中國蓮性狀進(jìn)化趨勢(shì)分析

何志貴，柯衛(wèi)東，郭宏波

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.桂林旅游學(xué)院 食品加工與營養(yǎng)健康實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 廣西桂林 541000；3.武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜研究所，湖北武昌 430065； 4.西北農(nóng)林科技大學(xué) 化學(xué)與藥學(xué)院，陜西楊凌 712100)

中國蓮(NelumbonuciferaGaertn. ssp.nucifera)是蓮科(Nelumbonaceae)蓮屬兩個(gè)亞種之一[1]，包含藕蓮、子蓮和花蓮3種類型，其中藕蓮是中國獨(dú)有、栽培面積最大、品種資源最豐富的水生經(jīng)濟(jì)作物[2]。

中國蓮在中國分布很廣，南至海南三亞，北至黑龍江，東至臺(tái)灣，西至新疆天山北麓，各類型、不同生態(tài)型品種資源非常豐富[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國有藕蓮品種620個(gè)、子蓮60個(gè)、花蓮700個(gè)[2]。這些資源除在形態(tài)性狀上具有豐富多樣性外[3-4]，在基因組DNA上同樣顯示出豐富的遺傳多樣性[5-9]。

盡管擁有如此豐富的資源，但由于對(duì)其性狀進(jìn)化方向不清楚，導(dǎo)致目前中國蓮品種的選育方向比較單一，藕蓮主要依據(jù)產(chǎn)量和熟性，子蓮主要依據(jù)蓮子產(chǎn)量和粒形，而花蓮主觀性更大。前期筆者分別對(duì)藕蓮和花蓮的生物學(xué)性狀進(jìn)行多樣性分析[3-4]，曾紹校等[10]對(duì)中國22個(gè)子蓮品種外觀品質(zhì)和淀粉品質(zhì)進(jìn)行分析，但這些工作均未涉及重要性狀的進(jìn)化趨勢(shì)，并結(jié)合最新研究進(jìn)展進(jìn)行梳理與分析，形成理論或推測(cè)，無法指導(dǎo)品種選育或進(jìn)行分子改良。

因此，本文通過對(duì)國家種質(zhì)武漢水生蔬菜資源圃中17個(gè)省市68份藕蓮資源19個(gè)生物學(xué)性狀的相關(guān)性分析結(jié)果[3]進(jìn)行歸納總結(jié)，同時(shí)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行再分析，獲得藕蓮單一性狀和性狀互作的進(jìn)化趨勢(shì)。對(duì)中國7省22個(gè)野生和栽培子蓮品種蓮子外觀與直鏈淀粉含量的相關(guān)性數(shù)據(jù)[10]進(jìn)行歸納總結(jié)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再分析，獲得子蓮單一性狀和性狀互作的進(jìn)化趨勢(shì)。對(duì)國家種質(zhì)武漢水生蔬菜資源圃中40個(gè)花蓮品種19個(gè)生物學(xué)性狀的相關(guān)性數(shù)據(jù)[4]進(jìn)行歸納總結(jié)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行再分析，獲得花蓮單一性狀和性狀互作的進(jìn)化趨勢(shì)。以多酚氧化酶(Polyphenol oxidase, PPO)在藕蓮地下莖不同藕段中活性的分布差異及其與生物學(xué)性狀的相關(guān)性數(shù)據(jù)[11]為基礎(chǔ)，結(jié)合PPO基因?qū)Ψ铀犷愇镔|(zhì)合成的正向調(diào)控作用[12]，分析PPO對(duì)地下莖抗病蟲害性狀進(jìn)化的影響，以期為同行提供參考。

1 單一性狀進(jìn)化趨勢(shì)分析

1.1 藕 蓮

在藕蓮栽培品種選育過程中，產(chǎn)量是育種者最為關(guān)注的性狀之一。通過對(duì)68份藕蓮資源19個(gè)生物學(xué)性狀的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，以產(chǎn)量為育種目標(biāo)的藕蓮各性狀均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，如株高、第 3 節(jié)粗、主藕長和主藕質(zhì)量等(表1)。但第 3 節(jié)長/粗比例升高降低藕蓮地下莖產(chǎn)量(圖1)，說明無法選育出在理論上可以無限高產(chǎn)的藕蓮新品種。

