不同品种烟苗钾吸收动力学参数测定与钾效率分类

不同品种烟苗钾吸收动力学参数测定与钾效率分类

卷烟是一种喜钾作物。钾素的吸收和积累不仅关系到烟草类植物的生长发育，也关系到烟草类植物的品质。然而，我国的卷烟钾含量普遍低于2%，这是限制我国香烟品质的重要因素。目前,虽然生产上已认识到施用钾肥的意义,但常年大量钾肥的投入并未从根本上解决烤烟烟叶含钾量普遍低下的问题,而且导致了南方部分烟区植烟土壤呈富钾状态,对环境安全构成了潜在的威胁。因此提高烤烟钾效率已经成为提高烟叶含钾量和烟叶品质的关键。20世纪50年代初,Epstein等首先将酶促反应动力学方程应用于植物对离子吸收的研究,从而开创了植物吸收养分动力学研究的先河。该方程中的Imax,Km和Cmin可定量地描述植物吸收养分的特征,为比较品种间养分吸收特征提供了量化指标,可用来评价品种间耐瘠能力,因此受到重视。不同作物及同一作物不同品种(或基因型)钾素的吸收、利用存在差异,因此可以通过烤烟基因型差异筛选,充分发掘钾高效基因型的遗传优势来提高烟叶品质。迄今,有关钾素基因型差异的研究主要集中在水稻、小麦等大田作物上。本试验于2007年6月以4个不同烤烟品种为材料,通过营养液培养对不同品种烟苗的K+吸收动力学参数进行了较为系统的研究,以揭示同一钾水平下K+吸收动力学参数与烟草钾效率的关系以及低钾胁迫下不同品种烟苗K+吸收机制,为钾高效基因型烟草的准确筛选和钾肥的合理施用提供理论依据。1.1试验材料供试品种为:黄花93-1、云烟85、大伏烟前2个为烤烟型,后1个为晒烟型。K326为对照品种(烤烟型)。1.2营养液的制备在烤烟生长到3叶一心期,从苗床上挖取4种不同品种的烤烟烟苗各20株,洗净根部后,选取具代表性壮苗各9株进行同一K+浓度溶液培养,pH值调至6.0。缺钾营养液的组成为Hoagland营养液改良配方培养液。试验设1个供钾水平,K+浓度为300μmol/L。植物所需要的钾用KNO3提供,用容积为2.5L的培养盆,每盆营养液中移入3株苗,每个处理设重复3次。5d更换一次营养液,每天调pH到6.0,营养液用泵每天通气24h。整个试验在日光温室进行,培养至9叶期时,用无钾的Hoagland营养液改良配方培养液培养,饥饿24h后。转到K+浓度为300μmol/L的培养液中培养并进行耗竭,通气泵加氧。每隔1h用酸度计测定培养液的pH值,记载ΔpH(即pH值的变化值)。每30min取样,每次取5ml吸收液,同时加入5ml原培养液以维持吸收液的体积,取样总量约40ml,少于溶液总体积的3%,取走的K+量可忽略不计。培养8h后,当pH下降幅度较大时终止培养。1.3k+消耗速率a钾的分析采用火焰光度计法。参照Rosen和Carlson的方法,将试验收集样品的时间值及该时间测得的样品K+浓度的成对数据输入计算机,用最小二乘法将数据套入二次方程y=ax2+bx+c得离子消耗曲线方程(x代表时间,y为该时间溶液中的K+浓度),将不同时间值x代入其导数方程-y′=b+2ax,求得的负导数(-y′)即为该时间的K+消耗速率。K+吸收速率I,用每分钟每克鲜重根吸收K+的微克分子数表示。公式如下:Conc=a×t2+b×t+cI=-dConc/dt=-2a×t-bImax=b×V/FRWKm=b2/16a-b2/4a+cCmin=b2/4a-b2/2a+c公式中Conc:溶液钾离子浓度(μmol/L);t:时间(min);a,b:参数;c:常数;I:钾吸收速率(μmol/gmin);Imax:钾最大吸收速率(μmol/gmin);Km:当钾吸收速率达到最大吸收速率一半时溶液中的钾离子浓度(μmol/L);V:溶液体积(L);FRW:根系鲜重(g),Cmin是植株根系吸收培养液中K+的最低临界浓度值。2结果与分析2.1不同浓度的烟苗u根系吸收钾的能力和耐贫瘠能力与根系分泌质子能力大小有关,在低浓度范围内,植物吸收钾是主动吸收过程,同时分泌质子导致溶液酸化,吸钾速率较大的品种使营养液中pH值降低较多。表1、表2和表3分别表示试验中不同品种烟苗在不同时间里pH值的变化情况,K+浓度的变化情况和pH值及K+浓度变化关系。表3中,在2h与4hK+浓度的变化与pH值变化的关系中可以看出同一浓度培养下不同品种烟苗的差别。