随着温室效应的加剧，未来干旱发生的频率、严重程度将呈上升趋势[1]。干旱胁迫会导致糖酵解、光合作用、碳和氮代谢等作物新陈代谢途径发生改变。在干旱条件下，植物的氮同化和转运能力会降低，植株氮浓度因土壤水分和养分状况而异[2]。芝麻（Sesamum indicum L.）是我国传统的优质油料作物，也是一种重要的药食同源作物，具有较高营养价值[3]。但芝麻作为浅根系作物，其生长易受干旱胁迫影响。如播种期干旱会造成芝麻不出苗或出苗不齐等问题[4]；苗期干旱会降低芝麻生长速率，延缓根系发育，使叶片数量降低[5]；开花结蒴期芝麻对土壤干旱响应最明显，开花期干旱会导致芝麻细胞膜脂过氧化受损，积累渗透调节物质，抗氧化酶活性增强，蒴果数减少，产量显著下降[5-6]。

钾（potassium,K）是植物必需的大量营养元素之一，与植物光合作用强度密切相关，可调控气孔开合，维持阴阳离子平衡，有利于作物氮素代谢和蛋白质合成。干旱胁迫下植物体内充足的K+能增强作物净光合速率，进而增强作物抵御干旱的能力，提高产量[7]。干旱胁迫会导致矿质元素在土壤中的扩散受到限制，如干旱胁迫降低钾离子在土壤中的迁移速率，进一步导致土壤中钾的有效性降低[7]。当芝麻缺钾时，植株生长速率降低，发育不良，抗性减弱[8]。因此，研究花期干旱胁迫下不同钾肥水平对芝麻生长和叶片氮代谢的影响及芝麻响应干旱胁迫的生理机制，对芝麻抗旱栽培技术研究具有重要意义。

近年来，对小麦[9]、棉花[10]、玉米[11]等作物的研究发现，施钾可提高干旱条件下植株K+含量、叶水势和叶绿素含量，维持干旱胁迫下细胞器的结构和功能，进而增强作物抗旱性。在干旱胁迫中，植物氮代谢酶能将无机氮转化为有机氮，影响植物体内各种氨基酸和次生代谢底物的积累[12]，如通过合成蛋白质和积累脯氨酸等渗透物质进行渗透调节，从而改变氮同化途径[13]。干旱胁迫显著降低硝酸还原酶（nitrate reductase,NR）活性，导致谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶系统氮同化效率降低，NH4+过量积累，从而对细胞产生毒害作用[12]。研究表明，干旱胁迫下施钾可提高叶片氮代谢能力，增强氮素的吸收和同化[10]，促进干物质向块根的分配，提高块根单薯重和产量[14]。但关于施钾对花期干旱胁迫下芝麻生长发育及氮代谢影响机制的研究仍鲜有报道。因此，本研究以赣芝7号为试验材料，采用盆栽控水法，设置3个钾肥水平（0、60、120 kg·hm-2K2O）和2个土壤水分处理（75%±5%和45%±5%田间持水量），通过测定芝麻生长特性、叶片氮钾含量以及氮代谢相关酶活性等指标，分析不同钾肥水平下芝麻响应干旱胁迫的生理机制，以期为芝麻的节水高产栽培与抗旱品种选育提供科学依据。

1、材料与方法

1.1 试验材料

试验于2023年6月10日—9月9日在江西农业大学科技试验站遮雨棚内进行，供试品种为赣芝7号，来源于江西省农业科学院。采用盆栽处理方式，选取健康饱满的芝麻种子播种至直径为30 cm的塑料盆内，待长至3对真叶时，每盆定苗2株。每盆装风干红壤土15 kg，有机质含量为13.5 g·kg-1、全氮0.85 g·kg-1、速效氮74.3 mg·kg-1、有效磷19.6 mg·kg-1、速效钾89.3 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设置3个钾肥水平和2个土壤水分处理。其中，施钾水平分别为0、60、120 kg K2O·hm-2；氮肥为150 kg N·hm-2；磷肥为90 kg P2O5·hm-2。供试肥料为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）、硫酸钾（含K2O 50%），氮磷钾肥均于播种前施用。2个土壤水分处理：正常灌水（well-watered,WW），土壤相对含水量保持在75%±5%；干旱处理（drought stress,DS），于初花期（7月21日）停止拟干旱处理芝麻的正常灌水，使其土壤含水量降至45%±5%。干旱6 d时复水直至芝麻收获。每组处理重复4次，共计80盆。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 芝麻生长特性相关指标的测定

于花期干旱6 d后进行取样，每处理随机取10株，测量株高和比叶重。采用打孔称重法[15]，用直径1 cm的打孔器取鲜叶置于信封袋中，在干燥鼓风箱105℃杀青30 min后80℃烘干至恒重，按式（1）计算比叶重（special leaf weight,SLW):

