蘇 旺

(青海大學農(nóng)林科學院/青海省農(nóng)林科學院/青海大學省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室/青海大學青藏高原生物技術教育部重點實驗室/青海省馬鈴薯育種重點實驗室,青海 西寧 810016)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)耐旱、耐瘠薄、水分利用效率高、抗災害能力強,是青海東部旱區(qū)的特色優(yōu)勢作物[1],其以塊大、整齊、淀粉含量高、退化輕等特性享譽國內(nèi)外[2],對推進種植業(yè)結構調(diào)整、保障糧食安全、改善居民膳食營養(yǎng)結構和增加農(nóng)民收入具有重要意義[3]。近二十年,微集雨技術,尤其是壟溝集雨覆蓋栽培技術逐漸成為青海東部旱區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)實踐中的主栽技術,可使無效、微效降水形成徑流,疊加到溝內(nèi),覆蓋后可抑制土壤水分蒸發(fā),促進水分下滲[4-5]。

目前,壟溝集雨覆蓋栽培技術的研究主要集中在土壤理化[6-9]、光合特性[10-11]、水分利用及產(chǎn)量[12-13]等方面,有關塊莖品質的報道較少。周進華等[14]研究表明,膜上覆土栽培提高了馬鈴薯塊莖干物質含量、總淀粉含量和蛋白質含量。羅磊等[15]研究認為,覆蓋壟作種植馬鈴薯塊莖干物質量、粗淀粉和粗蛋白含量較裸地種植降低。張淑敏等[16]研究發(fā)現(xiàn),壟作覆蓋黑白配色地膜和生物降解地膜較普通地膜可提高塊莖淀粉和維生素C含量、降低蛋白質含量。此外,馬鈴薯塊莖淀粉的結構與性質的研究多見于食品加工領域[17-20],而有關其對壟溝集雨覆蓋栽培技術的響應鮮見報道。

因此,本研究以旱作馬鈴薯生產(chǎn)上常用的2種壟溝集雨覆蓋栽培模式為對象,探討其對馬鈴薯塊莖形成過程中淀粉顆粒形態(tài)、顆粒分布及糊化特性的影響,以期為篩選青海東部旱區(qū)馬鈴薯優(yōu)質淀粉栽培措施提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗區(qū)概況

供試材料為馬鈴薯品種青薯9號,由青海大學農(nóng)林科學院提供。試驗于2018年4月至9月在青海省西寧市城北區(qū)青海大學農(nóng)林科學院試驗基地(36.73°N,101.75°E)進行。該基地海拔2 339 m,屬大陸性高原半干旱氣候,6—9月降水集中,占全年降水量的70%,年均降水量380mm,年均日照時數(shù)1 939.7 h,年均氣溫7.6℃,年均蒸發(fā)量1 363.6 mm,無霜期180 d。試驗地耕層土壤有機質17.2 mg·kg-1,pH值8.1,堿解氮147.1 mg·kg-1,速效磷21.0 mg·kg-1,速效鉀158.9 mg·kg-1。土壤質地為栗鈣土,地力水平中上等。

1.2 試驗設計

采用大田小區(qū)種植,單因素隨機區(qū)組排列,重復3次。設置2種壟溝集雨覆蓋栽培模式,分別為地膜壟作(M1)和全膜雙壟(M2),以露地平播(M0)為對照。其中,地膜壟作為寬窄行種植,壟寬60 cm,溝寬30 cm,壟高15 cm,窄行30 cm,寬行60 cm,選用幅寬90 cm地膜,小區(qū)面積5.4 m×5 m=27 m2,12行區(qū);全膜雙壟為寬窄行種植,大壟壟寬70 cm、壟高15 cm,小壟壟寬50 cm、壟高10 cm,窄行50 cm,寬行70 cm,選用幅寬120 cm地膜,小區(qū)面積6 m×5 m=30 m2,10行區(qū);露地平播為等行距種植,小區(qū)面積7 m×5 m=35 m2,行距70 cm,10行區(qū)。各小區(qū)種植密度均為4.28×104株·hm-2。采用0.013 mm厚地膜,旱作,無灌溉。播前施二胺300 kg·hm-2、尿素225 kg·hm-2、硫酸鉀150 kg·hm-2,其他田間管理按照國家馬鈴薯品種區(qū)域試驗進行。2018年4月25日整地,4月26日播種,9月27日收獲。

在匍匐莖頂端開始膨大至成熟期間,即塊莖形成過程,按照時間順序依次進行取樣,具體取樣時期如下:塊莖形成期后期(第一花序開始開花,S1)、塊莖增長期前期(盛花期,S2)、塊莖增長期后期(莖葉開始衰老,S3)、淀粉積累期中期(植株基部1/3左右莖葉枯黃,S4)、淀粉積累期后期(植株基部2/3左右莖葉枯黃,S5)、成熟期(植物地上部莖葉全部枯黃,S6)。各處理各重復小區(qū)內(nèi)選擇長勢均勻的2株進行取樣,取樣部位為每株馬鈴薯全部塊莖。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 淀粉提取 每次塊莖取回后洗去泥土,用紙擦干,然后選取同期大小均勻一致的薯塊,用自然沉降的方法提取淀粉。具體方法:洗凈塊莖→去除表皮→破壁機破碎為勻漿→80目篩過濾(2～3次)→沉淀(自然沉降6～7 h后換水再次沉降)→真空抽濾→自然干燥→淀粉。

