馬鈴薯匍匐莖糖類物質(zhì)變化規(guī)律的研究

張桂芝 姜海洋 馬光恕 廉華 楊升 張軍民

摘要：以克新13號、費(fèi)烏瑞它、延薯4號3個熟期不同的馬鈴薯品種為試驗(yàn)材料，采用大田旱作模式、隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，通過測定苗后5～30 d匍匐莖中糖的成分和含量以及糖代謝相關(guān)酶的活性，研究馬鈴薯匍匐莖發(fā)生和形成過程中糖類物質(zhì)變化規(guī)律。結(jié)果表明，蔗糖、可溶性糖的含量呈現(xiàn)先上升后下降再回升的變化趨勢（延薯4號的可溶性糖含量除外），葡萄糖、果糖的含量則是先降低再升高的趨勢；蔗糖含量與SS活性的變化趨勢近似，SPS活性呈現(xiàn)“M”形，轉(zhuǎn)化酶兩谷一峰變化趨勢。SS、SPS是影響蔗糖合成的關(guān)鍵酶，轉(zhuǎn)化酶是分解轉(zhuǎn)化蔗糖的關(guān)鍵酶。匍匐莖決定著塊莖的形成，通過此試驗(yàn)研究旨在為馬鈴薯塊莖形成提供理論依據(jù)，為指導(dǎo)馬鈴薯的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；匍匐莖；糖代謝；酶活性

中圖分類號： S532.01文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）03-0055-04

收稿日期：2015-12-22

基金項(xiàng)目：2011年度黑龍江省新農(nóng)村科技服務(wù)計(jì)劃項(xiàng)目（編號：1251xnc111）。

作者簡介：張桂芝（1969—），女，碩士，高級農(nóng)藝師，從事蔬菜育種及生理研究工作。E-mail：damao98@163.com。

通信作者：馬光恕，教授，主要從事蔬菜栽培生理研究。E-mail：mgs_lh@163.com。

2015年，馬鈴薯被我國確立為主糧作物。馬鈴薯營養(yǎng)豐富且耐旱、抗性強(qiáng)、適宜種植范圍廣，可兼做糧食、蔬菜、飼料和工業(yè)原料，對亞洲乃至全世界72億人口的糧食安全都是至關(guān)重要的[1-2]。

糖是植物光合作用的產(chǎn)物，是植物器官組織賴以生長發(fā)育的重要能量和物質(zhì)基礎(chǔ)[3]。蔗糖、葡萄糖、果糖等可溶性糖是植物糖類物質(zhì)的重要組分，蔗糖是植物體內(nèi)碳水化合物貯存和運(yùn)輸?shù)闹饕问?，協(xié)調(diào)植物源庫關(guān)系的信號分子，蔗糖和相關(guān)酶[蔗糖合成酶（SS）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）、轉(zhuǎn)化酶]在植物糖代謝中扮演著重要角色，影響器官的發(fā)生和果實(shí)品質(zhì)形成[4-5]。轉(zhuǎn)化酶與蔗糖合成酶的共同作用是影響普通栽培型番茄果實(shí)中糖積累的重要因子[6]，高濃度的糖是促進(jìn)塊莖發(fā)育的重要因子[7]，相對于其他可溶性單、雙糖類，蔗糖誘導(dǎo)結(jié)薯的能力更突出和高效[8]。對番茄[6]、大豆[9]、甜菜[10]、玉米[11]、大蔥[12]等作物的研究表明可溶性糖代謝及其酶活性變化與植物的生長發(fā)育密切相關(guān)，SS既能催化蔗糖合成又能催化其分解，SPS被認(rèn)為是催化蔗糖合成的主要酶，轉(zhuǎn)化酶催化蔗糖分解為單糖[13]。

