【摘要】：中國是世界上馬鈴薯種植大國,馬鈴薯種植面積和總產量均居世界第一。湖北省是中國馬鈴薯重要產區(qū)之一,馬鈴薯種植面積25.3萬ha。鉀作為馬鈴薯需求量最大的礦質養(yǎng)分,對馬鈴薯的生長發(fā)育及品質起著重要作用。適宜的鉀肥用量和配比是促進馬鈴薯生長,提高馬鈴薯產量和品質的主要措施之一。探究鉀肥用量對馬鈴薯生長發(fā)育的影響及其調控機制,明確湖北省馬鈴薯鉀肥適宜用量及配比,對湖北省馬鈴薯鉀肥的合理施用及馬鈴薯產業(yè)的發(fā)展具有重大的指導意義。同時,隨著2015年中國“馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略”的提出與實施,利用馬鈴薯替代或部分替代其他主糧加工成粉條、面條、饅頭等主食被越來越受到重視。兼顧提高馬鈴薯產量和改善馬鈴薯加工品質是當前馬鈴薯主糧化的重點研究內容。淀粉作為馬鈴薯塊莖的主要成分,馬鈴薯淀粉加工特性直接影響馬鈴薯食品加工品質及馬鈴薯主糧化發(fā)展前景。我們通過鉀肥施用調控馬鈴薯產量的同時,必須關注馬鈴薯淀粉加工特性的變化。明確鉀肥用量對馬鈴薯淀粉加工特性的影響,對生產優(yōu)質高產的馬鈴薯淀粉及推進馬鈴薯主糧化進程具有重要意義。因此,本研究通過多點的田間試驗,研究了鉀肥用量以及鉀與氮磷配施對湖北省不同地區(qū)馬鈴薯生長、產量、養(yǎng)分累積分配的影響;通過對葉片光合碳代謝的分析,并利用RNA-seq測序技術分析葉片基因表達情況,揭示鉀肥對葉片生長及生理功能的調控機制。通過對馬鈴薯淀粉組成、結構、熱力學特性、糊化特性以及老化特性等方面的分析,明確了鉀肥用量對馬鈴薯淀粉加工特性的影響。得到主要研究結果如下:(1)明確了湖北省馬鈴薯鉀肥適宜用量通過湖北省平原區(qū)(云夢、襄州)和鄂西山區(qū)(建始、利川)馬鈴薯不同鉀肥用量(0、120、240、360、480 kg/ha)田間試驗得到了不同試驗點鉀肥效應方程:y=-0.1983x~2+114.82x+28334(云夢)、y=-0.1584x~2+87.158x+31149(襄州)、y=-0.1131x~2+55.252x+23795(建始)、y=-0.1047x~2+50.688x+21138(利川),確定了平原區(qū)和鄂西山區(qū)最佳經濟鉀肥用量分別為258.3~276.1 kg/ha和216.6~220.7 kg/ha。與不施鉀肥相比,施用鉀肥平原區(qū)和鄂西山區(qū)平均增產35.9%和21.9%,同時提高了大薯率,降低了小薯率。施用鉀肥促進馬鈴薯植株各器官的生長,平原區(qū)和鄂西山區(qū)馬鈴薯植株干物質總量分別增加34.5%和21.6%。施用不同量的鉀肥,馬鈴薯植株鉀素積累量平原區(qū)在209.06~308.26 kg/ha之間,比不施鉀肥平均增加67.0%;鄂西山區(qū)在209.06~308.26 kg/ha之間,比不施用鉀肥平均增加49.3%。其中50%以上的鉀素被分配到塊莖中。馬鈴薯鉀肥利用效率均隨鉀肥用量的增加而降低,平原區(qū)鉀肥利用效率高于鄂西山區(qū)。(2)明確了馬鈴薯養(yǎng)分吸收特性以及氮磷鉀肥施用比例通過在云夢、安陸、隨縣、襄州4個試驗點氮磷鉀配施試驗表明,馬鈴薯植株氮、磷、鉀積累量,常規(guī)施肥處理平均為156.45 kg/ha、58.17 kg/ha和266.40 kg/ha,推薦施肥處理平均為153.85 kg/ha、61.74 kg/ha和275.97 kg/ha。馬鈴薯植株各器官氮、磷、鉀累積分配比均表現(xiàn)為塊莖葉莖根。塊莖氮、磷、鉀累積分配比,常規(guī)施肥處理在52.9%~61.1%、70.2%~76.0%和53.9%~63.5%之間,推薦施肥處理在59.8%~65.9%、76.2%~78.7%和61.4%~67.3%之間。在推薦施肥條件下,每生產1000kg塊莖N、P_2O_5、K_2O吸收量平均為3.32 kg,1.33 kg和5.95 kg,氮磷鉀吸收比為1:0.40:1.79。