全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(11): 20942098 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(40801112)和国际植物营养研究所(IPNI)基金项目(HuBei-37)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 姜存仓, E-mail: cotton2000@mail.hzau.edu.cn, Tel: 027-87287141
Received(收稿日期): 2011-04-02; Accepted(接受日期): 2011-07-15; Published online(网络出版日期): 2011-09-06.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20110906.1102.005.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.02094
不同棉花基因型钾效率特征及其根系形态的差异
郝艳淑 1 姜存仓 1,* 王晓丽 1 夏 颖 1 陈 防 2
1 华中农业大学资源与环境学院, 湖北武汉 430070; 2 中国科学院武汉植物园, 湖北武汉 430074
摘 要: 以水培方法研究钾对两种棉花基因型钾效率特征及其根系形态上的差异。结果表明, 高效基因型 103 钾利
用效率在低钾与适钾时分别为 160.2 g g1和 47.5 g g1, 而低效基因型 122为 133.8 g g1和 37.9 g g1; 在低钾和适钾
处理时, 103叶片钾积累量占全株钾积累量的 84.6%和 62.6%, 122分别是 63.4%和 56.0%。在不同钾处理下 103根系
各参数均高于 122, 低钾时 103总根长和根总表面积分别增加 46.2%和 13.9%, 122根系各参数则均下降。缺钾抑制了
粗根的生长, 103在低钾时粗根的总根长、根表面积和根体积分别降低了 54.0%、62.8%和 75.2%; 122粗根各参数也
有所降低。但低钾时 103 细根的总根长、根表面积和根体积增加了 69.0%、77.0%和 80.4%, 分别是 122 的 1.9、2.3
和 2.6倍。
关键词: 棉花; 基因型; 钾效率; 根系形态
Differences of Potassium Efficiency Characteristics and Root Morphology be-
tween Two Cotton Genotypes
HAO Yan-Shu1, JIANG Cun-Cang1,*, WANG Xiao-Li1, XIA Ying1, and CHEN Fang2
1 College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2 Wuhan Botanical Garden, Chinese Academy of
Sciences, Wuhan 430074, China
Abstract: The objective of this study was to analyze K-efficiency and root morphology in two kinds of K-efficiency cotton geno-
types. The results showed that K-efficiency of genotype 103 was 160.2 g g1 and 47.5 g g1 at low (4 mg L–1) and high (40 mg L–1)
K levels while genotype 122 was 133.8 g g1 and 37.9 g g1. In addition, genotype103 had higher ability to transfer K to leaves
than genotype 122. Under two K levels, Leaves K accumulation of genotype 103 was 84.6% and 62.6% of the whole plant, while
that of genotype 122 was 63.4% and 56.0%. High K-efficiency genotype 103 had higher total root length, surface area and volume
than low K-efficiency genotype 122 regardless of the K concentration treated. Especially when the concentration of K in the
environment was low, genotype 103 still had better root system than genotype 122. When K was insufficient, the total root length
and total root surface area of genotype 103 increased by 46.2% and 13.9%, while genotype 122 showed decreases in root parame-
ters. Root system was classified into fine roots, middle roots and coarse roots according to root diameter. Low K condition limited
the development of coarse roots. In genotype 103, coarse root length, surface area and root volume decreased by 54.0%, 62.8%,
and 75.2%, respectively, meanwhile, genotype 122 also had a reducing coarse root parameters. Effect of low K condition on fine
roots varied in different cotton genotypes. The fine root length, surface area and volume of genotype 103 increased by 69.0%,
77.0%, and 80.4%, compared with these in appropriate K treatment, and were 1.9, 2.3, and 2.6 times higher than these of genotype
122, respectively.
Keywords: Cotton; Genotype; K-efficiency; Root morphology
植物根系的生长状况不仅直接影响其对水分和
养分的吸收能力, 还制约着植物地上部的生长发育[1]。
在养分胁迫下, 植物可通过改变根系形态构型来获
取所需养分[2]。棉花是需钾较多的作物, 而且对钾更
敏感和更易缺钾[3]。目前我国缺钾耕地高达 60%, 加
上我国钾肥资源紧缺, 土壤钾素不足已成为制约生
产的重要因素 [4], 而良好的根系形态对棉花钾素的
吸收利用有重要影响[5]。因此, 研究钾高效基因型并
探讨其根系特征对提高钾利用率意义重大。
有关钾高效棉花基因型的筛选前人已经做了一
第 11期 郝艳淑等: 不同棉花基因型钾效率特征及其根系形态的差异 2095


