不同淀粉含量木薯品種塊根淀粉粒結構觀察比較

張玉 羅興錄 黃學榮 朱艷梅 寧瑜

摘要：【目的】探討不同淀粉含量木薯品種塊根淀粉粒結構差異及其與淀粉含量的潛在關系，為研究木薯塊根淀粉存儲狀態及品種選育提供理論依據。【方法】以高淀粉木薯品種GR891、輻選01和低淀粉木薯品種華南124為材料，通過塊根形態解剖、石蠟切片觀察、電鏡掃描等方法比較不同淀粉含量木薯塊根淀粉粒的結構特點。【結果】苗期時木薯塊根淀粉主要存在于次生木質部。塊根形成期淀粉粒大量存在；淀粉儲藏區是木薯塊根淀粉儲藏的最主要區域，皮層部分少量分布，儲藏區淀粉粒密度高于皮層；靠近中柱的次生木質部區域，其淀粉粒呈放射線狀排列分布。不同淀粉含量木薯品種在淀粉粒形態上無明顯差別，多數為一面不規則的半球形、橢球形。高淀粉品種的淀粉粒直徑小于低淀粉品種，但差異不顯著（P>0.05）。【結論】木薯塊根淀粉積累的主要位置是淀粉儲藏區，導管內部及臨近區域的淀粉粒數量多、直徑小、填充程度高，且在塊根膨大期高淀粉木薯品種淀粉粒聚集程度高于低淀粉木薯品種。

關鍵詞： 木薯；淀粉粒形態結構；石蠟切片；電鏡掃描

中圖分類號： S533 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）05-0806-06

Starch grain structure in root tuber of cassava varieties

with different starch contents

ZHANG Yu1， LUO Xing-lu1，2 *， HUANG Xue-rong 1， ZHU Yan-mei1， NING Yu1

（1 College of Agriculture， Guangxi University， Nanning 530004， China； 2 State Key Laboratory for Conservation and

Utilization of Subtropical Agro-bioresources， Nanning 530004， China）

Abstract：【Objective】Starch grain structure in root tuber of cassava varieties with different starch contents and its relation to starch content were studied， so as to provide theoretical basis for starch storage and breeding of cassava. 【Method】Taking high-starch cassava varieties GR891，Fuxuan 01 and low-starch cassava variety SC124 as materials， the starch grain structure in root tuber of different cassava varieties were studied by morphology anatomy，paraffin section and scanning electron microscopy of root tuber. 【Result】At seedling stage， starch was mainly stored in secondary xylem. At root tuber formation stage， starch grains were abundant. Most of them were stored at starch storage area and a small amount were distributed at cortex， but starch grain density in starch storage area was higher than that in cortex. In secondary xylem region near the middle column，starch grains were distributed in a radial arrangement. There was no significant difference in morphology of starch grains between different cassava varieties，and most of them were irregular semicircle and elliptical. Starch grain diameter of high-starch varieties was smaller than that of low-starch varieties， but the difference was insignificant（P>0.05）. 【Conclusion】The main position of starch accumulation in root tuber of cassava is starch storage area. In catheter interior and adjacent areas， the number of starch grain is large， grain diameter is small， and filling degree is high. Aggregation degree of starch grain in high-starch cassava varieties is higher than that of low-starch cassava varieties at root tuber formation stage.

Key words： cassava； starch grain morphology； paraffin section； scanning electron microscopy

