施氮量對慈姑淀粉積累及淀粉合成酶活性的影響

中圖分類號：S645.9 獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 章編號：1673-2871（2025）06-152-06

Effects of nitrogen application rate on starch accumulation and starch synthetase activity inSagittariasagittifolia

LIN Zhicheng'， JIANG Wen'， GAO Meiping'， TAO Yunrong2， YANG Qunfang2， LIANG Lingling2 （1.Vegetablechsiuteidemulieniin;glet culturalcienceesearchIstitute，ingle44o，uangxi，ina）

Abstract： Inorder to studythe efects of different nitrogen applicationrateson starch accumulationand the activityof keyenzymesofstarch synthesisduring thedevelopmentofSagitariasagitifolia，fourdifferentnitrogenapplicatiorates were setup with the main variety of S sagittifolia GuiciNo.1 in Guangxi as experimental material.With the increase of nitrogenapplicationrate，thecontentof amylose，amylopectinand total starchincorms increasedatfirstand thendecreased，andN2 treatment （ 240kg?hm^-2 had the best effect.The peak time of enzyme activity and starch accumulation rate was not affct bydifferent nitrogen applicationrates，which occurred inthe middle stageofcorm expansion（90 days after planting），and the amylopectinand total starch accumulationrateof N2 treatment had the maximum afterplanting 75and90days.Furthercorrelationanalysisshowedthatthestarchaccumulationratewassignificantlypositivelycorrelated with GBSS，SSS，AGP，and SBEactivity.In general，the starch contentof Guici No.1 isthehighest underN2 treatment（ 240kg?hm^?2） ，and the reasonable application of nitrogen fertilizer is conducive to the accumulation of starch in S sagittifolia and improvement of quality.

KeyWords：Sagittaria sagitifolia;Nitrogen applicationrate; Starch accumulation; Starch synthase

慈姑是澤瀉科慈姑屬直立水生草本植物，又稱慈菇、茨菇等，原產(chǎn)中國，食用部分為地下球莖，供應(yīng)冬季蔬菜市場。慈姑作為藥食兩用蔬菜，不僅具有較高的營養(yǎng)價值，還含有多種生物活性成分，有涼血止血、散結(jié)解毒、止咳通淋之功效[。慈姑在中國分布于長江流域及其以南各省份，太湖沿岸及珠江三角洲為主產(chǎn)區(qū)，北方有少量栽培2。目前廣西栽培面積最大，常年種植面積 4000hm² 以上[3]。

淀粉是慈姑球莖的重要組成部分，含量 （ω ，后同）約為 52.3% （干質(zhì)量）。淀粉的合成受一系列酶調(diào)控，主要有腺嘌呤-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPP）顆粒淀粉合成酶（GBSS）、可溶性淀粉合成酶（SSS）、淀粉分支酶（SBE）和去分支酶（DBE）[46]。諸多研究表明，氮肥能影響淀粉的生物合成。吳世雨等在甘薯中研究表明，在塊根膨大過程中，施氮量會對甘薯塊根膨大過程中淀粉含量及特性產(chǎn)生顯著影響，施用氮肥可顯著提高心香和商薯19兩個甘薯品種的淀粉含量。戴明等在玉米中研究表明，施氮可顯著影響寒區(qū)春玉米干物質(zhì)積累和淀粉合成，在較高的氮水平下，玉米干物質(zhì)積累量、淀粉合成相關(guān)酶活性及淀粉積累速率更高。在馬鈴薯中，李勇等選用高淀粉品種克新22號和低淀粉品種克新19號進(jìn)行研究，結(jié)果表明，2個品種塊莖的淀粉產(chǎn)量隨施氮量的增加則呈先增加后降低的趨勢，其中施氮量為 150kg?hm^-2 時，高淀粉品種克新22號塊莖的淀粉產(chǎn)量達(dá)到最高，為 11.27t?hm^-2 ；施氮量為225kg?hm^-2 時，低淀粉品種克新19號塊莖的淀粉產(chǎn)量達(dá)到最高，為 8.99t?hm^-2 。由此可見，氮肥對不同作物的淀粉生物合成影響不一，具有較大差異。

