中國蓮性狀進化趨勢分析

何志貴，柯衛東，郭宏波

(1.西北農林科技大學 生命科學學院，陜西楊凌 712100；2.桂林旅游學院 食品加工與營養健康實驗教學中心， 廣西桂林 541000；3.武漢市農業科學院 蔬菜研究所，湖北武昌 430065； 4.西北農林科技大學 化學與藥學院，陜西楊凌 712100)

中國蓮(NelumbonuciferaGaertn. ssp.nucifera)是蓮科(Nelumbonaceae)蓮屬兩個亞種之一[1]，包含藕蓮、子蓮和花蓮3種類型，其中藕蓮是中國獨有、栽培面積最大、品種資源最豐富的水生經濟作物[2]。

中國蓮在中國分布很廣，南至海南三亞，北至黑龍江，東至臺灣，西至新疆天山北麓，各類型、不同生態型品種資源非常豐富[2]。據統計，中國有藕蓮品種620個、子蓮60個、花蓮700個[2]。這些資源除在形態性狀上具有豐富多樣性外[3-4]，在基因組DNA上同樣顯示出豐富的遺傳多樣性[5-9]。

盡管擁有如此豐富的資源，但由于對其性狀進化方向不清楚，導致目前中國蓮品種的選育方向比較單一，藕蓮主要依據產量和熟性，子蓮主要依據蓮子產量和粒形，而花蓮主觀性更大。前期筆者分別對藕蓮和花蓮的生物學性狀進行多樣性分析[3-4]，曾紹校等[10]對中國22個子蓮品種外觀品質和淀粉品質進行分析，但這些工作均未涉及重要性狀的進化趨勢，并結合最新研究進展進行梳理與分析，形成理論或推測，無法指導品種選育或進行分子改良。

因此，本文通過對國家種質武漢水生蔬菜資源圃中17個省市68份藕蓮資源19個生物學性狀的相關性分析結果[3]進行歸納總結，同時對原始數據進行再分析，獲得藕蓮單一性狀和性狀互作的進化趨勢。對中國7省22個野生和栽培子蓮品種蓮子外觀與直鏈淀粉含量的相關性數據[10]進行歸納總結，并對數據進行再分析，獲得子蓮單一性狀和性狀互作的進化趨勢。對國家種質武漢水生蔬菜資源圃中40個花蓮品種19個生物學性狀的相關性數據[4]進行歸納總結，對原始數據進行再分析，獲得花蓮單一性狀和性狀互作的進化趨勢。以多酚氧化酶(Polyphenol oxidase, PPO)在藕蓮地下莖不同藕段中活性的分布差異及其與生物學性狀的相關性數據[11]為基礎，結合PPO基因對酚酸類物質合成的正向調控作用[12]，分析PPO對地下莖抗病蟲害性狀進化的影響，以期為同行提供參考。

1 單一性狀進化趨勢分析

1.1 藕 蓮

在藕蓮栽培品種選育過程中，產量是育種者最為關注的性狀之一。通過對68份藕蓮資源19個生物學性狀的數據分析發現，以產量為育種目標的藕蓮各性狀均呈現升高趨勢，如株高、第 3 節粗、主藕長和主藕質量等(表1)。但第 3 節長/粗比例升高降低藕蓮地下莖產量(圖1)，說明無法選育出在理論上可以無限高產的藕蓮新品種。

1.2 子 蓮

在過去，市場銷售的蓮子以干制品為主，但近幾年隨著鮮蓮子出口貿易擴大，國際市場對蓮子外觀性狀提出等級要求，如外觀色澤、縱橫徑比(一級品小于1.25)及百克粒數(每500 g蓮子在250粒以下)已成為質量檢驗的硬性指標。通過對22個子蓮品種蓮子外觀和直鏈淀粉含量的數據分析，發現子蓮的心皮數、花絲和花藥長度均呈增加趨勢，蓮子縱徑、橫徑、單蓬生蓮子率和直鏈淀粉含量升高；但蓮子縱橫徑比、百克粒數下降使蓮子更圓、顆粒更大(表1)。

1.3 花 蓮

通過對國家種質武漢水生蔬菜資源圃中40份花蓮資源19個形態學性狀進行觀測分析，推測千瓣蓮可能是最原始的花蓮品種，而單瓣是后來進化的類型。與此一致的是，花蕾形狀由桃形千瓣“瘦身”為長卵形單瓣，花瓣變長變寬，花瓣數變少，心皮不瓣化、不泡化(表1)。

