不同綠豆品種籽粒形成過程中淀粉積累特性

楊思敏 劉蓓蓓 王可心 高玉萌 李 鑫 林瑞嫦 高小麗

(西北農林科技大學 農學院/旱區作物逆境生物學國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

綠豆是我國傳統的食用豆類作物，營養豐富、風味獨特，具有醫食雙重用途。淀粉是綠豆籽粒的主要成分之一，約占干重的54%～71%。籽粒淀粉合成與積累由一系列的生化生理過程調控,受作物遺傳特性及其生長環境影響。催化淀粉合成的酶主要包括腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase，AGPase)、淀粉合成酶(Starch synthase，SS)以及淀粉分支酶(Starch branching enzyme，SBE),其中淀粉合成酶依據其形態性質又分為可溶性淀粉合成酶(Soluble starch synthase，SSS)和顆粒結合淀粉酶(Granule-bound starch synthase，GBSS)。AGPase是植物淀粉合成的關鍵限速酶，主要控制合成支鏈淀粉和直鏈淀粉的骨架，ADP-葡萄糖。GBSS主要調控直鏈淀粉的合成。SSS與SBE共同參與支鏈淀粉的合成，同時SBE影響植物淀粉的精細結構。GBSS和SSS以及SBE的共同調節也有助于抗性淀粉的積累。淀粉積累和淀粉合成相關酶活性研究多集中于禾谷類作物，如水稻、小麥和糜子等，關于綠豆籽粒形成過程中籽粒淀粉的積累特征，淀粉合成相關酶的動態變化及二者關系的研究鮮見報道。本研究以4個綠豆品種為材料，對籽粒形成過程中淀粉積累特征和淀粉合成相關酶活性進行系統分析，旨在探索綠豆籽粒形成過程中淀粉積累特性，以期為綠豆品種選育和高產優質栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以小粒型綠豆‘綠豐2號’和‘安康綠豆’、大粒型綠豆‘安綠7號’和‘冀0816毛-3’共4個綠豆品種為試驗材料。試驗于西北農林科技大學農作一站(34.29° N， 108.07° E)進行， 2020年6月中旬播種。田間0～20 cm耕層土壤基礎營養狀況為：有機質19.69 mg/kg，全氮1.29 g/kg，有效磷42.00 mg/kg，速效鉀226.50 mg/kg，pH 7.9。前茬作物為小麥。

1.2 試驗方法

1

.

2

.

1

試驗設計

試驗采用隨機區組設計，4次重復，小區面積為20 m，行距0.40 m，株距0.15 m。田間管理同當地大田生產。

1

.

2

.

2

測定項目和方法

于始花期掛牌標記，花后5～13 d莢果籽粒較小, 摘取約300莢,花后17 d至取樣結束,摘取約150莢。將取回豆莢籽粒剝出，一半籽粒經液氮冷凍后置于-80 ℃超低溫冰箱保存，用于測定酶活性，一半籽粒殺青烘干后用于測定淀粉含量。直鏈淀粉、支鏈淀粉及總淀粉含量測定采用雙波長法，淀粉合成相關酶活性均采用上海凡科維公司試劑盒進行測定，設3次重復。

1.3 數據分析

以Mirosoft Excel 2010、SPSS 23和Origin 2019進行數據處理和作圖。

使用Origin軟件進行Logistic擬合，以淀粉積累量(

y

)與開花后天數(

x

)建立Logistic曲線，方程為

y

=

k/

[1+e(+)]式中：

k

為生長期望終值參數；

A

和

B

為回歸參數，與積累持續時間和積累速率有關。利用方程推導出淀粉積累特征參數：最大積累速率出現時間(

T

)，d，

T

=-

A

/

B

；積累活躍生長期(約完成淀粉總積累量90%的天數，

D

)，d，

D

=[ln(1/9)-

A

]/

B

；最大積累速率(

V

)，mg/d，

V

=-

kB

/4。

2 結果與分析

2.1 綠豆籽粒形成過程中淀粉的積累特征

由圖1可知，在開花后9～17 d，‘安康綠豆’籽粒中總淀粉含量顯著低于其他品種，花后21 d，‘安康綠豆’籽粒中總淀粉持續積累，其含量與‘冀0816毛-3’籽粒中總淀粉含量差異不顯著，花后25 d，‘安康綠豆’籽粒中總淀粉含量與‘安綠7號’差異不顯著，但顯著低于‘綠豐2號’籽粒中總淀粉含量，顯著高于‘冀0816毛-3’籽粒中總含量。花后9～13 d，‘冀0816毛-3’籽粒中總淀粉含量由0.29 g/g增長到0.52 g/g，花后13～25 d，‘冀0816毛-3’籽粒中總淀粉含量由0.52 g/g增長到0.57 g/g。綠豆籽粒成熟采收后測得各品種總淀粉含量由高到低為‘綠豐2號’(0.66 g/g)>‘安康綠豆’(0.63 g/g)>‘安綠7號’(0.60 g/g)>‘冀0816毛-3’(0.57 g/g)。

