李亞姝，溫雅潔，趙曉東，周生英，胡桂馨，孫堯德

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州 730070；2.民勤縣草原工作站，甘肅 民勤 73399)

鉀是作物生長發(fā)育所必需的礦質(zhì)元素之一，它不僅在維持細(xì)胞內(nèi)正常代謝、改善氣孔運(yùn)動、優(yōu)化光合性能、增強(qiáng)抗逆性等方面具有重要作用[1-5]，在降低植物病蟲害發(fā)生率方面的作用也尤為突出[6]。植物缺鉀時(shí)，往往表現(xiàn)出植株矮小、葉面積下降、下部葉片失綠、葉緣黃化凋萎等癥狀，最終抑制植株生長和產(chǎn)量形成[7]。大量研究表明，鉀素的供應(yīng)不足會導(dǎo)致葉片的光合速率下降[4,8]；而充足的鉀素供應(yīng)能增大氣孔孔徑、改善氣孔功能，還可以改變?nèi)~片結(jié)構(gòu)、葉綠體結(jié)構(gòu)和分布，加速同化產(chǎn)物的合成及向根部的運(yùn)輸，提高根瘤利用同化產(chǎn)物(氨基酸)的效率，從而提高苜蓿再生期間的固氮率，為苜蓿高產(chǎn)提供了條件[9]。苜蓿的產(chǎn)草量隨著施鉀量的增加而增加[10-11]。一般認(rèn)為我國北方土壤中鉀含量較高，在北方苜蓿田施鉀肥不必要[12]。但由于近年來農(nóng)田鉀素投入與支出嚴(yán)重不平衡以及土壤水分含量對K+移動的影響，使北方地區(qū)土壤的速效鉀或緩效鉀含量呈顯著下降的趨勢[13]。因此，在我國北方苜蓿主產(chǎn)區(qū)，鉀素在苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中尤為重要。

紫花苜蓿(Medicagosativa)為多年生豆科草本植物，其高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、利用年限長、抗逆性強(qiáng)，是支撐我國北方草產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要牧草[14]。而隨著苜蓿利用年限的增加，草地生境穩(wěn)定，苜蓿上的病蟲害發(fā)生日益嚴(yán)重，其中牛角花齒薊馬(Odontothripsloti)是我國北方苜蓿生產(chǎn)中的重要害蟲之一[15]。在苜蓿營養(yǎng)生長階段，薊馬成蟲和若蟲以特有的銼吸式口器吸食頂端幼嫩組織汁液，使苜蓿葉片卷曲、皺縮[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，苜蓿在受到牛角花齒薊馬危害后，葉片中的粗蛋白、粗脂肪和可消化蛋白含量均顯著降低。張曉燕等[20]的研究表明抗薊馬苜蓿品種的補(bǔ)償生長能力及生長指標(biāo)高于感薊馬品種。研究發(fā)現(xiàn)施鉀可以提高播種當(dāng)年苜蓿葉片的光合速率和蒸騰速率[21]。但關(guān)于施鉀后苜蓿對薊馬為害的反應(yīng)與苜蓿光合作用的關(guān)系，尚不明確。

因此，本研究以抗薊馬品種甘農(nóng)9號紫花苜蓿和西北地區(qū)廣泛種植的品種甘農(nóng)3號紫花苜蓿為材料，在不同施鉀水平下，評價(jià)兩個(gè)苜蓿品種對牛角花齒薊馬的抗性表現(xiàn)，并測定其光合氣體交換參數(shù)和功能葉片的葉綠素含量，揭示施鉀對苜?？顾E馬的光合機(jī)制。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試苜蓿品種 甘農(nóng)3號紫花苜蓿(M.sativacv.Gannong No.3)，甘農(nóng)9號紫花苜蓿(M.sativacv.Gannong No.9)。

