木薯內(nèi)源赤霉素含量與塊根淀粉積累的關(guān)系

摘要：為研究木薯（Manihot esculenta Crantz）內(nèi)源赤霉素含量與不同淀粉含量木薯塊根淀粉積累的關(guān)系，以木薯輻選01（塊根淀粉含量高）和華南124（塊根淀粉含量低）為材料，在木薯的4個(gè)生長時(shí)期測定其根、莖、葉的赤霉素含量以及塊根淀粉含量，并進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明， 在不同生長發(fā)育時(shí)期，木薯通過各部位的赤霉素水平調(diào)控淀粉合成關(guān)鍵酶活性來調(diào)節(jié)淀粉的合成。

關(guān)鍵詞： 木薯（Manihot esculenta Crantz）；赤霉素；塊根；淀粉合成酶；淀粉積累

中圖分類號：S533 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）07-1628-05

木薯（Manihot esculenta Crantz）屬大戟科（Euphorbiaceae）木薯屬（Manihot），其淀粉含量高，素有“淀粉之王”和“地下糧倉”的美稱，是僅次于馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）的世界第二大塊根類作物[1]。赤霉素是植物調(diào)控自身生長發(fā)育的一類重要內(nèi)源激素，有研究表明，赤霉素對果實(shí)發(fā)育及淀粉積累有一定的作用[2]，對木薯營養(yǎng)生長及塊根淀粉積累有一定促進(jìn)作用[3]。目前關(guān)于激素與生長關(guān)系以及淀粉積累的研究較多，但對于赤霉素是否具有調(diào)控淀粉合成關(guān)鍵酶作用的研究較少。為此，以高含量淀粉木薯輻選01及低含量淀粉木薯華南124為試驗(yàn)材料，研究木薯內(nèi)源赤霉素含量與不同淀粉含量木薯塊莖淀粉積累的關(guān)系，旨在對提高木薯淀粉產(chǎn)量及對木薯栽培提供一定的指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

木薯品種：華南124、輻選01，由廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院木薯種質(zhì)資源圃提供。輻選01系由華南124經(jīng)輻射誘變產(chǎn)生的高淀粉突變體育成，兩個(gè)品種除塊根淀粉含量有較大差異外，其他農(nóng)藝性狀相似。

1.2 試驗(yàn)處理

木薯種莖長約20 cm，于2012年4月11日種植，2013年1月下旬收獲。指標(biāo)測定所需的材料分別于苗期、塊根形成期、塊根膨大期、塊根成熟期四個(gè)階段進(jìn)行田間采樣。每次分別隨機(jī)采枝葉繁茂、處在相應(yīng)生長期的樣本各3株，取頂三葉、莖稈及塊根，并及時(shí)用液氮急凍2～3 min，放入-80 ℃超低溫冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 試驗(yàn)方法

赤霉素含量測定參照間接法ELISA試劑盒操作方法。酶活性（以鮮重計(jì)）測定方法：蔗糖磷酸合成酶（SPS）及蔗糖合成酶（SS）活性測定參照文獻(xiàn)[4]進(jìn)行；ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）活性測定參照Nakamura等[5]的方法略加改動(dòng)，以測定ATP的形成量表示活性；游離態(tài)淀粉合成酶（SSS）提取參照梁建生等[6]的方法；形成的ATP按李立人[7]的方法測定；塊根淀粉分支酶（SBE）活性測定參照李太貴等[8]的方法進(jìn)行；淀粉含量（以鮮重計(jì)）測定參照文獻(xiàn)[9]進(jìn)行。

1.4 試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010及SPSS 19.0軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 木薯各時(shí)期各部位赤霉素含量變化

對比參試品種各部位在各生長期的赤霉素含量（圖1、圖2）發(fā)現(xiàn)，在苗期華南124葉部赤霉素水平相對較高，因此，這個(gè)時(shí)期會出現(xiàn)華南124的葉片生長比輻選01快、葉面積大的現(xiàn)象，在隨后的過程中華南124葉片的赤霉素含量逐漸下降，而輻選01則逐漸上升，到達(dá)塊根形成期時(shí)兩者的赤霉素含量相當(dāng)，之后又逐步下降，但華南124葉片的下降更快，最低值出現(xiàn)在塊根膨大期。隨后的生長過程中，兩參試品種的葉部赤霉素含量又不斷增長，華南124的相對增長較快，兩者赤霉素含量均維持在一個(gè)較高水平上。

