干旱胁迫下钾素对甘薯碳水化合物及内源激素含量的影响

孙 哲，史春余，陈路路，田昌庚，郑建利，柳洪鹃，张 鹏

（1 山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室，山东泰安 271018；2 泰安市农业科学研究院，山东泰安 271000；3 中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所，上海 200032）

甘薯是我国北方山区和丘岭薄地的主栽作物之一，干旱胁迫是制约甘薯产量进一步提高的重要原因。内源激素作为调控作物生长发育的物质在干旱条件下起着非常重要的作用[1]，甘薯块根产量的形成和提高即为内源激素协调作用的结果[2]，其中，细胞分裂素(CTK)、脱落酸(ABA)、生长素(IAA)、赤霉素(GA)等作用最为突出。玉米素核苷(ZR)作为CTK的重要组分，其含量高低与甘薯块根的形成和膨大呈显著正相关关系，ABA主要与块根形成后的膨大和物质积累有关[3-4]。

施用钾肥可以增强作物的抗旱性，提高作物内源激素含量，促进作物产量提高和碳水化合物的积累。甘薯是典型的喜钾作物，增施钾肥可以提高块根淀粉含量，提高叶片中可溶性碳水化合物的装载效率和块根中可溶性碳水化合物的卸载效率，促进碳水化合物由叶片向块根运输及在块根中的分配比例[5-6]。施钾使甘薯干物质在地上部的分配率降低，块根产量与甘薯内源激素含量的变化有关，宁运旺等[7]研究发现，施钾使甘薯生长前期根系中生长素IAA的含量增加，促进了甘薯生长和块根分化。ABA对甘薯植株中碳水化合物运输和块根膨大有促进作用，施用钾肥使甘薯块根中的ABA含量增加是促进碳水化合物由叶片向块根运输的原因之一[8]。陈波浪等[9]在棉花上研究发现，施钾有利于提高棉花功能叶片中IAA、ZR和GA含量，降低ABA的含量，从而利于促进苗期棉株生长。棉花根系中ZR和IAA含量随着营养液中钾浓度的增加而增加，可促进根系生长[10]；而缺钾时水稻根系中ZR和IAA含量均减少，根系生长受到抑制[11]。可以看出，钾营养对作物内源激素系统和碳水化合物影响的研究已有较多报道，但干旱胁迫条件下的相关研究主要集中在钾营养对作物生长、光合特性[12]、抗旱性[13]和氮代谢[14]等方面的影响。因此，本文通过研究干旱胁迫下钾营养对甘薯植株及块根干物质积累、淀粉和可溶性糖含量以及激素的影响，并对前期叶片光合参数变化与内源激素变化的关系的研究进行了分析，为旱地甘薯的高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2015年6—10月在山东农业大学农学试验站旱棚内(36°10′N，117°09′E)进行。供试土壤类型为棕壤，有机质18.0 g/kg、碱解氮75.2 mg/kg、速效磷19.8 mg/kg、速效钾87.6 mg/kg、pH值6.82。甘薯品种选用‘泰中6号’作为供试材料，所用肥料为尿素(N 46%)、重过磷酸钙(P2O544%)、硫酸钾(K2O 50%)。

试验在栽培池内进行，为防止水分渗漏，每个池子以混凝土砌成，上方安装可移动防雨棚。试验采用裂区设计，共8个处理。主区为水分用量处理，田间持水量为26.3%，设正常供水(W1)和干旱处理(W0)，分别为田间持水量的60%～70%和30%～40%(目标相对含水量)，甘薯栽植后10 天内为缓苗期，缓苗后进行水分调控，采用中子仪测定土壤含水量；副区为钾肥用量处理，设K0、K1、K2、K3四个水平，K2O用量分别为0、120、240和360 kg/hm2，用磨细的硫磺平衡各处理硫元素的施用量。小区面积为12.8 m2，3次重复。甘薯种植行距80 cm，株距25 cm。各小区在起垄前施P2O590 kg/hm2、N 180 kg/hm2，肥料全部基施，即在划线起垄前均匀施于垄底，然后覆土起垄。

