甘薯塊根碳水化合物合成與積累動態特性研究

呂長文 王季春 唐道彬 王三根 趙 勇 李艷花

(西南大學農學與生物科技學院1,重慶 400716)

(重慶市甘薯工程技術研究中心2,重慶 400716)

甘薯塊根碳水化合物合成與積累動態特性研究

呂長文1,2王季春1,2唐道彬1,2王三根1趙 勇1,2李艷花1

(西南大學農學與生物科技學院1,重慶 400716)

(重慶市甘薯工程技術研究中心2,重慶 400716)

以不同干物質類型的甘薯品種綿粉 1號、南薯 88和商丘 52-7為材料,研究了甘薯塊根形成與膨大期間碳水化合物積累與淀粉合成相關酶活性的動態變化及其相互關系。結果表明,作為品種的固有特征,干物質含量或淀粉含量的差異主要決定于品種的遺傳特性。對于中高干率品種而言,淀粉在生育中后期積累較快。磷酸蔗糖合成酶(SPS)活性與品種間淀粉積累量一致,中等干物質品種 (南薯 88)中后期的蔗糖合成酶 (SS)活性較高,淀粉積累量也最多,SPS和 SS對淀粉合成與積累具有促進作用,ADPG焦磷酸化酶有隨氣溫降低而活性下降的趨勢。此外不同品種均表現出甘薯塊根干物質含量與可溶性糖含量、淀粉產量與可溶性糖含量呈極顯著的負相關關系。

甘薯 碳水化合物 合成與積累 動態變化

甘薯 [Ipom oea batatas(L.)Lam.]在我國常年種植面積約 6 000 000 hm2,在世界糧食生產中總產量列第 7位,它既是一種宜糧、宜飼、宜加工的多用途糧食作物[1],同時還具有多樣化的食品保健功能[2-3]。近年來,隨著世界能源的緊缺,新型替代可再生能源的開發和利用又將甘薯的作用繼續延伸,在發展新型清潔能源方面發揮了極為重要的作用。然而甘薯遺傳資源豐富,品種類型多樣,傳統育種方式難以實現定向選育,能否作為生物質能源作物則完全取決于品種的干率及淀粉產量的高低,而甘薯淀粉和其他碳水化合物的積累又與控制淀粉合成途徑的酶極為相關。在對相關酶的研究上,有關小麥、水稻、玉米等主要糧食作物的研究報道較多[4-6],而對不同干物質含量類型甘薯的相關研究較少,對指導甘薯的定向育種的理論研究極為缺乏。本試驗選擇了 3種干物質含量差異較大 (淀粉含量)特異型品種,對其淀粉合成相關酶活性變化與碳水化合物形成積累的相關特性進行了研究,對闡明不同類型品種淀粉酶特性與淀粉合成與積累的關系,進而利用這種相互關系實現甘薯專用型品種的定向選育,具有一定的理論與應用價值。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料于 2006～2008年種植于重慶西南大學作物科研基地,包括高干率型品種綿粉 1號 (MF)、兼用型品種南薯 88(NS)和低干率型品種商丘 52-7(S Q),均由西南大學薯類作物研究所提供。密度為畝植 3 000株,從 50天開始取樣,每 15天一次共計 5次取樣。

1.2 塊根干物質含量測定

取大小基本一致薯塊去皮后,切成粒狀稱量50 g,于 105℃下殺青 15 min后,于 80℃下烘至恒重。

1.3 塊根碳水化合物含量測定

將烘至恒重的薯粒磨細,100目過篩后,取樣0.1 g進行淀粉、可溶性糖測定。淀粉含量采用高氯酸 -I2-KI測定[7],可溶性糖采用蒽酮法測定[8]。

1.4 塊根淀粉合成相關酶測定

取大小一致鮮薯塊根,去皮后取 0.1 g樣品,加入提取液 5 mL(含 100 mmol/L Tricine-NaOH,pH 7.5;8 mmol/L MgCl2;2 mmol/L EDTA;12.5%Glycerol;1%PVP-40,50 mmol/L 2-Mercap-toeth2 ano1),冰浴碾磨。碾磨后,離心 10 min(2℃,15 000 r/min),其上清液即為可溶性粗酶液[9-10]。該粗酶液用于蔗糖合成酶 (SS)、蔗糖磷酸合成酶 (SPS)和ADPG焦磷酸化酶 (AGPP)。

