施氮对块茎形成期高温胁迫后马铃薯块茎产量、淀粉含量和相关酶代谢活性的影响

班文慧 王星强 柳强娟 孙建波 吕开源 康建宏

(宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)是全球第四大粮食作物，在世界各地广泛种植，分布于全球2/3以上的国家。如今随着全球气候变暖，地域性高温经常发生[1-3]，对区域马铃薯种植产生影响。我国宁夏南部山区是以马铃薯为主要作物的半干旱地区。近年来，宁夏南部山区高温天气频发，自2013年起，该山区多次出现连续5 d以上30℃左右的高温天气[4]。马铃薯块茎形成的最佳温度为15～20℃，超过27℃则会出现畸形小薯，30℃时块茎完全停止生长[5-6]。肖国举等[7]研究发现，在马铃薯生长期间，温度的上升会使其开花期延长，每穴薯块数量减少；冯朋博等[8]研究发现高温胁迫会使马铃薯的淀粉合成关键酶活性降低，总淀粉和支、直链淀粉积累速率降低；王军可等[9]在水稻中研究发现高温显著降低腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(adenosine diphosphate glucose pyrophosphatase，AGP)活性，同时降低颗粒结合淀粉合成酶与可溶性淀粉合成酶的活性，导致直链淀粉合成受阻，且当出现30℃以上高温时会显著抑制α-淀粉酶的活性[10]。因此，研究高温胁迫对马铃薯产量形成规律的影响及其缓解措施，可为马铃薯抗逆稳产栽培提供技术支持，对保障区域粮食安全具有重大意义。

植物养分在提高作物对温度胁迫的耐力方面发挥着重要作用。相关研究表明，合理的氮肥施用量可以缓解高温对作物的伤害[11]。戴云云等[12]关于水稻的研究发现，在穗分化时追施氮肥可以减轻高温胁迫对产量的不利影响；还有研究表明，施氮有助于形成较高的叶面积指数，从而形成良好的冠层结构，进而降低水稻冠层温度，形成良好的田间小气候环境[13]；段晔等[14]研究发现，在高温胁迫下，施用氮肥能明显提高腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGP)、可溶性淀粉合酶(soluble starch synthase，SSS)、淀粉分支酶(starch branching associates，SBE)等淀粉合成酶的活性，从而促进淀粉积累。考虑到高温天气频繁发生及氮肥可以间接促进淀粉的积累，在前人研究的基础上，本研究于宁夏南部山区，以当地自然温度为对照，通过人工气候室进行高温胁迫，探究高温条件下氮肥对马铃薯淀粉酶活性、淀粉量及产量的影响，以期为宁南山区马铃薯精准氮肥调控提供理论依据，为马铃薯产业可持续发展提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验于2019―2020年5至10月在宁夏海原县树台乡大嘴村马铃薯种植基地进行。该地区属于半干旱型雨养农业区，2019年马铃薯生育期间降雨量为320.8 mm，2020年为401.0 mm；年蒸发量大，年平均气温6～9℃，无霜期150～172 d。其土壤类型属于侵蚀黑垆土，有机质含量13.29 g·kg-1、土壤全氮0.69 g·kg-1、 全磷0.75 g·kg-1、碱解氮47.24 mg·kg-1、有效磷6.94 mg·kg-1、pH值8.53。以当地主栽品种青薯9号为供试材料，由青海省农林科学院生物技术研究所选育。氮肥为尿素(含纯N 46%)，磷肥为普通过磷酸钙(含P2O512%)，钾肥为硫酸钾(含K2O 50%)。

