黑膜覆蓋對旱地馬鈴薯塊莖淀粉積累和關鍵酶活性的影響

吳佳瑞 康建宏 柳強娟 慕 宇 孫建波 吳 娜

(寧夏大學農學院,寧夏銀川 750021)

馬鈴薯原產于南美洲的秘魯南部地區,是一種世界性經濟作物,分布廣泛,容易栽培；薯塊宜糧、宜菜、宜飼和宜加工成淀粉等產品,被稱為“地下蘋果”[1-3]。馬鈴薯塊莖含水量約80%,干物質約20%,主要成分為淀粉,淀粉含量的高低是評價馬鈴薯品質優劣、產量高低的一項重要指標[4-5]。馬鈴薯塊莖中淀粉的生物合成是一個復雜的生理生化過程,在淀粉合成的各階段都有不同的酶發揮作用。研究認為,馬鈴薯塊莖中催化淀粉合成的酶主要包括腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(adenosine diphosphate glucose pyrophosphorylase,AGPase)、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(uridine diphosphate glucose pyrophosphorylase,UGPase)、束縛態淀粉合成酶(granule-bound starch synthase,GBSS)、可溶性淀粉合成酶(aoluble starch synthase,SSS)和淀粉分支酶(starch branching enzyme,SBE)[4,6-8]。

寧夏回族自治區(以下簡稱“寧夏”)位于北方一季夏作區,是我國馬鈴薯栽培種植的主要地區之一。馬鈴薯是寧夏的傳統作物,在山川均有種植,全區馬鈴薯種植面積基本在26.7萬hm2左右,其中90%以上集中在寧南山區[9-11]。寧南旱作農業區氣候干旱、降雨稀少,且時空分布不均勻、蒸發強烈,農業生產主要依靠自然降水,屬于典型的雨養農業區,水分匱缺是制約該地區農業生產持續高效發展的主要因子[12-13]。地膜覆蓋栽培技術因具有增溫、保墑、調節地溫、提高降水利用率等優點,在發展旱作農業方面具有巨大的潛力[14-16]。在全球氣候變化的背景下,傳統的白色透明地膜覆蓋會造成土壤溫度過高,對于馬鈴薯等喜涼作物來說,會嚴重影響馬鈴薯塊莖淀粉的合成和淀粉合成關鍵酶的活性,而且膜下易長雜草、薯塊變綠,致使馬鈴薯的產量較低、品質較差；近年來,黑色地膜覆蓋在干旱半干旱地區應用特別廣泛,其透光率低、輻射熱透過小,土壤增溫幅度較白色地膜小,能夠防止高溫對馬鈴薯塊莖形成的影響,抑制雜草,防止馬鈴薯變綠[17-19]。大多數研究表明,覆膜能夠提高馬鈴薯的產量、改善薯塊品質,提高水分利用效率,且黑色地膜比白色地膜增產效果更顯著[17,20-21]。但目前關于覆膜對馬鈴薯塊莖淀粉合成關鍵酶及淀粉積累影響的研究甚少。本試驗以寧南山區馬鈴薯主栽品種青薯9號為材料,探究覆蓋黑色地膜、白色地膜和不覆膜對馬鈴薯塊莖淀粉合成關鍵酶和淀粉積累的影響,以及淀粉積累與淀粉合成關鍵酶之間的關系,旨在為該區選擇合適的膜色,為馬鈴薯高產優質栽培提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

2016年5月-2017年10月在寧夏海原縣樹臺鄉大嘴村大壩臺實驗基地(36°06′～37°04′N,105°09′～106°10′E)進行大田試驗。該地海撥高度2 166 m,年均蒸發量2 200 mm,年均氣溫7℃,無霜期為149～171 d,是典型的干旱半干旱雨養農業區。根據該地多年平均降雨量(365.9 mm)和試驗期間年降雨量(2016年為246.8 mm,2017年為320.1 mm)認為,2016年為枯水年,2017年為平水年,且降雨分配不均。供試土壤類型為侵蝕黑壚土,基本理化性質:有機質含量13.29 g·kg-1、全氮含量 0.82 g·kg-1、全磷含量為 0.85 g·kg-1、堿解氮 39.92 g·kg-1、速效磷 23.56 g·kg-1、速效鉀198.29 g·kg-1,pH值8.01。

1.2 試驗設計

試驗采用單因素隨機區組設計,共設3個處理,分別為:覆黑膜(BF)、覆白膜(WF)和不覆膜(NF),每個處理4次重復,其中一個區組為破壞性取樣區組,共計12個小區,小區面積為4 m×10 m=40 m2,隨機區組排列。