1.2 子 蓮

在過去，市場(chǎng)銷售的蓮子以干制品為主，但近幾年隨著鮮蓮子出口貿(mào)易擴(kuò)大，國際市場(chǎng)對(duì)蓮子外觀性狀提出等級(jí)要求，如外觀色澤、縱橫徑比(一級(jí)品小于1.25)及百克粒數(shù)(每500 g蓮子在250粒以下)已成為質(zhì)量檢驗(yàn)的硬性指標(biāo)。通過對(duì)22個(gè)子蓮品種蓮子外觀和直鏈淀粉含量的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)子蓮的心皮數(shù)、花絲和花藥長度均呈增加趨勢(shì)，蓮子縱徑、橫徑、單蓬生蓮子率和直鏈淀粉含量升高；但蓮子縱橫徑比、百克粒數(shù)下降使蓮子更圓、顆粒更大(表1)。

1.3 花 蓮

通過對(duì)國家種質(zhì)武漢水生蔬菜資源圃中40份花蓮資源19個(gè)形態(tài)學(xué)性狀進(jìn)行觀測(cè)分析，推測(cè)千瓣蓮可能是最原始的花蓮品種，而單瓣是后來進(jìn)化的類型。與此一致的是，花蕾形狀由桃形千瓣“瘦身”為長卵形單瓣，花瓣變長變寬，花瓣數(shù)變少，心皮不瓣化、不泡化(表1)。

表1 3種類型中國蓮性狀的進(jìn)化趨勢(shì)Table 1 Characteristics evolution of three types of lotus in Asian

2 性狀互作進(jìn)化趨勢(shì)分析

2.1 藕 蓮

研究發(fā)現(xiàn)藕蓮地下莖產(chǎn)量與13個(gè)生物學(xué)性狀顯著相關(guān)[3]。但對(duì)產(chǎn)量有顯著正向效應(yīng)和負(fù)向效應(yīng)的主要性狀各4 個(gè)，正向效應(yīng)性狀是主藕質(zhì)量、主藕長、第3 節(jié)粗和株高，這4 個(gè)性狀之間也呈正比關(guān)系，互為促進(jìn)(圖1)。但這 4 個(gè)性狀的數(shù)值升高均會(huì)促進(jìn)第 3 節(jié)長度增加，而第 3 節(jié)長/粗比又與藕蓮地下莖產(chǎn)量呈反比，降低產(chǎn)量；另一方面，主藕長、第 3 節(jié)粗和株高都會(huì)顯著增加主藕質(zhì)量，從而加大主藕質(zhì)量/整藕質(zhì)量，也會(huì)使產(chǎn)量降低。因此，若想使藕蓮地下莖高產(chǎn)，各性狀之間需要保持一種平衡?；诠瓴ǖ萚3]的數(shù)據(jù)，理論上認(rèn)為，當(dāng)株高為125～177 cm(平均150.78 cm)，葉長為66～84 cm (平均74.73 cm)，葉寬為55～72 cm (平均64 cm)，主藕長為82～113 cm (平均97.54 cm)，主藕4或5節(jié)，主藕質(zhì)量/整藕質(zhì)量為65%～79%(平均72.06%)，主藕質(zhì)量為1.3～2.3 kg(平均1.83 kg)，第 3 節(jié)長15.4～20.8 cm(平均18.11 cm)，第 3 節(jié)粗6.4～7.6 cm(平均7.0 cm)，第3節(jié)長/粗為2～3.1(平均2.6)時(shí)，整支藕質(zhì)量可達(dá)最大值1.8～3.3 kg(平均2.6 kg)。上述推測(cè)性狀的理論數(shù)據(jù)與表1中藕蓮品種性狀已有重疊，因而認(rèn)為藕蓮最高產(chǎn)品種已經(jīng)選育成功。對(duì)育種者而言，選育抗病、耐鹽堿、適合各類產(chǎn)品加工和提取活性物質(zhì)的藕蓮新品種可能是今后育種的主要方向。

藕蓮地下莖的熟性是除產(chǎn)量外，為育種者和農(nóng)戶所關(guān)注的重要性狀。它與主藕質(zhì)量、第 3 節(jié)長、主藕長、葉長和葉寬呈顯著正相關(guān)，晚熟對(duì)產(chǎn)量有正向效應(yīng)，但不顯著[3]。同時(shí)，同一品種的藕蓮種植在不同類型土壤、不同耕層深度和不同水深時(shí)，熟性的表現(xiàn)都有可能變化，因此熟性雖然事關(guān)商品行情和農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)效益，但它在生物學(xué)上并不是一個(gè)質(zhì)量性狀的絕對(duì)指標(biāo)。

