甜瓜耐低钾基因型的苗期筛选研究

康利允，常高正，马政华，李晓慧，高宁宁，梁 慎，徐小利，李海伦，王慧颖，赵卫星

(1.河南省农业科学院 园艺研究所，河南 郑州 450002；2.河南省农业科学院，河南 郑州 450002)

钾是作物必需的大量元素之一，在植物体内的功能主要是参与酶的激活、物质运输、渗透调节及蛋白质的合成，对品质的形成非常关键，素有“品质元素”之称[1]。甜瓜作为人们最喜爱的水果之一，对钾的需求量超过氮[2-3]。而过量施用钾肥，在提高作物产量的同时，还会导致钾肥利用率偏低，影响作物对其他营养元素如镁、钙的吸收，破坏土壤营养结构，还会造成水体污染、生产成本增加等[4-5]。因此，利用甜瓜遗传多样性，筛选耐低钾的甜瓜基因型，发掘甜瓜自身吸收利用钾素的潜力，提高钾素营养效率，培育钾高效利用甜瓜品种，实现甜瓜生产中钾肥高效利用，对促进我国甜瓜高效优质生产具有十分重要的意义。

国外关于作物耐低钾基因型筛选研究较早，涉及大麦[6]、甘薯[7]、芒麦草[8]等作物，国内起步相对较晚，但在水稻[9]、玉米[10]、小麦[11]等作物上亦开展了大量研究，园艺作物研究较少，而甜瓜作为一种喜钾作物，国内鲜有文献报道，直到2018年才有系统性的报道。黄隆堂等[12]在水培条件下，初步确立茎粗和地下部干质量作为甜瓜耐低钾基因型的筛选指标，并指出六叶期可作为甜瓜耐低钾基因型苗期筛选的适宜苗龄。本研究收集45个厚皮甜瓜品种(系)，采用基质栽培方法，通过研究不同甜瓜品种(系)对低钾胁迫的响应和评价，确定指示性最强的苗期筛选指标，挖掘甜瓜自身吸收利用钾素的潜力，以期为甜瓜耐低钾基因型的苗期筛选提供切实有效的方法。

1 材料和方法

1.1 供试材料

以45个厚皮甜瓜品种(系)为供试材料，种子均由河南省农业科学院园艺研究所提供。甜瓜品种(系)的编号及名称见表1。

表1 供试甜瓜品种(系)Tab.1 Melon genotypes for test

1.2 试验设计

试验于2018年5—6月在河南省农业科学院温室进行。采用穴盘基质栽培方法，培养基质为V(草炭)∶V(蛭石)=3∶1。设适钾(K+2.50 mmol/L)和低钾(K+0.01 mmol/L)2个处理。挑选籽粒饱满、均匀一致的种子直播于32孔穴盘中，待子叶完全展开后，浇pH值为6.0的营养液，营养液由1/2倍Hoagland和1/1 000倍Arnon微量元素组成。第1周用1/4浓度营养液，第2周用1/2浓度营养液，第3周以后均用全量营养液。

1.3 测定项目与方法

待植株生长到五叶期(以低钾处理为标准)时，取20株甜瓜苗分别测定最新完全展开叶SPAD值、株高、茎粗、叶面积、根体积、根系生物量等。将甜瓜苗分成植株和根系两部分，分别于105 ℃杀青30 min后，75 ℃烘至恒定质量，分别测量植株生物量和根系生物量。钾含量采用用浓硫酸-过氧化氢法消煮，火焰光度法测定[13]。

钾利用指数(g2/g)=植株生物量(g)/钾含量(mg/g)×1 000；

钾累积量(mg/株)=植株生物量(mg/株)×植株含钾量(%)；

胁迫系数=(适钾处理参数-低钾处理参数)/适钾处理参数×100%。

隶属函数值X(ij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)，X(ij)表示i筛选指标j品种(系)的隶属值；Xij表示i筛选指标j品种(系)的测定值；Xjmax、Xjmin分别为品种(系)内的最大值和最小值。

1.4 数据处理

数据采用 Excel 2007和SPSS 20.0统计分析软件处理。

2 结果与分析

2.1 甜瓜苗期耐低钾能力的筛选

2.1.1 相关农艺性状的差异 由表2可知，与适钾处理相比，低钾水平下甜瓜苗期SPAD值、株高、茎粗、叶面积、根系活力、根系总吸收面积、根体积、植株生物量、根系生物量、钾累积量等10个农艺性状指标的平均值均显著降低，其中，对低钾胁迫响应最为敏感的性状为钾累积量、根系活力和植株生物量，胁迫系数分别高达63.3%、50.7%和35.7%，而甜瓜苗期钾利用指数则相反，低钾较适钾处理显著增加78.3%。

