馬鈴薯匍匐莖糖類物質(zhì)變化規(guī)律的研究

張桂芝 姜海洋 馬光恕 廉華 楊升 張軍民

摘要：以克新13號(hào)、費(fèi)烏瑞它、延薯4號(hào)3個(gè)熟期不同的馬鈴薯品種為試驗(yàn)材料，采用大田旱作模式、隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，通過(guò)測(cè)定苗后5～30 d匍匐莖中糖的成分和含量以及糖代謝相關(guān)酶的活性，研究馬鈴薯匍匐莖發(fā)生和形成過(guò)程中糖類物質(zhì)變化規(guī)律。結(jié)果表明，蔗糖、可溶性糖的含量呈現(xiàn)先上升后下降再回升的變化趨勢(shì)（延薯4號(hào)的可溶性糖含量除外），葡萄糖、果糖的含量則是先降低再升高的趨勢(shì)；蔗糖含量與SS活性的變化趨勢(shì)近似，SPS活性呈現(xiàn)“M”形，轉(zhuǎn)化酶兩谷一峰變化趨勢(shì)。SS、SPS是影響蔗糖合成的關(guān)鍵酶，轉(zhuǎn)化酶是分解轉(zhuǎn)化蔗糖的關(guān)鍵酶。匍匐莖決定著塊莖的形成，通過(guò)此試驗(yàn)研究旨在為馬鈴薯塊莖形成提供理論依據(jù)，為指導(dǎo)馬鈴薯的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；匍匐莖；糖代謝；酶活性

中圖分類號(hào)： S532.01文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）03-0055-04

收稿日期：2015-12-22

基金項(xiàng)目：2011年度黑龍江省新農(nóng)村科技服務(wù)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：1251xnc111）。

作者簡(jiǎn)介：張桂芝（1969—），女，碩士，高級(jí)農(nóng)藝師，從事蔬菜育種及生理研究工作。E-mail：damao98@163.com。

通信作者：馬光恕，教授，主要從事蔬菜栽培生理研究。E-mail：mgs_lh@163.com。

2015年，馬鈴薯被我國(guó)確立為主糧作物。馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)豐富且耐旱、抗性強(qiáng)、適宜種植范圍廣，可兼做糧食、蔬菜、飼料和工業(yè)原料，對(duì)亞洲乃至全世界72億人口的糧食安全都是至關(guān)重要的[1-2]。

糖是植物光合作用的產(chǎn)物，是植物器官組織賴以生長(zhǎng)發(fā)育的重要能量和物質(zhì)基礎(chǔ)[3]。蔗糖、葡萄糖、果糖等可溶性糖是植物糖類物質(zhì)的重要組分，蔗糖是植物體內(nèi)碳水化合物貯存和運(yùn)輸?shù)闹饕问?，協(xié)調(diào)植物源庫(kù)關(guān)系的信號(hào)分子，蔗糖和相關(guān)酶[蔗糖合成酶（SS）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）、轉(zhuǎn)化酶]在植物糖代謝中扮演著重要角色，影響器官的發(fā)生和果實(shí)品質(zhì)形成[4-5]。轉(zhuǎn)化酶與蔗糖合成酶的共同作用是影響普通栽培型番茄果實(shí)中糖積累的重要因子[6]，高濃度的糖是促進(jìn)塊莖發(fā)育的重要因子[7]，相對(duì)于其他可溶性單、雙糖類，蔗糖誘導(dǎo)結(jié)薯的能力更突出和高效[8]。對(duì)番茄[6]、大豆[9]、甜菜[10]、玉米[11]、大蔥[12]等作物的研究表明可溶性糖代謝及其酶活性變化與植物的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)，SS既能催化蔗糖合成又能催化其分解，SPS被認(rèn)為是催化蔗糖合成的主要酶，轉(zhuǎn)化酶催化蔗糖分解為單糖[13]。

匍匐莖的形成和發(fā)育直接影響塊莖形成進(jìn)而影響產(chǎn)量，前人研究了匍匐莖發(fā)生形態(tài)變化、發(fā)生節(jié)位、肥料、生長(zhǎng)物質(zhì)、光照等因素作用[14-18]，而匍匐莖的發(fā)生和形成過(guò)程中自身糖類物質(zhì)代謝及相關(guān)酶活性變化情況尚未見(jiàn)報(bào)道，所以研究匍匐莖的糖類物質(zhì)變化規(guī)律，了解和掌握匍匐莖發(fā)生生長(zhǎng)生理機(jī)制可以為馬鈴薯高產(chǎn)高效栽培及合理施肥提供重要理論依據(jù)。[LM]