土壤水分管理方法采用测墒补灌法，用CNC-503DR型中子水分仪测定0—80 cm土壤含水量，每20 cm一层，4天测定一次。灌水量由公式m=10ρH(βi-βj)计算得出，式中，H为计划湿润土层深度(cm)，本试验为80 cm；ρ为计划湿润土层土壤容重；βi为目标含水量(田间持水量乘以目标相对含水量)；βj为灌溉前土壤含水量。用水表计量灌水量，其他田间管理同一般大田。

1.2 农艺性状测定方法

甘薯生长40 天开始观察和记录，此后每隔20天取代表性植株3株，室内调查基部茎粗、单株分枝数、叶片数和各分枝长度。将植株分为块根、茎、叶和叶柄四部分，对四部分分别称量鲜重，并分别在60℃下烘干称重，计算地上部与地下部干重的比值(T/R值)，并留样测定可溶性糖和淀粉含量。

1.3 淀粉和可溶性糖含量测定

淀粉含量和可溶性总糖含量测定采用蒽酮比色法。

1.4 内源激素含量测定

每次选取3株长势基本一致的甘薯，取顶部第4片展开叶和代表性薯块(先从薯块中部横切2～3片，然后放射状纵切，每一小块1～2 g左右)，用液氮速冻后，放入-70℃冰箱冷藏备用。内源激素ZR、ABA、IAA、GA含量用酶联免疫吸附法(ELISA)测定，参照何钟佩方法，略有改动。样品处理方法为，将甘薯样品1.0 g于液氮中速冻，用80%甲醇溶液(含二叔丁基对甲苯酚(BHT)1 mmol/L)匀浆，4℃提取8 h，4 000 r/min离心15 min，沉淀，用80%甲醇重复提取3次，合并上清液，氮气吹干，PBSTG溶解定容，用于ELISA测定。

1.5 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2003计算试验数据平均值及作图，DPS7.5软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下钾肥对甘薯块根产量和T/R值的影响

2.1.1 块根和淀粉产量 由表1可以看出，干旱胁迫下，甘薯块根产量K2处理显著高于K3处理，K2和K1处理差异不显著；淀粉产量以K2处理最高，三个钾肥处理均显著高于K0。正常灌水下，甘薯块根和淀粉产量以K2和K3处理较高，但二者差异不显著，且二者块根产量显著高于K1处理，二者淀粉产量与K1处理差异不显著。施钾可以提高单株结薯数和单薯重，干旱胁迫下单株结薯数和单薯重最大为K2处理，K3处理略低于K2和K1处理；正常灌水条件下单株结薯数随施钾量的增加而增大，单薯重变化规律与产量相似。相同钾肥用量条件下干旱胁迫甘薯块根单薯重高于正常灌水条件，而结薯数显著低于正常灌水。说明干旱胁迫下施钾促进甘薯产量提高的主要原因是提高块根单薯重，甘薯对施钾量有一定的适应范围，过高的钾肥用量不利于甘薯高产。

表1 干旱胁迫与正常供水下不同钾肥处理甘薯块根产量和收获指数Table1 Storage root yield and harvest index of sweet potato in each potassium treatment with or without drought stress

2.1.2 T/R值 T/R值的变化可反映甘薯生长过程中不同时期同化产物的积累与分配情况，是衡量地上部茎叶生长与地下部块根膨大是否协调的指标。由表2可以看出，正常灌水条件下，随着施钾量的增加，T/R值表现为逐渐降低而后又升高的趋势，栽秧后60 d K3最低，其它时期最低为K2处理；干旱胁迫下，T/R值最低为K 2处理，K 2和K 1间差异较小，均低于K3处理。说明适量施钾有利于协调地上部生长与块根生长的关系，促进光合产物向块根分配，控制茎叶旺长，促进块根产量的形成。

