甘肅省馬鈴薯鐵鋅生物強(qiáng)化研究進(jìn)展

趙貴賓，朱永永*，熊春蓉，岳 云，趙小文，邊彩燕，羅 磊

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，甘肅 蘭州 730020；2.定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 定西 743000）

馬鈴薯是甘肅省三大糧食作物之一，也是助推甘肅省精準(zhǔn)脫貧的六大特色產(chǎn)業(yè)之一。進(jìn)入21世紀(jì)的前十年，全省種植面積和總產(chǎn)量快速增長，面積由2000 年的41.7 萬hm2增加到2010 年的64.5 萬hm2，年均增長2.27 萬hm2；鮮薯總產(chǎn)量由2000 年的525 萬t 增加到2010 年的926 萬t，年均增長40.1 萬t。2010 年以后，面積和總產(chǎn)相對(duì)穩(wěn)定下來，常年種植面積66.7萬hm2左右，鮮薯總產(chǎn)量1 000萬t以上。2017年種植面積為72.2萬hm2，位列全國第3，鮮薯總產(chǎn)量為1 300萬t，位居全國第2。近年來，甘肅省馬鈴薯種植規(guī)模逐年擴(kuò)大，區(qū)域優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)，種植效益明顯提升，產(chǎn)業(yè)化格局已經(jīng)形成。

通過對(duì)甘肅省馬鈴薯主栽品種、施肥技術(shù)、栽培模式的篩選、創(chuàng)新和集成，提高馬鈴薯塊莖中鐵鋅等微量元素含量，改善營養(yǎng)品質(zhì)，適應(yīng)現(xiàn)代膳食結(jié)構(gòu)需求，增加人體對(duì)必需微量營養(yǎng)元素的攝入量，預(yù)防微量營養(yǎng)元素缺乏問題，推進(jìn)馬鈴薯高品質(zhì)、高效益、高營養(yǎng)相統(tǒng)一，提升甘肅省馬鈴薯整體效益，是未來甘肅省馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。

1 開展生物強(qiáng)化的背景

1.1 隱性饑餓的危害

蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化含物、維生素、礦物質(zhì)和膳食纖維是人體營養(yǎng)的六大要素[1]。其中，微量元素是核心[2]。世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織把膳食中微量元素缺乏稱為“隱性饑餓”[3]。如果必需微量營養(yǎng)元素長期攝入不足，人體就會(huì)出現(xiàn)發(fā)育不良、體力下降等各種健康問題，甚至引發(fā)疾病[4]?！半[性饑餓”普遍存在于發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家，也同樣存在于城市和農(nóng)村。2014年聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織明確指出，全球約有20億人正遭受“隱性饑餓”的困擾[3]。中國近3億人處于“隱性饑餓”狀態(tài)[5]。

1.2 鐵鋅與人體健康的關(guān)系

1.2.1 鐵與人體健康的關(guān)系

鐵是人體內(nèi)含量最高的微量元素，成年人體內(nèi)含鐵為3～5 g[6]。鐵的生理功能一是參與體內(nèi)氧的轉(zhuǎn)運(yùn)、交換和組織呼吸過程，二是維持正常造血功能，三是增強(qiáng)免疫功能[7]。若膳食中長期供鐵不足，首先在嬰幼兒、孕婦中引起缺鐵性貧血，影響機(jī)體免疫力[8-10]。

1.2.2 鋅與人體健康的關(guān)系

鋅是人體必需的微量營養(yǎng)元素。正常成年人體內(nèi)鋅含量為2～3 g，僅次于鐵位居第2位[11-13]。一般來講，中度或重度鋅缺乏會(huì)影響正常的生長發(fā)育、生殖功能、免疫功能、消化功能、皮膚功能、視覺功能和衰老功能[14,15]。鋅缺乏已經(jīng)成為發(fā)展中國家疾病和死亡的第5大誘因[16,17]。如何合理和安全的補(bǔ)充鋅已經(jīng)引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注[18]。