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試馬鈴薯品種為脫毒一代良種，分別是早熟品種費(fèi)烏瑞它、中晚熟品種克新13號(hào)與延薯4號(hào)。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)在黑龍江省大慶市大同區(qū)航天育種基地，土壤類型為草甸黑鈣土，0～20 cm耕層土壤基本農(nóng)化性狀為：土壤堿解氮178.00 mg/kg，速效磷20.00 mg/kg，速效鉀 240.00 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量2.45%，pH值8.04，含鹽總量 0.12%。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。大田旱作模式，壟作方式種植，人工點(diǎn)播。小區(qū)為10行區(qū)，行長(zhǎng)10 m，行距0.65 m，株距0.24 m，試驗(yàn)區(qū)四周設(shè)兩行保護(hù)行。一次性施入有機(jī)肥1.5萬(wàn)kg/hm2，磷酸氫二銨120 kg/hm2，尿素 210 kg/hm2，硫酸鉀270 kg/hm2。2015年4月26日播種，5月26日出全苗，生育期間進(jìn)行常規(guī)田間管理。

1.3項(xiàng)目測(cè)定

田間出苗后及時(shí)分別掛牌，出苗后至塊莖形成期每隔5 d隨機(jī)取樣，進(jìn)行馬鈴薯匍匐莖形成期糖代謝指標(biāo)的測(cè)定，共取樣6次。

可溶性糖、蔗糖、葡萄糖、果糖含量的測(cè)定均采用蒽酮比色法[19]；還原糖含量的測(cè)定參考李合生等的方法[20]，采用 3，5-二硝基水楊酸法；蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性，酶的提取和測(cè)定參照Nielsen等的方法[21]；轉(zhuǎn)化酶活性參照Z(yǔ)hu等的方法[22]提取。

1.4數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel、DPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1匍匐莖糖類物質(zhì)含量變化

2.1.1匍匐莖蔗糖的含量變化規(guī)律

馬鈴薯匍匐莖蔗糖含量變化規(guī)律如圖1所示：不同品種馬鈴薯匍匐莖蔗糖含量在出苗后5～30 d均呈現(xiàn)先升高后緩慢下降的變化趨勢(shì)。出苗后10 d，3個(gè)品種匍匐莖蔗糖含量均達(dá)到峰值，費(fèi)烏瑞它增長(zhǎng)幅度最高，為0.69 mg/（g·d）；克新13號(hào)增長(zhǎng)幅度最低，為 0.24 mg/（g·d）。出苗后10～20 d快速下降，在出苗后 20 d，克新13號(hào)降至最低值，后緩慢上升。費(fèi)烏瑞它和延薯4號(hào)則在出苗后25 d時(shí)降至最低值，后有所回升。

2.1.2匍匐莖還原糖的含量變化規(guī)律

由圖2可以看出，不同馬鈴薯品種匍匐莖中的還原糖含量在苗后5～30 d均呈現(xiàn)先升高然后迅速下降后再小幅度上升后下降的變化趨勢(shì)。出苗后15 d，3個(gè)品種匍匐莖還原糖含量均達(dá)高峰值，費(fèi)烏瑞它增長(zhǎng)幅度最高，為1.61 mg/（g·d）；延薯4號(hào)增長(zhǎng)幅度最低，為0.74 mg/（g·d）。出苗后15～20 d快速下降，在出苗后20 d時(shí)，克新13號(hào)和延薯4號(hào)至最低值，費(fèi)烏瑞它匍匐莖還原糖含量仍高于5 d時(shí)的含量；出苗后20～25 d，3個(gè)品種匍匐莖還原糖含量均又上升，至25 d時(shí)達(dá)一個(gè)低于15 d時(shí)的小高峰，仍以費(fèi)烏瑞它增長(zhǎng)幅度最高，為1.101 mg/（g·d）；延薯4號(hào)增長(zhǎng)幅度最低，為0.46 mg/（g·d）；出苗后25～30 d，不同馬鈴薯品種匍匐莖含量均緩慢下降，但出苗30 d時(shí)不同品種馬鈴薯還原糖含量均高于20 d的含量。

[FK（W10][TPZGZ2.tif][FK）]