目標產量為37500~45000 kg/ha時,N、P_2O_5、K_2O施用量分別在129~219kg/ha、70~126 kg/ha、156~282 kg/ha之間。每生產1000塊莖N、P_2O_5、K_2O施肥量為3.44~4.86 kg/ha、1.85~2.81 kg/ha、4.16~6.27 kg/ha之間。氮磷鉀肥施用比為1:0.53~0.58:1.17~1.29。推薦施肥處理馬鈴薯氮、磷、鉀肥利用率平均為39.2%、25.9%和50.1%,比常規(guī)施肥分別提高7.9、14.4和10.3個百分點,而肥料折純總量降低26.8%,產量增加13.0%,收益增加18.5%,產投比增加49.5%。(3)揭示了鉀肥對葉片光合碳代謝及衰老的調控機制與不施鉀肥相比,鉀肥施用促進了葉片生長,提高了塊莖產量,單葉干重平均提高32.7%,塊莖產量提高45.9%。施用鉀肥一方面通過提高葉綠素含量、光合速率,以及Rubisco、蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶活性,促進了葉片光合產物的合成;同時降低了葉片中非結構性碳水化合物的含量,促進了葉片光合產物的轉運。另一方面,施用鉀肥降低了葉片MDA、脯氨酸和ABA累積,延緩了葉片的衰老。鉀肥施用對葉片生理功能調控存在葉位上的差異。鉀肥施用對下部葉片的影響大于上部葉片。我們利用RNA-seq技術對下部葉片開展了進一步的轉錄組測序分析。結果表明,與不施鉀肥處理相比,施用鉀肥葉片中539個基因出現(xiàn)差異表達,其中255個上調,284個下調。GO富集分析表明,差異基因主要富集于細胞內穩(wěn)態(tài)、光合作用等生物學過程。KEGG富集分析表明,差異表達基因主要富集于光合作用、代謝途徑以及次級代謝途徑。對差異基因進一步分析表明,施用鉀肥上調表達與細胞內穩(wěn)態(tài)相關的谷氧還蛋白等基因,使細胞維持良好的氧化還原穩(wěn)態(tài)。光合作用途徑中葉綠素蛋白復合體、ATP酶、PSⅠ、PSⅡ以及細胞色素b6/f復合體關鍵基因受鉀肥施用上調表達,從而促進了葉片光合作用。施用鉀肥苯丙烷途徑中關鍵酶咖啡酰輔酶A氧甲基轉移酶、肉桂酰輔酶A還原酶和肉桂醇脫氫酶基因有下調表達。缺鉀脅迫導致了碳流向苯丙烷次生代謝方向轉變。同時,ABA受體蛋白PYL4基因受鉀肥施用下調表達,從而抑制ABA信號。綜上所述,施用鉀肥一方面通過上調表達光合作用相關基因促進光合作用和同化產物的合成,另一方面通過降低脂質過氧化,維持細胞內氧化還原穩(wěn)態(tài),并抑制ABA信號,延緩葉片衰老,從而促進馬鈴薯植株生長,提高塊莖產量。(4)明確了鉀肥用量對馬鈴薯淀粉加工特性的影響與施用135 kg/ha鉀肥相比,增加鉀肥用量提高了馬鈴薯塊莖產量和淀粉產量。施用270 kg/ha鉀肥馬鈴薯塊莖產量和淀粉產量最高,比施用135 kg/ha鉀肥處理相比分別增加28.6%和32.6%。隨著鉀肥用量的增加,降低了淀粉中直鏈淀粉、直/支比、磷含量和淀粉粒徑。鉀肥用量并不改變淀粉結晶類型,但淀粉結晶度隨鉀肥用量的增加而增加。增加鉀肥用量增加了淀粉的膨脹度,提高了淀粉吸水膨脹能力。熱力學性質分析表明,增加鉀肥用量降低了糊化溫度,增加了糊化焓,提高了淀粉的糊化程度。淀粉崩解值隨鉀肥用量的增加而降低,表明增加鉀肥用量提高了淀粉的熱穩(wěn)定性和抗剪切能力。同時,增加鉀肥用量降低了淀粉的回生值,提高了淀粉糊貯藏期間的透明度,抑制了淀粉糊在冷卻和貯藏期間的老化回生。由此表明,提高鉀肥用量可以改善馬鈴薯淀粉加工特性。綜合考慮淀粉產量與品質,施用270 kg/ha鉀肥可獲得較高的塊莖產量、淀粉含量和淀粉產量,以及優(yōu)質的馬鈴薯淀粉。
【圖文】：

個主要產區(qū)（圖 1-1），分別為北方一作區(qū)（Ⅰ）、中原二）、西南一二季作垂直分布區(qū)（Ⅳ）（滕宗t牭，

本文編號：2634670