箭頭上下的數(shù)字為顯著性相關(guān)系數(shù)，下同 Number beside arrow represents significant correlation coefficient，the same below

圖1影響藕蓮地下莖產(chǎn)量的各種性狀
Fig.1Characteristicsaffectingyieldoflotusrhizome

2.2 子 蓮

研究發(fā)現(xiàn)蓮子橫徑、縱橫比、百克粒數(shù)和單蓬生子率之間存在顯著相關(guān)，但蓮子縱徑除與縱橫比顯著正相關(guān)外，與其他性狀相關(guān)不顯著[10]。進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)蓮子縱徑在≥17 mm和橫徑超過14 mm時(shí)，其縱橫比為1.06～1.28(平均為1.20，僅1個(gè)品種為1.28，其他均≤1.25)，百克粒數(shù)39～45(平均42.22)，單蓬生子率為63.2%～84.0%(平均70.26%)，直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.87%～20.14%(平均16.40%)，這時(shí)除直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高外，其他指標(biāo)均符合一級(jí)品標(biāo)準(zhǔn)，且產(chǎn)量較高；另一方面，如果蓮子縱徑≥18 mm，橫徑≥12.5 mm時(shí)，縱橫徑比平均為1.43，百克粒數(shù)平均48.67，單蓬生子率平均62.50%，但直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均只有11.14%。因此建議在制定蓮子質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，若要降低直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)以提升蓮子品質(zhì)性狀，就應(yīng)增加縱橫徑比例，同時(shí)限定橫徑，因?yàn)闄M徑與直鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)趨勢(shì)。

2.3 花 蓮

花型、花色、花莖高和花徑是花蓮品種的 4 個(gè)重要性狀。除花莖高與花徑顯著正相關(guān)外，另2個(gè)性狀的影響因素之間沒有交叉，也即花型與花色之間沒有關(guān)聯(lián)(圖2)?；ò陻?shù)、雌蕊瓣化和泡化是影響花型的正向效應(yīng)因素，花瓣寬是負(fù)向效應(yīng)因素。表1顯示花蓮的千瓣蓮可能是原始品種，花瓣數(shù)變少、雌蕊不再瓣化和泡化、花瓣變寬都是花瓣單瓣的進(jìn)化趨勢(shì)。藕皮色越深，花色越深，葉寬越小。但選育品種的趨勢(shì)是葉寬變大，花莖變高，花徑變大，花色變淺，藕皮色變淺甚至變白，這一現(xiàn)象在藕蓮品種上也很明顯。

研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)蕾期與初花期、花莖高呈顯著正相關(guān)，與花瓣長呈負(fù)相關(guān)[4]。對(duì)于所有花蓮品種，從現(xiàn)蕾至初花的時(shí)間間隔，在湖北武漢地區(qū)基本固定在13～16 d(平均15 d)。從表1花蓮的性狀進(jìn)化可看出，現(xiàn)蕾期較早的品種是花瓣數(shù)多、雌蕊瓣化和泡化的千瓣蓮；但它隨著葉寬變大、花莖變高、花徑變大、花色變淺等性狀變化而變晚，這些性狀的互作可能對(duì)選育晚花品種，使其在“十一”黃金周期間或之后仍能開放，將具有啟發(fā)意義。

花蕾形狀受制于花型，與花瓣數(shù)，雌蕊瓣化和泡化及藕皮色呈正相關(guān)[4]。通常單瓣花的花蕾長但窄于重瓣花和重臺(tái)花。如果一個(gè)花蕾長寬比接近(如1∶1)，即可預(yù)測(cè)該植株將會(huì)有較多的花瓣、雌蕊瓣化和泡化、深黃色藕皮、葉長葉寬小、花紅色等較原始性狀(表1)。研究還發(fā)現(xiàn)，荷花花色與藕皮色呈正相關(guān)，與葉寬呈反比[4]。在藕蓮中也呈現(xiàn)相同趨勢(shì)，白花藕蓮具有植株高大、葉長大、葉寬、藕皮白色、花少、單瓣、花徑大、花莖高等特點(diǎn)。

