基于淀粉合成代谢解析减氮运筹影响甘薯产量形成的生理机制

Nitrogen is the essential macronutrient for sweet potato growth and development. Nitrogen is mostly used as basal fertilizer in sweet potato production, causing early flourishing and thus affecting the tuber yield formation. It is critical and imperative to improve the use efficiency of nitrogen applied and use less nitrogen fertilizers for sustaining crop production. Starch, the main component of sweet potato roots, accounts for 50-80% of sweet potato roots on the basis of dry weight. Therefore, this research will focus on the changes of starch accumulation and correlated enzymes activities, as well as the relationship among these traits. The changes of the enzymes activities related to starch biosynthetic metabolism, the changes of the enzymes’s forms, the express characters of the genes encoded enzymes and the relationship with nitrogen concentration in sweet potato will also be detailed analyzed. Thus, this research will elucidate the physiological mechanism of starch biosynthetic metabolism in response to split nitrogen application, and the findings will help to develop effective techniques to nitrogen resource management and screen sweet potato variety.

氮是甘薯生长发育所必需的大量营养元素。在甘薯的生产实际中，氮肥多以基施为主，易造成前期旺长，影响产量形成。控制氮肥投入数量，改进施肥方式，以最大限度地提高产量、降低氮肥的负效应，已成为甘薯生产中亟待解决的问题。淀粉是甘薯块根主要物质成分，淀粉的合成代谢是块根产量和品质形成的基础。本研究从甘薯“淀粉合成代谢—块根产量形成”的关系出发，通过分析减氮运筹后甘薯淀粉合成代谢相关物质及其酶活性变化与植株氮浓度的相关关系，筛选出对减氮运筹响应敏感的关键物质与代谢关键酶，并分析其编码基因表达和同工酶谱变化，从“物质—酶活—蛋白—基因”4个水平系统揭示甘薯淀粉合成响应减氮运筹差异形成的生理与分子机制，为生产上探索减氮增效和甘薯品种选育提供理论依据。

甘薯（Ipomoea batatas L.）是世界粮食生产的底线作物和优质能源作物。氮是甘薯生长发育所必需的大量营养元素，生产中氮肥多以基施为主，易造成前期旺长，影响产量潜力。控制氮肥投入数量，改进施肥方式，以最大限度地提高产量、降低氮肥的负效应，已成为甘薯生产中亟待解决的问题。淀粉是甘薯块根主要成分，淀粉的合成代谢是块根产量和品质形成的物质基础。本项目采用大田试验，研究了2个大面积种植的甘薯品种对不同减氮运筹处理的响应，明确了减氮运筹影响甘薯源库平衡的机理：减氮分施提高了甘薯生长中后期的LAI、叶绿素含量和光合性能，群体光合产物持续供应能力和作物生长率增强，生物量快速积累期延长、平均累积速率提高，源强增加。减氮分施提高早期根系IAA和Z+ZR含量，降低了ABA含量，促进了根系分化结薯，提高结薯数；同时提高了后期根系ABA含量，促进了物质转运，利于薯块膨大，库容增强。减氮分施协同提高源库，最终块根产量显著提高。通过盆栽试验明确了减氮分施对甘薯氮素营养吸收利用的影响，减氮分施提高甘薯N累积速率和快速积累期，N积累量提高，尤其是生育中后期的N积累，最终NUE提高。探明了甘薯块根淀粉积累过程响应减氮运筹的蔗糖-淀粉代谢过程和关键酶，揭示其关键生理过程的分子机制：减氮分施显著提高块根淀粉积累，主要是磷酸蔗糖合成酶（SPS）、蔗糖合成酶（SuS）、腺苷二磷酸焦磷酸化酶（AGPP）和淀粉合成酶（SS）的活性和基因表达量提高，促进淀粉的积累代谢，其中AGPP是关键酶。研究结果为甘薯生产探索减氮增效和品种选育提供重要的理论基础和技术支持。