因此，以提高馬鈴薯鐵鋅含量為目標(biāo)的鐵鋅生物強(qiáng)化意義重大。

1.3 生物強(qiáng)化的概念

生物強(qiáng)化是利用現(xiàn)代生物技術(shù)手段，提高植物對(duì)礦物質(zhì)的吸收、轉(zhuǎn)移和代謝的功能，從而在主要谷物中，產(chǎn)生更高的對(duì)人類營養(yǎng)健康有利的微量營養(yǎng)元素[19,20]。目前，生物強(qiáng)化主要有以下2種途徑，一是通過育種方法提高農(nóng)作物中微量營養(yǎng)元素的含量[21]。二是通過施肥技術(shù)的提升、栽培模式的改進(jìn)等來提高農(nóng)作物中微量營養(yǎng)元素含量[22-25]。

2 國內(nèi)外生物強(qiáng)化研究現(xiàn)狀

2.1 國際生物強(qiáng)化研究現(xiàn)狀

國際上早在1994 年就開始了相關(guān)研究，并于2002年啟動(dòng)了國際生物強(qiáng)化項(xiàng)目。經(jīng)過多年發(fā)展，已選育出多個(gè)富含鐵、鋅和維生素A 的作物新品種，并在世界上很多個(gè)國家開始種植，取得了明顯進(jìn)展[26,27]。

2.2 中國生物強(qiáng)化研究現(xiàn)狀

中國生物強(qiáng)化項(xiàng)目于2004年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院正式啟動(dòng)，目標(biāo)是預(yù)防中國人群中（尤其是貧困地區(qū)）廣泛存在的鐵、鋅、維生素A等微量營養(yǎng)的缺乏，改善目標(biāo)地區(qū)的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和飲食結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)改善當(dāng)?shù)刎毨巳何⒘繝I養(yǎng)元素缺乏的狀況[28,29]。目前，育成的中國生物強(qiáng)化作物已經(jīng)開始在部分區(qū)域種植，水稻有‘中廣香1號(hào)’，小麥有‘中優(yōu)9507’和‘京冬8號(hào)’，甘薯有‘巖薯5號(hào)’和‘徐薯22-5’[30-35]。

3 鐵鋅對(duì)馬鈴薯生長發(fā)育的影響

3.1 鐵對(duì)馬鈴薯生長發(fā)育的影響

鐵是馬鈴薯需求量最大的微量元素[36]。在馬鈴薯的生長發(fā)育中起到非常重要的作用，是參與光合作用和葉綠素合成的必需元素[37,38]，同時(shí)鐵還參與細(xì)胞內(nèi)的氧化還原反應(yīng)、電子傳遞等重要的生理過程[39]。

鐵充足時(shí)促進(jìn)馬鈴薯對(duì)氮、磷的吸收，鐵不足或過量，都會(huì)造成馬鈴薯塊莖淀粉含量減小，糖含量下降。馬鈴薯缺鐵時(shí)癥狀從幼苗開始，主要表現(xiàn)為幼苗及葉脈黃化，生長細(xì)弱，影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)[40]。據(jù)研究，塊莖中鐵的積累量自塊莖形成期開始持續(xù)增加，增加速率最快的時(shí)期是塊莖增長期末，到成熟期達(dá)最大值[41]。

3.2 鋅對(duì)馬鈴薯生長發(fā)育的影響

鋅也是馬鈴薯生長必需的微量元素之一[42]。不僅是高等植物體內(nèi)酶的金屬組分，還是酶在調(diào)節(jié)機(jī)制及結(jié)構(gòu)功能方面的輔助因子，參與作物體內(nèi)激素代謝、呼吸作用、光合作用等生理過程，以及蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)的合成[43]。