0 引言

【研究意義】木薯（Manihot esculenta Crantz）又稱樹薯或樹番薯，屬大戟科植物，傳入我國已有200多年，在我國南方地區廣泛種植（張箭，2011）。木薯是世界三大薯類作物（木薯、馬鈴薯、甘薯）之一（張耀華等，2009），是介于C3和C4植物之間的中間型作物，具有高光不飽和及凈光合速率較高的特性，且其塊根在生理上無明顯的成熟期，在適宜環境下一年四季均能生產種植和收獲，因而具有很高的生物能量儲藏潛力（Ceballos et al.，2004；Raemakers et al.，2005；Nassar，2007；張鵬等，2013）。木薯塊根淀粉含量豐富，享有淀粉之王的美稱（張鵬，2015）。淀粉粒結構是影響淀粉含量的重要因素，因此，比較不同淀粉含量木薯品種塊根的淀粉粒結構，對選育高品質的木薯品種具有重要意義。【前人研究進展】目前，關于木薯塊根淀粉形成及其結構的研究已有一些報道。閔義等（2010）對3個華南木薯品種（SC124、SC8、Arg7）膨大初期塊根淀粉體的大小、形態、分布排列和發育等特性進行掃描電鏡觀察，發現淀粉主要沉積在木薯塊根的次生韌皮部和木質部的薄壁細胞中，且品種間塊根淀粉體形態無明顯差異，形狀主要為球形，常見的有橢球體、不規則半球體、多極球體等形態，但淀粉體大小及空間排列在3個品種間差異明顯。潘坤等（2013）利用透射電鏡技術對木薯初生、次生須根和不同時期的塊根韌皮部進行亞細胞結構觀察，發現在塊根形成期薄壁細胞內逐漸開始出現淀粉累積，到成熟期淀粉粒最密集；同樣發生次生生長的次生須根內雖然有少量淀粉累積，但隨著其膨大活動而逐漸終止。汪樹生等（2013）研究表明，經濕熱處理后的木薯淀粉顆粒表面出現凹坑，隨著初始水含量增加，淀粉顆粒表面凹坑的數量也增加。樊憲偉等（2014）比較了木薯塊根儲藏區與皮層中淀粉粒的長度，結果表明，高淀粉品種新選048和輻選01淀粉粒長度長于低淀粉品種SC124，木薯塊根皮層厚度與淀粉的積累呈負相關。石海信等（2015）對不同微波輻射時間的木薯淀粉結構與性質進行研究，結果表明，微波輻射未能使淀粉產生新的官能團，但分子間及分子內氫鍵發生變化；隨微波輻射時間延長，淀粉顆粒表面出現凹陷或皺褶數量增多，但未能改變淀粉顆粒結晶類型。曾文丹和羅興錄（2015）研究表明，在淀粉積累的各時期，高淀粉木薯品種FX01的支鏈淀粉、直鏈淀粉和總淀粉含量均顯著高于低淀粉木薯品種SC124。【本研究切入點】前人主要對木薯塊根淀粉粒的結構、形成過程及外界因素對其造成的影響進行了較多報道，結合形態解剖對不同淀粉含量木薯品種淀粉粒結構特點進行的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】以高淀粉木薯品種GR891、輻選01和低淀粉木薯品種華南124為材料，通過塊根形態解剖、石蠟切片觀察、電鏡掃描等比較不同淀粉含量木薯品種塊根淀粉粒結構特點，探究其與淀粉含量的潛在關系，為研究木薯塊根淀粉存儲狀態及木薯品種選育提供理論依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試木薯品種：高淀粉品種輻選01和GR891，分別由廣西大學和廣西亞熱帶作物研究所選育；低淀粉品種華南124，由中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所選育。

1. 2 試驗方法

試驗于2015年3月～2016年1月在廣西大學試驗基地進行。采用隨機區組排列，每品種設3次重復，每小區種植木薯36株（6行×6排），小區種植規格為80 cm×100 cm。田間管理保持一致。

1. 2. 1 組織材料采集 采樣時期分為苗期（6月19日）、塊根形成期（8月21日）、塊根膨大期（10月22日）和塊根成熟期（12月22日）。采樣具體時間為上午8：00～12：00，塊根采集遵循隨機取樣法選取小區植株，小心挖取木薯塊根，切取粗細位置相似的塊根，清洗后及時用固定液固定，保持材料新鮮，保持原形。

1. 2. 2 石蠟切片制樣 將鮮根置于福爾馬林—醋酸—酒精（FAA）固定液中固定24 h后，在酒精和TO型生物制片透明劑中抽氣，然后將材料放入TO型生物制片透明劑、石蠟混合液和石蠟溶液中透蠟10～15 d后，包埋、切片、番紅固綠染色后封片，置于熒光顯微鏡下拍照。

1. 2. 3 電鏡觀察試驗 取材（在淀粉儲藏區取長0.6 cm、寬0.6 cm、高0.2 cm的樣品）→固定（3%戊二醛4 ℃過夜）→漂洗（0.1 mol/L磷酸緩沖液，3次，20 min，4 ℃）→梯度脫水（依次用30%、50%、70%、80%、90%和100%的乙醇進行逐級脫水；100%乙醇過3次，每個梯度脫水時間20 min）→六甲基二硅胺烷（3次，20 min）→抽真空（3次，20 min→放于干凈濾紙上，用解剖刀切成適合大小粘貼于有導電膠的銅板上，做好標記）。不同品種淀粉體大小的統計：隨機選取照片上的50個淀粉體，以淀粉體的短軸直徑為指標，并根據放大倍數換算成實際長度（μm）。

