木薯內源赤霉素含量與塊根淀粉積累的關系

摘要：為研究木薯（Manihot esculenta Crantz）內源赤霉素含量與不同淀粉含量木薯塊根淀粉積累的關系，以木薯輻選01（塊根淀粉含量高）和華南124（塊根淀粉含量低）為材料，在木薯的4個生長時期測定其根、莖、葉的赤霉素含量以及塊根淀粉含量，并進行相關分析。結果表明， 在不同生長發育時期，木薯通過各部位的赤霉素水平調控淀粉合成關鍵酶活性來調節淀粉的合成。

關鍵詞： 木薯（Manihot esculenta Crantz）；赤霉素；塊根；淀粉合成酶；淀粉積累

中圖分類號：S533 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）07-1628-05

木薯（Manihot esculenta Crantz）屬大戟科（Euphorbiaceae）木薯屬（Manihot），其淀粉含量高，素有“淀粉之王”和“地下糧倉”的美稱，是僅次于馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）的世界第二大塊根類作物[1]。赤霉素是植物調控自身生長發育的一類重要內源激素，有研究表明，赤霉素對果實發育及淀粉積累有一定的作用[2]，對木薯營養生長及塊根淀粉積累有一定促進作用[3]。目前關于激素與生長關系以及淀粉積累的研究較多，但對于赤霉素是否具有調控淀粉合成關鍵酶作用的研究較少。為此，以高含量淀粉木薯輻選01及低含量淀粉木薯華南124為試驗材料，研究木薯內源赤霉素含量與不同淀粉含量木薯塊莖淀粉積累的關系，旨在對提高木薯淀粉產量及對木薯栽培提供一定的指導作用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

木薯品種：華南124、輻選01，由廣西大學農學院木薯種質資源圃提供。輻選01系由華南124經輻射誘變產生的高淀粉突變體育成，兩個品種除塊根淀粉含量有較大差異外，其他農藝性狀相似。

1.2 試驗處理

木薯種莖長約20 cm，于2012年4月11日種植，2013年1月下旬收獲。指標測定所需的材料分別于苗期、塊根形成期、塊根膨大期、塊根成熟期四個階段進行田間采樣。每次分別隨機采枝葉繁茂、處在相應生長期的樣本各3株，取頂三葉、莖稈及塊根，并及時用液氮急凍2～3 min，放入-80 ℃超低溫冰箱中保存備用。

1.3 試驗方法

赤霉素含量測定參照間接法ELISA試劑盒操作方法。酶活性（以鮮重計）測定方法：蔗糖磷酸合成酶（SPS）及蔗糖合成酶（SS）活性測定參照文獻[4]進行；ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）活性測定參照Nakamura等[5]的方法略加改動，以測定ATP的形成量表示活性；游離態淀粉合成酶（SSS）提取參照梁建生等[6]的方法；形成的ATP按李立人[7]的方法測定；塊根淀粉分支酶（SBE）活性測定參照李太貴等[8]的方法進行；淀粉含量（以鮮重計）測定參照文獻[9]進行。

1.4 試驗統計

試驗數據采用Microsoft Excel 2010及SPSS 19.0軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 木薯各時期各部位赤霉素含量變化

對比參試品種各部位在各生長期的赤霉素含量（圖1、圖2）發現，在苗期華南124葉部赤霉素水平相對較高，因此，這個時期會出現華南124的葉片生長比輻選01快、葉面積大的現象，在隨后的過程中華南124葉片的赤霉素含量逐漸下降，而輻選01則逐漸上升，到達塊根形成期時兩者的赤霉素含量相當，之后又逐步下降，但華南124葉片的下降更快，最低值出現在塊根膨大期。隨后的生長過程中，兩參試品種的葉部赤霉素含量又不斷增長，華南124的相對增長較快，兩者赤霉素含量均維持在一個較高水平上。

參試品種的莖、根部赤霉素含量隨著植株的生長逐步升高，華南124在塊根膨大期莖部赤霉素含量增加的速度達到最快，在此時期兩個品種根部的赤霉素含量均已高于葉部，并呈緩慢增長趨勢。就莖、根部赤霉素含量而言，兩個品種較多地分配在根部，這與木薯塊根淀粉積累存在一定的關系。總體上，兩個品種莖部的赤霉素含量相對較低。

