菊芋塊莖貯藏過程中內(nèi)源激素水平的變化

張 宇，門果桃，馬郁瑾，蘭開龍，尹春艷，康文欽，王 喆

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010031；2.呼倫貝爾市農(nóng)畜產(chǎn)品質(zhì)量安全中心，內(nèi)蒙古海拉爾 021000）

菊芋（Helianthus tuberosusL.）是菊科（Compositae）向日葵屬（HelianthusL.）多年生宿根草本植物，產(chǎn)量高、效益顯著、抗逆性強(qiáng)[1-3]。菊芋塊莖富含菊糖、礦物質(zhì)、維生素，具有非常好的食用價值和藥用價值[4]。菊芋主要的繁殖器官是地下塊莖，塊莖收獲后需要經(jīng)過一段時間的貯藏休眠。塊莖休眠是一個非常復(fù)雜的生物學(xué)過程，從休眠到萌發(fā)需要經(jīng)過一系列物質(zhì)的分解和合成，植物激素也發(fā)生明顯變化，這一生理性休眠是不可逆轉(zhuǎn)的。SCHUYLER[5]將休眠的過程分為誘導(dǎo)、維持、解除、萌發(fā)4 個階段；門福義等[6]將馬鈴薯塊莖的休眠期分為3 個階段，即生理后熟階段、休眠階段和萌發(fā)階段。目前，關(guān)于菊芋育種、栽培、產(chǎn)品加工等方面的研究較多，而菊芋休眠生理相關(guān)的研究報道較少，其休眠調(diào)控機(jī)制的研究還未被詮釋。近年來，隨著大眾對菊芋塊莖保健功效的認(rèn)知，需求量逐年加大，但貯藏或運(yùn)輸過程中如果方式不當(dāng)，菊芋塊莖的食用、經(jīng)濟(jì)價值會降低[7]。因此，研究塊莖休眠調(diào)控機(jī)制對菊芋等塊莖類作物生產(chǎn)和研發(fā)有著重要的現(xiàn)實意義，但目前還沒有與菊芋塊莖休眠調(diào)控機(jī)制相關(guān)的研究報道。本試驗以土默川菊芋為材料，研究自然條件下沙藏后，不同貯藏時間對菊芋塊莖休眠及休眠解除萌發(fā)階段ABA、IAA、GA3含量的影響，揭示不同休眠階段菊芋塊莖激素含量的變化規(guī)律，為進(jìn)一步探索菊芋塊莖休眠機(jī)理提供理論依據(jù)，為菊芋栽培打破休眠提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

菊芋品種選用土默川菊芋（Helianthus tuberosusL.cv.Tumet）。土默川菊芋是內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院經(jīng)過多年系統(tǒng)選育而成，2016年通過內(nèi)蒙古自治區(qū)草品種審定委員會審定。試驗材料統(tǒng)一種植于內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院托克托縣基地。

1.2 處理和貯藏

2019年11月下旬隨機(jī)采收自然成熟的土默川菊芋植株，選取完整、飽滿、整齊、無病蟲害的塊莖晾干表皮，并將塊莖分裝在網(wǎng)袋中（10 顆一組，3 個重復(fù)），放置于內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院淺窖中沙藏，相對濕度92%～96%。

1.3 樣品準(zhǔn)備

根據(jù)菊芋塊莖均在3月中下旬頂芽萌發(fā)（內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院院內(nèi)），分別在貯藏0、30、60、90、120 d 取樣，并清洗干凈切成小塊用錫箔紙包裹后置于50 mL 離心管中，速凍于液氮，轉(zhuǎn)至-80 ℃冰箱保存，以備統(tǒng)一測定內(nèi)源激素含量。

1.4 測定項目與方法

內(nèi)源激素：赤霉素（GA3）、脫落酸（ABA）和吲哚乙酸（IAA）含量測定均按照Elisa 試劑盒說明書進(jìn)行操作，采用酶聯(lián)免疫吸附測定法。試劑盒使用時均在弱光下進(jìn)行。

取1.0 g（精確到0.001 g）樣品，用體積分?jǐn)?shù)為80%的甲醇溶液［含二叔丁基對甲苯酚（BHT）1 mmol/L］研磨勻漿后，在4 ℃條件下提取8 h，于4 ℃、1 000×g下離心10 min；取上清液重復(fù)提取2 次；合并上清液，用Sep-Pack C18 柱純化，經(jīng)氮氣吹干用含明膠和吐溫的磷酸緩沖液（含0.5%明膠和0.1%吐溫-20 的PBS）溶解并定容至2 mL，待測。Elisa 試劑盒由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)提供，在492 nm 下測定吸光度值，以ng/g（鮮重）表示激素的含量。

