不同钾盐对穿龙薯蓣幼苗生长与部分产物合成的影响

柳昱旻，高润梅，王秀丽，刘翔，石晓东

(山西农业大学 林学院，山西 太谷 030801)

穿龙薯蓣(Dioscoreanipponica)为薯蓣科(Dioscoreaceae)薯蓣属(Dioscorea)多年生草质缠绕藤本，在我国主要分布于山西、陕西、东北等地区，根状茎入药，具舒筋活血、止咳化痰、祛风止痛等功效，可用于慢性气管炎、消化不良、腰腿疼痛、风湿性关节炎、糖尿病、心血管等许多疾病的治疗[1]。现代研究表明，该药材的主要成分为薯蓣皂苷元，具抗氧化、降血脂、抗炎和免疫调节等生物学活性[2～4]。薯蓣皂苷元是合成甾体激素类药物的主要原料，世界上合成此类药物多数以薯蓣皂苷元为原料[5]。穿龙薯蓣根茎中薯蓣皂苷元含量为0.93%～2.26%，但受土壤、水分、温度、光照等环境因子的影响，药材质量存在差异[6,7～9]。如何提高穿龙薯蓣根状茎的产量和药材质量具有重要的经济价值。

施肥是提高作物产量最直接的办法，肥料对薯蓣属根状茎产量和薯蓣皂苷元含量的影响，国外已有较多研究报道[10,11]，国内此类研究多集中在盾叶薯蓣(Dioscoreazingiberensis)上，已有研究表明，施肥可促进盾叶薯蓣增产，可同时提高根状茎产量和薯蓣皂苷元含量[12]。钾作为植物生长必需的营养元素之一，可促进盾叶薯蓣植株光合作用，使营养物质向根状茎运输，提高根状茎内含物的积累[13]，施用钾肥对于提高盾叶薯蓣根状茎产量作用明显[14]。钾肥对穿龙薯蓣根状茎产量和薯蓣皂苷元含量的影响尚未见报道，鉴于此，本试验以穿龙薯蓣植株为研究对象，研究钾盐对穿龙薯蓣植株生长与生理的影响，揭示穿龙薯蓣光合产物与薯蓣根状茎产量和代谢产物含量之间的关系。本研究旨在为穿龙薯蓣种植提供合理施肥的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

试验材料穿龙薯蓣的种子采集于为关帝山庞泉沟自然保护区。2015年秋季采集穿龙薯蓣成熟种子，风干，冰箱4 ℃冷藏。2017年6月底取出种子，挑选饱满均匀的种子，室温下蒸馏水浸种3 d。置种：浇透充满培养基质(市售育苗基质，草炭∶蛭石∶珍珠岩=1∶1∶1)的圆形塑料花盆(D=17 cm，h=16 cm)，均匀放置种子，上覆1 cm厚的培养基质。2周左右出苗，幼苗生长6周后，每盆选取长势相同的3株幼苗移栽至圆形塑料花盆中，进行处理。试验时间为2017年7～11月，在山西农业大学崇实楼树木学实验室进行。

为了减弱其他营养元素的影响，研究以Hoagland’s营养液作为基础，去除营养液配方的原有钾盐，分别添加不同浓度的KNO3、K2SO4、KCl，研究钾盐对幼苗生长和生理的影响。钾盐浓度分别设置为0、2、4、6、8、10 mmol·L-1[15]，共16种处理，每种处理为4盆12株幼苗，供试幼苗共64盆192株。每15 d浇施含不同钾盐的Hoagland’s营养液500 mL，对照浇施同体积的无钾Hoagland’s营养液。连续处理4次后，测定穿龙薯蓣幼苗的形态和生理指标。

1.2 指标测定

测量穿龙薯蓣植株的形态指标：直尺测量株高，精确到0.1 cm；采用EPSON Scan扫描仪获取叶片数字图像，利用 Image J软件测量叶片的叶面积和叶基角(叶脉基部夹角)[16]。

叶片生理指标测定：可溶性糖和还原糖含量采用蒽酮比色法[17]，丙酮酸含量采用可见光分光光度法(OD=520 nm)，葡萄糖含量采用比色法[18]。

生物量测定：以基质表面分界，区分穿龙薯蓣的地上部分(茎、叶)和地下部分(根状茎)，80 ℃烘箱中烘24 h，分析天平称重烘干样品。

1.3 数据处理

采用统计软件SPSS 13.0对数据进行方差分析和相关分析，采用Duncan法进行处理间差异显著性检验，差异水平为0.05；采用Excel 2010进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 钾盐对穿龙薯蓣幼苗生长的影响

分析不同钾盐类型、浓度对穿龙薯蓣形态和生物量的影响作用。由表1可知，钾盐类型对叶面积和叶基角影响不显著(P>0.05)，穿龙薯蓣的株高和生物量显著受钾盐类型、浓度及其交互作用的影响(P<0.05)。

