甘薯淀粉相關性狀變異性的分析

王璐璐，黃雨，傅玉凡，冉海榕，李佳欣，陳培濤，李豐茂

西南大學 生命科學學院/重慶市甘薯工程技術研究中心，重慶 400715

甘薯Ipomoeabatatas(L.) Lam.屬旋花科(Convolvulaceae)甘薯屬(Ipomoea)，1年或多年生草本雙子葉植物[1-3]，不僅是我國重要的糧食、飼料作物，而且是淀粉工業的重要原料來源之一[4]，也是新型能源作物[5-6].因此，淀粉質量分數與產量雙高是我國甘薯育種的重要方向之一[7-8].

淀粉是葡萄糖的自然聚合體，依據葡萄糖分子間連接方式的不同分為直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種類型[9].直鏈淀粉質量分數高，甘薯薯塊蒸煮后硬而不黏，反之則軟而黏[10]；直鏈淀粉質量分數越高，粉絲質量越好[11]；直鏈淀粉質量分數高于35%時，燃料酒精轉化效率非常高[12].一般顆粒大或結構松散的淀粉比顆粒小或結構較緊密的淀粉易于糊化與加工，加工的產品透明筋道[13]；中小顆粒淀粉分布較多時，蒸煮薯塊的口感較細膩[14].粒徑Span表示粒徑分布的寬度，是描述粉體集中、均勻特性的參數，Span值越小，粒徑越均一[15-17].

AMMI模型是目前分析作物品種區域試驗數據較為有效的模型，已廣泛應用于水稻、小麥等多種作物區域試驗的品種穩定性和試點辨別能力的分析[18-20].對品種而言，穩定性參數值越小，品種的穩定性越好；對試驗地點而言，穩定性參數值越大，試驗點的辨別力越強[21-22].

淀粉型甘薯育種長期以來著重以塊根的干物質質量分數、淀粉質量分數和淀粉產量為主要的篩選性狀，缺乏更深化的評價指標，不利于淀粉型品種的推廣和開發利用.本文采用AMMI模型對9個淀粉型甘薯品種在2019年重慶市聯合鑒定試驗4個地點的干物質質量分數、鮮基淀粉質量分數、淀粉產量、直鏈淀粉質量分數、平均粒徑和粒徑Span 6個與淀粉相關的性狀進行品種間和地點間的變異性分析，就品種各個性狀的穩定性和試點對各個性狀的辨別能力進行了評價，以期為今后優質高效淀粉型甘薯新品種的選育、評價與應用提供參考.

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料取自2019年重慶市淀粉型甘薯新品種聯合鑒定試驗的合川區渭沱鎮喬角村(編號L1)、永川區衛星湖街道南華村(編號L2)、彭水縣漢葭街道鎮南村(編號L3)和萬州區甘寧鎮楠橋村(編號L4)4個試驗地點中的9個品種.供試材料的品種編號、品種名稱及其選育單位見表1，其中商薯19是淀粉型品種篩選的對照品種.

表1 9個淀粉型甘薯品種的編號、名稱及其選育單位

1.2 田間試驗設計及其執行概況

2019年重慶市淀粉型甘薯新品種聯合鑒定試驗的每個地點的田間試驗均采用隨機區組排列小區，重復3次，小區面積20 m2，種植密度60 000株/hm2.試驗于2019年5月17日-6月20日栽插，于10月28日-11月10日期間收獲，參照當地生產水平進行一致性田間管理.

1.3 取樣及其樣品制備

試驗收獲時，每個小區取約200 g的薯塊6個，每個薯塊對稱性縱剖，取半邊切成1 cm×1 cm×1 cm 薯粒，充分混勻后取100 g左右，50 ℃烘 48 h至薯粒變脆后，再105 ℃烘至質量恒定，稱干質量后，中草藥粉碎機打粉過 100 目篩，裝管密封，4 ℃冰箱保存.

干物質質量分數(Dc)計算公式為

Dc/%=Dm/Fm×100

式中，Dm為干質量，Fm為鮮質量.

