土壤缺鉀對冬小麥碳氮代謝的影響

劉曉偉，王偉偉，張浩月，孫若希， 郝培顯，楊學舉，趙 勇，王殿武

(1. 河北農業大學資源與環境科學學院，河北保定 071000；2. 河北農業大學農學院，河北保定 071000； 3. 滄州市農林科學院，河北滄州 061001 4. 河北農業大學生命科學學院，河北保定 071000)

冬小麥在我國種植廣泛。鉀素在冬小麥產量和品質形成過程中起著重要作用[1]。我國耕地中缺鉀土壤的面積約占25%～33%，并且缺鉀范圍正在逐漸擴大[2]；同時，我國鉀鹽資源儲量少，鉀肥利用率低[3]。因此，研究不同冬小麥品種生理代謝對土壤缺鉀的響應具有重要意義。

鉀素參與植株生理生化過程[4]。碳氮代謝作為植物最基本的兩大代謝過程，二者之間存在很強的交互作用[5]。玉米缺鉀時，葉片的可溶性總糖含量明顯上升[6]。缺鉀會降低棉花葉片凈光合速率及蔗糖合成酶(SS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)等活性，且通過影響硝酸還原酶活性限制氨基酸的合成[7]。缺鉀時水稻蛋白質代謝受抑，游離氨基酸含量提高[8]。缺鉀時大豆葉片谷氨酸脫氫酶(GDH)活性升高，谷氨酸合成酶(GS)活性下降[9]。以上結果表明，缺鉀影響作物光合作用和碳代謝過程，抑制氮同化[4]。目前有關干旱、溫度等逆境脅迫對小麥產量和品質形成影響機制的研究已經很多[10-11]，但針對缺鉀影響冬小麥碳氮代謝影響的研究尚少，且冬小麥生育后期是籽粒充實和產量、品質形成的關鍵時期?；诖?，本研究以冬小麥品種科農9204(耐低鉀型)和石新828(低鉀敏感型)為材料，分析了土壤缺鉀對冬小麥開花后碳氮代謝的影響，以期為揭示冬小麥耐低鉀的調控機理提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試冬小麥品種為科農9204(耐低鉀型)和石新828(低鉀敏感型)。供試土壤為潮褐土 (<0.01 mm物理性粘粒含量為44.35%)和河流故道風沙土混配的土壤(<0.01 mm物理性粘粒含量為24.13%)，有機質含量2.67 g·kg-1，全氮含量0.26 g·kg-1，全鉀含量17.95 g·kg-1，緩效鉀含量535.00 mg·kg-1，速效磷含量4.38 mg·kg-1，速效鉀含量45.00 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗采用盆栽方法，在河北農業大學旱棚進行，共設缺鉀(K1，45.00 mg·kg-1)和正常供鉀(K2，180.00 mg·kg-1)兩個處理，重復3次，每重復12盆，隨機排列。 所用盆子為塑料盆，直徑20 cm，高21 cm。每盆裝土6 kg，底施尿素(N 46.4%)0.63 g和磷酸二銨(N 18.0%、P2O546.0%)0.94 g，并于冬小麥返青期追施尿素0.63 g，正常供鉀處理每盆底施硫酸鉀(K2O 53.0%) 1.53 g。小麥于2018年10月15日播種，三葉期定苗，每盆14株，2019年6月5日收獲。試驗期間進行嚴格的水分管理，且每次每盆澆水量相同，其他管理按常規大田。

1.3 測定指標及方法

土壤和植株養分含量的測定參照土壤農化分析標準[12]；用簡易比重計法測定土壤物理性粘粒含量。于冬小麥開花后0、7、14、21、28和35 d，每天9：00-11：00，采用SPAD-502型葉綠素儀測定旗葉中段葉綠素含量；然后，每重復取7片旗葉(清洗擦干)和部分籽粒，液氮速凍后，-80 ℃保存。參照石華榮[13]的方法提取旗葉蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)酶液。參考於新建[14]的方法進行測定SS和SPS活性；采用離體法測定籽粒中硝酸還原酶(NR)活性[15]。另取7片旗葉，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重后用于碳、鉀含量測定?？扇苄钥偺?、蔗糖、葡萄糖、果糖含量參照張志良等[16]方法的測定。籽粒經自然風干后凱氏定氮法測定氮含量，以系數5.7折算粗蛋白質含量，清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和麥谷蛋白組分的提取與分離參照唐云峰的方法[17]，用考馬斯亮藍G-250法測定各蛋白組分的含量[18]。