圖2 影響花蓮觀賞的各種性狀Fig.2 Characteristics affecting ornamental value of flower lotus

3 多酚氧化酶對(duì)藕蓮地下莖抗病蟲害性狀進(jìn)化的影響

多酚氧化酶是核編碼的一種含銅金屬酶，廣泛存在于植物、真菌和昆蟲中，是植物抗氧化、抵御病蟲害，影響地下莖性狀進(jìn)化的關(guān)鍵酶之一。研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯感染真菌后PPO活性明顯增強(qiáng)，抗性品系總酚含量和PPO活性比敏感品系高，感染后PPO活性升高速率比敏感品系快[13]。前期筆者以富含酚類物質(zhì)的丹參(SalviamiltiorrhizaBunge)為試驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)PPO基因?qū)Φし铀酈的合成具有正向調(diào)控作用[11]。因此認(rèn)為植物在受到病蟲害侵襲時(shí)，通過升高PPO活性促進(jìn)總酚合成，從而抗菌；或通過氧化酚類物質(zhì)生成有毒且不穩(wěn)定的O-醌類物質(zhì)達(dá)到抗蟲的目的。

蓮藕地下莖種植于淤泥，為何能不染病蟲害？前期發(fā)現(xiàn)PPO基因在藕蓮地下莖的莖尖、幼葉、地下莖切片、花瓣和莖稈中均有表達(dá)，特別是在地下莖的莖尖中顯著高表達(dá)[14]。接著在地下莖主藕每個(gè)藕段中央取厚度0.5 cm切片，然后將其分為中心部位和外圍部位(圖3-B)，發(fā)現(xiàn)藕蓮19個(gè)生物學(xué)和農(nóng)藝性狀中僅有頂芽色、皮孔數(shù)、主藕節(jié)數(shù)和花色 4 個(gè)性狀與各藕節(jié)中心或外圍部位PPO活性顯著相關(guān)[11]，其中僅有主藕節(jié)數(shù)對(duì)地下莖產(chǎn)量有一定的正向效應(yīng)。

有關(guān)頂芽色、皮孔數(shù)、主藕節(jié)數(shù)和花色性狀在蓮藕抗病蟲害能力的指示方面未見報(bào)道。在形態(tài)學(xué)性狀中，頂芽色與葉長葉寬呈極顯著正比、與花型呈顯著反比[3]，這與白花藕蓮品種植株高大、葉長葉寬大、花單瓣、頂芽色深黃的觀測(cè)結(jié)果一致。頂芽色深黃意味著該部位和第1節(jié)藕段中心部位的(H1)PPO活性高，同時(shí)會(huì)使第 1 節(jié)藕段外圍部位(P1)PPO活性升高。H1部位和P1部位的PPO活性與第 2 節(jié)H2和P2部位的PPO活性存在正相關(guān)關(guān)系，而且H2和P2部位之間PPO活性也存在正相關(guān)(圖3)，說明第 2 節(jié)藕段的酶活性完全受第 1 節(jié)調(diào)控。而第 3 節(jié)除受第 2 節(jié)調(diào)控外，還受第 1 節(jié)P1部位PPO活性的調(diào)控。第 4 節(jié)藕段是一個(gè)很特殊的部位。除第 4 節(jié)中心部位(H4)PPO活性白花品種顯著低于紅花外，其他各部位均是白花高于紅花。對(duì)紅花品種而言，H4部位PPO活性最高；但白花卻相反。因此認(rèn)為，在花色未知的情況下，可通過這一現(xiàn)象判斷出花色。

A:紅圈代表中心部位；藍(lán)圈代表外圍部位，箭頭旁數(shù)字代表該部位的PPO活性與箭頭下性狀的顯著性系數(shù) Red circle represents heart section of lotus rhizome cut; blue circle represents peripheral section of lotus rhizome cut,the number beside arrow represents significant correlation coefficient;B:中心部位和外圍部位 Heart and peripheral section of lotus rhizome cut;C:第1節(jié)到第5節(jié)藕段(從左向右)中心和外圍部位PPO活性的相關(guān)性，箭頭旁的數(shù)字為顯著性相關(guān)系數(shù) Correlation coefficients of PPO activity between sections of lotus rhizome knot (1 to 5 from left to right)

圖3PPO活性在不同藕段中心和外圍部位中分布式樣及不同部位的相關(guān)性關(guān)系
Fig.3Distributionpatternofpolyphenoloxidase(PPO)indifferenttissuesoflotusrhizomeandtheircorrelationrelationship