2.2 干旱胁迫下钾肥对甘薯干物质和碳水化合物含量的影响

2.2.1 干物质含量 由图1可以看出，干旱胁迫下甘薯植株干物质含量显著低于正常灌水，施钾可以显著提高甘薯植株干物质含量。两种水分条件下，甘薯植株干物质含量随施钾量的增加而不断增大。正常灌水条件下，甘薯植株干物质含量最大为K3处理，较K0提高幅度最大达到27.9%，K3和K2间差异较小，均高于K1；而干旱胁迫下，甘薯植株干物质含量最大出现在K2处理，较K0提高幅度最大达到31.7%，K3和K1间差异较小。

图1 干旱胁迫与正常供水下钾肥对甘薯干物质含量的影响Fig.1 Effect of potassium on dry matter of sweet potato with or without drought stress

干旱胁迫下甘薯块根干物质含量显著低于正常灌水(图1)，施钾可以显著提高甘薯块根干物质含量。两种水分条件下，甘薯块根干物质含量随施钾量的增加而不断增大。正常灌水条件下，甘薯块根干物质含量最大为K3处理，较K0提高幅度最大达到34.0%，K3和K2间差异较小，均高于K1；而干旱胁迫下，甘薯块根干物质含量最大出现在K2处理，较K0提高幅度最大达到43.6%，K3和K1间差异较小。以上可以看出，施钾后甘薯块根干物质含量增加幅度远大于植株干物质含量增加幅度，说明适量供钾提高甘薯产量主要是由于促进了干物质向块根的运转和分配。

表2 干旱胁迫与正常供水下不同钾肥处理甘薯T/R值Table2 Effect of potassium on T/R values of sweet potato in each potassium treatment with or without drought stress

2.2.2 块根淀粉含量 干旱胁迫下甘薯块根淀粉含量均显著低于正常灌水(图2)，施钾可以显著提高甘薯块根的淀粉含量。两种水分条件下，甘薯块根淀粉含量随施钾量的增加而不断增大。正常灌水条件下，各时期甘薯块根淀粉含量最大均为K3处理，较K0提高幅度最大达到13.2%，K3和K2间差异较小，均高于K1；而干旱胁迫下，各时期甘薯块根淀粉含量最大均出现在K2处理，较K0提高幅度最大达到10.6%，K3和K1间差异较小。

图2 干旱胁迫与正常供水下不同钾肥处理甘薯块根淀粉含量随生长期的变化Fig.2 Starch content variation of storage roots with growing days in each potassium treatment with or without drought stress

2.2.3 块根淀粉积累量和积累速率 干旱胁迫下各时期甘薯块根淀粉积累量均显著低于正常灌水(图3)，施钾可以显著提高甘薯块根淀粉积累量。两种水分条件下，甘薯块根淀粉积累量随施钾量的增加而不断增大。正常灌水条件下，各时期甘薯块根淀粉积累量最大均为K3处理，较K0提高幅度最大达到43.6%，K3和K2间差异较小，均高于K1。干旱胁迫下，各时期甘薯块根淀粉积累量最大均出现在K2处理，较K0提高幅度最大达到50.6%，K3和K1处理间差异较小。

图3 干旱胁迫与正常供水下各钾肥处理甘薯不同生长期块根淀粉积累量和积累速率Fig.3 Starch accumulation amount and rate of storage roots at different growing periods in each potassium treatment with or without drought stress

淀粉积累速率最大出现在栽秧后60～80 d，干旱胁迫下块根淀粉积累速率低于正常灌水。施钾可以提高块根淀粉积累速率，干旱胁迫下块根淀粉积累速率最大为K2处理，而正常灌水条件下，块根淀粉积累速率随施钾量的增加而不断增大，以K3处理块根淀粉积累速率最大。