匍匐莖的形成和發(fā)育直接影響塊莖形成進(jìn)而影響產(chǎn)量，前人研究了匍匐莖發(fā)生形態(tài)變化、發(fā)生節(jié)位、肥料、生長物質(zhì)、光照等因素作用[14-18]，而匍匐莖的發(fā)生和形成過程中自身糖類物質(zhì)代謝及相關(guān)酶活性變化情況尚未見報(bào)道，所以研究匍匐莖的糖類物質(zhì)變化規(guī)律，了解和掌握匍匐莖發(fā)生生長生理機(jī)制可以為馬鈴薯高產(chǎn)高效栽培及合理施肥提供重要理論依據(jù)。[LM]

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試馬鈴薯品種為脫毒一代良種，分別是早熟品種費(fèi)烏瑞它、中晚熟品種克新13號與延薯4號。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)在黑龍江省大慶市大同區(qū)航天育種基地，土壤類型為草甸黑鈣土，0～20 cm耕層土壤基本農(nóng)化性狀為：土壤堿解氮178.00 mg/kg，速效磷20.00 mg/kg，速效鉀 240.00 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量2.45%，pH值8.04，含鹽總量 0.12%。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。大田旱作模式，壟作方式種植，人工點(diǎn)播。小區(qū)為10行區(qū)，行長10 m，行距0.65 m，株距0.24 m，試驗(yàn)區(qū)四周設(shè)兩行保護(hù)行。一次性施入有機(jī)肥1.5萬kg/hm2，磷酸氫二銨120 kg/hm2，尿素 210 kg/hm2，硫酸鉀270 kg/hm2。2015年4月26日播種，5月26日出全苗，生育期間進(jìn)行常規(guī)田間管理。

1.3項(xiàng)目測定

田間出苗后及時分別掛牌，出苗后至塊莖形成期每隔5 d隨機(jī)取樣，進(jìn)行馬鈴薯匍匐莖形成期糖代謝指標(biāo)的測定，共取樣6次。

可溶性糖、蔗糖、葡萄糖、果糖含量的測定均采用蒽酮比色法[19]；還原糖含量的測定參考李合生等的方法[20]，采用 3，5-二硝基水楊酸法；蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性，酶的提取和測定參照Nielsen等的方法[21]；轉(zhuǎn)化酶活性參照Zhu等的方法[22]提取。

1.4數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel、DPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1匍匐莖糖類物質(zhì)含量變化

2.1.1匍匐莖蔗糖的含量變化規(guī)律

馬鈴薯匍匐莖蔗糖含量變化規(guī)律如圖1所示：不同品種馬鈴薯匍匐莖蔗糖含量在出苗后5～30 d均呈現(xiàn)先升高后緩慢下降的變化趨勢。出苗后10 d，3個品種匍匐莖蔗糖含量均達(dá)到峰值，費(fèi)烏瑞它增長幅度最高，為0.69 mg/（g·d）；克新13號增長幅度最低，為 0.24 mg/（g·d）。出苗后10～20 d快速下降，在出苗后 20 d，克新13號降至最低值，后緩慢上升。費(fèi)烏瑞它和延薯4號則在出苗后25 d時降至最低值，后有所回升。

2.1.2匍匐莖還原糖的含量變化規(guī)律

由圖2可以看出，不同馬鈴薯品種匍匐莖中的還原糖含量在苗后5～30 d均呈現(xiàn)先升高然后迅速下降后再小幅度上升后下降的變化趨勢。出苗后15 d，3個品種匍匐莖還原糖含量均達(dá)高峰值，費(fèi)烏瑞它增長幅度最高，為1.61 mg/（g·d）；延薯4號增長幅度最低，為0.74 mg/（g·d）。出苗后15～20 d快速下降，在出苗后20 d時，克新13號和延薯4號至最低值，費(fèi)烏瑞它匍匐莖還原糖含量仍高于5 d時的含量；出苗后20～25 d，3個品種匍匐莖還原糖含量均又上升，至25 d時達(dá)一個低于15 d時的小高峰，仍以費(fèi)烏瑞它增長幅度最高，為1.101 mg/（g·d）；延薯4號增長幅度最低，為0.46 mg/（g·d）；出苗后25～30 d，不同馬鈴薯品種匍匐莖含量均緩慢下降，但出苗30 d時不同品種馬鈴薯還原糖含量均高于20 d的含量。