2.1.3匍匐莖葡萄糖的含量變化規(guī)律

馬鈴薯匍匐莖葡萄糖含量變化規(guī)律如圖3所示。不同品種馬鈴薯匍匐莖葡萄糖含量在出苗后5～30 d均呈現(xiàn)“W”形變化趨勢(shì)，先下降后升高然后下降后再上升。出苗后10 d，克新13號(hào)和費(fèi)烏瑞它匍匐莖葡萄糖含量降至最低值，克新13號(hào)下降幅度最大，費(fèi)烏瑞它降幅最小，延薯4號(hào)亦下降至較低值，但它的葡萄糖含量高于前2個(gè)品種；出苗后10～15 d，不同馬鈴薯品種匍匐莖含量均迅速上升，15 d時(shí)達(dá)峰值；出苗后15～20 d，匍匐莖葡萄糖含量下降，克新13號(hào)和費(fèi)烏瑞它降至較低值，延薯4號(hào)繼續(xù)下降并在25 d時(shí)降到最低值然后上升；出苗20～30 d克新13號(hào)和費(fèi)烏瑞它匍匐莖葡萄糖含量亦逐漸上升。

2.1.4匍匐莖果糖含量變化規(guī)律

馬鈴薯匍匐莖果糖含量變化規(guī)律如圖4所示。不同品種馬鈴薯匍匐莖果糖含量在出苗后5～30 d均呈現(xiàn)先下降后上升又下降再上升似“W”字形的變化趨勢(shì)。出苗后10 d，3個(gè)品種匍匐莖果糖含量均下降到最低值；出苗后10～20 d快速連續(xù)上升，20 d時(shí)延薯4號(hào)達(dá)峰值。延薯4號(hào)增幅最大，日增幅為0.09%，克新13號(hào)增幅最小，日增幅為0.05%；出苗后20～25 d，不同品種馬鈴薯匍匐莖果糖含量又再次下降，25 d時(shí)降至較低值；25～30 d時(shí)迅速上升，克新13號(hào)增幅最大，日增幅為0.13%，延薯4號(hào)增幅最小，日增幅為0.05%。

2.1.5匍匐莖中可溶性糖含量變化規(guī)律

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同品種馬鈴薯匍匐莖可溶性糖含量在出苗后5～30 d表現(xiàn)為先上升后逐漸下降再上升的變化趨勢(shì)（圖5，延薯4號(hào)除外）。在出苗后5～10 d快速增加，在出苗后10 d達(dá)峰值。費(fèi)烏瑞它增長(zhǎng)幅度最高，為2.51 mg/（g·d）；延薯4號(hào)增長(zhǎng)幅度最低，為1.44 mg/（g·d）；在出苗后10～25 d時(shí)逐漸下降（延薯4號(hào)除外），其中在苗后10～20 d可溶性糖含量緩慢下降，在苗后20～25 d時(shí)迅速下降；出苗后25～30 d可溶性糖積累量快速增加，延薯4號(hào)增加幅度最大。

2.2匍匐莖糖代謝相關(guān)酶的活性變化

2.2.1蔗糖合成酶（SS）的活性變化

馬鈴薯匍匐莖SS活性變化規(guī)律如圖6所示。不同品種馬鈴薯匍匐莖SS活性在出苗后5～15 d均呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢(shì)，與匍匐莖蔗糖含量的變化趨勢(shì)近似。出苗后5～10 d時(shí)SS酶活性迅速增強(qiáng)，在苗后10 d時(shí)達(dá)峰值，延薯4號(hào)SS酶活性增幅最大，費(fèi)烏瑞它增幅最小，分別是0.46、0.26 mg/（g·min）；出苗后10～15 d時(shí)SS酶活性下降；出苗后15～30 d時(shí)酶活性變化無(wú)明顯峰谷值，較平緩，且維持在較高水平，出苗后30 d時(shí)SS活性有所回升。

2.2.2蔗糖磷酸合成酶（SPS）的活性變化

由圖7可以看出，不同馬鈴薯品種匍匐莖中SPS活性在苗后5～30 d均呈現(xiàn)“上升—下降—上升—下降”的變化趨勢(shì)。出苗后15 d，3個(gè)品種匍匐莖SPS活性均達(dá)高峰值，延薯4號(hào)SPS活性增幅最大、費(fèi)烏瑞它增幅最小，分別是0.83、0.50 mg/（g·min）；出苗后15～20 d時(shí)SPS活性快速下降，克新13降幅最大，費(fèi)烏[CM（25]瑞它降幅最小，分別是1.57、0.80[KG*3]mg/（g·min）出苗后20～25 d 時(shí)SPS活性均小幅度回升，延薯4號(hào)回升幅度 [JP3]0.88 mg/（g·min），費(fèi)烏瑞它回升幅度0.23 mg/（g·min）[JP]，克新13回升幅度居于前兩者之間；出苗后25～30 d，SPS活[JP3]性小幅度下降，3個(gè)品種下降幅度在0.33～0.79 mg/（g·min）[JP]之間。

