鉀素影響浙貝母碳同化代謝的研究進(jìn)展

孫靜漪 汪一敏，2 金雅慧 王輝 杜偉鋒 張水利 袁強(qiáng) 睢寧

1.浙江中醫(yī)藥大學(xué) 杭州 310053 2.寧波大學(xué) 3.杭州市富陽區(qū)植物檢疫所

浙貝母（Fritillaria thunbergii Miq.）為百合科貝母屬多年生草本植物的干燥鱗莖，為常用中藥，具有清熱散結(jié)、化痰止咳的功效。目前浙貝母藥材主要來源于人工栽培，其主產(chǎn)地區(qū)分布于浙江、江蘇、福建、江西等地[1]。盡管浙貝母栽培歷史已有300年，但其栽培管理較為粗放，高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培技術(shù)系統(tǒng)研究尚未引起人們的足夠重視。另外，隨著復(fù)種指數(shù)（浙貝母-玉米/水稻一年兩熟）和單產(chǎn)量提高，氮磷肥施用量的增加，土壤鉀素虧缺日益嚴(yán)重，部分地區(qū)土壤已經(jīng)出現(xiàn)鉀素虧缺的現(xiàn)象[2-3]。劉洪見等[4]發(fā)現(xiàn)，磷肥對浙貝母的增產(chǎn)效用最為顯著，而在磷肥基礎(chǔ)上加施氮、鉀肥可進(jìn)一步增加浙貝母產(chǎn)量。鉀素虧缺使植物葉片凈光合速率降低，光合性能下降，分配至根系的光合產(chǎn)物減少，導(dǎo)致根系生物量降低[5]。因此，降低生產(chǎn)成本，提高鉀素利用率，提高浙貝母產(chǎn)量，保證浙貝母藥用品質(zhì)為當(dāng)前浙貝母生產(chǎn)中亟待解決的研究任務(wù)。筆者以鉀素、浙貝母、碳同化代謝等關(guān)鍵詞檢索2012年1月至2019年12月中國知網(wǎng)、Web of Science、Pubmed、萬方、維普等數(shù)據(jù)庫的相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)光合能力與碳同化代謝對植株鉀濃度響應(yīng)的研究概況，共采納29篇相關(guān)文獻(xiàn)。在文獻(xiàn)復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，基于浙貝母碳同化代謝對植株鉀素濃度響應(yīng)的生理機(jī)制及分子基礎(chǔ)，綜述浙貝母鉀素需求規(guī)律，分析浙貝母產(chǎn)量形成與鉀素水平的關(guān)系，為進(jìn)一步探索鉀素水平較低情況下提高浙貝母產(chǎn)量的生理調(diào)控途徑及尋求適宜的施鉀量與施鉀方式提供理論依據(jù)。

1 鉀素影響浙貝母等植物生長發(fā)育的研究進(jìn)展

浙貝母產(chǎn)量形成與源庫關(guān)系密切相關(guān)。浙貝母出苗前，浙貝母鱗莖的生物量隨時(shí)間不斷增長，在4月中旬增長迅速，葉片光合產(chǎn)物加速向“庫”中運(yùn)輸，促使鱗莖迅速膨大。4月底之后增長速度放緩，趨于平穩(wěn)狀態(tài)，甚至有下降趨勢，這可能是因?yàn)榛ü谥仓暾w消耗增大，營養(yǎng)成分供不應(yīng)求，浙貝母鱗莖生物量分解用于支撐植物生長發(fā)育[6]。浙貝母植株生物量累積呈“S”型曲線，各生育期植株生物量的累積與分配對浙貝母的產(chǎn)量高低、品質(zhì)優(yōu)劣有直接影響[7]。