些工作 [6-11], 关于钾对棉花根系形态的影响也有所
研究[3,5,12-13], 但对不同钾效率棉花基因型根系形态
的差异报道不多。本研究用营养液培养方法, 在前
期工作的基础上对 2 种不同棉花基因型钾效率特征
深入探讨并对其根系形态的差异进行研究, 以明确
棉花钾素效率与根系形态的关系, 为进一步的研究
奠定理论基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料和设计
钾“双高”(钾高效和高增产潜力)基因型 103 和
钾“双低”(钾低效和低增产潜力)基因型 122 是本实
验室在 2001—2005 间通过“两步筛选法”从 86 个棉
花种质资源中筛选出来的, 种子由中国农业科学院
棉花所和华中农业大学作物遗传育种研究所提供。
用 H.C.阿夫多宁水培配方 [8], 含 0.240 g L–1
NH4NO3、0.100 g L–1 Na2HPO4·12H2O、0.100 g L–1
NaH2PO4·H2O、0.360 g L–1 CaC12·2H2O、0.500 g L–1
MgSO4·7H2O和 0.025 g L–1 Fe-EDTA, 及阿农营养液
的微量元素。设低钾(K1, 4 mg L–1 KCl)、适钾(K2, 40
mg L–1 KCl) 2个处理; 3次重复。选取均匀饱满的种
子, 在 50~60℃水中浸泡 24 h, 露白后在湿润的纱布
上催芽, 后转入 2.5 L的塑料桶中营养液培养, 塑料
桶黑漆避光并定植 1株, 脱脂棉固定。开始用 1/4营
养液浓度, 1 周后用 1/2 浓度, 继而用全量营养液浓
度培养, 上午、下午各通气 20 min。
1.2 各器官干物重和钾含量测定
培养 30 d后将幼苗分根、茎、叶取样经 105℃
杀青 30 min, 70℃下烘干称重。其中根系部分经扫描
分析后烘干备用, 将茎、叶直接烘干制样。样品粉
碎后用 1 mol L–1的 HCl浸提, 火焰分光光度计测定
钾含量[14]。
1.3 根系形态测定
用根系扫描分析仪(WinRHIZO 2009)获取及分
析图像。
1.4 数据分析
钾积累量=钾含量×干重;
钾利用效率=全株干重/全株钾积累量;
各直径范围内根系参数占总根系的比例=各直
径范围内根系参数/总根系的该参数。
用 Microsoft Excel 工具作图表分析, 采用 LSD
作统计假设检验。
2 结果与分析
2.1 钾对不同棉花基因型各部位干物重的影响
表 1 所示, 适钾比低钾时 103 各部位干重及总
干重显著增加, 而 122 也有增加趋势但不显著。同
时, 103 适钾时的全株干重是其在低钾时的 2.8 倍,
是 122在适钾和低钾时的 2.6倍和 2.9倍, 差异显著。
说明 103 在增加施钾量的情况下能显著增加干物质
的积累量, 并在同等钾条件下具有比 122 积累更多
干物质的能力, 进一步证实 103是高效高潜基因型[8]。
2.2 钾对不同棉花基因型各部位钾含量及钾积
累量的影响
从表 2 可见, 与低钾相比, 适钾时 103、122 各
部位钾含量和钾积累量均显著增加。低钾时 103 和
122各部位钾含量及积累量差别不大, 适钾时 103各
部位钾含量均低于 122, 在表 1中 103各部位干重均
显著高于 122, 说明 103能以较低的钾积累较多的干
物质。另外, 103钾利用效率分别为 160.2 g g1和 47.5
g g1, 均高于 122的 133.8 g g1和 37.9 g g1。低钾
和适钾时 103 叶片中钾积累量占全株钾积累量为
84.6%和 62.6%, 大于 122 的 63.4%和 56.0%, 说明
103 将钾更多地转移至叶片, 低钾时转移率尤其大,
以此来维持由钾参与的代谢活动正常进行, 这或许
是 103钾利用效率较高的因素之一。
2.3 钾对不同棉花基因型根系形态参数的影响
由表 3可知, 无论低钾或适钾, 103根系各参数

表 1 钾对不同棉花基因型干物质积累的影响
Table 1 Effect of potassium on dry weight of different cotton genotypes
干重 Dry weight (g) 处理
Treatment 叶片 Leaf 茎 Stem 根 Root 总重 Total
122K1 1.13 b 0.36 b 0.41 b 1.90 b
122K2 1.16 b 0.53 b 0.43 b 2.12 b
103K1 1.30 b 0.31 b 0.36 b 1.97 b
103K2 2.94 a 1.41 a 1.23 a 5.58 a
标以不同小写字母的值在 5%水平差异显著。
Values followed by a different letter are significantly different at the 5% probability levels.
2096 作 物 学 报 第 37卷