2.2.3[JP2]轉(zhuǎn)化酶的活性變化

馬鈴薯匍匐莖轉(zhuǎn)化酶活性變化規(guī)律如圖8所示。不同品種馬鈴薯匍匐莖中轉(zhuǎn)化酶活性在出苗后5～30 d呈現(xiàn)“山”字形變化趨勢(shì)，先降低后升高再降低再升高。[JP3]出苗后5～15 d，轉(zhuǎn)化酶活性逐漸下降，到15 d時(shí)出現(xiàn)低谷，克新13號(hào)下降幅度0.006 mg/（g·min）、費(fèi)烏瑞它和延薯4號(hào)下降幅度0.003 mg/（g·min）；出苗后15～20 d時(shí)，轉(zhuǎn)化酶活性[JP2]快速上升，克新13號(hào)上升幅度最大，為 0.026 mg/（g·min），費(fèi)烏瑞它最小，為0.012 mg/（g·min）；出苗后20～25 d，轉(zhuǎn)化酶活性快速下降，不同品種下降幅度與15～20 d時(shí)上升幅度相近似；出苗后25～30 d，轉(zhuǎn)化酶活性有所回升。[JP]

[TPZGZ8.tif][FK）]

3討論與結(jié)論

糖是植物光合作用的產(chǎn)物，是植物器官組織賴以生長(zhǎng)發(fā)育的重要能量和物質(zhì)基礎(chǔ)，蔗糖是植物糖類重要組分[23]。從本研究的試驗(yàn)結(jié)果看，在匍匐莖生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，蔗糖含量影響著其他糖含量的變化[24]，可溶性糖含量的高峰值出現(xiàn)時(shí)期與蔗糖出現(xiàn)峰值時(shí)期近似，蔗糖含量降到最低時(shí)還原糖含量達(dá)峰值，同時(shí)葡萄糖、果糖的含量亦升至峰值。可見(jiàn)匍匐莖發(fā)生前期蔗糖是可溶性糖的重要組分，蔗糖可以在基因表達(dá)水平上對(duì)細(xì)胞內(nèi)的代謝進(jìn)行調(diào)控[25]，馮偉等研究表明小麥旗葉可溶性糖、蔗糖含量和灌漿速率隨籽粒灌漿進(jìn)程呈先上升后降低變化趨勢(shì)[26]。另外，本試驗(yàn)結(jié)果與馬春梅等[27]、王麗慧等[28]、李墨愛(ài)等[29]在大豆、大蒜、南林-895楊苗莖等作物的試驗(yàn)研究與本試驗(yàn)結(jié)果一致，生產(chǎn)中應(yīng)采取相應(yīng)措施促進(jìn)蔗糖代謝調(diào)控能力，提高結(jié)薯率，增加產(chǎn)量。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，匍匐莖蔗糖含量與SS酶活性的變化趨勢(shì)相一致，且隨著SS、SPS酶活性升高而增加，尤其SS酶活性達(dá)最高時(shí)蔗糖積累也處于最高水平，然后隨著轉(zhuǎn)化酶活性增強(qiáng)而下降，在20 d時(shí)轉(zhuǎn)化酶活性最強(qiáng)，蔗糖不斷被分解轉(zhuǎn)化，蔗糖含量下降到較低值，葡萄糖和果糖含量逐漸增加。匍匐莖作為蔗糖的運(yùn)輸器官蔗糖積累較少，它從地上部得到蔗糖后傳遞到頂端膨大形成的塊莖中，以利于塊莖的形態(tài)建成。這說(shuō)明在匍匐莖中SS和SPS的活性與蔗糖含量有高度相關(guān)性，這與安云蓉[30]、李丹等[10]、苑智華等[31]、周蘭蘭等[32]的試驗(yàn)結(jié)果一致，但SS和SP、轉(zhuǎn)化酶如何協(xié)調(diào)馬鈴薯匍匐莖蔗糖代謝還需做進(jìn)一步的研究。

通過(guò)對(duì)馬鈴薯匍匐莖糖代謝規(guī)律進(jìn)行研究，研究結(jié)果如下：由于品種間差異，3個(gè)品種蔗糖、還原糖、葡萄糖、果糖、可溶性糖含量及糖代謝相關(guān)酶活性數(shù)值大小、峰頂、峰谷出現(xiàn)時(shí)間均有差異，但趨勢(shì)基本相似。其中，蔗糖、還原糖、可溶性糖均呈現(xiàn)先上升后下降再回升的變化趨勢(shì)，葡萄糖、果糖呈現(xiàn)先下降后上升再下降又回升的變化趨勢(shì)，蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性均呈現(xiàn)先上升后下降再回升的變化趨勢(shì)，轉(zhuǎn)化酶活性則是呈現(xiàn)“下降—上升—下降—上升”的變化趨勢(shì)。

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