叶片相对含水量测定采用饱和称重法[13]。取适量芝麻叶片称鲜重后将其完全浸没在水中，8 h后取出用吸水纸吸干叶片表面水分，再称饱和重，最后将叶片置于70℃烘箱烘至恒重并称其干重。按照式（2）计算叶片相对含水量（relative water content,RWC):

剪取生长健壮的完好叶片带至室内用分析天平立即称量鲜重（fresh weight,FW），再将叶片置于铺有白纸的桌面上（避光室温保存），每隔1 h称量记录1次（Wi,i=1～8），共计8次，按照式（3）计算叶片水分损失率（water loss rate,WLR)[16]:

1.3.2 叶片氮钾含量的测定

将上述烘干样品研磨粉碎后，准确称取0.3 g，经HNO3-H2O2消煮后，采用原子吸收分光光度法进行叶片氮钾含量测定[17]。

1.3.3 叶片可溶性蛋白和氨基酸含量的测定

分别采用考马斯亮蓝G-250比色法[18]和茚三酮显色法[19]测定可溶性蛋白和游离氨基酸含量。

1.3.4 叶片氮代谢酶活性的测定

硝酸还原酶（nitrate reductase,NR）活性的测定：称取约0.1 g组织，加入1 mL提取液，进行冰浴匀浆[12]。随后8 000×g4℃离心10 min，取上清，置冰上待测。以每1 mg蛋白质在1 h内还原KNO3所形成的NO2-质量（µg）表示一个酶活力单位。

谷氨酸合成酶（glutamate synthase,GOGAT）活性的测定：称取约0.1 g组织，加入1 mL提取液，进行冰浴匀浆。随后8 000×g 4℃离心10 min，取上清，置冰上待测。以每克组织每分钟消耗1 nmol烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide,NADH）定义为一个酶活力单位[20]。

谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase,GS）活性的测定：称取约0.1 g组织，加入1 mL提取液，进行冰浴匀浆。随后8 000×g 4℃离心10 min，取上清，置冰上待测。以每克组织在每毫升反应体系中每小时产生1µmol γ-谷氨酰异羟肟酸（γ-glutamylhydroxamate,GHA）定义为一个酶活力单位[21]。

1.3.5 土壤养分含量和含水量的测定

土壤养分含量测定方法参考《土壤农化分析》[22]。其中全氮含量测定采用凯氏定氮法；速效氮含量测定采用BV5000连续流动分析仪（荷兰Skalar公司）；有机质含量测定采用重铬酸钾氧化还原滴定法；有效磷含量测定采用钼锑抗比色法，速效钾含量测定采用火焰光度法。试验开始当天测定土壤含水量和凌晨叶水势，之后每隔2 d取土采用酒精烧土法测定土壤含水量[23]。

1.4 数据处理

采用Excel 2019软件对数据进行预处理，SPSS22.0软件进行不同干旱处理间及不同钾肥水平间指标的差异性分析，最小显著差异法（least significant difference,LSD）对不同处理进行多重比较，Origin pro2015软件绘图。

2、结果与分析

2.1 施钾对干旱胁迫下芝麻生长指标的影响

由图1可知，不同施钾水平下的芝麻株高、比叶重（SLW）、叶绿素值（soil and plant analyzer development,SPAD）均表现为干旱（DS）<正常灌水（WW），且DS和WW处理间差异显著。在干旱胁迫下，与DSK0相比，DSK1处理芝麻株高、比叶重、叶绿素值分别提高20.9%、3.2%、4.5%,DSK2处理芝麻株高、比叶重、叶绿素值分别提高39.0%、5.5%、1.0%。正常灌水条件下，与WWK0相比，WWK1处理芝麻株高、比叶重、叶绿素值分别提高10.0%、6.0%、2.4%,WWK2处理芝麻株高、比叶重、叶绿素值分别提高12.4%、5.7%、3.0%。干旱导致芝麻植株矮小、下部叶片萎蔫皱缩，说明干旱胁迫阻碍芝麻生长，施钾可以缓解干旱胁迫对芝麻生长造成的不利影响。

由图2可知，正常灌水条件下芝麻叶片的水分损失率高于干旱胁迫条件下的水分损失率。与DSK0相比，DSK1、DSK2分别使最终水分损失率降低4.6和7.4个百分点，表明施用钾肥减缓了芝麻叶片水分的损失。与正常灌水相比，在不同施钾水平下，干旱胁迫显著降低芝麻叶片的相对含水量（6.2～10.3个百分点）。与DSK0相比，DSK1和DSK2处理芝麻叶片相对含水量分别增加2.4和5.3个百分点，表明干旱胁迫下施钾显著提高了芝麻叶片的相对含水量，且施钾量越大，相对含水量越高，叶片保水能力越强。正常灌水条件下，不同施钾水平下的芝麻叶片相对含水量无显著差异。