1.4.1 ADPG焦磷酸化酶 (AGPP)活性的測定

取 20μL酶粗提液加入 110μL反應液 (反應液最終濃度是 100 mmol/L Hepes-NaOH(pH 7.4)、1.2 mmol/L ADPG,3 mmol/L PPi;5mmol/L MgCl2,4 mmol/L DTT)。30℃反應 20 min后,沸水中終止反應 30 s。10 000×g離心 10min后取上清液 100μL,加 5.2μL比色液 (5.76 mmol/L NADP,0.08 unit PG M,0.07 unit G6PDH)。30℃反應 10 min后,測定340 nm OD值。

1.4.2 蔗糖磷酸合成酶 (SPS)活性測定

取 50μL粗酶液加 50μL HEPES-NaOH緩沖液、20μL 50 mmol/L MgCl2、20μL 100 mmol/L UD2 PG、20μL 100 mmol/L 6-磷酸果糖 ,反應 30 min后 ,加 200μL 1 mol/L NaOH終止反應,加 1.5 mL濃鹽酸和 0.5 mL 1%間苯二酚,測定生成蔗糖的含量。

1.4.3 蔗糖合成酶 (SS)活性測定

取 50μL粗酶液加 50μL HEPES-NaOH緩沖液、20μL 50 mmol/L MgCl2、20μL 100 mmol/L UD2 PG、20μL 100 mmol/L 果糖 ,反應 30 min后 ,加 200 μL 1 mol/L NaOH終止反應,加 1.5 mL濃鹽酸和 0.5 mL 1%間苯二酚,測定生成蔗糖的含量。

1.5 數據統計與分析

試驗數據運用 Excel 2003和 SPSS13.0進行統計分析與作圖。

2 結果與討論

2.1 不同時期干物質形成差異

塊根是甘薯干物質貯藏的主要器官,通過對不同類型甘薯塊根干物質含量在不同時期的變化可以看出 (圖 1),低干率品種商丘 52-7無論是在栽后50天塊根形成的初期,還是塊根形成并膨大 2個月后,鮮薯的干物質含量始終維持在 12%左右,而對于南薯 88和綿粉 1號,直至栽后 110天,干物質含量仍在進一步增加,但以塊根膨大的前期增長較快。由于甘薯品種的干物質主要由其遺傳特性決定,但在生育的不同時期,干物質含量仍有一定變化,商丘52-7前后期差異僅 1%左右,而高干率品種綿粉 1號的前后期干率差異達 10.65%,可見干物質含量越高的品種,前后期的干物質差異更為大。

圖 1 不同品種塊根干物質含量動態變化

2.2 不同類型甘薯碳水化合物形成差異比較

從圖 2可知,甘薯淀粉的形成和積累也需要一定時期。在塊根形成后,薯塊中淀粉增量并非隨著塊根的膨大而同比例增加,其含量在薯塊膨大中后期也才相對穩定,且淀粉在塊根中的積累在前期非常迅速,在塊根形成初期 (栽后 50天),即使低干率品種的薯干淀粉含量也達到了 35%以上。從各品種不同時期淀粉含量看,高干率品種的淀粉含量仍明顯高于低干率品種。

圖 2 不同品種薯干淀粉含量動態變化

一般來說,甘薯淀粉含量與產量總是一對難以調和的矛盾性狀,高淀粉低產量,低淀粉高產量。但從圖 3所示結果看,栽后 80天之前,各品種的淀粉產量差異并不顯著,但之后南薯 88與綿粉 1號與低干率品種商丘 52-7差距拉大,結合 3者的淀粉含量(圖 2),可知低干率品種商丘 52-7前期塊根膨大快,淀粉合成積累快,時間短,而后期積累少產量增幅較小,中干率品種南薯 88則在栽后 80天起塊根迅速膨大,淀粉積累持續增長,產量大幅提升,綿粉 1號在整個時期則保持了較為穩定的淀粉合成與積累速度,從而最終各品種在淀粉產量的差異上呈現出低干率低產、中干率高產、高干率中產的結果。從不同干物質類型品種的淀粉積累與合成動態變化看,中干率品種的淀粉合成與積累時期較長,而高干率品種次之,低干率品種淀粉積累期則相對較短。從前人研究結果可知,干物質含量 (或淀粉)與產量呈顯著負相關關系,這也是難以育成具有突破性的高干率且高產品種的根本原因。因此,在選育不同類專用型品種方面,高產應為首選指標,即使鮮薯淀粉含量很高,產量不行也難以為生產所用,而對于干物質較低的品種,如果在產量方面有較大突破,其總的干物質含量仍會比較可觀。

