2種水分條件下鉀肥對(duì)甘蔗葉片脯氨酸合成積累的影響

溫曉晴，楊　善，周鴻凱，莫俊杰

(廣東海洋大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,廣東 湛江 524088)

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2種水分條件下鉀肥對(duì)甘蔗葉片脯氨酸合成積累的影響

溫曉晴，楊善，周鴻凱，莫俊杰

(廣東海洋大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,廣東 湛江 524088)

[摘要]【目的】 在N、P肥用量固定的2種不同水分條件下，探究K肥施用對(duì)甘蔗植株脯氨酸合成積累的效應(yīng)?！痉椒ā?以甘蔗品種粵糖55為研究材料，利用桶栽試驗(yàn)法，在正常水分(土壤含水量>25%)和干旱脅迫(土壤含水量<15%)條件下，當(dāng)尿素和過磷酸鈣用量分別為918,1 800 kg/hm2時(shí)，測(cè)定0,378,750,1 410 kg/hm2鉀肥對(duì)甘蔗葉片P5CS、δ-OAT活性及游離脯氨酸、葉綠素含量的影響。【結(jié)果】 當(dāng)鉀肥用量為0～1 410 kg/hm2時(shí)，隨著鉀肥用量的增加，正常水分條件下甘蔗葉片的游離脯氨酸含量和P5CS、δ-OAT活性均呈先下降后升高趨勢(shì)；干旱脅迫條件下，以上3個(gè)指標(biāo)均呈先升高后下降趨勢(shì)，且均高于正常水分條件下的相應(yīng)值。無論是在正常水分還是干旱脅迫條件下，甘蔗葉片葉綠素含量均呈先升后降趨勢(shì)，但正常水分條件下的葉綠素含量高于干旱脅迫條件。干旱脅迫條件下，當(dāng)鉀肥用量為378 kg/hm2時(shí)，甘蔗植株中的P5CS和δ-OAT活性均最強(qiáng)，同時(shí)葉片中的游離脯氨酸、葉綠素含量也最大?！窘Y(jié)論】 干旱脅迫下, 鉀肥施用量對(duì)甘蔗植株游離脯氨酸合成關(guān)鍵酶P5CS、δ-OAT的活性有顯著影響，進(jìn)而影響到植株游離脯氨酸的合成與積累。研究區(qū)紅壤土最佳的N、P、K肥搭配方案是尿素918 kg/hm2、過磷酸鈣 1 800 kg/hm2、氯化鉀378 kg/hm2。

[關(guān)鍵詞]甘蔗；施肥方案；鉀肥；脯氨酸合成

甘蔗作為我國重要的糖料和能源作物，主要分布在廣西、云南、廣東、海南等黃、紅壤地區(qū)，且80%以上的甘蔗種植在缺少灌溉條件的旱坡地，季節(jié)性干旱成為限制我國甘蔗生產(chǎn)的首要環(huán)境因素[1]，也成為了制約我國蔗糖生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。

植物的生長(zhǎng)發(fā)育在受到逆境脅迫時(shí)，植物體內(nèi)自身會(huì)合成一種能夠抵抗?jié)B透脅迫的物質(zhì)，即脯氨酸。脯氨酸能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透方式，穩(wěn)定蛋白的結(jié)構(gòu)，并能在脅迫解除后作為N素和C架為植物提供能源[2]。有研究表明，脯氨酸積累的多少與植物抗逆性有關(guān)，可作為判斷植物抗逆性強(qiáng)弱的指標(biāo)[3-6]。但也有研究表明，逆境脅迫下脯氨酸的積累是植物受傷害的一種表現(xiàn)，不適合作為抗逆性的判斷指標(biāo)[7]。盧少云等[8]研究表明，耐旱性弱的地毯草對(duì)干旱脅迫更敏感，脯氨酸的積累量更大，脯氨酸的積累與植物受傷害程度呈顯著正相關(guān)。在植物體內(nèi)，關(guān)于脯氨酸合成累積的途徑仍有不同的看法[9-10]，但一般認(rèn)為脯氨酸生物合成累積的途徑有2 種，即谷氨酸途徑(Glu→Pro)和鳥氨酸途徑(Orn→Pro)[11-13]。當(dāng)植物受到脅迫時(shí)，植物不同部位的脯氨酸合成途徑也不盡相同，如余光輝等[14]的研究表明，在干旱脅迫下假儉草葉片以O(shè)rn→Pro途徑進(jìn)行脯氨酸的合成與積累；錢大文等[15]的研究認(rèn)為，NaCl 脅迫下海馬齒(SesuviumportulacastrumL．)植株內(nèi)游離脯氨酸合成積累的2個(gè)途徑均被啟動(dòng)并發(fā)生合成積累作用，其中以Glu→Pro 途徑為主，Orn→Pro 途徑為輔。