表 2 钾对不同基因型棉花钾含量以及钾积累量的影响
Table 2 Effect of potassium on K content and K accumulation of different cotton genotypes
钾含量 K concentration (%) 钾积累量 K accumulation (mg) 处理
Treatment 叶片
Leaf
茎
Stem
根
Root
叶片
Leaf
茎
Stem
根
Root
全株
Total
全株钾利用效率
Total K use efficiency
(g g1)
122K1 0.8 b 1.1 c 0.3 c 9.0 c 4.0 c 1.2 c 14.2 c 133.8 a
122K2 2.7 a 3.1 a 1.9 a 31.3 b 16.4 b 8.2 b 55.9 b 37.9 b
103K1 0.8 b 0.4 d 0.2 c 10.4 c 1.2 c 0.7 c 12.3 c 160.2 a
103K2 2.5 a 1.9 b 1.4 b 73.5 a 26.8 a 17.2 a 117.5 a 47.5 b
标以不同小写字母的值在 5%水平差异显著。
Values followed by a different letter are significantly different at the 5% probability level.

表 3 钾对不同基因型棉花根系参数的影响
Table 3 Effect of potassium on root parameters of different cotton genotypes
处理
Treatment
总根长
Total root length
(cm)
平均直径
Average root diameter
(cm)
总表面积
Total root surface area
(cm2)
根系总体积
Total root volume
(cm3)
122K1 1130.3 b 0.42 b 124.47 b 3.20 c
122K2 1332.5 b 0.45 b 158.70 b 3.71 c
103K1 2178.6 a 0.43 b 253.86 a 4.86 b
103K2 1490.0 b 0.56 a 222.88 a 7.09 a
标以不同小写字母的值在 5%水平差异显著。
Values followed by a different letter are significantly different at the 5% probability level.

均高于 122。低钾时, 103根系直径和根系总体积减
少 23.2%和 31.4%, 总根长和总表面积分别比适钾时
增加 46.2%和 13.9%, 而 122根系各参数则均有下降。
2.4 钾对不同棉花基因型不同直径范围根系生
长的影响
把根系划分为细根 (0~0.4 mm)、中根 (0.4~1.2
mm)和粗根(>1.2 mm) 3类分析钾对两基因型根系生
长的影响(表 4)。低钾时, 103细根的根长、表面积和
根体积分别是 122的 1.9、2.3和 2.6倍; 中根各指标
是 122 的 2.1、2.0 和 1.6 倍, 差异均显著。低钾时
103 细根的总根长、根表面积和根体积比适钾处理
增加了 69.0%、77.0%和 80.4%, 且差异显著; 中根
也有增加趋势; 但粗根的数目显著减少, 以上参数
分别减少了 54.0%、62.8%和 75.2%。由于细根的吸
收能力强于粗根[15], 所以 103 的根系更能适应低钾
胁迫。而低钾时 122各个直径范围内的根系均减少。
适钾时, 103各直径范围内根系的生长也优于 122。
从不同直径范围内根系比例来看(表 5), 低钾时,
103细根和中根高于 122, 粗根低于 122。适钾时, 103
细根和中根的比例不及 122, 但粗根的比例较 122高
且差异显著。此外, 低钾时 103 细根的比例高于适
钾处理, 粗根的比例显著降低; 122不同钾水平下各
个直径范围内根系的比例差异不显著。
3 讨论
3.1 不同棉花基因型钾效率特征的差异
钾利用效率是指植物体内单位钾积累量所产生
的干物质[16], 在本试验中, 103能在低钾条件下积累

表 4 钾对不同棉花基因型不同直径范围内根系参数的影响
Table 4 Effect of potassium on distribution of root length, surface area, and volume among genotypes with different
root diameter ranges
根长 Root length (cm) 根系表面积 Root surface area (cm2) 根系体积 Root volume (cm3) 处理
Treatment 0–0.4 mm 0.4–1.2 mm >1.2 mm 0–0.4 mm 0.4–1.2 mm >1.2 mm 0–0.4 mm 0.4–1.2 mm >1.2 mm
122K1 846.8 b 254.0 c 29.5 c 57.0 b 50.3 c 17.1 b 0.36 b 1.88 c 0.93 b
122K2 934.9 b 360.1 bc 37.4 bc 66.4 b 72.0 bc 20.4 b 0.43 b 2.24 bc 1.04 b
103K1 1610.0 a 527.9 a 40.9 b 131.0 a 101.5 a 21.4 b 0.92 a 2.95 a 0.98 b
103K2 952.9 b 448.1 ab 89.0 a 74.0 b 91.2 ab 57.6 a 0.51 b 2.63 ab 3.95 a
标以不同小写字母的值在水平 5%差异显著。
Values followed by a different letter are significantly different at the 5% probability level.
第 11期 郝艳淑等: 不同棉花基因型钾效率特征及其根系形态的差异 2097


