雷 艷，湯琳菲，董 文，秦玉芝，熊興耀，胡新喜

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，湖南省馬鈴薯工程技術(shù)研究中心，蔬菜生物學(xué)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湘西土家族苗族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，湖南 吉首430003；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所，廣東 深圳 518120）

甘薯[Ipomoeabatatas（L.）Lam.]是世界第七大糧食作物，糧飼兼用，也是重要的工業(yè)原料，具有產(chǎn)量高、適應(yīng)性廣和抗性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。全世界有110 多個(gè)國(guó)家種植甘薯，總面積約900 萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量約1.3億t/a。我國(guó)是世界上最大的甘薯生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，2017年甘薯種植面積為337 萬(wàn)hm2，產(chǎn)量為7 200 萬(wàn)t，種植面積和總產(chǎn)量分別占世界的37%和49%[2]。甘薯塊根是主要的食用器官，用于養(yǎng)分的儲(chǔ)存和繁殖。甘薯的品種較多，其皮色也較為豐富，主要有白色、紅色、黃色、淡黃色和紫紅色等，薯肉的顏色也有黃色、白色、紅色和紫色等[3]。甘薯塊根富含微量元素、維生素、蛋白質(zhì)、胡蘿卜素和多糖等成分，具有增強(qiáng)免疫力、抗氧化、抗腫瘤等功效[4-6]。紫甘薯除含有普通甘薯的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外，還富含花青素，已成為提取花青素的重要原料，廣泛用作食品著色劑和營(yíng)養(yǎng)保健食品。有研究表明，甘薯花青素具有抗氧化作用[7]能降低血壓[8]和血糖[9]。與其他含花青素的作物相比，紫甘薯產(chǎn)量高，適應(yīng)性強(qiáng)，花青素含量高，且其花青素具有很好的光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性[10-11]，在食品、化妝品和醫(yī)藥行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景[12]。

目前，生產(chǎn)上推廣的甘薯品種多數(shù)為有性雜種一代的無(wú)性系，在無(wú)性繁殖過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生芽變，通過(guò)芽變選擇可迅速獲得新的品系（種），縮短育種年限。許多甘薯良種是由芽變獲得的，如日本的蔓無(wú)源氏，我國(guó)的紅皮南端苕、北京紅，濟(jì)南長(zhǎng)蔓、惠紅早等，在生產(chǎn)上大面積推廣，增產(chǎn)顯著[2]。

項(xiàng)目組在一株紫甘薯浙紫薯1 號(hào)（紫皮紫肉）的塊根中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)白皮芽變薯，其薯肉為淡黃色，植株性狀也發(fā)生了變化，經(jīng)過(guò)多年跟蹤比較調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這一變異性狀表現(xiàn)穩(wěn)定，認(rèn)為該變異植株為芽變突變體。筆者比較分析了白皮黃肉突變體的突變型與野生型植株的生物學(xué)特征、生理學(xué)特性、薯肉顏色、花青素含量等方面的差異，旨在探討黃肉突變體形成原因，進(jìn)一步揭示突變體產(chǎn)量和品質(zhì)差異的生理機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

該突變體是從長(zhǎng)沙種植的紫甘薯浙紫薯1 號(hào)塊根中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)白皮塊根，薯肉淡黃色，經(jīng)多年跟蹤比較調(diào)查，該突變體變異性狀穩(wěn)定。野生型浙紫薯1 號(hào)為對(duì)照材料。

1.2 田間試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2017 年3—11 月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)基地進(jìn)行?；匚恢?13°17′32″E，28°07′58″N，海拔57 m，土壤為黏壤土。突變體和野生型2 個(gè)材料采取隨機(jī)區(qū)組排列，設(shè)置3 次重復(fù)，共6 個(gè)小區(qū)；采用單壟雙行、寬窄行種植，寬行80 cm，窄行40 cm，小區(qū)面積30 m2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 植物學(xué)特征觀測(cè) 扦插后，觀察甘薯扦插苗莖、葉、不定根的顏色，每個(gè)品種每小區(qū)隨機(jī)取10 株測(cè)量莖長(zhǎng)、莖粗，記錄節(jié)數(shù)，計(jì)算平均節(jié)間長(zhǎng)度。

1.3.2 光合特性 每個(gè)品種各選3 株，采用LI-6400XT便攜式光合作用測(cè)定儀對(duì)植株第4 片完全展開(kāi)葉進(jìn)行測(cè)定，參考胡新喜等[13]的方法于晴天（8：00—18：00）測(cè)定凈光合速率日變化，每隔2 h 測(cè)定1 次。為了消除時(shí)間上的誤差，每次重復(fù)測(cè)定時(shí)各品種間采取隨機(jī)測(cè)定的方法。

