马铃薯块茎形成期增温对其淀粉含量、淀粉酶活性及产量的影响

2019-07-18冯朋博王月宁孙建波康建宏禄兴丽

西南农业学报 2019年6期

冯朋博，王月宁，慕宇，孙建波，康建宏，吴娜，禄兴丽

(宁夏大学农学院，宁夏银川 750021)

【研究意义】马铃薯(SolanumtuberosumL.)作为世界上重要的粮食、蔬菜和经济作物，因其具有广泛的适应性和较高的应用价值，在世界各地广泛栽培种植[1-2]。近年来，随着“马铃薯主粮化战略”的提出，中国马铃薯的种植面积得到迅速增加。马铃薯属典型的温带气候作物，对水分亏缺和高温非常敏感[3-4]。随着全球气候变暖，温室效应给农业生产带来的灾害日渐频繁[5]。高温对马铃薯生长及产量影响较大[6]。阶段性增温导致作物外部形态结构和生理生化发生变化，影响其正常生长发育，严重时引起作物大幅度的减产，降低其品质，造成经济损失。【前人研究进展】长期以来，对马铃薯高温抗性的研究一直是植物生理学家的研究热点[7-8]。也有学者研究发现，在马铃薯整个生育期增温会延长淀粉的积累[9]，气温升高超过最高温度阈值，则会使作物降低光合酶活性，而引起气孔关闭，降低或停滞光合作用；高温条件下，作物新陈代谢、生长发育和蒸散发进程加快，使作物对水分的需求增加易造成水分胁迫[10-12]。高温环境条件下，马铃薯光合速率在较高的温度下会受到抑制，进而影响生物量和块茎产量，开展增温对作物生理生态、产量及其品质影响的研究是农业气象学科中重要的科学问题[13]。前人大多对马铃薯在高温下的叶片抗氧化、幼苗生长及光合特性等的影响[14-17]，而对马铃薯阶段性增温下淀粉形成的机理研究较少，因此，研究大田条件下高温对马铃薯的淀粉积累及淀粉形成酶活性的影响显得尤为必要。【本研究的的切入点】本文通过对马铃薯块茎形成期高温(阶段性高温)处理后ADPG，GBSS，SSS，SBE酶活性和各时期不同总淀粉和支链淀粉的测定，研究阶段性高温在块茎形成期对马铃薯淀粉形成关键酶的影响，及淀粉对其变化的响应及对产量的影响。【拟解决的关键问题】以期在宁南旱作马铃薯生产实践中提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验于2016年5-10月在宁夏海原县树台乡大嘴村马铃薯种植基地进行，该区属于干旱型雨养农作区，年降雨量300 mm左右，年蒸发量大，年平均气温7.6 ℃，≥10 ℃的有效活动积温2621 ℃，无霜期165 d。土壤为侵蚀黑垆土，土壤pH 8.01、有机质8.6 g/kg、碱解氮36.4 mg/kg、速效磷11.5 mg/kg、速效钾229.8 mg/kg。

1.2 试验材料

青薯9号(当地主栽品种)，施肥为当地常规施肥。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计采用单因素随机区组设计，设3个温度处理，常温[(25±2) ℃，T1]；当地自然温度[(29±2) ℃，T2]；高温[(35±2) ℃，T3]，每处理4个重复；常温、高温处理分别搭建拱棚，搭遮阴网和白色塑料膜，测近地表大气温度。温度处理于块茎形成中期进行，即7月28-30日在人工控温连续处理3 d，每天8:00-18:00为处理时间。之后，马铃薯于大田条件下生长至成熟。单垄双行覆膜种植，株距40 cm，种植深度20～25 cm。种植密度50 025株/hm2，其余管理均与大田管理一致。

1.3.2 测定方法分别在马铃薯块茎形成初期、块茎形成中期、块茎形成后期、块茎膨大期、淀粉积累期和成熟期6个时期，选取生长一致的植株测定如下指标。

淀粉含量测定：淀粉总含量采用碘比色法测定淀粉含量，直链淀粉含量测定使用双波长法进行测定[18]；淀粉形成关键酶(ADPG-PPase、GBSSase、SSSase、SBEase)的测定：参考唐宏亮等和程方民等[19-20]；产量构成因素的测定：每小区选取中间两垄(每垄长10 m)实收20 m2测产，分别测定每穴薯重、每穴个数、大薯数、中薯数和小薯数，计算大、中、小薯率和产量等。

