干旱胁迫对云南主栽马铃薯品种淀粉累积及产量构成的影响

吴玺 刘婧 木灿英 和秋兰 王四梅 王正维 海梅荣*

（1 云南农业大学农学与生物技术学院，云南昆明 650201；2 西南中药材种质创新与利用国家地方联合工程研究中心，云南昆明 650201）

植物正常的生命活动是建立在对水分不断地吸收、运输、利用和散失的代谢过程之中，植物任何的生理代谢、生命活动都离不开水分（张天林，2004）。植物在生长发育过程中对水分具有较强的敏感性，而干旱是制约植物水分吸收的主要因素，干旱胁迫会对植物的生长发育产生一定的影响，从而导致植株矮小、生长发育缓慢、水分代谢失调、碳饥饿与死亡等一系列异常反应（贾琼，2009；董蕾和李吉跃，2013）。马铃薯需水性较强，干旱是制约马铃薯生长发育的关键因素。在苗期，马铃薯需水量占整个生育期的10%左右，若遭遇干旱胁迫会降低出苗率，导致结薯率下降进而影响产量；块茎形成期，匍匐茎顶端膨大，形成小薯，若此时遭遇干旱则会使匍匐茎膨大受限制，导致结薯率的降低进而导致产量下降；块茎膨大期，是对水分最敏感的时期，需水量占整个生育期的50%左右，若在此期间遭遇干旱会导致结薯率下降进而影响产量；块茎淀粉积累期遭遇干旱胁迫，会使淀粉积累量减少，进而影响马铃薯的品质；块茎淀粉积累期后需水量逐渐下降，只占到整个生育期的10%左右（刘战东 等，2010；徐雪风，2016）。

淀粉作为马铃薯主要组成成分，其含量及积累动态决定着马铃薯品质状况（宋国安，2004）。淀粉积累受到一系列淀粉合成关键酶的调节，葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）活性的改变对马铃薯块茎淀粉结构和组成具有一定影响（Lloyd et al.，1999）；结合态淀粉合成酶（GBSS）活性与直链淀粉含量存在相关性，对直链淀粉积累起重要作用（李永庚 等，2001；王月福 等，2003）；可溶性淀粉合成酶（SSS）和淀粉分支酶（SBE）是控制淀粉合成代谢的关键酶，且SSS 与GBSS 活性变化呈相反趋势（闫素辉 等，2007；彭波 等，2008）。王婷等（2010）研究表明，干旱胁迫对马铃薯生理特性和品质具有一定影响。马铃薯块茎形成期遭遇干旱会导致总淀粉、直链淀粉以及支链淀粉积累量与积累速率均有所下降；并且，干旱胁迫下淀粉合成相关酶活性都有不同程度的降低，对马铃薯的品质、干物质积累和产量构成产生较大影响（金光辉 等，2015；霍丹丹，2017）。马铃薯发棵期持续的干旱胁迫对块茎产量影响最大，并且严重影响块茎的品质（抗艳红 等，2010）。

干旱胁迫对马铃薯品质的影响已有较多研究。但不同程度干旱胁迫对马铃薯影响的研究大多在于库源补偿效应、光合和生长生理特性方面（李鑫等，2019；刘溢健 等，2019），马铃薯阶段性不同程度干旱条件下淀粉组分含量与淀粉合成关键酶之间的变化规律及产量构成变化的研究较少。本试验在马铃薯块茎膨大期设置了不同程度的干旱胁迫处理，探究其淀粉积累及淀粉合成关键酶活性的变化规律，探讨马铃薯品种间对不同程度干旱胁迫的响应，以期为提高马铃薯淀粉产量及选育高淀粉马铃薯品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以生育期相近且淀粉含量差异较小的云南主栽晚熟马铃薯品种合作88、青薯9 号和丽薯6 号为试验材料，于2020 年11 月至2021 年9 月在云南农业大学防雨大棚（25°18＇N，102°45＇E，海拔高度1 930 m）进行盆栽试验，盆高23.5 cm，盆口直径30 cm，采用丹麦基质土∶蛭石=2∶1（V/V）混合，土壤pH 值5.5、有机质含量12.39 g·kg-1、微量元素含量1 g·kg-1、硝态氮含量39 g·kg-1、铵态氮含量28 g·kg-1、P2O5含量76 g·kg-1、K2O含量132 g·kg-1、MgO 含量14 g·kg-1，每盆装土1 kg。播种前选取饱满、均匀一致的种薯，用1%高锰酸钾溶液浸泡15 min 进行表面消毒，每盆播1粒，苗期至块茎膨大期均采用Hoagland 营养液进行浇灌。试验用于模拟干旱胁迫的聚乙二醇（PEG-6000）购于广州赛国生物科技有限公司。

