低钾胁迫下不同钙浓度对烟草钾吸收的影响

王英锋 徐高强 代卓 代晓燕 郭泽 李子绅 陈培钰 张铜津

摘要：为探讨低钾胁迫下钙对烟株生长发育及钾素吸收的影响及其机制，通过室内水培法，以烟草品种K326为试验材料，设置2个钾水平和6个钙浓度，分別测定烟株生理特征、根系钙离子含量和Atpase活性及烟株各部位钾含量。结果表明不同钾水平对烟株生长发育及钾吸收影响显著，低钾水平下的烟株地上部及根系物质量、烟株生理指标及各部位钾含量均低于常钾水平，低钾胁迫下烟株地上部及根系钾含量分降低了71.80%～25.63%和8868%～45.47%。同一钾水平下，随着钙浓度的升高，烟株各部位物质量、烟株生理指标、烟株各部位钾含量呈现先升高后降低的趋势。低钾胁迫下，烟株各部位物质量、叶片和根系可溶性蛋白含量、叶片POD和CAT酶活性及烟株各部位钾含量以钙浓度为5mmol/L时表现最佳，其中根系钾含量达到7323mgg。低钾胁迫显著影响烟株生长发育及钾吸收，外界适当的Ca2浓度可以促进烟株K吸收，但过高的Ca2+浓度则会对烟株K吸收产生抑制，水培条件下钙浓度为5mmol/L时最利于烟株生长发育及钾吸收。

关键词：烟草;钾吸收;低钾胁迫;钙浓度;生长发育

钾是植物生长必需的营养元素，也是公认的烟草品质元素，但我国植烟土壤供钾不足及烟株钾素利用率低等问题2-，严重影响着我国烟叶钾含量。由于北方植烟土壤主要以2：1型黏土矿物为主，干湿交替频繁，土壤中钙含量较高;而南方施用石灰改良土壤酸碱度，増加了土壤钙含量导致土壤中Ca2+、K等交换性阳离子比例失调，烟草吸收钾困难且烟叶钾含量整体较低。因此研究钙对烟草钾吸收的影响，对提高烟叶钾含量具有重要意义。植株钾吸收与外界钙浓度密切相关且关系十分复杂。有研究发现，高钙处理可以提高烤烟根系和烟叶的钾含量91，Ca2可以防止细胞内K外渗，减少根系阳离子流失，有利于K*的吸收。然而也有研究表明，土壤有效钙含量与烟叶钾含量呈负相关，钙对钾有一定的拮抗作用，Ca2+的存在会与K争质膜上的吸收通道，减少植株对钾的吸收。目前关于外界钙浓度对烟草钾吸收的影响研究，多集中在正常钾水平下且两者关系并不十分明确。因此本文以烟草品种K326为研究材料，采用室内水培的方法，通过对烟株进行两种钾水平和不同钙浓度组合处理，探索低钾胁迫下外界钙浓度与烟草钾吸收之间的关系，为钾钙平衡施肥提供依据。

1材料与方法

1.1供试材料与培养

供试材料为烟草品种K326，试验于2019年在河南农业大学烟草行业烟草栽培重点实验室进行。烟草种子催芽后，移栽到裝有珍珠岩的小黑盆中，在光照培养箱内培养，每日补充Hoagland完全营养液。培养条件如下：白天温度（282）℃，夜间温度（18±2）℃，每日照光14h，光强为4000k相对湿度为65%～70%。

1.2试验处理

当烟苗长至3片真叶时，挑选长势一致的烟苗，于蒸馏水中饥饿处理24h，再分别置于不同钾和钙浓度的营养液中培养12d后，取烟株地上部及根系进行指标测定。试验共设12个处理，包括2个钾水平，分別为常钾（5mmol/L）和低钾（0.15mmol/L），以及6個钙浓度（0、2、5、7、10、12mmol/L）试验所用营液根据Hoagland完全营养溶液改良而成，去除营养液配方中所有钙离子，使用氯化钙调节营养液中钙浓度，调节pH至6.5～70。在培养过程中，使用充气泵每日通气2h，每4d更换一次营养液，以保持营养液的成分相对稳定。每处理6个重复。

1.3测试指标和方法

1.3.1烟株地上部及根系的物质量分别取地上部及根系称取鲜质量，105℃杀青15min，80℃烘干，分别测定地上部及根系干质量。

1.3.2烟株生理特征采用考马斯亮蓝G-250比色法测定叶片及根系中的可溶性蛋白含量;采用TTC（氯化三苯基四氮唑）法测定根系活力。叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性测定采用核黄素NBT法，过氧化物酶（POD）活性测定采用愈创木酚法，过氧化氢酶（CAT）活性测定采用紫外吸收法。