1.1.2 供試蟲源 牛角花齒薊馬(Odontothripsloti)成蟲。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年5-7 月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)牧草實(shí)訓(xùn)基地網(wǎng)室中進(jìn)行。取河灘淤積沙土，待其自然風(fēng)干后測定土壤氮磷鉀含量，土壤速效氮為31.14 mg/kg，速效磷3.68 mg/kg，速效鉀22.27 mg/kg，全氮含量為0.94 g/kg，全磷含量為0.52 g/kg，全鉀含量為0.07 g/kg。試驗(yàn)采用高×直徑為25 cm×30 cm的塑料花盆，每盆裝5 kg土，半埋于網(wǎng)室中。于2020年5月30日施肥播種，N為5 mg/kg，P(P2O5)為50 mg/kg(按耕層折算相當(dāng)于施氮肥和磷肥(P2O5)114 kg/hm2和57 kg/hm2)，K肥(以K2O含量計(jì))設(shè)置分4個(gè)鉀量處理，分別為40，60，80和100 mg/kg(按耕層折算分別相當(dāng)于施鉀肥 90,135,180和225 kg/hm2)，依次記做K1，K2，K3，K4，另設(shè)一個(gè)不施K肥的對照處理，記K0。管理過程中每次澆水以等體積、不滲漏為準(zhǔn)，以確保各處理花盆中肥料不外流以及苜蓿苗水分條件的均一性。每個(gè)苜蓿品種每鉀處理9盆重復(fù)，于4葉期間苗，選取長勢一致的植株，每盆保留25株。苜蓿6葉期，按3頭/株接入牛角花齒薊馬成蟲，分別于薊馬為害7 d和14 d時(shí)，評價(jià)苜蓿的受害程度，測定苜蓿的光合參數(shù)，并取苜蓿功能葉片(倒4葉)，測定苜蓿葉片的葉綠素含量。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 受害程度評價(jià) 兩個(gè)苜蓿品種每處理隨機(jī)取植株30株，根據(jù)苜蓿受薊馬危害的葉片分級標(biāo)準(zhǔn)[22]，統(tǒng)計(jì)每枝條上部1/3所有>4 mm葉片的受害級別，按下式計(jì)算受害指數(shù)：

1.3.2 氣體交換參數(shù)的測定 苜蓿植株接蟲7 d和14 d后，采用GFS-3000光合儀(Walz,Germany)對甘農(nóng)3號和甘農(nóng)9號功能葉片倒4葉(心葉往下數(shù)第4片葉子)的光合氣體交換參數(shù)進(jìn)行測定，時(shí)間為9∶00～11∶00，空氣中CO2濃度固定為400 μmol/mol，光照強(qiáng)度設(shè)定為1 400 μmol/(m2·s)，光強(qiáng)設(shè)定后，最小穩(wěn)定時(shí)間設(shè)定為120 s，當(dāng)測量結(jié)果變異率小于0.5時(shí)，記錄測定指標(biāo)。測定指標(biāo)包括：凈光合速率[Pn，μmol/(m2·s)]、蒸騰速率[Tr，mmol/(m2·s)]、氣孔導(dǎo)度[Gs，mmol/(m2·s)]、胞間CO2濃度(Ci，μmol/mol)，并計(jì)算水分利用效率(WUE，mmol/mol)，計(jì)算公式為WUE=Pn/Tr。

1.3.3 葉綠素含量 葉綠素含量測定采用乙醇-丙酮(5∶5，V/V)浸提液提取法。稱取剪碎的苜蓿鮮樣0.2 g，放入10 mL離心管中，然后向試管中加入10 mL 浸提液，放入暗處提取24 h，期間搖動數(shù)次，混合均勻，即得到葉綠素的提取液。以乙醇-丙酮浸提液為空白，在波長646，663和470 nm下測定吸光值，根據(jù)以下公式計(jì)算葉綠素含量：

Ca(葉綠素a濃度；mg/L)=12.21D663 nm-2.81D646 nm；

Cb(葉綠素b濃度；mg/L)= 20.13D646 nm-5.03D663 nm；

Cc(類胡蘿卜素濃度；mg/L)=(1 000D470 nm-3.27Ca-104Cb )/229。

CT(葉綠素總量；mg/L)=Ca+Cb=7.18D663 nm+17.32D646 nm

葉綠素含量(mg/g)=(色素的濃度×提取液體積×稀釋倍數(shù))/樣重

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行One-way ANOVA單因素方差分析對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(Duncan氏新復(fù)極差法)，采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行圖表的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施鉀水平下苜蓿受害指數(shù)的變化

隨著施鉀水平的升高，兩個(gè)苜蓿品種的受害指數(shù)均下降；隨著受害時(shí)間的持續(xù)，苜蓿的受害指數(shù)升高。受害7d時(shí)，隨著施鉀水平的升高，甘農(nóng)3號的受害指數(shù)呈先降后升的趨勢，甘農(nóng)9號的受害指數(shù)呈下降的趨勢，甘農(nóng)3號和甘農(nóng)9號分別在K3和K4水平下受害指數(shù)最低，分別較對照CK處理顯著下降了41.00%和32.07%(P<0.05)。受害14 d時(shí)，兩個(gè)苜蓿品種的受害指數(shù)均隨施鉀水平的升高而呈持續(xù)降低的趨勢，均在K4水平下最低，甘農(nóng)3號和甘農(nóng)9號分別較CK處理顯著下降了42.95%和34.99%(P<0.05)。在同一受害時(shí)期、同一施鉀水平下，甘農(nóng)9號的受害指數(shù)均低于甘農(nóng)3號(表1)。

表1 不同施鉀水平下苜蓿的受害指數(shù)