供試馬鈴薯品種為青薯9號[22],由實驗基地農戶家提供,采用覆膜壟作種植。播種前起壟,每小區四壟,壟寬60 cm,溝寬40 cm,壟高20 cm,根據試驗設計,壟上覆蓋黑色地膜(BF)、白色地膜(WF)和無膜覆蓋(NF),馬鈴薯種植于膜壟兩側,種植深度10～20 cm,種植密度50 002.5株·hm-2,每小區種植200株,馬鈴薯分別于2016年5月1日播種,10月15日收獲；2017年5月4日播種,10月15日收獲。

播種前尿素(N≥46%)、重過磷酸鈣(P2O5≥46%)、硫酸鉀(K2O≥50%)按當地最佳施肥水平結合整地撒施后翻耕入土做基肥,生長期間追肥、除草、害蟲防治等管理措施均相同,追肥于馬鈴薯現蕾期(7月初)追施尿素(N≥46%)。試驗期間依靠自然降雨無灌溉,定期進行人工除草。

1.3 測定項目與方法

觀測并記錄馬鈴薯出苗、現蕾、塊莖形成、塊莖膨大、成熟等時期。從馬鈴薯開花后30 d開始,每隔15 d在破壞性取樣小區隨機取5株馬鈴薯,放入保鮮袋用取樣箱帶回實驗室,測定馬鈴薯在塊莖形成期(開花后30 d)、塊莖膨大期(開花后45 d)、淀粉積累前期(開花后60 d)、淀粉積累中期(開花后75 d)、淀粉積累后期(開花后90 d)塊莖的淀粉含量和淀粉合成關鍵酶活性。

1.3.1 淀粉含量及淀粉積累速率 采用雙波長法[23]測定馬鈴薯塊莖中直鏈淀粉、支鏈淀粉含量,總淀粉含量等于兩者之和。

式(1)中,Rn為第n天的淀粉積累速率,n為開花后天數,Cn和Cn-15分別為第n天和第n-15天的淀粉積累量。

1.3.2 淀粉合成關鍵酶活性 馬鈴薯塊莖酶液提取和制備參照程方民等[24]的方法；AGPase、UGPase、SSS、GBSS、SBE活性測定參照李太貴等[25]、霍丹丹[26]的方法。

1.3.3 產量性狀 收獲時每小區選取中間兩壟進行考種和測產(除破壞性取樣小區),依據呂文河等[27]對馬鈴薯商品薯分級標準的研究,單個薯塊質量＞150 g為大薯,單個薯塊質量75～150 g為中薯,單個薯塊質量＜75 g為小薯。商品薯產量參照謝奎忠等[28]方法,并換算公頃產量。

1.4 數據統計與分析

采用Microsoft Office Excel 2010和SPSS 22.0統計分析軟件對試驗數據進行作圖和統計分析。

2 結果與分析

2.1 覆膜與年份(環境)互作對馬鈴薯塊莖淀粉含量和淀粉合成關鍵酶活性影響的方差分析

由表1可知,覆膜處理在各個測定時期對馬鈴薯塊莖直鏈淀粉、支鏈淀粉及總淀粉含量影響極顯著,年份對直鏈淀粉含量的影響在開花后45 d和75 d達到顯著水平,對支鏈淀粉和總淀粉含量的影響在開花后90 d達到極顯著水平,其他時期均不顯著。年份和覆膜對馬鈴薯塊莖總淀粉含量在開花后45 d存在顯著的互作效應。

由表2可知,覆膜對花后45 d的馬鈴薯塊莖AGPase、SBE活性影響不顯著,對花后45 d的 SSS、GBSS活性的影響達顯著水平,對其他各時期所測幾種淀粉合成關鍵酶活性的影響均達極顯著水平；年份在開花后60、75、90 d對AGPase和SSS活性的影響均達顯著水平,在花后75 d對UGPase活性影響極顯著,在開花后75和90 d對SBE活性影響極顯著。年份和覆膜在開花后60和90 d對AGPase活性、在開花后60 d對SSS活性影響存在極顯著互作效應,其他測定時期均不顯著。

表1 覆膜與年份(環境)對馬鈴薯塊莖淀粉含量影響的互作效應分析(F值)Table1 Variance analysis on interaction of film and year on starch content(F value)

表2 覆膜與年份(環境)對馬鈴薯塊莖淀粉合成關鍵酶活性影響的互作效應分析(F值)Table2 Variance analysis on interaction of film and year on starch synthesis key enzyme(F value)