另取混勻的150 g左右的鮮薯粒經高速組織搗碎機粉碎后，1 000 mL自來水洗滌過100目篩，于室溫下靜置沉淀24 h，換水再靜置沉淀24 h，再換水靜置2次操作，得到的濕淀粉40 ℃烘干后研磨，過100目篩，裝管密封，用于直鏈淀粉質量分數和粒徑的測定.

1.4 干基淀粉質量分數的測定及鮮基淀粉質量分數換算

① 稱取質量為50.0 mg干燥的薯粒粉末樣品置于10 mL透明離心管中，加入0.7 mL 80%乙醇，振蕩混勻，于70 ℃水浴孵育2 h，期間保持手動搖勻.② 加入0.7 mL蒸餾水，12 000 r/min離心10 min，棄上清.再加入0.7 mL 80%乙醇，手動混勻后再12 000 r/min離心10 min，棄上清.③ 重復步驟①和② 3次.④ 向離心管中加入0.2 mL 80%乙醇溶液潤濕樣品后加入1.5 mL α-淀粉酶，沸水浴6 min，期間保持手動搖勻.⑤ 加入0.05 mL葡糖苷酶，于50 ℃水浴孵育30 min.將孵育后的液體轉移至100 mL容量瓶中并用蒸餾水定容.⑥ 取定容后的溶液10.0 mL于新的離心管中，3 500 r/min離心10 min后，取0.1 mL上清液于試管中，加入3.0 mL GOPOD試劑(購買自Megazyme)，50 ℃反應20 min.⑦ 取0.1 mL葡萄糖標準溶液，加入3.0 mL GOPOD試劑，50 ℃反應20 min；試劑空白加0.1 mL水.⑧ 在510 nm處測定吸光值.

干基淀粉質量分數(Ds)計算公式為

Ds/%=A×F×FV×0.9/W

式中，A為樣品的吸光值，F為100 μg(葡萄糖標樣質量)/吸光值(100 μg葡萄糖標樣的吸光值)，FV為最終體積(10 mL)，W為干樣的質量(50.0 mg).

鮮基淀粉質量分數(Fs)換算公式為

Fs/%=Dm×Ds/100

式中，Dm為干物質質量分數，Ds為干基淀粉質量分數.

1.5 淀粉產量

淀粉產量(Sy)計算公式為

Sy/kg=Fs×Fy/100

式中，Fs為鮮基淀粉質量分數，Fy為淀粉鮮薯產量；產量以每667 m2計.

1.6 直鏈淀粉質量分數的測定

參照劉襄河等[23]的方法測定淀粉中直鏈淀粉的質量分數.① 稱取 0.01 g 干淀粉樣品于離心管中，加入1 mL 無水乙醇，80 ℃水浴，期間保持手動搖勻，30 min后10 000 r/min，25 ℃離心 5 min，棄上清液.② 加入 1 mL乙醚振蕩 5 min，10 000 r/min，25 ℃離心 5 min，棄上清液.③ 加入 5 mL KOH充分溶解，90 ℃水浴 10 min，冷卻后10 000 r/min，25 ℃離心5 min，取上清液待測.④ 酶標儀預熱 30 min 以上，調節雙波長至550 nm和 485 nm.⑤ 分別吸取 0.1 mL待測溶液作為測定液，0.1 mL 0.4 mg/mL直鏈淀粉標準溶液作為標準液，0.1 mL蒸餾水作為空白液，依次各自加入 0.02 mL HCl，0.5 mL 碘試劑，0.86 mL蒸餾水，混勻后在550 nm 和 485 nm 處測定吸光值.

兩個波長下吸光值的變化量計算公式為

直鏈淀粉質量分數(Ac)計算公式為

式中，C標準表示標準溶液濃度，為0.4 mg/mL；V樣總表示加入KOH溶液的體積，為5 mL；W表示樣品質量，為0.01 g.

1.7 淀粉粒徑的測定

采用Malvern Mastersizer 2000激光粒度分析儀分析淀粉粒徑.將適量淀粉樣品置于粒度分析儀的樣品池中，加入蒸餾水，超聲波震蕩2 min，使淀粉顆粒均勻分布，遮光度達到10%～20%后進樣，根據激光光散射法原理，通過軟件處理分析結果，可得到淀粉樣品粒徑分布和平均粒徑，一般以D0.5表示淀粉粒徑[24].