进一步分析钾盐类型与浓度对穿龙薯蓣幼苗各形态指标与生物量的影响，结果如表2所示。

由表2可知，浇施不同类型钾盐显著影响幼苗的生物量(P<0.05)；钾离子浓度为6、8和10 mmol·L-1时，浇施不同类型钾盐对幼苗的株高、叶面积、叶基角有显著影响(P<0.05)，其中叶面积的增幅间于12.32%～19.82%；叶基角的增幅间于7.83%～12.71%。株高、地上与地下部分生物量的增幅更大：浇施KNO3时，穿龙薯蓣的株高、地上与地下部分的生物量较对照平均增加118.80%、460%和260%；浇施K2SO4时，上述指标平均增加99.68%、384%和157.5%；浇施KCl时，各指标平均增加47.26%、148%和47.50%。可知，浇施KNO3对幼苗形态指标的影响最大，叶面积与叶基角的增幅是其他钾盐的1.5倍，株高与生物量则是其他钾盐的1.2～5.5倍。

表1 钾盐对穿龙薯蓣幼苗形态指标影响的双因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA analysis for the effects of potassium salt on morphological indexes of Dioscorea nipponica seedlings

表2 浇施不同钾盐的穿龙薯蓣幼苗生长差异比较Table 2 Comparison of growth differences of seedlings of Dioscorea nipponica with different potassium salts

注：大写字母表示浇施不同类型钾盐对幼苗各形态指标影响的差异水平，同列不同字母示差异显著(P<0.05)；小写字母表示浇施相同类型钾盐时，浓度变化对幼苗各形态指标影响的差异水平，同行不同字母示差异显著(P<0.05)。
Note：Capital letters indicate the difference in the effects of different concentrations of potassium salts on the morphological indicators of seedlings,different letters in the same column show significant differences(P<0.05);Lowercase letters indicate when the same type of potassium salt is applied,the difference level of the effect of concentration change on various morphological indexes of seedlings,Different letters in the same industry show significant differences(P<0.05).

钾盐浓度对穿龙薯蓣幼苗的形态指标影响显著(P<0.05)。施钾处理下，株高与叶面积呈现先升高后降低的变化趋势，且在8 mmol·L-1时增幅最大，分别比对照增加了181.90%、28.72%；施钾对叶基角影响显著，但变化规律不甚明显；浇施6～10 mmol·L-1的钾盐时，穿龙薯蓣的生物量明显增加：地上生物量增幅为40%～920%，地下生物量增幅为12.50%～562.50%；其中浇施8 mmol·L-1的KNO3，穿龙薯蓣地上与地下部分生物量的增幅最大，分别为920%、562.50%。

2.2 不同钾盐对穿龙薯蓣幼苗光合与代谢产物的影响

测定穿龙薯蓣叶片的光合产物(可溶性糖、还原糖与葡萄糖)及一次代谢产物(丙酮酸)的含量，并进行双因素方差分析，结果如表3所示。可知，钾盐类型对葡萄糖含量影响不显著(P>0.05)；除此之外的其他指标均显著受钾盐类型、浓度及二者交互作用的影响(P<0.01)。

进一步分析钾盐类型与浓度对穿龙薯蓣叶片各生理指标的影响，见表4。

表3 钾盐对光合与代谢产物影响的双因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA analysis for the effects of potassium salt on photosynthesis and metabolites

表4 浇施不同钾盐的穿龙薯蓣光合与代谢产物含量差异比较Table 4 Comparison of photosynthetic and metabolite contents in Dioscorea nipponica with different potassium salts

浇施钾盐时，穿龙薯蓣叶片的上述生理指标显著增加(P<0.05)：可溶性糖含量较对照增加42.39%～229.35%；浇施2 mmol·L-1的K2SO4时，还原糖含量无显著变化，其余配比下其含量增加50%～650%；浇施2 mmol·L-1的KCl时，葡萄糖含量与对照接近，其余配比下其含量增加61.22%～242.00%；浇施2 mmol·L-1、10 mmol·L-1的K2SO4与2 mmol·L-1的KCl时，丙酮酸含量接近对照，其余配比下增幅为50%～800%。由上可知，浇施KNO3时，可溶性糖、还原糖、葡萄糖和丙酮酸含量最大，与对照相比，其增幅分别为229.35%、650%、242.00%和800%。

钾盐浓度对穿龙薯蓣叶片的可溶性糖、还原糖、葡萄糖和丙酮酸含量存在显著影响(P<0.05)：随着钾盐浓度升高，各指标的含量表现为先升后降的趋势。钾盐浓度为6 mmol·L-1和8 mmol·L-1时，上述生理指标增幅最大：6 mmol·L-1水平下，浇施KCl的作用优于其余两种钾盐；8 mmol·L-1水平下，KNO3对叶片可溶性糖、丙酮酸及还原糖含量的影响大于K2SO4和KCl，且增幅最大；浇施8 mmol·L-1的K2SO4时，葡萄糖含量增幅最大，优于其余钾盐。由此可见，穿龙薯蓣叶片光合及代谢产物含量的最适钾离子浓度范围为6～8 mmol·L-1。

