南瓜果實淀粉和可溶性固形物研究進展

馬 瑋，史玉滋，段 穎，王長林

（農業部園藝作物生物學與種質創制重點實驗室·中國農業科學院蔬菜花卉研究所 北京 100081）

南瓜是葫蘆科（Cucurbitaceae）南瓜屬（Cucurbita）一年蔓生草本植物，原產于南美洲，主要分為印度南瓜（Cucurbita maxima）、中國南瓜（Cucurbita moschata）和美洲南瓜（Cucurbita pepo）等[1]。南瓜果實的主要組成成分為淀粉和其他糖類物質，也富含氨基酸、果膠質、類胡蘿卜素、維生素C、礦物質等生物活性物質和營養成分，具有很高的食用、藥用和保健價值。南瓜果實淀粉和可溶性固形物含量是重要的果實品質性狀，二者之間還存在密切的相互轉化關系，共同影響南瓜果實風味和口感。因此，南瓜果實淀粉和可溶性固形物已成為近年來國內外南瓜品種選育和分子改良的重要研究方向。筆者對近年來南瓜果實淀粉和可溶性固形物的研究進展進行綜述，以期為南瓜果實品質育種工作提供一定的參考。

1 南瓜果實淀粉與可溶性固形物的代謝途徑

南瓜果實淀粉是植物體內糖類物質的重要儲藏形式，主要包括直鏈淀粉（amylose）和支鏈淀粉（amylopectin）[2]。淀粉合成前體ADP-葡萄糖通過α-1，4-糖苷鍵形成直鏈淀粉，而支鏈淀粉是ADP-葡萄糖通過α-1，4-糖苷鍵和α-1，6-糖苷鍵連接形成的多分支葡萄糖多聚體，再經卷曲、纏繞，形成復雜結構[3]。果實可溶性固形物主要由葡萄糖（glucose）、果糖（fructose）、蔗糖（sucrose）等可溶性糖類物質組成[4]，此外還包含少量有機酸[5]。南瓜果實淀粉和可溶性固形物之間的相互轉化，與糖類物質在南瓜體內的合成、運輸以及代謝調控有關。在葉片等光合器官中，光合產物以蔗糖的形式經韌皮部運輸至發育中的果實，并在運輸過程中或進入果實之后進行一系列的催化反應，最終以淀粉、蔗糖、果糖、葡萄糖等形式積累在果實中（圖1）。

在南瓜和其他植物的研究中發現，蔗糖在二者相互轉化中具有較為重要的地位[6-8]。蔗糖是可溶性糖的主要成分，也是合成果實淀粉和揮發性芳香物質的基礎。果實中可溶性糖代謝的關鍵酶主要包括蔗糖合成酶（sucrose synthase，SUS）、蔗糖轉化酶（sucrose invertase，INV）和蔗糖磷酸合成酶（sucrose phosphate synthase，SPS），其 中 SPS 催 化UDP-葡萄糖形成蔗糖，INV主要將蔗糖分解為葡萄糖和果糖，SUS主要催化蔗糖形成UDP-葡萄糖和果糖，該反應是一個可逆反應，與底物濃度密切相關。蔗糖經韌皮部運輸進入南瓜果實后，通過催化級聯反應形成淀粉，該過程主要由5種關鍵酶參與，分別為ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（ADP-glucose pyrophsphorylase，AGPase）、顆粒型淀粉合成酶（granule-bound starch synthase，GBSS）、可溶性淀粉合成酶（soluble starch synthase，SSS）、淀粉分支酶（starch branching enzymes，SBE）、淀粉去分支酶（debranching enzymes，DBE）。此外，直鏈淀粉和支鏈淀粉在淀粉水解酶的作用下又形成麥芽糖，轉變為葡萄糖，進一步轉變為蔗糖，從而決定果實的甜度。果實中淀粉合成及向可溶性糖轉變過程的關鍵酶主要有 SPS、SUS、AGPase 等（圖1）。

酶的催化活性還受到水解產物濃度的影響，從而實現對整個糖類代謝途徑的精密調控[9-10]。在南瓜果實發育的不同時期，淀粉和可溶性固形物的含量及相互轉化受到上述一系列代謝酶及調控物質的影響，從而造成果實內的淀粉和可溶性固形物在組成和含量上的差異。深入研究這些酶與編碼基因的表達模式和功能，理解果實品質代謝途徑的關鍵調控位點，對于采取人工技術促進果實內淀粉和可溶性固形物的積累具有重要意義。