[FK（W10][TPZGZ2.tif][FK）]

2.1.3匍匐莖葡萄糖的含量變化規(guī)律

馬鈴薯匍匐莖葡萄糖含量變化規(guī)律如圖3所示。不同品種馬鈴薯匍匐莖葡萄糖含量在出苗后5～30 d均呈現(xiàn)“W”形變化趨勢，先下降后升高然后下降后再上升。出苗后10 d，克新13號和費(fèi)烏瑞它匍匐莖葡萄糖含量降至最低值，克新13號下降幅度最大，費(fèi)烏瑞它降幅最小，延薯4號亦下降至較低值，但它的葡萄糖含量高于前2個品種；出苗后10～15 d，不同馬鈴薯品種匍匐莖含量均迅速上升，15 d時達(dá)峰值；出苗后15～20 d，匍匐莖葡萄糖含量下降，克新13號和費(fèi)烏瑞它降至較低值，延薯4號繼續(xù)下降并在25 d時降到最低值然后上升；出苗20～30 d克新13號和費(fèi)烏瑞它匍匐莖葡萄糖含量亦逐漸上升。

2.1.4匍匐莖果糖含量變化規(guī)律

馬鈴薯匍匐莖果糖含量變化規(guī)律如圖4所示。不同品種馬鈴薯匍匐莖果糖含量在出苗后5～30 d均呈現(xiàn)先下降后上升又下降再上升似“W”字形的變化趨勢。出苗后10 d，3個品種匍匐莖果糖含量均下降到最低值；出苗后10～20 d快速連續(xù)上升，20 d時延薯4號達(dá)峰值。延薯4號增幅最大，日增幅為0.09%，克新13號增幅最小，日增幅為0.05%；出苗后20～25 d，不同品種馬鈴薯匍匐莖果糖含量又再次下降，25 d時降至較低值；25～30 d時迅速上升，克新13號增幅最大，日增幅為0.13%，延薯4號增幅最小，日增幅為0.05%。

2.1.5匍匐莖中可溶性糖含量變化規(guī)律

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同品種馬鈴薯匍匐莖可溶性糖含量在出苗后5～30 d表現(xiàn)為先上升后逐漸下降再上升的變化趨勢（圖5，延薯4號除外）。在出苗后5～10 d快速增加，在出苗后10 d達(dá)峰值。費(fèi)烏瑞它增長幅度最高，為2.51 mg/（g·d）；延薯4號增長幅度最低，為1.44 mg/（g·d）；在出苗后10～25 d時逐漸下降（延薯4號除外），其中在苗后10～20 d可溶性糖含量緩慢下降，在苗后20～25 d時迅速下降；出苗后25～30 d可溶性糖積累量快速增加，延薯4號增加幅度最大。

2.2匍匐莖糖代謝相關(guān)酶的活性變化

2.2.1蔗糖合成酶（SS）的活性變化

馬鈴薯匍匐莖SS活性變化規(guī)律如圖6所示。不同品種馬鈴薯匍匐莖SS活性在出苗后5～15 d均呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢，與匍匐莖蔗糖含量的變化趨勢近似。出苗后5～10 d時SS酶活性迅速增強(qiáng)，在苗后10 d時達(dá)峰值，延薯4號SS酶活性增幅最大，費(fèi)烏瑞它增幅最小，分別是0.46、0.26 mg/（g·min）；出苗后10～15 d時SS酶活性下降；出苗后15～30 d時酶活性變化無明顯峰谷值，較平緩，且維持在較高水平，出苗后30 d時SS活性有所回升。

