南瓜果實(shí)淀粉和可溶性固形物研究進(jìn)展

馬 瑋，史玉滋，段 穎，王長(zhǎng)林

（農(nóng)業(yè)部園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所 北京 100081）

南瓜是葫蘆科（Cucurbitaceae）南瓜屬（Cucurbita）一年蔓生草本植物，原產(chǎn)于南美洲，主要分為印度南瓜（Cucurbita maxima）、中國(guó)南瓜（Cucurbita moschata）和美洲南瓜（Cucurbita pepo）等[1]。南瓜果實(shí)的主要組成成分為淀粉和其他糖類物質(zhì)，也富含氨基酸、果膠質(zhì)、類胡蘿卜素、維生素C、礦物質(zhì)等生物活性物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)成分，具有很高的食用、藥用和保健價(jià)值。南瓜果實(shí)淀粉和可溶性固形物含量是重要的果實(shí)品質(zhì)性狀，二者之間還存在密切的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，共同影響南瓜果實(shí)風(fēng)味和口感。因此，南瓜果實(shí)淀粉和可溶性固形物已成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外南瓜品種選育和分子改良的重要研究方向。筆者對(duì)近年來(lái)南瓜果實(shí)淀粉和可溶性固形物的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為南瓜果實(shí)品質(zhì)育種工作提供一定的參考。

1 南瓜果實(shí)淀粉與可溶性固形物的代謝途徑

南瓜果實(shí)淀粉是植物體內(nèi)糖類物質(zhì)的重要儲(chǔ)藏形式，主要包括直鏈淀粉（amylose）和支鏈淀粉（amylopectin）[2]。淀粉合成前體ADP-葡萄糖通過(guò)α-1，4-糖苷鍵形成直鏈淀粉，而支鏈淀粉是ADP-葡萄糖通過(guò)α-1，4-糖苷鍵和α-1，6-糖苷鍵連接形成的多分支葡萄糖多聚體，再經(jīng)卷曲、纏繞，形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)[3]。果實(shí)可溶性固形物主要由葡萄糖（glucose）、果糖（fructose）、蔗糖（sucrose）等可溶性糖類物質(zhì)組成[4]，此外還包含少量有機(jī)酸[5]。南瓜果實(shí)淀粉和可溶性固形物之間的相互轉(zhuǎn)化，與糖類物質(zhì)在南瓜體內(nèi)的合成、運(yùn)輸以及代謝調(diào)控有關(guān)。在葉片等光合器官中，光合產(chǎn)物以蔗糖的形式經(jīng)韌皮部運(yùn)輸至發(fā)育中的果實(shí)，并在運(yùn)輸過(guò)程中或進(jìn)入果實(shí)之后進(jìn)行一系列的催化反應(yīng)，最終以淀粉、蔗糖、果糖、葡萄糖等形式積累在果實(shí)中（圖1）。

在南瓜和其他植物的研究中發(fā)現(xiàn)，蔗糖在二者相互轉(zhuǎn)化中具有較為重要的地位[6-8]。蔗糖是可溶性糖的主要成分，也是合成果實(shí)淀粉和揮發(fā)性芳香物質(zhì)的基礎(chǔ)。果實(shí)中可溶性糖代謝的關(guān)鍵酶主要包括蔗糖合成酶（sucrose synthase，SUS）、蔗糖轉(zhuǎn)化酶（sucrose invertase，INV）和蔗糖磷酸合成酶（sucrose phosphate synthase，SPS），其 中 SPS 催 化UDP-葡萄糖形成蔗糖，INV主要將蔗糖分解為葡萄糖和果糖，SUS主要催化蔗糖形成UDP-葡萄糖和果糖，該反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)，與底物濃度密切相關(guān)。蔗糖經(jīng)韌皮部運(yùn)輸進(jìn)入南瓜果實(shí)后，通過(guò)催化級(jí)聯(lián)反應(yīng)形成淀粉，該過(guò)程主要由5種關(guān)鍵酶參與，分別為ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（ADP-glucose pyrophsphorylase，AGPase）、顆粒型淀粉合成酶（granule-bound starch synthase，GBSS）、可溶性淀粉合成酶（soluble starch synthase，SSS）、淀粉分支酶（starch branching enzymes，SBE）、淀粉去分支酶（debranching enzymes，DBE）。此外，直鏈淀粉和支鏈淀粉在淀粉水解酶的作用下又形成麥芽糖，轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟?，進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)檎崽?，從而決定果實(shí)的甜度。果實(shí)中淀粉合成及向可溶性糖轉(zhuǎn)變過(guò)程的關(guān)鍵酶主要有 SPS、SUS、AGPase 等（圖1）。

