馬鈴薯塊莖形成期增溫對(duì)其淀粉含量、淀粉酶活性及產(chǎn)量的影響

馮朋博，王月寧，慕 宇，孫建波，康建宏，吳 娜，祿興麗

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

【研究意義】馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)作為世界上重要的糧食、蔬菜和經(jīng)濟(jì)作物，因其具有廣泛的適應(yīng)性和較高的應(yīng)用價(jià)值，在世界各地廣泛栽培種植[1-2]。近年來(lái)，隨著“馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略”的提出，中國(guó)馬鈴薯的種植面積得到迅速增加。馬鈴薯屬典型的溫帶氣候作物，對(duì)水分虧缺和高溫非常敏感[3-4]。隨著全球氣候變暖，溫室效應(yīng)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的災(zāi)害日漸頻繁[5]。高溫對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)及產(chǎn)量影響較大[6]。階段性增溫導(dǎo)致作物外部形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化發(fā)生變化，影響其正常生長(zhǎng)發(fā)育，嚴(yán)重時(shí)引起作物大幅度的減產(chǎn)，降低其品質(zhì)，造成經(jīng)濟(jì)損失?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)馬鈴薯高溫抗性的研究一直是植物生理學(xué)家的研究熱點(diǎn)[7-8]。也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在馬鈴薯整個(gè)生育期增溫會(huì)延長(zhǎng)淀粉的積累[9]，氣溫升高超過(guò)最高溫度閾值，則會(huì)使作物降低光合酶活性，而引起氣孔關(guān)閉，降低或停滯光合作用；高溫條件下，作物新陳代謝、生長(zhǎng)發(fā)育和蒸散發(fā)進(jìn)程加快，使作物對(duì)水分的需求增加易造成水分脅迫[10-12]。高溫環(huán)境條件下，馬鈴薯光合速率在較高的溫度下會(huì)受到抑制，進(jìn)而影響生物量和塊莖產(chǎn)量，開展增溫對(duì)作物生理生態(tài)、產(chǎn)量及其品質(zhì)影響的研究是農(nóng)業(yè)氣象學(xué)科中重要的科學(xué)問(wèn)題[13]。前人大多對(duì)馬鈴薯在高溫下的葉片抗氧化、幼苗生長(zhǎng)及光合特性等的影響[14-17]，而對(duì)馬鈴薯階段性增溫下淀粉形成的機(jī)理研究較少，因此，研究大田條件下高溫對(duì)馬鈴薯的淀粉積累及淀粉形成酶活性的影響顯得尤為必要?！颈狙芯康牡那腥朦c(diǎn)】本文通過(guò)對(duì)馬鈴薯塊莖形成期高溫(階段性高溫)處理后ADPG，GBSS，SSS，SBE酶活性和各時(shí)期不同總淀粉和支鏈淀粉的測(cè)定，研究階段性高溫在塊莖形成期對(duì)馬鈴薯淀粉形成關(guān)鍵酶的影響，及淀粉對(duì)其變化的響應(yīng)及對(duì)產(chǎn)量的影響。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以期在寧南旱作馬鈴薯生產(chǎn)實(shí)踐中提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本試驗(yàn)于2016年5-10月在寧夏海原縣樹臺(tái)鄉(xiāng)大嘴村馬鈴薯種植基地進(jìn)行，該區(qū)屬于干旱型雨養(yǎng)農(nóng)作區(qū)，年降雨量300 mm左右，年蒸發(fā)量大，年平均氣溫7.6 ℃，≥10 ℃的有效活動(dòng)積溫2621 ℃，無(wú)霜期165 d。土壤為侵蝕黑壚土，土壤pH 8.01、有機(jī)質(zhì)8.6 g/kg、堿解氮36.4 mg/kg、速效磷11.5 mg/kg、速效鉀229.8 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

青薯9號(hào)(當(dāng)?shù)刂髟云贩N)，施肥為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)3個(gè)溫度處理，常溫[(25±2) ℃，T1]；當(dāng)?shù)刈匀粶囟萚(29±2) ℃，T2]；高溫[(35±2) ℃，T3]，每處理4個(gè)重復(fù)；常溫、高溫處理分別搭建拱棚，搭遮陰網(wǎng)和白色塑料膜，測(cè)近地表大氣溫度。溫度處理于塊莖形成中期進(jìn)行，即7月28-30日在人工控溫連續(xù)處理3 d，每天8:00-18:00為處理時(shí)間。之后，馬鈴薯于大田條件下生長(zhǎng)至成熟。單壟雙行覆膜種植，株距40 cm，種植深度20～25 cm。種植密度50 025株/hm2，其余管理均與大田管理一致。