1.4 統計方法

采用Excel 2010進行數據統計與作圖，采用SAS18.0進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤缺鉀對冬小麥旗葉和籽粒鉀素含量的影響

冬小麥旗葉和籽粒鉀素含量因品種、生育時期不同而有差異(表1)?；ê?～35 d,旗葉鉀素含量呈先升后降的趨勢，籽粒鉀素含量呈下降趨勢。2個冬小麥品種的旗葉鉀素含量，均在花后 7 d最高，花后35 d最小，籽粒鉀素含量均在籽粒形成初期(花后7 d)最高。與正常供鉀處理(K2)相比，缺鉀處理(K1)下冬小麥旗葉和籽粒鉀素含量均不同程度下降，其中耐低鉀型品種科農9204的旗葉鉀素含量總體上變化較小，籽粒也無顯著變化，而低鉀敏感型品種石新828的旗葉和籽粒鉀素含量總體上變化顯著，降幅分別為5.01%～65.37%和4.74%～31.83%。這說明土壤缺鉀會影響冬小麥旗葉和籽粒鉀素含量，且對鉀敏感型品種影響較大。

表1 土壤缺鉀對冬小麥旗葉和籽粒鉀含量的影響Table 1 Effect of soil potassium deficiency on potassium content in flag leaf and grain of winter wheat g·kg-1

2.2 土壤缺鉀對冬小麥旗葉葉綠素含量的影響

2個冬小麥品種的旗葉葉綠素含量(SPAD值)整體上均呈先升后降趨勢，且均在花后14 d達到最高值，花后35 d最小(圖1)。在花后不同生育時期，缺鉀時2個品種的旗葉SPAD值與正常供鉀處理相比均不同程度降低，其中耐低鉀型品種科農9204總體上變化不顯著，而低鉀敏感型品種石新828變化顯著，降幅為5.27%～80.66%，表明土壤缺鉀對冬小麥耐低鉀型品種葉綠素的合成影響較小，而對低鉀敏感型品種影響較大。

圖柱上的小寫字母表示同一時期不同處理間在0.05水平上差異顯著。下圖同。

2.3 土壤缺鉀對冬小麥碳代謝的影響

2.3.1 土壤缺鉀對冬小麥旗葉碳含量的影響

同一鉀素處理下，2個冬小麥品種的旗葉碳含量均呈先升后降再升的趨勢，其中耐低鉀型品種科農9204的旗葉碳含量在花后7d最高，低鉀敏感型品種石新828在花后14 d最高(表2)。缺鉀處理下，兩個品種的旗葉碳含量較正常供鉀處理均不同程度下降，其中耐低鉀型品種科農9204的兩個處理間差異較小，總體上不顯著，而低鉀敏感型品種石新828差異較大，總體顯著，降幅為3.29%～10.85%，表明土壤缺鉀會影響冬小麥旗葉碳含量，其中對低鉀敏感型品種影響較大。

表2 土壤缺鉀對冬小麥旗葉碳含量的影響Table 2 Effect of soil potassium deficiency on carbon content in flag leaves of winter wheat g·kg-1

2.3.2 土壤缺鉀對冬小麥旗葉糖分含量的影響

缺鉀處理下，2個品種的可溶性總糖、蔗糖、葡萄糖、果糖含量均高于正常供鉀處理(圖2)，其中耐低鉀型品種科農9204的4種糖含量與正常供鉀處理差異均不顯著，而低鉀敏感型品種石新828的4種糖含量總體差異顯著，增幅分別為 14.37%～119.08%、16.63%～68.00%、16.63%～ 68.00%、23.41%～80.37%，表明土壤缺鉀影響了冬小麥糖代謝，且存在品種差異性。