H4部位PPO活性除在不同花色中表現(xiàn)出特殊差異外，還與主藕節(jié)數(shù)存在顯著正相關(guān)(圖3-A)。在農(nóng)藝性狀中，主藕節(jié)數(shù)雖對(duì)產(chǎn)量有一定的正向效應(yīng)，但并不是關(guān)鍵影響因素。因此，H4部位的PPO活性可能調(diào)控藕段數(shù)量形成，但此推測(cè)還需更多證據(jù)證明。

皮孔是分布于地下莖表皮上的“黑點(diǎn)”，其功能未知。在19個(gè)生物學(xué)性狀中，皮孔數(shù)只與第 3 節(jié)長存在正相關(guān)關(guān)系[3]，同時(shí)與P2外圍部位PPO活性呈正比，而P2外圍部位PPO活性與第1節(jié)、第 3 節(jié)和H2均存在顯著正相關(guān)(圖3-C)。因此認(rèn)為P2外圍部位PPO活性不僅調(diào)控所有藕段表皮上的皮孔數(shù)，可能還參與調(diào)控第 3 節(jié)長度發(fā)育。

花色在生物學(xué)性狀中與花型、開花量及第 3 節(jié)長/粗比呈正相關(guān)[3]，并與第 4 節(jié)P4部位呈負(fù)相關(guān)(圖3-C)，這與現(xiàn)實(shí)中觀測(cè)白花品種P4部位PPO活性高、花少、單瓣、第 3 節(jié)長/粗比例小是一致的。表明不同深淺花色品種PPO活性會(huì)有差異，但其與前3節(jié)之間卻沒有任何關(guān)聯(lián)。

綜上，藕蓮地下莖從藕帶抽生到發(fā)育膨大，涉及很多機(jī)制。PPO不僅參與抗病蟲害、調(diào)控酚類次生代謝物的合成，而且可能還參與調(diào)控地下莖不同藕節(jié)內(nèi)的PPO活性、地下莖藕節(jié)的分化及性狀形成甚至進(jìn)化。同時(shí)，基于現(xiàn)在所掌握的現(xiàn)象，提出一點(diǎn)新品種選育中親本選用的建議(表2)。

表2 藕蓮地下莖不同藕節(jié)中PPO活性分布及應(yīng)用建議Table 2 Distribution of PPO activity in different sections of lotus rhizome and suggestion for cultivar breeding

4 展 望

盡管中國蓮全基因組已經(jīng)測(cè)序[15]，圍繞荷葉中黃酮含量及其抗氧化分析[16-17]、花色差異基因發(fā)掘[18]、地下莖膨大差異基因測(cè)序篩選[19]、藕蓮品種的遺傳圖譜構(gòu)建[20]，以及一些特定基因如結(jié)合態(tài)淀粉合酶基因的克隆與表達(dá)[21-22]等方面已開展不少工作，但基因與農(nóng)藝性狀之間的關(guān)聯(lián)尚未建立，利用基因改良性狀更是還有很長的路要走。對(duì)藕蓮而言，選育具有特定性狀指標(biāo)的粉面地下莖、適合煲湯的專用品種；不易褐變適合加工；含有高含量的黃酮類、酚酸類或生物堿等活性成分、高抗病蟲害和不開花的新品種，其性狀指標(biāo)都有待深入發(fā)掘。對(duì)子蓮和花蓮而言，選育新鮮水果蓮子耐貯藏保鮮和加工、貯藏期內(nèi)甜度不降低、品質(zhì)不下降、蓮子成熟后蓮蓬不低頭，含有高活性成分蓮子的子蓮品種，以及選育提早開花、花期超長、耐低溫的花蓮品種，這些潛在品種的性狀指標(biāo)都還不清楚。

中國蓮是衛(wèi)生部最早公布的藥食兩用食物之一，在中國藥典中以蓮須和蓮房入藥。具有明確藥理學(xué)效果的還有荷葉、荷梗和藕節(jié)間及其須根。因此，通過性狀指標(biāo)選育相應(yīng)品種，促進(jìn)藥物、功能性產(chǎn)品或食品的研發(fā)，對(duì)延長產(chǎn)業(yè)鏈、促進(jìn)鄉(xiāng)村振興，迎合工作壓力大亞健康群體增多、老齡化社會(huì)保健需求高的發(fā)展趨勢(shì)，均具有重要意義。