1.3.2 淀粉顆粒形態(tài) 利用JSM-6610 LV掃描電鏡(日本JEOL公司)對淀粉顆粒形態(tài)進行觀察。取極少量淀粉,均勻撒在樣品臺的導電膠上,用吸耳球吹走多余部分,噴金、觀察,掃描模式SEI(二次電子像),測試電壓15 kV,束斑尺寸40,工作距離11 mm,挑選形態(tài)完整、具有代表性的樣品顆粒進行拍攝。

1.3.3 淀粉顆粒分布 利用Mastersize 2000型激光粒度儀(英國Malvern公司)測定淀粉顆粒分布。取3～5 g淀粉,均勻溶解于30 mL無水乙醇后,用滴管吸取溶液逐滴加入裝有500mL無水乙醇的燒杯中,打開超聲,將遮光度維持在75%左右,重復測定3次。

粒度測定結果選取淀粉顆粒的中位徑、邊界粒徑及離散度,定義如下:

中位徑:即平均粒徑,記作d(0.5),表示處理樣品中小于和大于它的顆粒各占50%,是反映淀粉顆粒大小的重要指標;邊界粒徑:即分布寬度,表示處理樣品粒度分布的范圍;離散度:分布寬度除以平均粒徑。

1.3.4 淀粉糊化特性 利用快速粘度儀RVATecMaster(瑞典Perten公司)測定。在TCW軟件中輸入淀粉含水量,得出所需水的質量。使用電子天平準確稱量2 g淀粉與所計算水的質量。將樣品與蒸餾水倒入樣品罐中,將槳葉放進樣品罐里,攪拌使樣品混合均勻。然后,將槳葉滑動進入RVA馬達聯(lián)軸處,按下塔頭將樣品罐放到RVA里開始檢測,重復2～3次,記錄糊化溫度、各階段粘度、崩解值、回生值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007和SAS V8.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析,采用Duncan法進行樣本之間的多重比較(α=0.05),采用Person法進行相關性分析(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 淀粉顆粒形態(tài)

淀粉顆粒形態(tài)一般有圓形(或球形)、卵形(或橢球形)和多角形(或不規(guī)則形)。由圖1可知,在塊莖形成過程中,馬鈴薯淀粉顆粒形態(tài)無明顯變化,均為橢球體;從塊莖發(fā)育全過程來看,處理間淀粉顆粒形態(tài)無明顯差異,均呈橢球形。可見,壟溝集雨覆蓋栽培模式對旱作馬鈴薯塊莖發(fā)育過程中淀粉顆粒形態(tài)無明顯影響。

2.2 淀粉顆粒分布

淀粉顆粒分布對淀粉的理化性質及其制品特性具有重要影響。由表1可知,在塊莖形成過程中,馬鈴薯淀粉顆粒平均粒徑總體呈增大趨勢,而離散度總體波動較大;從塊莖發(fā)育全程來看,處理間淀粉顆粒平均粒徑和離散度均差異顯著,平均粒徑整體表現(xiàn)為M2＞M1＞M0(P＜0.05),離散度整體表現(xiàn)為M1＞M0＞M2(P＜0.05)?？梢?在塊莖形成過程中,壟溝集雨覆蓋栽培模式增大了旱作馬鈴薯塊莖淀粉的粒徑,同時全膜雙壟覆蓋栽培降低了淀粉的離散度。

表1 壟溝集雨覆蓋栽培模式對旱作馬鈴薯塊莖形成各時期淀粉顆粒平均粒徑和離散度的影響Table1 Effects ofmulching on ridge-furrow for harvesting rainwater on average diameter and dispersion of starch particle at each period of tuber formation in rainfed potato

2.3 淀粉糊化特性

淀粉糊化特性包括峰值粘度、低谷粘度、最終粘度等指標,對淀粉的加工應用具有重要影響。由表2可知,在塊莖形成過程中,馬鈴薯淀粉峰值粘度、低谷粘度、最終粘度總體呈增大趨勢,崩解值、回生值波動較大;始花至成熟期間(S1至S6),馬鈴薯淀粉糊化溫度總體減小,但盛花至成熟期間(S2至S6)總體變化不大;從塊莖發(fā)育全程來看,處理間糊化溫度差異不顯著,其他糊化特性指標處理間存在顯著差異,其中,峰值粘度和最終粘度表現(xiàn)為M2＞M1＞M0,低谷粘度表現(xiàn)為M2＞M0＞M1,崩解值和回生值表現(xiàn)為M1＞M2＞M0(P＜0.05)?？梢?在塊莖形成過程中,與地膜壟作相比,全膜雙壟覆蓋栽培模式提高了旱作馬鈴薯塊莖淀粉糊化各階段粘度,所生產(chǎn)的淀粉品質較優(yōu)。