1.3.2 測(cè)定方法 分別在馬鈴薯塊莖形成初期、塊莖形成中期、塊莖形成后期、塊莖膨大期、淀粉積累期和成熟期6個(gè)時(shí)期，選取生長(zhǎng)一致的植株測(cè)定如下指標(biāo)。

淀粉含量測(cè)定：淀粉總含量采用碘比色法測(cè)定淀粉含量，直鏈淀粉含量測(cè)定使用雙波長(zhǎng)法進(jìn)行測(cè)定[18]； 淀粉形成關(guān)鍵酶(ADPG-PPase、GBSSase、SSSase、SBEase)的測(cè)定：參考唐宏亮等和程方民等[19-20]； 產(chǎn)量構(gòu)成因素的測(cè)定：每小區(qū)選取中間兩壟(每壟長(zhǎng)10 m)實(shí)收20 m2測(cè)產(chǎn)，分別測(cè)定每穴薯重、每穴個(gè)數(shù)、大薯數(shù)、中薯數(shù)和小薯數(shù)，計(jì)算大、中、小薯率和產(chǎn)量等。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理使用Excel 2003，數(shù)據(jù)分析SPSS17.0，繪圖Origin 8.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯塊莖形成期增溫對(duì)其淀粉含量的影響

2.1.1 塊莖形成期增溫對(duì)馬鈴薯塊莖總淀粉含量的影響 如圖1所示，塊莖形成期高溫處理后，隨著馬鈴薯生育期的推進(jìn)，馬鈴薯總淀粉含量總體呈逐漸增加的趨勢(shì)，在塊莖膨大期后增長(zhǎng)較緩，至成熟期達(dá)到最大。馬鈴薯在塊莖形成后期、塊莖膨大期和淀粉積累期，總淀粉含量在高溫和當(dāng)?shù)刈匀粶囟葪l件下差異不顯著，但均與常溫差異達(dá)到顯著水平；T1處理在塊莖膨大期和淀粉積累期較T3處理淀粉總含量分別提高30.25 %和26.45 %。T2與T3相比差異不顯著，說(shuō)明T2、T3均會(huì)顯著降低馬鈴薯塊莖形成中后期總淀粉含量。

圖1 塊莖形成期增溫對(duì)馬鈴薯塊莖中淀粉總含量的影響Fig.1 Effect of high temperature stress treatment on total starch content in potato tubers during the tuber formation period

圖2 塊莖形成期增溫對(duì)馬鈴薯塊莖中直鏈淀粉含量的影響Fig.2 Effect of high temperature stress treatment on the amylose content in potato tubers during the tuber formation period

2.1.2 塊莖形成期增溫對(duì)馬鈴薯塊莖直鏈淀粉含量的影響 如圖2所示，在馬鈴薯塊莖形成中期不同溫度處理后，隨著生育期的推進(jìn)，馬鈴薯直鏈淀粉含量呈現(xiàn)先增加后下降“凸”字型的變化趨勢(shì)。直鏈淀粉的含量在塊莖形成期不同溫度處理之后，在塊莖形成中期、后期及塊莖膨大期3個(gè)時(shí)期，T1較T3處理直鏈淀粉的含量分別提高26.23 %、9.42 %和16.31 %。T3與T2處理相比直鏈淀粉含量差異不顯著；在塊莖形成后期，T1處理直鏈淀粉含量顯著高于T3和T2處理。

2.1.3 塊莖形成期增溫對(duì)馬鈴薯塊莖支鏈淀粉含量的影響 如圖3所示，在馬鈴薯塊莖形成中期不同溫度處理后，隨其生育時(shí)期的推進(jìn)，其支鏈淀粉含量呈現(xiàn)階梯式增加，但經(jīng)過(guò)T3處理，在塊莖形成中后期至收獲期，其支鏈淀粉含量均顯著低于T1和T2處理，T1較T3處理其支鏈淀粉的含量在淀粉形成中期及之后，分別高63.82 %，20.68 %，34.04 %，28.59 %，35.89 %；但T1較T2處理的支鏈淀粉含量高22.70 %，8.59 %，21.15 %，2.92 %，3.02 %。由此說(shuō)明T2與T3處理都會(huì)迫使馬鈴薯支鏈淀粉含量降低。但在塊莖形成中期及之后3個(gè)處理差異性均達(dá)到顯著差異，且T3處理下的支鏈淀粉含量相對(duì)下降極為顯著。并表現(xiàn)出在T3與T2條件下馬鈴薯塊莖形成中期的支鏈淀粉含量均低于T1處理，T1處理下支鏈淀粉含量分別高出T3和T2下支鏈淀粉的63.82 %和22.70 %，差異達(dá)到極顯著水平。