1.5 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2007 和SigmaPlot 10.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SAS V8 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

由圖1 可知，菊芋塊莖ABA、IAA、GA3的含量呈良好的線性關(guān)系，線性方程分別為y=43.885x-0.849，R2=0.998；y=33.166x-1.691，R2=0.995；y=87.481x-1.003，R2=0.993。3 個線性方程R2均大于0.990，說明結(jié)果已達(dá)到植物激素標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性要求。

圖1 菊芋塊莖內(nèi)源激素標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

2.2 不同貯藏時間塊莖外觀及內(nèi)源激素含量的變化

由表1 可知，菊芋塊莖整個貯藏期間溫度變化有浮動，呈先降低后升高的趨勢，變幅-4.3～2.5 ℃、溫差6.8 ℃，貯藏0～90 d 溫度均＜0 ℃，貯藏120 d溫度上升到2.5 ℃（室溫達(dá)到6.6 ℃）；貯藏0～90 d塊莖無變化，120 d 塊莖出現(xiàn)微芽，休眠解除。

表1 不同貯藏時間貯藏溫度與塊莖外觀變化

由表2 可知，菊芋塊莖不同貯藏期間ABA、GA3、IAA 含量差異極顯著（P＜0.01），ABA 含量整體最高。ABA 是塊莖休眠解除的負(fù)調(diào)節(jié)劑，可維持塊莖的休眠，同時也是“應(yīng)急激素或脅迫激素”，有助于促進(jìn)逆境防御。本試驗中，整個貯藏期間ABA 含量的變化幅度是433.70～646.75 ng/g，呈上升-下降-快速下降趨勢，貯藏30 d 達(dá)到最大值，比貯藏前增加了49.12%，隨后逐漸下降，60～90 d 下降幅度最大，說明高含量的ABA 促進(jìn)塊莖休眠，低含量的ABA促進(jìn)塊莖解除休眠。90～120 d 是塊莖由休眠解除向發(fā)芽發(fā)展的緩慢過程。

由表2 可知，GA3含量變化呈上升-下降-上升趨勢，整個貯藏期間GA3含量的變化幅度是352.30～433.35 ng/g。貯藏30 d 達(dá)到第1 個峰值，比貯藏前增加了17.60%，隨后逐漸下降，90 d 下降至最低值；貯藏120 d 達(dá)到第2 個峰值，GA3含量比貯藏90 d 時增加了23.00%，說明GA3在塊莖休眠過程中也起到重要的調(diào)控作用，GA3含量提高可促進(jìn)菊芋塊莖芽萌發(fā)。

IAA 是植物生長促進(jìn)劑，一般含量較低。由表2可知，IAA 含量變化較平緩，隨著溫度的變化，IAA整體表現(xiàn)趨勢與GA3一致。本試驗整個貯藏期間IAA 含量的變化幅度是45.76～69.27 ng/g。貯藏30 d達(dá)到第1 個峰值，比貯藏前增加了6.66%，隨后逐漸下降，90 d 下降至最低值；貯藏120 d 達(dá)到第2 個峰值，IAA 含量比貯藏90 d 時增加了51.38%，說明菊芋塊莖休眠解除后，IAA 含量變化極為明顯。

2.3 不同貯藏時間內(nèi)源激素比值的變化

不同激素對塊莖休眠起到不同的作用，相互之間的平衡關(guān)系反映了菊芋休眠的程度。由表2 可知，不同貯藏時間GA3/ABA 和IAA/ABA 均小于1，且差異極顯著（P＜0.01），變幅分別為0.629～0.962 和0.082～0.154，GA3/ABA 變幅更大。隨著貯藏時間的延長，兩個比值均呈先降后升的趨勢，低含量的生長促進(jìn)類激素，特別是GA3的迅速降低，減少了對生長抑制激素ABA 的制約，使ABA 在休眠中發(fā)揮主要作用。但隨著GA3的迅速上升，ABA 被制約，菊芋塊莖休眠解除并促進(jìn)塊莖萌發(fā)。雖然IAA 在休眠期間占比偏少，但在休眠解除至頂芽萌發(fā)過程中也逐漸升高，說明菊芋塊莖休眠解除過程取決于不同激素間含量的增加或減少以及激素間的相互平衡。

