不同钾效率基因型香蕉根际钾营养与根系特性研究

吴宇佳，张文，符传良，郑道君，刘国彪，谢良商

海南省农业科学院农业环境与土壤研究所//农业部海南耕地保育科学观测试验站，海南 海口 571100

香蕉（Musa spp.）为芭蕉科（Musaceae）芭蕉属（Musa）多年生常绿大型单子叶草本植物，分布于世界120多个国家和地区，FAO（联合国粮农组织）把香蕉认定为仅次于水稻（Oryza sativa）、小麦（Triticum aestivum）、玉米（Zea mays）之后的第四大粮食作物。据统计，全世界香蕉品种约有300多个，我国台湾省有80个，大陆诸省区共有30余个（徐迟默，2006）。2011年中国香蕉产量达到1070.5×104t，位居世界第2位。香蕉喜钾，但中国却以海南、福建、广西、广东等土壤缺钾严重的亚热带、热带地区为主产区。目前我国钾肥资源短缺严重、香蕉栽培品种比较单一（韦开蕾等，2013）。因此，筛选和培育钾高效基因型香蕉，研究不同基因型香蕉的钾效率差异机制，利用钾高效基因型作物来挖掘土壤钾素潜力，是解决这一问题的有效途径之一。

在植物的生长过程中，其根系在摄取环境中养分的同时也向环境溢泌离子、质子与有机物质，这便为根际的微生物提供了能源物质，还能极大程度地影响根际微区化学与物理环境的变化，从而对根际土壤的养分状况产生很大的影响（张福锁等，1993；郝艳如等，2001）。然而，根系主导的根际动态又具有明显的基因型差异（李春喜等，2016；祖艳群等，2015），并受植物营养状况的诱导和调控。以往研究已发现，不同钾效率的小麦（Triticum aestivum）、烤烟（Nicotiana tabacum）、籽粒苋（Amaranthus hypochondriacus）等作物的基因型间根际钾营养特点具有明显的差异（曹一平等，1991；杨铁钊等，2009）。香蕉是高喜钾植物，根际钾营养会随着根系吸收、活化土壤钾的能力大小而变化，因此，应结合香蕉自身根系特性进行相关研究。然而，至今未见针对香蕉不同钾效率基因型进行的根际钾营养动态与根系特点方面差异的研究。本研究在水培和低钾土培条件下，对4个不同钾效率基因型香蕉根际与非根际土壤的速效钾、缓效钾与全钾质量分数，以及根系主要分泌物、根际微生物数量、根系CEC和根系H+分泌量的变化差异及其之间的相关性进行了具体的分析，以期为香蕉的品种选育、香蕉与根际土壤环境之间的相互影响机制方面的研究提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　试验材料

1.1.1供试土壤

砖红壤，取自海口美兰区荒地0～20 cm瘦土，基本理化性质：有机质12.5 g·kg-1，碱解氮（N）36.5 mg·kg-1，有效磷（P）3.8 mg·kg-1，全钾（K2O）1546.2 mg·kg-1，缓效钾（K）42.8 mg·kg-1，速效钾（K）23.3 mg·kg-1。

1.1.2供试品种

钾高效基因型香蕉品种为广粉、牛角蕉，是以钾效率系数和钾利用指数为指标筛选出来的钾高效基因型品种（吴宇佳等，2014；2015）；对照品种为黎母山野生蕉和天宝蕉。将4个基因型的香蕉组培苗置于沙床中炼苗，每天视天气情况和蕉苗生长状态，喷施一定量的营养液（以满足蕉苗生长需求为准），选取生长一致的具有6片真叶的蕉苗进行移栽，同时进行水培与土培试验。

1.1.3供试肥料

尿素（含N46%），过磷酸钙（含P2O512%）。

1.2　试验设计

1.2.1土培试验

盆栽种植，盆高30 cm，内径40 cm。每盆装瘦土25 kg，施用尿素30 g、过磷酸钙200 g作基肥，生长30 d后视生长情况适量追施氮肥，4次重复，随机区组排列。选取生长一致的蕉苗移栽至盆，培养90 d后取样测定各相关项目。此时蕉株已经进入旺长期，代谢旺盛，吸收矿质元素量大，能更准确地反映出植株基因型间对矿质元素吸收的差异。取样时除去盆内表土，采用抖落法收集根际与非根际土壤，并分别对根际、非根际土壤的各形态钾含量及真菌、细菌、放线菌的数量进行测定。

