甜瓜苗期钾高效基因型筛选体系研究

裴义玮 张屹东 陆怡然

（1上海市金山工业区农业技术推广服务站 201506）

（2上海交通大学农业与生物学院，上海市闵行区 200240）

钾在植物生长发育过程中具有非常重要的生理作用，钾肥短缺问题随着农业生产的发展日益受到关注[1-2]。培育钾高效作物品种是直接有效缓解钾短缺的一种方法，而培育钾高效品种和作物种质资源的筛选均须建立一个钾吸收和利用效率的评价体系。传统的评价方法往往以单一钾胁迫浓度作为筛选条件，且反映不同品种钾吸收利用能力的观察指标也较为单调。同时，由于不同甜瓜品种的钾转运系统表达和调节会与环境条件发生一定的动态响应，从而使不同甜瓜基因型表现出的钾吸收利用效率产生一定的差异，且在不同的生长时期这种差异也会有所不同；而通过设立多个水平的钾胁迫浓度，研究在哪个钾胁迫浓度和生长时期下甜瓜品种间的这种差异程度达到最大，则在该生长时期进行钾高效基因型甜瓜筛选，该钾胁迫浓度就能对不同的甜瓜品种起到越强烈的筛选作用。因此，本试验研究的目的就是确立筛选作用最强烈的筛选条件，即建立甜瓜苗期钾高效基因型筛选体系。

本试验以4个甜瓜栽培品种为试验材料，通过设计水培试验，分别在幼苗期的不同生长时段进行数据测定与统计分析，最终确立甜瓜苗期钾高效基因型筛选的适宜筛选时段、筛选钾浓度与筛选生长指标，初步建立一个甜瓜苗期钾高效基因型筛选体系。该甜瓜筛选体系是一个能够便捷、快速、严谨、可靠地筛选或判别出一个甜瓜钾高效基因型的筛选方法与模式，从而为后续甜瓜钾营养相关试验提供参考。现将相关试验结果报道如下。

1 材料与方法

1.1 供试品种

供试甜瓜品种为市场上常见的甜瓜推广品种，品种具体信息见表1。

1.2 试验设计

各品种取适当数量的甜瓜种子于55 ℃温水中浸种15 min，30 ℃恒温催芽露白后，移至75孔穴盘中，并放入组织培养箱进行育苗，待苗长至1叶1心期后移植进行水培。育苗地点位于上海交通大学农业与生物学院实践中心，水培试验地点位于学院东北角的连栋玻璃温室，试验时间为2017年2月上旬至5月中旬。

表1 供试甜瓜品种信息

水培具体方法：裁剪泡沫塑料板至与水培槽规格吻合并均匀打孔，每孔容纳1株甜瓜幼株并用海绵填充洞孔，以固定茎基部。植株根系全部浸没在营养液中，在培养过程中使用气泵进行不间断供氧，并每2 d更换1次营养液，初期使用牙签扶固幼株。营养液采用苗锦山等推荐的水培配方[3]，母液配置完成后按比例稀释得到最终体积为6 L左右的营养液，调整溶液pH至6.5～7.0。在原配方的基础上对钾离子浓度进行改动，以设置不同的钾浓度处理，见表2。以K2SO4作为供钾形式，同时改动Ca(NO3)2和NaNO3的含量，以维持硝态氮浓度，将KH2PO4替换为NaH2PO4，以提供磷元素。

试验共设置5个水平的钾浓度作为备选的筛选浓度，分别为原配方浓度CK(9 mmol/L)、K1（1 mmol/L）、K2（0.5 mmol/L）、K3（0.1 mmol/L）、K4（0.01 mmol/L），每个甜瓜品种分别在3叶期和6叶期两个生长时期取鲜样并测定相关指标，每处理重复3次。

表2 不同钾浓度的营养液配方 （单位：g/L)

1.3 测定项目与方法

1.3.1 形态生长指标测定

（1）茎高，测量茎基部到顶叶基部的高度。（2）茎粗，用游标卡尺测量第一片真叶出生处茎部的直径。（3）地上部干重、地下部干重，将植株从茎基处剪开，地上部置于105 ℃烘箱杀青15 min，然后与地下部分别放入信封后，于75 ℃烘干至恒重并称量。