2.3 穿龙薯蓣幼苗形态和产物含量的相关性分析

对穿龙薯蓣幼苗生长和生理指标进行相关性分析，如表5所示。可知，浇施三种钾盐时，幼苗的株高、叶面积、生物量等形态指标与可溶性糖、还原糖、葡萄糖糖、丙酮酸等生理指标之间均呈极显著正相关(P<0.01)。浇施KNO3时，叶基角与还原糖及生物量显著正相关(P<0.05)，与其余指标相关性不明显；浇施K2SO4时，叶基角与各指标均显著正相关(P<0.05)；浇施KCl时，叶基角与叶面积及丙酮酸相关性较弱，与其余指标均显著正相关(P<0.05)。

表5 穿龙薯蓣幼苗形态与生理指标的相关性分析Table 5 Correlation analysis between the morphology and physiological indexes of Dioscorea nipponica seedlings

注：**表示在0.01水平上显著相关；*表示在0.05水平上显著相关。
Note:**indicates the significant correlation at the level of 0.01；*indicates the significant correlation at the level of 0.05.

3 结论与讨论

3.1 浇施钾盐对穿龙薯蓣幼苗形态与生理的影响

钾元素可显著提高农作物的抗性和品质[19]，KNO3、K2SO4和KCl是薯蓣类肥料研究常用的三种钾肥。有研究表明，施钾能促进黄山药(Dioscoreapanthaica)和三角叶薯蓣(Dioscoreadeltoidea)地上部分生长旺盛，有利于根状茎干物质的积累[20～22]。本研究发现，施用KNO3、K2SO4和KCl均能促进穿龙薯蓣幼苗生长，使其生物量增加，与已有研究结果一致。钾盐处理番茄(Lycopersiconesculentum)幼苗，其株高和叶面积随钾盐浓度升高而增加，但钾盐浓度过高时，幼苗生长势降低[23]。本试验中，穿龙薯蓣幼苗施用钾盐的生长规律同番茄幼苗一致，即增施适量(6～8 mmol·L-1)钾盐(KNO3、K2SO4和KCl)利于穿龙薯蓣生长；钾盐浓度过大，不利于植株生长。

钾元素在维持植物细胞内物质正常代谢、促进光合作用、光合产物运输及蛋白质合成等生理生化方面发挥着重要作用[24～26]。植物缺钾容易导致叶片内糖含量减少[27]，钾通过促进植物光合作用，间接提高可溶性糖、还原糖和葡萄糖的含量。不同钾盐由于组成成分的差异，也对植物的生理及其产物产生不同影响。本试验中，浇施8 mmol·L-1KNO3时，穿龙薯蓣叶片的三种糖和丙酮酸的含量高于其他处理，究其原因，可能在于氮是植物生长所需的大量元素，营养液配方中的氮含量仅能保证植物正常生长；浇施KNO3，富足的氮量可提高穿龙薯蓣对钾元素的利用率，叶片光合速率增加，代谢产物合成加速；相应地，叶片的可溶性糖、还原糖及葡萄糖含量增加。糖类在叶片源器官中积累达到一定程度，即向根部库器官运输，进而增加穿龙薯蓣根状茎的产量。综述，浇施8 mmol·L-1的KNO3，对穿龙薯蓣根状茎产量的促进作用优于其他处理。

3.2 穿龙薯蓣幼苗形态与生理的关系

我国薯蓣属植物分布区域广泛，种类丰富，穿龙薯蓣长期生长于条件复杂多样的自然生境里，土壤养分不同，形成了形态多样、特性各异的多种生态型。叶对生态条件反应十分敏感，叶的厚薄、大小、长宽比、形状、叶缘、叶尖、叶基等均存在差异[28]。而穿龙薯蓣丰富的形态多样性于该种种质资源的开发和利用具有十分重要的意义。

为了进行穿龙薯蓣种质资源的形态初筛，本文分析了穿龙薯蓣幼苗形态与叶片光合与代谢产物含量之间的关系。叶片是对钾盐感受最敏感的器官，浇施钾盐，一定程度上促进了薯蓣植株的光合作用[14]，利于幼苗积累更多干物质，增大生物量。本研究表明，穿龙薯蓣的株高、叶面积、地上与地下生物量与叶片的可溶性糖、还原糖、葡萄糖与丙酮酸的含量极显著正相关，即植株生长越旺盛，叶片的光合产物及代谢产物含量越高。说明株高和叶面积可用作穿龙薯蓣种质资源筛选时首选的形态指标。

糖类是植物光合产物之一，可溶性糖是叶片光合产物向植物不同器官输送的主要有机物形式，叶片中糖类含量的高低在一定程度上反映了源器官对库器官的供应能力。还原糖是指可被氧化充当还原剂的糖。葡萄糖是光合和代谢作用的产物。丙酮酸存在于植物一次代谢过程，是甲羟戊酸(MVA)途径中的产物，植物合成薯蓣皂苷元的前体物质[29～32]。本研究表明，增施钾肥时丙酮酸含量增加，就此推测施用钾肥可能对提高薯蓣皂苷元含量有一定影响，具体关系有待下一步研究。