圖3 塊莖形成期增溫對(duì)馬鈴薯塊莖中支鏈淀粉含量影響Fig.3 Effect of high temperature stress treatment on the content of amylopectin in potato tubers during the tuber formation period

圖4 塊莖形成期增溫對(duì)馬鈴薯塊莖中ADPG-PPase酶活性的影響Fig.4 Effect of high temperature stress treatment on ADPG-PPase activity in potato tubers during tuber formation

2.2 馬鈴薯塊莖形成期增溫對(duì)其淀粉形成酶的影響

2.2.1 馬鈴薯塊莖形成期增溫對(duì)馬鈴薯ADPG-PPase的影響 如圖4所示，馬鈴薯植株在塊莖形成期不同溫度處理后，ADPG-PPase活性隨著生育期的推進(jìn)整體呈先增加后下降的趨勢(shì)，3個(gè)處理且均在塊莖形成后期最高，T3處理后顯著降低了ADPG-PPase酶活性。T3處理下塊莖形成中期、后期、塊莖膨大期、淀粉積累期及成熟收獲期ADPG-PPase較T1和T2處理分別降低了21.54 %，40.00 %，6.68 %，82.98 %，43.90 %；10.77 %，15.00 %，4 %，31.91 %，7.32 %。除過(guò)塊莖膨大期外，其余各時(shí)期均達(dá)到極顯著差異，且均表現(xiàn)出影響顯著，淀粉積累期的影響最大。

2.2.2 馬鈴薯塊莖形成期增溫對(duì)馬鈴薯GBSSase的影響 如圖5所示，在塊莖形成中期不同溫度處理后，隨著生育期的推進(jìn)，GBSS酶活性呈現(xiàn)總體趨勢(shì)呈現(xiàn)先增加后降低。在塊莖形成期之后的各生育期內(nèi)GBSS酶活性先增后降。在溫度處理之后的前期，T1處理顯著高于T2和T3處理，說(shuō)明高溫可以使馬鈴薯塊莖形成期的GBSS酶活性有所降低；溫度處理后期，3個(gè)處理間均達(dá)到極顯著差異，以T1處理顯著高于其他2個(gè)處理，T3處理下GBSS酶活性最低，且較T1和T2處理平均分別下降了35.16 %和16.72 %，說(shuō)明在淀粉形成時(shí)期溫度過(guò)高在一定范圍內(nèi)會(huì)使GBSS活性受到抑制，后期其活性降低可能是由于環(huán)境和自然衰老的原因所致，進(jìn)而使得直鏈淀粉含量下降。

圖5 塊莖形成期增溫對(duì)馬鈴薯塊莖中GBSS酶活性的影響Fig.5 Effect of high temperature stress treatment on tuber enzyme activity in potato tuber during tuber formation stage

2.2.3 馬鈴薯塊莖形成期增溫對(duì)馬鈴薯SSSase的影響 如圖6所示，在塊莖形成中期不同溫度處理后，馬鈴薯SSS酶活性隨其生育期的推進(jìn)呈先增后降趨勢(shì)，高溫顯著抑制了SSS酶活性。處理之后的各個(gè)生育時(shí)期內(nèi)，T2和T3處理差異不顯著，而T1較T3處理差異極顯著。最后，在淀粉積累期，成熟收獲期兩個(gè)時(shí)期內(nèi)3個(gè)處理的處理的馬鈴薯SSS酶活性變化差異基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 塊莖形成期增溫對(duì)馬鈴薯塊莖中SSS酶活性的影響Fig.6 Effect of high temperature stress treatment on the SSS enzyme activity in potato tubers during the tuber formation period

圖7 塊莖形成期增溫對(duì)馬鈴薯塊莖中SBE酶活性的影響Fig.7 Effect of high temperature stress treatment on SBE enzyme activity in potato tubers during the tuber formation period