1.2.2水培试验

试验采用4个不同香蕉基因型品种，设0.025、2.5 mmol·L-1两个钾处理水平，共8个处理，9次重复，随机区组排列。将蕉苗移栽至水培箱中，分别于培养40 d和42 d时各取3个重复进行根系分泌物的收集及根系H+分泌量和根系CEC的测定。

1.3　测定内容与方法

1.3.1微生物测定方法

采用稀释平板法测定细菌、真菌、放线菌的数量（Carter，1993），细菌培养用牛肉膏蛋白胨培养基，放线菌培养用高氏一号培养基，真菌培养用马丁氏培养基。稀释程度为：细菌10-6～10-4；真菌10-3～10-1；放线菌 10-5～10-3。计算公式：每克干土中菌落个数=菌落平均个数×稀释倍数。

1.3.2植株与土样测定

采用1 mol·L-1HCl浸提-火焰光度计法测定植株钾含量；土壤基本理化性质测定采用常规方法（鲁如坤，2000）进行：土壤有机质含量采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定；土壤有效磷含量采用盐酸-氟化铵法测定；土壤全钾含量采用 NaOH熔融-火焰光度计法测定；土壤速效钾含量采用醋酸铵-火焰光度计法；土壤缓效钾含量以1 mol·L-1热硝酸浸提的钾含量减去速效钾含量计。所有土样 均设3次重复。

1.3.3根系分泌物的收集方法和测定

首先对根系进行简单处理，然后置于盛有 5 mg·L-1百里酚溶液的烧杯中浸泡2.5 min，再转入装有300 mL蒸馏水的棕色玻璃瓶中，每瓶4株，重复3次。连续收集16 h，将根系分泌物过滤去除杂质后进行超低温冷冻干燥，浓缩至8 mL，于-20 ℃下低温保存（李廷轩等，2004）。氨基酸与糖类总量的测定分别采用南京建成生物工程公司生产的植物可溶性糖和总氨基酸测定试剂盒。

1.3.4根系氢质子分泌能力的测定

将蕉株在无钾营养液中放置48 h后，取生长一致的蕉株15株，用0.2 mmol·L-1CaSO4溶液浸洗3次，用滤纸吸干水分，将植株放入250 mL吸收液（2.0 mmol·L-1K2SO4+0.2 mmol·L-1CaSO4）中培养，3.5 h 后取吸收液 50 mL，用 0.01 mol·L-1标准 NaOH溶液进行滴定，计算得出香蕉不同基因型品种的氢质子分泌能力（邹春琴等，2000）。

1.3.5根系阳离子交换量（CEC）的测定

参考（崔国贤等，2000）的方法，将冲洗干净的根系于80 ℃下烘干，磨碎后混匀备用。称取0.1 g样品于烧杯中，加入100 mL 0.01 mol·L-1盐酸溶液，搅拌过滤后用去离子水将剩下的残渣洗至没有氯离子（用3% AgNO3检验）为止，再用100 mL 1 mol·L-1KCl溶液将根样冲入小烧杯中，最后用0.01 mol·L-1KOH溶液进行滴定，至pH值稳定在7.0，记录所消耗KOH的体积V。根系阳离子交换量CEC（cmol·kg-1）计算式如下：

