钾肥对马铃薯生长发育和淀粉加工特性的影响研究

发布时间：2020-04-20 15:01

【摘要】：中国是世界上马铃薯种植大国,马铃薯种植面积和总产量均居世界第一。湖北省是中国马铃薯重要产区之一,马铃薯种植面积25.3万ha。钾作为马铃薯需求量最大的矿质养分,对马铃薯的生长发育及品质起着重要作用。适宜的钾肥用量和配比是促进马铃薯生长,提高马铃薯产量和品质的主要措施之一。探究钾肥用量对马铃薯生长发育的影响及其调控机制,明确湖北省马铃薯钾肥适宜用量及配比,对湖北省马铃薯钾肥的合理施用及马铃薯产业的发展具有重大的指导意义。同时,随着2015年中国“马铃薯主粮化战略”的提出与实施,利用马铃薯替代或部分替代其他主粮加工成粉条、面条、馒头等主食被越来越受到重视。兼顾提高马铃薯产量和改善马铃薯加工品质是当前马铃薯主粮化的重点研究内容。淀粉作为马铃薯块茎的主要成分,马铃薯淀粉加工特性直接影响马铃薯食品加工品质及马铃薯主粮化发展前景。我们通过钾肥施用调控马铃薯产量的同时,必须关注马铃薯淀粉加工特性的变化。明确钾肥用量对马铃薯淀粉加工特性的影响,对生产优质高产的马铃薯淀粉及推进马铃薯主粮化进程具有重要意义。因此,本研究通过多点的田间试验,研究了钾肥用量以及钾与氮磷配施对湖北省不同地区马铃薯生长、产量、养分累积分配的影响;通过对叶片光合碳代谢的分析,并利用RNA-seq测序技术分析叶片基因表达情况,揭示钾肥对叶片生长及生理功能的调控机制。通过对马铃薯淀粉组成、结构、热力学特性、糊化特性以及老化特性等方面的分析,明确了钾肥用量对马铃薯淀粉加工特性的影响。得到主要研究结果如下:(1)明确了湖北省马铃薯钾肥适宜用量通过湖北省平原区(云梦、襄州)和鄂西山区(建始、利川)马铃薯不同钾肥用量(0、120、240、360、480 kg/ha)田间试验得到了不同试验点钾肥效应方程:y=-0.1983x~2+114.82x+28334(云梦)、y=-0.1584x~2+87.158x+31149(襄州)、y=-0.1131x~2+55.252x+23795(建始)、y=-0.1047x~2+50.688x+21138(利川),确定了平原区和鄂西山区最佳经济钾肥用量分别为258.3~276.1 kg/ha和216.6~220.7 kg/ha。与不施钾肥相比,施用钾肥平原区和鄂西山区平均增产35.9%和21.9%,同时提高了大薯率,降低了小薯率。施用钾肥促进马铃薯植株各器官的生长,平原区和鄂西山区马铃薯植株干物质总量分别增加34.5%和21.6%。施用不同量的钾肥,马铃薯植株钾素积累量平原区在209.06~308.26 kg/ha之间,比不施钾肥平均增加67.0%;鄂西山区在209.06~308.26 kg/ha之间,比不施用钾肥平均增加49.3%。其中50%以上的钾素被分配到块茎中。马铃薯钾肥利用效率均随钾肥用量的增加而降低,平原区钾肥利用效率高于鄂西山区。(2)明确了马铃薯养分吸收特性以及氮磷钾肥施用比例通过在云梦、安陆、随县、襄州4个试验点氮磷钾配施试验表明,马铃薯植株氮、磷、钾积累量,常规施肥处理平均为156.45 kg/ha、58.17 kg/ha和266.40 kg/ha,推荐施肥处理平均为153.85 kg/ha、61.74 kg/ha和275.97 kg/ha。马铃薯植株各器官氮、磷、钾累积分配比均表现为块茎叶茎根。块茎氮、磷、钾累积分配比,常规施肥处理在52.9%~61.1%、70.2%~76.0%和53.9%~63.5%之间,推荐施肥处理在59.8%~65.9%、76.2%~78.7%和61.4%~67.3%之间。在推荐施肥条件下,每生产1000kg块茎N、P_2O_5、K_2O吸收量平均为3.32 kg,1.33 kg和5.95 kg,氮磷钾吸收比为1:0.40:1.79。