不同形态钾肥对川紫薯2号花青素合成及其关键酶活性的影响

黄静玮 屈会娟 沈学善 李明 冯俊彦 谭文芳

摘要：为科学选用钾肥种类，促进紫色甘薯生产提质增效，研究不同形态钾肥对川紫薯2号花青素合成及其关键酶活性的影响，以无钾肥处理与不施肥处理为对照，设置K2SO4、KCl、KH2PO4、K2HPO4 4种不同形态钾肥处理，在移栽后不同阶段取样测定紫薯块根鲜质量、干质量、花青素含量、花青素积累量和花青素合成关键酶活性。结果发现，K2SO4处理对川紫薯2号鲜质量、花青素含量和积累量提升最为明显。经4种不同形态钾肥处理后，块根花青素合成关键酶活性与无钾肥对照组和不施肥对照组相比，大部分活性有所提升，但其变化趋势有所差异。表明，川紫薯2号对于不同形态钾肥表现出不同的敏感性，选择适合的钾肥，可有效提高其花青素含量，增加经济价值。

关键词：紫色甘薯;钾肥形态;花青素含量;酶活性

中图分类号：S539文献标识码：A文章编号：1000-4440（2020）06-1382-07

Abstract：In order to select the kinds of potassium fertilizer scientifically and improve the quality and efficiency of purple sweet potato， the effect of different forms of potash fertilizer on anthocyanin synthesis and key enzymes activities of Chuanzishu 2 were studied by using six treatments of K2SO4， KCl， KH2PO4， K2HPO4， potassium-free control and fertilizer-free control. The fresh root weight， dry root weight， anthocyanin content， anthocyanin accumulation and the key enzyme activity of anthocyanin synthesis were measured at different growth stages after transplanting. The results showed that the fresh root weight， anthocyanin content and anthocyanin accumulation of Chuanzishu 2 were significantly improved by K2SO4 treatment. Compared with the control group， the activities of the key enzymes in anthocyanin synthesis in root were improved by four different potash fertilizers， but the change trend was different. Chuanzishu 2 showed different sensitivities to different potash fertilizers. Choosing the suitable potash fertilizer can effectively improve the anthocyanin content of Chuanzishu 2 and increase economic value.

Key words：purple sweet potato;potassium forms;anthocyanin content;enzyme activity

據联合国粮食及农业组织（FAO）统计，中国2017年甘薯种植面积和总产量分别为3.37×106 hm2和7.20×107 t，在全世界占比分别为38.66%和63.84%，均位列世界首位[1]。在中国，甘薯种植面积分别居于农作物和粮食作物种植面积的第10位和第6位，对国家粮食安全有重要意义[2]。花青素具有抗氧化、抗突变、抗肿瘤等功能[3]，紫色甘薯富含矢车菊素、芍药素等花青素，且具有较好的光稳定性[4]。与蓝莓等富含花青素的浆果类水果相比，紫色甘薯具有适应性强、耐贫瘠、种植成本低、产量高、适宜在丘陵山区种植等特点，因此其市场发展空间和在脱贫攻坚中的应用前景十分广阔[5]。

甘薯是喜钾作物，钾元素对其块根膨大和物质积累有重要作用，也是体内苯丙氨酸解氨酶（PAL）等60余种酶的活化剂，合理施钾是甘薯提质增产的重要措施[6]。陈晓光等[7]指出甘薯封垄期和块根膨大期对钾肥的利用率与块根产量呈正相关;齐鹤鹏等[8]指出钾肥施用有利于增加单株结薯数量，不同品种甘薯产量随施钾量上升而提高，而不同品种因其基因型差异对钾肥施用时期和施用量的敏感性有所差异;宁运旺等[9]指出钾肥施用能提高苏薯 16号单株结薯数和薯质量，从而增加单季及周年产量;尹子娟等[10]指出适量施钾可提高甘薯产量及蛋白质、淀粉等营养物质含量，但施钾过量对产量和品质的提升效果有所下降。因此，合理施钾是提高甘薯产量和品质的关键技术。