1.3.3 主要農(nóng)藝性狀觀測(cè) 收獲期，觀察甘薯塊根顏色及形狀，每個(gè)重復(fù)每個(gè)品種各調(diào)查10 株，測(cè)量莖粗（mm）、株高（cm）；收獲后將小區(qū)甘薯重量折算成公頃產(chǎn)量。

1.3.4 品質(zhì)分析 選取代表性薯塊1 000 g，切片60℃烘干至恒重時(shí)測(cè)定其干物質(zhì)含量，薯塊干物質(zhì)含量（%）=烘干后重量/鮮重×100；采用蒽酮法測(cè)定甘薯淀粉含量[14]；采用考馬斯亮藍(lán)G-250 法測(cè)定甘薯蛋白質(zhì)含量[15]；采用鹽酸甲醇法檢測(cè)甘薯塊根薯肉和薯皮的總花色苷含量[16]。在530 nm 條件下采用高效液相色譜（HPLC）法分離塊根花色苷。色譜條件：WondasilTM C18色 譜 柱（250 mm×4.6mm，5 μm），流動(dòng)相為0.2% H3PO4（A）-乙腈（B），洗脫程序?yàn)?～30 min 15%～25% B；流速為 1.0 mL/min；二極管陣列檢測(cè)器，柱溫30℃，采用HPLC 峰面積歸一化法測(cè)定花色苷提取液色譜峰的峰面積[17]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010 進(jìn)行整理，采用SPSS 23.0 軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 突變體與野生型植株植物學(xué)特征比較

扦插成活27 d后，觀測(cè)突變體和野生型植株的莖、葉和根系的形態(tài)指標(biāo)，從表1 中可以看出，2 個(gè)材料的葉片均呈典型的心形，葉片和葉柄均呈綠色，葉片大小無(wú)差異；莖均為圓形，野生型莖基部為紫色，中上部為綠中帶紫，突變體全部為綠色；突變體莖粗為5.02 mm，顯著粗于野生型，莖長(zhǎng)和節(jié)數(shù)差異不顯著，但是野生型的平均節(jié)間長(zhǎng)度為5.59 cm，顯著長(zhǎng)于突變體；野生型莖上氣生根較多，呈紫色，突變體氣生根多，為白色；野生型和突變體的根系均較發(fā)達(dá)，野生型根系呈紫色，突變體根系為白色。因此，與野生型相比，突變體植株植物學(xué)特征發(fā)生了顯著的變化，且突變體植株生長(zhǎng)勢(shì)更強(qiáng)。

表1 野生型和突變體的植物學(xué)特征

2.2 突變體與野生型植株光合特性比較

秋季是甘薯塊根膨大的關(guān)鍵時(shí)期，該生長(zhǎng)階段光合作用的強(qiáng)弱與甘薯產(chǎn)量密切相關(guān)。測(cè)定了2 個(gè)材料秋季的凈光合速率（Pn）日變化，發(fā)現(xiàn)野生型和突變體的Pn 日變化均是非典型的雙峰曲線（圖1），最高峰出現(xiàn)在14：00 左右，野生型和突變體分別為24.59和26.39 μmol/(m2?s)；另外，野生型還有一個(gè)次高峰出 現(xiàn) 在10：00 前 后，為19.75 μmol/(m2?s)，12：00時(shí)出現(xiàn)較為明顯的光合午休現(xiàn)象，此時(shí)Pn 為16.28μmol/(m2?s)，而突變體沒(méi)有午休現(xiàn)象；8：00—10：00野生型的Pn 比突變體高，而10：00—18：00 突變體的Pn 比野生型高。2 個(gè)材料下午的Pn 均高于上午，可能是由于秋季上午氣溫較低，不利于光合作用導(dǎo)致的。

圖1 野生型和突變體凈光合速率的日變化曲線

2.3 突變體與野生型農(nóng)藝性狀比較

由表2 可知，收獲期，野生型株高為365.27 cm，莖粗為5.57 cm，突變體株高為294.07 cm，莖粗為5.79 cm；與野生型相比，突變體的莖粗增加，株高顯著降低。野生型單株結(jié)薯數(shù)為5.9 個(gè)，突變體單株結(jié)薯數(shù)減少，為5.1 個(gè)；野生型單株薯重為0.75 kg，突變體單株薯重顯著增加，為0.98 kg；將小區(qū)產(chǎn)量換算成公頃產(chǎn)量，野生型產(chǎn)量為31.17 t/hm2，突變體產(chǎn)量為41.06 t/hm2，差異顯著。野生型和突變體塊根均呈紡錘形，野生型薯皮薯肉顏色均為紫色，突變體薯皮為白色，薯肉為淡黃色，發(fā)生了顯著變化。

