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梨是重要的温带果树之一,是我国继苹果和柑橘之后,栽培面积和产量最大的水果。钾是梨果实中含量最丰富的元素,被誉为果实的“品质元素”,与叶片的光合作用、花芽的品质、果实的大小、颜色和风味密切相关。我国梨园钾肥施用带有很大的盲目性,过量施用与投入不足并存,钾肥的不合理施用造成果品质量下降、生理性病害加重等后果。合理施用钾肥能够提高果实可溶性总糖含量、增加果重、促进着色,是一种常用的“提质增效”措施,但对于钾素如何提高果实品质的机制缺乏深入研究。本研究采用大田和盆栽相结合的方式,通过设置不同的钾水平(大田:0(K0)、150(K150)、300(K300)和 450(K450)kg.ha-1;盆栽:0(K0)、0.4(K0.4)和0.8(K0.8)g.g-1土)研究不同施钾水平对梨树树体生长、叶片的光合特性、叶片和果实中糖的合成、分配和积累特点及糖代谢关键基因的表达模式的影响,结合果实发育中后期叶片和果实转录组数据的分析,探讨叶片和果实在不同钾水平下钾转运和糖代谢相关基因的差异表达模式以及与之相关的信号通路,明确施钾对叶片和果实中养分和糖分分配的调控机制,揭示施钾提高果实品质的分子生理机制。主要研究结果如下:(1)施钾提高盛果期黄冠梨树(15年生)叶片和果实钾的含量及钾的积累量,提高叶片净光合速率和SPAD值;施钾处理显著提高叶片和果实中山梨醇的含量及果实中果糖、山梨醇、葡萄糖和蔗糖的积累量。与不施钾处理相比,连续两年钾处理显著增加单果重、产量和果实糖酸比,且K450处理下糖酸比分别显著提高27.2%和30.1%。果实发育早期施钾促进叶片中糖分的提高,与施钾上调叶片中酸性转化酶(AIV)和山梨醇6-磷酸脱氢酶(S6PDH)基因表达有关。施钾提高果实膨大期叶片糖分的积累,这与叶片中蔗糖代谢关键基因(AIV1、蔗糖磷酸合成酶(SPS1)和蔗糖合酶(SUS))和山梨醇关键基因(S6PDH和山梨醇脱氢酶(SDH3))相对表达水平的上调有关。施钾处理显著增加果实成熟期果实中蔗糖的积累,与叶片中蔗糖转运蛋白基因SUT及果实中SPS1、SUS和SUT相对表达水平的上调有关。这些结果表明,梨果实中各种糖分的积累在前期主要受叶片糖代谢的影响,后期受果实库强及果实糖代谢的影响;钾在促进叶片与果实间同化产物的分配以及叶片和果实的相关糖代谢关键基因表达强度上起着关键调控作用。(2)施钾有利于山梨醇的代谢,促进叶片及果实中山梨醇的合成以及由叶片向果实的分配。通过对梨叶片和果实中山梨醇代谢过程中3个6-磷酸山梨醇脱氢酶家族基因(PbS6PDHs)、8个山梨醇脱氢酶家族基因(PbSDHs)和2个山梨醇转运蛋白家族基因(PbSOTs)响应不同钾水平的表达模式分析结果表明,施钾增加叶片和果实中钾和山梨醇的积累量。在整个果实发育期间,施钾诱导叶片中PbS6PDH1、P PbSDH4、bSDH14和PbSOT9基因表达的上调,同时促进PbS6PDH3、PbSDH2、PbSDH13和PbSO T22基因表达水平的下调。果实中糖分积累不仅受果实大小和叶片糖分外运的影响,也受果实中PbS6PDHs、PbSDHs和PbSOTs酶基因转录水平的影响。施钾增强幼果期果实中PbDDH2、PbSDH4的表达,促进从膨大期到成熟期果实中PbS6PDH3、PbSDHW2、PbSDH13、PbSDH14和PbSOT22基因表达的上调,这表明梨叶片和果实中山梨醇的代谢不仅受发育调控的影响,也受施钾水平的调控。(3)利用高通量测序技术在不同钾水平下对膨大期和成熟期梨叶片和果实的转录组进行研究,结果发现在叶片和果实中总共检测出36444个转录基因,其中膨大期叶片和果实在低钾(K0)下差异表达基因(DEGs)数较成熟期叶片和果实差异表达基因数少。成熟期K0水平下叶片中总共有1801个差异表达基因,其中显著下调的有1136个,而果实中共有5185个差异表达基因,显著下调的有3290个。为验证RNA-Seq可靠性本研究随机选择了 17条基因做qRT-PCR。根据GO条目和KEGG分析本研究发现在不同施钾水平下,叶片和果实差异表达基因主要富集于“响应刺激”,“单有机体代谢过程”,“响应含氧化合物的生物过程”以及“代谢通路”,“次级代谢生物合成”和“植物激素信号传导”途径上。低钾处理显著抑制叶片和果实中钾的转运以及糖代谢过程,其中,AKT1(gene39320)在果实发育过程中对响应外界钾胁迫时叶片和果实之间K+的转运起重要作用。低钾处理下蔗糖代谢和酸代谢整体减弱主要是由于低钾抑制代谢过程中关键基因的表达。低钾处理诱导参与山梨醇代谢相关基因中3个SDH基因(gene33410、gene33408 和 gene20259)以及 2 个 S6PDH(gene27055 和 ge^27053)表达量的上调促进果糖的积累。低钾处理诱导淀粉酶基因表达的上调促进淀粉的分解,利于葡萄糖的积累。适当高钾(K0.8)能增强叶片光合作用,促进养分和碳水化合物向果实中分配。其中在低钾水平下成熟期叶片和果实中各糖组分的变化还受到8种激素信号和活性氧(ROS)相关基因表达的调控。这些数据揭示了果实发育中后期梨叶片和果实响应不同钾水平的表达模式,以及钾促进果实糖组分提高的分子机理,为我们更好的理解施钾提高果实品质提供了科学依据。(4)在转录组测序基础上,通过生物学分析将成熟期叶片和果实中筛选到参与矿质养分(K、Ca和Mg)及糖(蔗糖和山梨醇)转运的19个差异表达基因并进行qRT-PCR的验证。结果表明施钾促进叶柄和果柄的发育,增强养分和糖分向果实中分配。相比中钾处理,低钾处理造成叶片中钾和钙含量的下降,显著促进镁含量的提高,而果实在K0处理下钾钙镁含量显著下降,高钾处理下显著提高钾的吸收。施钾促进叶片和果实中钾转运系统和钙转运系统相关基因表达量的上调,促进叶片和果实钾钙的转运。但叶片中Mg与K和Ca转运出现拮抗作用,这与低钾处理下MRS2-1(镁转运蛋白)和MRS2-3的表达上调有关。果实糖分的提高与SUTs和SOTS基因表达水平的提高密切相关。这表明施钾改善梨叶柄和果柄维管束细胞的发育,增强养分和糖分转运相关基因的协同作用,促进其在源库间的转运,进而促进成熟期果实品质的提高。综上所述,施钾显著提高叶片和果实的钾营养水平,促进糖代谢相关基因的表达增强叶片中糖组分(山梨醇和蔗糖)的合成,改善叶柄和果柄维管束结构,通过调控叶片和果实中养分和糖转运相关基因表达水平,增强养分和糖分由源到库的分配与积累,有利于果实总糖含量的提高。