钾元素可促进花色苷前体物质酚类化合物向类黄酮转换[11]以及腺嘌呤核苷三磷酸的合成[12]，在花青素合成代谢过程中具有重要作用。研究结果表明，合理施用钾肥有助于提高紫色马铃薯[13]、棕红色稻米[14]、苹果[15]、凤梨[16]、冬枣[17]、无花果[18]等作物中花青素含量，但当钾肥施用量过高时，则可能抑制果实中花青素的积累[15]。研究发现氯化钾可提高万紫薯56号花青素含量[19];速效钾可提高紫罗兰、济黑 1 号等6个不同品种紫色甘薯块根中花青素含量，但不同品种对钾肥的敏感性有所差异[20]。本课题组前期对绵紫薯9号、南紫薯008的研究结果表明，钾肥合理施用可提高紫色甘薯产量和花青素含量，有效降低生产成本，提高经济收益[21-22]。然而，目前针对不同形态钾肥对紫色甘薯花青素含量影响的相关研究较少，其作用机理尚不明确。本研究以川紫薯2号为材料，设置不同钾肥形态处理，研究不同阴离子相伴钾素对紫色甘薯产量、块根花青素含量、花青素积累量和花青素合成关键酶活性的影响，明确不同形态钾肥对紫色甘薯花青素合成的影响，为科学选用钾肥、紫色甘薯提质增产提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

供试材料采用川紫薯2号，该品种由四川省农业科学院作物研究所选育，2015年通过四川省农作物品种审定委员会审定（川审薯2015005）。该品种为紫肉食用型、中熟品种，鲜薯的花青素平均含量为0.191 8 mg/g。

1.2试验设计

试验于2017年3-11月在四川省农业科学院金堂县竹篙镇凤凰村试验基地进行，试验地为黄红紫泥土，土壤有机质含量9.87 g/kg，全氮含量0.75 g/kg，碱解氮含量67.0 mg/kg，速效磷含量7.7 mg/kg，速效钾含量98.0 mg/kg，pH为8.52。试验共设6个处理（1）施用K2SO4;（2）施用KCl;（3）施用KH2PO4;（4）施用K2HPO4;（5）无钾肥对照;（6）不施肥对照。处理（1）～（4）肥料用量为N 60 kg/hm2、P2O5 60 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，处理（5）N 60 kg/hm2、P2O5 60 kg/hm2、K2O 0 kg/hm2。氮肥、磷肥基施，钾肥基肥追肥比1∶1（质量比，基施时期为移栽成活后7 d，追施时期为薯块膨大期）。研究采用盆栽试验，盆栽土壤取自试验田耕作层，土壤自然风干后过筛，每盆装土10 kg，移栽前与肥料充分混匀。每盆移栽1株薯苗，每个处理36盆，合计216盆。试验于3月上旬育苗，6月15日移栽，11月8日收获。

1.3检测指标

1.3.1取样时期及标准块根膨大期开始，于移栽后第50 d、70 d、90 d、110 d、130 d和145 d取样，每个处理分别取长势一致的单株6株，挖取块根，用自来水充分洗净，自然晾干后备用待测。

1.3.2块根干物质积累测量每次取样后，分别测量川紫薯2号块根鲜质量，测量后切成1 cm3薯丁，充分混匀后随机取样3份，40 ℃烘72 h至块根恒质量，计算烘干率（烘干率=块根干质量/块根鲜质量）和干物质质量。将块根样品磨粉，过90目筛网后-20 ℃保存备用，以检测紫色甘薯块根中花青素含量。