式中，m为根系干质量。

1.4　统计分析

运用Excel 2007和SAS 9.0对实验数据进行统计分析，采用ANOVA结合Duncan法进行方差分析和多重比较。

2　结果与分析

2.1　不同钾效率基因型香蕉根际土壤的不同形态钾质量分数差异

土壤中钾离子的移动性很强，史刚荣（2004）研究认为，作物在正常条件下，其根际会出现钾素养分亏缺的现象。本研究结果显示（见表 1），4个品种香蕉，无论是根际土壤的速效钾还是缓效钾质量分数都比非根际区高，牛角蕉、广粉、天宝蕉和黎母山野生蕉根际土壤速效钾和缓效钾分别是非根际土壤的3.9、3.4、2.5、2.2倍和2.6、3.3、2.5、1.9倍。牛角蕉和广粉为钾高效基因型，其根际土壤的速效钾和缓效钾质量分数均比低效基因型天宝蕉和黎母山野生蕉高出 27.35%以上。供试的 4个品种根际土壤的全钾质量分数相比非根际土壤均有所下降，但降低幅度没有土壤缓效钾和速效钾的增幅大，仅在 3.2%～13.1%之间。在两种不同钾效率基因型间进行显著性检验，结果显示，根际土壤的速效钾和缓效钾质量分数差异达到极显著水平，根际土壤全钾质量分数差异达显著水平，非根际土壤全钾质量分数差异并不显著。在相同钾效率基因型内进行的显著性检验结果显示，相同基因型的不同香蕉品种间非根际土壤的全钾、缓效钾和速效钾质量分数间均无显著差异，根际土壤仅速效钾质量分数间无显著差异。

2.2　不同钾效率基因型香蕉的根际微生物数量差异

植物根际微生物与植物生长之间存在颇为密切的关系，植物根系可通过分泌各种有益物质而对根际微生物的种类、数量及分布产生影响（胡学玉等，2002）。本研究结果显示（见表 2），4个香蕉品种根际土壤的真菌数量均比非根际区土壤高 1个数量级以上，细菌数量和放线菌数量均比非根际区土壤高，分别增加了3.8、4.9、1.4、0.6倍和3.5、4.6、1.1、0.3倍。在根际土壤微生物数量方面，显著性检验显示，不同钾效率基因型间差异显著，高效基因型香蕉根际土壤真菌、细菌和放线菌的数量均与低效基因型相差1倍以上，但基因型内各品种间差异却不显著。

2.3　不同基因型香蕉根系分泌游离氨基酸和可溶性糖的能力差异

在矿质营养胁迫条件下，植物的根系分泌量会增加，且与基因型有关（Ohwaki et al.，1992；Zhang et al.，1997；李廷轩等，2005）。本研究测定了4个不同基因型香蕉品种的根系分泌物，结果显示（见表3），香蕉根系分泌的可溶性糖量非常高，与游离氨基酸分泌量相差几十倍；不同香蕉基因型间的根系分泌量也存在较大的差别，钾高效基因型根系游离氨基酸与可溶性糖的分泌量与低效基因型相差 0.62～2.09倍。统计分析结果显示，基因型内品种间可溶性糖和游离氨基酸的分泌量差异并不显著，而基因型间差异均达极显著水平。

表1　不同钾效率基因型香蕉的根际土壤钾质量分数差异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际微生物数量差异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质子能力的差异

根系分泌 H+能力的大小能够表征根系对外界环境中阳离子养分的吸收能力（刘洪升等，2002）。本研究结果表明，牛角蕉、广粉、天宝蕉和黎母山野生蕉的根系质子（H+）分泌量分别为39.6、41.4、25.2、22.8 µmol·L-1·g-1·h-1。经显著性分析，钾高效基因型根系的质子分泌量显著高于低效基因型，前者是后者的 1.57～1.82倍；相同基因型的不同品种之间，其根系质子分泌量相差甚微，仅达 1.8～2.4µmol·L-1·g-1·h-1，可见相同基因型内的品种间，根系对外界环境中阳离子养分的吸收能力相接近。经相关分析，根系质子分泌量与植株含钾量之间呈显著正相关（r=0.9605*）。

2.5　不同基因型香蕉根系CEC与植株钾质量分数间的关系

根系杜南自由空间的选择性吸收是由根系阳离子交换量掌控的，其对根系吸收矿质元素有很大影响（李兴涛等，2010）。大多情况下，植物对矿质营养元素的吸收量随根系 CEC的增大而增加。由表4可知，钾高效基因型根系CEC显著高于钾低效基因型，分别是低效基因型的 1.69～2.57倍，且植株含钾量高低与之有着相同的变化趋势，而在相同基因型内的这种差异则不显著。经相关性分析，香蕉根系阳离子交换量和植株钾含量之间呈极显著正相关（r=0.9993**）。