1.4 数据处理

数据整理使用Excel 2003，数据分析SPSS17.0，绘图Origin 8.0。

2 结果与分析

2.1 马铃薯块茎形成期增温对其淀粉含量的影响

2.1.1 块茎形成期增温对马铃薯块茎总淀粉含量的影响如图1所示，块茎形成期高温处理后，随着马铃薯生育期的推进，马铃薯总淀粉含量总体呈逐渐增加的趋势，在块茎膨大期后增长较缓，至成熟期达到最大。马铃薯在块茎形成后期、块茎膨大期和淀粉积累期，总淀粉含量在高温和当地自然温度条件下差异不显著，但均与常温差异达到显著水平；T1处理在块茎膨大期和淀粉积累期较T3处理淀粉总含量分别提高30.25 %和26.45 %。T2与T3相比差异不显著，说明T2、T3均会显著降低马铃薯块茎形成中后期总淀粉含量。

图1 块茎形成期增温对马铃薯块茎中淀粉总含量的影响Fig.1 Effect of high temperature stress treatment on total starch content in potato tubers during the tuber formation period

图2 块茎形成期增温对马铃薯块茎中直链淀粉含量的影响Fig.2 Effect of high temperature stress treatment on the amylose content in potato tubers during the tuber formation period

2.1.2 块茎形成期增温对马铃薯块茎直链淀粉含量的影响如图2所示，在马铃薯块茎形成中期不同温度处理后，随着生育期的推进，马铃薯直链淀粉含量呈现先增加后下降“凸”字型的变化趋势。直链淀粉的含量在块茎形成期不同温度处理之后，在块茎形成中期、后期及块茎膨大期3个时期，T1较T3处理直链淀粉的含量分别提高26.23 %、9.42 %和16.31 %。T3与T2处理相比直链淀粉含量差异不显著；在块茎形成后期，T1处理直链淀粉含量显著高于T3和T2处理。

2.1.3 块茎形成期增温对马铃薯块茎支链淀粉含量的影响如图3所示，在马铃薯块茎形成中期不同温度处理后，随其生育时期的推进，其支链淀粉含量呈现阶梯式增加，但经过T3处理，在块茎形成中后期至收获期，其支链淀粉含量均显著低于T1和T2处理，T1较T3处理其支链淀粉的含量在淀粉形成中期及之后，分别高63.82 %，20.68 %，34.04 %，28.59 %，35.89 %；但T1较T2处理的支链淀粉含量高22.70 %，8.59 %，21.15 %，2.92 %，3.02 %。由此说明T2与T3处理都会迫使马铃薯支链淀粉含量降低。但在块茎形成中期及之后3个处理差异性均达到显著差异，且T3处理下的支链淀粉含量相对下降极为显著。并表现出在T3与T2条件下马铃薯块茎形成中期的支链淀粉含量均低于T1处理，T1处理下支链淀粉含量分别高出T3和T2下支链淀粉的63.82 %和22.70 %，差异达到极显著水平。

图3 块茎形成期增温对马铃薯块茎中支链淀粉含量影响Fig.3 Effect of high temperature stress treatment on the content of amylopectin in potato tubers during the tuber formation period

图4 块茎形成期增温对马铃薯块茎中ADPG-PPase酶活性的影响Fig.4 Effect of high temperature stress treatment on ADPG-PPase activity in potato tubers during tuber formation

2.2 马铃薯块茎形成期增温对其淀粉形成酶的影响

2.2.1 马铃薯块茎形成期增温对马铃薯ADPG-PPase的影响如图4所示，马铃薯植株在块茎形成期不同温度处理后，ADPG-PPase活性随着生育期的推进整体呈先增加后下降的趋势，3个处理且均在块茎形成后期最高，T3处理后显著降低了ADPG-PPase酶活性。T3处理下块茎形成中期、后期、块茎膨大期、淀粉积累期及成熟收获期ADPG-PPase较T1和T2处理分别降低了21.54 %，40.00 %，6.68 %，82.98 %，43.90 %；10.77 %，15.00 %，4 %，31.91 %，7.32 %。除过块茎膨大期外，其余各时期均达到极显著差异，且均表现出影响显著，淀粉积累期的影响最大。

