力下降，植株钾含量降低。当补充一定钾时则可以恢复正常生长，但过量供钾则又可能对根系生长不利。

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(本篇责任编校：李金玉)

Effects of Different Potassium Levels on Growth and Root Morphological Traits of Sugarcane Seedling under Low pH Hydroponic Culture

CHEN Di-wen, HUANG Ying, LU Ying-lin, AO Jun-hua, ZHOU Wen-ling, HUANG Zhen-rui, JIANG Yong
(Guangdong Provincial Bioengineering Institute (Guangzhou Sugarcane Industrial Research Institute)/Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement & Bio-Refinery, Guangzhou 510316)

A hydroponic experiment was conducted to investigate the effect of different potassium levels (0.1, 3 and 6 mmol/L) on the growth and the root morphology of sugarcane seedling under low pH. The results showed that, under 0.1 mmol/L potassium level in the low pH (4.0) of nutrient solution, the dry matter and the plant height decreased; the total length, average diameter, total average superficial area and total volume of the roots significantly decreased; the root activity and potassium content in plant also decreased, and the root-shoot ratio increased. The seedling returned to normal growth when the potassium level increased to 3 mmol/L, while both the total length and the total volume decreased at 6 mmol/L potassium level, which were harmful to the root normal growth.

Lower pH; Sugarcane; Potassium; Root morphology; Hydroponic culture

S566.1

A

1005-9695(2016)06-0018-04

2016-11-03；

2016-12-02

广东省自然科学基金(2016A030313416)；广东省科技发展专项资金项目(2014B070705002)；国家现代农业产业技术体系甘蔗专项(CARS-20-3-1)

陈迪文(1983-)，男，农艺师，主要从事作物养分管理研究；E-mail：chendiwen@126.com

*通讯作者：江永(1961-)，男，研究员；E-mail：gz510316@sina.com

陈迪文，黄莹，卢颖林，等. 低pH条件下钾对液培甘蔗幼苗生长及根系形态的影响[J]. 甘蔗糖业，2016(6)：18-21.