慈姑淀粉近些年來逐漸被開發(fā)利用。日本、韓國等對慈姑片、慈姑淀粉等的需求量不斷增加，慈姑種植面積逐年擴(kuò)大。目前，國內(nèi)外在慈姑淀粉合成方面的研究較少，而氮肥對慈姑淀粉含量及淀粉合成酶活性的影響至今尚未見報道。鑒于此，筆者以廣西主栽慈姑品種桂慈1號為試驗材料，通過設(shè)置4個不同施氮水平處理，研究慈姑球莖發(fā)育過程中淀粉積累規(guī)律及淀粉合成關(guān)鍵酶AGPP、GBSS、SSS和SBE活性對氮肥的響應(yīng)，初步探明施氮量對慈姑淀粉積累及淀粉合成酶活性的影響，以期為進(jìn)一步闡明慈姑淀粉生物合成機(jī)制奠定基礎(chǔ)，同時有利于指導(dǎo)生產(chǎn)上慈姑氮肥管理和慈姑品質(zhì)機(jī)制進(jìn)一步研究，從而提升慈姑的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展水平。

1 材料與方法

1.1材料

試驗于2022年和2023年在廣西桂林市平樂縣橋亭鄉(xiāng)進(jìn)行。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫 ，白天日照時間長，每年有310d無霜期。土壤質(zhì)地為紅壤土，通氣、透水性能良好，適宜慈姑球莖生長發(fā)育。測定的土壤基本理化性狀如下： pH6.4 ，有機(jī)質(zhì)含量（ （ρ_w ，后同） 164.3g?kg^-1 ，全氮含量 2.16g?kg^-1 ，有效磷含量 16.5mg?kg^-1 ，速效鉀含量 83mg?kg^-1 。供試肥料為尿素（N含量 46% ）氯化鉀 （K₂O 含量 60% ）、過磷酸鈣 （P₂O₅ 含量 16% ，均購自當(dāng)?shù)剞r(nóng)資市場。供試植物材料為目前廣西慈姑主栽品種桂慈1號，由廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院自主選育。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，設(shè)置施氮量4個水平，分別為不施氮肥處理（CK）、 120kg?hm^-2 （N1） _{?240kg?hm^-2（N2）} 和 360kg?hm^-2（N3） 。施用方法：氮肥總量的 50% 作基肥（定植前）， 20% 第一次追肥（幼苗期，定植后 30d） ， 20% 第二次追肥（分蘗期，定植后60d）， 10% 第三次追肥（膨大初期，定植后 75d） 。具體氮肥施用量和時期見表1。磷肥總量 30% 作基肥， 30% 作第一次追肥， 20% 第二次追肥（膨大初期）， 20% 第三次追肥（膨大中期）。鉀肥總量 30% 作為基肥， 20% 作第一次追肥， 20% 第二次追肥（膨大初期）， 30% 第三次追肥（膨大中期）。試驗小區(qū)面積 30m² ，株行距 40cm×60cm ，種植密度為2800株 ?667m^-2，3 次重復(fù)，共計12個小區(qū)。試驗分別于2022年8月20日和2023年8月20日，移栽至大田定植，12月30日收獲，其他田間管理措施按照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培要求實施。

1.3 測定項目與方法

1.3.1材料采集從慈姑移栽定植后60d開始采集樣品，每隔15d采集一次，共采集4次。試驗小區(qū)的一半設(shè)為采樣區(qū)，另一半設(shè)為考種測量區(qū)。所采樣品一部分烘干至恒質(zhì)量，測定干物質(zhì)含量，另一部分樣品經(jīng)液氮處理后，保存于 -80^°C ，用于測定相關(guān)酶活性。