同組不同小寫字母表示不同品種差異達顯著水平，P<0.05。下同。 Different lowercase letters in the same group indicate the significance level of different varieties, P<0.05. The same below.圖1 不同綠豆品種籽粒發育過程中總淀粉含量變化Fig.1 Change of starch content during grain development of different mung bean variety

圖2 不同綠豆品種籽粒發育過程中直鏈淀粉含量變化Fig.2 Change of amylose content during grain development of different mung bean variety

由圖2可知，開花后9 d，‘安康綠豆’籽粒中直鏈淀粉含量顯著低于其他品種，‘綠豐2號’、‘安綠7號’和‘冀0816毛-3’籽粒中直鏈淀粉含量差異不顯著。花后13～17 d，‘安康綠豆’籽粒中直鏈淀粉含量增加，但仍顯著低于同期其他品種直鏈淀粉含量。花后21 d，‘安康綠豆’籽粒中直鏈淀粉含量與‘冀0816毛-3’和‘安綠7號’籽粒中直鏈淀粉含量差異不顯著，但3個品種籽粒中直鏈淀粉含量均顯著低于‘綠豐2號’。花后25 d，4個品種綠豆籽粒直鏈淀粉含量均有增加，‘安康綠豆’和‘冀0816毛-3’籽粒中直鏈淀粉含量差異不顯著，2個品種籽粒中直鏈淀粉含量均顯著低于‘安綠7號’且顯著高于‘綠豐2號’。

圖3 不同綠豆品種籽粒發育過程中支鏈淀粉含量變化Fig.3 Change of amylopectin content during grain development of different mung bean variety

由圖3可知，花后9～25 d，‘綠豐2號’籽粒中支鏈淀粉含量由0.21 g/g增長至0.47 g/g，在花后25 d‘綠豐2號’籽粒中支鏈淀粉含量顯著高于其他品種。花后9～17 d，‘安康綠豆’籽粒中支鏈淀粉含量顯著低于其他品種；花后21 d，‘安康綠豆’與‘冀0816毛-3’籽粒中支鏈淀粉含量差異不顯著；花后25 d，‘安康綠豆’籽粒中支鏈淀粉含量顯著高于‘冀0816毛-3’，與‘安綠7號’籽粒中支鏈淀粉含量差異不顯著，但顯著低于‘綠豐2號’籽粒中支鏈淀粉含量。花后9～13 d，‘冀0816毛-3’支鏈淀粉含量由0.20 g/g增長到0.38 g/g；花后13～17 d，‘冀0816毛-3’籽粒中支鏈淀粉積累速率變緩，支鏈淀粉含量由0.38 g/g增長到0.40 g/g；花后17～25 d，‘冀0816毛-3’籽粒中支鏈淀粉含量由0.40 g/g下降至0.37 g/g；花后25 d，‘冀0816毛-3’籽粒中支鏈淀粉含量顯著低于其他品種。花后9～21 d，‘安綠7號’籽粒中支鏈淀粉含量由0.20 g/g增長至0.42 g/g；花后25 d，其支鏈淀粉含量下降了0.003 g/g。

2.2 淀粉積累Logistic曲線擬合

由表1可知，綠豆籽粒淀粉積累過程符合Logistic方程

y

=

k/

[1+e(+)]。‘綠豐2號’積累活躍生長期(

D

)最大，最大積累速率(

V

)最小，說明在整個淀粉積累過程中‘綠豐2號’淀粉積累速率較慢且完成淀粉積累需要的時間較長，約為35.26 d。‘安康綠豆’最大積累速率出現時間(

T

)最大，其淀粉積累關鍵期比其他品種晚出現2.58～8.96 d。‘冀0816毛-3’的

V

最大，

T

及

D

最小，說明‘冀0816毛-3’籽粒淀粉積累速率最快，淀粉積累關鍵期比其他品種早1.31～8.96 d出現，完成淀粉積累需要的時間約為12.27 d，比其他品種少9.92～22.99 d。‘安綠7號’

