钾肥对紫花苜蓿根颈丙二醛、可溶性蛋白含量与抗氧化系统的影响

陈卫东， 张玉霞*， 丛百明， 阿玛尔， 田永雷， 张庆昕，杜晓艳

(1. 内蒙古民族大学农学院， 内蒙古 通辽 028041； 2. 通辽市畜牧兽医科学研究所， 内蒙古 通辽 028000； 3. 内蒙古自治区农牧业科学院， 内蒙古 呼和浩特 010010)

钾是植物体内多种酶的催化剂，具有促进植物体内酶促反应的功能[1]。我国北方土壤的钾肥含量比南方略高，但依旧严重不足[2]，尤其是沙性土壤。土壤钾素含量不足影响植物对营养的吸收，从而导致植物的产量、品质下降，施用钾肥可以增强植物抗性、促进生长、提高产量和品质[3-4]。紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是豆科苜蓿属多年生草本植物，是世界上种植面积最大的牧草之一[5]。苜蓿对氮肥要求不高，但需要施用磷、钾等肥料，苜蓿对钾的需求量高于其他任何一种元素[6-12]。

钾肥能够提高苜蓿的抗寒性[13]，合理施用钾肥，对苜蓿越冬具有重要的作用。前人关于苜蓿抗寒的机理研究较多，认为维持活性氧代谢平衡是苜蓿抗寒生理机制之一[14]，目前关于钾肥是否能够提高苜蓿的抗氧化特性、不同钾肥种类及用量之间是否存在差异尚不清楚。因此，秋季对紫花苜蓿进行硫酸钾和氯化钾施肥量处理，越冬前期挖取苜蓿越冬器官，进行4℃和—20℃温度处理，研究苜蓿根颈丙二醛含量、抗氧化酶活性、可溶性蛋白含量的变化，分析苜蓿在不同钾肥种类及施用量处理下适应低温冷冻的抗氧化生理机理，确定在科尔沁沙地秋季施用钾肥的最佳种类及施用量，为科尔沁沙地苜蓿制定秋季钾肥施用方案提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于内蒙古通辽市内蒙古民族大学科技示范园区(43°36′ N，122°22′ E)，海拔高度为177 m，年平均气温 6.4℃，≥10℃年活动积温3 184℃，年平均日照时数3 000 h左右，无霜期150 d左右，年平均降水量379.1 mm，蒸发量是降水量的5倍左右，年平均风速3～4 m·s-1，为典型的温带大陆性季风气候。试验田土壤为沙土，新开垦沙化草地，土壤0～20 cm，p H值为8.3，土壤有机质含量为0.640%，全氮含量为0.036%，碱解氮含量为35.37 mg·kg-1，速效钾含量为77.51 mg·kg-1，速效磷含量为3.70 mg·kg-1。

1.2 试验设计

供试苜蓿材料为‘北极熊’紫花苜蓿品种，由北京百斯特草业有限公司提供。试验材料于2018年7月17日进行播种，播种量22.5 kg·hm-2，条播行距 15 cm，播种前撒施磷酸二铵150 kg·hm-2，苜蓿生长过程中进行适时喷灌、除草、防治病虫害等田间管理。8月20日采用沟施方式施用不同种类和不同水平的钾肥，钾肥为K2SO4(K2O含量50%)和KCl(K2O含量为60%)，施用量设0，50，100，150，200 kg·hm-25个钾肥(K2O)施用水平，即K2SO4的施用量分别为0，100，200，300，400 kg·hm-2，KCl的施用量分别为0，83.3，166.7，250，333.3 kg·hm-2，分别用K0，K1，K2，K3，K4表示。采用二因素随机区组试验设计，每个处理设3个重复，共30个小区，小区种植面积4 m×5 m，四周设保护行。于封冻期前(11月15日)取样，挖取苜蓿越冬器官，每小区取材料50株(粗细均匀一致)，平均分成2份，其中1份放在冰箱中4℃(温度误差=±1℃)低温冷藏，另1份于程序式低温处理箱模拟低温处理。处理时采用脱脂棉包裹，加水适量，再用锡纸包裹，注明编号，处理温度为—20℃的低温处理，以0℃为起点，4℃·h-1的速率降温，到达设定温度后保持6 h，然后按照4℃·h-1的速率升温至4℃，取出置于4℃下保持12 h，然后进行生理生化指标的测定。

1.3 测定指标及方法

参考邹琦[15]的方法测定生理指标，其中丙二醛(malondialdehyde,MDA) 含量采用硫代巴比妥酸法，过氧化物酶(peroxidase,POD) 采用愈创木酚法，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD) 采用氮蓝四唑法，过氧化氢酶(cata lase,CAT) 采用紫外吸收法，可溶性蛋白(solublr protein,SP)采用考马斯亮蓝比色法测定。