不同供钾条件下，甜瓜苗期11个农艺性状在品种(系)间的变异幅度均较大，除SPAD值、适钾水平下的茎粗外，变异系数均为10.0%以上，表明这些农艺性状对低钾胁迫较为敏感，甜瓜苗期在耐低钾方面存在显著的遗传差异性，这为耐低钾甜瓜品品(系)的筛选提供了可能；在低钾条件下，除根体积外其他农艺性状在品种(系)间的变异幅度均较适钾处理明显升高，其中钾利用指数的品种(系)间变异幅度升高最大，增加56.9%。

表2 不同供钾水平下甜瓜苗期生长发育的差异Tab.2 Differences in growth and development of melon seedlings under different potassium levels

注：不同小写字母表示同一指标不同处理差异显著(P<0.05)。
Note:Different letters indicate significant difference in different treatment of the same index(P<0.05)。

2.1.2 各农艺性状相对值的相关分析 各农艺性状相关分析结果表明(表3)，SPAD值与根系总吸收面积呈极显著正相关关系，与茎粗、叶面积、根体积呈显著正相关关系；株高与根系活力、根系总吸收面积及钾累积量呈极显著正相关关系，与根体积、植株生物量、根系生物量呈显著正相关关系，与钾利用指数呈显著负相关关系；茎粗与钾累积量呈极显著正相关关系，与根系活力、根体积呈显著正相关关系，与钾利用指数呈极显著负相关关系；叶面积与根系总吸收面积、根体积、根系生物量呈显著正相关关系；根系活力与钾累积量呈极显著正相关关系，与钾利用指数呈极显著负相关关系；根系总吸收面积与根体积呈极显著正相关关系；根体积与植株生物量、根系生物量呈显著正相关关系；植株生物量与钾累积量呈极显著正相关关系，与根系生物量呈显著正相关关系；根系生物量与钾累积量呈极显著正相关关系；钾利用指数与钾累积量呈极显著负相关关系。表明这11个农艺性状综合影响甜瓜苗期的耐低钾能力，可作为筛选耐低钾甜瓜品种(系)的指标。

表3 不同供钾水平下甜瓜苗期农艺性状相对值的相关分析Tab.3 Correlation analysis of relative agronomic traits of melon seedlings under different potassium levels

注：*和**分别表示相关性达0.05、0.01水平，下同。
Note:* and ** mean significant at 0.05 and 0.01 level,respectively,the same below.

2.2 采用主成分分析法初筛甜瓜品种(系)结果

由对各农艺性状分析结果可知，不能简单通过一个或几个农艺性状对甜瓜品种(系)耐低钾能力强弱进行评价，需要对各农艺性状进行综合评价。相关分析表明，各农艺性状间存在不同程度的相关性，直接利用这11个农艺性状对甜瓜品种(系)耐低钾能力进行评价将会使结果产生偏差，不能对不同甜瓜品种(系)耐低钾能力强弱差异进行科学评价。本试验采用主成分分析综合得分法，将原来的11个农艺性状的相对变化值(胁迫系数)构建原始数据矩阵，经过数据标准化处理，按其贡献率大小选择主成分个数(表4)，根据特征值大于1的原则，选取了3个主成分(表5)。

由表4和表5可知，主成分1由钾累积量、株高、植株生物量、根系总吸收面积、根体积决定，方差贡献率为35.643%，主成分2由SPAD值、叶面积决定，方差贡献率为16.000%，主成分3由茎粗、根系活力、钾利用指数决定，方差贡献率为10.695%，前3个主成分的累计贡献率为62.338%，特征值之和为6.857，即前3个主成分可以反映出由上述农艺性状所表征的甜瓜品种(系)耐低钾能力的差异。

表4 不同供钾水平下甜瓜苗期农艺性状的主成分特征值和贡献率Tab.4 Eigenvalues and variance contributions of the principal components of melon agronomic traits at seedling stage under different potassium levels

表5 不同供钾水平下甜瓜苗期农艺性状各综合指标的系数Tab.5 The contribution rate of comprehensive index of melon agronomic traits at seedling stage under different potassium levels