在生產(chǎn)中，合理的施用鋅肥，能顯著提高農(nóng)產(chǎn)品中的鋅含量[44]，增強(qiáng)了馬鈴薯對(duì)不良環(huán)境的抵抗力，提高了馬鈴薯的抗旱性[45]，促進(jìn)了馬鈴薯葉片中葉綠素的合成[46]。同時(shí)施加鋅肥對(duì)馬鈴薯的淀粉、維生素C、可溶性蛋白、鋅含量都有不同程度的影響[47-49]，主要表現(xiàn)在，施用適量的鋅肥可以提高馬鈴薯的產(chǎn)量，增加塊莖中淀粉、維生素C、可溶性蛋白以及鋅的含量，但是鋅肥施用量不是越多越好[50-52]。

4 甘肅省馬鈴薯鐵鋅生物強(qiáng)化研究進(jìn)展

為了填補(bǔ)國內(nèi)在馬鈴薯鐵鋅生物強(qiáng)化研究領(lǐng)域的空白，提升甘肅省馬鈴薯營養(yǎng)品質(zhì)，2013年甘肅省馬鈴薯鐵鋅生物強(qiáng)化項(xiàng)目正式啟動(dòng)，近年來主要開展了以下幾方面的工作。

4.1 篩選出富鐵鋅馬鈴薯品種

據(jù)分析，馬鈴薯資源材料塊莖鐵含量在11～30 mg/kg，鋅含量在8～25 mg/kg[53]。對(duì)甘肅省馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)采集的10個(gè)馬鈴薯品種進(jìn)行了鐵鋅元素含量分析，可以看出不同品種鐵鋅元素含量差異較大，圖1顯示，鐵含量排在前三位的是‘黑美人’、‘青薯168’、‘甘引1 號(hào)’，含量分別達(dá)到87.80，71.10 和69.54 mg/kg；圖2可以看出，鋅含量排在前三位的品種依次是‘隴薯6號(hào)’、‘黑美人’、‘青薯168’，含量分別達(dá)到28.96，25.64和24.06 mg/kg。

圖1 甘肅省馬鈴薯主栽品種鐵元素含量Figure 1 Contents of iron (Fe) in main potato varieties in Gansu Province

圖2 甘肅省馬鈴薯主栽品種鋅元素含量Figure 2 Contents of zinc (Zn) in main potato varieties in Gansu Province

表1 馬鈴薯種植區(qū)土壤微量元素鐵鋅缺乏狀況Table 1 Fe and Zn deficiency status of soil microelements in potato planting areas

4.2 初步劃定富鐵富鋅土壤區(qū)域

通過對(duì)甘肅省馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)環(huán)縣、莊浪縣、安定區(qū)和古浪縣4個(gè)縣（區(qū)）采集的土樣分析，參考甘肅微量元素普查資料，探究甘肅馬鈴薯不同種植區(qū)土壤中微量元素的含量，為推進(jìn)馬鈴薯鐵鋅生物強(qiáng)化工作提供科學(xué)依據(jù)。

從表1可以看出，馬鈴薯種植區(qū)土壤微量元素中，有效態(tài)鐵含量比臨界值低的土樣數(shù)占的比例很大，其中環(huán)縣和安定區(qū)土壤比臨界值低的土樣數(shù)占100%，其次是莊浪縣和古浪縣，分別占97.9%和81.0%，土壤中有效態(tài)鐵的缺乏與土壤呈堿性有關(guān)；環(huán)縣土壤中有效態(tài)鋅的含量比臨界值低的土樣數(shù)占的比例較大，為96.9%，其次為安定區(qū)和莊浪縣，分別占59.2%和51.1%，而古浪縣占的比例較小為28.6%。從以上分析可以看出，種植區(qū)土壤中有效態(tài)鐵、鋅都存在不同程度的缺乏現(xiàn)象。

4.3 研究提出增加馬鈴薯塊莖鐵鋅含量的技術(shù)

在微肥施用方面，要根據(jù)不同土壤環(huán)境及氣候條件確定施肥方法，如在石灰性土壤中缺鐵、鋅，以基肥施入可能大量被固定，難以起到應(yīng)有的效果，而浸種或葉面噴施效果則更好。