1.3.3花青素含量及花青素生物合成关键酶活性检测采用柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液（ pH为3） 提取法对方法1.3.2冻存的样品进行花色苷提取，用紫外分光光度法检测川紫薯2号块根中花青素含量[23-24]。分别称取鲜薯块根样品1.0 g，在低温下磨成粉末状，加入9 ml PBS（0.01 mol/L）溶液，輕柔摇匀至粉末完全溶解，定容至10 ml，4 ℃离心15 min（4 000 r/min），收集上清液，即为酶提取液。采用酶联免疫法[25]分别检测川紫薯2号块根中苯丙氨酸解氨酶（PAL）、查尔酮异构酶（CHI）、二氢类黄酮还原酶（DFR）和类黄酮糖基转移酶（UFGT）4种花青素合成关键酶活性。

1.4数据处理

采用Origin 9 及SPSS 19 对试验数据进行整理和分析。

2结果与分析

2.1钾肥形态对川紫薯2号块根鲜质量和干质量的影响

川紫薯2号块根鲜质量和干质量均随生育期推进而增加，但不同钾肥形态处理组的增质量速率和最终增质量有所差异（图1）。在块根膨大期和收获期，4个钾肥处理组块根鲜质量及干质量均高于无钾肥对照组和不施肥对照组。川紫薯2号在不同生育时期，对不同形态钾肥敏感性存在差异，在移栽后50～110 d川紫薯2号对K2SO4、KCl和KH2PO4更为敏感，在移栽后 110 d，K2SO4、KCl和KH2PO4处理组块根鲜质量和干质量较无钾肥对照组显著提高，鲜质量较无钾肥对照组分别提高10.47%、14.45%和10.58%，干质量较无钾肥对照组分别提高14.83%、14.92%和10.37%。而在移栽后110～145 d川紫薯2号对K2SO4、KCl和K2HPO4更为敏感，在收获期，K2SO4、KCl、KH2PO4和K2HPO4处理组块根鲜质量和干质量较无钾肥对照组和不施肥对照组均显著提高，块根鲜质量较无钾肥对照组提高25.11%、24.62%、12.13%和23.24%，干质量较无钾肥对照组提高20.77%、14.36%、10.39%和22.35%，其中K2SO4、KCl和K2HPO4处理组块根鲜质量和干质量提升较KH2PO4处理组更为显著，且以K2SO4处理组提高最为显著。

2.2钾肥形态对川紫薯2号块根花青素含量和积累量的影响

川紫薯2号块根花青素含量随生育期推进先下降后升高，4个钾肥处理组及不施肥对照组的花青素含量在移栽后 90 d 降至最低点而后升高，而无钾肥对照组花青素含量则在移栽后 110 d降至最低点而后升高（图2a）。K2SO4和KH2PO4处理组块根花青素含量在收获期达到峰值，而KCl处理组块根花青素含量则在移栽后 130 d 达到峰值后略有下降。收获期，K2SO4、KCl、KH2PO4处理组块根花青素含量较无钾肥对照组增高，K2SO4处理组块根花青素含量最高，分别较无钾肥对照组和不施肥对照组升高13.83%和19.15%，K2SO4处理组块根花青素与无钾肥对照组相比无显著差异，与不施肥对照组相比有显著差异。

块根花青素积累量随生育期推进而增加，移栽后50～90 d花青素积累量增长平缓，移栽后90～145 d快速增加（图2b）。收获期以K2SO4处理积累量升高最明显，较无钾肥对照组升高37.41%，而KCl、KH2PO4和K2HPO4处理组块根花青素积累量较无钾肥对照组分别升高19.98%、14.69%和22.32%，4种钾肥处理组块根花青素积累量与无钾肥对照组相比均差异显著。