鉀是植物必需的大量營養(yǎng)元素之一。在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中，鉀參與60種以上酶系統(tǒng)的活化、光合作用、同化產(chǎn)物的運(yùn)輸、碳水化合物的代謝和蛋白質(zhì)的合成等過程。如鉀素營養(yǎng)為光合作用提供物質(zhì)基礎(chǔ),進(jìn)而提高凈光合作用速率[16]。氮磷鉀合理施肥可提高PSⅡ光能轉(zhuǎn)換效率及PSⅡ電子傳遞活性[17]。莫釗文等[18]的研究認(rèn)為，與常規(guī)施鉀相比，減鉀處理降低了庫容有效充實(shí)度和葉源的配置(后期葉面積指數(shù)、前期葉綠素含量和葉片老化指數(shù))，最終導(dǎo)致產(chǎn)量顯著下降。陸樹華等[19]的研究認(rèn)為,鉀肥施用分配比例對(duì)甘蔗伸長(zhǎng)生長(zhǎng)、產(chǎn)量形成和蔗莖蔗糖分均有顯著的影響。曾維賓等[20]對(duì)桂中蔗區(qū)甘蔗鉀肥施用效應(yīng)的研究認(rèn)為，施鉀可提高甘蔗莖長(zhǎng)、莖徑及產(chǎn)量，當(dāng)鉀肥施用量達(dá)到一定水平時(shí)，單莖質(zhì)量隨著鉀肥用量的增加而降低。

甘蔗受到干旱等逆境脅迫時(shí)，植株體內(nèi)有大量活性氧不能及時(shí)清除而造成膜脂過氧化，促使丙二醛含量升高[21]，使葉片中的葉綠素發(fā)生降解[22]，并使其正常生理代謝活動(dòng)遭受破壞。脯氨酸(Pro)作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)大量積累，抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)如過氧化物酶(POD)活性及可溶性蛋白含量等也會(huì)發(fā)生一定變化[23]。隨著干旱的加劇，甘蔗生長(zhǎng)緩慢，株高增長(zhǎng)受到抑制，但這種抑制作用在不同品種不同生長(zhǎng)時(shí)期之間存在差異[24]。

雖然已有很多關(guān)于甘蔗植株的脯氨酸積累、不同施肥量對(duì)甘蔗生長(zhǎng)影響的研究報(bào)道，但是針對(duì)干旱脅迫條件下，鉀肥施肥量對(duì)甘蔗植株體內(nèi)的脯氨酸合成積累關(guān)鍵性酶，即P5CS、δ-OAT活性的變化及其脯氨酸合成積累途徑的研究報(bào)道仍較為鮮見。為此，本試驗(yàn)以甘蔗品種粵糖55為研究材料，在正常水分和干旱脅迫條件下，測(cè)定4個(gè)鉀肥施用水平對(duì)甘蔗植株內(nèi)P5CS、δ-OAT活性及游離脯氨酸含量等生理生化指標(biāo)的影響，以期闡明鉀肥對(duì)甘蔗植株脯氨酸合成積累及其耐旱力的作用效應(yīng)，為甘蔗高產(chǎn)、高糖、耐旱高效栽培技術(shù)的開發(fā)提供參考。