圖 3 不同品種塊根淀粉積累動態變化

通過對品種可溶性糖含量研究結果表明,該性狀與其干物質或淀粉含量相反,干物質或淀粉含量越高的品種,可溶性糖含量就越低 (圖 4)。在同一時期,塊根可溶性糖含量均表現為商丘 52-7高于南薯 88,后者又高于綿粉 1號。即可溶性糖與干物質或淀粉含量呈負相關關系,前者可能是淀粉合成的供體物質。根據淀粉是在葉綠體或淀粉體中通過一系列酶反應合成這一前提,Muller等[11]提出淀粉生物合成的兩條途徑,無論是在葉綠體中還是庫細胞中,葡萄糖、果糖、蔗糖均為淀粉合成的主要原料或前體物質,包勁松[12]所提到的淀粉合成途徑模型也證實了這點,蔗糖作為可溶性糖的一種,在淀粉類作物中的淀粉形成與積累具有決定性的作用。沈淞海等[13]在研究甘薯生長發育過程中可溶性糖含量與淀粉積累的關系時發現,非還原糖在甘薯塊根中占總糖含量的 51%～88%,而蔗糖占非還原糖的 90%以上,淀粉積累率低時,塊根總糖水平急劇升高,同時認為蔗糖含量與塊根淀粉積累率呈負相關。

圖 4 不同品種塊根薯干可溶性糖含量動態變化

2.3 淀粉合成酶類活性比較

從圖 5可知,在塊根形成與膨大初期,各品種的蔗糖磷酸合成酶均處于較高活性,尤以高淀粉品種綿粉 1號為最,隨后逐漸降低,至栽后 80天又逐漸升高,最后 3品種該酶活性基本處于同一水平。從整個薯塊膨大期來看,以南薯 88的蔗糖磷酸合成酶活性相對較高,綿粉 1號次之,商丘 52-7為最低,可見該酶整體活性與各品種的淀粉合成與積累表現一致。

圖 5 不同品種塊根蔗糖磷酸合成酶活性差異

而塊根蔗糖合成酶在薯塊形成與膨大期間呈現出兩個拐點的波浪式變化 (圖 6)。首先在栽后 65天,3品種均出現了一個波峰 (較大值),而后呈不同程度的下降,特別是高干率品種蔗糖合成酶迅速下降,在栽后 80天出現活性又反彈上升,而其他兩個品種則在栽后 95天又才由最低值逐漸上升。從塊根的整個膨大期來看,該酶活性均維持在 20～60酶活力單位。同時,ADPG焦磷酸化酶是各類淀粉質類作物淀粉形成的關鍵性調節酶。由圖 7可知,該酶在甘薯形成與膨大初期最高,后期相對較低,在整個生育期間變幅較大。在栽后70～80天時,3品種該酶活性均維持在 1 200～1 400酶活單位。隨后該酶活性呈繼續下降趨勢。這也可能是由于后期氣溫下降所致,對酶活性產生了較大影響。