1.4 数据处理

采用DPS软件进行二因素试验统计分析和相关性分析，Microsoft Excel 2010进行数据处理、作图以及制作表格。

2 结果与分析

2.1 钾肥对紫花苜蓿根颈丙二醛(MDA)含量的影响

如表1所示，越冬前期挖取的苜蓿越冬材料在4℃温度处理下，不同钾肥种类及用量之间的MDA含量无显著性差异。但经—20℃低温冷冻处理后，MDA含量明显增加，K2SO4的K0，K1，K2，K3，K4施用量处理MDA含量分别较4℃处理增加了100.0%，83.8%，43.8%，6.3%，35.9%，KCl的K0，K1，K2，K3，K4施用量处理分别较4℃处理增加了100.0%，100.0%，62.7%，29.1%，54.4%，说明低温冷冻处理较冷藏处理，苜蓿根颈膜脂过氧化严重。

-20℃低温冷冻处理下，KCl的不同施用量处理的MDA含量显著高于K2SO4处理，在两种钾肥处理下，K0与K1的MDA含量无显著差异，但显著高于K2，K3，K4处理(P<0.05)，K3处理的MDA含量显著低于K0及其他施钾量处理(P<0.05)。由此说明秋季施用钾肥能够提高苜蓿的抗寒性，且K2SO4强于KCl，施用量以150 kg·hm-2(K2O)为宜。

2.2 钾肥对紫花苜蓿根颈超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

如表2所示，越冬前期挖取的苜蓿越冬材料在4℃温度处理下，不同钾肥种类及用量之间的SOD活性无显著性差异。但经—20℃低温冷冻处理后，SOD活性明显增强，K2SO4的K0，K1，K2，K3，K4钾肥用量处理SOD活性分别较4℃处理增加了15.2%，9.0%，27.7%，72.7%，56.0%，KCl的K0，K1，K2，K3，K4钾肥用量处理分别较4℃处理增加了15.2%，13.3%，21.9%，62.3%，31.7%，说明低温冷冻处理活性氧大量产生，苜蓿通过增强SOD酶活性提高抗氧化特性，但不同钾肥种类及用量之间存在差异。

—20℃低温冷冻处理下，K2SO4不同钾肥用量处理显著高于KCl不同钾肥用量处理(除K1处理)(P<0.05)，两种钾肥处理下，K0与K1差异不显著，但K0显著低于其他钾肥用量处理(P<0.05)，两种钾肥处理下K3的SOD活性均显著高于其他钾肥用量处理(P<0.05)。由此说明秋季施用钾肥能够提高苜蓿在低温冷冻处理下SOD活性，且K2SO4强于KCl，施用量以150 kg·hm-2(K2O)下SOD活性最强。

2.3 钾肥对紫花苜蓿根颈过氧化物酶(POD)活性的影响

如表3所示，越冬前期挖取的苜蓿越冬材料在4℃处理下，不同钾肥种类及用量之间的POD活性无显著性差异，但经—20℃低温处理后，POD活性明显增加，K2SO4的K0，K1，K2，K3，K4钾肥用量处理POD活性分别较4℃处理增加了9.0%，31.4%，38.6%，103.1%，66.3%，KCl的K0，K1，K2，K3，K4钾肥用量处理分别较4℃处理增加了9.0%，15.5%，24.6%，94.6%，50.9%，说明在低温冷冻处理过氧化物大量产生，苜蓿通过增强POD酶活性提高抗氧化特性，且不同钾肥种类及用量之间存在差异。

—20℃低温冷冻处理下，K2SO4不同钾肥用量处理POD酶活性显著高于KCl不同钾肥用量处理(P<0.05)，K2SO4处理下，不同钾肥施用量处理均显著高于K0(P<0.05)，KCl处理下，K0与K1差异不显著，但K0显著低于其他钾肥用量处理(P<0.05)，两种钾肥处理下K3的POD活性均显著高于其他钾肥用量处理(P<0.05)。由此说明秋季施用钾肥能够提高苜蓿在低温冷冻处理下POD活性，且K2SO4强于KCl，施用量以150 kg·hm-2(K2O)为POD活性最强。

表2 不同钾肥种类及施用量下紫花苜蓿根颈SOD活性变化

表3 不同钾肥种类及施用量下紫花苜蓿根颈POD活性变化

2.4 钾肥对紫花苜蓿根颈过氧化氢酶(CAT)活性的影响

如表4所示，越冬前期挖取的苜蓿越冬材料在4℃处理下，不同钾肥种类及用量之间的CAT活性无显著性差异，但经-20℃低温处理后，CAT活性明显增加，K2SO4的K0，K1，K2，K3，K4钾肥用量处理CAT活性分别较4℃处理增加了1.6%，32.2%，34.2%，79.1%，34.1%，KCl的K0，K1，K2，K3，K4钾肥用量处理分别较4℃处理增加了1.6%，3.6%，23.8%，47.8%，8.2%，说明低温冷冻处理过氧化氢大量产生，苜蓿通过增强CAT酶活性提高抗氧化特性，但不同钾肥种类及用量之间存在差异。

