钾素影响浙贝母碳同化代谢的研究进展

孙静漪 汪一敏，2 金雅慧 王辉 杜伟锋 张水利 袁强 睢宁

1.浙江中医药大学 杭州 310053 2.宁波大学 3.杭州市富阳区植物检疫所

浙贝母（Fritillaria thunbergii Miq.）为百合科贝母属多年生草本植物的干燥鳞茎，为常用中药，具有清热散结、化痰止咳的功效。目前浙贝母药材主要来源于人工栽培，其主产地区分布于浙江、江苏、福建、江西等地[1]。尽管浙贝母栽培历史已有300年，但其栽培管理较为粗放，高产优质栽培技术系统研究尚未引起人们的足够重视。另外，随着复种指数（浙贝母-玉米/水稻一年两熟）和单产量提高，氮磷肥施用量的增加，土壤钾素亏缺日益严重，部分地区土壤已经出现钾素亏缺的现象[2-3]。刘洪见等[4]发现，磷肥对浙贝母的增产效用最为显著，而在磷肥基础上加施氮、钾肥可进一步增加浙贝母产量。钾素亏缺使植物叶片净光合速率降低，光合性能下降，分配至根系的光合产物减少，导致根系生物量降低[5]。因此，降低生产成本，提高钾素利用率，提高浙贝母产量，保证浙贝母药用品质为当前浙贝母生产中亟待解决的研究任务。笔者以钾素、浙贝母、碳同化代谢等关键词检索2012年1月至2019年12月中国知网、Web of Science、Pubmed、万方、维普等数据库的相关文献，总结光合能力与碳同化代谢对植株钾浓度响应的研究概况，共采纳29篇相关文献。在文献复习的基础上，基于浙贝母碳同化代谢对植株钾素浓度响应的生理机制及分子基础，综述浙贝母钾素需求规律，分析浙贝母产量形成与钾素水平的关系，为进一步探索钾素水平较低情况下提高浙贝母产量的生理调控途径及寻求适宜的施钾量与施钾方式提供理论依据。

1 钾素影响浙贝母等植物生长发育的研究进展

浙贝母产量形成与源库关系密切相关。浙贝母出苗前，浙贝母鳞茎的生物量随时间不断增长，在4月中旬增长迅速，叶片光合产物加速向“库”中运输，促使鳞茎迅速膨大。4月底之后增长速度放缓，趋于平稳状态，甚至有下降趋势，这可能是因为花果期植株整体消耗增大，营养成分供不应求，浙贝母鳞茎生物量分解用于支撑植物生长发育[6]。浙贝母植株生物量累积呈“S”型曲线，各生育期植株生物量的累积与分配对浙贝母的产量高低、品质优劣有直接影响[7]。

施肥量试验研究结果表明，在氮磷肥一致情况下，加施钾肥能显著提高浙贝母产量。陆中华等[7]在大棚条件下种植浙贝母，获得高产、贝母素总含量高的最佳氮、磷、钾施肥量优化组合为180、120和150kg·hm-2。陶文漳等[8]在杭州湾南岸围垦沙地种植浙贝母时，通过分析当地土壤特质发现，浙贝母在酸性、砂性、养分含量高的土壤中生长较好，从而提出应多施肥料、及早施足基肥，其中氮磷钾三元复合肥用量为1 125kg·hm-2，其比例为15∶15∶15，成为种植浙贝母的关键技术之一，而研究结果不尽一致可能与试验土壤的钾素肥力种植环境以及选用品种不同有关。另外，林玉红[9]在研究3a生长周期的兰州食用百合氮素磷素钾素养分吸收及累积分配规律时发现，无论几年生的兰州食用百合养分累积量均为钾＞氮＞磷。高磷用量（＜0.2g/kg土）时，香水百合鲜重随钾施用量的增加而增大[10]。钾肥能够促进大蒜对氮素、磷素的吸收，提高可溶性糖含量，营养能力显著增强，进而提高鳞茎产量[11]；还能够显著提高大蒜叶片叶绿素含量和净光合速率，增加株高、茎围、蒜头瓣数、蒜头重，进而提高大蒜产量；同时维生素C、可溶性蛋白、水溶性糖含量也随钾素水平的升高而显著增加[12]。钾素含量较低则会影响碳氮平衡，烟叶在低钾胁迫条件下，其叶片钾含量、叶片数、叶面积、单株铃数、生殖干重和总干重均显著下降[13]。此外，钾肥对浙贝母具有显著的增产效果，不同的施钾量增产的幅度也不相同。施钾处理对鳞茎的纵径影响不显著，而对鳞茎的横径影响较大，而且与鳞茎的增产率相似，由此看出钾肥主要是通过增加浙贝母鳞茎的横径来实现增产。适量增施钾肥对浙贝母增产效果显著，但并不是施钾越多越好，超过最适宜施钾量，增产效果开始下降[14]。因此，钾素营养对浙贝母鳞茎的生长发育及产量的形成具有重要影响。

