蔗糖、水楊酸和鉀營養(yǎng)對彩色馬鈴薯試管薯結(jié)薯效率的影響

陳 瑩，鄒 雪，丁 凡，余金龍，余麗萍，楊 勇，王西瑤*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，成都 611130；2.綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，四川 綿陽 621023）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）是重要的糧菜兼用和工業(yè)原料作物，營養(yǎng)全面，適應(yīng)范圍廣，增產(chǎn)空間大，且和小麥、水稻等大宗糧食作物相比，水肥等資源利用率更高[1]。2015年我國提出馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略以來，馬鈴薯產(chǎn)業(yè)進入新的發(fā)展階段，研究實現(xiàn)馬鈴薯的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)具有極其重要的意義[2]。但在生產(chǎn)中，馬鈴薯的品種退化問題嚴重影響其產(chǎn)量和品質(zhì)。利用莖尖分生組織培養(yǎng)獲得脫去病毒的試管苗，再由試管苗生產(chǎn)脫毒種薯，可以有效提高馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)[3-4]。由馬鈴薯試管苗誘導(dǎo)形成試管薯是脫毒種薯生產(chǎn)的新形式，與試管苗相比具有更多的優(yōu)點，便于保存、運輸和推廣，可應(yīng)用于種質(zhì)資源保存、交換，無毒種薯的生長、運輸以及馬鈴薯基因工程研究中基因轉(zhuǎn)移的受體等等，受到了世界各國的重視[5-9]。彩色馬鈴薯富含花青素、抗氧化活性遠高于普通馬鈴薯、營養(yǎng)豐富且口感良好，具有極高的營養(yǎng)保健價值和經(jīng)濟價值，近年來逐漸成為人們關(guān)注的熱點，發(fā)展和應(yīng)用前景廣闊[10-11]。彩色馬鈴薯試管薯誘導(dǎo)體系雖然已經(jīng)形成，但試管薯小、質(zhì)量輕、成本高，限制了彩色馬鈴薯試管薯的生產(chǎn)應(yīng)用[12]。提高彩色馬鈴薯試管薯的結(jié)薯效率，將有助于促進彩色馬鈴薯的推廣發(fā)展。

馬鈴薯試管薯的形成和發(fā)育受多種因素影響。前人研究表明，蔗糖濃度是影響試管薯誘導(dǎo)的關(guān)鍵因素[13]。蔗糖不但為試管薯膨大提供碳源，而且可能對塊莖發(fā)育過程中一些重要酶的基因表達及貯藏蛋白積累具有重要影響[14]，當蔗糖濃度為8%～12%時，試管薯誘導(dǎo)效果較好。鉀具有促進物質(zhì)運輸、光合作用、以及淀粉合成等多種生理功能，對提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)起著重要作用[15]。馬鈴薯是喜鉀作物，鉀營養(yǎng)對馬鈴薯試管薯的形成有重要影響，適量鉀有利于蔗糖向塊莖的運輸和塊莖膨大。水楊酸對馬鈴薯試管薯的生產(chǎn)具有明顯的化學(xué)調(diào)控作用，能抑制試管苗主莖的生長，促進側(cè)枝和匍匐莖的分化，加速試管薯的形成，顯著提高結(jié)薯率；水楊酸濃度為0.5 mmol/L 時，其化學(xué)調(diào)控作用最理想，結(jié)薯率高，成薯快，薯塊均勻整齊[16]。

馬鈴薯試管薯誘導(dǎo)技術(shù)的研究推廣，加快了脫毒馬鈴薯的繁殖，縮短了種薯生產(chǎn)周期，為工業(yè)化生產(chǎn)提供了切實可行的手段[17]。但是，目前關(guān)于彩色馬鈴薯試管薯誘導(dǎo)的研究報道很少。生產(chǎn)上彩色馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)一般不高，蔗糖、鉀和水楊酸處理對其試管薯形成的作用幾乎未見報道。本試驗在前人研究的基礎(chǔ)上，采用固液培養(yǎng)法，在適宜的條件下全黑暗培養(yǎng)，研究蔗糖、鉀營養(yǎng)和水楊酸分別對彩色馬鈴薯試管薯結(jié)薯、薯塊生理活性、淀粉和可溶性糖含量等的影響，探索提高彩色馬鈴薯試管薯結(jié)薯效率的方法。同時，試驗選用多個組合的雜交后代材料，相比于前人選擇1～2 個品種的研究，更能準確評價這3 個因素在馬鈴薯試管薯誘導(dǎo)中的作用。試驗結(jié)果將為提高彩色馬鈴薯試管苗結(jié)薯產(chǎn)量和品質(zhì)，降低生產(chǎn)成本，工廠化生產(chǎn)試管薯提供新途徑。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