-20℃低温冷冻处理下，K2SO4不同钾肥用量处理显著高于KCl不同钾肥用量处理(P<0.05)，两种钾肥处理下，K0与K1差异不显著，但K0显著低于其他钾肥用量处理(P<0.05)，两种钾肥处理下K3的CAT活性均显著高于其他钾肥用量处理(P<0.05)。由此说明秋季施用钾肥能够提高苜蓿在低温冷冻处理下CAT活性，且K2SO4强于KCl，施用量以150 kg·hm-2(K2O)为CAT活性最强。

表4 不同钾肥种类及施用量下紫花苜蓿根颈CAT活性的变化

2.5 钾肥对紫花苜蓿根颈可溶性蛋白(SP)含量的影响

如表5所示，越冬前期挖取的苜蓿越冬材料，在4℃处理下，不同钾肥种类及用量之间的可溶性蛋白含量无显著性差异，但经—20℃低温冷冻处理后，SP含量明显增加，K2SO4的K0，K1，K2，K3，K4钾肥用量处理SP含量分别较4℃处理增加了6.9%，17.2%，38.0%，64.5%，39.1%，KCl的K0，K1，K2，K3，K4钾肥用量处理SP含量分别较4℃处理增加了6.9%，5.1%，21.8%，38.9%，24.3%，说明低温冷冻下，苜蓿通过提高SP含量提高抗寒性，且不同钾肥种类及用量之间存在差异。

—20℃低温冷冻处理下，K2SO4不同钾肥用量处理的SP含量显著高于KCl不同钾肥用量处理(P<0.05)，两种钾肥处理下，K0显著低于其他钾肥用量处理(除KCl的K1处理)(P<0.05)，两种钾肥处理下K3的SP含量均显著高于其他钾肥用量处理(P<0.05)。由此说明秋季施用钾肥能够提高苜蓿在低温冷冻处理下SP含量，且K2SO4强于KCl，施用量以150 kg·hm-2(K2O)为SP含量最高。

表5 不同钾肥种类及施用量下紫花苜蓿根颈SP含量的变化

2.6 丙二醛与根颈中抗氧化酶活性及SP含量的相关性分析

如表6所示，越冬前期挖取的苜蓿越冬材料在4℃处理下，不同钾肥种类及施用量之间的MDA含量与抗氧化酶活性、可溶性蛋白相关性均不显著，但在—20℃低温处理下，不同钾肥种类及施用量之间的MDA含量与POD，SOD活性及SP含量均呈极显著负相关关系(P<0.01)，K2SO4处理的MDA含量与CAT活性呈极显著负相关关系(P<0.01)，KCl处理的MDA含量与CAT活性呈显著负相关关系(P<0.05)。这表明POD，SOD，CAT活性越高，SP含量越高，MDA含量越低，苜蓿根颈受伤程度越轻，说明钾肥能够提高苜蓿在低温冷冻处理下抗氧化酶的活性，抑制膜脂过氧化，提高苜蓿的抗寒性。

表6 MDA与苜蓿根颈中抗氧化酶活性及SP含量的相关性

3 讨论

当植物遭受环境胁迫时，细胞膜首先受到损伤，导致膜脂过氧化，细胞内溶物外渗，并积累膜脂过氧化产物MDA[16]。MDA是膜质过氧化分解的重要产物，能够和蛋白质发生反应，MDA的积累可以对细胞再次造成伤害，进而导致一系列生理生化反应[17]，在一定程度上其含量的高低可以表示细胞的膜质过氧化水平和细胞受损程度[18]。因此MDA是判断植物受胁迫程度的重要指标，MDA含量越高，植物受到损伤程度越大。本研究结果表明，低温冷冻(—20℃)与常温(4℃)处理相比，显著提高了苜蓿根颈MDA的含量。申晓慧等[19]研究表明，苜蓿根系MDA含量随着气温下降而升高，本试验与其结果一致，而在冷冻胁迫下施用钾肥可以显著降低MDA含量，说明钾肥对冷冻胁迫下细胞膜损伤有一定缓解作用，从而减轻冷冻胁迫对苜蓿根颈造成的伤害。其中施用300 kg·hm-2的K2SO4更能降低MDA含量，表明秋季施用300 kg·hm-2的K2SO4有利于提高苜蓿的抗寒性。

4 结论

综上所述，常温(4℃)条件下，秋季施用钾肥与未施用钾肥相比，苜蓿根颈中MDA，SP含量及POD，SOD，CAT活性均无显著性差异；低温冷冻(-20℃)条件下，MDA含量增加，苜蓿根颈受到损伤，刺激POD，SOD，CAT活性增强，SP含量增加，适应低温环境能力变强；在施用K2SO4300 kg·hm-2时，MDA含量最低，POD，SOD，CAT活性最强，SP含量最高，表明受伤程度最小，保护能力最强。因此建议在科尔沁沙地，秋季施用300 kg·hm-2的K2SO4有利于苜蓿安全越冬。