施钾对紫花苜蓿苗期光合特性及抗蓟马的影响

李亚姝，温雅洁，赵晓东，周生英，胡桂馨，孙尧德

(1.甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，甘肃省草业工程实验室，中-美草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃 兰州 730070；2.民勤县草原工作站，甘肃 民勤 73399)

钾是作物生长发育所必需的矿质元素之一，它不仅在维持细胞内正常代谢、改善气孔运动、优化光合性能、增强抗逆性等方面具有重要作用[1-5]，在降低植物病虫害发生率方面的作用也尤为突出[6]。植物缺钾时，往往表现出植株矮小、叶面积下降、下部叶片失绿、叶缘黄化凋萎等症状，最终抑制植株生长和产量形成[7]。大量研究表明，钾素的供应不足会导致叶片的光合速率下降[4,8]；而充足的钾素供应能增大气孔孔径、改善气孔功能，还可以改变叶片结构、叶绿体结构和分布，加速同化产物的合成及向根部的运输，提高根瘤利用同化产物(氨基酸)的效率，从而提高苜蓿再生期间的固氮率，为苜蓿高产提供了条件[9]。苜蓿的产草量随着施钾量的增加而增加[10-11]。一般认为我国北方土壤中钾含量较高，在北方苜蓿田施钾肥不必要[12]。但由于近年来农田钾素投入与支出严重不平衡以及土壤水分含量对K+移动的影响，使北方地区土壤的速效钾或缓效钾含量呈显著下降的趋势[13]。因此，在我国北方苜蓿主产区，钾素在苜蓿产业发展过程中尤为重要。

紫花苜蓿(Medicagosativa)为多年生豆科草本植物，其高产优质、利用年限长、抗逆性强，是支撑我国北方草产业发展的重要牧草[14]。而随着苜蓿利用年限的增加，草地生境稳定，苜蓿上的病虫害发生日益严重，其中牛角花齿蓟马(Odontothripsloti)是我国北方苜蓿生产中的重要害虫之一[15]。在苜蓿营养生长阶段，蓟马成虫和若虫以特有的锉吸式口器吸食顶端幼嫩组织汁液，使苜蓿叶片卷曲、皱缩[16-17]，光能利用能力下降，光合效率降低[18]。王小珊等[19]研究表明，苜蓿在受到牛角花齿蓟马危害后，叶片中的粗蛋白、粗脂肪和可消化蛋白含量均显著降低。张晓燕等[20]的研究表明抗蓟马苜蓿品种的补偿生长能力及生长指标高于感蓟马品种。研究发现施钾可以提高播种当年苜蓿叶片的光合速率和蒸腾速率[21]。但关于施钾后苜蓿对蓟马为害的反应与苜蓿光合作用的关系，尚不明确。

因此，本研究以抗蓟马品种甘农9号紫花苜蓿和西北地区广泛种植的品种甘农3号紫花苜蓿为材料，在不同施钾水平下，评价两个苜蓿品种对牛角花齿蓟马的抗性表现，并测定其光合气体交换参数和功能叶片的叶绿素含量，揭示施钾对苜蓿抗蓟马的光合机制。

1 材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试苜蓿品种 甘农3号紫花苜蓿(M.sativacv.Gannong No.3)，甘农9号紫花苜蓿(M.sativacv.Gannong No.9)。