2.2 黑膜覆蓋對馬鈴薯塊莖淀粉積累的影響

2.2.1 黑膜覆蓋對馬鈴薯塊莖淀粉含量及淀粉直/支比的影響 馬鈴薯塊莖中直鏈淀粉的變化呈單峰曲線,不同年份間各處理均在開花后75 d達到最大值(圖1-A),支鏈淀粉和總淀粉含量變化趨勢一致,隨著生育進程呈現出逐漸增加的趨勢(圖1-B、C),且BF明顯高于WF和NF。與NF相比,BF和WF的直鏈淀粉含量增加2.67和1.59個百分點(2016年)和1.46和0.93個百分點(2017年),支鏈淀粉含量增加8.14、4.04個百分點(2016年)和 9.45、5.51個百分點(2017年),總淀粉含量增加 10.81、5.63個百分點(2016年)和10.93、6.45個百分點(2017年)。淀粉直支比與支鏈淀粉和總淀粉含量的變化趨勢相反,淀粉直/支比隨著生育進程呈現出逐漸下降的趨勢(圖1-D),但3種處理之間基本無明顯差異。方差分析表明,BF可以顯著增加馬鈴薯塊莖中的直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量(P＜0.05)。

圖1 不同處理馬鈴薯塊莖直鏈淀粉(A)、支鏈淀粉(B)、總淀粉含量(C)、淀粉直支比(D)的變化Fig.1 Changes of amylose(A)amylopection(B)total starch(C)contents and amylose/amylopectin(D)in potatos tubers under different treatments

2.2.2 黑膜覆蓋馬鈴薯塊莖淀粉積累速率的變化由圖2可知,在2016年,不同處理下馬鈴薯塊莖淀粉積累速率均呈單峰曲線變化,BF在開花后45 d達到峰值,WF和NF在花后60 d達到峰值。在2017年,BF和WF的淀粉積累速率呈現雙峰曲線變化,分別在開花后60和90 d達到峰值,NF呈現單峰曲線變化,在開花后60 d達到最大值。BF和WF均提高了馬鈴薯塊莖淀粉的積累速率,分別較NF升高38.60%、19.30%(2016年)和37.29%、22.03%(2017年)。結果表明,BF馬鈴薯塊莖淀粉積累速率明顯高于NF,且后期下降緩慢,延緩了馬鈴薯的早衰。

圖2 不同處理馬鈴薯塊莖淀粉積累速率的變化Fig.2 Changes of starch accumulation rate of potato tubers under different treatments

2.3 黑膜覆蓋對馬鈴薯塊莖淀粉合成關鍵酶活性的影響

2.3.1 黑膜覆蓋AGPase活性變化 不同處理下馬鈴薯塊莖AGPase活性變化均為單峰曲線。2016年3種處理均在開花后60 d達到峰值,2017年BF和WF在開花后60 d達到峰值,而NF的峰值提前至開花后45 d(圖3-A)。覆膜處理的AGPase活性高于不覆膜處理,在開花后45 d時,BF顯著高于WF和NF(P＜0.05)。

2.3.2 黑膜覆蓋UGPase活性變化 2016年和2017年,不同處理下馬鈴薯塊莖UGPase活性變化趨勢與AGPase活性變化趨勢相似,都呈現單峰曲線變化,各處理均在開花后60 d達到峰值(圖3-B)。BF和WF的UGPase活性均高于NF,且BF高于WF。

2.3.3 黑膜覆蓋SBE活性變化 2016年和2017年,不同處理下馬鈴薯塊莖SBE活性變化隨著生育期的推進呈現先升高后降低的趨勢,BF和WF均在開花后60 d達到峰值(圖3-C),分別為 35.97、31.33 U·g-1·min-1(2016 年) 和 35.05、31.54 U·g-1·min-1(2017年)；NF的SBE活性峰值提前至開花后45 d,峰值為 27.55 U·g-1·min-1(2016 年)、26.81 U·g-1·min-1(2017年)。由此可知,與WF和NF相比,BF能夠提高馬鈴薯塊莖SBE活性。

2.3.4 黑膜覆蓋SSS活性變化 2016年和2017年不同處理下馬鈴薯塊莖SSS活性變化與SBE活性變化趨勢相同,呈現單峰曲線變化趨勢(圖3-D)。BF和WF的SSS活性在開花后60 d達到最大值；NF的SSS活性在開花后45 d達到最大值,較BF和WF提前了15 d。與 NF相比,BF、WF的 SSS活性平均提高31.63%、16.07%(2016年)和 37.88%、21.01%(2017年)。