酶的催化活性還受到水解產(chǎn)物濃度的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)糖類代謝途徑的精密調(diào)控[9-10]。在南瓜果實(shí)發(fā)育的不同時(shí)期，淀粉和可溶性固形物的含量及相互轉(zhuǎn)化受到上述一系列代謝酶及調(diào)控物質(zhì)的影響，從而造成果實(shí)內(nèi)的淀粉和可溶性固形物在組成和含量上的差異。深入研究這些酶與編碼基因的表達(dá)模式和功能，理解果實(shí)品質(zhì)代謝途徑的關(guān)鍵調(diào)控位點(diǎn)，對(duì)于采取人工技術(shù)促進(jìn)果實(shí)內(nèi)淀粉和可溶性固形物的積累具有重要意義。

圖1 南瓜葉片和果實(shí)中淀粉和可溶性糖的轉(zhuǎn)化關(guān)系

2 淀粉和可溶性固形物含量與果實(shí)風(fēng)味的相關(guān)性

南瓜果實(shí)淀粉和可溶性固形物含量與果實(shí)產(chǎn)量、甜度和口感等性狀密切相關(guān)。在中國(guó)南瓜中，果實(shí)可溶性固形物含量與果肉厚度、果實(shí)質(zhì)量和產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀呈顯著正相關(guān)[11]。在印度南瓜的感官品質(zhì)分析中發(fā)現(xiàn)，可溶性糖和干物質(zhì)含量較高的南瓜，果肉甜度也較高；而淀粉含量較高的南瓜，果肉硬度較低，可以將甜度（可溶性糖含量）和粉質(zhì)（淀粉和干物質(zhì)含量）這2個(gè)性狀作為評(píng)價(jià)南瓜果實(shí)品質(zhì)的重要感官指標(biāo)[12]。

通過(guò)測(cè)定南瓜果實(shí)淀粉、葡萄糖、果糖、蔗糖、可溶性固形物含量，并與南瓜甜度、面度等口感性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，研究表明，淀粉和可溶性固形物含量與口感性狀之間存在顯著或極顯著正相關(guān)[13-14]，并且這些物質(zhì)的含量彼此之間也呈極顯著正相關(guān)[4]。根據(jù)果實(shí)成熟期對(duì)果實(shí)甜度和葡萄糖、果糖、蔗糖在總糖中的組成和含量分析表明，蔗糖對(duì)南瓜甜度評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)最大[15-16]，進(jìn)一步表明了蔗糖含量是提高南瓜果實(shí)口感品質(zhì)的關(guān)鍵因素。

3 南瓜果實(shí)淀粉和可溶性固形物含量的動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制研究

南瓜果實(shí)淀粉和可溶性固形物含量在果實(shí)發(fā)育不同時(shí)期呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)[17]。研究表明，淀粉和糖類物質(zhì)含量的積累隨果實(shí)發(fā)育總體上呈升高趨勢(shì)，但在不同南瓜栽培品種中存在顯著差異。以還原糖為例，中國(guó)南瓜在授粉35 d時(shí)還原糖含量最高，而印度南瓜的還原糖含量則在授粉25 d達(dá)到峰值，隨后呈下降趨勢(shì)[18]。進(jìn)一步分析各發(fā)育時(shí)期的果實(shí)糖類物質(zhì)組成發(fā)現(xiàn)，中國(guó)南瓜果實(shí)在生長(zhǎng)期以積累果糖和葡萄糖為主，而在成熟期以積累蔗糖為主；印度南瓜果實(shí)在生長(zhǎng)期和成熟期均以積累葡萄糖為主[16]。進(jìn)入果實(shí)采后貯存期，南瓜果實(shí)干物質(zhì)和淀粉含量隨貯存時(shí)間呈下降趨勢(shì)，葡萄糖和果糖含量再次呈上升趨勢(shì)，可溶性固形物含量、蔗糖含量和酸度呈先升高再降低的趨勢(shì)[19]。南瓜果實(shí)淀粉和糖類合成代謝有關(guān)的酶活性也有相應(yīng)的變化趨勢(shì)，整體上表現(xiàn)為隨著果實(shí)采后貯存時(shí)間的延長(zhǎng)，果實(shí)淀粉水解酶活性升高，促進(jìn)淀粉降解，而蔗糖磷酸合成酶SPS酶活性升高，促進(jìn)果實(shí)蔗糖積累，同時(shí)這些酶活性在不同淀粉積累模式的南瓜品種中也表現(xiàn)出較為明顯的差異[20-22]。