2.2 不同施鉀水平下苜蓿光合氣體交換參數(shù)的比較

2.2.1 薊馬為害7 d時(shí)苜蓿光合氣體交換參數(shù)的比較 施鉀后，兩個(gè)苜蓿品種的凈光合速率(Pn)均升高，甘農(nóng)3號在K2處理下凈光合速率最大但不顯著(P>0.05)，甘農(nóng)9號苜蓿的凈光合速率在K3處理下最大，較CK處理顯著增加了31.34%(P<0.05)；兩個(gè)苜蓿品種的蒸騰速率均在K3處理最小，但變化不顯著(P>0.05)；甘農(nóng)3號苜蓿的氣孔導(dǎo)度(Gs)在K3處理最大，較CK處理顯著增加106.46%(P<0.05)，甘農(nóng)9號苜蓿在K2處理下氣孔導(dǎo)度最大，較CK處理顯著增加46.99%(P<0.05)；甘農(nóng)3號和甘農(nóng)9號苜蓿的胞間CO2濃度(Ci)均在K2處理最大，分別較CK處理顯著增加50.35%和28.53%(P<0.05)；甘農(nóng)3號苜蓿的水分利用率在K2處理最大，甘農(nóng)9號苜蓿的水分利用率在K3處理最大，但各處理間均無顯著差異(P>0.05)(表2)。

表2 薊馬為害7d時(shí)不同施鉀水平下苜蓿的氣體交換參數(shù)

2.2.2 薊馬為害14 d時(shí)苜蓿光合氣體交換參數(shù)的比較 施鉀后，甘農(nóng)3號的凈光合速率升高，在K4處理下較CK處理顯著增加46.93%(P<0.05)，甘農(nóng)9號苜蓿的凈光合速率在K2處理下最大，較CK處理顯著增加176.99%(P<0.05)；甘農(nóng)3號的蒸騰速率隨施鉀水平升高呈先下降再升高的趨勢，在K2處理最小，甘農(nóng)9號的蒸騰速率在K4處理最小，但變化均不顯著(P>0.05)；甘農(nóng)3號和甘農(nóng)9號苜蓿的氣孔導(dǎo)度分別在K3和K1處理最大，分別較CK處理顯著增加118.75%和164.30%(P<0.05)；甘農(nóng)3號和甘農(nóng)9號苜蓿的胞間CO2濃度均在K3處理最小，但甘農(nóng)3號的變化不顯著(P>0.05)；兩個(gè)苜蓿品種的水分利用率均在K2處理下最大，甘農(nóng)9號的水分利用率升高顯著(P<0.05)。

表3 薊馬為害14d時(shí)不同施鉀水平下苜蓿的氣體交換參數(shù)

2.3 不同施鉀水平下苜蓿葉綠素含量的變化

2.3.1 薊馬為害7 d時(shí)不同施鉀水平下苜蓿葉綠素含量的變化 施鉀后，兩個(gè)苜蓿品種葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量及甘農(nóng)9號的類胡蘿卜素的含量均增加，甘農(nóng)3號的類胡蘿卜素含量減少。甘農(nóng)3號的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b的含量分別在K2、K4、K2處理最大，分別較CK處理顯著增加了32.99%、53.57%和33.87%(P<0.05)，類胡蘿卜素在CK和K1處理下含量最大，但不顯著。在K2處理下，甘農(nóng)9號葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量最大，類胡蘿卜素含量在K3處理下最大，但變化均不顯著(P>0.05)(圖1)。

圖1 薊馬為害7 d時(shí)不同施鉀水平下苜蓿的葉綠素含量Fig.1 Leaf chlorophyll content of alfalfa infested by Odontothrips loti for 7 days under different levels of potassium application 注:不同小寫字母表示同一品種不同水平間差異顯著(P<0.05)；G3表示甘農(nóng)3號，G9表示甘農(nóng)9號。下同

2.3.2 薊馬為害14 d時(shí)不同施鉀水平下苜蓿葉綠素含量的變化 施鉀后，在K2處理下，甘農(nóng)3號葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類蘿卜素含量均最大，分別較CK處理顯著增加了114.55%、123.53%、97.22%和257.14%(P<0.05)。甘農(nóng)9號葉綠素a在K2處理含量最高，葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素含量在K1處理下最大，但增加均不顯著(P>0.05)(圖2)。

圖2 薊馬為害14 d時(shí)不同施鉀水平下苜蓿的葉綠素含量Fig.2 Leaf chlorophyll content of alfalfa infested by Odontothrips loti for 14 days under different levels of potassium