參試品種的莖、根部赤霉素含量隨著植株的生長逐步升高，華南124在塊根膨大期莖部赤霉素含量增加的速度達(dá)到最快，在此時(shí)期兩個(gè)品種根部的赤霉素含量均已高于葉部，并呈緩慢增長趨勢。就莖、根部赤霉素含量而言，兩個(gè)品種較多地分配在根部，這與木薯塊根淀粉積累存在一定的關(guān)系?？傮w上，兩個(gè)品種莖部的赤霉素含量相對較低。

2.2 木薯各時(shí)期淀粉合成關(guān)鍵酶的活性變化

2.2.1 不同生長期參試品種蔗糖磷酸合成酶（Sucrose Phosphate Synthase， SPS）活性 SPS是一種糖基轉(zhuǎn)移酶，一般認(rèn)為SPS調(diào)節(jié)著葉片中光合產(chǎn)物在淀粉和蔗糖之間分配，因而也調(diào)控著葉片中的可溶性糖含量和對庫端的供應(yīng)能力[10]。兩個(gè)品種不同生育期葉片中SPS活性最高峰均出現(xiàn)在塊根膨大期，達(dá)到最高峰后下降，其SPS活性變化趨勢相同（圖3、圖4）。但輻選01 SPS平均活性比華南124高，更有利于蔗糖的供應(yīng)，這是否與木薯淀粉含量高低存在相關(guān)關(guān)系，有待進(jìn)一步研究。

2.2.2 不同生長期參試品種蔗糖合成酶（Sucrose Synthase，SS）活性 在木薯塊根中，SS的作用主要是催化塊根中的蔗糖降解為UDPG（尿苷二磷酸葡萄糖）和果糖，然后才用于合成淀粉。因此，塊根中SS活性的高低反映了降解利用蔗糖的能力，其活性高，合成淀粉的底物就充足[11]，但SS并不是最主要的蔗糖合成途徑，因此SS的活性相對比SPS要低許多。兩個(gè)品種SS含量均在塊根膨大期出現(xiàn)高峰值，輻選01具有相對較高的SS活性，表明高淀粉品種蔗糖降解代謝較為旺盛，能為淀粉合成提供充足的底物。華南124在塊根形成期時(shí)SS活性出現(xiàn)最低值。整體而言，木薯的整個(gè)生長發(fā)育過程中SS活性逐步增高，在植株生長最旺盛的塊根膨大期時(shí)達(dá)到最高峰，隨后開始下降（圖3、圖4）。

2.2.3 不同生長期參試品種ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（ADP-glucose Pyrophosphorylase，AGPase）活性 AGPase是淀粉合成中重要的一種酶，它的作用是催化GIP與無機(jī)焦磷酸反應(yīng)生成ADPG，而ADPG是淀粉合成的直接前體物質(zhì)之一。兩個(gè)品種AGPase活性變化與SPS、SS的變化趨勢相近，最高值出現(xiàn)在塊根膨大期。苗期及塊根形成期屬于木薯生長前期，淀粉合成關(guān)鍵酶的活性逐漸增加，主要進(jìn)行營養(yǎng)生長；塊根膨大期為木薯整個(gè)植株生長旺盛期，此時(shí)期AGPase活性達(dá)到最大，同時(shí)木薯的塊根淀粉進(jìn)入快速積累階段，隨后到了塊根成熟期，木薯植株地上部分開始衰老，此時(shí)的AGPase逐漸下降，但沒達(dá)到最低水平。華南124在塊根形成至塊根膨大期是AGPase活性增加速度最快的時(shí)期，同時(shí)在這個(gè)時(shí)期的AGPase活性相對于輻選01的要高，但到塊根成熟期其含量下降的速度比輻選01的快（圖3、圖4）。

2.2.4 不同生長期參試品種游離態(tài)淀粉合成酶（Soluble Starch Synthase，SSS）活性 SSS游離存在于淀粉體中，催化ADPG或UDPG與淀粉（葡聚糖）反應(yīng)，將葡萄糖分子轉(zhuǎn)移到淀粉引物上，使淀粉鏈延長，是催化淀粉合成的一個(gè)重要酶。塊根中SSS活性越強(qiáng)，塊根利用ADPG合成長鏈淀粉的能力就越強(qiáng)。兩個(gè)品種在塊根成熟期時(shí)SSS的活性差異不顯著，總體上SSS活性是隨著木薯生長發(fā)育的進(jìn)行而不斷增加的（圖3、圖4）。