1.8 粒徑Span

粒徑Span表示較大顆粒與較小顆粒直徑差與平均直徑的相對變化率[16].

Span值(S粒徑)的計算公式為

S粒徑=(D0.9-D0.1)/D0.5

式中，D0.9，D0.1，D0.5分別表示粒度累積分布圖上累積百分數為90%，10%，50%所對應的顆粒直徑.

1.9 數據分析

采用Microsoft Excel 2019軟件進行平均值計算；采用 DPS v 9.50軟件中的AMMI模型對9個品種4個試驗點的相關數據進行方差分析以及基因與環境的互作效應分析[25]，在AMMI模型分析結果的基礎上，參照吳為人[26]的方法計算穩定性參數Di性狀，定量分析各個性狀的穩定性以及試點之間的辨別力.

2 結果與分析

2.1 各品種在不同試點各性狀的方差分析與多重比較

2.1.1 6個性狀的方差分析及其主要影響因素

根據AMMI模型對9個品種在4個試驗點的干物質質量分數、鮮基淀粉質量分數、淀粉產量、直鏈淀粉質量分數、粒徑和粒徑Span的分析結果(數據略)表明：干物質質量分數、鮮基淀粉質量分數、淀粉產量、直鏈淀粉質量分數、粒徑和粒徑Span在品種間、地點間、品種與地點交互作用上均表現出差異有統計學意義(p<0.01).

品種因素在干物質質量分數、鮮基淀粉質量分數和淀粉粒徑3個性狀總變異方差占比分別為48.63%，53.91%和72.79%，明顯大于其他變異來源，表明干物質質量分數、鮮基淀粉質量分數和淀粉粒徑主要受遺傳因素的影響；地點因素在淀粉產量總變異方差占比為63.37%，遠大于其他變異來源，說明地點因素對淀粉產量的影響最大；直鏈淀粉質量分數與粒徑Span兩個性狀在品種和地點的交互作用上的方差占比分別為45.16%和31.96%，大于其他變異來源，說明品種和地點的交互作用對直鏈淀粉質量分數和粒徑Span的影響最大.

2.1.2 6個性狀在品種間、地點間的多重比較

品種間的多重比較結果見表2.V8的干物質質量分數除與V4差異無統計學意義以外，均極顯著高于其他7個品種；V4的干物質質量分數除與V8和V1差異無統計學意義以外，均極顯著高于其他6個品種；V3干物質質量分數最低，極顯著低于其他8個品種.V4，V1，V8三者鮮基淀粉質量分數差異無統計學意義，均極顯著高于其他6個品種；V7，V2兩者鮮基淀粉質量分數差異無統計學意義，均極顯著高于V5，V9和V3；V3鮮基淀粉質量分數最低，極顯著低于其他8個品種.V4，V7，V9和V1四者淀粉產量差異無統計學意義，均顯著高于其他5個品種；V2，V5和V8三者淀粉產量差異無統計學意義，相對較低.9個品種直鏈淀粉質量分數絕對值差異不大，V1數值最大，顯著或極顯著高于其他8個品種；V6直鏈淀粉質量分數居第2位，與V5，V9，V8，V7，V2和V3之間差異存在統計學意義.V8平均粒徑極顯著大于其他8個品種，V1和V3平均粒徑最小，極顯著小于其他7個品種.粒徑Span值除了V1表現較大以外，其他8個品種間差異無統計學意義.

地點間的多重比較結果見表2.地點L1的干物質質量分數和鮮基淀粉質量分數與其他3個地點差異有統計學意義.地點L3的淀粉產量和直鏈淀粉質量分數與其他3個地點差異有統計學意義.地點L4平均粒徑與其他3個地點差異有統計學意義，L3與L1之間差異有統計學意義.L2的粒徑Span與其他3個地點差異有統計學意義.

