休眠期石蒜鱗莖NSC分布格局

蔡軍火 ，魏緒英，陳慧婷，馮 浪，張 瑤，馬美霞，張 露*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與藝術(shù)學(xué)院，江西南昌 330045；2.江西財(cái)經(jīng)大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，江西南昌 330032）

【研究意義】石蒜在民間又被稱為蟑螂花、龍爪花，為石蒜科（Amaryllidaceae）石蒜屬（Lycoris）植物[1]，具有自發(fā)的“夏眠”特性[2]，秋季花后萌葉，花葉不相見(jiàn)，被稱為“魔術(shù)花”。其夏眠習(xí)性與亞熱帶地區(qū)的夏季濕潤(rùn)氣候不相協(xié)調(diào)[3]，科學(xué)研究?jī)r(jià)值特殊。因其“花期難以有效調(diào)控”，在世界切花產(chǎn)業(yè)中至今“默默無(wú)聞”[4]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)石蒜屬植物做了大量研究，涉及育種、系統(tǒng)分類與進(jìn)化、生長(zhǎng)發(fā)育、繁殖栽培技術(shù)和資源開(kāi)發(fā)等方面[5]。但從鱗莖“源?庫(kù)”功能轉(zhuǎn)化的視角探析石蒜的生長(zhǎng)發(fā)育與休眠機(jī)制方面，卻鮮見(jiàn)報(bào)道?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSC）是碳水化合物生產(chǎn)過(guò)剩時(shí)積累的暫時(shí)儲(chǔ)存和植物生長(zhǎng)代謝過(guò)程中重要的能量供應(yīng)物質(zhì)，主要包括淀粉和可溶性糖（如蔗糖、葡萄糖、果糖等）[6?9]。淀粉作為光作合用的最終產(chǎn)物，在石蒜屬植物鱗莖中的含量約40%[10?11]。淀粉作為重要的長(zhǎng)期存貯物質(zhì)，主要供應(yīng)植物將來(lái)生長(zhǎng)發(fā)育的需求[12]，其合成也始終伴隨著生長(zhǎng)過(guò)程[13]。可溶性糖是植物主要的光合產(chǎn)物和糖代謝及運(yùn)轉(zhuǎn)形式[14?15]，在滲透調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用[16?17]。蔗糖不僅是光合作用的第一產(chǎn)物，還是淀粉合成的底物，直接關(guān)系到鱗莖的營(yíng)養(yǎng)狀況[18?19]。植物的生理休眠和解除與碳水化合物的積累、轉(zhuǎn)化、代謝關(guān)系甚密[20]?！暗蜏靥腔爆F(xiàn)象在許多球根類植物中存在[21?22]，在低溫破眠過(guò)程中淀粉水解成糖類，NSC含量升高[23]。【本研究切入點(diǎn)】石蒜具有養(yǎng)分回收率高、耐瘠薄和干旱以及花葉不相見(jiàn)、根葉生長(zhǎng)不同步等與眾不同的生態(tài)學(xué)和生物學(xué)特性[24]，其生理、生態(tài)機(jī)制缺乏深入研究。為探究紅花石蒜生理休眠與碳水化合物的積累、轉(zhuǎn)化、代謝關(guān)系，本文在前期的物候觀察與生長(zhǎng)節(jié)律研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注休眠期不同徑級(jí)鱗莖不同部位的NSC主要組份的含量及其分布格局。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】旨在從紅花石蒜鱗莖內(nèi)的NSC時(shí)空分布視角（NSC含量與鱗莖的大小、部位、植物的發(fā)育階段的關(guān)系），初步解析了其休眠生理。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 供試材料