T

及

D

小于‘綠豐2號’和‘安康綠豆’的

T

及

D

，且大于‘冀0816毛-3’的

T

及

D

，說明‘安綠7號’比‘綠豐2號’和‘安康綠豆’進入淀粉積累關鍵期早5.07～7.65 d，比‘冀0816毛-3’晚1.31 d，完成籽粒淀粉積累需要的時間比‘綠豐2號’和‘安康綠豆’少10.28～13.07 d，比‘冀0816毛-3’多9.92 d。

表1 綠豆淀粉積累Logistic曲線擬合
Table 1 Logistic fitting of mung bean starch accumulation

品種VarietyLogistic方程Logistic equationR2Tmax/dD/dVmax/(mg/d)綠豐2號Lvfeng 2Y=88.93/[1+e(1.67-0.11x)]0.9915.2235.262.44安康綠豆AnkangY=84.23/[1+e(2.67-0.15x)]0.9917.8032.473.15冀0816毛-3Ji0816 Mao-3Y=55.76/[1+e(5.67-0.64x)]0.998.8412.278.94安綠7號Anlv 7Y=66.32/[1+e (1.85-0.18x)]0.9910.1522.193.02

2.3 綠豆籽粒形成過程中淀粉合成酶活性

由圖4可知，4個綠豆品種籽粒的AGPase活性表現不同。‘冀0816毛-3’、‘安綠7號’和‘綠豐2號’籽粒中AGPase活性變化趨勢呈單峰狀；花后5～9 d，‘冀0816毛-3’及‘安綠7號’籽粒中AGPase活性呈增長趨勢，均于花后9 d到達測量峰值，‘冀0816毛-3’籽粒中AGPase活性測量峰值為1.33 U/g，‘安綠7號’籽粒中AGPase活性測量峰值為1.12 U/g；花后9～25 d，‘冀0816毛-3’籽粒中AGPase活性由1.33 U/g下降至0.67 U/g，‘安綠7號’籽粒中AGPase活性由1.12 U/g下降至0.70 U/g。花后5～17 d，‘綠豐2號’籽粒中AGPase活性由0.61 U/g增強至1.26 U/g，于花后17 d達測量峰值；花后17～25 d，‘綠豐2號’籽粒中AGPase活性由1.26 U/g下降至0.70 U/g。‘安康綠豆’籽粒中AGPase活性變化趨勢呈雙峰狀；花后5～9 d，‘安康綠豆’籽粒中AGPase活性由0.61 U/g增強至0.82 U/g，達到第一個測量峰值；花后9～13 d，‘安康綠豆’籽粒中AGPase活性由0.82 U/g下降至0.75 U/g；花后13～21 d，‘安康綠豆’籽粒中AGPase活性上升到1.11 U/g，達到最大測量值；花后21～25 d，‘安康綠豆’籽粒中AGPase活性下降至0.72 U/g。在4個綠豆品種籽粒充實過程中，‘冀0816毛-3’及‘安綠7號’在花后9 d出現AGPase活性最大測量值，‘綠豐2號’于花后17 d出現AGPase活性最大測量值，‘安康綠豆’于花后21 d出現AGPase活性最大測量值，4個綠豆品種AGPase活性最大測量值由高到低表現為‘冀0816毛-3’(1.33 U/g)>‘綠豐2號’(1.26 U/g)>‘安綠7號’(1.12 U/g)>‘安康綠豆’(1.11 U/g)。

圖4 籽粒發育過程中AGPase酶活性變化Fig.4 Enzyme activities of AGPase during grain development

由圖5可知，4個品種綠豆籽粒形成過程中的GBSS活性變化趨勢均呈單峰狀。‘綠豐2號’籽粒中GBSS活性在花后21 d達測量峰值1.61 U/g。‘安康綠豆’和‘安綠7號’籽粒中GBSS活性在花后17 d達測量峰值，‘安康綠豆’籽粒中GBSS活性測量峰值為1.89 U/g，‘安綠7號’籽粒中GBSS活性測量峰值為1.92 U/g。‘冀0816毛-3’ 籽粒中GBSS活性在花后13 d達測量峰值，1.66 U/g。