1.2 试验设计

马铃薯开花后30 d 开始结薯（2021 年2 月和2021 年7 月），块茎膨大期在开花后45 d 左右（2021年3 月和2021 年9 月）。在块茎膨大期进行干旱胁迫处理，采用不同的PEG 浓度来模拟不同程度的干旱条件，共设置5 个处理，每个处理3 次生物学重复，每重复6 盆。正常浇灌营养液处理（CK）：全生育期每2 d 共浇1 L Hoagland 营养液，使土壤水分含量保持在70%左右。干旱胁迫处理，每天每盆定量浇灌80 mL 浓度为2.5%的PEG 溶液，使土壤水分含量保持在55%左右模拟轻度干旱；每天每盆定量浇灌80 mL 浓度为5.0%的PEG 溶液，使土壤水分含量保持在45%左右模拟中度干旱；每天每盆定量浇灌80 mL 浓度为7.5%和10.0%的PEG 溶液，使土壤水分含量分别保持在35%和25%模拟重度干旱。采用土壤速测仪监测土壤水分含量，每盆进行3 次测定取平均值，若接近或者超过该胁迫程度下限时及时补水并维持此胁迫程度。处理14 d 后进行取样，取样部位为每株马铃薯全部块茎。整个试验分别于2021 年4 月4 日和2021年9 月15 日全部取样。试验分析取2 次取样平均值。

将样品洗净后测定单株产量及单株块茎数，并对其产量构成因素进行测定。然后选取大小均匀一致的薯块，分别取顶部、中部、底部的薯块，混匀后马上用液氮进行速冻处理，一部分块茎样品于-80℃冰箱中保存，用于测定AGPase、GBSS、SSS、SBE 活性；另一部分切碎、烘干、粉碎后过100 目筛，用于马铃薯淀粉含量测定。

1.3 测定项目与方法

直链淀粉含量、支链淀粉含量采用直链淀粉含量试剂盒以及支链淀粉含量试剂盒（苏州格锐思生物科技有限公司，货号为G0508F、G0509F）进行测定，并计算总淀粉含量及淀粉直支比。

总淀粉含量=直链淀粉含量+支链淀粉含量

淀粉直支比=直链淀粉含量/支链淀粉含量

分别采用腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（ADPglucose pyrophosphorylase，AGP）活性测定试剂盒、结合态淀粉合成酶（GBSS）试剂盒、可溶性淀粉合成酶（SSS）试剂盒、淀粉分支酶（SBE）试剂盒（苏州格锐思生物科技有限公司，货号为G0536F、G0538F、G0537F、G0539F）测 定AGPase、GBSS、SSS、SBE 活性。

参照吕文河等（2014）马铃薯商品薯分级标准，统计大薯、中薯和小薯的数量。

1.4 数据处理

利用DPS 9.01 软件进行统计学分析，使用单因素方差（One-way ANOVA）分析法，处理间均值比较通过Duncan’s 新复极差法进行差异显著性分析，并进行相关分析。利用Microsoft Excel 2019软件绘制柱形图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对马铃薯块茎总淀粉及其组分含量的影响

2.1.1 干旱胁迫对马铃薯块茎总淀粉含量的影响 干旱胁迫下，合作88、青薯9 号和丽薯6 号的总淀粉含量均降低，分别在PEG 浓度为10.0%、10.0%和2.5%时达到最低，分别比相应对照下降了20.3%、27.1%和19.2%（图1）。表明，马铃薯块茎中总淀粉含量均在受到干旱胁迫时降低，但不同品种总淀粉含量下降的幅度和趋势在不同干旱条件下有所区别，这可能是由于不同程度干旱胁迫对马铃薯品种间总淀粉含量的影响有所差异。