结合浙贝母鳞茎生物量累积动态过程，不难发现光合作用是决定产量的主要因素。植物的“源”能力不仅体现在光合能力上，还体现在叶片对储存物质的再调动能力上。因此，下面将进一步综述钾素对浙贝母光合能力和碳同化代谢的影响。

2 钾素对浙贝母叶片发育与光合特性的影响

钾素主要通过光能截获和单位叶面积光合速率这两个方面调节光能利用有效性，进而影响植物的光合作用[15-16]。钾素不足会减少叶面积，降低CO2同化率，导致植物生长和水分利用率及利用规模受到抑制[13]。研究表明，经过钾素处理，植物叶片干物质量和钾素浓度均会增加[17]。缺钾导致叶片的土壤与作物分析开发（soil and plant analyzer development，SPAD）值显著下降，净光合速率与碳水化合物浓度也呈现下降趋势，从而降低其光合作用，使群体叶面积指数显著降低[5]，光能截获率显著降低，最终导致植物总生物量降低。钾素影响叶片光合速率主要分气孔因素和非气孔因素两方面。气孔因素是指通过调节叶片气孔大小来影响参与三羧酸循环的胞间CO2浓度，进而影响叶片光合速率。缺钾时，植物叶片气孔导度显著降低[18]。然而关于钾素通过非气孔因素影响光合作用的研究结果不尽一致。细胞内钾离子大多存放在液泡中，提供细胞膨压，但在叶肉组织中转运，植物缺钾时会降低光系统Ⅱ的最大光化学效率和叶绿素含量，影响叶肉细胞生长速度，这样不仅会导致叶肉细胞减少，而且会使叶肉细胞在叶片光合组织中产生超氧根离子，造成光氧化损伤，从而进一步降低叶绿素含量[19]。总体而言，缺钾减少总叶绿素含量和叶绿素b比值，降低净光合速率、气孔导度，提高胞间CO2浓度，影响叶绿体中光合产物的转运，从而反馈抑制光合作用过程[13]。在波士顿莴苣中，低钾处理后的成熟叶片中细胞间CO2浓度稳定或逐渐增加，而光合速率显著降低[20]。另有研究表明，在不同生育时期钾素不足对气孔因素和非气孔因素的影响也不同[15]。

因此，可以通过研究浙贝母生物量、叶面积指数、农艺性状等形态指标来反映浙贝母生长发育对植株钾素浓度的响应差异。研究浙贝母功能叶叶绿素含量、光合性能参数、叶绿素荧光参数等影响光合能力的指标变化，可为阐明浙贝母碳同化代谢响应植株钾素浓度的生理机制提供理论基础。