1.2 试验设计

试验采用裂区试验设计，4次重复。主区为温度，设T1(高温，35±2℃)、T2(自然温度，30±2℃)2个处理；副区为施氮量，设N0(对照，不施氮肥)、N1(75 kg·hm-2， 低氮水平)、N2(150 kg·hm-2，常规氮水平)、N3(225 kg·hm-2，高氮水平)4个处理。其中全部磷肥(P2O5120 kg·hm-2)、钾肥(K2O 90 kg·hm-2)作基肥，60%氮肥作基肥，40%氮肥在现蕾期追施。每小区宽8 m、长12 m，5月4日在垄上覆膜播种，垄宽60 cm，株距30 cm，种植密度3 337株·hm-2，马铃薯于5月29日出苗，在马铃薯块茎形成期(7月25-29日)每日9:00―17:00在人工搭建的人工气候室(温棚)内进行高温处理，每隔1 h观察棚内温度(图1)，温度超过37℃即进行通风降温。温度处理结束后，马铃薯于自然条件下生长至成熟，10月7日收获测产。从现蕾期(7月15日)开始每隔约15 d取一次马铃薯块茎鲜样。

图1 对照与高温胁迫下马铃薯冠层温度Fig.1 Canopy temperature of potato under high temperature stress and control

1.3 测定项目与方法

1.3.1 马铃薯产量测定 收获时取各小区中间两垄进行考种与测产。根据吕文河等[15]对商品薯分级的研究，以薯块重量>150 g为大薯，75～150 g为中薯，<75 g为小薯。

1.3.2 淀粉含量及其关键酶活性测定 采用双波长法[16]测定马铃薯块茎中直链淀粉、支链淀粉含量，总淀粉含量为二者之和。

AGP、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(uridine diphosphate glucose-PPase，UGP)、SSS、束缚态淀粉合酶(granule-bound starch synthase，GBSS)参考程方民等[17]的方法测定，以增加0.001 OD340定义为一个酶活力单位。SBE活性参考李太贵等[18]的方法测定，以下降0.001 OD660定义为一个酶活力单位。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据统计，利用SPSS 22.0软件进行相关性及方差分析，用Origin 2018作图。

2 结果与分析

2.1 施氮量对高温胁迫后马铃薯块茎淀粉含量和淀粉形成关键酶活性的影响

由表1可知，施氮水平对高温胁迫后马铃薯块茎中总淀粉和支、直链淀粉含量均存在极显著影响。高温与施氮水平的交互作用自花后48 d开始对总淀粉和直链淀粉含量存在显著或极显著影响，在花后48、63 d时对支链淀粉含量存在极显著和显著影响。

高温、施氮水平对马铃薯各时期的淀粉合成关键酶活性多数存在极显著影响。对于AGP活性，高温与施氮水平的交互作用在除花后34 d以外的其余时期均存在显著影响。高温与施氮水平的交互作用对UGP活性的的影响则在花后34 d开始达到显著水平。对于SSS活性，除花后75 d高温与施氮水平的互作效应对其无显著影响以外，其他时期均存在显著或极显著影响。与此同时，高温与施氮水平在各时期对GBSS活性均存在显著或极显著互作效应。高温与施氮水平对SBE活性的互作效应，除在花后19 d无显著影响外，其余时期均存在极显著影响。

表1 温度与施氮水平对马铃薯块茎淀粉含量和淀粉合成关键酶活性影响的互作效应分析(F值)Table 1 Analysis of the interaction between temperature and nitrogen application level on potato tuber starch content and key enzyme activity of starch synthesis (F value)

2.2 施氮量对高温胁迫后马铃薯淀粉含量的影响

2.2.1 施氮量对高温胁迫后马铃薯支链淀粉含量的影响 如图2所示，随着生育期推进，支链淀粉含量逐渐升高。与自然温度相比，高温胁迫下N0、N1、N2、N3全生育期支链淀粉含量平均分别下降了25.67%、23.31%、15.98%、20.40%(2019年)和18.86%、18.57%、14.85%、13.44%(2020年)，均以N2的降幅最小。

注：A：2019年高温处理，B：2019年自然温度处理，C：2020年高温处理，D：2020年自然温度处理。下同。Note: A: High temperature treatment in 2019. B: Natural temperature treatment in 2019. C: High temperature treatment in 2020.D: Natural temperature treatment in 2020. The same as following.图2 高温胁迫与施氮处理对马铃薯块茎支链淀粉含量的影响Fig.2 Effects of high temperature stress and nitrogen application on starch content of potato tuber