2.3钾肥形态对川紫薯2号块根花青素合成关键酶活性的影响

川紫薯2号块根PAL活性变化趋势差异较大，K2SO4处理组酶活性变化为先升高再降低，KCl、KH2PO4、K2HPO4处理组和无钾肥对照组呈现升高-降低-再升高-再降低的“双峰”曲线，而不施肥对照组PAL活性变化则为降低-升高-再降低（图3a）。施用KCl、KH2PO4和K2HPO4处理组以及无钾肥对照组，PAL活性2次峰值分别出现在移栽后70 d和110 d，以KH2PO4处理组酶活性最高，无钾肥对照组酶活性最低。而使用K2SO4处理，酶活性在块根膨大期呈上升趋势，于移栽后 110 d达到峰值，而后酶活性降低。各钾肥处理组和对照组，PAL活性均以移栽后 110 d最高，KH2PO4处理组峰值增高最为明显，分别较无钾肥对照组和不施肥对照组提升22.89%和23.83%，而K2SO4、KCl和KH2PO4处理组则较无钾肥对照组分别提升6.66%、11.78%和2.34%，较不施肥对照组分别提升7.47%、12.63%和3.13%。与结果2.2比较发现，在花青素快速积累期（移栽后90～130 d），K2SO4、KCl、KH2PO4和K2HPO4处理组PAL平均活性分别较无钾肥对照组增加7.06%、3.51%、11.11%和3.47%，酶活性增加较移栽后50～90 d更为明显。

不同钾肥处理组块根CHI活性随生育期整体表现为上升趋势，K2SO4处理组、无钾肥对照组和不施肥对照组的块根CHI酶活性峰值为移栽后 130 d，而KCl、KH2PO4、K2HPO4处理组的块根CHI活性峰值为移栽后 110 d（图3b）。不同钾肥处理后，以KCl处理组块根CHI平均活性最高，较无钾肥对照组提升11.61%，而K2SO4处理组CHI平均活性较无钾肥对照组提升0.21%。与结果2.2比较发现，在花青素积累增长较快期（移栽后 90 d开始），K2SO4和KCl处理组CHI平均活性则较无钾肥对照组有所增加，分别增加0.82%和9.81%。

川紫薯2号块根DFR活性在块根膨大期变化较大，K2SO4和KH2PO4处理组块根DFR活性变化趋势相似，在移栽后 70 d DFR活性最高，而后下降，KCl、K2HPO4处理组及不施肥对照组，块根DFR活性随生育期推进先降低后升高，以移栽后 50 d最高，移栽后 110 d最低，而无钾肥对照组块根DFR活性随时间推移下降（图3c）。块根膨大期，KCl和KH2PO4处理组块根DFR平均活性较高，较无钾肥对照组增高14.90%和13.38%，较不施肥对照组增高20.21%和18.62%。与结果2.2比较发现，在花青素积累较快期（移栽后90 d开始），KCl和KH2PO4处理组块根DFR平均活性则较无钾肥对照组分别增加22.74%和11.27%。

不同处理组块根UFGT活性在移栽后50～90 d变化平缓， 90～110 d明显升高， 110～130 d 变化平缓，不同处理间变化趋势有所差异，K2SO4、KH2PO4处理组、无钾肥对照组和不施肥对照组的块根UFGT活性峰值为移栽后 110 d，而KCl和K2HPO4处理的块根UFGT活性峰值为移栽后 130 d（图3d）。K2HPO4处理组块根UFGT活性均值最高，较无钾肥对照组和不施肥对照组提高22.88%和22.15%，而K2SO4、KCl和KH2PO4处理组较无钾肥对照组提升9.88%、1.41%和12.74%，较不施肥对照组提升9.23%、0.81%和12.07%。与结果2.2比较发现，在花青素积累较快期（移栽后90～130 d），K2SO4、KCl、K2HPO4和KH2PO4处理组块根UFGT平均活性较无钾肥对照组和不施肥对照组提升率低于移栽后50～90 d。

3讨论

本研究结果表明，川紫薯2号对于K2SO4、KCl、KH2PO4、K2HPO4 4种钾肥的敏感性有差异。钾肥施用方式可显著影响甘薯产量及品质，适量增施钾肥可有效提高甘薯块根膨大率和干物质含量，增加收获期甘薯单株薯数及薯质量[9， 26]。本研究结果表明，与无钾肥对照组和不施肥对照组相比，4种钾肥处理均可提高川紫薯2号单株块根鲜质量和干质量，以K2SO4提高最为显著。这与朱红等[27]使用KCl和K2SO4处理徐紫薯，当施用量为75～150 kg/hm2时，施用K2SO4处理对于甘薯提质增产效果优于施用KCl处理的结论相符。

