干旱与复水对马铃薯块茎膨大期碳氮转运的影响

乔焕焕, 李红兵, 郑太波, 邓西平

1.西北农林科技大学生命科学学院，陕西 杨凌 712100；2.黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3.延安市农科所，陕西 延安 716000)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)栽培面积广，是世界上非常重要的粮食作物之一。马铃薯是我国第四大主要粮食作物。马铃薯通常种植于降雨量不稳定的干旱和半干旱地区，而马铃薯是典型的喜湿作物，其根系较浅，对水分亏缺非常敏感，因而其生长与生产力非常容易受到水分胁迫的影响[1]。马铃薯生长周期中，块茎膨大期是块茎增长最为关键的时期，此时的耗水量占全生育期的45%～50%以上，是全生育期中需水量最多的时期，也是对水分最为敏感的时期[2]。研究发现，马铃薯块茎形成期缺水，茎叶生长受到限制，根系的伸展受阻，降低马铃薯单株块茎数[3]。

自然条件下的植物经常处于干湿交替循环变化的环境中[1]。植物对干旱胁迫的抵抗能力和旱后复水的快速恢复能力是植物抗旱能力的表现，其中旱后复水的恢复能力在植物抗旱中的意义也非常重要，因为旱后复水经常使植物的生理生态功能得到一定程度的恢复[4]。近年来关于干旱胁迫及旱后复水处理影响植物碳氮物质含量及其关键酶活性的研究受到关注。如干旱胁迫影响烟草光合作用，导致烟叶早衰，复水能缓解干旱胁迫导致的烟叶早衰；干旱胁迫使烟叶碳氮代谢关键酶(硝酸还原酶、转化酶和淀粉酶)活性减弱，而复水在一定程度上能恢复淀粉酶活性[5]。陈朝应[6]等研究发现，干旱胁迫导致烤烟总糖与淀粉含量降低，碳代谢过程受到抑制，但总氮与烟碱含量呈增加趋势，氮代谢增强，碳氮失衡；复水后，碳氮化合物含量都发生了相应变化，烤烟碳氮失衡状况有所缓和。另外，有研究表明，干旱胁迫导致玉米碳氮比失衡，但复水后碳氮比并没有快速恢复到正常水平，而是持续了较长时间，恢复速度较慢[7]。

目前对马铃薯的研究多关注干旱胁迫与复水[8-9]、激素[10]、氮素[11]等处理对马铃薯不同生育期生长发育及生理代谢等的影响，而干旱胁迫尤其是旱后复水对马铃薯块茎膨大期碳氮转运的影响鲜有报道。本研究以冀张薯8号马铃薯组培苗为材料，通过盆栽控水试验，研究干旱胁迫和复水对马铃薯碳氮转运过程中碳氮物质含量及其代谢过程中关键酶活性的影响，以期揭示马铃薯叶片和块茎中碳氮物质转运对干旱复水的响应机制，为干旱半干旱地区马铃薯高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试马铃薯为陕北普遍种植的品种冀张薯8号，由延安市农科所薯类研究组提供；供试土壤为陕北黄绵土。

1.2 试验设计

于2017年在西北农林科技大学水土保持研究所干旱大厅气候室内进行盆栽试验。土壤含有机质3 g·kg-1、全氮0.2 g·kg-1、全磷0.59 g·kg-1、全钾18.7 g·kg-1、速效磷4 mg·kg-1、速效钾175.8 mg·kg-1。盆钵上径32 cm，底径22 cm，高27 cm，每盆装土10 kg ，每盆土中分别施尿素6.42 g(纯氮0.3 g·kg-1)，硫酸钾5.55 g(K2O 0.3 g·kg-1)，过磷酸钙5.47 g(P2O50.2 g·kg-1)，土壤经自然风干、过筛后装盆。供试组培苗于3月23日在玻璃瓶中继代培养，置于人工培养室，每天光周期为光/暗：14 h/10 h，光照强度 750 μmol·m-2·s-1，昼夜温度为20℃/18℃；4月12日开始于纸杯中炼苗，置于人工气候室培养，培养条件同上；5月9日挑选长势一致的健壮苗移栽于盆钵中，每盆一株。移栽一周后，每盆覆土1 kg，现花蕾时，为防止马铃薯匍匐茎露出地面而影响马铃薯正常生长发育，每盆再覆土2 kg。