2.4 淀粉糊化特性與淀粉顆粒分布的相關性

由表3可知,在塊莖形成過程中,旱作馬鈴薯淀粉顆粒平均粒徑與淀粉峰值粘度、低谷粘度、最終粘度呈顯著正相關(P＜0.05),與糊化溫度呈顯著負相關(P＜0.05),與崩解值、回生值無顯著相關性;馬鈴薯淀粉顆粒的離散度與淀粉的糊化特性各指標均無顯著相關性。

3 討論

自2000年以來,壟溝集雨覆蓋栽培利用田間起壟、溝壟相間、壟面產(chǎn)流、溝內(nèi)高效集雨,并依靠增溫、抑蒸等生理生態(tài)效應,在青海東部旱區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)上得到長足的發(fā)展,受到廣泛的關注,然而,目前的研究多注重產(chǎn)量的提高[21-23]。隨著人們生活水平的提升,馬鈴薯的營養(yǎng)價值和品質應逐漸成為壟溝集雨覆蓋栽

培探討的重點[24-25]。本研究選用青海東部旱區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)實踐中大面積推廣應用的2種集雨覆蓋模式,探究其對馬鈴薯塊莖發(fā)育過程中淀粉顆粒形態(tài)、顆粒分布及淀粉糊化特征的影響,發(fā)現(xiàn)在塊莖形成過程中,與地膜壟作相比,全膜雙壟覆蓋栽培模式顯著提高了旱作馬鈴薯塊莖淀粉顆粒平均粒徑和各階段粘度,所生產(chǎn)的淀粉品質較優(yōu),可考慮作為馬鈴薯優(yōu)質淀粉栽培措施加以推廣應用。

表2 壟溝集雨覆蓋栽培模式對旱作馬鈴薯塊莖形成各時期淀粉糊化特性指標的影響Table2 Effects ofmulching on ridge-furrow for harvesting rainwater on starch gelatinization characteristic index at each period of tuber formation in rainfed potato

表3 旱作馬鈴薯塊莖淀粉糊化特性與淀粉顆粒分布的相關性Table3 Correlation between starch gelatinization and particle size distribution of tuber in rainfed potato

有研究表明,外部環(huán)境因子的改變可顯著調(diào)控作物淀粉顆粒形態(tài)[26]、分布[27-30]及淀粉糊化特性[31],但研究僅限于籽粒類作物[32-35],有關塊根塊莖類作物的研究尚鮮見,且淀粉顆粒形態(tài)、顆粒分布及淀粉糊化特征之間的關系尚不清楚。本研究表明,在塊莖形成過程中,壟溝集雨覆蓋可顯著改變旱作馬鈴薯塊莖淀粉顆粒分布及淀粉糊化特性,且淀粉顆粒平均粒徑與峰值粘度、低谷粘度及最終粘度均呈顯著正相關?？赡苁怯捎趬艤霞旮采w處理改變了土壤環(huán)境(尤其是水分),造成旱作馬鈴薯淀粉顆粒分布發(fā)生改變,進而影響了淀粉的糊化特性。本研究初步揭示了馬鈴薯淀粉顆粒形態(tài)、顆粒分布及淀粉糊化特性間的關系,但還需結合水、肥管理等相關試驗進行驗證。

本研究僅揭示了壟溝集雨覆蓋可以改變旱作馬鈴薯塊莖淀粉顆粒的分布及糊化特性,但未提及其對淀粉生物合成的影響。已有研究表明,馬鈴薯淀粉生物合成由多種功能保守的關鍵酶類相互協(xié)調(diào)完成,包括腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶、淀粉合成酶、淀粉分支酶、淀粉去分支酶等[36]。合成過程中,淀粉生物合成關鍵酶的活性及基因表達情況將對淀粉的結構和性質產(chǎn)生決定性影響[37]。此外,淀粉生物合成的研究多集中在揭示淀粉合成關鍵酶基因的功能[38-40],為本研究的進一步開展提供了可能。鑒于此,今后研究應從淀粉合成關鍵酶活性及其基因表達的角度入手,同時注重各基因間的保守性,著重探討壟溝集雨覆蓋栽培模式對旱作馬鈴薯塊莖淀粉合成關鍵酶及其基因表達的影響。

4 結論

本研究表明,在青海東部旱區(qū)的馬鈴薯塊莖形成過程中,與地膜壟作相比,全膜雙壟覆蓋栽培模式擁有較高的馬鈴薯塊莖淀粉顆粒平均粒徑、峰值粘度、低谷粘度及最終粘度,生產(chǎn)的淀粉品質較好。