1.3.2 生理生化指标测定

（1）丙二醛（MDA），MDA与植物在逆境下遭受伤害和活性氧积累诱发的膜脂过氧化作用密切相关，是膜脂过氧化最重要的产物之一，可作为间接测定植物抗逆性的指标[4]，MDA含量的测定方法可参考赵世杰等的硫代巴比妥酸法（TBA）[4]。（2）全株钾浓度，使用HNO3∶H2O2体积比为3∶1的液体消煮已均匀研磨成粉的样品，随后转移至新试管中，并将消煮液以恰当倍数稀释，最后于上海交通大学分析测试中心的PE-AA800原子吸收光谱仪测定样品的钾浓度。（3）吸钾量，即植株的钾吸收能力指标，全株吸钾量(mg)=钾浓度(mg/g)×全株干重(g)。（4）钾利用指数（KUI），指株体组织内每单位钾浓度所形成的生物量，是植株对钾的利用能力指标，计算表达式为KUI=干重(g)/钾含量(g/kg)×39，单位为g2·Dw/mmol，其中39为单位换算系数。

1.4 数据处理方法

采用Excel和SPSS22.0进行数据整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 各甜瓜品种在不同钾浓度下的吸钾量和钾利用指数

吸钾量和钾利用指数（KUI）是衡量植株钾的吸收和利用效率的两个重要指标。由于本试验中“蜜天下”的吸钾量在K3浓度下可能存在较为严重的误差，故在这里仅列出不同甜瓜品种在3叶期和6叶期的不同钾浓度下KUI的试验数据。

由表3可知，在钾利用指数方面，3叶期时，在K1至K3浓度下，各甜瓜品种间KUI差异显著，在K3浓度下，各甜瓜品种间KUI差异不显著；同时，变异系数随钾浓度的降低大体上呈不断下降的趋势，说明甜瓜植株在幼苗阶段的钾利用能力差异无法通过增大筛选压力而体现，更多还是在钾供应充足的条件下才能够反应出来。6叶期则与3叶期相反，随着筛选压力的提升，4个甜瓜品种的KUI的变异系数大体上呈逐渐增大的趋势，且在压力最大的K4浓度下各品种间KUI差异显著，其中以“蜜天下”的KUI最高。

表3 不同时期各甜瓜品种在不同钾浓度条件下的钾利用指数（KUI） （单位：g2·Dw/mmol）

2.2 取样时期与钾胁迫浓度的交互作用分析

为确定最适宜的筛选浓度和筛选时期，进一步以KUI作为指标，将K1、K2、K3、K4作为可能的适宜筛选浓度与筛选时期进行交互作用分析。由表4可知，取样时期与钾浓度之间存在极显著的交互作用，其中6叶期×K4和其他各取样时期与浓度的组合之间在P=0.05和P=0.01的显著性水平上均存在差异，表明该组合的交互作用最好。6叶期的其余3个浓度组合之间均没有显著差异，而3叶期与各浓度的交互作用普遍较差。因此，宜将K4=0.01 mmol/L作为适宜的筛选浓度，6叶期作为适宜的筛选时期。

表4 不同取样时期与钾浓度的交互作用分析

2.3 筛选指标的确定

2.3.1 各备选指标的结果与分析

在确定适宜的筛选时期和筛选浓度后，对此浓度下不同甜瓜品种的各生理生化指标进行了分析。

由表5、6可知，不同甜瓜品种的茎高在K4和对照两个浓度间的变化规律有所差异，“江南蜜一号”和“东方蜜一号”在钾胁迫的筛选浓度下茎高低于对照浓度，而“玉姑”和“蜜天下”则相反。在对照浓度下，各品种的茎高不存在显著差异，表现趋于一致；且茎高未同时在品种与钾浓度间表现出显著性差异，故不能将茎高作为筛选指标。

表5 在筛选浓度与对照浓度下不同甜瓜品种间的茎高比较

表6 在筛选浓度和对照浓度下不同品种的茎高方差分析

由表7、8可知，在钾胁迫的筛选浓度下，4个甜瓜品种的茎粗均大于对照浓度，同时，茎粗在品种与钾浓度间均呈显著性差异（P=0.05水平），故可将茎粗作为筛选指标。

表7 在筛选浓度与对照浓度下不同甜瓜品种间的茎粗比较

表8 在筛选浓度与对照浓度下不同甜瓜品种间的茎粗方差分析

由表9、10可知，在钾胁迫的筛选浓度下，“玉姑”和“蜜天下”地上部干重均是对照浓度的1.7倍以上，是钾利用效率较高的品种，且在钾胁迫的筛选浓度下，各甜瓜品种的表现存在一定的显著性差异，说明改变钾浓度对不同品种具有一定的筛选作用，但由于地上部干重未同时在品种与钾浓度间表现出显著性差异，故不能将地上部干重作为筛选指标。

