钾素营养对当归品质形成的影响及生理机理研究

To improve quality of medicinal material is one of the key issues in production and scientific research in Angelica sinensis. Based upon the theory and research findings about potassium nutrition's involvement in the transportation of substances, protein synthesis, metabolic enzyme activity and profound impacts on secondary metabolism in plants. In view of these critical issues of quality and stress resistance decline, and production instability in the production of Chinese authentic medicinal material of angelica, this study will focus upon the effects of different levels and stages of potassium nutrition application on plant morphogenesis, nutrient absorption and utilization, quality forming in angelica. Also to be studied is the related physiological mechanism of primary metabolism including photosynthesis, transpiration, properties and related enzymes in the metabolisms of carbon and nitrogen, changes in the oxidation resisting system, and the activity and differential expression of enzymes related to secondary metabolism of active components closely related to its quality forming. The aims of this study are to provide a theoretical basis for determining the requirements and efficient use of potassium nutrition for high yields and improved quality in angelica production, explore approaches of nutrition regulation on growing development and quality forming of angelica and reveal the physiological nature of potassium nutrition on quality forming of angelica.

提高药材品质是我国当归生产和科学研究的关键问题之一。本研究基于钾素参与植物体内物质转运、蛋白质合成和代谢酶活动进而深刻影响植物次生代谢的理论研究基础，旨在针对我国道地当归品质下降、产量不稳、抗逆性下降等迫切需要解决的实际问题，在当归道地产区系统研究供钾水平和供钾时期对当归品质形成相关的植株形态建成、养分吸收与利用、产量性状、品质性状等因素的影响，以及与药材质量形成密切相关的叶片光合及蒸腾特性、碳代谢特性及相关酶活性、氮代谢特性及相关酶活性、抗氧化系统变化等初生代谢特征，以及药效物质代谢和相关酶差异表达及活性的影响机理，为明确当归优质高产的钾素需求规律和利用效率，探索钾素对当归生长发育和品质形成的营养调控途径，揭示钾素影响当归品质形成的生理学本质提供科学理论基础。

当归是甘肃道地药材，为临床常用中药。近年来随着当归栽培面积迅速扩大，药材产量持续增加，养分平衡失调，导致了当归品质不断下降，已威胁到当归原药材、饮片、制剂质量及其国际声誉。钾素是植物体内60多种合成酶、氧化酶和转移酶的活化剂。但目前有关钾素对当归品质形成的影响及生理机理的研究不够深入。本项目开展研究内容是在当归道地产区系统研究了供钾水平和供钾时期对当归品质形成相关的植株形态建成、养分吸收与利用、产量性状、品质性状等因素的影响，以及与药材质量形成密切相关的叶片光合及蒸腾特性、碳代谢特性及相关酶活性、氮代谢特性及相关酶活性、抗氧化系统变化等特征，以及相关药效物质代谢和相关酶差异表达及活性的影响机理。取得的重要结果和关键数据有：（1）明确了当归优质高产的钾素的施用时期以50%基施+50%叶盛期追施为宜，施钾（K2O）量以300 kg /hm2为适；（2）钾素对当归营养生长发育有明显的促进作用，合理施用当归能提高当归根长、增加根粗、促进薄壁细胞分裂、增加导管群数量、促进淀粉粒和油室形成、进而提高当归产量和药效物质如阿魏酸、阿魏酸松柏酯、藁本内酯、欧当归内酯A、洋川芎内酯的含量形成等效应；（3）合理施用钾素能提高了当归叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、总导度、表观CO2利用效率及光下开放的PSⅡ反应中心的激发能捕获效率、PSⅡ反应中心电荷分离实际量子效率、光化学电子传递的份额、PSⅡ的电子传递活性、暗反应CO2同化速率；（4）合理施用钾素能促进当归叶片果糖、蔗糖、总氨基酸等的积累及SPS、PK、SS、MDH、GOGAT、GSH、GSH、POD、CAT、SOD、尿囊素酶等酶活性，抑制GS、NR、磷脂酶D的酶活性。（5）适宜的供钾水平能促进当归植株COMT、4CL和F5H基因的表达，促进了当归阿魏酸合成与积累。本研究的科学意义是初步明确了当归优质高产的钾素需求规律，探索了钾素对当归生长发育和品质形成影响效应，揭示了钾素影响当归品质形成的初步生理学机制。