2019年，高温胁迫下N1、N2、N3的生育期支链淀粉含量均值分别较N0提高了22.82%、41.74%、37.88%，自然温度下则分别提高了20.37%、34.14%、33.47%，2020年，高温胁迫下N1、N2、N3的支链淀粉含量分别较N0提高了18.61%、23.36%、17.59%，自然温度下分别提高了18.32%、19.57%、12.08%。由此可知，N2的支链淀粉含量受高温胁迫的影响最小，同时其含量也最高，表明施氮量为150 kg·hm-2(N2)时缓解高温胁迫对支链淀粉含量不利影响的效果最佳。

2.2.2 施氮量对高温胁迫后马铃薯直链淀粉含量的影响 如图3所示，随着生育期的推进，直链淀粉含量呈先升高后降低的变化趋势，并在花后48 d时达到峰值。与自然温度相比，高温胁迫明显降低了直链淀粉的含量，2019年高温胁迫下N0、N1、N2、N3全生育期直链淀粉含量平均分别下降了16.05%、17.71%、9.97%、13.40%，2020年分别平均下降9.58%、10.85%、8.84%、9.29%，以N2的降幅最小，且在任意一年中不同氮肥处理之间均存在明显差异。

图3 高温胁迫与施氮处理对马铃薯块茎直链淀粉含量的影响Fig.3 Effects of high temperature stress and nitrogen application on amylose content in potato tubers

2019年，高温协迫下N1、N2、N3的生育期直链淀粉含量均值相较N0分别提高了14.24%、28.10%、27.06%，自然温度下则分别提高了15.93%、22.89%、24.76%；2020年的规律与之相似，高温胁迫下，与N0相比，N1、N2、N3的生育期直链淀粉含量均值分别提高了7.44%、16.09%、10.78%，自然温度下则分别提高了8.74%、15.40%、10.49%。综上可知，N2的直链淀粉含量受高温胁迫的影响最小，同时其含量也最高，表明施氮量为150 kg·hm-2(N2)时缓解高温胁迫对直链淀粉含量不利影响的效果最佳。

2.2.3 施氮量对高温胁迫后马铃薯总淀粉含量的影响 如图4所示，与自然温度相比，高温胁迫使得马铃薯总淀粉含量降低，2019年，与自然温度相比，高温胁迫下N0、N1、N2、N3全生育期总淀粉含量平均分别下降了23.90%、22.32%、15.01%、19.24%，2020年则分别下降了15.61%、17.42%、13.91%、12.77%，两年均以N2降幅最小。

图4 高温胁迫与施氮处理对马铃薯块茎总淀粉含量的影响Fig.4 Effects of high temperature stress and nitrogen application on total starch content of potato tubers

2019年，在高温胁迫下，与N0相比，N1、N2、N3的生育期总淀粉含量均值分别提高了21.22%、39.41%、35.95%；在自然温度下，与N0相比，N1、N2、N3的总淀粉含量分别提高了19.59%、32.32%、32.03%。2020年所呈现的规律与2019年相似，在高温胁迫下，与N0相比，N1、N2、N3的总淀粉含量分别提高了16.82%、22.15%、16.45%；在自然温度下，与N0相比，N1、N2、N3的总淀粉含量分别提高了18.61%、20.59%、13.64%。由此可知，N2的总淀粉含量受高温胁迫的影响最小，同时其含量也最高，表明施氮量为150 kg·hm-2(N2)时可以在一定程度上减缓高温胁迫对淀粉生成过程所造成的影响。

2.3 施氮量对高温胁迫后马铃薯淀粉合成酶活性的影响

2.3.1 马铃薯块茎中AGP活性 如图5所示，与自然温度相比，高温胁迫降低了马铃薯块茎内的AGP活性，在2019年，高温胁迫下N0、N1、N2、N3全生育期下块茎内的AGP活性与自然温度相比平均降幅分别为16.36%、17.80%、14.39%、15.28%，2020年则分别为15.50%、16.08%、15.21%、15.01%。表明施用氮肥可以减小高温胁迫对AGP活性的伤害，且两年均以N2、N3效果最优。