试验设干旱、干旱-复水和正常供水3个处理，干旱与干旱-复水各设置10个重复，正常供水30个重复，共50盆。土壤水分设两个水平：正常供水的土壤含水量为土壤最大田间持水量(净含水量为22%)的80%；干旱胁迫的土壤含水量为土壤最大田间持水量的40%。待植株开花一周时(6月24日，马铃薯块茎膨大期)开始试验处理(开花数量达70%)，盆栽称重法控制土壤含水量，每天18∶00左右补水。

试验于7月1日开始采样，取样时间为上午10∶00 左右。取样时取每株第三或第四功能叶，立即于液氮冷冻后，-80℃冰箱中保存；将块茎挖出，清洗干净，切成小块，同样于液氮中冷冻后，存于-80℃冰箱中，用于测定可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白等物质含量及酶活性，取样时间见表1。

表1 试验设计与取样时间

1.3 碳素代谢相关指标

淀粉与可溶性糖的测定采用蒽酮比色法[12]；蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性酶液的提取参考王文静[13]的方法，测定过程参照於新建[14]和Wardlaw等[15]的方法。

1.4 氮素代谢相关指标

游离氨基酸测定采用茚三酮显色法；可溶性蛋白测定采用考马斯亮蓝法；全氮测定采用凯氏定氮法，参照《土壤农化分析》[16]测定；硝酸还原酶采用磺胺比色法，参照高俊凤[12]测定方法。

谷氨酰胺合成酶测定：称取植物材料0.1 g鲜样于研钵中，加0.3 mL提取缓冲液 (0.05 mol·L-1Tris-HCl, pH8.0，2 mmol·L-1DTT，2 mmol·L-1Mg2+，0.4 mol·L-1蔗糖)，置冰浴上研磨匀浆，转移于离心管中，4℃下15 000 g离心20 min，上清液即为粗酶液。吸取0.125 mL反应混合液B(反应液A的成分再加入80 mmol·L-1盐酸羟胺，pH 7.4)，加入0.05 mL粗酶液和0.05 mL ATP溶液，混匀，37℃下水浴保温30 min，加入0.07 mL显色剂(0.2 mol·L-1TCA，0.37 mol·L-1FeCl3，0.6 mol·L-1HCl)，摇匀并放置5 min后，于5 000 g离心10 min，取上清液测定540 nm处的吸光值，以加入0.125 ml反应混合液A(0.1 mol·L-1Tris-HCl缓冲液，pH7.4，80 mmol·L-1Mg2+，20 mmol·L-1谷氨酸钠盐，20 mmol·L-1半胱氨酸，2 mmol·L-1EDTA)的为对照。

1.5 数据处理

所有指标测定均设3次生物学重复，计算平均值和标准误差。数据处理采用Excel 2013 软件整理，SPSS 16.0进行数据统计分析，应用Duncan多重对比法分析数据，P<0.05的统计检验是差异显著的，运用SigmaPlot 12.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫与旱后复水对马铃薯块茎膨大期碳水化合物积累与分配的影响

2.1.1 干旱胁迫与复水对马铃薯叶片中碳水化合物积累与分配的影响 由图1A可知，干旱胁迫后马铃薯叶片中可溶性糖含量显著高于对照，复水后叶片可溶性糖含量仍保持较高水平，未恢复至正常水平。蔗糖是主要的可溶性糖，水分胁迫对源叶中蔗糖含量的影响非常显著。图1B表明，无论是干旱胁迫还是解除干旱胁迫，蔗糖含量均显著高于对照水平，但复水后蔗糖含量较干旱条件下有所下降。蔗糖磷酸合成酶(SPS)存在于植物细胞质，主要参与蔗糖合成。由图1C可知，干旱胁迫与复水条件下，马铃薯叶片中SPS活性均显著高于对照，复水后SPS活性仍高于对照，这与蔗糖的变化相一致。