2.2.4 可溶性糖含量 由表3可以看出，干旱胁迫使甘薯叶片可溶性糖含量显著高于正常灌水。两种水分条件下施钾对叶片可溶性糖含量的影响存在差异，其中，干旱胁迫下随着施钾量的增加，各时期叶片可溶性糖含量先增加后降低，除栽秧后80 d最高为K1处理外，其他时期最高均出现在K2处理，较对照增加幅度最高出现在栽秧后60 d，提高幅度达31.4%，K1高于K3处理；正常灌水条件下叶片可溶性糖含量随施钾量的增加而降低，最低出现在K3处理。产生这种差异的原因可能与干旱胁迫下可溶性糖同时成为渗透调节物质有关。

由表3可以看出，干旱胁迫使甘薯块根可溶性糖含量略高于正常灌水。两种水分条件下施钾均可以增大块根可溶性糖含量，干旱胁迫下可溶性糖含量最大为K2处理，较对照增加幅度最高出现在栽秧后60 d，提高幅度达36.0 %，K2和K1处理差异较小，均高于K3处理；正常灌水条件下可溶性糖含量随施钾量的增加而不断增加，除栽秧后80 d最高为K2处理外，其他时期最高均出现在K3处理。

2.3 干旱胁迫下钾肥对甘薯内源激素含量的影响

2.3.1 叶片内源激素含量 由图4可以看出，甘薯功能叶片ABA含量的变化呈单峰曲线，栽秧后80 d达到最大值，而后逐渐下降。干旱胁迫下各时期功能叶片ABA含量均显著高于正常灌水处理。两个水分水平下，施钾对ABA含量的影响效应存在差异，干旱胁迫下，施钾使叶片ABA含量增加，其中K2处理叶片ABA含量最大；而正常灌水条件下，叶片ABA含量随着施钾量的增加而降低。分析原因，认为正常灌水条件下施钾使甘薯植株生长旺盛，ABA含量降低，而干旱胁迫下ABA作为逆境诱导信号可以促进气孔关闭，减少水分蒸腾，其含量变化可能与植株体内K+的浓度有关。

表3 干旱胁迫与正常供水下各钾肥处理甘薯不同生长期叶片和块根的可溶性糖含量(%，干基)Table3 Soluble sugar contents in leaf and storage root of sweet potato in different growing periods with or without drought stress(%, dry base)

图4 干旱胁迫与正常供水下各钾肥处理甘薯不同生长期叶片内源激素含量Fig.4 Endogenous hormone concentrations in the leaves of sweet potato at different growing periods in each potassium treatment with or without drought stress

由图4还可以看出，甘薯功能叶片IAA、ZR和GA含量变化趋势相似，均随着生育时期的延长逐渐降低。干旱胁迫下各时期功能叶片IAA、ZR和GA含量均显著低于正常灌水处理。两个水分水平下，施钾均能增加叶片IAA、ZR和GA含量，其中，干旱胁迫下，K2处理叶片IAA、ZR和GA含量最高，K2与K1处理间差异较小，均高于K3；而正常灌水条件下，叶片IAA、ZR和GA含量随着施钾量的增加而升高，最大值均为K3处理。干旱胁迫使叶片IAA、ZR和GA含量降低，减弱叶片和茎蔓生长，地上部干物质积累下降，而施钾促进了叶片IAA、ZR和GA含量的提高，促进了甘薯地上部生长。2.3.2 块根内源激素含量 由图5可以看出，甘薯块根ABA含量的变化呈先升高后迅速下降的变化趋势，栽秧后80 d达到最大值。干旱胁迫下各时期块根ABA含量均显著高于正常灌水处理。两个水分水平下，施钾对ABA含量的影响效应存在差异，干旱胁迫下，施钾使块根ABA含量增加，其中K2处理块根ABA含量最高；而正常灌水条件下，块根ABA含量随着施钾量的增加而降低。因此，认为干旱胁迫下ABA含量增加可能是适量供钾促进碳水化合物由叶片向块根运输的原因之一[8]。

图5 干旱胁迫与正常供水下各钾肥处理甘薯不同生长期块根内源激素含量Fig.5 Endogenous hormone concentrations in the storage roots of sweet potato at different growing periods in each potassium treatment with or without drought stress