表9 在筛选浓度与对照浓度下不同甜瓜品种间的地上部干重比较

表10 在筛选浓度与对照浓度下不同甜瓜品种间的地上部干重方差分析

由表11、12可知，在对照浓度下“江南蜜一号”的地下部干重显著高于其余甜瓜品种，但在钾胁迫的筛选浓度下，“蜜天下”的地下部干重最高。地下部干重在品种与钾浓度间均呈显著性差异（P=0.05水平），故可将地下部干重作为筛选指标。

表11 在筛选浓度与对照浓度下不同甜瓜品种间的地下部干重比较

表12 在筛选浓度与对照浓度下不同甜瓜品种间的地下部干重方差分析

根冠比一般以地下部根系与地上部茎、叶的干重比值表示，能反映植株地上部、地下部生长发育情况。由表13、14可知，除“东方蜜一号”外，其余甜瓜品种的根冠比均是在钾胁迫的筛选浓度下大于对照浓度，且“江南蜜一号”在对照浓度下根冠比显著高于其余甜瓜品种，推测钾胁迫对甜瓜植株地下部的生长可能具有较为不利的影响，但由于根冠比未同时在品种与钾浓度间表现出显著性差异，故不能将根冠比作为筛选指标。

表13 在筛选浓度与对照浓度下不同甜瓜品种间的根冠比比较

表14 在筛选浓度与对照浓度下不同甜瓜品种间的根冠比方差分析

由表15、16可知，“江南蜜一号”和“东方蜜一号”在钾胁迫的筛选浓度下MDA含量高于对照浓度，其中“江南蜜一号”的MDA含量差异较大，表明“江南蜜一号”对低钾浓度的适应性较差；“玉姑”和“蜜天下”在钾胁迫的筛选浓度下MDA含量低于对照浓度，表明膜损伤程度较小。MDA含量未同时在品种与钾浓度间表现出显著性差异，故不能将MDA含量作为筛选指标。

表15 在筛选浓度与对照浓度下不同甜瓜品种间的MDA含量比较

表16 在筛选浓度与对照浓度下不同甜瓜品种间的MDA含量方差分析

2.3.2 钾高效基因型筛选体系候选指标的相关性分析

对供试甜瓜品种在6叶期在筛选浓度与对照浓度下的各指标数据进行相关分析。由表17可知，与钾利用指数KUI呈显著相关的指标有茎粗和地下部干重，分别为显著正相关和极显著正相关，因此，地上部干重就与KUI的相关性而言，仍具有一定的钾高效筛选能力。根冠比与MDA含量和KUI呈一定的负相关，表明在钾胁迫条件下植株地下部生长大于地上部，MDA含量降低，表现了植株对钾胁迫的生理响应。

3 结论与讨论

通过水培试验，对甜瓜苗期钾高效基因型品种筛选的筛选时期、筛选浓度、筛选指标进行了研究，确定了以6叶期作为筛选时期、0.01 mmol/L的钾浓度作为筛选浓度、茎粗与地下部干重作为筛选指标的甜瓜苗期钾高效基因型快速筛选体系。该甜瓜筛选体系是一个能够便捷、快速、严谨、可靠地筛选或判别出甜瓜钾高效基因型的筛选方法和模式，能够为后续甜瓜钾营养的相关试验提供参考价值。

在本研究中，各甜瓜品种间的吸钾量与KUI在供钾充足的情况下差异相对不显著，差异系数也较小，而随着筛选压力的提升，吸钾量与KUI的变异系数逐渐上升，差异程度也更加丰富。在前人试验中，随着钾浓度趋于0，各作物品种的表现反而趋于一致[6，9]，这说明随着筛选压力的提升，大多数作物品种因钾低效受到胁迫，而少数钾高效品种的优势则可以显现。然而，随着筛选压力的进一步加大，钾高效品种也会受到影响，导致作物品种间差异程度再次降低，这符合筛选试验的一般规律。

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