土壤缺钾对冬小麦碳氮代谢的影响

刘晓伟，王伟伟，张浩月，孙若希， 郝培显，杨学举，赵 勇，王殿武

(1. 河北农业大学资源与环境科学学院，河北保定 071000；2. 河北农业大学农学院，河北保定 071000； 3. 沧州市农林科学院，河北沧州 061001 4. 河北农业大学生命科学学院，河北保定 071000)

冬小麦在我国种植广泛。钾素在冬小麦产量和品质形成过程中起着重要作用[1]。我国耕地中缺钾土壤的面积约占25%～33%，并且缺钾范围正在逐渐扩大[2]；同时，我国钾盐资源储量少，钾肥利用率低[3]。因此，研究不同冬小麦品种生理代谢对土壤缺钾的响应具有重要意义。

钾素参与植株生理生化过程[4]。碳氮代谢作为植物最基本的两大代谢过程，二者之间存在很强的交互作用[5]。玉米缺钾时，叶片的可溶性总糖含量明显上升[6]。缺钾会降低棉花叶片净光合速率及蔗糖合成酶(SS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)等活性，且通过影响硝酸还原酶活性限制氨基酸的合成[7]。缺钾时水稻蛋白质代谢受抑，游离氨基酸含量提高[8]。缺钾时大豆叶片谷氨酸脱氢酶(GDH)活性升高，谷氨酸合成酶(GS)活性下降[9]。以上结果表明，缺钾影响作物光合作用和碳代谢过程，抑制氮同化[4]。目前有关干旱、温度等逆境胁迫对小麦产量和品质形成影响机制的研究已经很多[10-11]，但针对缺钾影响冬小麦碳氮代谢影响的研究尚少，且冬小麦生育后期是籽粒充实和产量、品质形成的关键时期。基于此，本研究以冬小麦品种科农9204(耐低钾型)和石新828(低钾敏感型)为材料，分析了土壤缺钾对冬小麦开花后碳氮代谢的影响，以期为揭示冬小麦耐低钾的调控机理提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试冬小麦品种为科农9204(耐低钾型)和石新828(低钾敏感型)。供试土壤为潮褐土 (<0.01 mm物理性粘粒含量为44.35%)和河流故道风沙土混配的土壤(<0.01 mm物理性粘粒含量为24.13%)，有机质含量2.67 g·kg-1，全氮含量0.26 g·kg-1，全钾含量17.95 g·kg-1，缓效钾含量535.00 mg·kg-1，速效磷含量4.38 mg·kg-1，速效钾含量45.00 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验采用盆栽方法，在河北农业大学旱棚进行，共设缺钾(K1，45.00 mg·kg-1)和正常供钾(K2，180.00 mg·kg-1)两个处理，重复3次，每重复12盆，随机排列。 所用盆子为塑料盆，直径20 cm，高21 cm。每盆装土6 kg，底施尿素(N 46.4%)0.63 g和磷酸二铵(N 18.0%、P2O546.0%)0.94 g，并于冬小麦返青期追施尿素0.63 g，正常供钾处理每盆底施硫酸钾(K2O 53.0%) 1.53 g。小麦于2018年10月15日播种，三叶期定苗，每盆14株，2019年6月5日收获。试验期间进行严格的水分管理，且每次每盆浇水量相同，其他管理按常规大田。

1.3 测定指标及方法

土壤和植株养分含量的测定参照土壤农化分析标准[12]；用简易比重计法测定土壤物理性粘粒含量。于冬小麦开花后0、7、14、21、28和35 d，每天9：00-11：00，采用SPAD-502型叶绿素仪测定旗叶中段叶绿素含量；然后，每重复取7片旗叶(清洗擦干)和部分籽粒，液氮速冻后，-80 ℃保存。参照石华荣[13]的方法提取旗叶蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)酶液。参考於新建[14]的方法进行测定SS和SPS活性；采用离体法测定籽粒中硝酸还原酶(NR)活性[15]。另取7片旗叶，105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重后用于碳、钾含量测定。可溶性总糖、蔗糖、葡萄糖、果糖含量参照张志良等[16]方法的测定。籽粒经自然风干后凯氏定氮法测定氮含量，以系数5.7折算粗蛋白质含量，清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和麦谷蛋白组分的提取与分离参照唐云峰的方法[17]，用考马斯亮蓝G-250法测定各蛋白组分的含量[18]。

