近日，华中农业大学资源与环境学院作物养分管理团队在The Plant Journal上发表了题为“Sufficient potassium improves inorganic phosphate-limited photosynthesis in Brassica napus by enhancing metabolic P fractions and Rubisco activity”的研究论文，说明了充足的钾营养协同改善植株磷营养状况实现油菜籽粒增产的光合生理机制。
在农田生态系统中，作物生长往往受到多重营养缺乏的限制，肥料的配合施用是科学施肥的关键，其技术环节和应用效果相对明晰，但营养元素互作的生物学机制一直是研究的薄弱环节。磷、钾是除氮外对作物产量影响最大的矿质元素，在磷、钾营养缺乏的土壤上，不均衡的磷、钾肥投入无法完全消除限制植株生长的养分障碍，增产幅度相对有限。平衡施肥除发挥元素自身作用外，充足的钾营养更能提升磷肥肥效（图1），然而其作用机制却不清楚。
研究团队从作物光合生产力的养分协同增效入手，探讨了钾元素协同改善油菜磷营养状况实现籽粒增产的生理机制。在磷、钾养分缺乏的环境下，施钾促进了油菜对磷的吸收（主要依赖于生物量的提高），增加了叶片单位面积磷含量，并通过加速同化物（磷酸丙糖）的转移利用以实现无机磷（Pi）的快速再生，因而扩充了无机磷库和代谢磷库。较高浓度的Pi减轻了光合磷限制（叶绿体Pi临界值0.52 mg m-2），缓解了因缺磷导致的叶片细胞能量和氧化还原内稳态失衡，从而避免光合电子传递链的过度还原损伤，保证了光反应的顺利进行。不仅如此，施钾后叶片核酸磷含量的提高有利于卡尔文循环限速酶（Rubisco）的合成，较高的K+浓度则保障了Rubisco酶的羧化活性，加速了光合作用的暗反应。若植株体内钾元素不足，则会引起Rubisco失活和电子传递受阻，降低施磷对叶片光合能力的提升效果。可见，充足的钾营养有利于减轻缺磷对油菜叶片光合生产力的限制，在农业生产中因地制宜考虑土壤养分供应特征，采用平衡施肥的方法以满足养分供应与作物需求的相互匹配，充分挖掘和发挥营养元素的协同增效效应，是实现作物高产优质的重要保障。
资源与环境学院博士研究生闫金垚为论文第一作者，陆志峰副教授为通讯作者，鲁剑巍教授、任涛教授、李小坤教授和丛日环副教授参与了研究工作。该研究得到了国家自然科学基金、国家油菜产业技术体系和中央高校基本科研业务费专项的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1111/tpj.16057
日期：2022-12-19