1.3.2農(nóng)藝性狀測定定植后60d測定株高和分蘗數(shù)；充分成熟期，去除邊際效應(yīng)，采用3點取樣法，隨機(jī)選取3個點，每點連續(xù)挖取10株，稱其球莖質(zhì)量，統(tǒng)計球莖的質(zhì)量和數(shù)量，求出平均單株產(chǎn)量。產(chǎn)量 平均單株產(chǎn)量 ×667m² 株數(shù)。

1.3.3淀粉積累量及關(guān)鍵酶活性測定參照試劑盒說明書，測定直鏈、支鏈、總淀粉含量和淀粉合成關(guān)鍵酶（GBSS、AGPase、SSS和SBE）活性，試劑盒均由蘇州格銳思生物科技有限公司提供。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用2a（年）試驗數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析。采用SPSS20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用Origin2019制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1施氮量對慈姑產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表2可知，施氮量對慈姑產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素影響顯著。不同氮肥水平下，慈姑株高、分蘗數(shù)、球莖平均單果質(zhì)量及產(chǎn)量均顯著大于不施氮處理（CK）。隨著施氮量的增加，株高和分蘗數(shù)呈持續(xù)增加趨勢，在N3水平下達(dá)最大值；慈姑球莖橫徑、球莖縱徑、平均單果質(zhì)量及產(chǎn)量隨施氮量增加呈先上升后下降的趨勢，在N2水平下達(dá)最大值。除不施氮CK外，各氮肥處理下，球莖橫徑和縱徑差異并不顯著；在低氮（N1）和高氮（N3）水平處理下，平均單果質(zhì)量差異不顯著。以上結(jié)果表明，與CK相比，一定范圍內(nèi)增施氮肥對慈姑的生長發(fā)育具有明顯的促進(jìn)作用，但高施氮下，產(chǎn)量并未增加反而下降。

2.2施氮量對慈姑球莖淀粉含量和淀粉積累速率 的影響

由表3可知，隨著慈姑球莖膨大過程的推進(jìn)，球莖中直鏈淀粉含量呈下降趨勢，而支鏈淀粉和總淀粉含量則一直呈上升趨勢。與CK相比，一定范圍內(nèi)施用氮肥，能夠顯著提高慈姑球莖中的直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量，而不施氮肥（CK）的各指標(biāo)含量較低。其中，N2水平下直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量提高的效果最顯著，直鏈淀粉含量在球莖膨大初期（定植后60d）達(dá)到最高 195.6mg?g^-1 ，而支鏈淀粉和總淀粉含量均在球莖膨大后期（定植后105d））達(dá)到最高值，分別為 453.7mg?g^-1 和555.7mg?g^-1 。高氮（N3）處理下，直鏈淀粉、支鏈淀粉及總淀粉含量顯著低于N2處理，但高于CK和N1（除支鏈淀粉含量在定植90d外）。以上結(jié)果表明，慈姑對氮肥需求量較大，但過量氮肥也會導(dǎo)致慈姑球莖中直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量下降。

圖1結(jié)果表明，隨著慈姑球莖膨大過程的推進(jìn)，各施氮處理球莖中直鏈淀粉的積累速率呈先降后升的趨勢；N2處理的支鏈淀粉的積累速率呈下降趨勢，其他處理均呈先升后降的趨勢；各處理總淀粉積累速率均符合先升后降的趨勢。在施氮各處理中，隨著施氮量的增加，直鏈淀粉在定植90、105d的積累速率呈先上升后下降再上升的趨勢，而支鏈淀粉和總淀粉積累速率在定植75、90d均呈先上升后下降的趨勢，總淀粉積累速率在定植105d呈先下降后上升的趨勢。其中，在定植75和90d，N2水平下支鏈淀粉和總淀粉積累速率達(dá)最大值。當(dāng)施氮達(dá)到N3水平時，支鏈淀粉積累速率有所下降，總淀粉積累速率在定植75、90d均有所下降，在105d較N2有一定提高。由此可見，不同氮肥處理對球莖中直鏈、支鏈和總淀粉積累速率存在不同程度的影響，而不同施氮水平對各淀粉積累速率峰值和谷值出現(xiàn)的時間影響不大，均發(fā)生在膨大中期（定植后90d）。

