摘要
中国是世界上马铃薯（SolanumtuberosumL.）生产和消费量最大的国家，2015年中国明确提出马铃薯主粮化战略，其重要研究内容是兼顾产量提高和品质改善。然而，我国马铃薯单位面积产量较低，仅18.76t/hm2，低于世界平均单产值的20.06t/hm2；此外，块茎采后储藏过程中因低温引起的糖分累积、光照引起的表皮变绿和休眠打破引起的发芽均导致块茎质量损失和加工品质下降，而这些储藏特性与收获时块茎生理密切相关；这都极大限制了马铃薯主粮化战略的推进。氮素是马铃薯需求量较大的矿质养分，氮肥用量过高是当前马铃薯生产的普遍问题，其对产量形成和块茎的生理特性有不同程度的影响，而这对采后储藏特性有何影响需进一步明确。因此，在研究氮肥施用调控马铃薯产量形成的同时，迫切需要建立马铃薯生产中氮素用量和采后储藏特性之间的联系，以采后储藏结果反馈并指导栽培生产，为马铃薯氮肥减量、优化氮素养分管理提供科学理论基础。本研究以3个马铃薯商业品种（Eshu3、Zshu5和Hshu3）为研究材料，通过田间试验，盆栽试验和采后储藏试验（低温储藏诱导糖化试验，光诱导表皮绿化试验，休眠、发芽和复种试验）相结合的方式，采用作物生长模型Logistic方程y=K/(1＋ae–bt)分析不同施氮量下马铃薯茎叶（源）、块茎（库）干物质累积差异；利用非靶标和靶标代谢组学技术手段分析了适中和过量氮水平下马铃薯块茎在收获时和低温储藏后的糖类，游离氨基酸代谢差异；利用荧光显微镜（FM）、激光共聚焦显微镜（CLSM）、透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）和激光粒度仪等技术手段观察了块茎绿化的超微结构变化，探究施氮量对绿化的响应差异；利用石蜡切片，糖类和激素绝对定量探究了施氮量对块茎发育进程、休眠发芽进程的改变。本研究主要结果如下： 1）施氮量对块茎产量形成的改变是通过影响其源库发育、调控源库关系来实现。田间试验表明，适中氮水平下3个商业品种（EShu3,ZShu5andHShu3）马铃薯块茎平均单产为31.69t/hm2，较低氮和不施氮平均提高9.98t/hm2，增幅为47.2%，而过量素施用后块茎产量反而降低，为28.64t/hm2，降幅为9.6%。产量构成因子中单株最大薯重、单株结薯数、大薯率与产量显著正相关，而小薯率与产量呈显著负相关。与低氮和不施氮相比，适中氮水平下3个品种马铃薯单株最大薯重平均显著提高75.0g，单株结薯数显著增加1.2个，大薯率增加4.5%，因而块茎产量增加；相比适中氮，过量氮施用下，单株最大薯重显著降低40.0g，大薯率降低1.3%，小薯率增加2.8%，因而产量下降。农艺性状参数中叶柄数、单柄叶片数、叶片总数、叶面积、光合速率等与单株产量呈显著正相关。与不施氮和低氮相比，适中氮水平下3个商业品种马铃薯叶柄数平均显著提高4.6个，单柄叶片数增加2.0片，单柄叶面积增加34.94cm2，功能叶光合速率分别增加7.5μmolm-2s-1（块茎膨大期）、7.4μmolm-2s-1（块茎成熟期），增加了源容，因而产量提高。源（茎叶）库（块茎）干物质累积结果表明，块茎膨大期之前，施氮增加茎叶干物质快速累积持续时间，促进地上部茎叶（源）的建成；而在生育后期（淀粉累积期），块茎干物质快速积累持续的时间，以及干物质最大增长速率均显著高于不施氮处理的，因而块茎产量提高。然而，相比适中氮，过量氮处理地上部茎叶的干物质快速积累持续时间、最大增长速率仍在继续增加，叶源徒长，源库失调，因而产量降低。 2）施氮量对块茎（库）发育进程的影响是通过碳水化合物和激素协同调控。盆栽试验表明，与不施氮相比，氮素施用并不改变匍匐茎初始形成时间，而匍匐茎亚顶端膨大形成块茎的时间推迟了约6.0-15.0天。施氮处理下，亚顶端尚未膨大的匍匐茎伸长生长速率远高于不施氮处理，提高了1.3倍，匍匐茎长度平均提高2.72cm，增幅为86.7%。石蜡切片结果表明，施氮处理下单位面积细胞数目显著降低36个每10000μm2，降幅为57.1%，细胞长度增长50.0μm，增幅为90.9%。与不施氮相比，施氮处理下GAs的含量显著提高，GA1含量最为丰富，提高了2.2倍，这与施氮促进匍匐茎伸长生长，延迟块茎形成密切相关。 