1材料與方法

1.1材料

本試驗(yàn)的甘蔗品種為粵糖55，采用桶栽(膠桶高50 cm、口徑40 cm，桶下端10 cm處的側(cè)面開了4個(gè)排水小孔)試驗(yàn)，每桶裝紅壤土25 kg，每桶種植2株雙芽苗。土壤肥力的本底值為：pH值5.08，堿解氮152.12 mg/kg，速效鉀188.56 mg/kg，有效磷53.27 mg/kg，有機(jī)質(zhì)27.80 g/kg。供試紅壤土的最大田間持水量為31.26%。

1.2方法

試驗(yàn)地點(diǎn)在廣東海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)生物研究所，在施用尿素918 kg/hm2和過磷酸鈣1 800 kg/hm2的條件下，設(shè)置4個(gè)鉀肥(KCl)施用水平,施用量分別為0，378，750和1 410 kg/hm2。隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)水分條件：(1)正常水分條件：土壤含水量>250 g/kg；(2)干旱脅迫條件：土壤含水量<150 g/kg(甘蔗出現(xiàn)枯萎)。

供試甘蔗于2013-06-18開始種植，全部磷肥及一半氮肥和鉀肥與土壤充分混勻，施入20～30 cm土層內(nèi)，齊苗后定苗，每桶選留對(duì)稱且健壯的2株甘蔗幼苗，每隔2 d澆1次水，保持土壤濕潤(rùn)；于2013-09-10追肥，將剩余的一半氮肥和鉀肥全部施入。2013-11-30，實(shí)測(cè)土壤含水量為(266.5±3.2) g/kg時(shí)(相對(duì)田間持水量為(85.25±1.02)%)，每桶取1株甘蔗苗進(jìn)行測(cè)試分析，采集其-1葉進(jìn)行脯氨酸含量及δ-OAT酶、P5CS酶活性的測(cè)定。然后，將試驗(yàn)桶栽甘蔗移入玻璃溫室內(nèi)，停水管理6 d進(jìn)行干旱脅迫處理，當(dāng)甘蔗葉片開始出現(xiàn)萎焉時(shí)(2013-12-06)，實(shí)測(cè)此時(shí)的土壤含水量為(133.5±2.7) g/kg(相對(duì)田間持水量為(42.71±0.86)%)，同上法取樣并進(jìn)行測(cè)試分析。

1.3測(cè)定指標(biāo)與方法

采集新鮮的植物樣品，測(cè)定脯氨酸和葉綠素含量以及P5CS和δ-OAT活性，其中脯氨酸含量按Bates等[25]的方法用鮮樣測(cè)定；P5CS依照Kavi等[5]的方法抽提，參照黃誠梅等[3]的方法測(cè)定活性，以每分鐘生成1 μmol γ-谷氨酰胺所需要的酶量為1個(gè)酶活性單位(U)；δ-OAT的抽提按照Delauney等[11]的方法進(jìn)行，其活性參照余光輝等[14]的方法測(cè)定，以每小時(shí)生成1 mmol P5CS所需要的酶量為1個(gè)酶活性單位(U)；葉片色素含量采用乙醇-丙酮混合液浸泡法測(cè)定[26]。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SAS 10.3進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，用Duncan’s法進(jìn)行各生理指標(biāo)的差異顯著性評(píng)價(jià)。

2結(jié)果與分析

2.1施鉀對(duì)甘蔗葉片游離脯氨酸含量的影響

由圖1可知，在正常水分條件下，甘蔗葉片中的游離脯氨酸含量較小、變化幅度也較小，隨著施鉀量的增加，其游離脯氨酸含量呈先下降后升高趨勢(shì)，4個(gè)施鉀處理的植株游離脯氨酸平均含量為59.79 μg/g。而在干旱脅迫條件下，甘蔗葉片的游離脯氨酸含量較正常水分條件下顯著增加，即表現(xiàn)出顯著的脯氨酸合成積累效應(yīng)，并且在不同的鉀肥施用量處理間也表現(xiàn)出一定的差異性：在鉀肥施用量為0 kg/hm2時(shí)，游離脯氨酸含量最低(197.65 μg/g)；在施鉀量為378 kg/hm2時(shí)，游離脯氨酸含量急劇增加并達(dá)到最大值(370.01 μg/g)，增長(zhǎng)率為87.5%；之后隨著施鉀量的增多，游離脯氨酸含量呈緩慢下降趨勢(shì)； 4個(gè)施鉀處理植株的游離脯氨酸平均含量為309.39 μg/g。