2.1.2 干旱胁迫对马铃薯块茎淀粉组分含量的影响 如图1 所示，合作88、青薯9 号和丽薯6 号直链淀粉含量在干旱胁迫下均降低，分别在PEG浓度为10.0%、10.0%和7.5%时达到最低，与相应对照相比分别下降20.9%、70.1%和41.5%。支链淀粉含量分别在PEG 浓度为7.5%、10.0%和2.5%时达到最低，与相应对照相比分别下降了21.7%、11.7%和17.6%；但青薯9 号和丽薯6 号支链淀粉含量分别在PEG 浓度为5.0%和7.5%时达到最高值。淀粉直支比中，合作88 淀粉直支比随着干旱程度的增加无显著性差异；青薯9 号在达到轻度干旱后显著降低，而丽薯6 号在达到中度干旱后显著降低，分别在PEG 浓度为10.0%和7.5%时达到最低，与对照相比下降了66.1%和48.2%。表明，不同品种马铃薯直链淀粉和支链淀粉含量在不同干旱条件下的变化趋势不同，并且青薯9 号和丽薯6 号支链淀粉含量分别在中度和重度干旱胁迫下产生峰值，推测可能是在该干旱胁迫条件对支链淀粉的产生具有一定促进作用。

图1 干旱胁迫对马铃薯块茎中总淀粉、直链淀粉、支链淀粉含量和淀粉直支比的影响

2.2 干旱胁迫对淀粉合成关键酶活性的影响

2.2.1 干旱胁迫对AGPase 活性的影响 从图2可以看出，合作88 和青薯9 号的AGPase 活性在PEG 浓度为10.0%时达到最高，而丽薯6 号AGPase 活性在PEG 浓度为10.0%时达到最低，且均与对照差异显著，与相应对照相比分别上升了68.1%和65.1%，下降了62.3%。表明，重度干旱胁迫可以提高合作88 和青薯9 号的AGPase 活性而抑制丽薯6 号的AGPase 活性。

图2 干旱胁迫对马铃薯块茎中AGPase、GBSS、SBE、SSS 活性的影响

2.2.2 干旱胁迫对GBSS 活性的影响 如图2 所示，合作88 和青薯9 号GBSS 活性在PEG 浓度为7.5%时分别达到峰值和最低值，分别比相应对照上升了66.5%、下降了69.7%；丽薯6 号的GBSS活性呈先升高后降低再升高的变化趋势，在PEG浓度为2.5%时达到最高，与相应对照相比上升了23.4%。表明，重度干旱胁迫对合作88 和青薯9 号的GBSS 活性分别起到促进和抑制作用，而丽薯6号GBSS 活性在轻度干旱胁迫下升高，在中度和重度干旱胁迫下则低于正常水平。

2.2.3 干旱胁迫对SBE 活性的影响 在干旱胁迫下，合作88 和丽薯6 号SBE 活性均高于相应对照，分别在PEG 浓度为5.0%和10.0%时达到峰值，比相应对照分别增加了269.0%和40.2%；而青薯9号SBE 活性则显著降低，在PEG 浓度为10.0%时达到最低，比相应对照下降了92.2%（图2）。表明，干旱胁迫对合作88 和丽薯6 号SBE 活性有促进作用，分别在中度和重度胁迫时达到最高值；而对青薯9 号SBE 活性具有抑制作用，且胁迫程度越强抑制作用越强。

2.2.4 干旱胁迫对SSS 活性的影响 随着干旱胁迫程度的增加，合作88、青薯9 号和丽薯6 号SSS活性均呈先升高后降低的变化趋势，分别在PEG浓度为5.0%、2.5%和5.0%时达到最高，与相应对照相比分别上升了284.0%、71.3%和323%（图2）。表明，轻度和中度干旱胁迫能够促进合作88、青薯9 号和丽薯6 号SSS 活性的增加，重度干旱胁迫则对SSS 活性有抑制作用。