2.2.2蔗糖磷酸合成酶（SPS）的活性變化

由圖7可以看出，不同馬鈴薯品種匍匐莖中SPS活性在苗后5～30 d均呈現(xiàn)“上升—下降—上升—下降”的變化趨勢。出苗后15 d，3個品種匍匐莖SPS活性均達(dá)高峰值，延薯4號SPS活性增幅最大、費(fèi)烏瑞它增幅最小，分別是0.83、0.50 mg/（g·min）；出苗后15～20 d時SPS活性快速下降，克新13降幅最大，費(fèi)烏[CM（25]瑞它降幅最小，分別是1.57、0.80[KG*3]mg/（g·min）出苗后20～25 d 時SPS活性均小幅度回升，延薯4號回升幅度 [JP3]0.88 mg/（g·min），費(fèi)烏瑞它回升幅度0.23 mg/（g·min）[JP]，克新13回升幅度居于前兩者之間；出苗后25～30 d，SPS活[JP3]性小幅度下降，3個品種下降幅度在0.33～0.79 mg/（g·min）[JP]之間。

2.2.3[JP2]轉(zhuǎn)化酶的活性變化

馬鈴薯匍匐莖轉(zhuǎn)化酶活性變化規(guī)律如圖8所示。不同品種馬鈴薯匍匐莖中轉(zhuǎn)化酶活性在出苗后5～30 d呈現(xiàn)“山”字形變化趨勢，先降低后升高再降低再升高。[JP3]出苗后5～15 d，轉(zhuǎn)化酶活性逐漸下降，到15 d時出現(xiàn)低谷，克新13號下降幅度0.006 mg/（g·min）、費(fèi)烏瑞它和延薯4號下降幅度0.003 mg/（g·min）；出苗后15～20 d時，轉(zhuǎn)化酶活性[JP2]快速上升，克新13號上升幅度最大，為 0.026 mg/（g·min），費(fèi)烏瑞它最小，為0.012 mg/（g·min）；出苗后20～25 d，轉(zhuǎn)化酶活性快速下降，不同品種下降幅度與15～20 d時上升幅度相近似；出苗后25～30 d，轉(zhuǎn)化酶活性有所回升。[JP]

[TPZGZ8.tif][FK）]

3討論與結(jié)論

糖是植物光合作用的產(chǎn)物，是植物器官組織賴以生長發(fā)育的重要能量和物質(zhì)基礎(chǔ)，蔗糖是植物糖類重要組分[23]。從本研究的試驗(yàn)結(jié)果看，在匍匐莖生長發(fā)育過程中，蔗糖含量影響著其他糖含量的變化[24]，可溶性糖含量的高峰值出現(xiàn)時期與蔗糖出現(xiàn)峰值時期近似，蔗糖含量降到最低時還原糖含量達(dá)峰值，同時葡萄糖、果糖的含量亦升至峰值?？梢娰橘肭o發(fā)生前期蔗糖是可溶性糖的重要組分，蔗糖可以在基因表達(dá)水平上對細(xì)胞內(nèi)的代謝進(jìn)行調(diào)控[25]，馮偉等研究表明小麥旗葉可溶性糖、蔗糖含量和灌漿速率隨籽粒灌漿進(jìn)程呈先上升后降低變化趨勢[26]。另外，本試驗(yàn)結(jié)果與馬春梅等[27]、王麗慧等[28]、李墨愛等[29]在大豆、大蒜、南林-895楊苗莖等作物的試驗(yàn)研究與本試驗(yàn)結(jié)果一致，生產(chǎn)中應(yīng)采取相應(yīng)措施促進(jìn)蔗糖代謝調(diào)控能力，提高結(jié)薯率，增加產(chǎn)量。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，匍匐莖蔗糖含量與SS酶活性的變化趨勢相一致，且隨著SS、SPS酶活性升高而增加，尤其SS酶活性達(dá)最高時蔗糖積累也處于最高水平，然后隨著轉(zhuǎn)化酶活性增強(qiáng)而下降，在20 d時轉(zhuǎn)化酶活性最強(qiáng)，蔗糖不斷被分解轉(zhuǎn)化，蔗糖含量下降到較低值，葡萄糖和果糖含量逐漸增加。匍匐莖作為蔗糖的運(yùn)輸器官蔗糖積累較少，它從地上部得到蔗糖后傳遞到頂端膨大形成的塊莖中，以利于塊莖的形態(tài)建成。這說明在匍匐莖中SS和SPS的活性與蔗糖含量有高度相關(guān)性，這與安云蓉[30]、李丹等[10]、苑智華等[31]、周蘭蘭等[32]的試驗(yàn)結(jié)果一致，但SS和SP、轉(zhuǎn)化酶如何協(xié)調(diào)馬鈴薯匍匐莖蔗糖代謝還需做進(jìn)一步的研究。