2.6　相关性分析

通过土培盆栽试验和水培试验，将不同钾效率基因型香蕉根际土壤钾含量与各指标间进行相关性分析（见表 5），发现香蕉根际土速效钾和缓效钾分别与根际微生物数量、根系CEC、根系氢质子分泌量、根系总有机酸分泌量、根系蛋白质分泌量、可溶性糖分泌量和氨基酸分泌量均呈显著正相关关系，相关系数达0.95以上。由此可以明确香蕉根际微区土壤的钾营养状况与根际土壤微生物、根系阳离子交换量、根系氢质子分泌量及根系分泌有着密不可分的关系。

3　讨论

香蕉是高喜钾作物，土壤中钾的含量对香蕉根系钾的吸收有着直接的影响。前期研究（吴宇佳等，2015）表明，牛角蕉与广粉是香蕉钾高效基因型，不仅钾利用指数高，且具较高的钾素吸收积累量。本研究拟在根系生理与根际生态方向上研究香蕉钾高效基因型钾吸收积累的特性，结果显示，牛角蕉与广粉根际土壤中的速效钾、缓效钾含量均比低效基因型高，且根际土壤的全钾含量较非根际土壤的降低幅度亦大于低效基因型，间接说明了钾高效基因型的根系土壤活化能力较强。

表3　不同基因型香蕉的主要根系单位时间分泌物含量差异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与植株钾质量分数Table 4　Cation exchange capacity of the roots and potassium content of banana different in genotype

表5　不同基因型香蕉根际土钾含量与各指标间的相关性分析Table 5　Analysis of correlation between potassium content in rhizosphere soil and each index in different genotypes of banana

根际是土壤-植物-微生物三者相互作用的场所，是土壤营养物质进入植物体内的门户，也是植物体本身生命活动与代谢对土壤产生最直接影响的区域（刘建军等，1998）。大多数植被都呈现出根际养分和土壤微生物数量相似的根际效应（李廷轩等，2004；杜有新等，2013）。本研究结果显示，香蕉的根际微生物数量变化与植株钾含量变化和根际土壤钾的富集趋势相同，这在一定程度上证明了根际微生物活动对香蕉根际的钾营养有效性的促进作用。

大量研究结果显示，植物在低养分胁迫时，根系分泌物的成分及数量会发生急剧变化以适应环境的改变（曹丽霞等，2009；吴林坤等，2014；赵宽等，2015），而低分子量根系分泌物及主要组分可显著提高土壤微生物的活性（苑亚茹等，2011）。本研究结果表明，在低钾胁迫下，香蕉钾高效基因型的氨基酸、可溶性糖等根系分泌物的含量显著增加，由表2、表3可知，香蕉不同基因型根系的可溶性糖、游离氨基酸的分泌量与根际微生物的数量呈相同变化趋势。钾高效基因型根际的细菌、真菌和放线菌数量均显著高于低效基因型，根系分泌的可溶性糖和氨基酸总量亦如此。这也说明不同钾效率基因型香蕉根系分泌的大量物质为土壤微生物提供了有效能源，直接影响着根际土壤的微生物数量，再间接地通过微生物的代谢活动来改变根际土壤的有效养分。

植株根系阳离子交换量和根系分泌质子的能力直接反映了根系对外界环境中阳离子的吸收能力（郭强等，2000；宁良丹，2012；钟军等，2014）。本研究结果显示，香蕉不同基因型根系CEC、质子分泌量和植株的钾含量呈显著正相关（r＞0.96），且钾高效基因型根系 CEC和质子分泌能力明显强于低效基因型，这说明香蕉根系的吸钾能力一定程度上受CEC与质子分泌量大小的影响。

4　结论

（1）香蕉根际土壤速效钾和缓效钾含量明显高于非根际土壤，而全钾含量却低于非根际土壤，且钾高效基因型的降低幅度大于低效基因型，不同钾效率基因型间根际土壤的速效钾和缓效钾质量分数差异达到极显著水平。（2）香蕉钾高效型根际微生物数量和根系分泌能力显著高于低效基因型，基因型内品种间差异不显著。

（3）香蕉钾高效基因型根系阳离子交换量和质子分泌量显著高于低效基因型，二者与植株含钾量之间呈显著正相关。

（4）香蕉根际土速效钾和缓效钾分别与根际微生物数量、根系CEC、根系氢质子分泌量、可溶性糖分泌量和氨基酸分泌量呈显著正相关关系，相关系数达0.95以上。

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