由图5还可以看出，甘薯块根IAA、ZR和GA含量变化趋势相似，呈单峰曲线，栽秧后80 d达到最大值，而后逐渐下降。干旱胁迫下各时期功能块根IAA、ZR和GA含量均显著低于正常灌水处理。两个水分水平下，施钾均能增加块根IAA、ZR和GA含量，其中，干旱胁迫下，K2处理块根IAA、ZR和GA含量最高，K2与K1处理间差异较小，均高于K3；而正常灌水条件下，块根IAA、ZR和GA含量随着施钾量的增加而升高，最大值均为K3处理。

2.4 甘薯块根淀粉与内源激素含量间的相关性分析

由表4可知，甘薯块根淀粉含量与块根内源激素含量具有显著或极显著相关关系。其中，甘薯块根淀粉含量与块根IAA、ZR和GA含量呈极显著正相关，与ABA含量呈显著或极显著负相关。

3 讨论

3.1 干旱胁迫下钾对甘薯块根碳水化合物含量的影响

淀粉和可溶性糖是甘薯块根的主要营养成分，以干物重计，淀粉约占块根干重的45%～75%。淀粉积累与块根产量密切相关，同时淀粉含量在食味评价中也起着极其重要的作用[15-16]。前人研究表明，甘薯块根膨大是光合作用形成的糖在淀粉合成酶的作用下转化为淀粉并在块根中不断累积的过程[17]。增施钾肥能促进光合产物在块根中的积累和块根中淀粉的合成，进而提高块根的淀粉产量[18]。本研究发现，干旱胁迫下甘薯植株干物质含量、块根和淀粉产量显著降低，施钾有利于甘薯植株干物质含量的提高、块根的膨大和淀粉的生成和积累。干旱胁迫下钾肥提高甘薯块根产量主要是通过提高块根单薯重实现的，而正常灌水条件下钾肥提高甘薯块根产量主要是通过提高单株结薯数实现的。施钾使甘薯块根淀粉和可溶性糖含量显著增加，从而对提高甘薯块根的食味品质具有重要作用，干旱胁迫下效果更加显著。正常灌水条件下施钾后甘薯叶片可溶性糖含量降低，而块根可溶性糖含量升高，这与史春余等[8]的研究结果一致；干旱胁迫下施钾使甘薯叶片和块根可溶性糖含量均增大。分析产生这种差异的原因为，干旱胁迫下较多的可溶性糖作为渗透调节物质在叶片积累，增强甘薯抗旱性，而正常灌水条件下叶片可溶性糖主要作为光合同化物向块根转运。

表4 甘薯栽秧后40、60、80和100天时块根淀粉含量与内源激素含量的相关系数Table4 Correlation coefficients between starch content and endogenous hormone contents in storage roots at the 40, 60, 80 and 100 days after planting

3.2 干旱胁迫下钾对甘薯内源激素含量的影响

内源激素作为一种信息物质使地上部和地下部有机结合成一个整体，植物的根系是产生植物激素的“源”(如细胞分裂素、乙烯的前体ACC等)，又是接受地上部产生并转运来的内源激素的“库”，因此根系可以通过调控其输出或输入激素的水平来影响地上部激素的含量[3-4]，从而在协调地上部茎叶和地下部根系的发育过程中起重要作用。研究表明，IAA、GA和CTK均有强化库器官活性、定向诱导同化物向之运输的作用[19]。甘薯块根的形成和膨大是ZR、DHZR、ABA、iPA和IAA等多种内源激素协同作用的结果，其中ZR、DHZR、ABA含量的高低，在不定根能否转化成块根和块根膨大的速率方面起着关键作用[20]。本研究中干旱胁迫使甘薯块根ABA含量升高，IAA、ZR和GA含量降低，造成了甘薯块根淀粉含量降低，且块根膨大速率和干重均显著低于正常灌水。有研究表明，块根内ABA促进碳水化合物向块根内的运转和沉积[17]，但本研究结果表明块根淀粉含量与ABA含量呈显著负相关，分析认为ABA含量在一定范围内对甘薯块根形成和干物质积累有促进作用，干旱胁迫下施钾使ABA含量增加，过多的ABA含量反而不利于甘薯块根的膨大和干物质积累。施钾后IAA、ZR和GA含量显著增大，促进了甘薯的膨大和干重的提高。正常灌水条件下施钾显著降低了甘薯块根ABA含量，提高了IAA、ZR和GA含量，干旱胁迫下施钾显著促进了甘薯块根的膨大和干物质积累，延长了植株生长和块根膨大持续期。