1.1.2 供试虫源 牛角花齿蓟马(Odontothripsloti)成虫。

1.2 试验设计

试验于2020年5-7 月在甘肃农业大学牧草实训基地网室中进行。取河滩淤积沙土，待其自然风干后测定土壤氮磷钾含量，土壤速效氮为31.14 mg/kg，速效磷3.68 mg/kg，速效钾22.27 mg/kg，全氮含量为0.94 g/kg，全磷含量为0.52 g/kg，全钾含量为0.07 g/kg。试验采用高×直径为25 cm×30 cm的塑料花盆，每盆装5 kg土，半埋于网室中。于2020年5月30日施肥播种，N为5 mg/kg，P(P2O5)为50 mg/kg(按耕层折算相当于施氮肥和磷肥(P2O5)114 kg/hm2和57 kg/hm2)，K肥(以K2O含量计)设置分4个钾量处理，分别为40，60，80和100 mg/kg(按耕层折算分别相当于施钾肥 90,135,180和225 kg/hm2)，依次记做K1，K2，K3，K4，另设一个不施K肥的对照处理，记K0。管理过程中每次浇水以等体积、不渗漏为准，以确保各处理花盆中肥料不外流以及苜蓿苗水分条件的均一性。每个苜蓿品种每钾处理9盆重复，于4叶期间苗，选取长势一致的植株，每盆保留25株。苜蓿6叶期，按3头/株接入牛角花齿蓟马成虫，分别于蓟马为害7 d和14 d时，评价苜蓿的受害程度，测定苜蓿的光合参数，并取苜蓿功能叶片(倒4叶)，测定苜蓿叶片的叶绿素含量。

1.3 试验方法

1.3.1 受害程度评价 两个苜蓿品种每处理随机取植株30株，根据苜蓿受蓟马危害的叶片分级标准[22]，统计每枝条上部1/3所有>4 mm叶片的受害级别，按下式计算受害指数：

1.3.2 气体交换参数的测定 苜蓿植株接虫7 d和14 d后，采用GFS-3000光合仪(Walz,Germany)对甘农3号和甘农9号功能叶片倒4叶(心叶往下数第4片叶子)的光合气体交换参数进行测定，时间为9∶00～11∶00，空气中CO2浓度固定为400 μmol/mol，光照强度设定为1 400 μmol/(m2·s)，光强设定后，最小稳定时间设定为120 s，当测量结果变异率小于0.5时，记录测定指标。测定指标包括：净光合速率[Pn，μmol/(m2·s)]、蒸腾速率[Tr，mmol/(m2·s)]、气孔导度[Gs，mmol/(m2·s)]、胞间CO2浓度(Ci，μmol/mol)，并计算水分利用效率(WUE，mmol/mol)，计算公式为WUE=Pn/Tr。

1.3.3 叶绿素含量 叶绿素含量测定采用乙醇-丙酮(5∶5，V/V)浸提液提取法。称取剪碎的苜蓿鲜样0.2 g，放入10 mL离心管中，然后向试管中加入10 mL 浸提液，放入暗处提取24 h，期间摇动数次，混合均匀，即得到叶绿素的提取液。以乙醇-丙酮浸提液为空白，在波长646，663和470 nm下测定吸光值，根据以下公式计算叶绿素含量：

Ca(叶绿素a浓度；mg/L)=12.21D663 nm-2.81D646 nm；

Cb(叶绿素b浓度；mg/L)= 20.13D646 nm-5.03D663 nm；

Cc(类胡萝卜素浓度；mg/L)=(1 000D470 nm-3.27Ca-104Cb )/229。

CT(叶绿素总量；mg/L)=Ca+Cb=7.18D663 nm+17.32D646 nm

叶绿素含量(mg/g)=(色素的浓度×提取液体积×稀释倍数)/样重

1.4 数据处理

运用SPSS 20.0软件进行One-way ANOVA单因素方差分析对所测数据进行统计分析(Duncan氏新复极差法)，采用Microsoft Excel 2016进行图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同施钾水平下苜蓿受害指数的变化

随着施钾水平的升高，两个苜蓿品种的受害指数均下降；随着受害时间的持续，苜蓿的受害指数升高。受害7d时，随着施钾水平的升高，甘农3号的受害指数呈先降后升的趋势，甘农9号的受害指数呈下降的趋势，甘农3号和甘农9号分别在K3和K4水平下受害指数最低，分别较对照CK处理显著下降了41.00%和32.07%(P<0.05)。受害14 d时，两个苜蓿品种的受害指数均随施钾水平的升高而呈持续降低的趋势，均在K4水平下最低，甘农3号和甘农9号分别较CK处理显著下降了42.95%和34.99%(P<0.05)。在同一受害时期、同一施钾水平下，甘农9号的受害指数均低于甘农3号(表1)。