表2 突變體和野生型的農(nóng)藝性狀

2.4 突變體與野生型塊根品質(zhì)比較

從表3 中可以看出，野生型薯皮、薯肉花青素含量分別為666.0、536.7 mg/kg，突變體薯皮和薯肉的花色苷僅為15.3、11.2 mg/kg，材料間差異顯著，同時(shí)薯皮的花青素含量顯著高于薯肉。進(jìn)一步對(duì)塊根花色苷提取物進(jìn)行HPLC 分析，在530 nm 條件下，野生型的薯肉和薯皮提取物有明顯的吸收峰，薯肉和薯皮分別有3 和4 個(gè)較大的峰，而突變體的薯肉和薯皮均沒(méi)有吸收峰（圖2）。野生型塊根干物質(zhì)含量為31.8%，淀粉含量為18.10%，突變體塊根干物質(zhì)含量和淀粉含量高于野生型，分別為32.7%和20.07 %；野生型塊根蛋白質(zhì)含量為1.10 %，突變體塊根蛋白質(zhì)含量低于野生型，僅0.76%，差異顯著。突變體塊根食味品質(zhì)評(píng)分為8.9 分，味粉甜，有板栗香味，野生型的食味品質(zhì)評(píng)分僅為7.5 分，粗纖維較多，甜味不及突變體。

圖2 突變體和野生型塊根花色苷高效液相色譜圖

表3 野生型和突變體的塊根品質(zhì)

2.5 突變體和野生型嫁接鑒定

為鑒定突變體花青素合成的表型是否受環(huán)境條件的影響，將突變體和野生型互相嫁接，從圖3 中可以看出，未嫁接的野生型莖、根和塊根均為紫色，突變體的莖為綠色，根和塊根均為白色。嫁接后，野生型接穗的表型不受突變體砧木影響，呈現(xiàn)出野生型植株特征；突變體接穗的表型不受野生型砧木的影響，呈現(xiàn)出突變體植株特征。兩種嫁接方式下砧木的表型也不受接穗影響。

圖3 突變體和野生型植株及嫁接苗植株的表型

3 討 論

紫甘薯具有產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)、易于栽培等優(yōu)點(diǎn)，而且花色苷含量高，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，是很好的天然健康食品和加工原料，應(yīng)用前景廣闊。研究結(jié)果表明，與野生型相比，突變體的塊根由紫色變成白皮黃肉，突變體塊根和莖上花青素含量顯著降低，但其他生長(zhǎng)發(fā)育未受到明顯影響，產(chǎn)量和相關(guān)經(jīng)濟(jì)性狀更為優(yōu)良。塊莖膨大期是關(guān)系甘薯產(chǎn)量的最重要時(shí)期，產(chǎn)量高低與葉片光合作用的強(qiáng)弱密切相關(guān)。黃詠梅等[18]對(duì)甘薯不同時(shí)期干物質(zhì)積累及光合特性的研究結(jié)果表明，雖然高淀粉型甘薯品種桂粉2 號(hào)的鮮薯產(chǎn)量低于低淀粉型本地薯品種，但其干物率、薯干產(chǎn)量和光合能力均高于本地薯。筆者的研究結(jié)果表明，突變體總?cè)~綠素的含量比野生型要高，塊根膨大期凈光合速率超過(guò)野生型，突變體產(chǎn)量顯著增加，干物質(zhì)含量和淀粉含量均超過(guò)野生型。

有關(guān)植物花色苷生物合成及其代謝調(diào)控的研究多集中在植物的花、果實(shí)、種子等地上部分，對(duì)塊根、塊莖等地下器官的相關(guān)研究較少，雖然在紫甘薯上取得了一些進(jìn)展[19-20]，但是調(diào)控紫甘薯塊根花色苷合成的分子機(jī)理尚未明確，有待進(jìn)一步研究。由于甘薯是六倍體，且自交不親和，很難獲得近等基因系。核基因突變引起的芽變一般為單個(gè)基因的突變，是很好的基因功能研究材料。該研究中紫甘薯浙紫薯1 號(hào)及其突變體的遺傳背景相近，很適合用于研究塊根花青素合成調(diào)控的分子機(jī)制。