通過對馬鈴薯匍匐莖糖代謝規(guī)律進(jìn)行研究，研究結(jié)果如下：由于品種間差異，3個品種蔗糖、還原糖、葡萄糖、果糖、可溶性糖含量及糖代謝相關(guān)酶活性數(shù)值大小、峰頂、峰谷出現(xiàn)時間均有差異，但趨勢基本相似。其中，蔗糖、還原糖、可溶性糖均呈現(xiàn)先上升后下降再回升的變化趨勢，葡萄糖、果糖呈現(xiàn)先下降后上升再下降又回升的變化趨勢，蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性均呈現(xiàn)先上升后下降再回升的變化趨勢，轉(zhuǎn)化酶活性則是呈現(xiàn)“下降—上升—下降—上升”的變化趨勢。

[HS2]參考文獻(xiàn)：

[1]馬光恕，廉華，王彥宏，等. 硼素對馬鈴薯淀粉合成和積累的影響[J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào)，2013，27（3）：384-390.

[2]呂金慶，許劍平，楊金磚. 黑龍江省馬鈴薯生產(chǎn)機(jī)械化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2009，31（8）：239-241.

[3]金榮. 糖對不同磷素水平馬鈴薯植株的生理調(diào)控[D]. 蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[4]馬春梅，郭海龍，龔振平，等. 不同基因型大豆糖分積累規(guī)律的研究[J]. 作物雜志2011（1）：25-29.

[5]小液，戚行江，金偉，等. 楊梅果實(shí)糖分積累及其代謝活性變化規(guī)律[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)2013，25（1）：48-52.

[6]齊紅巖，李天來，張潔，等. 番茄果實(shí)發(fā)育過程中糖的變化與相關(guān)酶活性的關(guān)系[J]. 園藝學(xué)報(bào)，2006，33（2）：294-299.

[7]段曉艷. 蔗糖誘導(dǎo)馬鈴薯塊莖形成及相關(guān)基因表達(dá)[D]. 昆明：云南師范大學(xué)，2008.

[8]羅玉，李燦輝. 不同糖處理及光周期對馬鈴薯塊莖形成的影響[J]. 紅河學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（6）：94-99.

[9]劉業(yè)麗，欒懷海，何琳，等. 大豆可溶性糖積累規(guī)律研究[J]. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)2014（5）：45-48.

[10]李丹，王曄，赫磊，等. 甜菜蔗糖代謝相關(guān)酶活性與糖積累關(guān)系的研究[J]. 作物雜志，2009（3）：27-31.

[11]覃鴻妮，蔡一林，孫海燕，等. 種植密度對不同株型玉米蔗糖代謝和淀粉合成相關(guān)酶活性的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，18（6）：1183-1188.

[12]梁艷榮，胡嘵紅，姜偉，等. 大蔥生長發(fā)育過程中可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)及游離氨基酸含量變化規(guī)律的研究[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2007，22（6）：119-122.

[13]張明方，李志凌. 高等植物中與蔗糖代謝相關(guān)的酶[J]. 植物生理學(xué)通訊，2002，38（3）：289-295.