图1 施钾和干旱胁迫对芝麻生长指标的影响

图2 施钾和干旱胁迫对叶片保水性和相对含水量的影响

2.2 施钾对干旱胁迫下芝麻叶片氮、钾含量的影响

由图3可知，与正常灌水相比，干旱胁迫提高了芝麻叶片钾和氮含量，且处理间整体差异显著（P<0.05）。与WW相比，DS处理下叶片钾和氮含量分别平均提高10.4%和3.1%。干旱胁迫下，不同施钾水平间的芝麻叶片钾和氮含量差异显著（P<0.05）；与DSK0相比，DSK1和DSK2处理叶片钾含量提高14.8%和19.6%，叶片氮含量提高2.0%和5.4%。正常灌水条件下，与WWK0相比，WWK1和WWK2处理叶片钾含量提高32.6%和47.3%，叶片氮含量提高0.2%和2.3%。

图3 施钾和干旱胁迫对芝麻叶片氮、钾含量的影响

2.3 施钾对干旱胁迫下芝麻可溶性蛋白和氨基酸含量的影响

由图4可知，干旱胁迫下芝麻叶片的可溶性蛋白含量较正常灌水处理显著提高8.6%～28.9%。干旱胁迫处理下，与DSK0相比，DSK1和DSK2处理叶片可溶性蛋白含量降低3.3%和17.3%。正常灌水条件下，与WWK0相比，WWK1和WWK2处理叶片可溶性蛋白含量下降18.6%和28.8%。

干旱胁迫下芝麻叶片的氨基酸含量较正常灌水处理显著提高8.5%～84.4%，施钾对干旱胁迫和正常灌水条件下芝麻叶片氨基酸含量的影响不同。正常灌水条件下，氨基酸含量随施钾量的增加而显著降低。与WWK0相比，WWK1和WWK2处理的氨基酸含量分别下降33.2%和19.1%。干旱胁迫下，随施钾量的增加，氨基酸含量显著提高，与DSK0相比，DSK1和DSK2处理氨基酸含量分别提高13.5%和23.2%。

2.4 施钾对干旱胁迫下芝麻氮代谢酶活性的影响

由图5可知，干旱胁迫较正常灌水处理显著降低了芝麻叶片氮代谢相关酶（硝酸还原酶和谷氨酸合成酶）的活性。与正常灌水相比，干旱胁迫处理使硝酸还原酶和谷氨酸合成酶活性分别降低7.6%～13.1%和13.3%～20.3%，干旱胁迫处理下，与DSK0相比，DSK1和DSK2处理叶片硝酸还原酶活性分别增加8.7%和9.5%，谷氨酸合成酶活性分别增加15.1%和20.0%。正常灌水条件下，与WWK0相比，WWK1和WWK2处理叶片硝酸还原酶活性分别增加2.3%和9.9%，谷氨酸合成酶活性分别增加9.2%和10.4%。

图4 施钾和干旱胁迫对芝麻叶片可溶性蛋白和氨基酸含量的影响

图5 施钾和干旱胁迫对芝麻叶片氮代谢相关酶活性的影响

干旱胁迫下芝麻叶片谷氨酰胺合成酶活性高于正常灌水处理（3.0%～16.4%）。施钾显著降低干旱胁迫下谷氨酰胺合成酶的活性，与DSK0相比，DSK1和DSK2处理谷氨酰胺合成酶活性分别降低7.3%和11.3%。

2.5 芝麻叶片氮代谢相关指标的相关性

对芝麻氮代谢相关指标进行相关性分析（图6），结果表明，在正常灌水条件下，芝麻叶片钾含量与水分损失率呈极显著正相关关系，可溶性蛋白含量与氨基酸含量呈极显著正相关关系。芝麻叶片可溶性蛋白、氨基酸含量与钾含量和水分损失率均呈极显著负相关关系。

干旱胁迫下，芝麻叶片比叶重、钾、氮、氨基酸含量和谷氨酸合成酶活性均与相对含水量呈极显著正相关关系；相对含水量、氨基酸含量、氮含量、硝酸还原酶和谷氨酸合成酶活性均与钾含量呈极显著正相关关系。芝麻叶片水分损失率、可溶性蛋白含量、谷氨酰胺合成酶活性均与相对含水量呈极显著负相关关系；氨基酸、钾、氮含量均与水分损失率和谷氨酰胺合成酶活性呈极显著负相关关系。