圖 1不同水分條件下施用鉀肥后甘蔗葉片游離脯氨酸含量的變化

圖柱上標(biāo)不同小寫字母表示不同鉀肥處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同

Fig.1Change of proline content after applying K fertilizer under two water conditions

Different lowercase letters indicate significant difference atP<0.05.The same below

上述結(jié)果表明，在干旱脅迫條件下，甘蔗植株有顯著的游離脯氨酸合成積累效應(yīng)，平均增加幅度為249.6 μg/g，并且在鉀肥施肥量為378 kg/hm2時(shí)，游離脯氨酸的合成積累效應(yīng)最為明顯。而在正常水分條件下，該施鉀量時(shí)甘蔗植株的游離脯氨酸合成積累量最小。

2.2施鉀對(duì)甘蔗葉片P5CS活性的影響

P5CS 是脯氨酸生物合成中谷氨酸途徑的一個(gè)雙功能酶，其可以催化脯氨酸生物合成的前兩步，并且是合成反應(yīng)的關(guān)鍵酶。從圖 2可以看出，在正常水分條件下，施用鉀肥后甘蔗葉片P5CS活性的變化與脯氨酸含量的變化趨勢(shì)相同，即隨著施鉀量的增加，P5CS活性也呈先降后升的趨勢(shì)，并在施鉀量大于378 kg/hm2后有顯著性地增強(qiáng)。而與正常水分相比，干旱脅迫條件下甘蔗植株的P5CS活性顯著增強(qiáng)，且隨著施鉀量的增加，P5CS活性呈先迅速增加后逐漸下降的趨勢(shì)，在施鉀量為378 kg/hm2時(shí)甘蔗葉片的P5CS活性達(dá)到最高值。這一結(jié)果表明，在干旱脅迫條件下，甘蔗植株的P5CS活性顯著增強(qiáng),與正常水分條件下相比，平均增強(qiáng)量為15.2 U/(g·min)。

圖 2不同水分條件下施用鉀肥后甘蔗葉片P5CS酶活性的變化

Fig.2Changes of P5CS enzyme activity after applying K fertilizer under two water conditions

2.3施用鉀肥對(duì)甘蔗葉片δ-OAT活性的影響

由圖3可知，無論是在正常水分還是干旱脅迫條件下，鉀肥的施用量對(duì)甘蔗葉片δ-OAT活性均有

一定的影響。在正常水分條件下，甘蔗葉片的δ-OAT活性呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，在鉀肥施用量為378 kg/hm2時(shí)，δ-OAT活性達(dá)到最低。而在干旱脅迫條件下，甘蔗葉片中的δ-OAT活性較正常水分條件下有明顯增強(qiáng)；隨著鉀肥施用水平的提高，δ-OAT活性呈先增加后緩慢減小的趨勢(shì)，在鉀肥施用量為378 kg/hm2時(shí)δ-OAT活性達(dá)到最高。由此表明，干旱脅迫對(duì)甘蔗植株δ-OAT活性的增強(qiáng)有明顯的促進(jìn)作用。

2.4施用鉀肥對(duì)葉綠素含量的影響

由圖4可知，無論是在正常水分還是干旱脅迫條件下，相同N、P肥施用水平時(shí)，鉀肥的施用對(duì)甘蔗葉片的葉綠素含量有一定程度的影響。在正常水分條件下，4個(gè)鉀肥施用量處理的甘蔗葉片葉綠素含量均較高；而在干旱脅迫后，4個(gè)鉀肥施用量處理的甘蔗葉片葉綠素含量均有一定程度的降低，4個(gè)鉀肥處理葉綠素含量的平均值為1.67 mg/g，其變化趨勢(shì)與正常水分條件下基本一致。由此可知，干旱脅迫會(huì)明顯降低甘蔗葉片中的葉綠素含量(平均下降率為 19.32%)，進(jìn)而影響甘蔗的光合能力，在不同水分條件下甘蔗的鉀肥施用量均以378 kg/hm2為宜。