本研究结果表明，钾肥施用能提高川紫薯2号花青素积累量，这与张菡等[19]在万紫薯56号，郭亮虎等[20]在济黑 1号、济黑 2号，朱玲等[21]在绵紫薯9号等紫色甘薯品种上的研究结果一致。另有研究结果表明，在苹果、凤梨等植物上，随着钾施用量不断提高，其花青素含量会随之先升后降，但当施用量过大时则会降低其提升花青素含量的效率，甚至抑制花青素的合成[19， 28]，因此钾肥的适量施用是提升作物花青素含量和积累量的关键。同时，本研究结果表明，采用相同K2O施用量，川紫薯2号花青素合成量和积累量因钾素相伴阴离子差异而有所差异，在4种钾肥形态中，川紫薯2号对K2SO4最为敏感，提升幅度最大，而对K2HPO4敏感性则较低，选用K2SO4，更有利于节本增效。

PAL是花青素生物合成途径的第一个关键酶，研究结果表明PAL活性与花青素合成正相关[29-31]。本研究结果表明，钾肥施用可提高PAL活性，促进花青素合成，钾肥处理后块根PAL平均活性较无钾肥对照组和不施肥对照组在花青素快速积累期提升率更为显著，因此钾肥可通过提升PAL活性，提高紫色甘薯块根中花青素含量，这与明兴加等[32]、李云萍[33]的研究结果所示紫色甘薯花青素含量与PAL活性呈正相关的结果相符合。花青素含量与CHI活性正相关，紫色甘薯渝紫 263号CHI在不同部位的表达量与其花青素含量呈正相關[34]。本研究中对川紫薯2号施用不同形态钾肥后，K2SO4、KCl处理组块根CHI平均活性高于无钾肥对照组，并且在花青素快速积累期K2SO4处理组CHI平均活性提升率高于其他时期，这可能是K2SO4、KCl处理组收获期块根花青素含量和积累量均较高的原因之一。DFR可利用3种二氢黄酮醇分别合成无色天竺葵素、无色飞燕草素和无色矢车菊素，与紫色甘薯花青素合成相关[35]。本研究中施用KCl和KH2PO4可提高DFR活性。郭晋雅等[36]、刘小强[37]的研究结果则表明，IbDFR能将二氢黄酮醇类底物还原为花色素直接前体（无色原花色素），以促进花色苷合成，紫色甘薯块根中IbDFR表达量与花青素含量变化趋势一致，这与我们的研究结果有所差异，分析原因可能是紫色甘薯品种不同所致，紫色甘薯对不同形态钾肥的敏感性可能与其基因型密切相关，而川紫薯2号DFR的编码基因和调控基因可能对KCl和KH2PO4更为敏感。UFGT有利于改善花青素稳定性[38]，其编码基因UF3GT基因在紫色甘薯中表达量较高[39]。本研究结果表明4种钾肥施用后，川紫薯2号UFGT活性均有所升高，但其对不同钾肥形态敏感性有所差异，对K2HPO4最为敏感。虽然K2HPO4处理组PAL、DFR及CHI活性较无钾肥对照组无明显变化，但其花青素积累量较无钾肥对照组明显升高，这可能与K2HPO4显著提高UFGT活性，增强块根中花青素稳定性相关。花青素合成量和积累量的改变是PAL、DFR、CHI、UFGT等多种酶共同作用的结果[40]，不同形态钾肥作用的靶酶有所差异，而K2SO4处理后，PAL、CHI、UFGT活性较无钾肥对照组和不施肥对照 组均有所提高，尤其是在花青素快速积累期提高更为显著，这可能是川紫薯2号在K2SO4处理后花青素含量及积累量增加最为显著的原因。

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（责任编辑：陈海霞）