利用隶属函数将3个主成分决定指标(钾累积量、株高、植株生物量、根系总吸收面积、根体积、SPAD值、叶面积、茎粗、根系活力、钾利用指数)的胁迫系数进行归一化处理以消除量纲差异，作为评价耐低钾能力的新指标，然后采用Ward法的欧氏距离衡量不同品种(系)耐低钾能力差异大小，以各农艺性状的隶属函数值为变量对45个品种(系)进行聚类分析。由聚类树形图(图1)可直观看出，在欧氏距离为14时将45个甜瓜品种(系)分为4类，Ⅰ类为耐低钾型品种(系)，分别有将军玉、锦绣、雪蜜、IVF168、丰蜜29、银蜜58、15-178、T65、T49、T15、T23、T59、T114、T119、T213、T238、T344；Ⅱ类为中耐低钾型品种(系)，分别有众云18、众天8号、IVF523、白玫、钱隆蜜、风味五号、T34、T73、T37、16-180、T36、15-28、T22、T29、T31、T124、T125、T126、T136、T137、T162、T164、T223、T333、T347、T360；Ⅲ类为低钾弱敏感型品种(系)，有T221；Ⅳ类为低钾敏感型品种(系)，有T120。

图1 不同供钾水平下甜瓜苗期隶属函数值的聚类树形图Fig.1 Arborescence of cluster analysis of melon seedling subordinate function value under different potassium levels

3 结论与讨论

众所周知，我国钾资源匮乏，耕地普遍缺钾[14]，因此，如何提高农作物的钾利用效率是最有效的方法之一。不同种类作物对钾元素的吸收利用差异普遍存在[15-16]，同一作物的不同基因型亦存在明显差异[17-18]。甜瓜作为我国人民最喜爱的水果之一，利用不同甜瓜基因型对钾元素吸收利用的遗传差异，培育耐低钾的甜瓜品种(系)，是减少钾肥用量，降低成本，提高甜瓜钾利用效率及营养逆境能力的重要策略。

耐低钾品种指钾养分在较低水平下，作物仍能够吸收利用较多的钾素，构建自身较大的生物产量，且在增加钾浓度情况下作物生长未有明显变化。杨佳蒴等[19]研究认为，棉花苗期与全生育期对低钾胁迫的响应基本一致，且田间种植耗时、费工、效率低。本试验通过苗期基质栽培对甜瓜苗期的某些生长、生理指标进行快速筛选，在不漏掉有用种质资源的前提下，适当缩小供试群体。

目前耐低钾基因型筛选指标仍缺乏统一的标准，不同研究者评价和鉴定作物耐低钾能力的指标不一致。田晓莉等[20]以棉花五叶期生物量、吸钾量和钾利用指数为主要筛选指标，结合根长、根表面积进行钾高效基因型的筛选。杨佳丽[21]认为，根系活力、茎粗、过氧化物酶活性可作为番茄苗期钾高效基因型筛选指标，其中根系活力为最适指标。张正社等[22]以生物量、钾累积量和钾利用效率作为耐低钾指数，对山羊草苗期进行了耐低钾评价。唐忠厚等[23]的长期肥料定位试验结果表明，甘薯块根钾利用效率与钾敏感性可作为耐低钾甘薯基因型筛选的主要指标。徐顺莉等[24]发现，相对生物量、钾含量和钾累积量可作为切花菊耐低钾特性的评价指标，对供试群体进行耐低钾评价。

钾高效吸收利用是多种因素综合作用的复杂性状，不同甜瓜品种(系)的耐低钾机制不尽相同，同时，不同甜瓜品种(系)对某一个具体耐低钾指标的反映也不尽相同，因此，需要综合多个指标才能准确全面地反映其耐低钾能力的强弱。本研究采用主成分分析方法，将甜瓜苗期SPAD值、株高、茎粗、叶面积、根系活力、根系总吸收面积、根体积、植株生物量、钾利用指数、钾累积量这10个农艺性状转换为3个综合指标C1、C2、C3，这3个综合指标彼此独立，使各品种(系)的性状得以量化，得到的结果更加可靠。王西志等[25]、贵会平等[26]、文琴[27]也利用主成分分析、隶属函数和聚类分析筛选出耐低钾玉米品种。本试验采用这种方法，初步筛选出耐低钾品种(系)，将不同甜瓜品种(系)划分为耐低钾型品种(系)、中耐低钾型品种(系)、低钾弱敏感型品种(系)、低钾敏感型品种(系)4类，这为选育耐低钾性较强的甜瓜高产品种提供一定的耐低钾种质资源。然而，甜瓜品种(系)耐低钾性和高产性并不存在一致性，因此本试验为下一步将要进行的全生育期田间试验耐低钾高产品种的筛选提供了基础材料。