2.2.4 馬鈴薯塊莖形成期增溫對(duì)馬鈴薯SBEase的影響 由圖7可見，隨著其生育期的推進(jìn)，馬鈴薯SBE酶活性呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。T3顯著限制了SBE酶活性，說(shuō)明SBE對(duì)溫度反應(yīng)變化比較敏感。塊莖形成中期之后3個(gè)處理的SBEase活性的變化趨勢(shì)基本相同，但T1處理顯著高于其它兩個(gè)處理，在馬鈴薯塊莖形成期不同溫度脅迫之后，T3處理的SBEase活性最小，且較T1和T2處理平均分別減少69.12 %和37.73 %；在塊莖形成中、后期及塊莖膨大期3個(gè)時(shí)期內(nèi)SBEase活性差異極大，3個(gè)時(shí)期內(nèi)T1處理分別是T3處理的2.5，1.88和1.42倍。塊莖膨大期之前T1與T2處理下SBEase活性差異較小。塊莖膨大期，T1條件SBEase活性明顯高于T3和T2處理SBEase活性。塊莖膨大期之后，3個(gè)處理下塊莖SBEase活性逐漸降低。說(shuō)明馬鈴薯塊莖形成期增溫下，在一定范圍內(nèi)的溫度脅迫會(huì)在處理后的各個(gè)生育期內(nèi)降低馬鈴薯SBEase活性，塊莖形成中、后期及塊莖膨大期3個(gè)時(shí)期影響最為顯著，而不利于支鏈淀粉的合成。

2.3 塊莖形成期增溫旱地馬鈴薯產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表1可以看出，馬鈴薯塊莖形成中期經(jīng)過(guò)溫度處理后的大薯率、中薯率、小薯率及每穴個(gè)數(shù)、每穴薯重均表現(xiàn)一定規(guī)律性的差異。在T3處理的馬鈴薯各產(chǎn)量構(gòu)成因素明顯低于T1和T2處理，說(shuō)明高溫能夠顯著影響馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而影響旱地馬鈴薯的產(chǎn)量。各處理間大薯率、中薯率從高到低的順序均為：T1>T2>T3，且大薯數(shù)、中薯數(shù)，每穴總薯重、每穴薯數(shù)均以常溫處理效果顯著。其中，常溫處理下產(chǎn)量較自然溫度、高溫處理的產(chǎn)量分別增產(chǎn)29.42 %和53.77 %；說(shuō)明在起一定范圍內(nèi)，相對(duì)較低的溫度能夠提高旱區(qū)馬鈴薯的產(chǎn)量，而溫度越高，對(duì)旱地馬鈴薯的產(chǎn)量構(gòu)成影響越大，而影響產(chǎn)量。

表1 塊莖形成期增溫對(duì)旱地馬鈴薯產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 1 Effects of high temperature stress on tuber yield and its components in dry land during tuber formation

注:同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0. 05)。
Note: Values followed by different lowercase letters in the same column are significantly different at 0. 05 level.

3 討 論

3.1 馬鈴薯塊莖形成期淀粉含量對(duì)溫度的響應(yīng)

馬鈴薯的不同食用品質(zhì)主要體現(xiàn)在支鏈淀粉和直鏈淀粉的比例以及總淀粉的含量。在馬鈴薯塊莖形成期易發(fā)高溫，對(duì)淀粉形成影響較大。淀粉總含量的高低，因馬鈴薯品種各異，但隨著馬鈴薯主糧化的提出，馬鈴薯高淀粉的產(chǎn)出則是馬鈴薯栽培種植的主要目的。有學(xué)者研究表明：馬鈴薯淀粉含量受遺傳基因及生長(zhǎng)特性的影響較大[21-22]，霍丹丹[23]研究表明在干旱脅迫下馬鈴薯塊莖生長(zhǎng)受抑制，高淀粉品種塊莖下降較為明顯，淀粉、直鏈淀粉、支鏈淀粉含量均有不同程度的降低。慕宇[24]研究表明塊莖形成期高溫使馬鈴薯塊莖中的直鏈淀粉、支鏈淀粉以及總淀粉含量均表現(xiàn)出不同程度的降低。與本研究的結(jié)果基本相符，溫度處理后，在馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育后期，由于環(huán)境因素以及自身調(diào)節(jié)使得增溫下支鏈淀粉含量的差異得以緩解，使得處理間差異不顯著。高溫不利于馬鈴薯淀粉的形成，在一定程度上對(duì)支鏈淀粉的合成積累有著決定性作用，對(duì)直鏈淀粉合成的影響較小，但在塊莖形成中期高溫處理會(huì)對(duì)馬鈴薯的品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。馬鈴薯不同時(shí)期的直鏈、支鏈淀粉及總淀粉含量表現(xiàn)出不同程度的降低。高溫處理下總淀粉含量、直鏈和支鏈淀粉含量較常溫處理分別下降了33.70 %，7.85 %和35.88 %。