1. 3 統計分析

用Excel 2007進行數據整理及制圖，用SPSS 18.0進行方差分析。

2 結果與分析

2. 1 不同淀粉含量木薯品種塊根橫切面整體與局部結構特征及淀粉粒分布比較

圖1為苗期（6月19日）木薯塊根橫切面解剖結構圖。從圖1可看出，3個木薯品種在苗期時淀粉粒已有少量生成，主要分布在次生木質部，由中心向四周呈明顯的放射線狀排列；靠近中柱的次生木質部處細胞排列整齊緊密，細胞較小，淀粉粒較小；在次生韌皮部淀粉體極少量出現，且淀粉粒直徑較小。不同淀粉含量木薯品種其塊根淀粉粒的特征及分布無明顯差異，苗期時木薯塊根淀粉主要存在于次生木質部。

圖2為塊根形成期（8月21日）木薯塊根橫切面解剖結構圖。從圖2可看出，3個木薯品在塊根形成期時塊根淀粉粒已大量存在。從橫切面結構來看，皮層薄壁中的淀粉粒數量相對較少，且直徑較小，充實程度低；位于次生木質部的薄壁細胞中自外向里淀粉體排列緊密，充實程度高，其中輻選01和GR891的填充程度高于華南124；3個木薯品種塊根形成層內均無淀粉生成。木薯塊根淀粉分布密集程度由外向內的總體趨勢為：少—幾乎沒有—逐漸增多—放射線狀分布。

圖3為塊根形成期（8月21日）木薯塊根橫切面淀粉粒分布情況圖。從圖3可看出，3個木薯品種塊根導管內部及臨近區域的淀粉粒數量多，直徑小，集中分布且填充程度高，其淀粉聚集程度遠高于塊根皮層，淀粉儲藏區的淀粉粒直徑也大于塊根皮層。高淀粉木薯GR891和輻選01塊根儲藏區的淀粉粒填充密度較大，低淀粉木薯品種華南124則相對較小。說明木薯塊根淀粉積累的主要區域是淀粉儲藏區，而不同淀粉含量木薯品種塊根淀粉粒在此區域的填充程度存在明顯差異。

2. 2 不同淀粉含量木薯品種塊根淀粉粒密度比較

圖4為塊根膨大期（10月22日）木薯塊根橫切面解剖結構圖。從圖4可看出，塊根膨大期時，華南124的細胞結構狹長，部分淀粉粒聚集呈簇狀，一些分散呈點狀排列，細胞中淀粉粒間隙相對較大；輻選01和GR891的細胞結構不規則，淀粉粒在細胞中分布廣，填充程度高，淀粉粒間隙小。高淀粉木薯品種輻選01和GR891的塊根淀粉粒密度大于低淀粉木薯品種華南124，說明在淀粉積累的關鍵時期，淀粉粒密度的大小是形成木薯塊根淀粉含量差異的主要原因。

2. 3 不同淀粉含量木薯品種塊根淀粉粒形態比較

從圖5可看出，在掃描電鏡下觀察，3個木薯品種的淀粉粒形態無明顯差異，華南124淀粉粒呈不規則球形或半球形，多面凹陷或一面凹陷的半球形，有的呈不規則面重合的橢球形；輻選01淀粉粒形狀多呈一面不規則的橢球形，淀粉粒附著在淀粉體上，其中有一形態特殊的帽子狀淀粉粒，可能是幾個淀粉粒未完全分離時的狀態，說明不同時期的淀粉粒形狀和大小處在不斷變化的過程中；GR891淀粉粒形態大小較為一致，主要呈半球形，或一面凹陷或多面凹陷的半球形，少數中央還見突起的臍。

2. 4 不同淀粉含量木薯品種成熟期塊根淀粉粒直徑比較

從圖6可看出，3個木薯品種中華南124的塊根淀粉粒直徑最大（14.72 μm），GR891的塊根淀粉粒直徑次之（13.28 μm），輻選01的塊根淀粉粒直徑最小（12.67 μm），但三者間差異不顯著（P>0.05）。說明不同淀粉含量木薯品種的塊根淀粉直徑相差不明顯，其中淀粉含量低的華南124塊根淀粉粒直徑較大，淀粉含量高的輻選01和GR891塊根淀粉直徑偏小，可能是由于淀粉粒排列密度小的低淀粉木薯塊根淀粉粒間的空隙大，利于其伸縮，因此塊根淀粉粒直徑相對較大。