圖1 南瓜葉片和果實中淀粉和可溶性糖的轉化關系

2 淀粉和可溶性固形物含量與果實風味的相關性

南瓜果實淀粉和可溶性固形物含量與果實產量、甜度和口感等性狀密切相關。在中國南瓜中，果實可溶性固形物含量與果肉厚度、果實質量和產量等農藝性狀呈顯著正相關[11]。在印度南瓜的感官品質分析中發現，可溶性糖和干物質含量較高的南瓜，果肉甜度也較高；而淀粉含量較高的南瓜，果肉硬度較低，可以將甜度（可溶性糖含量）和粉質（淀粉和干物質含量）這2個性狀作為評價南瓜果實品質的重要感官指標[12]。

通過測定南瓜果實淀粉、葡萄糖、果糖、蔗糖、可溶性固形物含量，并與南瓜甜度、面度等口感性狀進行相關性分析，研究表明，淀粉和可溶性固形物含量與口感性狀之間存在顯著或極顯著正相關[13-14]，并且這些物質的含量彼此之間也呈極顯著正相關[4]。根據果實成熟期對果實甜度和葡萄糖、果糖、蔗糖在總糖中的組成和含量分析表明，蔗糖對南瓜甜度評價的貢獻最大[15-16]，進一步表明了蔗糖含量是提高南瓜果實口感品質的關鍵因素。

3 南瓜果實淀粉和可溶性固形物含量的動態調控機制研究

南瓜果實淀粉和可溶性固形物含量在果實發育不同時期呈現動態變化趨勢[17]。研究表明，淀粉和糖類物質含量的積累隨果實發育總體上呈升高趨勢，但在不同南瓜栽培品種中存在顯著差異。以還原糖為例，中國南瓜在授粉35 d時還原糖含量最高，而印度南瓜的還原糖含量則在授粉25 d達到峰值，隨后呈下降趨勢[18]。進一步分析各發育時期的果實糖類物質組成發現，中國南瓜果實在生長期以積累果糖和葡萄糖為主，而在成熟期以積累蔗糖為主；印度南瓜果實在生長期和成熟期均以積累葡萄糖為主[16]。進入果實采后貯存期，南瓜果實干物質和淀粉含量隨貯存時間呈下降趨勢，葡萄糖和果糖含量再次呈上升趨勢，可溶性固形物含量、蔗糖含量和酸度呈先升高再降低的趨勢[19]。南瓜果實淀粉和糖類合成代謝有關的酶活性也有相應的變化趨勢，整體上表現為隨著果實采后貯存時間的延長，果實淀粉水解酶活性升高，促進淀粉降解，而蔗糖磷酸合成酶SPS酶活性升高，促進果實蔗糖積累，同時這些酶活性在不同淀粉積累模式的南瓜品種中也表現出較為明顯的差異[20-22]。

測序技術的廣泛應用為南瓜果實淀粉和可溶性固形物代謝調控機制的研究奠定了基礎。對印度南瓜‘Lady Godiva’果實進行轉錄組測序，獲得了一批果實特異性表達的淀粉代謝相關酶編碼基因[23]。利用不同淀粉積累模式的南瓜種質分析淀粉代謝相關酶編碼基因的表達模式，發現印度南瓜和中國南瓜的種間雜交種maxchata淀粉合成途徑中的關鍵酶編碼基因AGPaseL轉錄水平與果實淀粉含量密切相關，顆粒型淀粉合成酶編碼基因GBSS I也表現出類似的差異[24]。利用2個果實糖類和淀粉含量差異顯著的中國南瓜種質‘CMO-X’和‘CMO-E’進行不同發育時期的轉錄組測序，共篩選獲得12個與蔗糖和淀粉代謝差異表達相關酶的編碼基因，并明確了GBSS、SS和SBE是果實淀粉含量產生差異的關鍵基因，SUS、SPS和UGPase是果實蔗糖含量產生差異的關鍵基因[16]。