3、讨论

3.1 施钾对干旱胁迫下芝麻生长的影响

本研究发现，干旱胁迫使芝麻叶片萎蔫卷曲，株高和叶片相对含水量（RWC）降低。与不施钾相比，施钾显著提高干旱胁迫下的RWC，主要因为叶片含水量与钾含量呈正相关关系。随着干旱胁迫的持续，植物叶片中的钾快速积累并促进氮的吸收，提高了叶绿素含量，促进了光合产物向淀粉和蛋白质的转化，减轻了干旱胁迫对芝麻植株的不利影响，这与前人研究结果基本一致[24-26]。比叶重（SLW）是衡量叶片质量和厚度的一个重要参数，厚度较大的叶片叶绿素较多，光合能力较强。本研究中，增施钾肥提高了SPAD值和SLW，主要是因为叶片钾含量增加使植株叶片增厚，叶面积增大，进而提高光合同化物向植株其他部位的运输速率[27-28]。这与前人在芝麻[24]、棉花[29]、马铃薯[30]上的研究结果基本一致。

图6 芝麻叶片氮代谢生理生化指标相关性分析

3.2 施钾对干旱胁迫下芝麻可溶性蛋白和氨基酸含量的影响

植物体内的氨基酸态氮含量高低在一定程度上决定了其氮代谢能力。本研究发现，干旱胁迫下芝麻氨基酸含量较正常灌水显著增加，这可能是由于干旱胁迫导致脯氨酸的转化效率大幅度降低并快速大量积累，从而参与蛋白质合成，以缓解干旱胁迫。这与干旱胁迫下芝麻[6]、水稻[31]等作物的生理响应研究结果相一致。张军等[32]研究表明，干旱胁迫下小麦通过降低可溶性蛋白质含量来增强保水能力，从而提高抗旱性。本研究结果显示，干旱胁迫下，芝麻叶片可溶性蛋白含量随施钾量的增加而降低，且施钾可加剧其下降程度，说明施钾通过降低可溶性蛋白含量来提高芝麻耐旱性。具体作用机制为施钾促进可溶性蛋白质降解为氨基酸，而氨基酸含量增加可以提高细胞的能量水平，进而提高作物复水后的恢复能力[10,30]。

3.3 施钾对干旱胁迫下芝麻氮代谢酶活性的影响

施肥有助于加速作物的氮代谢进程，提高氮代谢强度，促进植株对氮的吸收、转化和利用[33-34]。硝酸还原酶（NR）是植物氮素同化过程中的限速酶，在植物代谢中起重要的调控作用[35]。本研究中，干旱胁迫处理的NR活性较正常灌水显著降低，反映出氮同化能力的下降，使NO3-还原和NH4+同化过程受阻，与Zahoor等[10]的研究结果一致。干旱胁迫下施钾提高了NR活性，促进了氮素从根系向地上部的转运，提高了植株对氮素的还原能力。这与前人研究结果基本一致[35]。

谷氨酸合成酶（GOGAT）和谷氨酰胺合成酶（GS）均参与铵同化，通过维持叶绿体的有机氮供应以增加碳通量，在蛋白质合成中发挥关键作用[36]。本研究发现，在干旱条件下，GOGAT活性随施钾量的增加而提高。GOGAT是氨同化途径中的关键酶，GOGAT酶活性增加表明氮同化能力增强，从而避免因NH4+过量积累产生的毒害作用，同时还能提高氮代谢能力和蛋白质积累[13]。此外，干旱胁迫下施钾显著提高叶片氮含量，而叶片氮含量与GOGAT活性呈极显著正相关关系，说明干旱胁迫下施钾增强了芝麻叶片氮同化能力。施钾上调了GOGAT和GS的mRNA表达，提高了GS/GOGAT循环活性[37]，促进了芝麻幼苗对氮素的吸收同化，缓解了干旱导致的NH4+过量积累。同时，GS和GOGAT酶活性提高进一步导致氨基酸合成增加，从而维持水分平衡，缓解干旱胁迫对芝麻生长造成的危害。

4、结论

增施钾肥可以有效缓解干旱对芝麻生长的抑制，提高叶片相对含水量、比叶重、叶绿素值，同时提高芝麻叶片氮、钾和氨基酸含量、硝酸还原酶和谷氨酸合成酶活性，进而加强芝麻氮代谢能力，促进植株生长，并增强其抗旱性。综合考虑，以120 kg·hm-2施钾量缓解芝麻干旱胁迫效果最好。

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文章来源:张梓然,郑德益,涂子豪,等.钾营养对花期干旱胁迫芝麻生长及叶片氮代谢的影响[J].核农学报,2024,38(09):1782-1789.