1.4 统计方法

采用Excel 2010进行数据统计与作图，采用SAS18.0进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤缺钾对冬小麦旗叶和籽粒钾素含量的影响

冬小麦旗叶和籽粒钾素含量因品种、生育时期不同而有差异(表1)。花后0～35 d,旗叶钾素含量呈先升后降的趋势，籽粒钾素含量呈下降趋势。2个冬小麦品种的旗叶钾素含量，均在花后 7 d最高，花后35 d最小，籽粒钾素含量均在籽粒形成初期(花后7 d)最高。与正常供钾处理(K2)相比，缺钾处理(K1)下冬小麦旗叶和籽粒钾素含量均不同程度下降，其中耐低钾型品种科农9204的旗叶钾素含量总体上变化较小，籽粒也无显著变化，而低钾敏感型品种石新828的旗叶和籽粒钾素含量总体上变化显著，降幅分别为5.01%～65.37%和4.74%～31.83%。这说明土壤缺钾会影响冬小麦旗叶和籽粒钾素含量，且对钾敏感型品种影响较大。

表1 土壤缺钾对冬小麦旗叶和籽粒钾含量的影响Table 1 Effect of soil potassium deficiency on potassium content in flag leaf and grain of winter wheat g·kg-1

2.2 土壤缺钾对冬小麦旗叶叶绿素含量的影响

2个冬小麦品种的旗叶叶绿素含量(SPAD值)整体上均呈先升后降趋势，且均在花后14 d达到最高值，花后35 d最小(图1)。在花后不同生育时期，缺钾时2个品种的旗叶SPAD值与正常供钾处理相比均不同程度降低，其中耐低钾型品种科农9204总体上变化不显著，而低钾敏感型品种石新828变化显著，降幅为5.27%～80.66%，表明土壤缺钾对冬小麦耐低钾型品种叶绿素的合成影响较小，而对低钾敏感型品种影响较大。

图柱上的小写字母表示同一时期不同处理间在0.05水平上差异显著。下图同。

2.3 土壤缺钾对冬小麦碳代谢的影响

2.3.1 土壤缺钾对冬小麦旗叶碳含量的影响

同一钾素处理下，2个冬小麦品种的旗叶碳含量均呈先升后降再升的趋势，其中耐低钾型品种科农9204的旗叶碳含量在花后7d最高，低钾敏感型品种石新828在花后14 d最高(表2)。缺钾处理下，两个品种的旗叶碳含量较正常供钾处理均不同程度下降，其中耐低钾型品种科农9204的两个处理间差异较小，总体上不显著，而低钾敏感型品种石新828差异较大，总体显著，降幅为3.29%～10.85%，表明土壤缺钾会影响冬小麦旗叶碳含量，其中对低钾敏感型品种影响较大。

表2 土壤缺钾对冬小麦旗叶碳含量的影响Table 2 Effect of soil potassium deficiency on carbon content in flag leaves of winter wheat g·kg-1

2.3.2 土壤缺钾对冬小麦旗叶糖分含量的影响

缺钾处理下，2个品种的可溶性总糖、蔗糖、葡萄糖、果糖含量均高于正常供钾处理(图2)，其中耐低钾型品种科农9204的4种糖含量与正常供钾处理差异均不显著，而低钾敏感型品种石新828的4种糖含量总体差异显著，增幅分别为 14.37%～119.08%、16.63%～68.00%、16.63%～ 68.00%、23.41%～80.37%，表明土壤缺钾影响了冬小麦糖代谢，且存在品种差异性。