馬鈴薯雜交后代株系：16-3-4、16-4-1、16-6-1、16-6-8、16-6-12、16-7-9、16-9-18、16-12-3，由四川省綿陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供，主要性狀見表1。

表1 塊莖主要性狀Table 1 Main characteristic of tubers

1.2 試驗方法

1.2.1 試管苗擴繁

在無菌條件下，剪取帶1～2 個腋芽的莖段接入擴繁培養(yǎng)基MS+30 g/L 蔗糖+6 g/L 瓊脂，pH 值5.8～6.0，每瓶接入約11 個莖段。培養(yǎng)條件：光照時間16 h 光/8 h 暗，光強60 μmol/m2·s，溫度（22±1）℃[18]。培養(yǎng)出足夠的試管苗。

1.2.2 試管薯誘導(dǎo)

基本誘薯液為MS 添加2 mg/L6-BA、6 mg/LB9、8%蔗糖以及0.5 g/L 活性炭[19]，正常鉀水平為20 mmol/L，為避免提高鉀含量對N 元素的影響，升高的鉀用K2SO4補充。試驗設(shè)計見表2。

表2 試驗設(shè)計Table 2 Experimental design

試管苗培養(yǎng)約30 d 長成壯苗后，在無菌條件下，加入40 mL 誘薯液，每個處理3 瓶，設(shè)3 次重復(fù)，全黑暗條件下誘導(dǎo)試管薯。試管薯誘導(dǎo)期間，定期觀察，統(tǒng)計結(jié)薯數(shù)目。

1.2.3 試管薯收獲與指標測定

試管薯誘導(dǎo)約75 d，產(chǎn)量保持穩(wěn)定時，將試管薯取出洗凈晾干，統(tǒng)計株數(shù)、結(jié)薯數(shù)，稱重。然后進行重復(fù)3 次的指標測定，采用碘比色法[20]測定試管薯淀粉含量、蒽酮比色法[21]81-83測定試管薯可溶性糖含量、TTC 法[21]30-31測定試管薯活力。

1.2.4 成本比較分析

按照現(xiàn)在購買試劑的價格，計算試管苗擴繁培養(yǎng)基（用量為30 mL/瓶）和基本誘薯液（用量為40 mL/瓶）以及處理需要添加試劑的總成本，對比分析0.5 mmol/L 水楊酸、12%蔗糖處理與對照組生產(chǎn)試管薯所需試劑成本。MS 為0.16 元/g，用量為4.74 g/L。蔗糖0.032 元/g、瓊脂0.272 元/g、6-BA 23 元/g、B9 0.95 元/g、活性炭0.05 元/g、水楊酸0.064 元/g。

1.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

用Microsoft Excel 2013 和DPS v7.65 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對試管薯單株產(chǎn)量的影響

12%蔗糖和0.5 mmol/L 水楊酸處理都具有促進結(jié)薯提前的作用，可比對照平均提前約15～25 d 形成直徑3～5 mm 薯塊，并可提高彩色試管薯的結(jié)薯量（見圖1）。由圖2可得，與對照相比，12%蔗糖處理能極顯著提高16-3-4、16-4-1 等6 個株系的單株產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度最高達147%，株系16-6-12、16-7-9 則對提高蔗糖濃度處理不敏感。40 mmol/L 高鉀處理除了極顯著提高株系16-9-18 的單株試管薯產(chǎn)量外，對其他株系均無顯著的提高作用，反而還一定程度地降低了試管薯產(chǎn)量。0.5 mmol/L 水楊酸處理極顯著或顯著提高了除16-6-12 外的7 個株系的單株產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度19%～192%。

2.2 不同處理對試管薯單株結(jié)薯數(shù)的影響

從圖3可以看出，與對照相比，12%蔗糖處理顯著提高16-3-4、極顯著提高16-6-8 的單株結(jié)薯數(shù)，對其他株系則沒有顯著影響。40 mmol/L 高鉀處理下的單株結(jié)薯數(shù)沒有顯著變化。0.5 mmol/L 水楊酸處理顯著提高16-4-1、極顯著提高16-6-8 的單株結(jié)薯數(shù)，其他株系的單株結(jié)薯數(shù)雖有一定提高但未達到顯著水平。