3 钾素影响浙贝母等植物碳同化代谢的生理机制

3.1 钾素对碳同化代谢物质的影响 蔗糖和淀粉是浙贝母叶片主要光合产物，也是浙贝母产量和品质形成的物质基础。蔗糖是植物体内碳运输的主要形式，可以调节植物对多种营养素缺乏的反应，也是响应植物钾素亏缺的一种信号因子[15]。Bitterlich等[21]调查不同植物中的特异蔗糖转运体 （sucrose transporter，SUT），包括番茄特异蔗糖转运体2（Solanum lycopersicum sucrose transporter 2，SlSUT2）、甘蔗特异蔗糖转运体1A（Saccharum officinarum sucrose transporter 1A，ShSUT1A）、ShSUT4和 蔗糖磷酸 合成酶（sucrose phosphate synthase，SPS）mRNA的转 录水平，发 现ShSUT1A主要在玉米、拟南芥中表达，而ShSUT4主要在甘蔗中表达。另外，植物受到非生物胁迫时，蔗糖的含量及代谢过程反应敏感，因此蔗糖含量及代谢过程变化常被用来衡量环境对植物影响的胁迫程度。

在保卫细胞中，蔗糖分解为葡萄糖和果糖，可以为有机酸的生产提供碳骨架，诱导气孔开度[22]。因此，调控光合产物的碳分配一定程度上独立于叶片的光合速率。

棉花缺钾时，叶片中葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉含量较高，并且会加速蔗糖在韧皮部的输出[13]。在棉花棉铃对位叶对钾素水平的响应研究中，施钾能提高叶片中蔗糖转化率，降低叶片中最大和最小蔗糖含量，降低非结构碳水化合物（己糖、蔗糖、淀粉）含量；钾素敏感性不同的两个品种非结构碳水化合物临界钾浓度也有显著差异，钾敏感型品种的临界钾浓度显著低于耐低钾品种[23]。研究发现，与空白对照组比较，施钾使生长前期甘薯叶片中蔗糖和淀粉显著增加，但在后期又明显下降[24]。张彦南[14]发现增施钾肥后浙贝母叶片可溶性糖和可溶性蛋白含量均有不同程度的增加，并随施钾量的增大呈现出先上升后下降的趋势，其中可溶性糖以硫酸钾施钾量145kg·hm-2时含量最高。因此，在不同钾素水平条件下，不同植物光合产物变化不尽一致，而在相同作物的不同栽培品种之间，代谢产物对钾素水平的响应也存在显著差异。

由上可知，浙贝母等植物碳同化代谢能力对植株钾素浓度的响应，不仅体现在叶片光合性能上，还体现在不同钾素水平下浙贝母光合产物的形成与分配，以及低钾胁迫时储存物质的转化再利用能力方面。

3.2 碳同化代谢酶活性与分子机制及其对不同钾素水平的响应 钾素是影响植物生长发育的重要元素，能够调节细胞伸长，促进蛋白质合成，调节酶活性[5]。低钾胁迫会影响植物碳代谢相关酶的基因表达，主要通过调节与腺苷三磷酸 （adenosine triphosphate，ATP）和磷酸基团生产相关酶的基因表达，改变其代谢活性，进而产生能量，促进碳骨架的合成[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，FBPase）、SPS、蔗糖合成酶（sucrose synthetase，SuSy）、酸性转化酶（acid invertase，SAI）、淀粉酶等是碳同化代谢过程中响应钾素水平的重要相关酶。

Rubisco是调控植物叶片光合碳代谢和光呼吸的关键。在卡尔文循环中Rubisco是催化固定CO2的第一步，当叶片中碳水化合物含量过多，Rubisco和其他光合酶活性降低，光合作用将受到反馈抑制。植物缺钾时，叶片中Rubisco酶活性显著降低。研究提示，缺钾时钾敏感棉花品种Siza 3花铃期和吐絮期以及耐低钾棉花品种Simian 3花铃期的总Rubisco活性和最初Rubisco活性均显著下降（同时证明CO2的固定在缺钾时会受到抑制）[25]。大豆缺钾时，钾敏感品种叶片Rubisco酶活性显著降低，而耐低钾品种叶片Rubisco酶活性无显著变化[18]。从结构上看，Rubisco是一个由8个小亚基（small subunit，SSU）和8个大亚基（large subunit，LSU）组成的十六核体，但要其发挥活性还需要分子伴侣GroEL/ES和RbcX帮助折叠装配[26]。