表2 貯藏期間菊芋塊莖內(nèi)源激素含量變化

3 討論與結(jié)論

塊莖作物在收獲后仍是活生物體，還會與周圍環(huán)境相互作用。為了保證塊莖的營養(yǎng)和外觀品質(zhì)，需要對其進(jìn)行貯藏保存。貯藏環(huán)境的溫度、濕度和空氣流動都會影響塊莖類作物的品質(zhì)，溫度是最重要的影響因素。研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯在≤7 ℃環(huán)境下，塊莖中的糖不易轉(zhuǎn)化為淀粉；馬鈴薯在4 ℃時，盡管腐爛和呼吸作用繼續(xù)，但發(fā)育基本停止[8-9]。其他塊莖類如山藥、木薯和甘薯在12 ℃或更低的溫度下會遭受冷害或凍害，馬鈴薯、可可豆的冷害發(fā)生在2 ℃或更低的溫度[10-12]。菊芋塊莖的貯藏主要參考馬鈴薯的貯藏方式，由于菊芋可在-45 ℃于土層中安全越冬，菊芋發(fā)生冷害的溫度更低，冬季溫度較低的地區(qū)，可以考慮就地沙藏，或者待來年開春再收獲[13-14]。本試驗中，菊芋貯藏期間溫度的變化幅度為-4.3～2.5 ℃，相對濕度為92%～96%，溫度緩慢變化和較高的相對濕度可以防止菊芋塊莖水分的流失和腐爛導(dǎo)致的過度皺縮。沙藏可以作為內(nèi)蒙古地區(qū)節(jié)省成本的貯藏方式。菊芋適宜萌發(fā)的平均氣溫是6 ℃左右，本試驗中，貯藏90～120 d，溫度變化-0.4～2.5 ℃（氣溫-1.0～6.6 ℃），已到達(dá)菊芋萌發(fā)的過渡溫度，塊莖休眠解除，出現(xiàn)微芽。

植物激素不僅調(diào)控植物生長發(fā)育進(jìn)程，而且在不利的環(huán)境中起著至關(guān)重要的作用。ABA 會在休眠狀態(tài)和逆境條件下大量合成，促進(jìn)氣孔關(guān)閉，調(diào)節(jié)水分輸送以提高細(xì)胞膜的通透性；還可通過誘導(dǎo)植物滲透物質(zhì)和保護(hù)酶活性的提高增加細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和完整性，進(jìn)而增強(qiáng)植物的休眠特性和抗逆性[15-16]。楊勇[17]對不同品種狗牙根抗寒性及相關(guān)生理生化機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，自然低溫脅迫過程中，抗寒性較強(qiáng)的品種ABA 含量能維持較高的水平。在本試驗中，菊芋塊莖在低溫貯藏前期，ABA 含量顯著增加，也為激素積累應(yīng)對外界環(huán)境提供了保證，上升幅度較其他激素明顯，因此，可以促進(jìn)菊芋塊莖保持休眠并使其適應(yīng)冬季的低溫。

隨著相關(guān)研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)不同的植物激素對植物的調(diào)控存在明顯差異。GA3可促進(jìn)組織的生長和打破休眠，能誘導(dǎo)多種水解酶合成，從而促進(jìn)糖類、蛋白質(zhì)等物質(zhì)的分解。雖然植物中IAA 含量甚微，但作用不容小覷，IAA 能增強(qiáng)核酸和蛋白質(zhì)的合成，影響芽的萌發(fā)和生長[18-21]。植物激素在不同階段都是相互關(guān)聯(lián)、相互作用的，菊芋塊莖休眠相關(guān)的研究中也得出，激素ABA 含量的占比會在進(jìn)入休眠末期而減少[22]。劉悅善等[20]對馬鈴薯種薯貯藏休眠期間內(nèi)源激素變化研究發(fā)現(xiàn)，隨著貯藏時間的推移和環(huán)境溫度的變化，GA3含量會顯著上調(diào)，IAA 含量在貯藏后期會顯著上調(diào)，但ABA 含量會顯著下調(diào)。朱海旺[23]研究發(fā)現(xiàn)，山藥塊莖在休眠過程中，GA3含量及GA3/ABA 逐漸升高，而ABA 含量逐漸降低，這與本試驗的結(jié)論一致，也進(jìn)一步驗證塊莖休眠是不同類型激素平衡協(xié)調(diào)進(jìn)行調(diào)控的結(jié)果，而不是單一激素作用的結(jié)果[24-26]。