供試種球?yàn)橐N的野生紅花石蒜（Lycoris radiata），以3種不同徑級(jí)（大球：3.5～4.0 cm、中球：2.5～3.0 cm、小球：1.5～2.0 cm）生長(zhǎng)健壯的石蒜于2016年11月定植于江西業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地。于2019年8月4日（休眠期），隨機(jī)挖掘3種不同徑級(jí)（大球：3.5～4.0 cm、中球2.5～3.0 cm、小球：1.5～2.0 cm）的地下鱗莖，各45粒，分3次重復(fù)（每次重復(fù)15粒），去除葉片、根系，洗凈后置于冰盒中，一并作為樣品待測(cè)。在低溫條件下取其鱗莖內(nèi)層（1～4片）、中層（5～8片）、外層（9～12片）鱗片，切碎混勻，準(zhǔn)確稱取0.5 g，裝袋密封（或用錫箔紙包好）、編號(hào)，液氮速凍后置于?80 ℃超低溫冰箱保存?zhèn)溆?，用于測(cè)定各生理指標(biāo)。

1.2 測(cè)定方法

鱗莖中的淀粉和可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定，果糖、蔗糖、葡萄糖的含量使用北京索萊寶科技有限公司檢測(cè)試劑盒（Beijing Solarbio Science & Technology Co.，Ltd，型號(hào)分別為BC2460、BC2450、BC2500）和采用分光光度法檢測(cè)。蔗糖、果糖、葡萄糖與基質(zhì)液作用，其產(chǎn)物分別在480，480，505 nm處有最大吸收峰。

先稱取0.1～0.2 g樣品，常溫研碎，加入1 mL提取液，適當(dāng)研磨后快速轉(zhuǎn)移至離心管中，置于80 ℃（蔗糖和果糖）或沸水（葡萄糖）的水浴鍋中10 min（蓋緊管口，防止水分散失），振動(dòng)3～5次，冷卻后，25 ℃下（蔗糖和葡萄糖）或常溫（果糖）下離心（4 000 r/s）10 min，取上清液；再加入1 mL提取液，25 ℃下（葡萄糖和果糖）或常溫下（蔗糖）離心（4 000 r/s）10 min，取上清液備用；混勻，置80 ℃（蔗糖和果糖）或25 ℃（葡萄糖）水浴中反應(yīng)，保溫10 min，冷卻后于480 nm和505 nm波長(zhǎng)下讀取吸光度。將可見(jiàn)分光光度計(jì)預(yù)熱30 min，波長(zhǎng)調(diào)至相應(yīng)波長(zhǎng)，蒸餾水調(diào)零。

2 結(jié)果與分析

2.1 相同NSC組分在不同徑級(jí)鱗莖內(nèi)的含量差異

從圖1可以得知，在鱗莖的相同部位，不同徑級(jí)（大、中、小）鱗莖內(nèi)的淀粉含量差異顯著（P<0.05），以中球的淀粉含量最高。其中，中球中的中層和內(nèi)層鱗片內(nèi)的淀粉含量顯著高于小球，而小球又顯著高于大球；在外層鱗片內(nèi)，盡管中球和大球中的淀粉含量顯著高于小球，但中球與大球間淀粉含量差異不顯著；在鱗莖盤(pán)內(nèi)，中球的淀粉含量顯著高于大球和小球，但大球和小球內(nèi)的鱗莖盤(pán)內(nèi)淀粉含量差異不顯著。這表明，在石蒜的生長(zhǎng)過(guò)程中，鱗莖的中層起到主要的貯藏功能——即“庫(kù)”的作用。

圖2表明，在鱗莖的相同部位，不同徑級(jí)（大、中、?。[莖內(nèi)的可溶糖含量差異顯著（P<0.05），由大到小依次為中球、大球和小球。其中，外層、內(nèi)層、鱗莖盤(pán)內(nèi)的可溶性糖含量由大到小也均表現(xiàn)為中球、大球和小球，但大球、小球中的外層鱗片內(nèi)可溶性糖含量無(wú)顯著差異；另外，小球中層鱗片內(nèi)的可溶性糖含量顯著高于大球。

圖1 不同徑級(jí)鱗莖淀粉含量比較Fig.1 The comparison of starch content in bulbs of different diameters

圖2 不同徑級(jí)鱗莖可溶性糖含量比較Fig.2 The comparision of soluble sugar content in bulbs of differnet sizes