測(cè)序技術(shù)的廣泛應(yīng)用為南瓜果實(shí)淀粉和可溶性固形物代謝調(diào)控機(jī)制的研究奠定了基礎(chǔ)。對(duì)印度南瓜‘Lady Godiva’果實(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，獲得了一批果實(shí)特異性表達(dá)的淀粉代謝相關(guān)酶編碼基因[23]。利用不同淀粉積累模式的南瓜種質(zhì)分析淀粉代謝相關(guān)酶編碼基因的表達(dá)模式，發(fā)現(xiàn)印度南瓜和中國(guó)南瓜的種間雜交種maxchata淀粉合成途徑中的關(guān)鍵酶編碼基因AGPaseL轉(zhuǎn)錄水平與果實(shí)淀粉含量密切相關(guān)，顆粒型淀粉合成酶編碼基因GBSS I也表現(xiàn)出類似的差異[24]。利用2個(gè)果實(shí)糖類和淀粉含量差異顯著的中國(guó)南瓜種質(zhì)‘CMO-X’和‘CMO-E’進(jìn)行不同發(fā)育時(shí)期的轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，共篩選獲得12個(gè)與蔗糖和淀粉代謝差異表達(dá)相關(guān)酶的編碼基因，并明確了GBSS、SS和SBE是果實(shí)淀粉含量產(chǎn)生差異的關(guān)鍵基因，SUS、SPS和UGPase是果實(shí)蔗糖含量產(chǎn)生差異的關(guān)鍵基因[16]。

盡管目前在南瓜中尚未克隆到特異性控制果實(shí)淀粉和可溶性固形物性狀的主效基因，但在其他淀粉積累型植物中已經(jīng)獲得了一些研究進(jìn)展。通過(guò)對(duì)馬鈴薯、玉米、大麥等作物中參與淀粉和可溶性固形物相互轉(zhuǎn)化的相關(guān)酶編碼基因進(jìn)行研究，揭示了一些與淀粉和糖類合成相關(guān)的重要基因功能。馬鈴薯葉片和塊莖中的AGPase蛋白是由大亞基和小亞基形成的多聚體，其中小亞基編碼基因的轉(zhuǎn)錄水平受到蔗糖誘導(dǎo)，從而決定該器官主要是同化物合成（源）或儲(chǔ)存（庫(kù)）的場(chǎng)所[25]。利用GUS報(bào)告基因分析了秈稻可溶性淀粉合成酶編碼基因SSⅡa，確定該基因的啟動(dòng)子是胚乳特異性表達(dá)啟動(dòng)子，其特異性元件為AACA和GCN4基序[26]。水稻OsGBSS II主要在葉片中特異性表達(dá)，并且受到葡萄糖、谷氨酰胺和晝夜節(jié)律調(diào)控[27]。定位在水稻葉片韌皮部的CRCT（CO2 Responsive protein）基因編碼的一個(gè)含有 CONSTANS和 TOC1（CCT）結(jié)構(gòu)域的蛋白，其表達(dá)水平受到二氧化碳、葡萄糖和蔗糖上調(diào)，并誘導(dǎo)與合成淀粉有關(guān)的 AGPase、α-glucan phospholylase等蛋白編碼基因表達(dá)，從而提高淀粉含量[28]。將 1個(gè)定位在大豆質(zhì)體上的硫氧還蛋白TrxF（thioredoxin F-type protein）在擬南芥中進(jìn)行超表達(dá)，能提高葉片淀粉含量，并且淀粉合成相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄水平和酶活力均顯著增加[29]，說(shuō)明果實(shí)淀粉和可溶性固形物含量的相互轉(zhuǎn)化及動(dòng)態(tài)調(diào)控與基因在植物組織中的表達(dá)模式密切相關(guān)。