2.3.3 土壤缺鉀對冬小麥旗葉蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的影響

與正常供鉀處理相比，缺鉀導致兩個品種各時期的兩種酶活性均不同程度下降(圖3)，其中耐低鉀型品種科農9204只在花后7 d和14 d差異顯著，而低鉀敏感型品種石新828在花后0～21 d差異顯著，降幅分別為32.28%～538.67%、48.51%～421.48%，說明土壤缺鉀對冬小麥的兩種酶活性有一定的抑制作用，且對敏感型品種影響較大。

2.4 土壤缺鉀對冬小麥氮代謝的影響

2.4.1 土壤缺鉀對冬小麥籽粒氮含量的影響

2個冬小麥品種籽粒氮含量隨生育進程均呈上升趨勢，在花后35 d達到最高值(表3)。與正常供鉀處理相比，缺鉀處理下2個品種各時期的籽粒氮含量均有所降低，其中耐低鉀型品種科農9204僅在花后7 d和21 d差異顯著，而低鉀敏感型品種石新828除花后28 d外，在其余時期均差異顯著，降低幅度為29.87%～ 90.33%。

KK1和KK2分別為科農9024的K1和K1處理；SK1和SK2分別為石新828的K1和K2處理。下圖同。

圖3 土壤缺鉀對冬小麥旗葉蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的影響Fig.3 Effect of soil potassium deficiency on the activities of SS and SPS in flag leaves of winter wheat

2.4.2 土壤缺鉀對冬小麥籽粒粗蛋白質含量及蛋白質組分的影響

2個冬小麥品種的籽粒粗蛋白質含量變化與氮含量一致,也隨花后生育進程呈增長趨勢(圖4)。與正常供鉀處理相比，缺鉀處理下兩個品種的籽粒粗蛋白含量均不同程度下降，其中科農9204僅在花后7和21 d差異顯著，而石新828在各時期均差異顯著，降低幅度為15.56%～ 66.12%，表明土壤缺鉀使冬小麥籽粒粗蛋白的合成受限，對低鉀敏感型品種影響較明顯。

隨花后生育時期的變化，2個冬小麥品種的籽粒清蛋白含量均呈下降趨勢，籽粒球蛋白、醇溶蛋白和麥谷蛋白含量均呈上升趨勢(圖5)。與正常供鉀處理相比，缺鉀處理下，耐低鉀型品種科農9204的籽粒清蛋白和球蛋白含量分別提高 1.47%～4.35%和10.66%～47.93%，籽粒醇溶蛋白和麥谷蛋白含量分別降低0.87%～9.14%和0.50%～4.88%，但僅醇溶蛋白含量在花后28和35 d差異顯著。缺鉀處理下低鉀敏感型品種石新828的籽粒球蛋白含量較正常供鉀處理提高2.57%～64.15%，清蛋白、醇溶蛋白和麥谷蛋白含量分別降低3.73%～26.02%、17.92%～ 38.81%和6.33%～35.81%，且不同時期差異多數達顯著水平。這表明土壤缺鉀影響了冬小麥 籽粒營養品質，尤其是對低鉀敏感型品種影響 很大。

表3 土壤缺鉀對冬小麥籽粒氮含量的影響Table 3 Effect of soil potassium deficiency on nitrogen content in grains of winter wheat g·kg-1

圖4 土壤缺鉀對冬小麥籽粒粗蛋白質含量的影響Fig.4 Effect of potassium deficiency in soil on crude protein content in grains of winter wheat

2.4.3 土壤缺鉀對冬小麥籽粒硝酸還原酶(NR)活性的影響

與正常供鉀處理相比，缺鉀處理下兩個小麥品種旗葉的NR活性均不同程度下降(圖6)，其中耐低鉀型品種科農9204僅在花后各時期差異顯著，而低鉀敏感型品種石新828在花后14、21和35 d均差異顯著，表明土壤缺鉀對冬小麥氮代謝有一定的影響，且對低鉀敏感型小麥的影響 較大。