圖3 不同徑級(jí)鱗莖葡萄糖含量比較Fig.3 The comparision of glucose content in bulbs of differnet sizes

從圖3得知，與淀粉、可溶性糖含量表現(xiàn)不一致，在鱗莖的相同部位，不同徑級(jí)鱗莖內(nèi)的葡萄糖含量差異顯著（P<0.05），由大到小依次為小球、大球和中球。小球的4個(gè)部位（內(nèi)層、中層、外層鱗片及鱗莖盤(pán)）內(nèi)的葡萄糖含量均分別顯著高于中球。除中層鱗片外，大球的內(nèi)層、外層及鱗莖盤(pán)內(nèi)的葡萄糖含量又分別均顯著高于中球。其中，中層鱗片葡萄糖含量以小球最高，顯著高于大、中球。這說(shuō)明，在石蒜鱗莖成長(zhǎng)（膨大）過(guò)程中，葡萄糖的含量變化表現(xiàn)為是由高至低的變化趨勢(shì)。

圖4顯示，大球的內(nèi)層、中層及鱗莖盤(pán)內(nèi)的蔗糖含量均分別顯著高于中球和小球。而中球的內(nèi)層、中層、外層鱗片內(nèi)的蔗糖含量又均顯著高于小球。但鱗莖盤(pán)內(nèi)的蔗糖卻以大球最高，其次為小球，最低為中球。推測(cè)可能與蔗糖作為植物光合作用的第一產(chǎn)物，經(jīng)鱗莖盤(pán)這個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)，由內(nèi)向外運(yùn)輸?shù)酵鈱喻[片（轉(zhuǎn)化為淀粉臨時(shí)貯藏）有關(guān)。因?yàn)樵谂R近開(kāi)花的休眠期，中球鱗莖盤(pán)中的蔗糖首先向內(nèi)層轉(zhuǎn)運(yùn)（促使內(nèi)層蔗糖含量升高），因而蔗糖含量快速下降。

圖4 不同徑級(jí)鱗莖蔗糖含量比較Fig.4 The comparision of sucrose content in bulbs of differnet sizes

圖5 不同徑級(jí)鱗莖果糖含量比較Fig.5 The comparision of fruitose content in bulbs of differnet sizes

果糖為單糖，是葡萄糖的同分異構(gòu)體，以游離狀態(tài)大量存在于石蒜鱗莖的漿液中。從圖5可知，不同徑級(jí)的石蒜鱗莖內(nèi)的果糖差異顯著。其中，小球中的內(nèi)、中、外層鱗片中的果糖含量均顯著高于中球，中球又顯著大于大球。但鱗莖盤(pán)內(nèi)的果糖含量卻以大球最高，其次為小球，中球最低，與蔗糖的含量表現(xiàn)一致。說(shuō)明，果糖也是作為NSC轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)之一，其轉(zhuǎn)運(yùn)路徑與蔗糖相似。

綜合圖1～5可知，在不同徑級(jí)的紅花石蒜鱗莖中，相同的NSC組分（淀粉、可溶性糖、葡萄糖、蔗糖、果糖）差異顯著。但不同徑級(jí)鱗莖內(nèi)NSC含量的差異（即中球>大球>小球）在0.05水平不顯著（圖6）。而在同一徑級(jí)鱗莖中的不同部位，NSC的總含量差異顯著（P<0.05）。這說(shuō)明，鱗莖的大小較鱗莖的部位對(duì)NSC含量的影響更小。

圖6 不同徑級(jí)鱗莖內(nèi)NSC總含量比較Fig.6 Comparision of NSC content in bulbs of differnet sizes