2.2.5 不同生長期參試品種淀粉分支酶（Starch Breaching Enzyme，SBE）活性 淀粉分支酶又稱Q酶，其在淀粉合成過程中的作用是通過形成a-1，6糖鍵，從而形成分支的糖鏈。Q酶作為支鏈淀粉酶，它的變化直接影響到支鏈淀粉含量[12]。SBE活性在兩個(gè)品種中都較低（圖3、圖4），這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于木薯塊根需要合成支鏈淀粉的量較少。

2.3 木薯各時(shí)期淀粉含量變化情況

由圖5可知，兩個(gè)品種淀粉含量最高值出現(xiàn)在12月，輻選01較華南124的含量要高。輻選01在塊根形成期淀粉含量開始迅速增加，在塊根膨大期時(shí)已超過華南124，雖然華南124在出苗期的淀粉積累相對較高，但在生長旺盛的塊根膨大期淀粉積累能力相對于輻選01不足，最終導(dǎo)致其淀粉含量相對較低。

兩個(gè)品種生長前期各種酶活性較低，這與植株生長發(fā)育過程有關(guān)，同時(shí)淀粉合成關(guān)鍵酶活性隨植株生長不斷提高，呈上升趨勢，但此時(shí)合成的還原糖主要用于地上部分生長；兩個(gè)品種淀粉合成關(guān)鍵酶活性大多在塊根膨大期達(dá)最高峰，此時(shí)木薯生長最為旺盛，葉面積及光合作用能達(dá)到全生育期的最大值，同時(shí)在葉片上存在的光合作用的酶含量最高，活性最高，使多余的還原糖進(jìn)行積累，而合成的蔗糖通過韌皮部運(yùn)輸?shù)綁K根并進(jìn)行淀粉的快速積累，此時(shí)塊根細(xì)胞中的相關(guān)酶活性就相對增加，達(dá)到整個(gè)生育期的最高峰。

2.4 赤霉素與淀粉積累的關(guān)系

2.4.1 參試品種各部位赤霉素含量與淀粉積累的關(guān)系 從表1可知，輻選01各部位的赤霉素含量與塊根淀粉含量呈極顯著相關(guān)，其莖、根部與淀粉形成的機(jī)制與華南124相近，但相關(guān)性相對較低，這與木薯種性有關(guān)。在葉片中赤霉素含量與淀粉含量的關(guān)系，輻選01的相關(guān)系數(shù)r=0.752，呈極顯著相關(guān)，而華南124的相關(guān)系數(shù)為-0.454，為負(fù)相關(guān)，這是由于華南124葉部的赤霉素促進(jìn)地上葉片的形成和快速擴(kuò)大，所以對淀粉積累的影響相對較弱；而兩個(gè)品種的莖、根部赤霉素含量均與淀粉含量極顯著相關(guān)，充分說明赤霉素對于木薯塊根淀粉積累存在一定的影響。

從表2可知，在各生長發(fā)育時(shí)期，參試品種赤霉素含量種間差異不明顯。但各生長部位赤霉素含量在不同時(shí)期存在一定的種間差異，一定程度上說明了品種間的赤霉素在植株各部位分配存在差異性，同時(shí)也說明了在塊根淀粉積累方式上存在著品種的特性。在苗期，參試品種間根、莖、葉部赤霉素含量均存在極顯著差異；塊根形成期，根部赤霉素含量存在極顯著差異；塊根膨大期，莖、葉部赤霉素含量存在極顯著差異；塊根成熟期，莖部赤霉素含量存在極顯著差異。

2.4.2 參試品種淀粉合成關(guān)鍵酶活性與淀粉含量的關(guān)系 從表1可知，兩個(gè)品種AGPase、SSS、SBE活性均與塊根淀粉含量呈極顯著正相關(guān)。雖然SPS及SS與淀粉含量沒有顯著相關(guān)，但它們所參與的反應(yīng)是植物形成還原糖的重要途徑，且相關(guān)系數(shù)的數(shù)值只表示自變量與因變量之間的接近程度，即酶活性與淀粉含量之間關(guān)系密切程度，因此不能排除SPS及SS對木薯淀粉積累的意義，只是AGPase、SSS及SBE與淀粉合成有著直接的關(guān)系，對于淀粉含量的相關(guān)性相對SPS及SS要高。

從表2可知，兩個(gè)品種間塊根淀粉含量在塊根形成期及成熟期差異顯著，但輻選01在塊根成熟期淀粉含量相對較高，同時(shí)這個(gè)時(shí)期是木薯塊根淀粉積累的最重要時(shí)期，是決定木薯淀粉最終含量的時(shí)期。兩個(gè)品種間SPS在不同生長期中均存在極顯著差異；SS在苗期、塊根形成期、塊根膨大期種間均存在極顯著差異；AGPase及SBE在塊根成熟期種間差異顯著；SSS則無顯著性差異。