目标产量为37500~45000 kg/ha时,N、P_2O_5、K_2O施用量分别在129~219kg/ha、70~126 kg/ha、156~282 kg/ha之间。每生产1000块茎N、P_2O_5、K_2O施肥量为3.44~4.86 kg/ha、1.85~2.81 kg/ha、4.16~6.27 kg/ha之间。氮磷钾肥施用比为1:0.53~0.58:1.17~1.29。推荐施肥处理马铃薯氮、磷、钾肥利用率平均为39.2%、25.9%和50.1%,比常规施肥分别提高7.9、14.4和10.3个百分点,而肥料折纯总量降低26.8%,产量增加13.0%,收益增加18.5%,产投比增加49.5%。(3)揭示了钾肥对叶片光合碳代谢及衰老的调控机制与不施钾肥相比,钾肥施用促进了叶片生长,提高了块茎产量,单叶干重平均提高32.7%,块茎产量提高45.9%。施用钾肥一方面通过提高叶绿素含量、光合速率,以及Rubisco、蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶活性,促进了叶片光合产物的合成;同时降低了叶片中非结构性碳水化合物的含量,促进了叶片光合产物的转运。另一方面,施用钾肥降低了叶片MDA、脯氨酸和ABA累积,延缓了叶片的衰老。钾肥施用对叶片生理功能调控存在叶位上的差异。钾肥施用对下部叶片的影响大于上部叶片。我们利用RNA-seq技术对下部叶片开展了进一步的转录组测序分析。结果表明,与不施钾肥处理相比,施用钾肥叶片中539个基因出现差异表达,其中255个上调,284个下调。GO富集分析表明,差异基因主要富集于细胞内稳态、光合作用等生物学过程。KEGG富集分析表明,差异表达基因主要富集于光合作用、代谢途径以及次级代谢途径。对差异基因进一步分析表明,施用钾肥上调表达与细胞内稳态相关的谷氧还蛋白等基因,使细胞维持良好的氧化还原稳态。光合作用途径中叶绿素蛋白复合体、ATP酶、PSⅠ、PSⅡ以及细胞色素b6/f复合体关键基因受钾肥施用上调表达,从而促进了叶片光合作用。施用钾肥苯丙烷途径中关键酶咖啡酰辅酶A氧甲基转移酶、肉桂酰辅酶A还原酶和肉桂醇脱氢酶基因有下调表达。缺钾胁迫导致了碳流向苯丙烷次生代谢方向转变。同时,ABA受体蛋白PYL4基因受钾肥施用下调表达,从而抑制ABA信号。综上所述,施用钾肥一方面通过上调表达光合作用相关基因促进光合作用和同化产物的合成,另一方面通过降低脂质过氧化,维持细胞内氧化还原稳态,并抑制ABA信号,延缓叶片衰老,从而促进马铃薯植株生长,提高块茎产量。(4)明确了钾肥用量对马铃薯淀粉加工特性的影响与施用135 kg/ha钾肥相比,增加钾肥用量提高了马铃薯块茎产量和淀粉产量。施用270 kg/ha钾肥马铃薯块茎产量和淀粉产量最高,比施用135 kg/ha钾肥处理相比分别增加28.6%和32.6%。随着钾肥用量的增加,降低了淀粉中直链淀粉、直/支比、磷含量和淀粉粒径。钾肥用量并不改变淀粉结晶类型,但淀粉结晶度随钾肥用量的增加而增加。增加钾肥用量增加了淀粉的膨胀度,提高了淀粉吸水膨胀能力。热力学性质分析表明,增加钾肥用量降低了糊化温度,增加了糊化焓,提高了淀粉的糊化程度。淀粉崩解值随钾肥用量的增加而降低,表明增加钾肥用量提高了淀粉的热稳定性和抗剪切能力。同时,增加钾肥用量降低了淀粉的回生值,提高了淀粉糊贮藏期间的透明度,抑制了淀粉糊在冷却和贮藏期间的老化回生。由此表明,提高钾肥用量可以改善马铃薯淀粉加工特性。综合考虑淀粉产量与品质,施用270 kg/ha钾肥可获得较高的块茎产量、淀粉含量和淀粉产量,以及优质的马铃薯淀粉。
【图文】：

个主要产区（图 1-1），分别为北方一作区（Ⅰ）、中原二）、西南一二季作垂直分布区（Ⅳ）（滕宗t牭，

本文编号：2634670