2.3 干旱胁迫下马铃薯块茎淀粉积累量与淀粉合成关键酶活性的相关性

由表1 可知，合作88 在正常水分条件、中度干旱胁迫及7.5% PEG 的重度干旱胁迫下总淀粉含量与AGPase 活性呈显著或极显著的负相关关系；重度干旱胁迫下，随着干旱程度的增加总淀粉含量与GBSS 活性由极显著负相关变为显著正相关。表明，AGPase 在总淀粉的累积中起到主要作用，且在重度干旱胁迫下总淀粉含量与GBSS 活性的相关性发生改变，可推测在重度干旱条件下GBSS 催化淀粉合成的能力较强。

表1 合作88 淀粉积累量与淀粉合成关键酶活性的相关性

轻度干旱胁迫下直链淀粉含量与AGPase 活性呈显著负相关，与SSS 活性呈极显著正相关，但在重度干旱胁迫下直链淀粉含量与AGPase 活性转变为显著或极显著正相关关系；重度干旱胁迫下直链淀粉含量与GBSS 活性呈显著或极显著正相关。由此可见，AGPase 在直链淀粉的累积中起到主要作用，但在重度干旱胁迫下，随着干旱程度的增加直链淀粉含量与AGPase 活性的相关性减弱，而与GBSS 活性的相关性增强。可推测在重度干旱条件下AGPase 与GBSS 均作用于直链淀粉的合成，但GBSS 对直链淀粉的合成作用较强于AGPase。

中度干旱胁迫及7.5% PEG 的重度干旱胁迫下支链淀粉含量与AGPase 活性呈显著负相关；重度干旱胁迫下，随着干旱程度的增加支链淀粉含量与GBSS 活性由极显著负相关变为显著正相关。可推测在重度干旱条件下GBSS 催化淀粉合成的能力较强。

综上，AGPase 与GBSS 在干旱胁迫下合作88淀粉组分的合成中起重要作用，但作用条件不完全相同。

由表2 可知，青薯9 号在中度干旱胁迫下总淀粉含量与AGPase 活性呈极显著正相关，表明AGPase 在总淀粉的累积中起到主要作用，且在中度干旱条件下催化淀粉合成的能力较强。

表2 青薯9 号淀粉积累量与淀粉合成关键酶活性的相关性

正常水分条件下直链淀粉含量与AGPase 活性呈极显著负相关，与SBE 活性呈极显著正相关，轻度干旱胁迫下直链淀粉含量与AGPase 活性呈显著正相关，中度干旱胁迫下直链淀粉含量与GBSS活性呈显著正相关，10.0% PEG 的重度干旱胁迫下直链淀粉含量与AGPase活性呈显著负相关。表明，AGPase 在直链淀粉的累积中起到主要作用，且在轻度干旱条件下催化直链淀粉合成的能力较强，中度干旱胁迫时GBSS 对直链淀粉的合成具有促进作用。

轻度干旱胁迫下支链淀粉含量与AGPase 活性呈极显著正相关，10.0% PEG 的重度干旱胁迫下支链淀粉含量与SBE 活性呈极显著负相关。表明，轻度干旱时的AGPase 和重度干旱时的SBE 在支链淀粉的累积中起到主要作用。

综上，青薯9 号在干旱胁迫下的淀粉组分的合成中起重要作用的酶为AGPase、GBSS 和SBE，但作用条件不完全相同。

由表3 可知，丽薯6 号在正常水分条件下总淀粉含量与SBE 活性呈极显著负相关，7.5% PEG 的重度干旱胁迫下总淀粉含量与SSS 活性呈显著正相关。表明，SBE 与SSS 在总淀粉的累积中起到重要作用，且在重度干旱条件下SSS 催化淀粉合成的能力较强。

表3 丽薯6 号淀粉积累量与淀粉合成关键酶活性的相关性

正常水分条件下直链淀粉含量与SBE 活性呈显著负相关；中度干旱胁迫下直链淀粉含量与GBSS 活性呈显著负相关，但与SBE 活性呈极显著正相关；10.0% PEG 的重度干旱胁迫下直链淀粉含量与AGPase 活性呈显著负相关。表明，SBE 在直链淀粉的累积中起到主要作用，且在中度干旱条件下催化直链淀粉合成的能力较强。