施肥量試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在氮磷肥一致情況下，加施鉀肥能顯著提高浙貝母產(chǎn)量。陸中華等[7]在大棚條件下種植浙貝母，獲得高產(chǎn)、貝母素總含量高的最佳氮、磷、鉀施肥量優(yōu)化組合為180、120和150kg·hm-2。陶文漳等[8]在杭州灣南岸圍墾沙地種植浙貝母時(shí)，通過分析當(dāng)?shù)赝寥捞刭|(zhì)發(fā)現(xiàn)，浙貝母在酸性、砂性、養(yǎng)分含量高的土壤中生長較好，從而提出應(yīng)多施肥料、及早施足基肥，其中氮磷鉀三元復(fù)合肥用量為1 125kg·hm-2，其比例為15∶15∶15，成為種植浙貝母的關(guān)鍵技術(shù)之一，而研究結(jié)果不盡一致可能與試驗(yàn)土壤的鉀素肥力種植環(huán)境以及選用品種不同有關(guān)。另外，林玉紅[9]在研究3a生長周期的蘭州食用百合氮素磷素鉀素養(yǎng)分吸收及累積分配規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，無論幾年生的蘭州食用百合養(yǎng)分累積量均為鉀＞氮＞磷。高磷用量（＜0.2g/kg土）時(shí)，香水百合鮮重隨鉀施用量的增加而增大[10]。鉀肥能夠促進(jìn)大蒜對氮素、磷素的吸收，提高可溶性糖含量，營養(yǎng)能力顯著增強(qiáng)，進(jìn)而提高鱗莖產(chǎn)量[11]；還能夠顯著提高大蒜葉片葉綠素含量和凈光合速率，增加株高、莖圍、蒜頭瓣數(shù)、蒜頭重，進(jìn)而提高大蒜產(chǎn)量；同時(shí)維生素C、可溶性蛋白、水溶性糖含量也隨鉀素水平的升高而顯著增加[12]。鉀素含量較低則會(huì)影響碳氮平衡，煙葉在低鉀脅迫條件下，其葉片鉀含量、葉片數(shù)、葉面積、單株鈴數(shù)、生殖干重和總干重均顯著下降[13]。此外，鉀肥對浙貝母具有顯著的增產(chǎn)效果，不同的施鉀量增產(chǎn)的幅度也不相同。施鉀處理對鱗莖的縱徑影響不顯著，而對鱗莖的橫徑影響較大，而且與鱗莖的增產(chǎn)率相似，由此看出鉀肥主要是通過增加浙貝母鱗莖的橫徑來實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。適量增施鉀肥對浙貝母增產(chǎn)效果顯著，但并不是施鉀越多越好，超過最適宜施鉀量，增產(chǎn)效果開始下降[14]。因此，鉀素營養(yǎng)對浙貝母鱗莖的生長發(fā)育及產(chǎn)量的形成具有重要影響。

結(jié)合浙貝母鱗莖生物量累積動(dòng)態(tài)過程，不難發(fā)現(xiàn)光合作用是決定產(chǎn)量的主要因素。植物的“源”能力不僅體現(xiàn)在光合能力上，還體現(xiàn)在葉片對儲(chǔ)存物質(zhì)的再調(diào)動(dòng)能力上。因此，下面將進(jìn)一步綜述鉀素對浙貝母光合能力和碳同化代謝的影響。