植物淀粉的生物合成主要涉及腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶、淀粉合成酶、可溶性淀粉合成酶、淀粉分支酶和淀粉去分支酶,它們在淀粉的合成與積累過程中發揮著重要作用,是影響淀粉生物合成的關鍵酶[14-19]。Li等[20]研究發現,蔗糖合成酶在甘薯塊根的形成與膨大中表達最活躍,而蔗糖合成酶途徑在涉及淀粉積累的蔗糖分解過程中占主導。Yato2 mi等[21]通過對不同產量水平的兩個甘薯品種淀粉合成相關酶活性比較發現,高產品種的蔗糖合成酶、AGPP以及淀粉合成酶的活性比低產品種相應酶的活性高,進而認為這些酶活性的高低是甘薯品種高產的原因之一。從本試驗 AGPP活性看,整個生育期呈下降趨勢,這與生育期環境溫度變化較為一致,氣溫越高酶活性越強。在穩定溫度條件下,該酶活性是否會有隨著生育發育進程而發生類似變化趨勢,還有待進一步研究。

2.4 相關性分析

通過進一步相關分析發現 (表 1),對所有品種而言,甘薯塊根干物質含量、淀粉含量與可溶性糖含量之間均呈極顯著的負相關關系,它們與可溶性糖含量的相關系數分別 -0.649和 -0.704;此外塊根干物質與淀粉含量之間、SPS活性與可溶性糖含量之間則呈極顯著正相關,其相關系數分別為 0.924和0.699。這也進一步證實了可溶性糖可能是甘薯淀粉合成的前體或中間物,同時 SPS活性越強,可溶性糖含量越低。

表 1 碳水化合物及相關酶活性相關性分析

3 結 論

3.1 品種干物質含量越高,生育前期與后期干物質含量差異越大。盡管南薯 88干物質含量一般,但其產量顯著超過其他兩個品種,其最終干物質積累量(或淀粉產量)仍高于綿粉 1號和商丘 52-7,這為品種淀粉用專用型品種選育提出了理論依據。即在品種選擇中,宜選擇中高干率 (物質)品系,這類品系淀粉合成與積累時間長,并非干物質 (淀粉含量)越高越好,才有可能選出具有突破性產量的優良品種。

3.2 薯干可溶性糖含量與干物質含量、淀粉含量之間呈極顯著負相關,而塊根干物質與淀粉含量之間、SPS活性與可溶性糖含量之間則表現為極顯著正相關關系。可見可溶性糖可能是淀粉合成的前體物質或中間物,且高干率品種的可溶性糖轉化合成淀粉的效率較高。

3.3 不同類型品種 SPS、SS及 APGG的酶活性變化趨勢基本一致,但不同時期活性存在差異,低干率品種商丘 52-7的 SPS與 SS活性不同時期均較低,而全生育期內各品種平均 AGPP活性基本處于同一水平,由此也可見 SPS與 SS酶在甘薯塊根淀粉合成與積累中具有積極作用,特別是對于高干率 (高淀粉)品種,上述酶活性更強。

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Dynamic Characteristics of Carbohydrate Synthesis and Accumulation in Tuberous Roots of Sweet Potato

Lv Changwen1,2Wang Jichun1,2Tang Daobin1,2Wang Sangen1Zhao Yong1,2Li Yanhua1
(College ofAgronomy and Biotechnology,SouthwestUniversity1,Chongqing 400716)
(Chongqing Engineering Center of Sweet Potato2,Chongqing 400716)

Three sweet potato varieties of different drymatter contentwere used to research the changes of car2 bohydrates accumulation and correlated enzymes activities,as well as the relationship among these traits.Results:As an inherent character,the difference of dry matter content or starch content between varieties mainly depend on the variety genetic characteristics.As for the varieties of middle or high dry matter,the starch accumulation is relatively fast at late stages.The activity of SPS is consistentwith the amountof starch accumulation;the activity of SS of variety Nanshu-88 is the highest among the three varieties,and its amount of starch accumulation is also the most.So SPS and SS could promote starch synthesis and accumulation.ADP-glucose pyrophosphorylase activity trends to decline with temperature lowering.In addition,there is an extremely significant negative correlation between soluble sugar con2 tent and drymatter content,and between soluble sugar content and starch content,for all the varieties.

s weet potato,carbohydrate,synthesis and accumulation,dynamic change

S531

A

1003-0174(2011)02-0023-05

重慶市自然科學基金 (CSTC2009BB5295),重慶市科技創新能力建設項目(CSTC2009CB1001)

2010-03-29

呂長文,男,1978年出生,博士,講師,作物栽培與耕作

王三根,男,1954年出生,教授,博士生導師,植物生理生化