3 討論

木薯塊根是由不定根經過次生增粗生長而形成的肉質貯藏根；塊根維管形成層以外的皮層部分主要以次生韌皮部及周皮等構成；維管形成層以內的淀粉儲藏區域，主要以次生木質部構成（馬妙娟，1989）。木薯塊根淀粉形態主要為球形，也有不規則的半球體或多極球體等形態，淀粉粒形狀和大小上的差異，受發育中不同時期、空間擠壓、營養狀況等因素制約（周竹青等，2001；熊飛等，2005）。淀粉粒結構與作物品種密切相關，張云康等（1997）研究表明，早糯稻胚乳細胞內淀粉粒形狀、大小、結構和發育與釀酒糯米品質存在一定關系，釀酒品質好的糯米，淀粉粒大小較一致，大多數為單粒淀粉粒，結構致密，排列整齊，淀粉粒間的空隙小而多，利于釀酒過程中水分吸收及酶滲透保持一致充分，較好控制發酵時間及過程，從而有利于提高黃酒的質量和產量；樊憲偉等（2014）研究表明，木薯塊根淀粉粒的形狀、大小、結構及空間排列與最終木薯塊根的產量品質緊密相關。

本研究對苗期、塊根形成期、塊根彭大期和成熟期4個時期的木薯根部進行切片觀察，比較了木薯在不同生長時期塊根淀粉積累的空間排列特性，結果表明，在苗期時，塊根已有少量淀粉粒生成，由于苗期植株的根系細胞較小，決定了淀粉粒偏小；根系淀粉粒主要存在于次生木質部，呈明顯的放射線狀排列；在次生韌皮部有極少量淀粉體出現，不同淀粉含量的木薯品種其塊根淀粉粒的特征及分布無明顯差異；在塊根形成期時，塊根淀粉粒已大量存在，主要貯存于次生木質部的薄壁細胞中，充實程度高，其中高淀粉含量木薯品種輻選01和GR891較低淀粉含量木薯品種華南124的填充程度高；塊根的皮層也有淀粉粒出現，但數量不多；在塊根膨大期時，低淀粉含量木薯品種華南124的塊根淀粉粒聚集成簇狀，細胞中淀粉粒間隙較大，而高淀粉含量木薯品種輻選01和GR891的塊根淀粉粒在細胞中分布比較廣泛，填充程度高，淀粉粒間隙小。高淀粉木薯品種塊根淀粉粒排列密度大于低淀粉木薯品種，說明在淀粉積累的關鍵時期，淀粉含量不同的木薯，其塊根淀粉粒的聚合度也不一樣；其中塊根導管內部及臨近區域的淀粉粒呈數量多、直徑小、充實程度高的特點。

本研究結果還表明，3個木薯品種塊根的淀粉儲藏區是木薯塊根淀粉儲藏最主要的地方，其淀粉聚集程度遠高于塊根皮層，淀粉儲藏區的淀粉粒直徑也大于塊根皮層，成熟期其存儲的淀粉粒密度很高，幾乎所有組織中均充滿淀粉粒，說明淀粉積累的主要位置是淀粉儲藏區；不同淀粉含量木薯品種成熟期的淀粉粒形態無顯著差別，多數為半球形、橢球形及不規則球形，與閔義等（2010）的研究結果一致。閔義等（2010）、樊憲偉等（2014）研究表明，不同木薯品種塊根膨大期的塊根淀粉體大小有差異，說明塊根淀粉體的大小在生長前期差異明顯，隨著生育期的延后差異逐漸減小。本研究中低淀粉木薯品種華南124塊根淀粉粒直徑較大，而高淀粉木薯品種輻選01和GR891的塊根淀粉直徑偏小，可能是由于淀粉粒排列密度小的低淀粉木薯塊根淀粉粒間的空隙大，利于其伸縮，因此塊根淀粉粒直徑較大。

本研究僅從塊根形態學方面對3個不同淀粉含量木薯品種的淀粉粒結構進行了觀察比較，而其他木薯品種的塊根淀粉粒結構是否也存在類似情況有待進一步研究；同時造成不同木薯品種塊根淀粉含量差異的原因除了塊根膨大期塊根淀粉粒的聚集程度不同外，是否還受特定的基因表達調控及木薯塊根淀粉粒形狀、大小、排布是否對木薯的食用口感有影響等問題均需后續試驗加以證明。

4 結論

木薯塊根淀粉積累的主要位置是淀粉儲藏區，導管內部及其臨近區域的淀粉粒數量多、直徑小、填充程度高，且在塊根膨大期高淀粉木薯品種淀粉粒聚集程度高于低淀粉木薯品種。

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（責任編輯 王 暉）