表1 3種類型中國蓮性狀的進化趨勢Table 1 Characteristics evolution of three types of lotus in Asian

2 性狀互作進化趨勢分析

2.1 藕 蓮

研究發現藕蓮地下莖產量與13個生物學性狀顯著相關[3]。但對產量有顯著正向效應和負向效應的主要性狀各4 個，正向效應性狀是主藕質量、主藕長、第3 節粗和株高，這4 個性狀之間也呈正比關系，互為促進(圖1)。但這 4 個性狀的數值升高均會促進第 3 節長度增加，而第 3 節長/粗比又與藕蓮地下莖產量呈反比，降低產量；另一方面，主藕長、第 3 節粗和株高都會顯著增加主藕質量，從而加大主藕質量/整藕質量，也會使產量降低。因此，若想使藕蓮地下莖高產，各性狀之間需要保持一種平衡。基于郭宏波等[3]的數據，理論上認為，當株高為125～177 cm(平均150.78 cm)，葉長為66～84 cm (平均74.73 cm)，葉寬為55～72 cm (平均64 cm)，主藕長為82～113 cm (平均97.54 cm)，主藕4或5節，主藕質量/整藕質量為65%～79%(平均72.06%)，主藕質量為1.3～2.3 kg(平均1.83 kg)，第 3 節長15.4～20.8 cm(平均18.11 cm)，第 3 節粗6.4～7.6 cm(平均7.0 cm)，第3節長/粗為2～3.1(平均2.6)時，整支藕質量可達最大值1.8～3.3 kg(平均2.6 kg)。上述推測性狀的理論數據與表1中藕蓮品種性狀已有重疊，因而認為藕蓮最高產品種已經選育成功。對育種者而言，選育抗病、耐鹽堿、適合各類產品加工和提取活性物質的藕蓮新品種可能是今后育種的主要方向。

藕蓮地下莖的熟性是除產量外，為育種者和農戶所關注的重要性狀。它與主藕質量、第 3 節長、主藕長、葉長和葉寬呈顯著正相關，晚熟對產量有正向效應，但不顯著[3]。同時，同一品種的藕蓮種植在不同類型土壤、不同耕層深度和不同水深時，熟性的表現都有可能變化，因此熟性雖然事關商品行情和農戶經濟效益，但它在生物學上并不是一個質量性狀的絕對指標。

箭頭上下的數字為顯著性相關系數，下同 Number beside arrow represents significant correlation coefficient，the same below

圖1影響藕蓮地下莖產量的各種性狀
Fig.1Characteristicsaffectingyieldoflotusrhizome

2.2 子 蓮

研究發現蓮子橫徑、縱橫比、百克粒數和單蓬生子率之間存在顯著相關，但蓮子縱徑除與縱橫比顯著正相關外，與其他性狀相關不顯著[10]。進一步分析后發現蓮子縱徑在≥17 mm和橫徑超過14 mm時，其縱橫比為1.06～1.28(平均為1.20，僅1個品種為1.28，其他均≤1.25)，百克粒數39～45(平均42.22)，單蓬生子率為63.2%～84.0%(平均70.26%)，直鏈淀粉質量分數為11.87%～20.14%(平均16.40%)，這時除直鏈淀粉質量分數較高外，其他指標均符合一級品標準，且產量較高；另一方面，如果蓮子縱徑≥18 mm，橫徑≥12.5 mm時，縱橫徑比平均為1.43，百克粒數平均48.67，單蓬生子率平均62.50%，但直鏈淀粉質量分數平均只有11.14%。因此建議在制定蓮子質量等級標準時，若要降低直鏈淀粉質量分數以提升蓮子品質性狀，就應增加縱橫徑比例，同時限定橫徑，因為橫徑與直鏈淀粉質量分數呈正相關趨勢。

2.3 花 蓮

花型、花色、花莖高和花徑是花蓮品種的 4 個重要性狀。除花莖高與花徑顯著正相關外，另2個性狀的影響因素之間沒有交叉，也即花型與花色之間沒有關聯(圖2)。花瓣數、雌蕊瓣化和泡化是影響花型的正向效應因素，花瓣寬是負向效應因素。表1顯示花蓮的千瓣蓮可能是原始品種，花瓣數變少、雌蕊不再瓣化和泡化、花瓣變寬都是花瓣單瓣的進化趨勢。藕皮色越深，花色越深，葉寬越小。但選育品種的趨勢是葉寬變大，花莖變高，花徑變大，花色變淺，藕皮色變淺甚至變白，這一現象在藕蓮品種上也很明顯。