2.2 木薯各時期淀粉合成關鍵酶的活性變化

2.2.1 不同生長期參試品種蔗糖磷酸合成酶（Sucrose Phosphate Synthase， SPS）活性 SPS是一種糖基轉移酶，一般認為SPS調節著葉片中光合產物在淀粉和蔗糖之間分配，因而也調控著葉片中的可溶性糖含量和對庫端的供應能力[10]。兩個品種不同生育期葉片中SPS活性最高峰均出現在塊根膨大期，達到最高峰后下降，其SPS活性變化趨勢相同（圖3、圖4）。但輻選01 SPS平均活性比華南124高，更有利于蔗糖的供應，這是否與木薯淀粉含量高低存在相關關系，有待進一步研究。

2.2.2 不同生長期參試品種蔗糖合成酶（Sucrose Synthase，SS）活性 在木薯塊根中，SS的作用主要是催化塊根中的蔗糖降解為UDPG（尿苷二磷酸葡萄糖）和果糖，然后才用于合成淀粉。因此，塊根中SS活性的高低反映了降解利用蔗糖的能力，其活性高，合成淀粉的底物就充足[11]，但SS并不是最主要的蔗糖合成途徑，因此SS的活性相對比SPS要低許多。兩個品種SS含量均在塊根膨大期出現高峰值，輻選01具有相對較高的SS活性，表明高淀粉品種蔗糖降解代謝較為旺盛，能為淀粉合成提供充足的底物。華南124在塊根形成期時SS活性出現最低值。整體而言，木薯的整個生長發育過程中SS活性逐步增高，在植株生長最旺盛的塊根膨大期時達到最高峰，隨后開始下降（圖3、圖4）。

2.2.3 不同生長期參試品種ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（ADP-glucose Pyrophosphorylase，AGPase）活性 AGPase是淀粉合成中重要的一種酶，它的作用是催化GIP與無機焦磷酸反應生成ADPG，而ADPG是淀粉合成的直接前體物質之一。兩個品種AGPase活性變化與SPS、SS的變化趨勢相近，最高值出現在塊根膨大期。苗期及塊根形成期屬于木薯生長前期，淀粉合成關鍵酶的活性逐漸增加，主要進行營養生長；塊根膨大期為木薯整個植株生長旺盛期，此時期AGPase活性達到最大，同時木薯的塊根淀粉進入快速積累階段，隨后到了塊根成熟期，木薯植株地上部分開始衰老，此時的AGPase逐漸下降，但沒達到最低水平。華南124在塊根形成至塊根膨大期是AGPase活性增加速度最快的時期，同時在這個時期的AGPase活性相對于輻選01的要高，但到塊根成熟期其含量下降的速度比輻選01的快（圖3、圖4）。

2.2.4 不同生長期參試品種游離態淀粉合成酶（Soluble Starch Synthase，SSS）活性 SSS游離存在于淀粉體中，催化ADPG或UDPG與淀粉（葡聚糖）反應，將葡萄糖分子轉移到淀粉引物上，使淀粉鏈延長，是催化淀粉合成的一個重要酶。塊根中SSS活性越強，塊根利用ADPG合成長鏈淀粉的能力就越強。兩個品種在塊根成熟期時SSS的活性差異不顯著，總體上SSS活性是隨著木薯生長發育的進行而不斷增加的（圖3、圖4）。

2.2.5 不同生長期參試品種淀粉分支酶（Starch Breaching Enzyme，SBE）活性 淀粉分支酶又稱Q酶，其在淀粉合成過程中的作用是通過形成a-1，6糖鍵，從而形成分支的糖鏈。Q酶作為支鏈淀粉酶，它的變化直接影響到支鏈淀粉含量[12]。SBE活性在兩個品種中都較低（圖3、圖4），這種現象的產生是由于木薯塊根需要合成支鏈淀粉的量較少。

2.3 木薯各時期淀粉含量變化情況

由圖5可知，兩個品種淀粉含量最高值出現在12月，輻選01較華南124的含量要高。輻選01在塊根形成期淀粉含量開始迅速增加，在塊根膨大期時已超過華南124，雖然華南124在出苗期的淀粉積累相對較高，但在生長旺盛的塊根膨大期淀粉積累能力相對于輻選01不足，最終導致其淀粉含量相對較低。