4 南瓜果實(shí)淀粉和可溶性固形物含量的遺傳規(guī)律和QTL定位研究

利用植物數(shù)量性狀主基因+多基因遺傳模型對(duì)1個(gè)中國(guó)南瓜6世代群體進(jìn)行遺傳分析，結(jié)果表明，果實(shí)可溶性固形物含量的遺傳符合2對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因混合遺傳模型，其中2對(duì)主基因的加性效應(yīng)均為-0.707 7，使可溶性固形物含量降低，主基因遺傳率在F2代達(dá)到95%，說(shuō)明主基因表現(xiàn)出較高的遺傳力[30]。利用印度南瓜1個(gè)低淀粉低蔗糖種質(zhì)‘Scarlet Warren’和2個(gè)高淀粉高蔗糖種質(zhì)‘CF2’‘CF4’為親本分別構(gòu)建6世代群體，遺傳分析表明，低淀粉含量、高糖（蔗糖、葡萄糖和果糖）含量均為顯性性狀，但蔗糖含量還受到負(fù)的加性效應(yīng)影響，并且提出了用非溶于乙醇固形物（alcohol-insoluble solids）指標(biāo)取代淀粉含量測(cè)定的可行性[31]，表明南瓜果實(shí)淀粉和可溶性固形物含量性狀可以在早期世代進(jìn)行選擇，但要注意環(huán)境條件對(duì)果實(shí)蔗糖含量及甜度的影響。

隨著近年來(lái)南瓜基因組測(cè)序工作的展開(kāi)，利用遺傳群體和高密度遺傳圖譜對(duì)南瓜重要農(nóng)藝性狀的定位研究發(fā)展迅速，并開(kāi)發(fā)出大量可用于南瓜品種選育的分子標(biāo)記，但關(guān)于淀粉和可溶性固形物含量方面的QTL定位研究尚有待深入進(jìn)行[32-34]。毛曉微[35]利用2個(gè)淀粉含量差異顯著的南瓜自交系‘Rimu’和‘SQ026’構(gòu)建了含有 456個(gè) SNP標(biāo)記位點(diǎn)的遺傳連鎖圖譜，并定位出控制南瓜淀粉含量的2個(gè)QTL位點(diǎn)，分別位于3號(hào)連鎖群和11號(hào)連鎖群上，貢獻(xiàn)率分別為12.94%和7.06%，可用于印度南瓜高淀粉含量的分子標(biāo)記輔助育種。

盡管目前有關(guān)南瓜淀粉和可溶性固形物含量QTL和基因精細(xì)定位研究的相關(guān)報(bào)道較少，但在其他植物中已開(kāi)展的QTL定位研究和主效基因功能分析將有助于進(jìn)一步挖掘南瓜淀粉和可溶性固形物重要調(diào)控位點(diǎn)。在馬鈴薯中，許多控制塊莖淀粉含量的QTL位點(diǎn)都定位在控制葉片蔗糖含量的QTL位點(diǎn)附近[36]。番茄成熟果實(shí)富含蔗糖、果糖、葡萄糖，番茄果實(shí)可溶性固形物含量是番茄重要性狀之一。對(duì)番茄果實(shí)可溶性固形物含量QTL位點(diǎn)進(jìn)行定位，獲得了許多與糖類和淀粉相互轉(zhuǎn)化的重要主效位點(diǎn)[37-38]，除了目前已克隆到的與淀粉和糖類代謝調(diào)控途徑有關(guān)的關(guān)鍵酶編碼基因之外，近期還發(fā)現(xiàn)了一些新的調(diào)控方式。利用水稻淀粉發(fā)育缺失突變體fse1克隆獲得1個(gè)磷脂酶蛋白編碼基因FSE1，通過(guò)調(diào)控水稻中半乳糖脂的合成，介導(dǎo)水稻胚乳發(fā)育過(guò)程中脂質(zhì)和淀粉代謝的動(dòng)態(tài)平衡，為解析淀粉和可溶性固形物代謝調(diào)控途徑提供了新的思路[39]。

5 展望

隨著對(duì)南瓜營(yíng)養(yǎng)成分的深入研究和人們膳食結(jié)構(gòu)的改善，果實(shí)品質(zhì)優(yōu)良（高淀粉含量、高甜度、高可溶性固形物含量）的南瓜已成為品種選育重要目標(biāo)之一。研究不同栽培品種中果實(shí)淀粉和可溶性固形物含量的積累模式，特別是明確光照和溫濕度等環(huán)境因素在果實(shí)發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期對(duì)蔗糖合成和轉(zhuǎn)化的影響，對(duì)于優(yōu)質(zhì)南瓜栽培技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用具有重要意義。同時(shí)，通過(guò)構(gòu)建遺傳連鎖圖譜對(duì)品質(zhì)性狀關(guān)鍵調(diào)控位點(diǎn)進(jìn)行QTL定位和連鎖分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)，將有助于提高種質(zhì)篩選和優(yōu)良性狀聚合效率，加快我國(guó)南瓜新品種選育工作。