2.3.3 土壤缺钾对冬小麦旗叶蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的影响

与正常供钾处理相比，缺钾导致两个品种各时期的两种酶活性均不同程度下降(图3)，其中耐低钾型品种科农9204只在花后7 d和14 d差异显著，而低钾敏感型品种石新828在花后0～21 d差异显著，降幅分别为32.28%～538.67%、48.51%～421.48%，说明土壤缺钾对冬小麦的两种酶活性有一定的抑制作用，且对敏感型品种影响较大。

2.4 土壤缺钾对冬小麦氮代谢的影响

2.4.1 土壤缺钾对冬小麦籽粒氮含量的影响

2个冬小麦品种籽粒氮含量随生育进程均呈上升趋势，在花后35 d达到最高值(表3)。与正常供钾处理相比，缺钾处理下2个品种各时期的籽粒氮含量均有所降低，其中耐低钾型品种科农9204仅在花后7 d和21 d差异显著，而低钾敏感型品种石新828除花后28 d外，在其余时期均差异显著，降低幅度为29.87%～ 90.33%。

KK1和KK2分别为科农9024的K1和K1处理；SK1和SK2分别为石新828的K1和K2处理。下图同。

图3 土壤缺钾对冬小麦旗叶蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的影响Fig.3 Effect of soil potassium deficiency on the activities of SS and SPS in flag leaves of winter wheat

2.4.2 土壤缺钾对冬小麦籽粒粗蛋白质含量及蛋白质组分的影响

2个冬小麦品种的籽粒粗蛋白质含量变化与氮含量一致,也随花后生育进程呈增长趋势(图4)。与正常供钾处理相比，缺钾处理下两个品种的籽粒粗蛋白含量均不同程度下降，其中科农9204仅在花后7和21 d差异显著，而石新828在各时期均差异显著，降低幅度为15.56%～ 66.12%，表明土壤缺钾使冬小麦籽粒粗蛋白的合成受限，对低钾敏感型品种影响较明显。

随花后生育时期的变化，2个冬小麦品种的籽粒清蛋白含量均呈下降趋势，籽粒球蛋白、醇溶蛋白和麦谷蛋白含量均呈上升趋势(图5)。与正常供钾处理相比，缺钾处理下，耐低钾型品种科农9204的籽粒清蛋白和球蛋白含量分别提高 1.47%～4.35%和10.66%～47.93%，籽粒醇溶蛋白和麦谷蛋白含量分别降低0.87%～9.14%和0.50%～4.88%，但仅醇溶蛋白含量在花后28和35 d差异显著。缺钾处理下低钾敏感型品种石新828的籽粒球蛋白含量较正常供钾处理提高2.57%～64.15%，清蛋白、醇溶蛋白和麦谷蛋白含量分别降低3.73%～26.02%、17.92%～ 38.81%和6.33%～35.81%，且不同时期差异多数达显著水平。这表明土壤缺钾影响了冬小麦 籽粒营养品质，尤其是对低钾敏感型品种影响 很大。

表3 土壤缺钾对冬小麦籽粒氮含量的影响Table 3 Effect of soil potassium deficiency on nitrogen content in grains of winter wheat g·kg-1

图4 土壤缺钾对冬小麦籽粒粗蛋白质含量的影响Fig.4 Effect of potassium deficiency in soil on crude protein content in grains of winter wheat

2.4.3 土壤缺钾对冬小麦籽粒硝酸还原酶(NR)活性的影响

与正常供钾处理相比，缺钾处理下两个小麦品种旗叶的NR活性均不同程度下降(图6)，其中耐低钾型品种科农9204仅在花后各时期差异显著，而低钾敏感型品种石新828在花后14、21和35 d均差异显著，表明土壤缺钾对冬小麦氮代谢有一定的影响，且对低钾敏感型小麦的影响 较大。

