‘紅羽1號’‘紅羽2號’油茶新品種果實成熟期非結構性碳水化合物的變化

郝丙青，江澤鵬，陳林強，梁 斌，夏瑩瑩

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院 廣西特色經濟林培育與利用重點實驗室 廣西 南寧 530022）

在樹木固定光合產物的復雜生理生化過程中，一部分形成纖維素和木質素等結構性碳水化合物（structural carbohydrate，SC），另一部分形成非結構性碳水化合物（non-structural carbohydrate，NSC），非結構性碳水化合物（NSC）不僅是植物能量代謝過程中的主要能量參與物質，也是維持植物自身發(fā)育及響應環(huán)境調控的重要因子[1-2]。NSC 主要以淀粉和可溶性糖的形式積累，二者可占NSC 總量的90%，淀粉是主要的儲存形式，而可溶性糖是樹木體內可直接利用和運輸的組分[2-3]。 植物體內的NSC 合成、儲存與遷移的變化，受到葉齡、冠層光照、CO2濃度、溫度及礦質元素的影響，而這些變化將引起體內碳平衡的庫源關系以及植株的生長發(fā)育和對環(huán)境因子的響應[4-7]。此外，樹種自身遺傳特性[8]、生長階段[9]、經營措施[10]、環(huán)境因子[11]等均對樹木組織部位的非結構性碳水化合物水平有重要影響，例如紅皮云杉Picea koraiensis、落葉松Larix gmelinii和黃波欏Phellodendron amurense中的非結構性碳水化合物及其組分的季節(jié)動態(tài)有明顯的不同，常綠樹種中葉片中的淀粉、可溶性糖和總非結構性碳水化合物與落葉樹種之間存在明顯不同的季節(jié)格局[3]，而且不同氣候區(qū)水分和熱量的季節(jié)分布也存在明顯差異。劉萬德[12]在對云南普洱季風常綠闊葉林不同林層非結構性碳水化合物研究中發(fā)現NSC 及其組分的分配在不同的組織中分配不同，這種分配的差異可能與組織功能的差異性有關，而與林層高度無關。

油茶Camellia oleiferaAbel.為廣西特色的木本油料植物，其主要經濟產品為油茶籽油。目前，對NSC 積累的研究有用材樹種、大豆、水稻等[13-16]， 對于油茶NSC 的變化積累研究還相對較少，而NSC 的變化對于油茶油脂的積累是十分重要的，張凌云等[17-18]在對油茶果實糖含量與油脂積累的研究中發(fā)現種子發(fā)育后期較高的蔗糖濃度可以促進蔗糖向儲存物質轉化，為油脂積累提供碳源。在其它油料作物的研究也發(fā)現，大量的碳源供給是脂肪酸合成與油脂積累的必要前提[19]，是增強種子的“庫強”的方式，可增加光合代謝產物（可溶性糖）的供給[20-23]，可顯著提高種子含油量。‘紅羽1 號’‘紅羽2 號’油茶新品種是從廣寧紅花油茶Camellia semiserrata實生群體中選育出來的，與廣寧紅花油茶比較，這2 個新品種具有果皮薄、出籽率高、產量穩(wěn)定等優(yōu)點，于2015年12月獲國家林業(yè)局植物新品種保護辦公室授權[24-25]。 本研究以‘紅羽1 號’‘紅羽2 號’為試驗材料，通過對其葉片、果實樣品采集與測定，分析2 個新品種間以及不同組織間NSC 含量和分配規(guī)律，為進一步掌握油茶果實碳利用策略及NSC 與油茶果實品質的相關性等問題提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西藤縣境內的‘紅羽1 號’‘紅羽2號’油茶新品種種植基地（22°55′51″N，108°20′03″E），地處亞熱帶，北回歸線南側，屬濕潤亞熱帶季風氣候，年平均日照1742.4 h，年平均氣溫21 ℃，年平均最高氣溫37.4 ℃,年平均最低氣溫0.4 ℃，無霜期332 d，年降水量1 000 ～ 2 000 mm，平均1 472 mm，土壤類型主要有紅壤、赤紅壤和紫色土，土層厚度一般在50 ～100 cm之間，pH值為4.5～6.0，采樣樣地土壤類型為紅壤。

1.2 材料和方法

本研究的供試品種為嫁接的油茶新品種‘紅羽1 號’和‘紅羽2 號’植株，即2010年將‘紅羽1 號’和‘紅羽2 號’作為接穗嫁接到廣寧紅花油茶大樹的植株上，目前已進入正常結果期。樣品采集于果實采收前1 個月開始進行，連續(xù)采樣4 次，時間分別為2018年10月17 日、10月24 日、10月31 日、11月7 日，每次采樣時間間隔為1 周。每個品種分別選取10 株樹，每株分別采集不同方向的果實3 個，同時將結果枝上的葉片一起采集。