兩個品種生長前期各種酶活性較低，這與植株生長發育過程有關，同時淀粉合成關鍵酶活性隨植株生長不斷提高，呈上升趨勢，但此時合成的還原糖主要用于地上部分生長；兩個品種淀粉合成關鍵酶活性大多在塊根膨大期達最高峰，此時木薯生長最為旺盛，葉面積及光合作用能達到全生育期的最大值，同時在葉片上存在的光合作用的酶含量最高，活性最高，使多余的還原糖進行積累，而合成的蔗糖通過韌皮部運輸到塊根并進行淀粉的快速積累，此時塊根細胞中的相關酶活性就相對增加，達到整個生育期的最高峰。

2.4 赤霉素與淀粉積累的關系

2.4.1 參試品種各部位赤霉素含量與淀粉積累的關系 從表1可知，輻選01各部位的赤霉素含量與塊根淀粉含量呈極顯著相關，其莖、根部與淀粉形成的機制與華南124相近，但相關性相對較低，這與木薯種性有關。在葉片中赤霉素含量與淀粉含量的關系，輻選01的相關系數r=0.752，呈極顯著相關，而華南124的相關系數為-0.454，為負相關，這是由于華南124葉部的赤霉素促進地上葉片的形成和快速擴大，所以對淀粉積累的影響相對較弱；而兩個品種的莖、根部赤霉素含量均與淀粉含量極顯著相關，充分說明赤霉素對于木薯塊根淀粉積累存在一定的影響。

從表2可知，在各生長發育時期，參試品種赤霉素含量種間差異不明顯。但各生長部位赤霉素含量在不同時期存在一定的種間差異，一定程度上說明了品種間的赤霉素在植株各部位分配存在差異性，同時也說明了在塊根淀粉積累方式上存在著品種的特性。在苗期，參試品種間根、莖、葉部赤霉素含量均存在極顯著差異；塊根形成期，根部赤霉素含量存在極顯著差異；塊根膨大期，莖、葉部赤霉素含量存在極顯著差異；塊根成熟期，莖部赤霉素含量存在極顯著差異。

2.4.2 參試品種淀粉合成關鍵酶活性與淀粉含量的關系 從表1可知，兩個品種AGPase、SSS、SBE活性均與塊根淀粉含量呈極顯著正相關。雖然SPS及SS與淀粉含量沒有顯著相關，但它們所參與的反應是植物形成還原糖的重要途徑，且相關系數的數值只表示自變量與因變量之間的接近程度，即酶活性與淀粉含量之間關系密切程度，因此不能排除SPS及SS對木薯淀粉積累的意義，只是AGPase、SSS及SBE與淀粉合成有著直接的關系，對于淀粉含量的相關性相對SPS及SS要高。

從表2可知，兩個品種間塊根淀粉含量在塊根形成期及成熟期差異顯著，但輻選01在塊根成熟期淀粉含量相對較高，同時這個時期是木薯塊根淀粉積累的最重要時期，是決定木薯淀粉最終含量的時期。兩個品種間SPS在不同生長期中均存在極顯著差異；SS在苗期、塊根形成期、塊根膨大期種間均存在極顯著差異；AGPase及SBE在塊根成熟期種間差異顯著；SSS則無顯著性差異。

2.4.3 參試品種各部位赤霉素含量與淀粉合成關鍵酶活性的關系 從表3可知，輻選01各部位赤霉素含量與SPS以及SS活性的相關不顯著；而葉部與AGPase、SBE 極顯著相關，與SSS顯著相關；莖部與SSS、SBE顯著相關；根部與AGPase、SSS顯著相關，與SBE極顯著相關，說明輻選01赤霉素含量能影響這3種酶活性，并具有一定的調節作用。華南124葉部赤霉素含量與淀粉合成關鍵酶活性除與SBE呈顯著負相關外，與其他均呈極顯著負相關，說明葉部的赤霉素對這些酶存在抑制作用，葉部的赤霉素含量越高，酶的活性就相對降低；莖、根部赤霉素含量與SPS以及SS活性的相關不顯著，說明莖、根部的赤霉素含量對這兩種酶的活性作用較弱，特別是根部的赤霉素幾乎沒有作用；但莖部的赤霉素含量與AGPase、SSS及SBE活性極顯著相關，根部的赤霉素含量與AGPase、SBE活性顯著相比，與SSS極顯著相關，說明華南124莖、根部赤霉素具有影響這3種酶活性的能力，對其存在一定的調節作用。