3.2 馬鈴薯塊莖形成期增溫對(duì)其淀粉形成關(guān)鍵酶的影響

馬鈴薯塊莖形成過(guò)程中，寧夏南部山區(qū)會(huì)遇到超過(guò)30 ℃的高溫天氣，這給馬鈴薯的正常生長(zhǎng)發(fā)育帶來(lái)極大的阻礙。甘曉燕[25]等對(duì)馬鈴薯淀粉形成與相關(guān)酶進(jìn)行研究表明，馬鈴薯塊莖淀粉含量是ADP焦磷酸化酶(AGPase)可溶性淀粉合成酶(SSS)和淀粉分支酶(DBE)活性綜合作用的結(jié)果，唐宏亮[19]研究表明淀粉形成關(guān)鍵酶在淀粉合成積累過(guò)程的不同時(shí)期表現(xiàn)出不同的活性強(qiáng)弱，控制淀粉生物合成的開始與速率，并影響馬鈴薯直鏈、支鏈淀粉的合成與積累。有學(xué)者對(duì)小麥籽粒中淀粉形成進(jìn)行研究，研究表明在小麥籽粒發(fā)育過(guò)程中，直鏈淀粉含量與總淀粉的含量高低與ADPG-PPase和SSSase的活性有緊密聯(lián)系[26-27]。本研究表明，ADPG焦磷酸化酶活性在馬鈴薯塊莖形成后期達(dá)到最大，之后隨著馬鈴薯的淀粉積累和植株衰老，該酶活性逐漸下降，一定溫度范圍內(nèi)ADPG-PPase隨著溫度的增加其活性有所降低，在塊莖形成期適宜溫度可以使得ADPG-PPase在后期為淀粉的形成提供足夠的原料。GBSS酶活性在塊莖形成后期和塊莖膨大期活性達(dá)到最大值，在淀粉形成積累的中期達(dá)到峰值后開始下降，GBSS酶活性的高低會(huì)影響直鏈淀粉的合成速率，塊莖形成期適宜的溫度有利于提高GBSS后期的活性，從而會(huì)更有利于顆粒結(jié)合型直鏈淀粉的合成。SSS酶活性在馬鈴薯塊莖淀粉合成與積累過(guò)程的塊莖膨大期達(dá)到峰值，SSS酶對(duì)高溫比較敏感，在馬鈴薯塊莖形成期較高的溫度則會(huì)降低SSSase活性，從而減少了合成支鏈淀粉的前提物可溶性直鏈淀粉的合成；SBE酶活性隨著馬鈴薯淀粉的合成與積累逐漸升高，塊莖形成中期經(jīng)增溫馬鈴薯SBEase活性明顯降低，尤其對(duì)塊莖形成中、后期及塊莖膨大期3個(gè)時(shí)期影響最為顯著，而不利于支鏈淀粉的合成。一定的高溫處理，淀粉形成關(guān)鍵酶ADPG-PPase、GBSSase、SSSase、SBEase活性均顯著低于常溫，較常溫分別降低32.24 %、27.90 %、16.11 %和42.74 %。得出：高溫不利于馬鈴薯淀粉的合成。

3.3 塊莖形成期高溫對(duì)旱地馬鈴薯產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

有研究表明高溫脅迫會(huì)影響小麥、水稻的產(chǎn)量構(gòu)成因素，降低水稻、小麥的產(chǎn)量[28-30]，高溫對(duì)馬鈴薯的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均有一定的影響，本研究結(jié)果表明，在馬鈴薯塊莖形成中期經(jīng)過(guò)溫度的處理后，其大薯率、中薯率，每穴個(gè)數(shù)、每穴薯重等差異顯著，高溫處理明顯低于常溫處理和自然條件。說(shuō)明高溫能夠顯著影響馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而影響旱地馬鈴薯的產(chǎn)量。其中，T1下的產(chǎn)量較T2、T3增產(chǎn)；說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，相對(duì)較低的溫度能夠提高旱區(qū)馬鈴薯的產(chǎn)量，而溫度越高，對(duì)馬鈴薯的薯塊形成、薯塊重量影響越大，進(jìn)而影響產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

在旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，馬鈴薯塊莖形成期高溫不利于馬鈴薯淀粉的形成，塊莖形成期增溫會(huì)相對(duì)降低馬鈴薯不同生育時(shí)期淀粉形成關(guān)鍵酶活性，塊莖形成器增溫影響馬鈴薯產(chǎn)量，降低其經(jīng)濟(jì)效益。

在馬鈴薯塊莖形成期低溫有利于馬鈴薯塊莖的形成及后期淀粉的積累。因此，在塊莖形成期可進(jìn)行一定范圍的降溫處理來(lái)達(dá)到馬鈴薯高產(chǎn)的目的。