3 討 論

植物體內的鉀素大多數來自于土壤，土壤缺鉀會使得植物體內的鉀素含量降低，且存在品種間鉀吸收利用差異性[19]。本研究結果表明，與正常供鉀相比，缺鉀處理導致冬小麥旗葉和籽粒鉀素含量均不同程度下降，且敏感型冬小麥總體差異顯著。旗葉作為小麥的關鍵源器官和后期冠層的主要組成，其面積的大小和生理活性可能引起整個植株生理活性的改變[20]，其葉綠素含量的多少決定了光合能力的強弱[21]。本研究發現，缺鉀后冬小麥旗葉葉綠素含量降低。其原因一方面可能是缺鉀使得冬小麥旗葉葉綠體數量減少，葉綠體的超微結構發生了變化[7]；另一方面由于缺鉀抑制了光合關鍵酶Rubisco及Rubisco活化酶活性，進而抑制了冬小麥的凈光合速率[22]。

碳水化合物是光合作用卡爾文循環的最初產物，它既是能量的貯存者，也是植物合成其他有機物的起始物質，其含量常占植株干重的50%以上[23]。在本研究中，缺鉀處理導致冬小麥旗葉碳含量下降，表明土壤缺鉀影響了冬小麥碳的積累，進而影響冬小麥碳水化合物合成。研究表明，小麥葉片中可溶性碳水化合物是維系生存的重要代謝物質，能夠緩解逆境脅迫對小麥植株的傷害[24]。在土壤缺鉀條件下，棉花葉片葡萄糖，果糖，蔗糖和淀粉含量較正常供鉀處理有所升高[4]，葉片中蔗糖和淀粉含量也發生變化[22]。缺鉀也會造成可溶性總糖在大豆葉片中的積累[25]。在本研究中，缺鉀處理下，小麥旗葉可溶性總糖、蔗糖、葡萄糖、果糖含量有所升高，這是由于缺鉀導致糖轉運蛋白相關基因的表達下調，進而影響了糖的正常轉運[26-27]；另外，糖含量的增加能夠維持細胞膨壓，降低滲透式，使其適應逆境脅迫的生長環境[28]。在碳水化合物的代謝過程中涉及許多重要酶的參與，如蔗糖合成酶(SS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)、胞質果糖-1,6二磷酸酶，均需要鉀離子作為催化劑才能產生活性。SS和SPS的作用分別表現為催化蔗糖的降解以及控制蔗糖的合成。對小麥、玉米的光合碳氮代謝途徑研究發現，PEPCase、SPS和NADH/NR三種酶的調節在碳、氮平衡中起著重要作用[29]。干旱脅迫對小麥灌漿期SS和SPS合成均產生不利影響[30]。本研究表明，缺鉀處理的SS和SPS活性較正常供鉀處理均有所降低，且敏感型冬小麥總體差異顯著，推測是缺鉀抑制了細胞中SS和SPS基因表達[29,31]，進而影響到蔗糖的合成。

圖5 土壤缺鉀對冬小麥籽粒清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、麥谷蛋白含量的影響Fig.5 Effect of soil potassium deficiency on albumin，globulin，gliadin and glutemin contents in grains of winter wheat

圖6 土壤缺鉀對冬小麥籽粒硝酸還原酶(NR)活性的影響Fig.6 Effect of soil potassium deficiency on NR activity in grains of winter wheat

4 結 論

土壤缺鉀條件下，耐低鉀型和敏感型冬小麥品種旗葉、籽粒鉀含量和旗葉葉綠素含量均有所降低，且敏感型品種總體差異顯著；旗葉碳含量、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、粗蛋白質、醇溶蛋白、麥谷蛋白含量和硝酸還原酶活性降低，而清蛋白、球蛋白含量變化因品種而異。土壤缺鉀導致光合作用減弱，減少同化產物，抑制了旗葉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積累；同時抑制了硝酸還原酶活性，使得籽粒氮、粗蛋白質含量降低，影響蛋白組分含量，導致冬小麥碳氮代謝失衡。