正常水分条件下支链淀粉含量与GBSS 活性呈显著正相关，与SBE 活性呈极显著负相关，7.5%PEG 的重度干旱胁迫下支链淀粉含量与SBE 活性呈显著正相关。由此可见，SBE 在支链淀粉的累积中起到主要作用，且在重度干旱条件下SBE 催化支链淀粉合成的能力较强。

综上，AGPase、GBSS、SBE 和SSS 均参与了干旱胁迫下丽薯6 号淀粉组分的合成，但作用条件不完全相同。

2.4 干旱胁迫对马铃薯产量及其构成因素的影响

由表4 可以看出，在中度及重度干旱胁迫下，3 个马铃薯品种的单株产量和单株块茎数均有不同程度的降低，当PEG 浓度为10.0%时，合作88、青薯9 号和丽薯6 号的单株产量分别比相应对照下降了40.0%、56.9%和7.5%，但在轻度干旱胁迫下单株块茎数却有一定程度增加而后减少。随着干旱程度的增加，大中薯个数大体上呈逐渐减少的趋势，而小薯个数却有一定的增加趋势，合作88 在PEG 浓度为5.0%时小薯数量最多，比相应对照增加了85.7%；青薯9 号在PEG 浓度为10.0%时小薯数量最多，比相应对照增加了62.5%；丽薯6 号在PEG 浓度为7.5%时小薯数量最多，比相应对照增加了175.0%。表明，干旱胁迫会使小薯数量增多，降低单株产量和块茎数并抑制块茎的生长，从而降低产量，且重度干旱胁迫对马铃薯的产量构成影响最大。但不同品种马铃薯对于干旱的响应有所区别，在中度干旱条件下合作88 小薯数量最多，说明其对干旱的敏感性较强；而在重度干旱条件下丽薯6 号小薯数量的增加幅度大于青薯9 号，说明相较于另外两个品种，青薯9 号在产量构成因素方面具有较强的耐旱性。

表4 干旱胁迫对马铃薯产量及构成因素的影响

3 讨论

3.1 马铃薯块茎膨大期淀粉组分含量对干旱胁迫的响应

淀粉是马铃薯块茎中含量最多且最重要的贮藏碳水化合物（慕宇，2017）。支链淀粉和直链淀粉的比例以及总淀粉含量是马铃薯品质的重要组成部分（Genkina et al.，2004）。由于马铃薯产量、品质以及养分吸收能力受遗传因素和环境条件的影响，导致淀粉含量的高低有所差异（张胜，2011）。已有研究表明，在干旱胁迫下马铃薯块茎生长受抑制，直链淀粉、支链淀粉以及总淀粉含量均有不同程度的降低（霍丹丹，2017）；马铃薯块茎膨大期对缺水较为敏感，该时期遭遇干旱会对淀粉形成产生较大影响，若保持土壤含水量在合理水平可提高马铃薯产量和商品薯率（郦海龙 等，2020），本试验结果与之有部分相似之处。本试验在马铃薯块茎膨大期设置了不同程度的干旱处理，干旱胁迫下3个马铃薯品种的总淀粉、直链淀粉和支链淀粉含量大体上呈降低趋势，但青薯9 号和丽薯6 号分别在中度和重度干旱条件下支链淀粉含量产生峰值，推测可能是该干旱条件对支链淀粉的产生具有一定促进作用，这需要进一步的研究。由于环境和遗传因素使马铃薯块茎淀粉组分含量、比例以及变化规律存在差异。本试验仅对干旱胁迫下马铃薯块茎淀粉组成及各组分含量变化进行了初步探究，后续仍需要对淀粉组分与含量响应干旱胁迫的作用机制进行深入研究。