2 鉀素對浙貝母葉片發(fā)育與光合特性的影響

鉀素主要通過光能截獲和單位葉面積光合速率這兩個(gè)方面調(diào)節(jié)光能利用有效性，進(jìn)而影響植物的光合作用[15-16]。鉀素不足會(huì)減少葉面積，降低CO2同化率，導(dǎo)致植物生長和水分利用率及利用規(guī)模受到抑制[13]。研究表明，經(jīng)過鉀素處理，植物葉片干物質(zhì)量和鉀素濃度均會(huì)增加[17]。缺鉀導(dǎo)致葉片的土壤與作物分析開發(fā)（soil and plant analyzer development，SPAD）值顯著下降，凈光合速率與碳水化合物濃度也呈現(xiàn)下降趨勢，從而降低其光合作用，使群體葉面積指數(shù)顯著降低[5]，光能截獲率顯著降低，最終導(dǎo)致植物總生物量降低。鉀素影響葉片光合速率主要分氣孔因素和非氣孔因素兩方面。氣孔因素是指通過調(diào)節(jié)葉片氣孔大小來影響參與三羧酸循環(huán)的胞間CO2濃度，進(jìn)而影響葉片光合速率。缺鉀時(shí)，植物葉片氣孔導(dǎo)度顯著降低[18]。然而關(guān)于鉀素通過非氣孔因素影響光合作用的研究結(jié)果不盡一致。細(xì)胞內(nèi)鉀離子大多存放在液泡中，提供細(xì)胞膨壓，但在葉肉組織中轉(zhuǎn)運(yùn)，植物缺鉀時(shí)會(huì)降低光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)效率和葉綠素含量，影響葉肉細(xì)胞生長速度，這樣不僅會(huì)導(dǎo)致葉肉細(xì)胞減少，而且會(huì)使葉肉細(xì)胞在葉片光合組織中產(chǎn)生超氧根離子，造成光氧化損傷，從而進(jìn)一步降低葉綠素含量[19]?？傮w而言，缺鉀減少總?cè)~綠素含量和葉綠素b比值，降低凈光合速率、氣孔導(dǎo)度，提高胞間CO2濃度，影響葉綠體中光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而反饋抑制光合作用過程[13]。在波士頓萵苣中，低鉀處理后的成熟葉片中細(xì)胞間CO2濃度穩(wěn)定或逐漸增加，而光合速率顯著降低[20]。另有研究表明，在不同生育時(shí)期鉀素不足對氣孔因素和非氣孔因素的影響也不同[15]。

因此，可以通過研究浙貝母生物量、葉面積指數(shù)、農(nóng)藝性狀等形態(tài)指標(biāo)來反映浙貝母生長發(fā)育對植株鉀素濃度的響應(yīng)差異。研究浙貝母功能葉葉綠素含量、光合性能參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)等影響光合能力的指標(biāo)變化，可為闡明浙貝母碳同化代謝響應(yīng)植株鉀素濃度的生理機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

3 鉀素影響浙貝母等植物碳同化代謝的生理機(jī)制

3.1 鉀素對碳同化代謝物質(zhì)的影響 蔗糖和淀粉是浙貝母葉片主要光合產(chǎn)物，也是浙貝母產(chǎn)量和品質(zhì)形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。蔗糖是植物體內(nèi)碳運(yùn)輸?shù)闹饕问?，可以調(diào)節(jié)植物對多種營養(yǎng)素缺乏的反應(yīng)，也是響應(yīng)植物鉀素虧缺的一種信號(hào)因子[15]。Bitterlich等[21]調(diào)查不同植物中的特異蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)體 （sucrose transporter，SUT），包括番茄特異蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)體2（Solanum lycopersicum sucrose transporter 2，SlSUT2）、甘蔗特異蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)體1A（Saccharum officinarum sucrose transporter 1A，ShSUT1A）、ShSUT4和 蔗糖磷酸 合成酶（sucrose phosphate synthase，SPS）mRNA的轉(zhuǎn) 錄水平，發(fā) 現(xiàn)ShSUT1A主要在玉米、擬南芥中表達(dá)，而ShSUT4主要在甘蔗中表達(dá)。另外，植物受到非生物脅迫時(shí)，蔗糖的含量及代謝過程反應(yīng)敏感，因此蔗糖含量及代謝過程變化常被用來衡量環(huán)境對植物影響的脅迫程度。

在保衛(wèi)細(xì)胞中，蔗糖分解為葡萄糖和果糖，可以為有機(jī)酸的生產(chǎn)提供碳骨架，誘導(dǎo)氣孔開度[22]。因此，調(diào)控光合產(chǎn)物的碳分配一定程度上獨(dú)立于葉片的光合速率。