图5 高温胁迫与施氮处理对马铃薯块茎淀粉合成酶AGP活性的影响Fig.5 Effects of high temperature stress and nitrogen application on AGP activity of potato tuber starch synthetase

AGP活性随生育进程的递进呈单峰变化趋势，基本在花后48 d达到峰值(除高温胁迫下T1在花后63 d达到峰值)。各施氮处理全生育期平均AGP活性表现为N2>N3>N1>N0。2019年，高温胁迫下N1、N2、N3的AGP活性较N0分别提高了23.10%、37.52%、31.86%，自然温度下则分别提高了24.42%、36.05%、30.98%。2020年，高温胁迫下，N1、N2、N3的AGP活性较N0分别提高了19.16%、30.62%、27.52%，自然温度下则分别提高了19.72%、30.38%、27.09%。综上可知，两年中均以N2的AGP活性最高，表明施氮量为150 kg·hm-2(N2)时缓解高温对AGP活性胁迫的效果较佳。

2.3.2 马铃薯块茎中UGP活性 由图6可知，UGP活性变化趋势与AGP相似，高温胁迫降低了各处理的UGP活性。同自然温度相比，2019年高温胁迫下全生育期N0、N1、N2、N3的UGP活性平均分别下降了20.66%、27.54%、13.70%、11.86%，2020年则分别下降了35.59%、40.05%、32.31%、16.87%，其中N0下降最为明显。除自然温度2019年N0和2020年N0、N1外，其余施氮处理的UGP活性均在花后48 d达到峰值。在高温胁迫下，各施氮处理马铃薯全生育期的平均UGP活性表现为N2>N3>N1>N0，可知适宜氮肥施用量(N2)可以得更好地缓解高温胁迫对UGP活性造成的损伤。

在2019年，高温胁迫下各氮肥梯度下的UGP活性分别较N0提高了2.60%～28.15%，自然温度下提高了11.05%～21.84%。2020年，高温胁迫下，与N0相比，各氮肥梯度的UGP活性提高了15.90%～32.85%。在自然温度下，与N0相比，各氮肥梯度的UGP活性提高了17.96%～31.97%。两年中均以N2增幅最大，即施氮量为150 kg·hm-2(N2)时缓解高温对UGP活性胁迫的效果较佳。

图6 高温胁迫与施氮处理对马铃薯块茎淀粉合成酶UGP活性的影响Fig.6 Effects of high temperature stress and nitrogen application on UGP activity of potato tuber starch synthase

2.3.3 马铃薯块茎中SSS活性 由图7可如，SSS活性随时间的变化趋势，除2020年自然温度N3处理呈双峰变化外，其余处理皆呈单峰变化，其峰值分布在花后43 d和花后63 d，2020年自然温度下N0、N1、N2的峰值在花后63 d。其余处理峰值在花后48 d。SSS全生育期内平均活性为N2>N3>N1>N0。与自然温度相比，高温胁迫下2019年全生育期内N0、N1、N2、N3的SSS活性分别平均下降了27.40%、21.23%、16.14%、15.22%，2020则分别下降了10.13%、11.23%、5.80%、7.39%。

图7 高温胁迫与施氮处理对马铃薯块茎淀粉合成酶SSS活性的影响Fig.7 Effect of high temperature stress and nitrogen treatment on SSS activity of potato tuber starch synthase

在2019年，在高温胁迫下其余处理与N0相比较，各氮肥梯度下的SSS活性提高了19.52%～35.10%。自然温度下，与N0相比，各处理提高了11.81%～25.04%，在2020年，在高温胁迫下，与N0相比，各氮肥梯度下的SSS活性提高了14.05%～25.39%；在自然温度下，与N0相比，各处理的SSS活性提高了15.10%～21.80%。研究结果还表明，N2的SSS活性与N0相比提升幅度最大，可知适量的氮肥施用会更有效地缓解高温胁迫对SSS活性所带来的影响。