3 小結與討論

3.1 淀粉合成關鍵酶對塊根淀粉積累的作用

高淀粉品種（輻選01）在塊根成熟期淀粉含量顯著高于低淀粉品種（華南124），在整個生長發育時期，輻選01的SPS活性均極顯著高于華南124，這對塊根淀粉積累提供了充足的原料；在塊根成熟期輻選01的AGPase、SBE活性顯著高于華南124，這是由于高淀粉品種快速積累淀粉，同時合成支鏈淀粉能力比低淀粉品種高，進而導致了高、低淀粉木薯品種在此時期的淀粉含量差異。

3.2 赤霉素含量對淀粉合成關鍵酶的作用

高淀粉品種（輻選01）植株各部位赤霉素對AGPase、SSS及SBE活性有明顯的正向調節作用；而低淀粉品種（華南124）根、莖部赤霉素對AGPase、SSS以及SBE活性有顯著的正向調節作用，尤其是莖部的赤霉素含量與這3種酶呈極顯著正相關。

3.3 赤霉素含量對塊根淀粉積累的作用

高淀粉品種（輻選01）各部位赤霉素含量與淀粉含量均呈極顯著相關，而低淀粉品種（華南124）葉部赤霉素含量與淀粉含量之間呈不顯著負相關，莖、根部赤霉素含量與淀粉含量均呈極顯著相關。綜上所述，在不同生長發育時期，木薯通過各部位的赤霉素水平調控淀粉合成關鍵酶活性來調節淀粉的合成。

該研究只涉及表觀性數據指標，如赤霉素含量、淀粉含量等，通過這些數據進行統計學上的分析，對于內源赤霉素是否影響木薯淀粉合成關鍵酶的活性進而影響木薯塊根淀粉的積累有待進一步研究。此外，試驗設計中木薯品種只有兩個，分別為高淀粉含量品種輻選01和較低淀粉含量品種華南124，應盡量選高、低淀粉含量品種各兩個以上，以增加試驗的可信度。且內源激素間存在著一定的相互作用，隨之對木薯塊根淀粉積累產生反應，試驗只對單一的內源赤霉素進行研究，并不能準確說明內源赤霉素對木薯塊根淀粉積累存在著促進作用，試驗應通過對多種內源激素的研究才能獲得相對準確的結論。

參考文獻：

[1] 劉光華，劉 倩，張林輝，等.云南木薯高效栽培技術[M].昆明：云南科學技術出版社，2010.

[2] BAKTIR I，ULGER S，KAYNAK L，et al.Relationship of seasonal changes in endogenous plant hormones and alternate bearing of olive trees[J]. HortScience，2004，39（5）：987-990.

[3] 羅興錄，樊吳靜，王 軍.木薯不同生育時期內源激素含量變化研究[J].中國農學通報，2011，27（21）：82-86.

[4] 中國科學院上海植物生理研究所，上海市植物生理學會.現代植物生理學實驗指南[M].北京：科學出版社，1999.

[5] NAKAMURA Y，YUKI K. Changes in enzyme associated with carbohydrate metabolism during the clevelopmed of rice endosperm[J]. Plant Science，1992，82（1）：15-20.

[6] 梁建生，曹顯祖，徐 生，等.水稻籽粒庫強與其淀粉積累之間關系的研究[J].作物學報，1994，20（6）：685-691.

[7] 李立人.植物與微生物中ATP的提取方法及測定方法評述[J].植物生理學通報，1986（4）：5-11.

[8] 李太貴，沈 波，陳 能，等. Q酶在水稻籽粒堊白形成過程中作用的研究[J]. 作物學報，1997，23（3）：338-344.

[9] 上海植物生理學會.植物生理學實驗手冊[M].上海：上海科學技術出版社，1985.

[10] 羅 毅，姜玉梅，劉海英.不同優質小麥子粒淀粉積累動態及其酶活性變化[J].河南農業大學學報，2005，39（2）：135-138.

[11] 高松潔，郭天財，王文靜，等.兩種穗型冬小麥籽粒淀粉積累動態及其有關酶活性變化[J].西北植物學報，2004，24（4）：632-637.

[12] SMITH A M， DENYER K， MARTIN C R. What controls the amount and structure of starch in storage organs[J]. Plant Physiol，1995，107：673-677.