棉花缺鉀時(shí)，葉片中葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉含量較高，并且會(huì)加速蔗糖在韌皮部的輸出[13]。在棉花棉鈴對位葉對鉀素水平的響應(yīng)研究中，施鉀能提高葉片中蔗糖轉(zhuǎn)化率，降低葉片中最大和最小蔗糖含量，降低非結(jié)構(gòu)碳水化合物（己糖、蔗糖、淀粉）含量；鉀素敏感性不同的兩個(gè)品種非結(jié)構(gòu)碳水化合物臨界鉀濃度也有顯著差異，鉀敏感型品種的臨界鉀濃度顯著低于耐低鉀品種[23]。研究發(fā)現(xiàn)，與空白對照組比較，施鉀使生長前期甘薯葉片中蔗糖和淀粉顯著增加，但在后期又明顯下降[24]。張彥南[14]發(fā)現(xiàn)增施鉀肥后浙貝母葉片可溶性糖和可溶性蛋白含量均有不同程度的增加，并隨施鉀量的增大呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，其中可溶性糖以硫酸鉀施鉀量145kg·hm-2時(shí)含量最高。因此，在不同鉀素水平條件下，不同植物光合產(chǎn)物變化不盡一致，而在相同作物的不同栽培品種之間，代謝產(chǎn)物對鉀素水平的響應(yīng)也存在顯著差異。

由上可知，浙貝母等植物碳同化代謝能力對植株鉀素濃度的響應(yīng)，不僅體現(xiàn)在葉片光合性能上，還體現(xiàn)在不同鉀素水平下浙貝母光合產(chǎn)物的形成與分配，以及低鉀脅迫時(shí)儲(chǔ)存物質(zhì)的轉(zhuǎn)化再利用能力方面。

3.2 碳同化代謝酶活性與分子機(jī)制及其對不同鉀素水平的響應(yīng) 鉀素是影響植物生長發(fā)育的重要元素，能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞伸長，促進(jìn)蛋白質(zhì)合成，調(diào)節(jié)酶活性[5]。低鉀脅迫會(huì)影響植物碳代謝相關(guān)酶的基因表達(dá)，主要通過調(diào)節(jié)與腺苷三磷酸 （adenosine triphosphate，ATP）和磷酸基團(tuán)生產(chǎn)相關(guān)酶的基因表達(dá)，改變其代謝活性，進(jìn)而產(chǎn)生能量，促進(jìn)碳骨架的合成[15]。

核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶 （ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase，Rubisco）、果糖-1，6-二磷酸酶（fructose-1，6-biphosphatase，F(xiàn)BPase）、SPS、蔗糖合成酶（sucrose synthetase，SuSy）、酸性轉(zhuǎn)化酶（acid invertase，SAI）、淀粉酶等是碳同化代謝過程中響應(yīng)鉀素水平的重要相關(guān)酶。

Rubisco是調(diào)控植物葉片光合碳代謝和光呼吸的關(guān)鍵。在卡爾文循環(huán)中Rubisco是催化固定CO2的第一步，當(dāng)葉片中碳水化合物含量過多，Rubisco和其他光合酶活性降低，光合作用將受到反饋抑制。植物缺鉀時(shí)，葉片中Rubisco酶活性顯著降低。研究提示，缺鉀時(shí)鉀敏感棉花品種Siza 3花鈴期和吐絮期以及耐低鉀棉花品種Simian 3花鈴期的總Rubisco活性和最初Rubisco活性均顯著下降（同時(shí)證明CO2的固定在缺鉀時(shí)會(huì)受到抑制）[25]。大豆缺鉀時(shí)，鉀敏感品種葉片Rubisco酶活性顯著降低，而耐低鉀品種葉片Rubisco酶活性無顯著變化[18]。從結(jié)構(gòu)上看，Rubisco是一個(gè)由8個(gè)小亞基（small subunit，SSU）和8個(gè)大亞基（large subunit，LSU）組成的十六核體，但要其發(fā)揮活性還需要分子伴侶GroEL/ES和RbcX幫助折疊裝配[26]。

FBPase直接影響植物葉片光合效率與光合產(chǎn)物的累積，對蔗糖的生成具有重要調(diào)控作用，其關(guān)鍵基因cfbp1和cyfbp不僅有助于調(diào)節(jié)植物細(xì)胞內(nèi)淀粉、蔗糖含量的平衡，從而調(diào)控碳代謝，還與蛋白質(zhì)代謝、RNA調(diào)控、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)[27]。養(yǎng)分脅迫條件下，棉花棉鈴對位葉FBPase總活性隨著施鉀量的增加而增加[25]。