可溶性糖含量和淀粉含量測定均采用微量法（100 管/96 樣），試劑盒采購于蘇州科銘生物技術有限公司；非結構碳水化合物為可溶性糖（蔗糖、葡萄糖、果糖等）含量與淀粉含量的總和[22]。

1.3 數據分析

圖表采用Office 辦公軟件繪制，數據統(tǒng)計分析采用IBM SPSS19.0 完成，差異顯著分析采用單因素（ANOVA）方差分析，相關性分析采用Pearson 相關法進行分析。

2 結果與分析

2.1 ‘紅羽1 號’‘紅羽2 號’中NSC 含量的動態(tài)變化

2.1.1 可溶性糖含量的動態(tài)變化

‘紅羽1 號’‘紅羽2 號’葉片、果皮和種仁中的可溶性糖隨著采樣時間的延長，其含量整體呈上升趨勢，而種殼中的可溶性糖含量則呈下降趨勢。整體上，可溶性糖含量在2.58 ～40.40 mg/g 之間波動，其中葉片、果皮、種殼和種仁中可溶性糖含量波動區(qū)間分別為9.15 ～15.58、7.88 ～9.62、3.91 ～6.01、25.13 ～37.77 mg/g，其中種殼和果皮的可溶性糖的波動區(qū)間最小，種仁中可溶性糖的波動區(qū)間最大。

2.1.2 淀粉含量的動態(tài)變化

葉片、果皮和種仁中淀粉含量隨著時間延長呈下降趨勢，種殼中淀粉含量則呈上升趨勢，2個新品種中淀粉含量在3.11 ～27.52 mg/g 之間波動，其中葉片、果皮、種殼和種仁中淀粉含量分別為23.11 ～25.55、14.21 ～17.58、3.11 ～3.47、23.38 ～27.52 mg/g。其中光合組織部位葉片和果皮中的淀粉含量明顯高于可溶性糖含量，非光合組織部位的種仁和種殼中淀粉和可溶性糖的含量相差不大，因此光合作用一定程度上影響著油茶不同組織部位中光合產物的分布。

2.1.3 總NSC 含量的動態(tài)變化

‘紅羽1 號’‘紅羽2 號’的各個組織部位中，總NSC 含量在5.46 ～64.26 mg/g 之間波動，且表現出顯著的組織特異性，總NSC 含量在不同組織部位中波動區(qū)間差異較大，表現出明顯的空間分布特征，其中葉片、果皮、種殼和種仁的總NSC 含量分別為38.84 ～45.07、23.72 ～27.24、6.18 ～7.72、56.13 ～60.44 mg/g。4 個取樣時間中，葉片和種仁中總NSC 含量隨著時間延長，呈上升趨勢，果皮和種殼中的總NSC 含量呈下降趨勢。

整體上，可溶性糖與總NSC 變化趨勢一致，淀粉的變化趨勢與可溶性糖相反；在4 次采樣過程中，同一組織部位中可溶性糖、淀粉和總NSC含量的變化不顯著，且在‘紅羽1 號’與‘紅羽2 號’品種之間的變化趨勢一致，并不具有品種差異性（圖1）。

2.2 ‘紅羽1 號’‘紅羽2 號’各組織部位NSC分配特征

2.2.1 可溶性糖的分配特征

各組織部位葉片、果皮、種殼和種仁間可溶性糖含量均有差異（P＜0.05），其中種仁中的可溶性糖含量最高，種殼中的可溶性糖含量最低（表1）。

‘紅羽1 號’種仁中可溶性糖與葉片中可溶性糖的比值始終為2，紅羽2 號中，二者比值在第一次采樣時間10月17 日采取的樣本中為3，其他3 個采樣時期的樣本其比值均為2。種仁可溶性糖與果皮中可溶性糖的比值在3 ～4 之間波動。種仁可溶性糖與種殼可溶性糖的比值變化范圍較大，二者隨著采樣時間的延長，比值分別增加：7、8、9、13 倍；7、9、8、16 倍。即4 個采樣時間，種仁/葉片可溶性糖的比值較為穩(wěn)定，為2 ～3 倍，種仁/果皮可溶性糖的比值為3 ～4 倍，種仁/種殼可溶性糖的比值變化較大，二者比值逐漸增加。隨著成熟期的臨近，可溶性糖在種仁、葉片和果皮中的含量均增加，且增加幅度一致，可溶性糖在種殼中的變化幅度較種仁的變化幅度?。▓D2）。