蔗糖合成酶(SS)既可催化蔗糖合成又可催化蔗糖分解，是一种可逆酶，但通常认为SS主要起分解蔗糖的作用[18]。由图1D可知，干旱胁迫后SS活性较对照显著升高，复水后与对照差异不显著。叶片淀粉含量在干旱胁迫下显著升高(图1E)，在干旱胁迫解除后，淀粉含量却显著降低。

2.1.2 干旱胁迫与复水对马铃薯块茎中碳水化合物积累与分配的影响 块茎中可溶性糖含量不仅反映源端光合同化物的供应能力，也可反映库端对光合同化物的转化利用能力。图2A表明，马铃薯受到干旱胁迫时，块茎中可溶性糖含量高于对照水平，恢复正常土壤水分状况后，马铃薯块茎中可溶性糖含量仍保持较高水平。

注：0 d：处理前；D7：干旱胁迫7 d；DW1：干旱胁迫7 d后复水1 d；不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。 Note: 0d: before the treatment; D7: drought stress for 7 days; DW1: rehydration for 1 day after drought stress of 7 days; Different letters indicate significant difference between different treatments (P<0.05). The same below.图1 干旱胁迫及复水对马铃薯叶片中蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性、可溶性糖、蔗糖及淀粉含量的影响Fig.1 Effects of drought stress and rehydration on sucrose phosphate synthase (SPS) activity, sucrose synthase (SS) activity, soluble sugar, sucrose, and starch content of leaves in potato

干旱胁迫下块茎中SS与SPS活性均显著增强(图2B和图2C)，但SS活性高于SPS，蔗糖的降解速度大于合成速度，因而SS活性增强加快了蔗糖的降解，蔗糖含量显著降低(图2D)。淀粉含量是碳水化合物积累的重要指标之一，干旱胁迫后淀粉含量呈显著下降趋势(图2E)。复水后，SS与SPS活性迅速下降，但蔗糖含量显著增多，淀粉含量也相应增加。

2.2 干旱胁迫与旱后复水对马铃薯块茎膨大期氮素同化物积累与分配的影响

2.2.1 干旱胁迫与复水对马铃薯叶片中氮素同化物积累与分配的影响 图3A表明，干旱胁迫后马铃薯叶片硝酸还原酶(NR)活性显著降低，复水后NR活性与对照差异不显著。图3B显示，干旱胁迫下叶片谷氨酰胺合成酶(GS)活性与对照差异不显著，复水后GS活性显著高于对照水平。图3C和图3D显示，干旱胁迫条件下，叶片中游离氨基酸与可溶性蛋白含量均显著低于对照水平，全氮含量也呈相同趋势(图3E)，复水后游离氨基酸、可溶性蛋白以及全氮含量均仍保持较低水平，显著低于对照。

2.2.2 干旱胁迫与复水对马铃薯块茎中氮素同化物积累与分配的影响 图4A、图4B表明，块茎中游离氨基酸与可溶性蛋白含量在干旱胁迫下均显著高于对照；由图4C可知，干旱胁迫下块茎中全氮含量也显著高于对照，复水后全氮含量与对照差异不显著，而可溶性蛋白质与游离氨基酸含量仍显著高于对照。表明干旱胁迫促进马铃薯块茎中氮素同化物的合成与积累，复水后对氮素同化物的合成与分配影响较小。

图2 干旱及复水对马铃薯块茎中蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性、可溶性糖、蔗糖及淀粉含量的影响Fig.2 Effects of drought stress and rehydration on sucrose phosphate synthase (SPS) activity, sucrose synthase (SS) activity, soluble sugar, sucrose, and starch content of tuber in potato tuber

2.3 干旱胁迫与复水对马铃薯叶片和块茎中碳氮平衡的影响

以可溶性糖及淀粉含量之和与全氮含量的比值表示碳氮比。由图5A中可知，干旱胁迫下马铃薯叶片中碳氮比增加，复水后仍保持较高水平；块茎中碳氮比在干旱胁迫后显著下降，复水后可迅速恢复正常水平，并显著高于对照(图5B)。表明马铃薯在干旱胁迫与复水过程中影响了碳水化合物与氮素同化物的合成与分配，使碳氮比发生改变。