干旱条件下，叶片内源激素水平发生显著变化，多种内源激素参与了包括光合作用在内的多个生理过程的调节[21]。一方面，叶片内源激素协调作用促进叶片生长发育和提高生理功能[22]；另一方面，叶片内源激素协调作用影响植物叶片的气孔行为，影响气孔的开闭，控制蒸腾，提高植物抗旱性[23-24]。本研究发现，干旱胁迫下甘薯叶片ABA含量显著高于正常灌水，而IAA、ZR和GA含量显著低于正常灌水。张海燕等[22]认为，干旱胁迫下地上部干重与叶片GA、IAA和ZR含量呈显著正相关，而与叶片ABA含量呈显著负相关，本研究中干旱胁迫下施钾使甘薯叶片IAA、ZR和GA含量升高，ABA含量也有所升高，地上部植株的干物质积累显著增加，与张海燕等[22]的研究结果略有不同。分析认为，干旱胁迫下施钾一方面使甘薯叶片IAA、ZR和GA含量升高，促进了甘薯茎叶生长，是促进地上部植株的干物质积累增加的主要因素，另一方面使ABA含量增加，ABA作为信号调节物质，调节气孔的关闭，减少蒸腾，增强了甘薯抗旱性。干旱胁迫下施钾使甘薯叶片和块根ABA含量升高的原因有待进一步研究。正常灌水条件下，施钾促进了IAA、ZR和GA等激素的合成，改善了甘薯的营养状况，抑制了ABA的产生，ABA含量降低。

笔者前期的研究[27]发现，干旱胁迫下施钾使叶片水分利用效率(WUE)增大，气孔导度(Gs)降低，气孔阻力增大，蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)降低，水分蒸腾量减少；而正常灌水条件下上述指标对钾肥的响应趋势相反，但未能解释产生这种差异的原因。研究表明，干旱胁迫下植物叶片光合参数与内源激素含量有很大关系，CTK参与植物对水分胁迫的响应并通过与ABA协作而实现，IAA和CTK能诱导气孔开放而提高气孔开度和蒸腾量[26-27]。干旱胁迫下ABA的合成受到促进，而CTK的合成则受到抑制[28]，CTK有拮抗ABA的作用，干旱胁迫下持绿性高粱CTK含量降幅相对较小，高浓度的CTK可以维持气孔的开张[29]。综合以上分析，干旱胁迫下叶片内源激素协同作用影响气孔的开闭，减少蒸腾。本研究干旱胁迫下施钾使ABA含量的变化与前期研究发现的叶片光合参数变化趋势一致，因此认为，前期研究[25]发现的两种水分状态下施钾后甘薯叶片光合参数产生显著差异的原因与干旱胁迫下施钾使甘薯叶片内源激素含量的变化有关。

4 结论

干旱胁迫下施钾促进了碳水化合物和干物质向块根的分配，提高了甘薯块根单薯重，从而增加了单位面积甘薯块根产量。干旱胁迫下钾营养可以提高甘薯块根重和叶片内源激素(ABA、IAA、ZR、GA)含量，一方面甘薯块根内源激素含量的增加促进了块根淀粉的合成和积累，另一方面叶片内源激素含量的增加，促进了地上部茎叶生长、茎叶干物质积累和叶片可溶性糖含量的增加，增强了甘薯的抗旱性。