‘紅羽1 號’種仁中4 個時間采取的樣本其可溶性糖含量有差異（P＜0.05），且差異顯著，葉片、果皮和種殼中的可溶性糖含量差異不顯著（P＞0.05）。‘紅羽2 號’果皮中4 個時間采取的樣本其可溶性糖含量有差異（P＜0.05），葉片、種殼和種仁中的可溶性糖含量差異不顯著（P＞0.05），果皮和種仁中的可溶性糖含量變化趨勢較一致。

圖1 ‘紅羽1 號’‘紅羽2 號’非結構性碳水化合物的變化趨勢Fig.1 Change trends of non-structural carbohydrates in ‘Hongyu No.1’ and ‘Hongyu No.2’

圖2 ‘紅羽1 號’‘紅羽2 號’各組織部位中可溶性糖的分配特征Fig.2 Distribution characteristics of soluble sugar in each tissue of ‘Hongyu No.1’ and ‘Hongyu No.2’

2.2.2 淀粉的分配特征

‘紅羽1 號’葉片、‘紅羽2 號’葉片、果皮、種殼和種仁間淀粉含量均存在差異（P＜0.05），其中種仁中的淀粉含量最高，種殼中的淀粉含量最低。4 個采樣時間，種仁淀粉與葉片淀粉的比值均始終為1，種仁淀粉與果皮淀粉含量始終為2，二者與品種無關。種仁淀粉與種殼淀粉的比值為7 ～11，且隨著成熟期的臨近先升高后降低，對于紅羽1 號、2 號，二者比值的趨勢略有差異，然而2 個品種均在10月31 日采取的樣本中比值達到最大（圖3）。

方差分析結果顯示，不同品種間各器官淀粉含量差異不顯著（P＞0.05），僅10月31 日采取的樣本種殼間可溶性糖含量差異顯著（P＜0.05）（表2）。

表1 各組織部位中可溶性糖含量的方差分析?Table 1 Variance analysis of soluble sugar contents in different tissues

圖3 ‘紅羽1 號’‘紅羽2 號’中淀粉的分配特征Fig.3 Distribution characteristics of starch in ‘Hongyu No.1’ and ‘Hongyu No.2’

2.2.3 總NSC 的分配特征

總NSC 是淀粉與可溶性糖的總和，在種仁中其含量最高，其次是葉片，果皮和種殼（圖4）。這與可溶性糖、淀粉的空間分布特征一致?！t羽1 號’種仁/葉片（NSC）的比值在4 次采樣時間均為1，種仁/果皮（NSC）的比值為2 ～3，種仁/種殼的比值隨著時間的變化增加，‘紅羽2號’油茶中，種仁/葉片的比值為1 ～2，種仁/果皮的比值為2 ～3，種仁/種殼的比值，隨著時間的變化，比值逐漸增加，11月7 日采取的樣本中，比值達到最大。

方差分析（表3）顯示，不同品種間各器官NSC 含量差異不顯著（P＞0.05），僅10月24 日采取的樣本果皮間NSC 含量差異顯著（P＜0.05）。

2.3 各組分間的相關性分析

‘紅羽1 號’‘紅羽2 號’種仁中可溶性糖、淀粉和總NSC 的含量是最高的，其次是在葉片、果皮和種殼中。葉片總NSC 與葉片可溶性糖、種殼總NSC 與種殼可溶性糖、果皮總NSC 與果皮淀粉含量間呈極顯著正相關（P＜0.01），葉片總NSC 與種殼淀粉呈顯著正相關（P＜0.05）；果皮總NSC 與種仁間可溶性糖含量呈極顯著負相關（P＜0.01）（表4）。

表2 不同組織部位中淀粉的方差分析Table 2 Variance analysis of starch contents in different tissues

圖4 ‘紅羽1 號’和‘紅羽2 號’中總NSC 的分配特征Fig.4 Distribution characteristics of total NSC in ‘Hongyu No.1’ and ‘Hongyu No.2’

3 結論與討論

本研究發(fā)現，同一采樣時間不同組織部位間可溶性糖含量、淀粉含量、總NSC 含量差異顯著，這種現象與劉萬德在云南普洱季風常綠闊葉林不同林層非結構性碳水化合物的研究中結果一致，不同林層中可溶性糖含量、淀粉含量存在顯著差異，NSC 及組分存在顯著的季節(jié)性變化[12]，在對季風常綠闊葉林樹種的葉片、枝、樹干和根部可溶性糖、淀粉和總NSC 的測定中發(fā)現，NSC 及其組分的分配主要決定于組織，與林層無關，而且也反映了“葉片為NSC 的源，根系為NSC 的庫”的理論。與其不同的是，油茶屬于木本油料樹種，對于油料樹種來說，其種子作為“庫”組織，葉片作為“源”組織，通過韌皮部將“源”組織合成的糖類物質轉運到“庫”組織，并在“庫”中轉變成自身的物質（如油脂、淀粉和蛋白質）儲存起來[26]。本研究中，可溶性糖含量、淀粉含量、總NSC 含量在種仁中最高，其次為葉片，且二者間含量差異顯著，而且可溶性糖含量在葉片和種仁間差異更大，這種差異可能是因為油茶在果實油脂轉化期，需要更多的糖類物質被轉運到種仁中合成油脂或轉化為淀粉貯存起來。

