钾素营养促进菜用大豆籽粒蔗糖积累的生理机制

Potassium is the essential element for crop growth and development. Potassium fertilization not only enhances fresh pod yield but also increases seed sucrose content in vegetable soybean. However, less is known about the mechanism of how the potassium improves soluble sugar accumulation. Using 4 vegetable soybean cultivars differing in seed sucrose content under three potassium application treatments with normal N and P rate at seeding: (1) no potassium application; (2) potassium at seeding; (3) potassium at seeding + foliar potassium application, this proposal will determine the potassium accumulation and sucrose content in leaf, stem, pod wall and seed from the beginning of the fourth week after flowering until physiological maturity, and simultaneously measure the activities of invertase (acid, neutral), sucrose synthase, and sucrose phosphate synthase as well as the endogenous hormone content of indole acetic acid, cytokinin, abscisic acid and gibberellin. The activities of key enzymes and crucial endogenous hormones in relation to potassium supply will be quantified and the tissue specificity in greater potassium accumulation for regulating relevant enzymes and hormone will be examined. The findings will provide insight and reference for rational utilization of potassium in improving vegetable soybean quality.

钾素是作物生育的必需营养元素，施用钾肥不仅提高鲜食大豆的产量，而且显著增加籽粒中蔗糖含量。然而，钾肥施用促进菜用大豆籽粒可溶性糖积累的机制尚未明晰。本项目拟利用蔗糖含量高低的两组菜用大豆品种4个，在正常氮磷种肥基础上（对照），设置硫酸钾做种肥和硫酸钾种肥+开花期叶面喷施钾肥处理，对同一天开花的植株挂牌标记，从开花后第4周开始，每间隔1周取样，直至生理成熟，分成叶片、茎秆、荚皮及籽粒，测定各个组织的钾素积累和蔗糖含量，同步分析转化酶（酸性、中性）、蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性变化及内源激素IAA、CTK、ABA、GA3含量，量化子粒形成中酸性转化酶、蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性及IAA、CTK、ABA、GA3含量与钾素供应的关系，明确钾素积累分配的组织特异性与决定蔗糖合成的关键酶及内源激素之间的关系，揭示钾素调控蔗糖积累机理，为合理施用钾肥改善菜用大豆品质，提供理论依据。

通过盆栽试验的方法，利用两个不同基因型菜用大豆品种中科毛豆1号和品系121，在正常氮磷种肥基础上，设计3种不同施钾处理，分别是不施钾肥（K0）、 施用K2SO4 120kg hm-2（K1）、施K2SO4 120kg hm-2+叶面钾肥（K2），从钾素影响参与蔗糖积累的几个关键酶活性变化及内源激素变化角度，探讨了菜用大豆蔗糖代谢关键酶活性及内源激素变化与蔗糖积累的关系。研究结果表明，花期和结荚期喷施1%叶面钾肥（K2SO4，30 kg hm-2）有助于菜用大豆籽粒可溶性糖含量的积累以及产量形成，在施钾条件下，喷施叶面钾肥菜用大豆鲜荚采食期的单株鲜粒重显著提高，比不施钾产量可提高30~50%，可溶性糖含量增加24.8~37.5%，蔗糖含量增加27.4~63.8%；钾肥施用提高了菜用大豆叶片蔗糖磷酸合成酶（SPS）、蔗糖合成酶（SS）、酸性转化酶（AI）和中性转化酶（NI）活性，同时，种肥施钾显著增加菜用大豆荚皮中SPS及SS合成方向活性，但是在菜用大豆籽粒形成后期，施钾有抑制荚皮中SS分解方向、AI、NI活性的趋势。钾肥施用促进了籽粒中SPS、SS活性，但是对AI、NI活性的影响并不明显。因此，钾肥施用后菜用大豆叶片、荚皮中蔗糖代谢关键酶活力增强，籽粒中合成方向活力增强，这些变化对蔗糖在库器官的积累尤为重要；施用钾肥增加了菜用大豆籽粒、叶片和荚皮中生长素（IAA）、赤霉素（GA）和玉米素核苷（ZR）的含量（K2>K1>K0），降低了脱落酸（ABA）的含量（K0>K1>K2），同时增加了菜用大豆籽粒中IAA+GA+ZR的总量，降低了ABA/（IAA+GA+ZR）的比值，籽粒中ABA/（IAA+GA+ZR）的动态变化与蔗糖和可溶性糖的变化趋势相同，籽粒和叶片中ABA的含量与籽粒中蔗糖积累量呈现极显著负相关（P<0.01），荚皮中GA的含量与籽粒中蔗糖积累量呈现不同程度的正相关（P<0.01或P<0.05）。减少籽粒和叶片中ABA的含量，增加荚皮中GA的含量，尤其是增加叶片和荚皮中IAA/ABA，GA/ABA和ZR/ABA的比值，降低籽粒中ABA/（IAA+GA+ZR）的比值，是钾素营养增加菜用大豆籽粒形成期籽粒中糖分积累量的重要生理机制。以上研究结果对改善菜用大豆栽培措施，进而提高菜用大豆产量和营养品质具有重要作用。