2.2 相同NSC組分含量在鱗莖內(nèi)不同部位間的差異

圖7表明，在小徑級(jí)（1.5～2.0 cm）的石蒜鱗莖中，相同NSC組份在4種不同部位中的含量差異顯著，由大到小依次為中層、內(nèi)層、外層鱗片和鱗莖盤(pán)。而相同部位中的不同NSC組份差異也顯著，由大到小依次為淀粉、可溶性糖、果糖、蔗糖和葡萄糖。其中，淀粉、可溶性糖、葡萄糖及果糖的含量均以中層鱗片最高，而蔗糖含量以外層鱗片最高。此外，果糖在小鱗莖的內(nèi)層鱗片和鱗莖盤(pán)中的含量無(wú)顯著差異。

圖7 小球不同部位NSC含量比較Fig.7 The comparision of NSC content in different parts of small bulb

圖8表明，在中等徑級(jí)（2.5～3.0 cm）的石蒜鱗莖中，相同NSC組份在4種不同部位中的含量差異也在0.05水平顯著，由大到小依次為中層、內(nèi)層、外層鱗片和鱗莖盤(pán)。相同部位中的不同NSC組份差異也顯著，由大到小依次為淀粉、可溶性糖、果糖、蔗糖和葡萄糖。其中，蔗糖含量以外層鱗片最高，而其余4種NSC組份（淀粉、可溶性糖、葡萄糖、果糖）的含量均以中層鱗片最高，與小球的表現(xiàn)基本一致。不同的是，葡萄糖分別在中球的3個(gè)部位（內(nèi)層鱗片、外層鱗片和鱗莖盤(pán)）中的含量無(wú)顯著差異，但果糖在中球的內(nèi)層和鱗莖盤(pán)內(nèi)的含量差異顯著。

圖9表明，大徑級(jí)的石蒜鱗莖（3.5～4.0 cm）中，4種不同部位中的相同NSC組份含量差異顯著而相同部位中的不同NSC組份差異也顯著，由大到小依次為淀粉、可溶性糖、果糖、蔗糖和葡萄糖。其中，淀粉、可溶性糖的含量均以中層鱗片最高，而葡萄糖以外層鱗片含量最高，蔗糖和果糖的含量卻均以鱗莖盤(pán)最高。推測(cè)可能是在休眠期后期，大徑級(jí)鱗莖（即開(kāi)花種球）的內(nèi)層鱗片需要為石蒜后續(xù)抽葶準(zhǔn)備大量活躍態(tài)的能源物質(zhì)，從而導(dǎo)致中層鱗片更多的活躍態(tài)NSC輸出和外層鱗片內(nèi)淀粉水解的增強(qiáng)，從而導(dǎo)致鱗莖盤(pán)內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)糖分（果糖）的增加。

圖8 中球不同部位NSC含量比較Fig.8 The comparision of NSC content in different parts of medium bulb

圖9 大球不同部位NSC含量比較Fig.9 The comparision of NSC content in different parts of large bulb

2.3 相關(guān)性分析

表1顯示，NSC總含量、淀粉、可溶性糖均與鱗莖的大小無(wú)顯著相關(guān)性，卻均與鱗莖的器官部位顯著負(fù)相關(guān)（R=0.74、0.67、0.75）；而鱗莖的大小與石蒜鱗莖內(nèi)的蔗糖含量呈極顯著的正相關(guān)（R=0.47），與果糖的含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（R=?0.64）。這表明，鱗莖越大，蔗糖含量越高，果糖含量越低。

表1 鱗莖內(nèi)不同NSC組分間的相關(guān)性分析Tab.1 The correlation analysis among different NSC components in bulbs

此外，NSC總含量與淀粉、可溶性糖的含量呈極顯著的正相關(guān)（R=0.96），淀粉與可溶性糖的含量間也呈極顯著的正相關(guān)（R=0.85），且二者均與鱗莖的部位呈極顯著的負(fù)相關(guān)（內(nèi)層高于外層）。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同徑級(jí)的石蒜鱗莖內(nèi)NSC的分配特征