圖5 籽粒發育過程中GBSS酶活性變化Fig.5 Enzyme activities of GBSS during grain development

由圖6可知，4個綠豆品種籽粒的SSS活性變化趨勢均呈“N”形波動。其中‘安康綠豆’籽粒中SSS活性于花后5～13 d由0.39 U/g增強至0.54 U/g，并在花后13 d達最大測量值；花后13～21 d SSS活性由0.54 U/g下降至0.45 U/g，花后21～25 d又上升至0.50 U/g。‘綠豐2號’、‘冀0816毛-3’和‘安綠7號’籽粒中SSS活性在花后5～17 d持續增加，均于花后17 d達最大測量值，‘綠豐2號’籽粒中SSS活性最大測量值為0.58 U/g，‘冀0816毛-3’籽粒中SSS活性最大測量值為0.60 U/g，‘安綠7號’籽粒中SSS活性最大測量值為0.59 U/g；3個品種籽粒中SSS活性于花后17～21 d下降，‘綠豐2號’籽粒中SSS活性下降至0.37 U/g，‘冀0816毛-3’籽粒中SSS活性下降至0.47 U/g，‘安綠7號’籽粒中SSS活性下降至0.41 U/g；3個品種籽粒中SSS活性于花后21～25 d又上升，‘綠豐2號’籽粒中SSS活性上升至0.44 U/g，‘冀0816毛-3’籽粒中SSS活性上升至0.49 U/g，‘安綠7號’籽粒中SSS活性上升至0.42 U/g。

由圖7可知，4個綠豆品種籽粒的SBE活性變化趨勢均呈單峰狀。‘綠豐2號’和‘安綠7號’籽粒中SBE活性在花后21 d達測量峰值，‘綠豐2號’籽粒中SBE活性最大測量值為1.09 U/g，‘安綠7號’籽粒中SBE活性最大測量值為1.06 U/g；‘安康綠豆’和‘冀0816毛-3’籽粒中SBE活性均在花后17 d達測量峰值，‘安康綠豆’籽粒中SBE活性最大測量值為0.99 U/g，‘冀0816毛-3’籽粒中SBE活性最大測量值為1.10 U/g。

圖6 籽粒發育過程中SSS酶活性變化Fig.6 Enzyme activities of SSS during grain development

圖7 籽粒發育過程中SBE酶活性變化Fig.7 Enzyme activities of SBE during grain development

2.4 淀粉合成酶活性與淀粉積累速率的相關性分析

由表2可知，4個綠豆品種籽粒中AGPase活性與總淀粉積累速率均呈極顯著正相關，與支鏈淀粉積累速率呈顯著或極顯著正相關。‘安康綠豆’和‘冀0816毛-3’的AGPase活性與直鏈淀粉積累速率呈極顯著正相關，其他品種的AGPase活性與直鏈淀粉積累速率相關性不顯著。‘冀0816毛-3’和‘安綠7號’的GBSS活性與直鏈淀粉積累速率均呈顯著或極顯著負相關，‘綠豐2號’和‘安康綠豆’的GBSS活性與直鏈淀粉積累速率無顯著相關性。‘綠豐2號’和‘安綠7號’的SSS活性與支鏈淀粉積累速率呈顯著或極顯著正相關，‘安康綠豆’和‘冀0816毛-3’的SSS活性與支鏈淀粉積累速率呈顯著負相關。‘冀0816毛-3’和‘安綠7號’的SBE活性與支鏈淀粉積累速率均呈顯著或極顯著負相關，‘綠豐2號’的SBE活性與支鏈淀粉積累速率相關性不顯著，‘安康綠豆’的SBE活性與支鏈淀粉積累速率呈顯著正相關。

表2 淀粉合成酶活性與淀粉積累速率的相關性分析
Table 2 Correlation analysis between starch synthase activity and starch accumulation rate

酶Enzyme品種Varieties總淀粉積累速率Starchaccumulation rate直鏈淀粉積累速率Amyloseaccumulation rate支鏈淀粉積累速率Amylopectinaccumulation rate綠豐2號Lvfeng 20.94**0.190.94**AGPase安康綠豆Ankang0.89**0.83**0.67*冀0816毛-3Ji0816 Mao-30.97**0.96**0.97**安綠7號Anlv 70.97**0.410.92**綠豐2號Lvfeng 20.84**0.470.61*GBSS安康綠豆Ankang0.55*0.260.52*冀0816毛-3Ji0816 Mao-3-0.77**-0.82**-0.76**安綠7號Anlv 70.22-0.53*0.34綠豐2號Lvfeng 20.67*0.020.75**SSS安康綠豆Ankang-0.460.00-0.53*冀0816毛-3Ji0816 Mao-3-0.64*-0.69*-0.63*安綠7號Anlv 70.50*-0.290.58*綠豐2號Lvfeng 20.13-0.270.34SBE安康綠豆Ankang0.70**0.330.66*冀0816毛-3Ji0816 Mao-3-0.78**-0.77**-0.78**安綠7號Anlv 7-0.73**-0.49-0.65*