2.3施氮量對慈姑球莖淀粉合成關(guān)鍵酶活性的影響

由圖2可知，在慈姑球莖膨大過程中，GBSS活性呈先降后升的趨勢，而AGPP、SSS和SBE活性則呈先升后降的趨勢。在定植后60＼～90d，隨施氮量增加，GBSS、SSS和SBE活性均呈先升后降的趨勢，在N1或N2水平達(dá)最高，而N3高氮處理下，活性均有所降低。不同氮肥水平對AGPP、GBSS、SSS和SBE活性峰值或谷值出現(xiàn)的時間影響不大，其中GBSS活性谷值出現(xiàn)在膨大中期，而AGPP、SSS和SBE活性峰值也均出現(xiàn)在膨大中期。

2.4不同施氮水平下慈姑淀粉積累速率與關(guān)鍵酶活性相關(guān)性分析

由表4可知，不同氮肥水平下，球莖中淀粉積累速率與AGPP、GBSS、SSS和SBE活性均呈顯著或極顯著正相關(guān)。其中，GBSS、SSS活性與淀粉累積速率均呈顯著正相關(guān)，AGPP、SBE活性與淀粉累積速率均呈極顯著正相關(guān)，說明AGPP和SBE在慈姑球莖淀粉積累中起重要作用。

3 討論與結(jié)論

現(xiàn)代作物的高產(chǎn)常常伴隨著大量甚至過量的氮肥投入。許多研究表明，過量氮肥施用不利于作物產(chǎn)量和品質(zhì)提高。筆者對不同施氮量對慈姑產(chǎn)量及構(gòu)成因子的影響分析表明，施用氮肥能有效促進(jìn)慈姑生長從而獲得較高產(chǎn)量。施氮量為 240kg?hm^-2（N2） 不僅能增加分蘗數(shù)，還能提高平均單果質(zhì)量，最終增加產(chǎn)量；而過量施用氮肥（N3）雖增加株高和分蘗數(shù)，但平均單果質(zhì)量下降，球莖產(chǎn)量并未提高，這可能是由于生育后期過量施氮造成慈姑貪青晚熟，無效分蘗增多，不利于增產(chǎn)。韓柏岳等[研究表明，在高原東部旱作麥區(qū)，適宜施氮量 （150kg?hm^-2） 能增加葉面積指數(shù)，保證光能利用，最終增加收獲指數(shù)和產(chǎn)量；而過量施用氮肥 （210kg?hm^-2） 雖增加干物質(zhì)質(zhì)量和株高，但葉面積指數(shù)未增加，收獲指數(shù)下降，籽粒產(chǎn)量下降，這與本研究結(jié)果相似，類似報道還見于水稻、甘薯[2]、芹菜[3]、高梁[14]等作物。而何嘉輝等[15]在水稻中的研究表明，適當(dāng)減施氮肥和增施氮肥對超級稻瑋兩優(yōu)8612產(chǎn)量均未造成顯著的影響，這可能與自身氮肥利用特性有關(guān)。由此可見，不同物種或品種對氮肥響應(yīng)具有差異性，后續(xù)還有待進(jìn)一步探討。

Note：* and ** indicate significant correlation at O.O5 and 0.01 level， respectively.