3.2 马铃薯块茎膨大期淀粉形成关键酶对干旱胁迫的响应

淀粉的生物合成是一个复杂的生理生化过程，受一系列酶的调控，不同阶段有不同的酶发挥作用（唐宏亮 等，2015；甘晓燕 等，2017）。研究表明，葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）和尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UGPase）共同催化淀粉合成，其中AGPase 是淀粉合成的限速酶，直接影响淀粉合成的速率和积累量，UGPase 作为葡萄糖的供体，是蔗糖和淀粉合成的关键酶，淀粉分支酶（SBE）和可溶性淀粉合成酶（SSS）是催化支链淀粉合成的关键酶，结合态淀粉合成酶（GBSS）是催化直链淀粉合成的关键酶（慕宇，2017）。干旱胁迫下马铃薯块茎中淀粉合成关键酶活性均受到不同程度的抑制，其中GBSS 和SBE 下降幅度比较大，而AGPase 和SSS 下降幅度相对较小（霍丹丹，2017）。关于干旱胁迫对马铃薯淀粉酶活性的影响已有相关报道，但对不同干旱程度下淀粉含量及其关键合成酶活性的变化规律及其作用机制的研究则相对较少。本试验结果表明，不同程度干旱胁迫下马铃薯块茎淀粉合成关键酶活性变化趋势不同，受品种和干旱条件的影响。

马铃薯不同品种之间在不同干旱程度下总淀粉、直链淀粉和支链淀粉含量与AGPase、SBE、SSS、GBSS 活性的相关性有所区别。干旱胁迫下，合作88 淀粉组分合成中AGPase 和GBSS 起重要作用，青薯9 号淀粉组分合成中AGPase、GBSS 和SBE 起重要作用，AGPase、GBSS、SBE和SSS 均参与了丽薯6 号淀粉组分的合成，与霍丹丹（2017）得出的干旱胁迫下粗淀粉积累速率与AGPase、SSS、GBSS 和SBE 活性均具有相关性的结果部分相似，表明在不同程度干旱胁迫下淀粉合成关键酶综合作用于马铃薯块茎淀粉的积累，但不同品种在干旱胁迫下作用的酶不完全相同。

3.3 马铃薯块茎膨大期产量及构成因素对干旱胁迫的响应

土壤水分是影响作物产量形成的关键因素之一，水分胁迫会使植株生长发育受阻，产量显著降低（焦志丽，2012；乌兰，2015；胡萌萌 等，2021）。研究表明，干旱胁迫致使玉米单株籽粒数、百粒重、产量显著降低（路振广 等，2019）；水稻孕穗期缺水造成地上部干物质积累量、转运量降低，穗粒数减少，空秕粒率上升，最终导致产量下降（赵宏伟 等，2016）；小麦产量形成中，轻度干旱胁迫影响粒重形成，中度干旱胁迫影响每穗粒数和粒重的形成（黄正金 等，2017）；严重水分亏缺会减少马铃薯结薯数和块茎大小，进而降低产量（Iwana，2008；康益晨 等，2015）。在生理特性和产量品质方面，不同基因型马铃薯具有相对独立的遗传基础，对于干旱的响应存在差异（张佳，2010；杨先泉 等，2011）。本试验结果表明，同一马铃薯品种在不同程度干旱条件下的单株产量、单株块茎数、大薯数、中薯数和小薯数也存在显著差异，说明不同干旱程度对马铃薯产量及构成因素的影响不同；并且在同一干旱条件下，不同马铃薯品种间产量及构成因素也不尽相同，可能是因为马铃薯基因型不同，对不同程度干旱胁迫的敏感性存在较大差异，但本试验仅对其在产量构成的变化关系方面进行了探讨，对于影响产量构成的作用机理还需进一步研究。

4 结论

干旱胁迫下，马铃薯块茎总淀粉、直链和支链淀粉含量大体呈降低趋势。淀粉合成关键酶综合作用于淀粉组分的生成，在不同程度的干旱胁迫下马铃薯品种之间淀粉合成关键酶活性变化规律存在差异致使淀粉组分含量不同。不同程度干旱胁迫对马铃薯品种之间产量构成的影响具有差异性，其中重度干旱胁迫对马铃薯的产量构成影响最大，由于不同品种马铃薯对干旱胁迫的响应不同，导致了其品质和产量的差异。