FBPase直接影响植物叶片光合效率与光合产物的累积，对蔗糖的生成具有重要调控作用，其关键基因cfbp1和cyfbp不仅有助于调节植物细胞内淀粉、蔗糖含量的平衡，从而调控碳代谢，还与蛋白质代谢、RNA调控、信号转导和应激反应有关[27]。养分胁迫条件下，棉花棉铃对位叶FBPase总活性随着施钾量的增加而增加[25]。

SPS是调节植物叶片光合产物在蔗糖和淀粉间的分配与转化的另一关键酶。拟南芥SPS酶（Arabidopsis thaliana sucrose phosphate synthase，AtSPS）由4段SPS基因编码，其中拟南芥SPS酶1FAtSPS1F和AtSPS2F存在于双子叶SPS酶组，而AtSPS3F和At-SPS4F同时存在于双子叶和单子叶SPS酶组。At-SPS1F、AtSPS2F以及AtSPS3F主要在位于小根柱细胞中，参与蔗糖合成；AtSPS4F主要在胚胎发育阶段表达，AtSPS2F和AtSPS4F还可以调节渗透压[28]。SPS活性与叶片中蔗糖含量呈正相关。低钾或缺钾情况下，SPS活性较低，限制蔗糖的合成[13，25]，随着叶片中蔗糖含量下降，SPS活性进一步降低，从而抑制光合产物向蔗糖转化的分配率。

SuSy可以高效催化细胞质中蔗糖和核苷二磷酸，生成核苷二磷酸葡萄糖和果糖，为淀粉的生物合成提供物质基础，也可以将蔗糖直接转换为二磷腺苷酸葡萄糖 （adenosine diphosphte glucose，ADPG）[29]。缺钾时，钾敏感棉花品种Siza 3花铃期SuSy活性增加[25]。玉米胚乳细胞中，SuSy的同工酶StSUS4由29条基因单链合成。研究表明，SuSy通过合成ADPG参与胚乳细胞中淀粉的合成与生产[29]。

此外，淀粉酶是植物叶片中催化淀粉水解和磷酸化降解的关键酶，SAI有分解蔗糖的作用。施钾能够降低淀粉酶活性、提高SAI活性，而在同一植物不同品种间以上酶活性存在差异[28]。

由上可知，糖类物质及碳代谢关键酶不仅参与光合物质转化过程，而且对植物的胁迫应激、生长发育进程等起到重要的调控作用。浙贝母植株钾素浓度与叶片糖类物质含量、糖代谢相关酶活性、关键蛋白或酶基因表达以及浙贝母产量品质密切相关。

4 结论与展望

浙贝母叶片光合能力是产量形成的基础，光合产物的累积与分配决定浙贝母产量的形成，而浙贝母植株钾浓度显著影响各器官生物量累积与产量形成。当钾素亏缺时，光合产物由叶片向“库”器官转运能力受阻，而叶片光合能力的反馈抑制则是生物量累积降低的主要原因。同一植物的不同品种之间，碳同化代谢存在差异。参与碳同化代谢的相关代谢酶可能是影响浙贝母碳同化代谢对植株钾浓度响应差异的关键因子。

目前已有研究仅局限于施钾量对浙贝母养分含量、农艺性状、生物量累积、产量和有效成分含量等指标，笔者认为可从浙贝母“光合产物形成与转运－碳同化代谢”之间关系入手，深入研究“碳同化代谢－碳同化代谢酶活性及基因表达－产量品质”相互间的关系，探明浙贝母碳同化代谢响应钾素亏缺的生理与分子机制；同时明确钾素敏感性不同的品种的基因差异，并将耐低钾品种进行基因拼接，以增加基因表达，提高酶活性，培育钾高效浙贝母栽培品种，从而为浙贝母生产实践中降低钾肥施用量，提高钾素利用率，实现农业可持续发展作出努力。