NSC是石蒜鱗莖內(nèi)重要的貯藏、代謝和調(diào)控物質(zhì)，對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。植物組織中NSC含量在一定程度上反映其可供利用的物質(zhì)水平[25?26]。有研究表明，薯塊越大，所含淀粉的粒徑越小，粘度越低[27]。本試驗(yàn)卻表明，對(duì)于紅花石蒜的3種不同徑級(jí)的鱗莖，NSC總含量及淀粉、可溶性糖的含量由大到小均表現(xiàn)為中球、大球和小球，但不同徑級(jí)的NSC總含量差異不顯著（P<0.05）。這與在3種不同規(guī)格的中國(guó)石蒜鱗莖中，大（積累型淀粉）、小淀粉粒（動(dòng)態(tài)型淀粉）的比例沒(méi)有顯著差異的結(jié)果相近[28]。

為什么中徑級(jí)鱗莖內(nèi)的NSC（淀粉和可溶性糖）的質(zhì)量濃度會(huì)相對(duì)高于大球和小球？推測(cè)在鱗莖的動(dòng)態(tài)發(fā)育過(guò)程中，小球在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中分別主要以發(fā)揮“源”的功能為主，而大球主要以“庫(kù)”的功能為主，而中球處于“庫(kù)?源”相對(duì)平衡階段（鱗莖內(nèi)養(yǎng)分的消耗和積累均較活躍），NSC含量相對(duì)較最高。但不同徑級(jí)的NSC含量差異不顯著。因?yàn)椴煌|(zhì)量的鱗莖球內(nèi)部物質(zhì)代謝規(guī)律相同，球徑大小不影響鱗片內(nèi)的生長(zhǎng)發(fā)育模式[11]。但不排除與淀粉的粒徑變化有關(guān)。

3.2 在同一鱗莖內(nèi)不同部位間的NSC分布特征

淀粉粒在鱗莖的縱向分布上是均勻的，而在橫向分布上是不均勻的[28]。石蒜鱗莖不同部位的淀粉和糖的含量均有明顯差別，前者由大到小依次為內(nèi)層鱗片、中層鱗片、外層鱗片和鱗莖盤(pán)，可溶性糖由大到小依次為外層鱗片、中層鱗片、內(nèi)層鱗片和鱗莖盤(pán)[28]。在本研究中，處于休眠期的石蒜鱗莖內(nèi)NSC、淀粉、可溶性糖的含量均以中層鱗片最高，總體由大到小依次為中層、內(nèi)層、外層鱗片和鱗莖盤(pán)；大球的外層鱗片中的葡萄糖含量顯著高于其他部位，而蔗糖（水解后為葡萄糖和果糖）和果糖含量以鱗莖盤(pán)中最高；而在中、小球中，外層鱗片中的蔗糖含量明顯高于其他3個(gè)部位，果糖含量仍以中層鱗片最高。這從側(cè)面證實(shí)了鱗莖盤(pán)內(nèi)的代謝活動(dòng)較弱，以能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)（同化物代謝的中轉(zhuǎn)站）和臨時(shí)儲(chǔ)藏淀粉為主要功能[28]。這與王曉靜[11]和邵京[28]的結(jié)果部分相似，但不完全相同。這可能與試驗(yàn)材料（物種）、取樣時(shí)間（如籽鱗莖分生時(shí)）的不同有關(guān)。因?yàn)樵诓煌l(fā)育期，鱗莖各部位鱗片的物質(zhì)變化幅度不同，鱗莖盤(pán)與鱗片的物質(zhì)變化趨勢(shì)也不完全相同[28]。

其中，大球的外層鱗片因年齡較老，在紅花石蒜的休眠后期（即將抽葶），主要作為“營(yíng)養(yǎng)源”，為內(nèi)層鱗葉生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)；而中層鱗葉主要作為備用“營(yíng)養(yǎng)源”，與外層鱗葉共同向內(nèi)層鱗葉（生長(zhǎng)發(fā)育的主要活動(dòng)中心）的生長(zhǎng)發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[28]。因此，外層鱗片的可溶性糖和淀粉均顯著低于內(nèi)層。這與鱗莖更新時(shí)，母鱗莖淀粉含量總體下降，新鱗莖內(nèi)鱗片內(nèi)的淀粉含量上升[29]，蔗糖與可溶性糖總量明顯增加（尤其是外層鱗片）的原理相似[30]。