1.3.3根系钙离子含量采用甲基百里香酚蓝测定法定量检测烟株根系中钙离子含量，根据试剂盒使用步骤测定（试剂盒购自南京建成生物工程研究所）

1.3.4根系Atpase活性根系K-Atpase和Ca2+-Al Pase活性根据试剂盒使用步骤测定（试剂盒购自南京建成生物工程研究所）。

1.3.5烟株各部位钾含量样品烘干研磨粉碎过0.2mm筛后，精确称量0.1000g，采用1mmol/L盐酸提取，使用FP6400火焰光度计测定烟株地上部及根系钾含量。

1.4数据处理

采用Excel2016进行数据整理及作图，运用DPS7.05进行数据统计分析，使用Duncan新复极差法进行差异显著性检验。

2结果

2.1不同钾水平下钙浓度对烟株生长发育的影响

2.1.1烟株地上部及根系的物质量如图1所示，常钾水平下烟株地上部及根系的物质量均高于低钾水平。两种钾水平下，随着钙浓度的升高，烟株地上部及根系的物质量均呈现先升高后降低的趋势，且均在钙浓度为5mmol/L时达到最大值。钙浓度为5mmol/L时，在同一钾水平下地上部鲜质量与其他处理差异均达到显著水平，地上部干质量与除钙浓度为7mmol/L外的其他处理差异达到显著水平。常钾水平下的根系鲜质量和低钾水平下的根系干质量在钙浓度为5mmol/L时均与0、10、12mmo/L的处理差异达到显著水平。低钾水平下，钙浓度为5mmol/L时的根系鲜质量与其他处理（除2mmol/L）差异达到显著水平。

2.1.2烟株生理特征如图2A所示，叶片可溶性蛋白含量在低钾水平显著高于常钾水平（除钙浓度0mmol/L）;两种钾水平下均在钙浓度为5mmol/L时最大，低钾水平下较其他钙浓度处理最大增加幅度为110.72%。根系可溶性蛋白（图2B）在低钾水平整体低于常钾水平;常钾水平随着钙浓度的升高呈现先增加后降低的单峰趋势，钙浓度为5moL时最大;低钾水平下，在钙浓度为2和mmol/L时较高，且与其他4个钙浓度处理相比差异显著。

由图2C可知，常钾水平下的烟株根系活力均

显著高于低钾水平。两种钾水平下，随着钙浓度的升高均呈现先升高后降低的单峰趋势，且都在钙浓度为7mmol/L时最大。

由图2D、E、F可知，在相同钙浓度下，常钾处理叶片抗氧化酶活性均高于低钾处理。3种抗氧化酶活性在相同钾水平下随钙浓度升高均呈现先升高后降低的趋势：SOD活性在钙浓度为7mmol/L时最大，低钾水平下与其他处理相比差异达到显著水平，最大增幅为53.73%;POD和CAT活性均在钙浓度为5mmol/L时最大，CAT活性与其他钙浓度处理达到显著差异。

2.2不同钾水平下钙浓度对烟株钾吸收的影响

2.2.1根系钙离子含量由图3可知，烟株根系钙离子含量在钙浓度为0～7mmo/L时，低钾烟株显著高于常钾烟株;钙浓度为10～12mmol/L时，则表现出相反的规律。常钾处理下，根系钙离子含量在钙浓度为10mmol/L时达到最大值0640mmog低钾水平下，在钙浓度为7mmol/L时达到峰值0.828mmog，且显著高于其他钙浓度处理;当钙浓度为0mmol/L时的低钾水平下的钙离子含量也保持在较高的水平。

2.2.2根系Atpase活性如图4所示，烟株根系K+-Atpase活性在常钾水平下显著高于低钾水平在两种钾水平下随钙浓度增加呈现出相同的变化趋势，在钙浓度为7mmol/L时最大。两种钾水平下，根系Ca2+-Atpase活性随钙浓度增加均呈现先降低再升高后降低的趋势。常钾水平下在钙浓度为10mmoL时达到最大值0.388U/mg，低钾水平下在钙浓度为7mmol/L时达到峰值且差异显著，并在钙浓度为0mmol/L时保持较高的活性为0.389Umg。

2.2.3烟株各部位钾含量由表1、2可知，钾水平和钙浓度以及两者互作对烟株地上部和根系钾含量有显著影响。其中钾水平对地上部和根系钾含量的贡献率均为最大，分别为54.71%和7990%其次是钙浓度，贡献率分别达到23.62%和17.32%;两者互作对地上部钾含量的贡献率也较高为21.61。