圖3 不同處理馬鈴薯塊莖淀粉合成關鍵酶活性變化Fig.3 Changes of key enzyme activities in starch synthesis of potato tubers under different treatments

2.3.5 黑膜覆蓋GBSS活性變化 GBSS是合成直鏈淀粉的關鍵酶。不同處理下馬鈴薯塊莖GBSS變化趨勢與其他4種酶的變化趨勢相似,呈單峰曲線變化(圖3-E)。BF和WF在開花后60 d達到峰值,NF的GBSS活性峰值則提前至開花后45 d。BF、WF和NF的 GBSS活性峰值分別為 42.30、39.06、31.41 U·g-1·min-1(2016 年 ) 和 44.23、 38.34、 32.11 U·g-1·min-1(2017年)。 與 BF 相比,WF、NF 的馬鈴薯塊莖GBSS活性下降13.00%、31.85%(2016年)和14.19%、30.65%(2017年)。結果表明,BF能明顯提高馬鈴薯塊莖中GBSS活性,進而提高淀粉含量。

2.4 黑膜覆蓋對成熟期馬鈴薯塊莖淀粉及其組分含量的影響

由表3可知,BF和WF均顯著增加了成熟期馬鈴薯塊莖的直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量,且BF馬鈴薯塊莖淀粉及其淀粉組分含量均顯著高于WF和NF。與NF相比,BF、WF直鏈淀粉含量分別增加2.32、1.18個百分點(2016年)和2.03、1.51個百分點(2017年),支鏈淀粉含量分別增加15.30、8.34個百分點(2016年)和17.49、10.39個百分點(2017年),總淀粉含量分別增加17.62、9.56個百分點(2016年)和19.35、11.90個百分點(2017年)。3種處理的淀粉直/支比無顯著差異。

表3 不同處理成熟期馬鈴薯塊莖淀粉及其組分含量Table3 Starch content and its components in potato tuber under different treatment at mayurity

2.5 黑膜覆蓋對馬鈴薯塊莖產量及其構成因素的影響

由表4可知,馬鈴薯產量由大薯、中薯和小薯構成。BF和WF較NF顯著提高了馬鈴薯的大薯數、商品薯產量和產量,降低了小薯數。BF和WF較NF大薯率分別增加了2.11、1.68個百分點(2016)和8.67、1.82個百分點(2017),每公頃產量增加54.20%、31.96%(2016)和59.15%、40.64%(2017)。表明覆膜能明顯增加馬鈴薯的產量,黑膜增產效果更顯著。

2.6 馬鈴薯塊莖淀粉積累量與淀粉合成關鍵酶活性的相關性

由表5可知,在馬鈴薯大多數測定時期,塊莖中直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量與AGPase、UGPase活性存在顯著或極顯著的正相關,2016年開花后60 d,支鏈淀粉和總淀粉含量與AGPase活性無顯著相關性,2017年開花后45 d,直鏈淀粉含量與 AGPase、UGPase活性無顯著相關性。2016年開花后45 d,SBE活性與直鏈淀粉含量無顯著相關性,與支鏈淀粉和總淀粉含量顯著相關,在其他測定時期,直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量與SBE活性均存在顯著或極顯著正相關。SSS和GBSS活性與直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量亦呈顯著或極顯著正相關。由此可知,馬鈴薯塊莖的淀粉積累與 AGPase、UGPase、SBE、SSS、GBSS活性密切相關。