淀粉是慈姑球莖中的重要貯藏成分，淀粉的合成涉及多階段的酶促反應(yīng)，AGPP、SSS、GBSS、SBE發(fā)揮著關(guān)鍵作用，分析關(guān)鍵酶活性對優(yōu)化慈姑淀粉合成和提高產(chǎn)量具有重要意義。關(guān)于氮肥對淀粉合成關(guān)鍵酶活性的影響已有較多報道，但結(jié)果不一。李勇等研究認(rèn)為，氮肥能提升高淀粉品種馬鈴薯淀粉合成相關(guān)酶活性和淀粉的積累量。白文明[試驗表明，前期施氮使淀粉合成酶活性降低，中后期施氮使淀粉合成酶活性提高，而最終淀粉含量無明顯變化。余雙雙研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增施氮肥能夠有效提升小麥灌漿中后期淀粉合成酶活性和淀粉含量，其中YN301品種在施氮量為240kg?hm^-2 時酶活性綜合表現(xiàn)最佳。李雙等在小麥籽粒中有相似的報道，且指出過量氮肥會抑制淀粉合成酶活性。本研究結(jié)果表明，增施氮肥，能提升淀粉合成酶GBSS、AGPP、SSS、SBE的活性，但過量施用反而降低酶活性，其中施氮量為120kg?hm^-2 時的酶活性綜合表現(xiàn)最佳。本研究進(jìn)一步表明，AGPP、SBE及SSS活性隨著球莖膨大進(jìn)程的推進(jìn)，均呈先升高后降低的趨勢，且均在移栽后 90d 達(dá)到峰值，而GBSS活性隨著球莖膨大進(jìn)程的推進(jìn)，均呈先降低后升高的趨勢，在移栽后90d達(dá)到谷值，其中施氮量為 240kg?hm^-2 的處理酶活性最高，與余雙雙的研究結(jié)果一致。

淀粉含量及直鏈/支鏈淀粉比值對作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要影響。李勇等研究表明，隨著施氮量的增加，克新22號馬鈴薯的塊莖直鏈、支鏈及總淀粉含量均呈先增加后降低的單峰曲線變化。高美萍等[]對荸薺研究有類似的報道，柳強娟等[2]對寧夏旱區(qū)馬鈴薯塊莖研究表明，隨著施氮量的增加，總淀粉和支鏈淀粉含量呈先上升后下降的趨勢，而直鏈淀粉含量則隨著施氮量的增加呈增加趨勢；還有研究表明，提高氮肥水平可以降低直鏈/支鏈淀粉的比值，達(dá)到改善面條加工品質(zhì)的效果[2]。在本試驗中，與CK相比，一定范圍內(nèi)施用氮肥，能夠顯著提高慈姑球莖中的直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量，隨著施氮量的增加呈先增后降的趨勢，當(dāng)施氮達(dá)到N3水平時，均有所下降。上述研究結(jié)果與柳強娟等[20、高美萍等[的研究結(jié)果一致。由此可見，不同作物的直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量對氮肥的響應(yīng)具有差異性，這可能與作物自身對氮肥吸收利用有關(guān)，可待后續(xù)深入探討。

淀粉合成酶活性決定著淀粉合成及淀粉積累速率。在玉米中，與不施氮肥或低氮水平相比，較高的氮水平下，玉米氮素吸收量、淀粉合成相關(guān)酶活性及淀粉積累速率更高，淀粉合成相關(guān)酶活性與淀粉累積速率、淀粉含量和產(chǎn)量均呈顯著正相關(guān)。在馬鈴薯研究中表明，AGPP、UGPP、SSS、GBSS、SBE活性與淀粉含量均呈正相關(guān)，其中AGPP活性對各類淀粉含量的直接貢獻(xiàn)最大[2。本研究結(jié)果表明，AGPP、GBSS、SSS和SBE活性與淀粉積累速率均呈顯著或極顯著正相關(guān)，進(jìn)一步表明，AGPP、GBSS、SSS和SBE活性對淀粉合成及淀粉積累速率具有重要影響。

綜上所述，施加氮肥會對慈姑球莖膨大過程中直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量及其淀粉合成酶（AGPP、GBSS、SSS和SBE）活性產(chǎn)生不同程度的影響。其中桂慈1號在 240kg?hm^-2 施氮量下淀粉含量最高，合理施氮有利于慈姑淀粉的積累及其品質(zhì)提升。

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