盡管目前在南瓜中尚未克隆到特異性控制果實淀粉和可溶性固形物性狀的主效基因，但在其他淀粉積累型植物中已經獲得了一些研究進展。通過對馬鈴薯、玉米、大麥等作物中參與淀粉和可溶性固形物相互轉化的相關酶編碼基因進行研究，揭示了一些與淀粉和糖類合成相關的重要基因功能。馬鈴薯葉片和塊莖中的AGPase蛋白是由大亞基和小亞基形成的多聚體，其中小亞基編碼基因的轉錄水平受到蔗糖誘導，從而決定該器官主要是同化物合成（源）或儲存（庫）的場所[25]。利用GUS報告基因分析了秈稻可溶性淀粉合成酶編碼基因SSⅡa，確定該基因的啟動子是胚乳特異性表達啟動子，其特異性元件為AACA和GCN4基序[26]。水稻OsGBSS II主要在葉片中特異性表達，并且受到葡萄糖、谷氨酰胺和晝夜節律調控[27]。定位在水稻葉片韌皮部的CRCT（CO2 Responsive protein）基因編碼的一個含有 CONSTANS和 TOC1（CCT）結構域的蛋白，其表達水平受到二氧化碳、葡萄糖和蔗糖上調，并誘導與合成淀粉有關的 AGPase、α-glucan phospholylase等蛋白編碼基因表達，從而提高淀粉含量[28]。將 1個定位在大豆質體上的硫氧還蛋白TrxF（thioredoxin F-type protein）在擬南芥中進行超表達，能提高葉片淀粉含量，并且淀粉合成相關基因轉錄水平和酶活力均顯著增加[29]，說明果實淀粉和可溶性固形物含量的相互轉化及動態調控與基因在植物組織中的表達模式密切相關。

4 南瓜果實淀粉和可溶性固形物含量的遺傳規律和QTL定位研究

利用植物數量性狀主基因+多基因遺傳模型對1個中國南瓜6世代群體進行遺傳分析，結果表明，果實可溶性固形物含量的遺傳符合2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因混合遺傳模型，其中2對主基因的加性效應均為-0.707 7，使可溶性固形物含量降低，主基因遺傳率在F2代達到95%，說明主基因表現出較高的遺傳力[30]。利用印度南瓜1個低淀粉低蔗糖種質‘Scarlet Warren’和2個高淀粉高蔗糖種質‘CF2’‘CF4’為親本分別構建6世代群體，遺傳分析表明，低淀粉含量、高糖（蔗糖、葡萄糖和果糖）含量均為顯性性狀，但蔗糖含量還受到負的加性效應影響，并且提出了用非溶于乙醇固形物（alcohol-insoluble solids）指標取代淀粉含量測定的可行性[31]，表明南瓜果實淀粉和可溶性固形物含量性狀可以在早期世代進行選擇，但要注意環境條件對果實蔗糖含量及甜度的影響。

隨著近年來南瓜基因組測序工作的展開，利用遺傳群體和高密度遺傳圖譜對南瓜重要農藝性狀的定位研究發展迅速，并開發出大量可用于南瓜品種選育的分子標記，但關于淀粉和可溶性固形物含量方面的QTL定位研究尚有待深入進行[32-34]。毛曉微[35]利用2個淀粉含量差異顯著的南瓜自交系‘Rimu’和‘SQ026’構建了含有 456個 SNP標記位點的遺傳連鎖圖譜，并定位出控制南瓜淀粉含量的2個QTL位點，分別位于3號連鎖群和11號連鎖群上，貢獻率分別為12.94%和7.06%，可用于印度南瓜高淀粉含量的分子標記輔助育種。

盡管目前有關南瓜淀粉和可溶性固形物含量QTL和基因精細定位研究的相關報道較少，但在其他植物中已開展的QTL定位研究和主效基因功能分析將有助于進一步挖掘南瓜淀粉和可溶性固形物重要調控位點。在馬鈴薯中，許多控制塊莖淀粉含量的QTL位點都定位在控制葉片蔗糖含量的QTL位點附近[36]。番茄成熟果實富含蔗糖、果糖、葡萄糖，番茄果實可溶性固形物含量是番茄重要性狀之一。對番茄果實可溶性固形物含量QTL位點進行定位，獲得了許多與糖類和淀粉相互轉化的重要主效位點[37-38]，除了目前已克隆到的與淀粉和糖類代謝調控途徑有關的關鍵酶編碼基因之外，近期還發現了一些新的調控方式。利用水稻淀粉發育缺失突變體fse1克隆獲得1個磷脂酶蛋白編碼基因FSE1，通過調控水稻中半乳糖脂的合成，介導水稻胚乳發育過程中脂質和淀粉代謝的動態平衡，為解析淀粉和可溶性固形物代謝調控途徑提供了新的思路[39]。

5 展望

隨著對南瓜營養成分的深入研究和人們膳食結構的改善，果實品質優良（高淀粉含量、高甜度、高可溶性固形物含量）的南瓜已成為品種選育重要目標之一。研究不同栽培品種中果實淀粉和可溶性固形物含量的積累模式，特別是明確光照和溫濕度等環境因素在果實發育關鍵時期對蔗糖合成和轉化的影響，對于優質南瓜栽培技術的開發與應用具有重要意義。同時，通過構建遺傳連鎖圖譜對品質性狀關鍵調控位點進行QTL定位和連鎖分子標記開發，將有助于提高種質篩選和優良性狀聚合效率，加快我國南瓜新品種選育工作。