3.3 NSC各組分與鱗莖大小、部位相關(guān)性分析

紅花石蒜鱗莖中的淀粉含量以休眠期最高（約30%），其次為抽葶期和枯葉期，以展葉期最低[28]。鱗片中淀粉含量的急劇下降（生育前期）或增加（功能葉完全展開(kāi)后），分別是其作為“源”或“庫(kù)”的標(biāo)志[31]。這說(shuō)明，鱗莖內(nèi)的NSC含量與石蒜的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)。在本實(shí)驗(yàn)中，休眠期石蒜鱗莖中的蔗糖與鱗莖的大小呈極顯著正相關(guān)，果糖則正好相反；而NSC總含量、淀粉、可溶性糖、葡萄糖含量均與鱗莖的大小無(wú)顯著相關(guān)性。這說(shuō)明鱗莖的大小僅會(huì)在一定程度上顯著影響其NSC組分的構(gòu)成，但作用有限。另外，NSC、淀粉、可溶性糖含量均與鱗莖的器官部位顯著負(fù)相關(guān)（內(nèi)層高于外層）。這在很大程度上與石蒜鱗莖的特殊結(jié)構(gòu)及其能量物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)方式有關(guān)。

可溶性糖是淀粉合成的底物，其含量的高低與淀粉積累密切相關(guān)[15,18?19]。本實(shí)驗(yàn)也表明，NSC總含量、淀粉、可溶性糖含量之間呈極顯著的正相關(guān)?？扇苄蕴鞘侵参镏苯涌衫玫奶妓衔镄问?，其含量高低體現(xiàn)了可直接利用態(tài)的物質(zhì)和能量供給狀況[32]。但作為還原糖的葡萄糖含量卻與鱗莖大小、部位及NSC的其他組分（淀粉、可溶性糖、蔗糖、果糖）均無(wú)顯著相關(guān)性。這可能與該階段石蒜地下部分處于休眠狀態(tài)有關(guān)（呼吸作用弱、沒(méi)有光合作用和劇烈的糖代謝活動(dòng)、體內(nèi)碳水化合物的運(yùn)轉(zhuǎn)強(qiáng)度低）。

蔗糖作為光合作用的第一產(chǎn)物，是可溶性糖中最重要和比例最高的糖分[33]，也是碳水化合物運(yùn)輸?shù)闹饕緩絒34]。然而，在本實(shí)驗(yàn)中，蔗糖的含量卻明顯偏低（甚至低于果糖）。推測(cè)在休眠期，石蒜鱗莖內(nèi)的蔗糖部分水解為果糖。

4 展 望

石蒜鱗莖不僅生物堿含量較高，還富含淀粉和膠質(zhì)，可用于制作漿糊、鋼件鑄造粘合劑[35]和純天然淀粉[36]，開(kāi)發(fā)前景廣闊。鱗莖是石蒜養(yǎng)分、非結(jié)構(gòu)性碳和水分的存貯庫(kù)[24]。糖和淀粉是石蒜屬植物鱗莖主要的養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)形式和養(yǎng)分貯藏形式[28]。本文在前期的物候與生長(zhǎng)節(jié)律觀察的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注了休眠期鱗莖內(nèi)NSC含量與鱗莖的大小、部位、植物的發(fā)育階段的相關(guān)性，從NSC分布格局的視角初步解析了其休眠生理，提出將NSC含量及其時(shí)空分布格局作為判別其發(fā)育階段的標(biāo)識(shí)之一。然而，對(duì)石蒜的全生育期、全株不同器官（葉片、鱗莖、根系）間的比較研究還有待深入，以進(jìn)一步揭示紅花石蒜的生理休眠和解除與碳水化合物的積累、轉(zhuǎn)化、代謝關(guān)系或鱗莖“庫(kù)?源”轉(zhuǎn)化的生理機(jī)制。