3 讨 论

3.1 干旱胁迫及复水对马铃薯碳水化合物转运的影响

植物生长发育与碳水化合物的转运紧密相关，光合作用产生的碳水化合物为植物新陈代谢提供能量来源，同时碳水化合物参与植物源组织和库组织间的调控与分配[17-18]。研究认为非结构性碳水化合物是植物碳水化合物在生产过剩时积累的暂时储存物质[19]，包含蔗糖、果糖及淀粉等[20]。而干旱胁迫将干扰碳水化合物的合成、积累与转运过程。

可溶性糖在一定程度上可反映植物受逆境胁迫的程度。本研究发现，水分胁迫下马铃薯叶片中可溶性糖含量显著增加，同时块茎中可溶性糖也大量积累，表明此时马铃薯受干旱胁迫的程度较为严重，而且干旱胁迫促进了可溶性糖从叶片向块茎中转运，参与细胞渗透调节过程，防止细胞大量脱水。另外，干旱胁迫后马铃薯叶片SPS活性高于SS，蔗糖合成速率大于降解速率，蔗糖大量积累，但块茎中蔗糖含量显著降低。表明干旱胁迫后，马铃薯叶片中合成的蔗糖主要积累于叶片中，同时，干旱胁迫下马铃薯叶片中淀粉发生积累，块茎中淀粉的合

图3 干旱胁迫及复水对马铃薯叶片中硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性、可溶性蛋白质、 游离氨基酸以及全氮含量的影响Fig.3 Effects of drought stress and rehydration on nitrate reductase and glutamine synthesis (GS) activity, soluble protein, free amino acid and total nitrogen content of leaves in potato tuber swelling stage

图4 干旱胁迫及复水对马铃薯块茎中可溶性蛋白、游离氨基酸以及全氮含量的影响Fig.4 Effects of drought stress and rehydration on soluble protein content, free amino acid content, and total nitrogen content in tuber of potato tuber

图5 干旱胁迫及复水对马铃薯叶片与块茎中碳氮比的影响Fig.5 Effects of drought stress and rehydration on the ratio of C/N of leaves and tuber of potato

成却受到制约，说明干旱胁迫显著阻碍了马铃薯叶片中碳水化合物向块茎转运，影响了碳水化合物转运过程相关酶的活性，这与Zrenner R等[21]对菠菜的研究结果一致。复水后，叶片与块茎中可溶性糖含量仍保持较高水平，这可能与复水时间较短有关，可溶性糖的合成与转运尚未恢复正常水平。而叶片SPS活性显著增强，促进了叶片中蔗糖的合成与转运，此时块茎中蔗糖含量也迅速增加，充分说明旱后复水恢复了碳水化合物从叶片向块茎的转运。在蔗糖充分供应的前提下，块茎中SS活性显著增强，淀粉的合成得以恢复，淀粉快速积累。由此表明，干旱胁迫后复水能够在一定程度上恢复马铃薯碳水化合物从叶片向块茎的转运，修复干旱胁迫对马铃薯植株造成的损伤，保障了马铃薯植株碳水化合物转运过程正常运行。

3.2 干旱胁迫及复水对马铃薯氮素同化物转运的影响

氮素在植物生命活动中发挥重要作用[22]。植物主要通过根系吸收土壤氮素中的无机氮。而叶片是植物氮同化的主要部位，植物同化氮素主要是经由硝酸还原酶(NR)与谷氨酰胺合成酶(GS)等关键酶进行。随后将同化后的物质转运到植株的各个部位，参与生长代谢过程[23-25]。植物处于逆境胁迫时氮素转运同样会发生较大的改变[26]。

高等植物从土壤吸收的氮在叶肉细胞中同化后，用于叶片蛋白质的合成或以氨基酸的形式通过韧皮部输送到库组织[31]。研究发现，土壤干旱使叶片内氨基酸合成受阻，进而影响叶片中蛋白质的合成。此外，干旱胁迫下蛋白质水解是植株适应环境的一个重要的代谢变化，释放的氨基酸向块茎转运，合成新的蛋白质，同时某些特定的蛋白也可能被激活[32-33]，因而块茎中氮素同化物含量均显著增加。说明干旱胁迫促进马铃薯叶片氮素向块茎重新分配，以适应干旱胁迫环境。