表1 不同施钾水平下苜蓿的受害指数

2.2 不同施钾水平下苜蓿光合气体交换参数的比较

2.2.1 蓟马为害7 d时苜蓿光合气体交换参数的比较 施钾后，两个苜蓿品种的净光合速率(Pn)均升高，甘农3号在K2处理下净光合速率最大但不显著(P>0.05)，甘农9号苜蓿的净光合速率在K3处理下最大，较CK处理显著增加了31.34%(P<0.05)；两个苜蓿品种的蒸腾速率均在K3处理最小，但变化不显著(P>0.05)；甘农3号苜蓿的气孔导度(Gs)在K3处理最大，较CK处理显著增加106.46%(P<0.05)，甘农9号苜蓿在K2处理下气孔导度最大，较CK处理显著增加46.99%(P<0.05)；甘农3号和甘农9号苜蓿的胞间CO2浓度(Ci)均在K2处理最大，分别较CK处理显著增加50.35%和28.53%(P<0.05)；甘农3号苜蓿的水分利用率在K2处理最大，甘农9号苜蓿的水分利用率在K3处理最大，但各处理间均无显著差异(P>0.05)(表2)。

表2 蓟马为害7d时不同施钾水平下苜蓿的气体交换参数

2.2.2 蓟马为害14 d时苜蓿光合气体交换参数的比较 施钾后，甘农3号的净光合速率升高，在K4处理下较CK处理显著增加46.93%(P<0.05)，甘农9号苜蓿的净光合速率在K2处理下最大，较CK处理显著增加176.99%(P<0.05)；甘农3号的蒸腾速率随施钾水平升高呈先下降再升高的趋势，在K2处理最小，甘农9号的蒸腾速率在K4处理最小，但变化均不显著(P>0.05)；甘农3号和甘农9号苜蓿的气孔导度分别在K3和K1处理最大，分别较CK处理显著增加118.75%和164.30%(P<0.05)；甘农3号和甘农9号苜蓿的胞间CO2浓度均在K3处理最小，但甘农3号的变化不显著(P>0.05)；两个苜蓿品种的水分利用率均在K2处理下最大，甘农9号的水分利用率升高显著(P<0.05)。

表3 蓟马为害14d时不同施钾水平下苜蓿的气体交换参数

2.3 不同施钾水平下苜蓿叶绿素含量的变化

2.3.1 蓟马为害7 d时不同施钾水平下苜蓿叶绿素含量的变化 施钾后，两个苜蓿品种叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b的含量及甘农9号的类胡萝卜素的含量均增加，甘农3号的类胡萝卜素含量减少。甘农3号的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b的含量分别在K2、K4、K2处理最大，分别较CK处理显著增加了32.99%、53.57%和33.87%(P<0.05)，类胡萝卜素在CK和K1处理下含量最大，但不显著。在K2处理下，甘农9号叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b含量最大，类胡萝卜素含量在K3处理下最大，但变化均不显著(P>0.05)(图1)。

图1 蓟马为害7 d时不同施钾水平下苜蓿的叶绿素含量Fig.1 Leaf chlorophyll content of alfalfa infested by Odontothrips loti for 7 days under different levels of potassium application 注:不同小写字母表示同一品种不同水平间差异显著(P<0.05)；G3表示甘农3号，G9表示甘农9号。下同

2.3.2 蓟马为害14 d时不同施钾水平下苜蓿叶绿素含量的变化 施钾后，在K2处理下，甘农3号叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b和类萝卜素含量均最大，分别较CK处理显著增加了114.55%、123.53%、97.22%和257.14%(P<0.05)。甘农9号叶绿素a在K2处理含量最高，叶绿素b、叶绿素a+b和类胡萝卜素含量在K1处理下最大，但增加均不显著(P>0.05)(图2)。