2.4.3 參試品種各部位赤霉素含量與淀粉合成關(guān)鍵酶活性的關(guān)系 從表3可知，輻選01各部位赤霉素含量與SPS以及SS活性的相關(guān)不顯著；而葉部與AGPase、SBE 極顯著相關(guān)，與SSS顯著相關(guān)；莖部與SSS、SBE顯著相關(guān)；根部與AGPase、SSS顯著相關(guān)，與SBE極顯著相關(guān)，說明輻選01赤霉素含量能影響這3種酶活性，并具有一定的調(diào)節(jié)作用。華南124葉部赤霉素含量與淀粉合成關(guān)鍵酶活性除與SBE呈顯著負(fù)相關(guān)外，與其他均呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明葉部的赤霉素對這些酶存在抑制作用，葉部的赤霉素含量越高，酶的活性就相對降低；莖、根部赤霉素含量與SPS以及SS活性的相關(guān)不顯著，說明莖、根部的赤霉素含量對這兩種酶的活性作用較弱，特別是根部的赤霉素幾乎沒有作用；但莖部的赤霉素含量與AGPase、SSS及SBE活性極顯著相關(guān)，根部的赤霉素含量與AGPase、SBE活性顯著相比，與SSS極顯著相關(guān)，說明華南124莖、根部赤霉素具有影響這3種酶活性的能力，對其存在一定的調(diào)節(jié)作用。

3 小結(jié)與討論

3.1 淀粉合成關(guān)鍵酶對塊根淀粉積累的作用

高淀粉品種（輻選01）在塊根成熟期淀粉含量顯著高于低淀粉品種（華南124），在整個(gè)生長發(fā)育時(shí)期，輻選01的SPS活性均極顯著高于華南124，這對塊根淀粉積累提供了充足的原料；在塊根成熟期輻選01的AGPase、SBE活性顯著高于華南124，這是由于高淀粉品種快速積累淀粉，同時(shí)合成支鏈淀粉能力比低淀粉品種高，進(jìn)而導(dǎo)致了高、低淀粉木薯品種在此時(shí)期的淀粉含量差異。

3.2 赤霉素含量對淀粉合成關(guān)鍵酶的作用

高淀粉品種（輻選01）植株各部位赤霉素對AGPase、SSS及SBE活性有明顯的正向調(diào)節(jié)作用；而低淀粉品種（華南124）根、莖部赤霉素對AGPase、SSS以及SBE活性有顯著的正向調(diào)節(jié)作用，尤其是莖部的赤霉素含量與這3種酶呈極顯著正相關(guān)。

3.3 赤霉素含量對塊根淀粉積累的作用

高淀粉品種（輻選01）各部位赤霉素含量與淀粉含量均呈極顯著相關(guān)，而低淀粉品種（華南124）葉部赤霉素含量與淀粉含量之間呈不顯著負(fù)相關(guān)，莖、根部赤霉素含量與淀粉含量均呈極顯著相關(guān)。綜上所述，在不同生長發(fā)育時(shí)期，木薯通過各部位的赤霉素水平調(diào)控淀粉合成關(guān)鍵酶活性來調(diào)節(jié)淀粉的合成。

該研究只涉及表觀性數(shù)據(jù)指標(biāo)，如赤霉素含量、淀粉含量等，通過這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)上的分析，對于內(nèi)源赤霉素是否影響木薯淀粉合成關(guān)鍵酶的活性進(jìn)而影響木薯塊根淀粉的積累有待進(jìn)一步研究。此外，試驗(yàn)設(shè)計(jì)中木薯品種只有兩個(gè)，分別為高淀粉含量品種輻選01和較低淀粉含量品種華南124，應(yīng)盡量選高、低淀粉含量品種各兩個(gè)以上，以增加試驗(yàn)的可信度。且內(nèi)源激素間存在著一定的相互作用，隨之對木薯塊根淀粉積累產(chǎn)生反應(yīng)，試驗(yàn)只對單一的內(nèi)源赤霉素進(jìn)行研究，并不能準(zhǔn)確說明內(nèi)源赤霉素對木薯塊根淀粉積累存在著促進(jìn)作用，試驗(yàn)應(yīng)通過對多種內(nèi)源激素的研究才能獲得相對準(zhǔn)確的結(jié)論。

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