3.3 干旱胁迫及复水对马铃薯碳氮平衡的影响

全球环境的改变导致陆地生态系统的结构和功能发生变化，而植物的碳氮营养及其分配对环境变化的调节作用是其最为重要的过程之一[34-35]。其中碳氮平衡对作物生长代谢的调控发挥重要作用[36]。而碳氮比可反映植株碳氮转运协调程度[37]。但水分亏缺会显著影响植株体内碳氮转运过程，进而影响到氮素同化物和碳水化合物的组分平衡。

Chen等[38]对高粱进行干旱胁迫处理后，发现高粱叶片中碳氮比增加。本研究经干旱胁迫处理后，马铃薯植株碳水化合物与氮素同化物的合成与转运均受到显著影响，表现为可溶性糖在叶片中大量合成，而氮素同化物的积累减少，块茎中淀粉的合成受阻，全氮含量却增加，导致马铃薯叶片与块茎碳氮失衡，叶片碳氮比增加，这与上述研究结果一致。叶片碳氮比增加的原因：一方面在于干旱胁迫下碳水化合物由于转运不畅而大量积累，而且碳素转运过程需要氮素转运途径提供相应的氨基酸，用以合成光合作用有关的蛋白质；另一方面在于干旱胁迫降低了叶片中氮素的积累与同化，导致氮素同化物积累不足。同时，马铃薯块茎中碳氮比下降原因在于：块茎中氮素的同化增强，需要碳水化合物转运过程提供能量，导致能量消耗过大，同时消耗大量光合产物，使块茎中碳水化合物供应不足，碳氮失衡，可能是淀粉贮存含量下降的原因之一。

复水后马铃薯叶片中碳氮比仍保持较高水平，但复水对马铃薯块茎碳氮比影响非常显著。这是因为复水恢复了碳水化合物的合成与转运，块茎中的淀粉大量积累，进而使干旱胁迫导致的低水平的碳氮比迅速升高。另外，由上述可知，复水恢复了氮素的吸收与同化能力，且全氮含量已恢复正常水平，表明旱后复水在某种程度上恢复了马铃薯碳水化合物与氮素同化物的合成、分配及转运过程，修复了干旱胁迫对植物造成的损伤。但是，可能由于复水处理时间较短，氮素同化物在复水后的变化并不显著，所以，后期试验可以适当延长复水后取样时间，以期对碳氮转运在复水后修复过程中的作用有更加深入地了解。

4 结 论

研究发现，干旱胁迫下马铃薯叶片蔗糖与淀粉进行积累，块茎中淀粉含量降低，淀粉合成受到制约，复水后，叶片SPS活性显著增强，叶片蔗糖的合成与转运过程得以恢复，促进块茎蔗糖含量增加，在蔗糖充分供应的前提下，块茎淀粉迅速积累。由此表明，干旱胁迫显著阻碍了马铃薯叶片中碳水化合物向块茎转运，复水后能够在一定程度上恢复马铃薯碳水化合物从叶片向块茎的转运，修复干旱胁迫对马铃薯植株造成的损伤，保障了马铃薯植株碳水化合物转运过程正常运行。

另外，干旱胁迫下马铃薯叶片NR活性降低，使叶片中氮素还原过程受阻，叶片游离氨基酸、可溶性蛋白质与全氮含量均显著降低，而块茎中游离氨基酸与可溶性蛋白质含量增加，说明干旱胁迫促进马铃薯叶片氮素向块茎重新分配。复水后叶片中NR与GS活性显著增强，而叶片游离氨基酸、可溶性蛋白质以及全氮含量仍保持较低水平，块茎游离氨基酸、可溶性蛋白含量较高。表明旱后复水虽然恢复了氮素的吸收与同化能力，但氮素同化物的合成与转运尚未恢复正常水平，这可能是复水时间较短所致。

由此表明，干旱胁迫下马铃薯叶片可溶性糖积累，氮素同化物减少积累，而块茎中呈相反现象，因而马铃薯叶片与块茎中碳氮失衡，叶片碳氮比增加，块茎碳氮比降低。复水后，上述情况均得到一定程度的缓解，表现为块茎碳氮比增加。因此，旱后复水可在一定程度上修复干旱胁迫造成的损伤。