图2 蓟马为害14 d时不同施钾水平下苜蓿的叶绿素含量Fig.2 Leaf chlorophyll content of alfalfa infested by Odontothrips loti for 14 days under different levels of potassium

3 讨论

钾在改善植物虫害发生及耐害性方面有着积极的作用[23]。吴晖等[24]研究表明，土壤的速效钾含量越高，锥栗品种对栗瘿蜂(Dryocosmuskuriphilus)的抗性越强，李刘杰[25]等研究发现适量供钾可增强小麦对蚜虫的抗性。不同的植物种类或同种作物的不同品种(品系)对昆虫的抗性程度有较大的差异[26-27]。本试验中，施钾后，甘农3号和甘农9号的受害指数均下降，说明施钾可增强苜蓿对蓟马的抗性；在同一受害时期、同一施钾水平下，甘农9号的受害指数均低于甘农3号，说明甘农9号抗蓟马性强于甘农3号，但从施钾后受害指数的下降率来看，施钾对于感蓟马品种甘农3号的抗性增强效果高于甘农9号。

叶绿素是植物进行光合作用的基础物质，而光合作用是植物生长发育的生理基础，是植物主要的生命活动指标。有利的环境条件与栽培技术能显著提高叶片的光合性能，尤其与施肥量密切相关。合理的施肥能提高叶片的叶绿素含量，延长叶片的光合作用时间，从而提高光合产量[28]，进而影响 ATP 的合成、光合作用关键酶的活化和CO2的利用等。钾元素也能促进植物对氮素的吸收利用，延缓叶片衰老[29-31]。绝大部分研究认为，钾素供应不足会显著降低叶片钾浓度，导致光合速率下降[32-35]。本试验中，施钾后两个品种苜蓿的净光合速率均升高，蒸腾速率降低；受害7 d时，甘农3号的净光合速率升高但不显著，受害14 d时，高钾水平下(K4)甘农3号的净光合速率显著升高；在两个受害时间，甘农9号的净光合速率均显著升高。说明施钾能增强苜蓿叶片的光合能力，且对抗蓟马苜蓿甘农9号的增强效应高于甘农3号。施钾后，两个品种苜蓿叶片的叶绿素含量增加，苜蓿的光合速率和光合物质的合成速率提高，促进了苜蓿的补偿生长能力，进而增强了苜蓿对蓟马的耐害性。

水分利用率反映了植物生产过程中的能量转化能力。本试验中，随着施钾水平的升高，两个品种苜蓿的水分利用率均呈现先升高后降低的趋势；受害7 d时，两个苜蓿品种水分利用率差别并不明显，但在受害后期(14 d)，甘农9号的水分利用率显著升高。另外，除了对照，甘农9号的水分利用率均高于甘农3号，说明适量施钾对甘农9号的能量转化能力的增强明显优于甘农3号，进而使甘农9号苜蓿对蓟马的耐害性表现更好。由于K+通过进出保卫细胞调节渗透势起到调节气孔开闭的作用，因此有研究将缺钾条件下光合速率的下降归因于气孔限制[36]。但有研究发现缺钾条件下乙烯的产生促使气孔导度升高，由此可见，气孔的开闭调节是一个复杂的调节网络，不仅仅只受到钾含量的影响[37]。本研究中，蓟马为害前期，施钾紫花苜蓿的叶片气孔导度和胞间CO2浓度随着施钾水平的升高而升高，但在为害后期胞间CO2浓度的变化与受害前期并不一致。由于气孔的开闭调节极其复杂，因此，施钾量不一定是导致气孔导度降低的原因。由于苜蓿植株在网室中生长，测定光合气体交换参数时将花盆移至室外进行测定，可能是由于网室内外CO2环境的差别，导致胞间CO2浓度升高。

4 结论

施钾后，紫花苜蓿的受害指数显著降低，苜蓿叶片的叶绿素含量增加，净光合速率和水分利用率升高。施钾提高了苜蓿叶片的叶绿素含量，增强了苜蓿的净光合速率和光合物质的合成速率，进而增强了苜蓿对蓟马的耐害性。