表2 甘薯淀粉相關6個性狀在9個品種間和4個種植地點間的多重比較

2.2 各品種在不同試點的各性狀的穩定性分析

干物質質量分數、鮮基淀粉質量分數、淀粉產量、直鏈淀粉質量分數、平均粒徑和粒徑Span 6個性狀不僅在品種間、地點間差異有統計學意義，除平均粒徑以外的其他5個性狀還存在極顯著的品種與地點的交互作用(p<0.01).因此有必要利用AMMI模型對這5個性狀的品種與地點的交互作用引起的變異進行穩定性分析[27].利用AMMI模型在顯著交互效應主成分軸(IPCA)上的得分計算出每個品種在5個性狀上的穩定性參數(Di)值(表3).

根據表3的穩定性參數值(Di)大小對品種進行排序.V4，V8，V7，V1，V3和 V2干物質質量分數的穩定性優于對照品種V9；V1，V4，V3，V7和V5鮮基淀粉質量分數的穩定性優于對照品種V9；只有V1淀粉產量上的穩定性優于對照品種V9，V4淀粉產量穩定性參數值特別大；V7，V1，V3，V4和V2直鏈淀粉質量分數的穩定性優于對照品種V9；V5，V2，V8和V6的粒徑Span穩定性優于對照品種V9.

從各試驗點的穩定性參數排序來看，地點L3對干物質質量分數、鮮基淀粉質量分數辨別能力最強、L4辨別能力最差；地點L1，L4對淀粉產量的辨別能力最強；地點L1對直鏈淀粉質量分數辨別能力最差，其他幾個地點鑒別能力相當；地點L3和L4對粒徑Span的辨別力最好.

表3 甘薯淀粉相關6個性狀在9個品種間和4個種植地點間的穩定性參數

2.3 AMMI雙標圖對各品種和各地點的評價

雙標圖是解釋AMMI模型最有效的工具，從中可以直觀地看出品種與地點等環境的互作關系.本文采用雙標圖對6個淀粉相關性狀在品種上的穩定性和地點上的辨別能力進行了分析，結果見圖 1.橫坐標表示性狀的平均值，縱坐標表示互作效應的差異.水平方向上值越大，品種在性狀上的值越大；垂直方向上，越靠近橫坐標軸，就品種而言穩定性越好，就試點而言，地點辨別力越差.

圖1a表明品種V8，V4和V7的穩定性較好，V5，V6和V9的穩定性較差；地點L3的代表性最強，L2，L1次之，L4最差.因此，就干物質質量分數而言，V8，V4是質量分數高且穩定性好的品種，地點L3對品種間干物質質量分數差異的辨別力最強.

圖1b表明品種V1，V4和V7的穩定性較好，V2，V8和V6的穩定性較差；地點L3的代表性最強，L2，L1次之，L4最差.因此，就鮮基淀粉質量分數而言，V1，V4是質量分數高且穩定性好的品種，地點L3對品種間鮮基淀粉質量分數差異的辨別力最強.

圖1c表明品種V1，V9和V6的穩定性較好，V4，V5和V2的穩定性較差；地點L1的代表性最強，L2，L4次之，L3最差.因此，就淀粉產量而言，V1，V9是高產穩產品種，地點L1對品種間淀粉產量差異的辨別力最強.

圖1d表明品種V7，V2和V1的穩定性較好，V5，V6和V8的穩定性較差；地點L3的代表性最強，L2，L4次之，L1最差.因此，就直鏈淀粉質量分數而言，V1是質量分數高且穩定性好的品種，V2是質量分數低穩定性好的品種，地點L3對品種間直鏈淀粉質量分數差異的辨別力最強.

圖1e表明品種V9，V2和V4的平均粒徑穩定性較好，V7，V8和V6的穩定性較差；地點L1的代表性最強，L2，L4次之，L3最差.因此，就淀粉粒徑而言，V9，V4粒徑較大且較穩定，V2是粒徑較小且穩定性好的品種，地點L1對品種間粒徑大小差異的辨別力最強.

圖1f表明品種V5，V8和V2的粒徑Span穩定性較好，V1，V3和V7的穩定性較差；地點L3的代表性最強，L2，L4次之，L1最差.因此，就粒徑Span值而言，V8，V2是粒徑大小較為穩定的品種，地點L3對品種間粒徑Span差異的辨別力最強.