SPS是調(diào)節(jié)植物葉片光合產(chǎn)物在蔗糖和淀粉間的分配與轉(zhuǎn)化的另一關(guān)鍵酶。擬南芥SPS酶（Arabidopsis thaliana sucrose phosphate synthase，AtSPS）由4段SPS基因編碼，其中擬南芥SPS酶1FAtSPS1F和AtSPS2F存在于雙子葉SPS酶組，而AtSPS3F和At-SPS4F同時(shí)存在于雙子葉和單子葉SPS酶組。At-SPS1F、AtSPS2F以及AtSPS3F主要在位于小根柱細(xì)胞中，參與蔗糖合成；AtSPS4F主要在胚胎發(fā)育階段表達(dá)，AtSPS2F和AtSPS4F還可以調(diào)節(jié)滲透壓[28]。SPS活性與葉片中蔗糖含量呈正相關(guān)。低鉀或缺鉀情況下，SPS活性較低，限制蔗糖的合成[13，25]，隨著葉片中蔗糖含量下降，SPS活性進(jìn)一步降低，從而抑制光合產(chǎn)物向蔗糖轉(zhuǎn)化的分配率。

SuSy可以高效催化細(xì)胞質(zhì)中蔗糖和核苷二磷酸，生成核苷二磷酸葡萄糖和果糖，為淀粉的生物合成提供物質(zhì)基礎(chǔ)，也可以將蔗糖直接轉(zhuǎn)換為二磷腺苷酸葡萄糖 （adenosine diphosphte glucose，ADPG）[29]。缺鉀時(shí)，鉀敏感棉花品種Siza 3花鈴期SuSy活性增加[25]。玉米胚乳細(xì)胞中，SuSy的同工酶StSUS4由29條基因單鏈合成。研究表明，SuSy通過合成ADPG參與胚乳細(xì)胞中淀粉的合成與生產(chǎn)[29]。

此外，淀粉酶是植物葉片中催化淀粉水解和磷酸化降解的關(guān)鍵酶，SAI有分解蔗糖的作用。施鉀能夠降低淀粉酶活性、提高SAI活性，而在同一植物不同品種間以上酶活性存在差異[28]。

由上可知，糖類物質(zhì)及碳代謝關(guān)鍵酶不僅參與光合物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，而且對植物的脅迫應(yīng)激、生長發(fā)育進(jìn)程等起到重要的調(diào)控作用。浙貝母植株鉀素濃度與葉片糖類物質(zhì)含量、糖代謝相關(guān)酶活性、關(guān)鍵蛋白或酶基因表達(dá)以及浙貝母產(chǎn)量品質(zhì)密切相關(guān)。

4 結(jié)論與展望

浙貝母葉片光合能力是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，光合產(chǎn)物的累積與分配決定浙貝母產(chǎn)量的形成，而浙貝母植株鉀濃度顯著影響各器官生物量累積與產(chǎn)量形成。當(dāng)鉀素虧缺時(shí)，光合產(chǎn)物由葉片向“庫”器官轉(zhuǎn)運(yùn)能力受阻，而葉片光合能力的反饋抑制則是生物量累積降低的主要原因。同一植物的不同品種之間，碳同化代謝存在差異。參與碳同化代謝的相關(guān)代謝酶可能是影響浙貝母碳同化代謝對植株鉀濃度響應(yīng)差異的關(guān)鍵因子。

目前已有研究僅局限于施鉀量對浙貝母養(yǎng)分含量、農(nóng)藝性狀、生物量累積、產(chǎn)量和有效成分含量等指標(biāo)，筆者認(rèn)為可從浙貝母“光合產(chǎn)物形成與轉(zhuǎn)運(yùn)－碳同化代謝”之間關(guān)系入手，深入研究“碳同化代謝－碳同化代謝酶活性及基因表達(dá)－產(chǎn)量品質(zhì)”相互間的關(guān)系，探明浙貝母碳同化代謝響應(yīng)鉀素虧缺的生理與分子機(jī)制；同時(shí)明確鉀素敏感性不同的品種的基因差異，并將耐低鉀品種進(jìn)行基因拼接，以增加基因表達(dá)，提高酶活性，培育鉀高效浙貝母栽培品種，從而為浙貝母生產(chǎn)實(shí)踐中降低鉀肥施用量，提高鉀素利用率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出努力。