可溶性糖在葉片、果皮和種仁的含量隨著采樣時間延長呈上升趨勢，而在種殼中呈下降趨勢，可溶性糖是植物能夠利用并可以運輸的物質，因此葉片和果皮可溶性糖含量的增加與光合作用息息相關，在種仁中可溶性糖含量的增加與可溶性糖的運輸有關。隨著果實的成熟，種殼組織細胞趨于成熟化，自身利用的可溶性糖越來越少，故大量運輸到種仁。廣寧紅花油茶中，在臨近采收的4 個取樣時間節(jié)點，可溶性糖與淀粉的變化趨勢相反，這跟楊芳等[27]在研究亞熱帶常綠闊葉林林下6 種植物：茶Camellia sinesis、細枝柃Eurya loquaiana、潤楠Machilus pingii、短刺米儲Castanopsis carlesii、大葉山礬Symplocos grandis和薄葉山礬Symplocos anomala葉片中淀粉和蔗糖情況一致，6 個物種中可溶性糖含量均隨著淀粉含量的增加而降低。

表3 不同組織部位中總NSC 的方差分析 Table 3 Variance analysis of total NSC in different tissues

表4 非結構性碳水化合物之間的相關性分析?Table 4 Correlation analysis between non-structural carbohydrates

不同的采樣時間，可溶性糖、淀粉和總NSC在油茶的不同部位中的變化趨勢一致，在葉片和種仁中表現為先升高后降低再升高的趨勢，11月葉片和種仁中的可溶性糖含量最高，不同的取樣時間表現出一定的差異，因此葉片和種仁中可溶性糖含量呈現出時段上的差異特性，這個和王文娜等[28]的研究一致，而果皮和種殼中的可溶性糖、淀粉和總NSC 表現較為穩(wěn)定。葉片為光合作用的重要部位，是可溶性糖合成的源組織，種仁是可溶性糖消耗、儲存的庫組織，因此在后續(xù)研究中更應關注葉片和種仁中可溶性糖的變化。淀粉也是NSC 的重要組分，本研究4 次取樣時間中，葉片中的可溶性糖含量變化顯著，種仁中的淀粉含量變化顯著，但種仁中的NSC 含量差異不顯著，在油菜種子油脂轉化過程中，前期可溶性糖轉化為淀粉，儲存在胚中，隨著種子發(fā)育和油脂積累過程的持續(xù)，淀粉逐漸轉變?yōu)榭扇苄蕴?，用于脂肪酸合成和油脂積累[17]。淀粉是一種由光合作用合成中的未消耗合成葡萄糖轉化而成的植物多糖，儲存在植物體內，當葡萄糖不足時，淀粉能水解成葡萄糖而為植物提供能量[29]，因此在‘紅羽1號’‘紅羽2 號’油脂轉化過程中，可溶性糖與淀粉之間的轉化以及對NSC 積累的影響需要更為細致的研究。

本研究中，可溶性糖含量、淀粉含量、總NSC 含量并未表現出品種間的差異，僅表現為一個時期的果皮或種殼中含量差異，比如‘紅羽1號’‘紅羽2 號’可溶性糖含量在10月24 日采樣果皮中、11月7 日采樣種殼中表現出差異，而葉片和種仁中的含量差異均不顯著。這種現象可能與‘紅羽1 號’‘紅羽2 號’的物候期不同有關，因為在連續(xù)采樣的過程中，‘紅羽1 號’‘紅羽2 號’的果皮開裂程度不同。由于‘紅羽2 號’的果皮較‘紅羽1 號’薄，其開裂得更早，果皮容易失去水分，種殼也會暴露在空氣中，這種物候的差異可能會造成NSC 及其組分的差異，而相關的驗證和研究仍需要進一步深入的研究。同時，第一次采樣時間為霜降前1周，油茶果實趨于成熟，油茶果實發(fā)育的生理指標趨于穩(wěn)定，這種臨近成熟期的采樣時間選擇造成了本試驗研究的局限性。為了更好地描述同一組織部位中非結構性碳水化合物的變化趨勢，我們將在下一步研究中完善采樣時間，使采樣時間能夠完全覆蓋油茶果實的整個發(fā)育過程。