通過不同增施微肥方式對(duì)馬鈴薯塊莖鐵、鋅含量的影響研究得出，在現(xiàn)蕾期分別噴施0.2%的硫酸鋅、硫酸亞鐵、硫酸錳，開花期噴施0.2%的硫酸亞鐵，硫酸錳作基肥施入可提高塊莖鐵含量，提高2.0～9.0 mg/kg，而現(xiàn)蕾期噴施0.2%的硫酸鋅可使塊莖鋅含量提高2.2 mg/kg[54]。噴施時(shí)，將上述各種微肥按0.2%的水溶液（按化合物的含量計(jì)算）配制成液肥，分別噴施在馬鈴薯植株葉面，噴施前不添加表面活性劑。

4.4 制訂馬鈴薯富鐵富鋅栽培技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

制訂富鐵富鋅馬鈴薯栽培技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)提升馬鈴薯營養(yǎng)品質(zhì)具有重要的指導(dǎo)意義，將為富鐵富鋅馬鈴薯大面積推廣提供技術(shù)支撐。于2016年分別制訂了《無公害富鐵馬鈴薯栽培技術(shù)規(guī)程》[55]和《旱作區(qū)無公害富鋅馬鈴薯栽培技術(shù)規(guī)程》[56]，2016年12月13日由甘肅省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布，2017年1月15日實(shí)施。

5 展 望

通過近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，做好馬鈴薯鐵鋅生物強(qiáng)化，既要選擇富元素土壤優(yōu)勢區(qū)域，又要選擇鐵鋅含量高的品種，更要在分析當(dāng)?shù)赝寥牢⒘吭罔F鋅含量的基礎(chǔ)上有針對(duì)性的推廣強(qiáng)化栽培技術(shù)，多措并舉才能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

馬鈴薯鐵鋅生物強(qiáng)化工作在甘肅省還處于初步發(fā)展階段，可以借鑒的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)幾乎沒有?，F(xiàn)階段，有含量相對(duì)高的品種，但沒有專用品種，研究出農(nóng)藝技術(shù)措施，但還沒有區(qū)域技術(shù)模式。因此，根據(jù)目前的研究進(jìn)展情況，對(duì)未來甘肅省馬鈴薯鐵鋅生物強(qiáng)化項(xiàng)目的發(fā)展應(yīng)該注重以下三個(gè)方面。

（1）進(jìn)一步增加科研投入。一方面應(yīng)該加強(qiáng)專用品種選育工作，篩選馬鈴薯鐵鋅微量營養(yǎng)元素生物強(qiáng)化的新品種；另一方面要確定優(yōu)勢區(qū)域集成推廣生物強(qiáng)化技術(shù)措施，提高富鐵富鋅馬鈴薯產(chǎn)量，擴(kuò)大食用人群。

（2）進(jìn)一步加強(qiáng)宣傳推廣。馬鈴薯鐵鋅生物強(qiáng)化技術(shù)的成功離不開有效的宣傳培訓(xùn)與示范推廣，未來甘肅省馬鈴薯鐵鋅生物強(qiáng)化要重視推廣階段的工作，結(jié)合信息化技術(shù)與現(xiàn)代傳媒技術(shù)手段，提高消費(fèi)者的接受水平和普及率。

（3）進(jìn)一步強(qiáng)化交流合作。吸收和借鑒生物強(qiáng)化在其他國家開展的經(jīng)驗(yàn)，通過育種來增加馬鈴薯塊莖中鐵和鋅的含量[53]，實(shí)時(shí)做好國際比較和信息跟蹤，這對(duì)于提升甘肅省馬鈴薯生物強(qiáng)化工作尤為重要。要繼續(xù)加強(qiáng)與國際研究機(jī)構(gòu)的交流合作，充分借鑒已有的研究成果和成功經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)開展工作。同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)與省內(nèi)教學(xué)科研單位合作，組織各方力量，形成工作合力，共同開展工作。