3 討論

3.1 黑膜覆蓋對馬鈴薯塊莖淀粉積累的影響

淀粉是馬鈴薯塊莖中含量最多且最重要的貯藏碳水化合物。馬鈴薯塊莖中淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成[29]。直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例即淀粉直/支比對馬鈴薯的品質及加工有重要的影響[30-31]。馬鈴薯淀粉含量的高低是評價馬鈴薯生產的關鍵指標,其含量除了受本身遺傳特性和生理特性的影響外,還受栽培環境的影響[32]。馬鈴薯塊莖中淀粉的合成實質上是葉片通過光合作用合成的淀粉降解產生的蔗糖,通過韌皮部運輸至塊莖中再次合成淀粉,所以馬鈴薯塊莖中淀粉的合成、積累與光合作用密切相關[33]。已有研究表明,在干旱半干旱地區,通過采用黑色地膜覆蓋的方式可改善馬鈴薯生長的環境條件,從而影響葉片的光合作用,提高光合速率,最終達到高產的目的[34]。本研究結果表明,覆膜處理能明顯提高馬鈴薯塊莖的直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉含量和淀粉積累速率,表現為黑膜＞白膜＞不覆膜,兩年結果一致。黃凱等[35]研究表明,在隴中半干旱區,黑膜覆蓋馬鈴薯塊莖中淀粉含量較白膜和不覆膜分別顯著提高2.24%和5.48%,與本研究結果相似。另有研究表明,在寧南山區馬鈴薯塊莖發育過程中,常常會出現超過30℃的高溫天氣,嚴重阻礙馬鈴薯的淀粉積累。本研究中白膜較黑膜淀粉含量降低可能是因為白膜增溫快,使得馬鈴薯塊莖形成期溫度過高影響淀粉的積累。相關研究表明,塊莖形成期的短暫高溫使馬鈴薯塊莖中直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量降低[29]。不覆膜較白膜和黑膜淀粉含量降低主要是由于水分的制約,李亞婷等[36]研究逆境對小麥淀粉的影響時發現,花后干旱脅迫顯著降低了小麥灌漿中后期及成熟期籽粒中的直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉含量。本研究中,BF和WF較NF在馬鈴薯收獲期的總淀粉含量顯著增加18.57、10.73個百分點(P＜0.05)。說明在干旱半干旱地區,覆膜可以顯著提高馬鈴薯的淀粉積累,黑膜更適合該地區采用。

表4 不同處理對馬鈴薯產量及其構成因素的影響Table4 Effects of different treatments on potato yield and its components

3.2 黑膜覆蓋對馬鈴薯塊莖淀粉合成關鍵酶活性的影響

淀粉的生物合成是一個復雜的生理生化過程,在淀粉合成的不同階段有不同的酶發揮作用。研究認為,AGPase、UGPase共同催化合成淀粉,其中AGPase是淀粉生物合成的限速酶,該酶活性的大小直接影響淀粉的合成速率和淀粉的積累量。SBE和SSS是催化合成支鏈淀粉的關鍵酶。GBSS是淀粉體內催化合成直鏈淀粉的關鍵酶[37,26]。關于覆膜對馬鈴薯淀粉酶活性影響的研究相對較少。本研究結果表明,隨著生育進程3種處理馬鈴薯塊莖淀粉合成關鍵酶活性的變化趨勢相同,但峰值出現的時期不同,不覆膜較覆膜處理的SBE、SSS、GBSS活性峰值提前了15 d。胡陽陽等[38]研究發現,高溫和干旱脅迫使小麥籽粒淀粉合成關鍵酶活性峰值提前。吳宏亮等[39]利用盆栽方法研究小麥淀粉形成,發現花后高溫或干旱均會使得籽粒中 AGPase、UGPase、SSS、SBE 活性下降 5%～10%。 霍丹丹[26]研究發現,干旱脅迫處理下馬鈴薯塊莖淀粉合成關鍵酶均呈單峰曲線變化,干旱脅迫下AGPase、SSS、GBSS、SBE 活性分別下降 5.42%、19.00%、15.00%、13.77%。相關研究證明,馬鈴薯塊莖AGPase、UGPase、SBE、SSS、GBSS 活性與淀粉的合成有顯著或極顯著的相關性,AGPase、GBSS活性與直鏈淀粉的積累呈顯著正相關,支鏈淀粉與SSS、SBE活性呈顯著正相關[26,29]。本研究中,直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉的積累與 AGPase、UGPase、SBE、SSS、GBSS活性在多個測定時期存在顯著或極顯著正相關,表明覆黑膜、白膜或者不覆膜對塊莖淀粉積累的影響是淀粉合成關鍵酶綜合作用的結果,覆黑膜由于提高了淀粉合成關鍵酶活性,特別是提高了AGPase活性,進而提高了馬鈴薯塊莖淀粉含量。

表5 馬鈴薯塊莖淀粉積累量與淀粉合成關鍵酶活性的相關系數Table5 Correlation coefficients of contents of starch with activities of key starch synthesis enzymes

4 結論

干旱半干旱地區采用黑色地膜覆蓋栽培技術能顯著提高馬鈴薯塊莖中直鏈淀粉、支鏈淀粉和總淀粉的含量,其效果好于白色地膜覆蓋。與不覆膜相比,黑色地膜覆蓋可以顯著提高馬鈴薯塊莖中 AGPase、UGPase、SBE、SSS、GBSS 活性(P＜0.05),從而提高塊莖中總淀粉及淀粉組分含量,最終影響馬鈴薯產量和品質。