如图5所示，无论地上部还是根系，常钾水平下其钾含量均显著高于低钾水平。在地上部中，随着钙浓度的增加，常钾烟株的钾含量，表现为先增加后降低再增加的趋势，在钙浓度为5、7mmol/L时显著高于其他处理;低钾烟株地上部钾含量在浓度为5mmol/L时达到最大值30.613mgg。在根系中，钾含量的变化与地上部呈现相同的趋势，两种钾水平处理均在钙浓度为5mmol/L时达到最大值，且低钾水平下与其他钙浓度处理差异达到显著水平。

3讨论

低钾胁迫下外界钙浓度会显著影响烟株生长发育。本研究表明，在同一钾水平下，随着外界钙浓度的升高，烟株地上部及根系物质量呈抛物线型变化，这与介晓磊等8的研究结果一致。此外，本试验还发现，两种钾水平下，钙浓度均在5mmol/L时最利于烟株各部位干物质积累，这说明过高或过低的钙浓度均不利于烟株的干物质积累。植物可溶性蛋白和根系活力是反应植物代谢状况的重要指标92。根系可溶性蛋白含量和根系活力的变化规律相一致，常钾水平整体高于低钾水平，说明低钾水平下根系的吸收能力有一定程度的降低。其原因可能是植物为了减少低钾胁迫下根系K顺浓度梯度外流而产生的一种保护机制2。不同钙浓度处理下烟株各部位可溶性蛋白含量和根系活力整体均呈现先升高后降低的趋势，说明较低和较高的外界钙浓度都不利于烟株代谢活动。已经发现Ca2+作为外部刺激的次要信使与各种钙信号传感器相互作用，调节多种机制，包括维持细胞膜的稳定性、改善抗氧化酶系统等。本研究发现，叶片抗氧化酶活性均随外界钙浓度升高呈现先升高后降低的趋势，这说明适当的外界Ca2浓度有利于提高烟株叶片抗逆性。

当植物遭受胁迫时，均会导致植物细胞质内Ca2浓度的变化，进而产生一系列生理反应2。本试验结果表明，在外界钙浓度小于7mmol/L时，低钾水平下的根系钙离子含量和Ca2+-Atpase活性均高于常钾水平，这可能是由于外界较低的钾和钙浓度导致细胞内游离Ca2+浓度升高，较高的Ca2+Atpase活性控制胞质钙浓度，细胞内大量的Ca2可能来源于细胞内钙库252。作为响应低钾胁迫的重要第二信使，根系中较高的Ca2浓度也可使钙传感器更好的发挥作用，以提高植物应对低钾胁迫的能力。本试验还发现，当外界钙浓度为7mmol/L时K+-ATP酶活性最高。这些结果说明外界适当的钙浓度可以改善低钾胁迫下根系AP酶的活性，提高根系的吸收能力。

本研究发现，两种钾水平下，随着钙浓度的升高，地上部和根系的钾含量均呈现先升高后降低的趋势，其中低钾胁迫下根系钾含量变化最为明显。研究认为外界钙浓度会对烟株的吸钾能力和钾含量产生显著影响，低浓度的Ca2可以促进K的吸收，但Ca2浓度过高时阻碍烟株钾吸收，介晓磊等和雷广海等的研究也支持这一观点。此外，本研究还发现，外界钾水平对烟株钾吸收的贡献率最高，尤其根系占79.90%，同时外界钙浓度对烟株钾吸收也有较大的影响，说明外界钾水平和鈣浓度都是烟株钾素含量的重要影响因素。植物对于K的吸收主要通过钾离子通道和钾转运蛋白，但近些年随着研究的深入，发现钾离子通道或转运蛋白可渗透Ca2+，如水稻高亲和K转运载体OSHII2：4具有渗透Ca2+的非选择性阳离子通道功能2;外向整流的K通道KORC也是Ca2+可渗透的去极化激活的渗透通道（DACC）B。也有研究表明其他途径如非选择性阳离子通道（NSCCS）B]、环核苷酸门控通道（CNGC）等可同时参与植物K和Ca2+吸收。推测植物对K和Ca2+吸收拥有共用途径可能是外界钙浓度过高时植物对于钾吸收明显减少的主要原因之一，当外界钙浓度过高时Ca2和K竞争共用的吸收通道或转运体，降低K与载体之间的亲和性，从而减少根系对K的吸收，其具体机理还有待进步研究探讨。

4结论

水培试验表明，当钙浓度相同时，低钾胁迫可通过抑制烟草根系代谢活动、根系Atpase活性、干物质积累和叶片抗氧化酶活性等抑制烟草对钾素的吸收和积累。低浓度钙对烟草地上部和根系钾吸收有促进作用，高浓度钙则会抑制烟草钾吸收。适量的钙能有效促进烟株生长发育，增强根系活力和吸收能力以及对钾离子的亲和力，促进烟株钾吸收，且5mmol/L钙浓度的作用效果最好。

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