图1为300μmol/L处理的烟苗在2h、4h和6h溶液(K+)与pH值变化的相关性。由以上分析得出,在300μmol/L钾浓度的培养下,黄花93-1的K+浓度、pH值的变化均最小,云烟85的K+浓度、pH值的变化最明显。K326的K+浓度、pH值的变化仅次于云烟85,而大伏烟在最开始的2h里K+浓度、pH值的变化是云烟85>大伏烟>K326,之后4h里两者的变化是云烟85>K326>大伏烟。由溶液(K+)与pH值变化的相关性分析得出云烟85在低钾的条件下根系有很强的吸钾能力。K326在低钾胁迫环境中根系吸钾能力较强。大伏烟在耗竭液中钾离子浓度还较高的情况下有较强的吸钾能力。而黄花93-1的吸钾能力是这4个品种中最弱的。2.2离子吸收动力学分析K+吸收可分为2个机制:机制ⅠK+吸收服从Michaelis-Menten动力学模式,并在低外部K+浓度(10～1000μmol/L)下起作用(高亲和力);机制Ⅱ在高的外部K+浓度(1000～50000μmol/L)下起作用(低亲和力)。也有资料报道,K+的跨膜转运、吸收是通过专门的K+通道来实现的,迄今从多种植物或同种植物的不同组织器官中分离到多种K+通道基因,它们具有不同的特性和作用。根和茎中皮层、根毛及木质部、韧皮部的K+通道与K+吸收运输特别关联。从离子吸收的动力学分析求得吸收的表观米氏常数(Km)、最大吸收速率(Imax)及钾离子吸收最低临界浓度值(Cmin)见表4。Km的倒数表示根系吸收位置对离子亲和力的大小,Imax可以视作离子吸收位置的量,这2个参数可以表示根系吸收离子的效率。Imax及Km、Cmin可以作为基因型适应土壤中营养条件适应水平的有用指标。Cacco等假设在吸收过程中这两个动力学参数的4种情况:I.高Imax和低Km,这类植物能适应广泛范围的营养条件;Ⅱ.高Imax和高Km的基因型适应于高浓度的养分条件;Ⅲ.低Imax和低Km则比较适合低的养分情况;Ⅳ.低Imax和高Km的植物在任何浓度条件下都是不利的。由于动力学参数在不同品种间表现的复杂性,采用上述方法,根据表4,把高于平均值的划分为高,低于平均值的划分为低。4个烟苗品种的分类结果如下:云烟85和大伏烟属于I类,说明两者是能适应广泛范围营养条件的基因型。这2个品种都是钾高效基因型烟草,可以作为很好的遗传育种材料。黄花93-1属于IV类,是一种在任何浓度条件下都不利的基因型,即属于应该淘汰的基因型。对照品种K326属于Ⅲ类,比较适合低的养分情况。从这4个烟苗品种的动力学参数筛选结果可以看出,属于钾高效基因型的品种Cmin也较低,而钾吸收效率很低的品种其Cmin较均值高。它们的钾高效和钾低效营养性状得到进一步的证实,说明了K+吸收动力学参数Km、Imax及Cmin用来评价品种间耐瘠能力,是进行筛选高效吸钾基因型烟草的较好指标。3k+吸收动力学参数对不同品种烟苗中钾营养特性的初步筛选植物对养分的吸收受到多方面因素的影响,如外界环境(光照、水分、pH值、通气和肥料种类等)和本身基因型的影响,而不同基因型作物对养分吸收和利用效率之间的差异则主要是受作物本身基因型特性(根系形态学和生理学特征)影响。本项研究中的品种主要是根据筛选出来的不同钾效率的烟草品种在吸收动力学上的差异,来判断这些品种是否也有根系吸收高效方面的原因。由K+耗竭曲线计算出的动力学参数分类的结果在4个品种间表现不一致。从表面上来看,用动力学分析方法来研究不同品种烟苗的钾营养特性是不太完善的,而且需要应用其它的根系形态和生理研究相结合,才能反映植物对钾的吸收效率和耐低钾能力的大小。但是从深层次分析,烟苗对钾的吸收不仅要受到本身基因型的影响,其表现型还要受到许多环境因素的影响。正是动力学参数多样性才反映了自然界作物品种钾营养效率的多样性,有的高效,有的低效,有的属于中间型。K+吸收动力学参数可作为筛选钾高效基因型烟草的较好指标,可用来评价品种间耐瘠能力的差别。植物对低浓度K+(10～1000μmol/L)的吸收以主动吸收为主,主动吸收通过载体蛋白来完成,这种吸收机制称为高亲和吸收。高亲和吸收服从Michaelis-Menten动力学方程。植物在高浓度K+(1000～50000μmol/L)时的吸收属K+低亲和吸收,主要通过K+通道完成。本试验研究了不同品种烟苗同一供钾水平下K+的吸