2.3 不同處理對試管薯淀粉含量的影響

從圖4可以看出，與對照相比，12%蔗糖處理極顯著或顯著提高了16-4-1、16-6-1、16-6-12、16-9-18、16-12-3 的淀粉含量，升幅最大達28%，其他株系淀粉含量雖然也有一定程度升高但未達到顯著水平。40 mmol/L 高鉀處理極顯著或顯著降低了16-3-4、16-4-1、16-9-18、16-12-3 淀粉含量，對其他株系的作用未達顯著水平。0.5 mmol/L 水楊酸處理極顯著降低了16-3-4、16-4-1、16-9-18 淀粉含量，對其他株系表現(xiàn)出不顯著的降低淀粉含量作用。

圖1 蔗糖和水楊酸對試管薯誘導(dǎo)的促進作用Figure 1 Promoting effect of sucrose and salicylic acid on the induction of microtubers

圖2 不同處理對單株試管薯產(chǎn)量的影響Figure 2 Effects of different treatments on the per shoot tuber yield

圖3 不同處理對單株結(jié)薯數(shù)的影響Figure 3 Effects of different treatments on the number of microtuber per plant

圖4 不同處理對淀粉含量的影響Figure 4 Effects of different treatments on starch content

2.4 不同處理對試管薯單株淀粉產(chǎn)量的影響

從圖5可以看出，與對照相比，12%蔗糖處理能極顯著或顯著提高除16-7-9 外的其他所有株系的單株淀粉產(chǎn)量，提高幅度26%～155%。40 mmol/L 高鉀處理對除16-3-4 和16-9-18 外其他株系的單株淀粉產(chǎn)量沒有顯著影響。0.5 mmol/L 水楊酸處理極顯著提高了除16-6-12 和16-7-9 外的其他所有株系的單株淀粉產(chǎn)量，提高幅度33%～165%。

2.5 不同處理對試管薯可溶性糖含量的影響

由圖6可見，與對照相比，12%蔗糖處理下，株系16-6-12 和16-9-18 的可溶性糖含量顯著上升，16-6-1 和16-7-9 極顯著或顯著下降；40 mmol/L高鉀處理下，16-6-8 的可溶性糖含量顯著上升，16-4-1、16-6-1 和16-7-9 極顯著或顯著下降；0.5 mmol/L水楊酸處理下，16-3-4、16-6-8、16-7-9、16-9-18、16-12-3 的可溶性糖含量極顯著或顯著上升，16-4-1 和16-6-1 極顯著或顯著下降；其他株系的可溶性糖含量變化未達到顯著水平。即不同株系在同一處理下的試管薯可溶性糖含量與對照相比變化趨勢不一，對同一刺激的反應(yīng)存在明顯差異。

2.6 不同處理對試管薯活力的影響

有生活力的植物組織具有一定的還原力，其呼吸作用產(chǎn)生的NADH 能還原TTC，生成TPF。若薯塊活力越強，則其產(chǎn)生的NADH 越多，試驗通過TTC 法測定薯塊NADH 還原能力，來反映薯塊產(chǎn)生的NADH 量，從而間接反映其活力。由圖7可見，與對照相比，各處理不同程度地降低了試管薯活力。12%蔗糖處理使16-3-4 和16-12-3 的試管薯活力顯著降低；40 mmol/L 高鉀處理使16-6-1、16-6-8、16-6-12、16-9-18 試管薯活力極顯著或顯著降低；0.5 mmol/L 水楊酸處理使16-3-4、16-4-1、16-6-1、16-6-8、16-7-9 和16-12-3 的試管薯活力極顯著或顯著降低；其他的試管薯活力降低未達到顯著水平。

圖5 不同處理對單株淀粉產(chǎn)量的影響Figure 5 Effects of different treatments on starch yield per plant

圖6 不同處理對可溶性糖含量的影響Figure 6 Effects of different treatments on soluble sugar content

圖7 不同處理對試管薯活力的影響Figure 7 Effects of different treatments on microtuber vitality

此外，試驗測定了彩色馬鈴薯的花青素含量，但由于試管薯本身花青素含量較低，與對照相比，除12%蔗糖處理顯著提高了16-6-12 的花青素含量外，12%蔗糖、40 mmol/L 鉀和0.5 mmol/L 水楊酸處理對各株系試管薯的花青素含量基本沒有顯著影響。