3）过量氮诱导块茎糖类、游离氨基酸代谢通路改变，加剧了低温糖化。通过GC-MS分析鉴定出收获及低温储藏后适中氮（ON）和过量氮（EN）处理间块茎中56种代谢产物，包括糖类、游离氨基酸和有机酸等。PCA、PLS-DA和T检验等多元统计分析结果表明，收获时，ON和EN处理之间有15种差异代谢产物（VIP＞1和P＜0.05），主要包括蔗糖、葡萄糖、半乳糖、果糖等糖类和天冬酰胺、谷氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸、谷氨酰胺、色氨酸、缬氨酸和丝氨酸等游离氨基酸，柠檬酸、反丁烯二酸等有机酸，涉及丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢，淀粉和蔗糖代谢，三羧酸（TCA）循环和苯丙氨酸代谢；低温储藏后，ON和EN处理之间有15种差异代谢产物，主要是蔗糖-6-磷酸、葡萄糖-1-磷酸、蔗糖、葡萄糖、果糖、苯丙氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺，参与淀粉和蔗糖代谢，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，苯丙氨酸代谢途径。总之，与对照块茎（ON处理）相比，EN施用主要诱导了丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢以及淀粉和蔗糖代谢的变化，特别是在涉及冷胁迫的作用中。通过靶标代谢（UHPLC-MS/MS）对丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢途径相关游离氨基酸进行绝对含量验证，结果表明，收获时EN的游离天冬酰胺等多种氨基酸绝对含量是ON的1.3-1.5倍，这种差异在低温储藏后仍维持。EN降低收获时块茎成熟度，累积较高蔗糖，在低温储藏后其转化酶活性较高，累积更高还原糖，淀粉糖代谢上调，从而加剧低温糖化。 4）施氮显著增加块茎小粒径淀粉质体（9.0-30.0?μm）占比，从而加剧光诱导块茎绿化程度。在光下诱导3个马铃薯商业品种（Eshu3、Zshu5，Hshu3）块茎发生表皮变绿，7.0天后表皮叶绿素比诱导前提高5.0-8.0倍。与不施氮相比，施氮处理下3个商业品种表皮叶绿素含量提高20.0%-32.2%。通过荧光显微镜，发现绿化的表皮组织在紫外光下有明显火红色荧光，指示了该区域叶绿体的发育情况。有趣的是，激光共聚焦显微镜下，火红色荧光聚集在小粒径淀粉体周围。通过透射电镜，观察了光照诱发变绿的皮层淀粉质体，发现质体周围有基粒片层发育，淀粉粒消解是淀粉质体向叶绿体转变的关键特征，仅粒径在9.0-30.0μm的淀粉质体参与了其向叶绿体的转变过程。块茎淀粉粒径随着施氮量增加而降低4.0-5.0μm，主要体现在小粒径淀粉（＜30.0μm）显著提高10.0-13.0个百分点，扫描电镜也观察到施氮处理下小粒径淀粉数目较多。因此，施氮加剧光照下块茎绿化，这与其显著提高块茎小粒径淀粉（＜30.0μm）占比密切相关。 5）施氮量改变马铃薯休眠周期和发芽进程：是调节块茎形成的结果。施氮量显著影响3个商业品种马铃薯休眠周期、发芽率。从延长储藏期来看，降低施氮量可延长休眠期3.0-6.0周，从而延长售货期，有利于储藏和销售。从种薯繁育来看，在适量氮增加芽眼数目、芽直径和长度，复种后主茎数、结薯数更多，产量较高，且有利于缩短种薯繁育周期。与不施氮相比，施氮促进顶端分生组织中，芽的萌动和生长，提高了芽端分生组织淀粉、蔗糖和α淀粉酶活性，为萌芽提供较多的能量；显著提高芽端分生组织GAs的含量，尤其是GA1提高6.0倍。这与本研究第四章节中观察到施氮对块茎发育进程的激素调控结果一致，表明高水平赤霉素打破块茎休眠。施氮对块茎发育和休眠萌芽两个进程的影响有诸多相似之处，均与改变蔗糖和GAs含量密切相关，且对休眠的影响是调节块茎形成的结果。
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