注：*在0.05級別(雙尾)，相關性顯著，**在0.01級別(雙尾)，相關性顯著。

Notes: * and ** Indicate a significant correlation at 0.05 and 0.01 levels (bilateral), respectively.

3 討 論

籽粒淀粉合成主要受AGPase、GBSS、SSS和SBE等淀粉合成相關酶的調控，在水稻、小麥和玉米等禾本科作物上的研究結果基本一致。不同環境因素(溫度、水分和CO濃度等)、不同栽培方式(覆蓋方式和肥料施用)及不同品種的籽粒中淀粉合成相關酶的活性及淀粉積累均有所差別。AGPase在淀粉積累過程中起主要調節作用，直鏈淀粉和支鏈淀粉的合成底物都是AGPase催化的產物ADP-葡萄糖。相關分析表明，綠豆籽粒形成過程中總淀粉積累速率與AGPase活性呈極顯著正相關，且綠豆籽粒淀粉最大積累速率與AGPase活性測量峰值出現時間較吻合。這與小麥、高粱和青稞等作物上的研究結果相一致，也驗證了AGPase是植物淀粉合成的關鍵限速酶這一觀點。通過增強AGPase的活性可以提高作物的淀粉合成能力進而提高作物產量，在今后的綠豆品種選育和優質栽培研究中，可以將AGPase作為輔助參考指標。

GBSS主要影響直鏈淀粉合成，SSS和SBE主要影響支鏈淀粉合成，其中SSS調控支鏈淀粉鏈的延長，SBE調控分支形成支鏈。有研究表明溫度升高會導致SSS活性降低，SSS活性的“N”形波動可能與栽培過程后期的溫度變化有關。本研究4個綠豆品種的GBSS、SSS和SBE活性相關分析的結果與在水稻、小麥、玉米、高粱、青稞和糜子上的研究結論不盡一致。這可能是因為淀粉合成是在酶調控和環境影響共同作用下完成的復雜過程。在淀粉合成過程中, 雖然各種酶的功能已較明確, 但不同作物不同基因型和不同環境條件會影響酶的含量及活性, 導致其產物含量的變化，進而影響淀粉的累積。綠豆淀粉合成相關酶對淀粉積累的調控過程尚待進一步深入研究。

4個綠豆品種依據籽粒大小和淀粉積累速率可分為2種類型。小粒型綠豆‘綠豐2號’和‘安康綠豆’淀粉快速積累期啟動晚，積累速率穩定且淀粉積累持續時間長。小粒型綠豆‘綠豐2號’和‘安康綠豆’較大粒型綠豆‘安綠7號’和‘冀0816毛-3’成熟期的總淀粉含量高，這可能是因為小粒型綠豆淀粉積累持續期較長。大粒型綠豆‘冀0816毛-3’和‘安綠7號’淀粉快速積累期在綠豆開花后較早出現，其淀粉積累速率較快且淀粉積累持續時間較短，完成淀粉積累后籽粒中淀粉含量保持動態平衡，有利于避免綠豆籽粒發育后期遇高溫陰雨等不利環境因素的影響。面對氣候變化和異常天氣的影響,綠豆籽粒快速發育完成淀粉積累有利于充分利用適宜的環境條件形成產量；在氣候環境適宜的條件下，通過栽培手段提高綠豆籽粒淀粉積累速率，延長淀粉積累期有利于實現高產。

4 結 論

本研究結果表明，綠豆籽粒中淀粉的合成與積累主要由AGPase控制，AGPase影響綠豆籽粒淀粉積累速率，是綠豆淀粉合成的限速酶。不同粒型綠豆品種淀粉積累特征存在差異，大粒型綠豆的淀粉積累關鍵期在花后9 d左右,小粒型綠豆的淀粉積累關鍵期在花后17 d左右，小粒型綠豆‘綠豐2號’和‘安康綠豆’較大粒型綠豆‘安綠7號’和‘冀0816毛-3’成熟期的總淀粉含量高0.03～0.09 g/g。