圖 3　不同水分條件下施用鉀肥后甘蔗葉片 δ-OAT 活性的變化Fig.3　Changes of delta-OAT activity after applying K fertilizer under two water conditions圖 4　不同水分條件下施用鉀肥后甘蔗葉片 葉綠素含量的變化Fig.4　Changes of leaf pigment content after applying K fertilizer under two water conditions

3討論

3.1鉀肥施用水平對(duì)甘蔗植株脯氨酸合成積累的影響

本研究結(jié)果表明，在尿素、過磷酸鈣施用量分別為918和1 800 kg/hm2時(shí)，隨著鉀肥施用量的增加，在正常水分條件下，甘蔗植株游離脯氨酸合成積累的2個(gè)關(guān)鍵酶(P5CS和δ-OAT)的活性和游離脯氨酸含量均表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢(shì)。該結(jié)果表明，正常水分條件下合理施用N、P、K肥，可以促進(jìn)甘蔗植株的正常生長(zhǎng)，有利于維持植株體內(nèi)的代謝平衡，不會(huì)產(chǎn)生不良的細(xì)胞滲透壓，也未顯著激活P5CS和δ-OAT活性，植株游離脯氨酸的合成積累也處于較低的水平。而在干旱脅迫條件下,甘蔗植株葉片中的P5CS、δ-OAT活性和游離脯氨酸含量均受到K肥施用量的影響，甘蔗植株中的P5CS和δ-OAT活性顯著被激活，進(jìn)而合成累積大量的游離脯氨酸以抵抗細(xì)胞的滲透壓力，維持植株體內(nèi)的代謝平衡，減少干旱脅迫對(duì)其帶來的不利影響。在干旱脅迫條件下,當(dāng)鉀肥施用量為378 kg/hm2時(shí)，甘蔗植株中的P5CS、δ-OAT活性和游離脯氨酸含量均達(dá)到最高，之后隨著鉀肥施用量的增加而有所降低。

3.2鉀肥對(duì)甘蔗植株脯氨酸合成積累途徑的影響

植物體內(nèi)游離脯氨酸的合成積累一般有2條途徑，即Glu→Pro途徑和Orn→Pro途徑,這2條途徑的關(guān)鍵酶分別為P5CS和δ-OAT[11-13]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在N、P肥施用量分別為918，1 800 kg/hm2，鉀肥施用水平為378～1 410 kg/hm2時(shí)，與不施鉀肥(0 kg/hm2)相比，干旱脅迫條件下甘蔗植株中的P5CS和δ-OAT活性均明顯被激活，游離脯氨酸含量顯著增加，這顯然是Glu→Pro途徑和Orn→Pro途徑共同作用的結(jié)果。但與正常水分條件相比，干旱脅迫時(shí)甘蔗植株的P5CS平均活性為33.5 U/(g·min)，增幅為15.2 U/(g·min)，平均增強(qiáng)率為83.06%；甘蔗植株的δ-OAT活性平均值為15.23 U/(g·h )，平均增幅為6.06 U/(g·h )，平均增強(qiáng)率為66.09%。由此初步推斷，甘蔗植株合成積累脯氨酸的途徑可能是以谷氨酸途徑(Glu→Pro)為主，鳥氨酸途徑(Orn→Pro)為輔。值得說明的是，要準(zhǔn)確確定甘蔗植株合成積累脯氨酸的主要途徑，還需要應(yīng)用同位素示蹤法進(jìn)行最終測(cè)定。