表 5 钾对不同棉花基因型不同直径范围内根系参数比例的影响
Table 5 Effect of potassium on distribution of root length, surface area, and volume among genotypes with different root diameters (%)
根长比例 Root length ratio 根系表面积比例 Root surface area ratio 根系体积比例 Root volume ratio 处理
Treatment 0–0.4 mm 0.4–1.2 mm >1.2 mm 0–0.4 mm 0.4–1.2 mm >1.2 mm 0–0.4 mm 0.4–1.2 mm >1.2 mm
122K1 74.9 a 22.5 a 2.7 b 45.8 a 40.4 a 13.7 b 11.2 b 59.4 a 29.3 b
122K2 70.2 a 27.0 a 2.8 b 41.8 a 45.4 a 12.8 bc 11.6 b 60.4 a 28.0 b
103K1 73.9 a 24.2 a 1.9 c 51.6 a 40.0 a 8.4 c 19.1 a 60.8 a 20.2 b
103K2 64.0 a 30.1 a 6.0 a 33.2 a 40.9 a 25.8 a 7.2 b 37.1 b 55.7 a
标以不同小写字母的值具 5%差异显著水平。
Values followed by a different letter are significantly different at 5% probability levels.

更多的干物质, 受低钾影响较小, 说明 103 耐低钾
胁迫能力强。据报道, 植物即使处于介质中[K+]变化
幅度加大的情况下, 高等植物也能把组织中的钾浓
度维持在一个较窄的水平内, 这种现象称为 K+的体
内稳态[17]。K+在植物细胞中分布于细胞质和液泡中,
并分别发挥不同的生理作用, 存在于液泡中的 K+行
使的生理功能可以部分地被其他离子替代, 而存在
于细胞质中 K+的生理功能不能被替代[18], 本试验中
103、122 叶片中钾含量差异并不显著, 而两基因型
在叶片的钾积累量有很大差异, 103能将较多的钾转
移至叶片中, 且在试验过程中观察到 103 在低钾时
缺钾症状出现晚且较 122 轻, 这或许是因为两基因
型叶片细胞中 K+的分配不同, 由于对植物体内钾稳
态的调节主要取决于细胞质中钾的含量 [17], 因此,
基因型 103、122向叶片中转移钾的能力的差异是否由
细胞质中钾含量的不同所致, 尚需进一步验证。
3.2 不同棉花基因型根系形态的差异
植物根系形态生长直接控制着作物吸收水分和
养分, 进而影响植物的生长发育[19]。Batten[20]总结指
出钾高效基因型根系所具有的主要形态学特征是有
良好的根系形态和根系分布, 高根冠比, 根系纵向、
侧向分布广, 根多且细。而当钾成为限制因子时, 植
物可通过不同机制来获取更多的钾, 如增加根系生
长及活跃吸收面积的比例等 [21]。本试验结果显示,
适钾条件下, 钾高效棉花基因型 103 根系发育较好,
总根长、平均直径、根系吸收面积和根系总体积均
大于钾低效基因型 122。低钾胁迫时, 棉花粗根的生
长发育受到抑制, 但基因型 103 细根的总根长、吸
收面积和总体积均显著增加, 而基因型 122 细根的
根系参数均下降。细根对养分的吸收有着极其重要
的作用, 能通过增大根系表面积来增加根系对水和
养分的吸收, 且细根周围更易于产生较大的浓度梯
度而更有效地吸收土壤中的养分[2]。因而本试验从
根系形态的角度解释了 103 钾高效的原因, 与邹春琴
等[21]在小麦上的试验结果一致。Jensen和 Pedersen [22]
以豌豆、红三叶草、紫花苜蓿、大麦、黑麦、黑麦
草和油菜为材料研究不同钾处理下作物根系的变化,
也认为在低钾条件下作物会增加细根的根长以继续
保持对钾的吸收。另外, 根系分泌物的产生大部分
依赖于细根, 存在于细根上的离子通道以及转运蛋
白对养分的吸收也有很大贡献 [23]。因而 103、122
这 2 个不同钾效率基因型是否在细根的分泌物以及
吸收机制上存在差异有待深入探讨。
4 结论
不同钾处理, 基因型 103 的钾效率均高于 122,
其耐低钾胁迫能力强; 103能将更多的钾转移至叶片
中, 低钾时转移率尤其大, 103调节体内钾稳态的能
力较强。缺钾抑制棉花粗根(>1.2 mm)的生长发育,
对细根和中根的影响存在基因型差异, 钾高效棉花
基因型 103在低钾时细根(0~0.4 mm)和中根(0.4~1.2
mm)的总根长、根系吸收面积和根体积增加, 并达显
著水平, 这是对低钾胁迫的适应性变化; 钾低效棉
花基因型 122 根系中细根这些参数的变化不显著,
这可能是 103、122这 2个基因型钾效率存在差异的
一个原因。
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