2.2.2 马铃薯块茎形成期增温对马铃薯GBSSase的影响如图5所示，在块茎形成中期不同温度处理后，随着生育期的推进，GBSS酶活性呈现总体趋势呈现先增加后降低。在块茎形成期之后的各生育期内GBSS酶活性先增后降。在温度处理之后的前期，T1处理显著高于T2和T3处理，说明高温可以使马铃薯块茎形成期的GBSS酶活性有所降低；温度处理后期，3个处理间均达到极显著差异，以T1处理显著高于其他2个处理，T3处理下GBSS酶活性最低，且较T1和T2处理平均分别下降了35.16 %和16.72 %，说明在淀粉形成时期温度过高在一定范围内会使GBSS活性受到抑制，后期其活性降低可能是由于环境和自然衰老的原因所致，进而使得直链淀粉含量下降。

图5 块茎形成期增温对马铃薯块茎中GBSS酶活性的影响Fig.5 Effect of high temperature stress treatment on tuber enzyme activity in potato tuber during tuber formation stage

2.2.3 马铃薯块茎形成期增温对马铃薯SSSase的影响如图6所示，在块茎形成中期不同温度处理后，马铃薯SSS酶活性随其生育期的推进呈先增后降趋势，高温显著抑制了SSS酶活性。处理之后的各个生育时期内，T2和T3处理差异不显著，而T1较T3处理差异极显著。最后，在淀粉积累期，成熟收获期两个时期内3个处理的处理的马铃薯SSS酶活性变化差异基本趋于稳定状态。

图6 块茎形成期增温对马铃薯块茎中SSS酶活性的影响Fig.6 Effect of high temperature stress treatment on the SSS enzyme activity in potato tubers during the tuber formation period

图7 块茎形成期增温对马铃薯块茎中SBE酶活性的影响Fig.7 Effect of high temperature stress treatment on SBE enzyme activity in potato tubers during the tuber formation period

2.2.4 马铃薯块茎形成期增温对马铃薯SBEase的影响由图7可见，随着其生育期的推进，马铃薯SBE酶活性呈现先增加后降低的变化趋势。T3显著限制了SBE酶活性，说明SBE对温度反应变化比较敏感。块茎形成中期之后3个处理的SBEase活性的变化趋势基本相同，但T1处理显著高于其它两个处理，在马铃薯块茎形成期不同温度胁迫之后，T3处理的SBEase活性最小，且较T1和T2处理平均分别减少69.12 %和37.73 %；在块茎形成中、后期及块茎膨大期3个时期内SBEase活性差异极大，3个时期内T1处理分别是T3处理的2.5，1.88和1.42倍。块茎膨大期之前T1与T2处理下SBEase活性差异较小。块茎膨大期，T1条件SBEase活性明显高于T3和T2处理SBEase活性。块茎膨大期之后，3个处理下块茎SBEase活性逐渐降低。说明马铃薯块茎形成期增温下，在一定范围内的温度胁迫会在处理后的各个生育期内降低马铃薯SBEase活性，块茎形成中、后期及块茎膨大期3个时期影响最为显著，而不利于支链淀粉的合成。

2.3 块茎形成期增温旱地马铃薯产量及其构成因素的影响

由表1可以看出，马铃薯块茎形成中期经过温度处理后的大薯率、中薯率、小薯率及每穴个数、每穴薯重均表现一定规律性的差异。在T3处理的马铃薯各产量构成因素明显低于T1和T2处理，说明高温能够显著影响马铃薯的生长发育，进而影响旱地马铃薯的产量。各处理间大薯率、中薯率从高到低的顺序均为：T1>T2>T3，且大薯数、中薯数，每穴总薯重、每穴薯数均以常温处理效果显著。其中，常温处理下产量较自然温度、高温处理的产量分别增产29.42 %和53.77 %；说明在起一定范围内，相对较低的温度能够提高旱区马铃薯的产量，而温度越高，对旱地马铃薯的产量构成影响越大，而影响产量。

表1 块茎形成期增温对旱地马铃薯产量及其构成因素的影响Table 1 Effects of high temperature stress on tuber yield and its components in dry land during tuber formation

注:同列数据后不同小写字母表示差异达显著水平(P<0. 05)。
Note: Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different at 0. 05 level.

