紫甘薯與黃肉突變體生物學特征及塊根品質的比較分析

雷 艷，湯琳菲，董 文，秦玉芝，熊興耀，胡新喜

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學園藝學院，湖南省馬鈴薯工程技術研究中心，蔬菜生物學湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128；2.湘西土家族苗族自治州農(nóng)業(yè)科學研究院，湖南 吉首430003；3.中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(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、適應性廣和抗性強等特點[1]。全世界有110 多個國家種植甘薯，總面積約900 萬hm2，總產(chǎn)量約1.3億t/a。我國是世界上最大的甘薯生產(chǎn)和消費國，2017年甘薯種植面積為337 萬hm2，產(chǎn)量為7 200 萬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、胡蘿卜素和多糖等成分，具有增強免疫力、抗氧化、抗腫瘤等功效[4-6]。紫甘薯除含有普通甘薯的營養(yǎng)物質外，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，適應性強，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性系，在無性繁殖過程中會產(chǎn)生芽變，通過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，如日本的蔓無源氏，我國的紅皮南端苕、北京紅，濟南長蔓、惠紅早等，在生產(chǎn)上大面積推廣，增產(chǎn)顯著[2]。

項目組在一株紫甘薯浙紫薯1 號（紫皮紫肉）的塊根中發(fā)現(xiàn)了一個白皮芽變薯，其薯肉為淡黃色，植株性狀也發(fā)生了變化，經(jīng)過多年跟蹤比較調查，發(fā)現(xiàn)這一變異性狀表現(xiàn)穩(wěn)定，認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特征、生理學特性、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，進一步揭示突變體產(chǎn)量和品質差異的生理機制。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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

1.2 田間試驗方法

試驗于2017 年3—11 月在湖南農(nóng)業(yè)大學校內試驗基地進行。基地位置113°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 個材料采取隨機區(qū)組排列，設置3 次重復，共6 個小區(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 測定項目與方法

1.3.1 植物學特征觀測 扦插后，觀察甘薯扦插苗莖、葉、不定根的顏色，每個品種每小區(qū)隨機取10 株測量莖長、莖粗，記錄節(jié)數(shù)，計算平均節(jié)間長度。

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

1.3.3 主要農(nóng)藝性狀觀測 收獲期，觀察甘薯塊根顏色及形狀，每個重復每個品種各調查10 株，測量莖粗（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 品質分析 選取代表性薯塊1 000 g，切片60℃烘干至恒重時測定其干物質含量，薯塊干物質含量（%）=烘干后重量/鮮重×100；采用蒽酮法測定甘薯淀粉含量[14]；采用考馬斯亮藍G-250 法測定甘薯蛋白質含量[15]；采用鹽酸甲醇法檢測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），流動相為0.2% H3PO4（A）-乙腈（B），洗脫程序為0～30 min 15%～25% B；流速為 1.0 mL/min；二極管陣列檢測器，柱溫30℃，采用HPLC 峰面積歸一化法測定花色苷提取液色譜峰的峰面積[17]。

1.4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010 進行整理，采用SPSS 23.0 軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 突變體與野生型植株植物學特征比較

扦插成活27 d后，觀測突變體和野生型植株的莖、葉和根系的形態(tài)指標，從表1 中可以看出，2 個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，莖長和節(jié)數(shù)差異不顯著，但是野生型的平均節(jié)間長度為5.59 cm，顯著長于突變體；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，野生型根系呈紫色，突變體根系為白色。因此，與野生型相比，突變體植株植物學特征發(fā)生了顯著的變化，且突變體植株生長勢更強。

表1 野生型和突變體的植物學特征

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鍵時期，該生長階段光合作用的強弱與甘薯產(chǎn)量密切相關。測定了2 個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，野生型還有一個次高峰出 現(xiàn) 在10：00 前 后，為19.75 μmol/(m2?s)，12：00時出現(xiàn)較為明顯的光合午休現(xiàn)象，此時Pn 為16.28μmol/(m2?s)，而突變體沒有午休現(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。野生型單株結薯數(shù)為5.9 個，突變體單株結薯數(shù)減少，為5.1 個；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，同時薯皮的花青素含量顯著高于薯肉。進一步對塊根花色苷提取物進行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 個較大的峰，而突變體的薯肉和薯皮均沒有吸收峰（圖2）。野生型塊根干物質含量為31.8%，淀粉含量為18.10%，突變體塊根干物質含量和淀粉含量高于野生型，分別為32.7%和20.07 %；野生型塊根蛋白質含量為1.10 %，突變體塊根蛋白質含量低于野生型，僅0.76%，差異顯著。突變體塊根食味品質評分為8.9 分，味粉甜，有板栗香味，野生型的食味品質評分僅為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

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、適應性強、易于栽培等優(yōu)點，而且花色苷含量高，營養(yǎng)價值高，是很好的天然健康食品和加工原料，應用前景廣闊。研究結果表明，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，但其他生長發(fā)育未受到明顯影響，產(chǎn)量和相關經(jīng)濟性狀更為優(yōu)良。塊莖膨大期是關系甘薯產(chǎn)量的最重要時期，產(chǎn)量高低與葉片光合作用的強弱密切相關。黃詠梅等[18]對甘薯不同時期干物質積累及光合特性的研究結果表明，雖然高淀粉型甘薯品種桂粉2 號的鮮薯產(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。筆者的研究結果表明，突變體總葉綠素的含量比野生型要高，塊根膨大期凈光合速率超過野生型，突變體產(chǎn)量顯著增加，干物質含量和淀粉含量均超過野生型。

有關植物花色苷生物合成及其代謝調控的研究多集中在植物的花、果實、種子等地上部分，對塊根、塊莖等地下器官的相關研究較少，雖然在紫甘薯上取得了一些進展[19-20]，但是調控紫甘薯塊根花色苷合成的分子機理尚未明確，有待進一步研究。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控的分子機制。