研究發現，現蕾期與初花期、花莖高呈顯著正相關，與花瓣長呈負相關[4]。對于所有花蓮品種，從現蕾至初花的時間間隔，在湖北武漢地區基本固定在13～16 d(平均15 d)。從表1花蓮的性狀進化可看出，現蕾期較早的品種是花瓣數多、雌蕊瓣化和泡化的千瓣蓮；但它隨著葉寬變大、花莖變高、花徑變大、花色變淺等性狀變化而變晚，這些性狀的互作可能對選育晚花品種，使其在“十一”黃金周期間或之后仍能開放，將具有啟發意義。

花蕾形狀受制于花型，與花瓣數，雌蕊瓣化和泡化及藕皮色呈正相關[4]。通常單瓣花的花蕾長但窄于重瓣花和重臺花。如果一個花蕾長寬比接近(如1∶1)，即可預測該植株將會有較多的花瓣、雌蕊瓣化和泡化、深黃色藕皮、葉長葉寬小、花紅色等較原始性狀(表1)。研究還發現，荷花花色與藕皮色呈正相關，與葉寬呈反比[4]。在藕蓮中也呈現相同趨勢，白花藕蓮具有植株高大、葉長大、葉寬、藕皮白色、花少、單瓣、花徑大、花莖高等特點。

圖2 影響花蓮觀賞的各種性狀Fig.2 Characteristics affecting ornamental value of flower lotus

3 多酚氧化酶對藕蓮地下莖抗病蟲害性狀進化的影響

多酚氧化酶是核編碼的一種含銅金屬酶，廣泛存在于植物、真菌和昆蟲中，是植物抗氧化、抵御病蟲害，影響地下莖性狀進化的關鍵酶之一。研究發現馬鈴薯感染真菌后PPO活性明顯增強，抗性品系總酚含量和PPO活性比敏感品系高，感染后PPO活性升高速率比敏感品系快[13]。前期筆者以富含酚類物質的丹參(SalviamiltiorrhizaBunge)為試驗材料，發現PPO基因對丹酚酸B的合成具有正向調控作用[11]。因此認為植物在受到病蟲害侵襲時，通過升高PPO活性促進總酚合成，從而抗菌；或通過氧化酚類物質生成有毒且不穩定的O-醌類物質達到抗蟲的目的。

蓮藕地下莖種植于淤泥，為何能不染病蟲害？前期發現PPO基因在藕蓮地下莖的莖尖、幼葉、地下莖切片、花瓣和莖稈中均有表達，特別是在地下莖的莖尖中顯著高表達[14]。接著在地下莖主藕每個藕段中央取厚度0.5 cm切片，然后將其分為中心部位和外圍部位(圖3-B)，發現藕蓮19個生物學和農藝性狀中僅有頂芽色、皮孔數、主藕節數和花色 4 個性狀與各藕節中心或外圍部位PPO活性顯著相關[11]，其中僅有主藕節數對地下莖產量有一定的正向效應。

有關頂芽色、皮孔數、主藕節數和花色性狀在蓮藕抗病蟲害能力的指示方面未見報道。在形態學性狀中，頂芽色與葉長葉寬呈極顯著正比、與花型呈顯著反比[3]，這與白花藕蓮品種植株高大、葉長葉寬大、花單瓣、頂芽色深黃的觀測結果一致。頂芽色深黃意味著該部位和第1節藕段中心部位的(H1)PPO活性高，同時會使第 1 節藕段外圍部位(P1)PPO活性升高。H1部位和P1部位的PPO活性與第 2 節H2和P2部位的PPO活性存在正相關關系，而且H2和P2部位之間PPO活性也存在正相關(圖3)，說明第 2 節藕段的酶活性完全受第 1 節調控。而第 3 節除受第 2 節調控外，還受第 1 節P1部位PPO活性的調控。第 4 節藕段是一個很特殊的部位。除第 4 節中心部位(H4)PPO活性白花品種顯著低于紅花外，其他各部位均是白花高于紅花。對紅花品種而言，H4部位PPO活性最高；但白花卻相反。因此認為，在花色未知的情況下，可通過這一現象判斷出花色。