3 讨 论

植物体内的钾素大多数来自于土壤，土壤缺钾会使得植物体内的钾素含量降低，且存在品种间钾吸收利用差异性[19]。本研究结果表明，与正常供钾相比，缺钾处理导致冬小麦旗叶和籽粒钾素含量均不同程度下降，且敏感型冬小麦总体差异显著。旗叶作为小麦的关键源器官和后期冠层的主要组成，其面积的大小和生理活性可能引起整个植株生理活性的改变[20]，其叶绿素含量的多少决定了光合能力的强弱[21]。本研究发现，缺钾后冬小麦旗叶叶绿素含量降低。其原因一方面可能是缺钾使得冬小麦旗叶叶绿体数量减少，叶绿体的超微结构发生了变化[7]；另一方面由于缺钾抑制了光合关键酶Rubisco及Rubisco活化酶活性，进而抑制了冬小麦的净光合速率[22]。

碳水化合物是光合作用卡尔文循环的最初产物，它既是能量的贮存者，也是植物合成其他有机物的起始物质，其含量常占植株干重的50%以上[23]。在本研究中，缺钾处理导致冬小麦旗叶碳含量下降，表明土壤缺钾影响了冬小麦碳的积累，进而影响冬小麦碳水化合物合成。研究表明，小麦叶片中可溶性碳水化合物是维系生存的重要代谢物质，能够缓解逆境胁迫对小麦植株的伤害[24]。在土壤缺钾条件下，棉花叶片葡萄糖，果糖，蔗糖和淀粉含量较正常供钾处理有所升高[4]，叶片中蔗糖和淀粉含量也发生变化[22]。缺钾也会造成可溶性总糖在大豆叶片中的积累[25]。在本研究中，缺钾处理下，小麦旗叶可溶性总糖、蔗糖、葡萄糖、果糖含量有所升高，这是由于缺钾导致糖转运蛋白相关基因的表达下调，进而影响了糖的正常转运[26-27]；另外，糖含量的增加能够维持细胞膨压，降低渗透式，使其适应逆境胁迫的生长环境[28]。在碳水化合物的代谢过程中涉及许多重要酶的参与，如蔗糖合成酶(SS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)、胞质果糖-1,6二磷酸酶，均需要钾离子作为催化剂才能产生活性。SS和SPS的作用分别表现为催化蔗糖的降解以及控制蔗糖的合成。对小麦、玉米的光合碳氮代谢途径研究发现，PEPCase、SPS和NADH/NR三种酶的调节在碳、氮平衡中起着重要作用[29]。干旱胁迫对小麦灌浆期SS和SPS合成均产生不利影响[30]。本研究表明，缺钾处理的SS和SPS活性较正常供钾处理均有所降低，且敏感型冬小麦总体差异显著，推测是缺钾抑制了细胞中SS和SPS基因表达[29,31]，进而影响到蔗糖的合成。

图5 土壤缺钾对冬小麦籽粒清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、麦谷蛋白含量的影响Fig.5 Effect of soil potassium deficiency on albumin，globulin，gliadin and glutemin contents in grains of winter wheat

图6 土壤缺钾对冬小麦籽粒硝酸还原酶(NR)活性的影响Fig.6 Effect of soil potassium deficiency on NR activity in grains of winter wheat

4 结 论

土壤缺钾条件下，耐低钾型和敏感型冬小麦品种旗叶、籽粒钾含量和旗叶叶绿素含量均有所降低，且敏感型品种总体差异显著；旗叶碳含量、蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性降低，各糖分含量不同程度升高；籽粒氮、粗蛋白质、醇溶蛋白、麦谷蛋白含量和硝酸还原酶活性降低，而清蛋白、球蛋白含量变化因品种而异。土壤缺钾导致光合作用减弱，减少同化产物，抑制了旗叶蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性，造成碳含量降低和各糖分含量积累；同时抑制了硝酸还原酶活性，使得籽粒氮、粗蛋白质含量降低，影响蛋白组分含量，导致冬小麦碳氮代谢失衡。