2.3.4 马铃薯块茎中GBSS活性 如图8所示，随着生育期的推进，GBSS活性呈现先升高后降低的单峰态势，且各处理均于花后48 d达到峰值。与自然温度相比，2019年高温胁迫下的植株全生育期内N0、N1、N2、N3的GBSS活性分别下降了25.64%、17.77%、12.86%、15.87%，2020年则分别下降了15.68%、11.95%、9.88%、10.49%。N0、N1的GBSS活性下降幅度较大，N2、N3的降幅度较小，N2表现最优。

图8 高温胁迫与施氮处理对马铃薯块茎淀粉合成酶GBSS活性的影响Fig.8 Effect of high temperature stress and nitrogen treatment on GBSS activity of potato tuber starch synthase

2019年的高温胁迫下，与N0相比，各氮肥梯度下的GBSS活性提高了18.73%～29.61%，自然温度下则提高了10.13%～20.35%。2020年，高温胁迫下，与N0相比，各氮肥梯度下的GBSS活性提高了11.22%～20.28%，自然温度下则提高了7.30%～14.80%。各氮肥梯度之间综合看来，N2可以在高温胁迫下有效稳定GBSS活性。

2.3.5 马铃薯块茎中SBE活性 如图9所示，2019年和2020年的SBE活性变化趋势相同，2020年的高温胁迫下的N1呈双峰变化趋势，峰值分别在花后34 d和花后63 d，其余处理变化趋势呈单峰变化，峰值均在花后48 d。2019年高温胁迫下N0、N1、N2、N3全生育期内SBE活性皆有所下降，降幅分别为19.54%、9.18%、7.79%、7.35%，2020年则分别为17.74%、8.20%、1.59%、2.35%。

图9 高温胁迫与施氮处理对马铃薯块茎淀粉合成酶SBE活性的影响Fig.9 Effects of high temperature stress and nitrogen application on SBE activity of potato starch synthase

2019年，高温胁迫下，与N0相比，N1、N2、N3的SBE活性提高了16.25%～23.16%，在自然温度下则提高了5.47%～15.39%。2020年的规律与之相似，高温胁迫下，与N0相比，各氮肥梯度下的SBE活性提高了14.86%～27.81%。自然温度下，与N0相比，各氮肥梯度下的SBE活性提高了4.99%～13.64%。其中，均以N2表现最优，拥有最高的SBE活性。综合看来，N2更有助于高温胁迫下SBE保持较高的活性。

2.4 施氮量对高温胁迫后马铃薯产量的影响

由表2可知，与自然温度相比，在高温胁迫下，N0、N1、N2、N3的大薯数平均降低了20.47%、15.46%、8.12%、11.81%，大薯率平均降低了11.45、5.33、5.04、10.34个百分点且产量分别降低11.39%、10.03%、7.86%、10.01%。可见，高温胁迫下，随着氮肥施用量的增加，大薯率和产量会同步提高，且N2能在高温胁迫后保持较高的大薯率与大薯数，从而获得较高的产量。

表2 高温与施氮处理对马铃薯产量及其构成因素的影响Table 2 Effects of high temperature and nitrogen application on potato yield and its components

3 讨论

高温会导致植株内部多种生理变化，影响植物生长发育。相关研究表明，在小麦花后高温胁迫会使得α-淀粉酶、β-淀粉酶及总淀粉酶含量同步下降[19]。高温还会缩短马铃薯的块茎形成期，降低薯块单重，致使马铃薯减产[20]。为了缓解高温对自身生长发育带来的不良影响，马铃薯在进化的过程中形成了多种抵御高温的机制。相关研究表明，当遭受高温胁迫时，马铃薯体内会通过微调代谢产生大量蛋白质并启动相关的抗氧化酶清除体内的过氧化物[21]，以减轻高温带来的伤害。江文文等[22]研究发现，1/2氮肥用作基肥，1/2氮肥用作孕穗期追肥会显著降低高温胁迫对小麦的不利影响，同时籽粒千粒重、产量及旗叶谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GS)、过氧化物酶(peroxidase，POD)、过氧化氢酶(catalase，CAT)活性也会显著升高。可见，适当的肥料管理措施有助于增强植物的抗逆机制。本研究结果表明，高温胁迫后，适宜的施氮水平可显著提高马铃薯块茎的总淀粉含量及马铃薯产量，与N0相比，N1、N2、N3的总淀粉含量分别提高了16.82%～21.22%、20.59%～39.41%、13.64%～35.95%，产量分别提高了5.43%～10.48%、14.02%～23.26%、8.02%～13.57%。