A:紅圈代表中心部位；藍圈代表外圍部位，箭頭旁數字代表該部位的PPO活性與箭頭下性狀的顯著性系數 Red circle represents heart section of lotus rhizome cut; blue circle represents peripheral section of lotus rhizome cut,the number beside arrow represents significant correlation coefficient;B:中心部位和外圍部位 Heart and peripheral section of lotus rhizome cut;C:第1節到第5節藕段(從左向右)中心和外圍部位PPO活性的相關性，箭頭旁的數字為顯著性相關系數 Correlation coefficients of PPO activity between sections of lotus rhizome knot (1 to 5 from left to right)

圖3PPO活性在不同藕段中心和外圍部位中分布式樣及不同部位的相關性關系
Fig.3Distributionpatternofpolyphenoloxidase(PPO)indifferenttissuesoflotusrhizomeandtheircorrelationrelationship

H4部位PPO活性除在不同花色中表現出特殊差異外，還與主藕節數存在顯著正相關(圖3-A)。在農藝性狀中，主藕節數雖對產量有一定的正向效應，但并不是關鍵影響因素。因此，H4部位的PPO活性可能調控藕段數量形成，但此推測還需更多證據證明。

皮孔是分布于地下莖表皮上的“黑點”，其功能未知。在19個生物學性狀中，皮孔數只與第 3 節長存在正相關關系[3]，同時與P2外圍部位PPO活性呈正比，而P2外圍部位PPO活性與第1節、第 3 節和H2均存在顯著正相關(圖3-C)。因此認為P2外圍部位PPO活性不僅調控所有藕段表皮上的皮孔數，可能還參與調控第 3 節長度發育。

花色在生物學性狀中與花型、開花量及第 3 節長/粗比呈正相關[3]，并與第 4 節P4部位呈負相關(圖3-C)，這與現實中觀測白花品種P4部位PPO活性高、花少、單瓣、第 3 節長/粗比例小是一致的。表明不同深淺花色品種PPO活性會有差異，但其與前3節之間卻沒有任何關聯。

綜上，藕蓮地下莖從藕帶抽生到發育膨大，涉及很多機制。PPO不僅參與抗病蟲害、調控酚類次生代謝物的合成，而且可能還參與調控地下莖不同藕節內的PPO活性、地下莖藕節的分化及性狀形成甚至進化。同時，基于現在所掌握的現象，提出一點新品種選育中親本選用的建議(表2)。

表2 藕蓮地下莖不同藕節中PPO活性分布及應用建議Table 2 Distribution of PPO activity in different sections of lotus rhizome and suggestion for cultivar breeding

4 展 望

盡管中國蓮全基因組已經測序[15]，圍繞荷葉中黃酮含量及其抗氧化分析[16-17]、花色差異基因發掘[18]、地下莖膨大差異基因測序篩選[19]、藕蓮品種的遺傳圖譜構建[20]，以及一些特定基因如結合態淀粉合酶基因的克隆與表達[21-22]等方面已開展不少工作，但基因與農藝性狀之間的關聯尚未建立，利用基因改良性狀更是還有很長的路要走。對藕蓮而言，選育具有特定性狀指標的粉面地下莖、適合煲湯的專用品種；不易褐變適合加工；含有高含量的黃酮類、酚酸類或生物堿等活性成分、高抗病蟲害和不開花的新品種，其性狀指標都有待深入發掘。對子蓮和花蓮而言，選育新鮮水果蓮子耐貯藏保鮮和加工、貯藏期內甜度不降低、品質不下降、蓮子成熟后蓮蓬不低頭，含有高活性成分蓮子的子蓮品種，以及選育提早開花、花期超長、耐低溫的花蓮品種，這些潛在品種的性狀指標都還不清楚。

中國蓮是衛生部最早公布的藥食兩用食物之一，在中國藥典中以蓮須和蓮房入藥。具有明確藥理學效果的還有荷葉、荷梗和藕節間及其須根。因此，通過性狀指標選育相應品種，促進藥物、功能性產品或食品的研發，對延長產業鏈、促進鄉村振興，迎合工作壓力大亞健康群體增多、老齡化社會保健需求高的發展趨勢，均具有重要意義。