[14]張國平，周偉軍. 作物栽培學(xué)[M]. 杭州：浙江大學(xué)出版社，2001：9.

[15]劉克禮，高聚林，張寶林. 馬鈴薯匍匐莖與塊莖建成規(guī)律的研究[J]. 中國馬鈴薯，2003，17（3）：151-156.

[16]雷尊國，黃團(tuán)，鄧寬平，等. 不同肥料及施肥方式對馬鈴薯繁種匍匐莖、塊莖形態(tài)建成的影響研究[J]. 種子，2013，32（2）：78-81.

[17]項(xiàng)洪濤. 三種植物生長調(diào)節(jié)劑對馬鈴薯碳代謝生理及產(chǎn)量品質(zhì)的影響[D]. 大慶：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2013.

[18]王翠松，張紅梅，李云峰. 馬鈴薯塊莖發(fā)育過程中的影響因子[J]. 中國馬鈴薯，2003，17（1）：29-33。

[19]張萬明，王志明，陳開陸，等. 馬鈴薯淀粉深加工廢液可溶性糖含量的測定[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（26）：12373-12376.

[20]李合生，孫群，趙世杰，等. 植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2000：169-172.

[21]Nielsen T H，Skiarbek H C，Karlsen P.Carbohydrate metabolism during fruit development in sweet pepper （Capsicum annuum） plants[J]. Physiol Plant，1991，82（2）：311-319.

[22]Zhu Y J，Komor E，Moore P H. Sucrose accumulation in the sugarcane stem is regulated by the difference between the activities of soluble acid invertase and sucrose phosphate synthase[J]. Plant Physiol，1997，115（2）：609-616.[HJ1.65mm]

[23]胡瑞芳，姜慧，李玥瑩. 蔗糖代謝相關(guān)酶的研究進(jìn)展[J]. 北方園藝，2012（1）：167-170.

[24]胡瑞芳. 不同品種甜高粱糖分積累規(guī)律與糖代謝相關(guān)酶關(guān)系的研究[D]. 沈陽：沈陽師范大學(xué)，2012.

[25]Koch K E，Ying Z，Wu Y，et al. Multiple paths of sugar-sensing and a sugar/oxygen overlap for genes of sucrose and ethanol metabolism[J]. Journal of Experimental Botany，2000，51（343）：417-427.[JP]

[26]馮偉，王永華，郭天財(cái)，等. 株行距對小麥旗葉蔗糖代謝及產(chǎn)量的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2009，28（12）：2515-2520

[27]馬春梅，郭海龍，龔振平，等. 大豆葉片可溶性糖代謝動態(tài)變化與相關(guān)酶活性的研究[J]. 作物雜志，2012（5）：71-75.

[28]王麗慧，方云花，劉青元，等. 大蒜可溶性糖積累與分配特性研究[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)2014，26（4）：933-940.

[29]李墨愛，尹增芳，寧代峰，等. NAA處理下南林-895楊無菌苗莖中糖含量及其相關(guān)酶活性的變化[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，34（2）：43-46.

[30]安云蓉. 甜高粱蔗糖合成酶基因的表達(dá)規(guī)律及其與糖分含量關(guān)系的研究[D]. 天津：天津農(nóng)學(xué)院，2013.

[31]苑智華，何秀麗，徐哲，等. 唐菖蒲球莖形成期蔗糖和淀粉代謝及其相關(guān)酶活性[J]. 林業(yè)科學(xué)，2008，44（8）：47-51.

[32]周蘭蘭，栗孟飛，孫萍，等. 釀酒葡萄枝條生長發(fā)育過程中蔗糖代謝及相關(guān)酶活性的變化[J]. 植物生理學(xué)報(bào)，2015，51（6）：962-968.

姚立志，朱洪文，魏偉，等. 小麥品種蘇麥188主要特征特性及高產(chǎn)栽培技術(shù)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（3）：59-61.