3 讨论

3.1 马铃薯块茎形成期淀粉含量对温度的响应

马铃薯的不同食用品质主要体现在支链淀粉和直链淀粉的比例以及总淀粉的含量。在马铃薯块茎形成期易发高温，对淀粉形成影响较大。淀粉总含量的高低，因马铃薯品种各异，但随着马铃薯主粮化的提出，马铃薯高淀粉的产出则是马铃薯栽培种植的主要目的。有学者研究表明：马铃薯淀粉含量受遗传基因及生长特性的影响较大[21-22]，霍丹丹[23]研究表明在干旱胁迫下马铃薯块茎生长受抑制，高淀粉品种块茎下降较为明显，淀粉、直链淀粉、支链淀粉含量均有不同程度的降低。慕宇[24]研究表明块茎形成期高温使马铃薯块茎中的直链淀粉、支链淀粉以及总淀粉含量均表现出不同程度的降低。与本研究的结果基本相符，温度处理后，在马铃薯生长发育后期，由于环境因素以及自身调节使得增温下支链淀粉含量的差异得以缓解，使得处理间差异不显著。高温不利于马铃薯淀粉的形成，在一定程度上对支链淀粉的合成积累有着决定性作用，对直链淀粉合成的影响较小，但在块茎形成中期高温处理会对马铃薯的品质产生一定的影响。马铃薯不同时期的直链、支链淀粉及总淀粉含量表现出不同程度的降低。高温处理下总淀粉含量、直链和支链淀粉含量较常温处理分别下降了33.70 %，7.85 %和35.88 %。

3.2 马铃薯块茎形成期增温对其淀粉形成关键酶的影响

马铃薯块茎形成过程中，宁夏南部山区会遇到超过30 ℃的高温天气，这给马铃薯的正常生长发育带来极大的阻碍。甘晓燕[25]等对马铃薯淀粉形成与相关酶进行研究表明，马铃薯块茎淀粉含量是ADP焦磷酸化酶(AGPase)可溶性淀粉合成酶(SSS)和淀粉分支酶(DBE)活性综合作用的结果，唐宏亮[19]研究表明淀粉形成关键酶在淀粉合成积累过程的不同时期表现出不同的活性强弱，控制淀粉生物合成的开始与速率，并影响马铃薯直链、支链淀粉的合成与积累。有学者对小麦籽粒中淀粉形成进行研究，研究表明在小麦籽粒发育过程中，直链淀粉含量与总淀粉的含量高低与ADPG-PPase和SSSase的活性有紧密联系[26-27]。本研究表明，ADPG焦磷酸化酶活性在马铃薯块茎形成后期达到最大，之后随着马铃薯的淀粉积累和植株衰老，该酶活性逐渐下降，一定温度范围内ADPG-PPase随着温度的增加其活性有所降低，在块茎形成期适宜温度可以使得ADPG-PPase在后期为淀粉的形成提供足够的原料。GBSS酶活性在块茎形成后期和块茎膨大期活性达到最大值，在淀粉形成积累的中期达到峰值后开始下降，GBSS酶活性的高低会影响直链淀粉的合成速率，块茎形成期适宜的温度有利于提高GBSS后期的活性，从而会更有利于颗粒结合型直链淀粉的合成。SSS酶活性在马铃薯块茎淀粉合成与积累过程的块茎膨大期达到峰值，SSS酶对高温比较敏感，在马铃薯块茎形成期较高的温度则会降低SSSase活性，从而减少了合成支链淀粉的前提物可溶性直链淀粉的合成；SBE酶活性随着马铃薯淀粉的合成与积累逐渐升高，块茎形成中期经增温马铃薯SBEase活性明显降低，尤其对块茎形成中、后期及块茎膨大期3个时期影响最为显著，而不利于支链淀粉的合成。一定的高温处理，淀粉形成关键酶ADPG-PPase、GBSSase、SSSase、SBEase活性均显著低于常温，较常温分别降低32.24 %、27.90 %、16.11 %和42.74 %。得出：高温不利于马铃薯淀粉的合成。

3.3 块茎形成期高温对旱地马铃薯产量及其构成因素的影响

有研究表明高温胁迫会影响小麦、水稻的产量构成因素，降低水稻、小麦的产量[28-30]，高温对马铃薯的产量及其构成因素均有一定的影响，本研究结果表明，在马铃薯块茎形成中期经过温度的处理后，其大薯率、中薯率，每穴个数、每穴薯重等差异显著，高温处理明显低于常温处理和自然条件。说明高温能够显著影响马铃薯的生长发育，进而影响旱地马铃薯的产量。其中，T1下的产量较T2、T3增产；说明在一定范围内，相对较低的温度能够提高旱区马铃薯的产量，而温度越高，对马铃薯的薯块形成、薯块重量影响越大，进而影响产量。