氮代谢是作物最重要的代谢过程之一。作物生长、发育、繁殖等过程中所需要的氨基酸、蛋白质核酸等物质都离不开氮代谢，同时氮代谢对非生物胁迫的响应也十分明显[23]。因此适当的氮肥运筹对维持作物正常氮代谢和应对非生物胁迫具有重要意义。李珺等[24]研究表明，于典型黑土地种植马铃薯时，施氮量为180 kg·km-2可以得到马铃薯产量的最大值，氮肥利用率也保持在较高水平。而当作物受到高温胁迫时，适当的氮肥施用对于维持正常氮代谢变得更为重要，相关研究表明，高温胁迫可以降低成熟期小麦的干物质积累量和产量，然而当施氮量达到240 kg·hm-2时可以有效缓解小麦花后高温胁迫的旗叶衰老，旗叶保持较高的蔗糖合成能力，籽粒也保持较高的蔗糖分解能力，同化物积累及同化物向籽粒转移量受损较小[25]。本研究结果表明，施氮水平为150 kg·hm-2(常规)时可以有效缓解马铃薯块茎形成期的高温胁迫带来的危害，且其淀粉合成关键酶活性下降幅度显著低于不施氮及低氮水平。而当继续提高施氮水平达到225 kg·hm-2(高氮)时，虽然也会减缓高温胁迫引起的产量下降、淀粉量减少等伤害，但效果弱于常规施氮。表明适当的施氮水平可以有效缓解高温胁迫的伤害，拥有更高的氮肥利用率与经济效益。

马铃薯淀粉具有其他植物淀粉不可替代的优质特性，其含量的高低不仅取决于遗传特性，而且与栽培条件有较大的关系[26-27]。如唐宏亮等[28]研究发现，随着施氮量的降低，马铃薯淀粉含量逐步降低。也有研究发现，高温胁迫后，马铃薯淀粉含量会大幅度降低[29]。本研究表明，高温胁迫使得马铃薯块茎淀粉含量显著降低，随着施氮水平的增加，马铃薯淀粉含量呈抛物线变化，其中N2水平下的马铃薯淀粉含量最高。淀粉的合成与淀粉合成酶活性密切相关[30-31]。本研究结果表明，随着氮肥梯度的递增，AGP与淀粉含量的变化趋势较为一致，且二者之间达到显著相关水平(P<0.05)。同时有研究表明，在AGP缺失的突变体中，淀粉合成速率与淀粉含量显著下降[32]，这与本研究结果相一致。高温胁迫会显著降低水稻AGP与SBE的活性[33]，在马铃薯块茎形成的关键时期[34]，AGP、GBSS活性均呈先升高后降低的趋势，与本研究结果一致。本研究表明，马铃薯开花后19～75 d，淀粉合成酶总体呈先升高后降低的单峰曲线变化，适当的施氮水平可以缓解高温胁迫后淀粉合成酶活性的降幅，且在N2水平下的淀粉合成酶活性最高。

4 结论

本研究表明，高温胁迫使马铃薯块茎淀粉合成关键酶活性下降，淀粉总量和支链淀粉含量显著降低，大薯率、大薯数明显下降，从而降低了马铃薯产量；N3(225 kg·hm-2)、N2(150 kg·hm-2)处理相较N0处理能缓解高温危害，且可以缓解高温胁迫对淀粉酶活性、淀粉含量及产量的影响，其中N2马铃薯的产量及淀粉含量均优于N3。因此，施氮量为150 kg·hm-2可以更好地缓解高温胁迫危害，使马铃薯淀粉合成酶保持相对较高的活性，增强淀粉的合成能力，同时有利于大薯率、大薯数保持较高的水平，从而获得较高的块茎产量。