3 討論

鉀在改善植物蟲害發(fā)生及耐害性方面有著積極的作用[23]。吳暉等[24]研究表明，土壤的速效鉀含量越高，錐栗品種對栗癭蜂(Dryocosmuskuriphilus)的抗性越強(qiáng)，李劉杰[25]等研究發(fā)現(xiàn)適量供鉀可增強(qiáng)小麥對蚜蟲的抗性。不同的植物種類或同種作物的不同品種(品系)對昆蟲的抗性程度有較大的差異[26-27]。本試驗(yàn)中，施鉀后，甘農(nóng)3號和甘農(nóng)9號的受害指數(shù)均下降，說明施鉀可增強(qiáng)苜蓿對薊馬的抗性；在同一受害時(shí)期、同一施鉀水平下，甘農(nóng)9號的受害指數(shù)均低于甘農(nóng)3號，說明甘農(nóng)9號抗薊馬性強(qiáng)于甘農(nóng)3號，但從施鉀后受害指數(shù)的下降率來看，施鉀對于感薊馬品種甘農(nóng)3號的抗性增強(qiáng)效果高于甘農(nóng)9號。

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ)物質(zhì)，而光合作用是植物生長發(fā)育的生理基礎(chǔ)，是植物主要的生命活動指標(biāo)。有利的環(huán)境條件與栽培技術(shù)能顯著提高葉片的光合性能，尤其與施肥量密切相關(guān)。合理的施肥能提高葉片的葉綠素含量，延長葉片的光合作用時(shí)間，從而提高光合產(chǎn)量[28]，進(jìn)而影響 ATP 的合成、光合作用關(guān)鍵酶的活化和CO2的利用等。鉀元素也能促進(jìn)植物對氮素的吸收利用，延緩葉片衰老[29-31]。絕大部分研究認(rèn)為，鉀素供應(yīng)不足會顯著降低葉片鉀濃度，導(dǎo)致光合速率下降[32-35]。本試驗(yàn)中，施鉀后兩個(gè)品種苜蓿的凈光合速率均升高，蒸騰速率降低；受害7 d時(shí)，甘農(nóng)3號的凈光合速率升高但不顯著，受害14 d時(shí)，高鉀水平下(K4)甘農(nóng)3號的凈光合速率顯著升高；在兩個(gè)受害時(shí)間，甘農(nóng)9號的凈光合速率均顯著升高。說明施鉀能增強(qiáng)苜蓿葉片的光合能力，且對抗薊馬苜蓿甘農(nóng)9號的增強(qiáng)效應(yīng)高于甘農(nóng)3號。施鉀后，兩個(gè)品種苜蓿葉片的葉綠素含量增加，苜蓿的光合速率和光合物質(zhì)的合成速率提高，促進(jìn)了苜蓿的補(bǔ)償生長能力，進(jìn)而增強(qiáng)了苜蓿對薊馬的耐害性。

水分利用率反映了植物生產(chǎn)過程中的能量轉(zhuǎn)化能力。本試驗(yàn)中，隨著施鉀水平的升高，兩個(gè)品種苜蓿的水分利用率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢；受害7 d時(shí)，兩個(gè)苜蓿品種水分利用率差別并不明顯，但在受害后期(14 d)，甘農(nóng)9號的水分利用率顯著升高。另外，除了對照，甘農(nóng)9號的水分利用率均高于甘農(nóng)3號，說明適量施鉀對甘農(nóng)9號的能量轉(zhuǎn)化能力的增強(qiáng)明顯優(yōu)于甘農(nóng)3號，進(jìn)而使甘農(nóng)9號苜蓿對薊馬的耐害性表現(xiàn)更好。由于K+通過進(jìn)出保衛(wèi)細(xì)胞調(diào)節(jié)滲透勢起到調(diào)節(jié)氣孔開閉的作用，因此有研究將缺鉀條件下光合速率的下降歸因于氣孔限制[36]。但有研究發(fā)現(xiàn)缺鉀條件下乙烯的產(chǎn)生促使氣孔導(dǎo)度升高，由此可見，氣孔的開閉調(diào)節(jié)是一個(gè)復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，不僅僅只受到鉀含量的影響[37]。本研究中，薊馬為害前期，施鉀紫花苜蓿的葉片氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度隨著施鉀水平的升高而升高，但在為害后期胞間CO2濃度的變化與受害前期并不一致。由于氣孔的開閉調(diào)節(jié)極其復(fù)雜，因此，施鉀量不一定是導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度降低的原因。由于苜蓿植株在網(wǎng)室中生長，測定光合氣體交換參數(shù)時(shí)將花盆移至室外進(jìn)行測定，可能是由于網(wǎng)室內(nèi)外CO2環(huán)境的差別，導(dǎo)致胞間CO2濃度升高。

4 結(jié)論

施鉀后，紫花苜蓿的受害指數(shù)顯著降低，苜蓿葉片的葉綠素含量增加，凈光合速率和水分利用率升高。施鉀提高了苜蓿葉片的葉綠素含量，增強(qiáng)了苜蓿的凈光合速率和光合物質(zhì)的合成速率，進(jìn)而增強(qiáng)了苜蓿對薊馬的耐害性。