圖1 甘薯淀粉相關的6個性狀品種、地點AMMI模型雙標圖

3 討論與結論

目前作為國內重要育種方向之一的淀粉型甘薯如濟薯25、渝薯27等品種的淀粉質量分數與淀粉產量都已經達到較高的水平，促進了淀粉加工及其產業的發展，除進一步在淀粉質量分數和淀粉產量方面開展篩選外，還應在淀粉品質方面開展深入研究.本文以2019年重慶市淀粉型甘薯新品種聯合鑒定試驗的重慶合川、永川、彭水和萬州4個地點的9個品種為供試材料，采用AMMI模型對淀粉相關的干物質質量分數、鮮基淀粉質量分數、淀粉產量、直鏈淀粉質量分數、平均粒徑及其粒徑Span的均勻性在品種間的差異、地點間的穩定性以及試驗地點的鑒定靈敏度進行了初步分析.

研究結果表明，干物質質量分數、鮮基淀粉質量分數和淀粉粒徑受遺傳因素影響最大，這是因為不同品種移栽后莖葉生長動態和光合能力及產物轉運能力存在著差異[28]，這3個性狀可以通過雜交親本的選擇和搭配加以提高和改善.育種材料的干物質質量分數、鮮基淀粉質量分數在重慶彭水(地點L3)可以比較靈敏地加以鑒定.淀粉產量受地點因素影響最大，在不同地點間存在明顯差異，與前人在水稻、玉米、油菜等作物上的研究結論相似[18，20，29]，這主要由于鮮薯產量是容易受環境影響的數量性狀.淀粉產量可以在重慶合川(地點L1)和萬州(地點L4)比較靈敏地加以鑒定，這可能與合川點土壤肥力相對較差和萬州點土壤肥力相對較好有關.直鏈淀粉質量分數和粒徑Span受品種與地點的交互作用影響最大，這可能是因為淀粉在合成過程中直鏈淀粉的質量分數不僅受糯性基因wx和rbe的影響，而且外部條件的改變在一定程度上影響著它的質量分數，研究發現機械活化、氣溫、光照強度、海拔高度、貯藏時期和收獲時期對直鏈淀粉質量分數都有顯著影響[30].劉建超[31]發現稻米淀粉顆粒的形態和空間排列結構與生長環境溫度密切相關，高溫處理下稻米淀粉顆粒平均粒徑值的增加主要是由于大淀粉粒占總淀粉粒的相對數量和百分比增加所致，而小淀粉粒在高溫處理下的相對數量和平均粒徑并沒有出現較明顯的增加，甚至還略有下降.這兩個性狀能在重慶彭水(地點L3)比較靈敏地鑒別，這可能與彭水點氣候特點有關.因此本文得到地點鑒別能力研究結果表明，可通過適宜地點的篩選來提高淀粉型甘薯新品種淀粉性狀的鑒定與選擇效率[32].

賈趙東等[33]分析了甘薯品種產量性狀的穩定性和適應性，但對甘薯品種淀粉的相關性狀沒有做進一步的報道.本文對9個品種6個淀粉相關性狀進行了初步評價：針對淀粉質量分數高的需求，V1和V4是質量分數高且穩定性好的品種，可以作為育種親本.針對淀粉產量高的需求，V1是高產穩產品種.針對直鏈淀粉質量分數高，可用于工業生產方面的需求，V1是質量分數高且穩定性好的品種；針對直鏈淀粉質量分數低且有更好食用口感的需求，V2是低質量分數且穩定性好的品種.針對淀粉粒分布需求，V8和V2的淀粉粒徑較為穩定.本文9個品種淀粉相關性狀變異及其穩定分析的研究結果表明，可以通過育種手段選育出符合各類工業加工要求的優質高淀粉高產的淀粉型新品種.

致謝：重慶市淀粉型甘薯新品種聯合鑒定試驗由重慶市種子管理站主持，承蒙合川、永川、彭水和萬州4個地點承試單位提供甘薯樣品和鮮薯產量數據，在此一并致謝.