3.3鉀肥對(duì)甘蔗葉片葉綠素含量的影響

本研究中，在N、P肥施用量分別為918，1 800 kg/hm2時(shí)，無論是在正常水分還是在干旱脅迫條件下，當(dāng)鉀肥施用量為378 kg/hm2時(shí)，甘蔗葉片的葉綠素含量均達(dá)到最高。在施鉀水平相同時(shí)，與正常水分條件下相比，干旱脅迫后甘蔗葉片的葉綠素含量降低，這一結(jié)果與王剛等[17]以駿棗、桂意云等[22]以甘蔗、白鵬等[27]以油菜為材料的研究結(jié)論相一致。這表明在嚴(yán)重干旱脅迫下，雖然甘蔗植株中的P5CS和δ-OAT活性也能明顯被激活，進(jìn)而合成累積大量的游離脯氨酸以抵抗細(xì)胞的滲透壓力，但植株體內(nèi)的代謝平衡也同時(shí)受到了明顯影響，從而造成葉片光合色素的大量減少，進(jìn)而影響植株的生長(zhǎng)發(fā)育。

綜上所述，無論是在正常水分還是在干旱脅迫條件下, N、P、K肥的施用比例均會(huì)對(duì)甘蔗植株的P5CS、δ-OAT活性和游離脯氨酸、葉綠素含量產(chǎn)生一定程度的影響，表明施用N、P、K肥的比例及其施用量會(huì)影響植物的生理生化過程與植株體內(nèi)的代謝平衡，進(jìn)而影響植株的生長(zhǎng)發(fā)育。因此，本類型紅壤土種植甘蔗時(shí)的最佳N、P、K肥搭配方案為：尿素918 kg/hm2,過磷酸鈣1 800 kg/hm2,氯化鉀378 kg/hm2。

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DOI：網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-06-0816:2110.13207/j.cnki.jnwafu.2016.07.016

[收稿日期]2014-11-11

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41073059)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013B020301005)；廣東省良種培育和引進(jìn)專項(xiàng)(201201148)

[作者簡(jiǎn)介]溫曉晴(1991-)，女，廣東普寧人，本科，主要從事環(huán)境生態(tài)研究。 [通信作者]周鴻凱(1962-)，男，廣東湛江人，教授，主要從事作物遺傳育種及生理生態(tài)研究。E-mail:897961801@qq.com

[中圖分類號(hào)]S566.107.1

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1671-9387(2016)07-0109-06

Effect of potassium fertilizer on biosynthesis and accumulation of proline in sugarcane leaves under two moisture conditions

WEN Xiaoqing,YANG Shan,ZHOU Hongkai,MO Junjie

(CollegeofAgriculture,GuangdongOceanUniversity,Zhanjiang,Guangdong524088,China)

Abstract：【Objective】 This paper explored the effects of different potassium (K) fertilization levels on proline biosynthesis and accumulation in sugarcane plants under two water conditions when nitrogen (N) and phosphorus (P) were at fixed levels.【Method】 Sugarcane variety YT55 cultivated in bucket was used as plant materials for pod experiment.When the amount of urea and calcium superphosphate were 918 and 1 800 kg/hm2,the contents of free proline and chlorophyll and the activities of P5CS and δ-OAT were measured at different K fertilizer application rates of 0,378,750,and 1 410 kg/hm2 under normal (soil moisture >25%) and drought (soil moisture <15%) stress conditions.【Result】 When K fertilization was 0 to 1 410 kg/hm2,free proline content and activities of P5CS and δ-OAT in normal water condition decreased before increasing as the increase of K fertilization.In drought stress,they all increased and then decreased,and their values were higher than under normal condition.In both conditions,chlorophyll content in sugarcane leaves increased and then dropped,and the values under drought stress condition were higher than under normal condition. Under drought stress condition and when K fertilizer application was 378 kg/hm2,P5CS and δ-OAT had the largest activities and free proline and chlorophyll had the largest contents.【Conclusion】 K fertilization levels had significant effects on activities of P5CS and δ-OAT so as to the biosynthesis and accumulation of free proline in sugarcane plants. The best usages of N,P,and K fertilizers were urea,calcium superphosphate and potassium chloride with amounts of 918,1 800,and 378 kg/hm2 for red soil.

Key words:sugarcane;fertilization scheme;potassium fertilizer;proline synthesis

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