2.7 水楊酸與蔗糖提高彩色馬鈴薯試管薯產(chǎn)量成本分析

從表3可以明顯看出，12%蔗糖處理和0.5 mmol/L水楊酸處理均能提高彩色馬鈴薯試管薯產(chǎn)量，降低成本，但綜合來看后者的效果更佳，生產(chǎn)1 kg 試管薯可節(jié)約試劑成本43.11%，有較大優(yōu)勢，具有實際應(yīng)用價值。

表3 成本分析Table 3 Cost analysis

3 討論與結(jié)論

12%蔗糖處理不僅能提高彩色馬鈴薯試管薯單株產(chǎn)量，還使淀粉含量升高，提高了單株淀粉產(chǎn)量。已知蔗糖是光合作用的主要產(chǎn)物，也是植物體內(nèi)碳水化合物運輸?shù)闹饕问剑瑫r還是淀粉合成的前體物質(zhì)，能提供能源和物質(zhì)合成基礎(chǔ)[22]。因此，適當?shù)脑黾诱崽枪?yīng)能促進結(jié)薯，并能提高優(yōu)質(zhì)馬鈴薯重要指標之一的淀粉含量。

0.5 mmol/L 水楊酸處理極顯著提高了彩色馬鈴薯試管薯單株產(chǎn)量，不同株系增產(chǎn)幅度19%～192%，這一結(jié)果與韓德俊、A.Nistor、陳大清等[23-25]的研究相似；同時，水楊酸有很強的塊莖誘導(dǎo)活性，能促進馬鈴薯試管薯的形成[26]，進而提高產(chǎn)量，這與茉莉酸促進結(jié)薯的效果相似[27-29]，也與水楊酸對類似的薯類作物甘薯的增產(chǎn)效應(yīng)相似[30]。但是，水楊酸在提高產(chǎn)量的同時降低了淀粉含量，而蔗糖處理能同時提高產(chǎn)量和淀粉含量，推測蔗糖作為有機碳源的直接供應(yīng)物，其提高能保證淀粉合成所需，而水楊酸雖然能促進結(jié)薯，但因碳源供應(yīng)不足，使產(chǎn)量提高的同時淀粉含量略有下降，存在稀釋效應(yīng)，因此試管薯誘導(dǎo)中，保證碳源供應(yīng)有利于試管薯品質(zhì)形成。

鉀會影響光合產(chǎn)物的合成和運輸，影響馬鈴薯的產(chǎn)量及品質(zhì)，適量鉀有利于蔗糖向塊莖的運輸和塊莖膨大，還能促進淀粉合成。殷文等[31]研究表明，適量鉀對馬鈴薯塊莖的膨大有明顯的正效應(yīng)，還有提高馬鈴薯淀粉含量的作用，但高量鉀會出現(xiàn)負效應(yīng)，淀粉含量也呈下降趨勢。本試驗中40 mmol/L 高鉀處理同樣不僅不利于彩色馬鈴薯試管薯產(chǎn)量增加，反而一定程度地降低了淀粉含量和單株淀粉產(chǎn)量。這可能是因為基本MS 培養(yǎng)基中含有的鉀已經(jīng)能充分滿足試管薯生長所需，過高濃度的鉀可能造成滲透脅迫，不利于薯塊形成。

水楊酸具有促進結(jié)薯提前的作用，可比對照平均提前約15～25 d 形成直徑3～5 mm 薯塊。這與韓德俊等[16]報道的水楊酸可以刺激結(jié)薯和加速試管薯形成的研究結(jié)果一致。由此可以解釋0.5 mmol/L 水楊酸處理的薯塊活力偏低的問題，是由于部分株系屬于早熟材料，而水楊酸處理進一步使結(jié)薯提前，在檢測時薯塊已開始老化，造成活力偏低現(xiàn)象。

在本試驗的誘導(dǎo)體系中，彩色馬鈴薯試管薯能較好地生長，結(jié)合蔗糖、鉀和水楊酸處理對其產(chǎn)量和品質(zhì)相關(guān)指標影響的研究結(jié)果，可為工廠化生產(chǎn)試管薯提供一定依據(jù)，特別是0.5 mmol/L 水楊酸處理具有成本低、結(jié)薯效率高的優(yōu)點，有實際應(yīng)用價值。