李恒锐１，２，祝建坤２，邱文武１，刘连军１，彭 崇１，梁振华１，农秋连１，林嘉雯１，莫周美１，卢美瑛１
（１． 广西南亚热带农业科学研究所， 广西 龙州 ５３２４１５；２． 广西大学农学院，南宁 ５３０００４）
摘要：为研究木薯（Ｍａｎｉｈｏｔ ｅｓｃｕｌｅｎｔａ Ｃｒａｎｔｚ）内源赤霉素含量与不同淀粉含量木薯块根淀粉积累的关系，以木薯辐选０１（块根淀粉含量高）和华南１２４（块根淀粉含量低）为材料，在木薯的４个生长时期测定其根、茎、叶的赤霉素含量以及块根淀粉含量，并进行相关分析。结果表明， 在不同生长发育时期，木薯通过各部位的赤霉素水平调控淀粉合成关键酶活性来调节淀粉的合成。
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关键词 ： 木薯（Ｍａｎｉｈｏｔ ｅｓｃｕｌｅｎｔａ Ｃｒａｎｔｚ）；赤霉素；块根；淀粉合成酶；淀粉积累
中图分类号：Ｓ５３３ 文献标识码：A 文章编号：0439－８114（２０15）07－1628-05
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.07.025
木薯（Ｍａｎｉｈｏｔ ｅｓｃｕｌｅｎｔａ Ｃｒａｎｔｚ）属大戟科（Ｅｕｐｈｏｒｂｉａｃｅａｅ）木薯属（Ｍａｎｉｈｏｔ），其淀粉含量高，素有“淀粉之王”和“地下粮仓”的美称，是仅次于马铃薯（Ｓｏｌａｎｕｍ ｔｕｂｅｒｏｓｕｍ Ｌ．）的世界第二大块根类作物［１］。赤霉素是植物调控自身生长发育的一类重要内源激素，有研究表明，赤霉素对果实发育及淀粉积累有一定的作用［２］，对木薯营养生长及块根淀粉积累有一定促进作用［３］。目前关于激素与生长关系以及淀粉积累的研究较多，但对于赤霉素是否具有调控淀粉合成关键酶作用的研究较少。为此，以高含量淀粉木薯辐选０１及低含量淀粉木薯华南１２４为试验材料，研究木薯内源赤霉素含量与不同淀粉含量木薯块茎淀粉积累的关系，旨在对提高木薯淀粉产量及对木薯栽培提供一定的指导作用。
１ 材料与方法
１．１ 试验材料
木薯品种：华南１２４、辐选０１，由广西大学农学院木薯种质资源圃提供。辐选０１系由华南１２４经辐射诱变产生的高淀粉突变体育成，两个品种除块根淀粉含量有较大差异外，其他农艺性状相似。
１．２ 试验处理
木薯种茎长约２０ ｃｍ，于２０１２年４月１１日种植，２０１３年１月下旬收获。指标测定所需的材料分别于苗期、块根形成期、块根膨大期、块根成熟期四个阶段进行田间采样。每次分别随机采枝叶繁茂、处在相应生长期的样本各３株，取顶三叶、茎秆及块根，并及时用液氮急冻２～３ ｍｉｎ，放入－８０ ℃超低温冰箱中保存备用。
１．３ 试验方法
赤霉素含量测定参照间接法ＥＬＩＳＡ试剂盒操作方法。酶活性（以鲜重计）测定方法：蔗糖磷酸合成酶（ＳＰＳ）及蔗糖合成酶（ＳＳ）活性测定参照文献［4］进行；ＡＤＰ－葡萄糖焦磷酸化酶（ＡＧＰａｓｅ）活性测定参照Ｎａｋａｍｕｒａ等［５］的方法略加改动，以测定ATP的形成量表示活性；游离态淀粉合成酶（ＳＳＳ）提取参照梁建生等［6］的方法；形成的ＡＴＰ按李立人［７］的方法测定；块根淀粉分支酶（ＳＢＥ）活性测定参照李太贵等［８］的方法进行；淀粉含量（以鲜重计）测定参照文献［９］进行。
１．４ 试验统计
试验数据采用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｅｘｃｅｌ ２０１０及ＳＰＳＳ １９．０软件进行处理。
２ 结果与分析
２．１ 木薯各时期各部位赤霉素含量变化
对比参试品种各部位在各生长期的赤霉素含量（图１、图２）发现，在苗期华南１２４叶部赤霉素水平相对较高，因此，这个时期会出现华南１２４的叶片生长比辐选０１快、叶面积大的现象，在随后的过程中华南１２４叶片的赤霉素含量逐渐下降，而辐选０１则逐渐上升，到达块根形成期时两者的赤霉素含量相当，之后又逐步下降，但华南１２４叶片的下降更快，最低值出现在块根膨大期。随后的生长过程中，两参试品种的叶部赤霉素含量又不断增长，华南１２４的相对增长较快，两者赤霉素含量均维持在一个较高水平上。
参试品种的茎、根部赤霉素含量随着植株的生长逐步升高，华南１２４在块根膨大期茎部赤霉素含量增加的速度达到最快，在此时期两个品种根部的赤霉素含量均已高于叶部，并呈缓慢增长趋势。就茎、根部赤霉素含量而言，两个品种较多地分配在根部，这与木薯块根淀粉积累存在一定的关系。总体上，两个品种茎部的赤霉素含量相对较低。
２．２ 木薯各时期淀粉合成关键酶的活性变化
２．２．１ 不同生长期参试品种蔗糖磷酸合成酶（Ｓｕｃｒｏｓｅ Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ Ｓｙｎｔｈａｓｅ， ＳＰＳ）活性 ＳＰＳ是一种糖基转移酶，一般认为ＳＰＳ调节着叶片中光合产物在淀粉和蔗糖之间分配，因而也调控着叶片中的可溶性糖含量和对库端的供应能力［１０］。两个品种不同生育期叶片中ＳＰＳ活性最高峰均出现在块根膨大期，达到最高峰后下降，其ＳＰＳ活性变化趋势相同（图３、图４）。但辐选０１ ＳＰＳ平均活性比华南１２４高，更有利于蔗糖的供应，这是否与木薯淀粉含量高低存在相关关系，有待进一步研究。
２．２．２ 不同生长期参试品种蔗糖合成酶（Ｓｕｃｒｏｓｅ Ｓｙｎｔｈａｓｅ，ＳＳ）活性 在木薯块根中，ＳＳ的作用主要是催化块根中的蔗糖降解为ＵＤＰＧ（尿苷二磷酸葡萄糖）和果糖，然后才用于合成淀粉。因此，块根中ＳＳ活性的高低反映了降解利用蔗糖的能力，其活性高，合成淀粉的底物就充足［１１］，但ＳＳ并不是最主要的蔗糖合成途径，因此ＳＳ的活性相对比ＳＰＳ要低许多。两个品种ＳＳ含量均在块根膨大期出现高峰值，辐选０１具有相对较高的ＳＳ活性，表明高淀粉品种蔗糖降解代谢较为旺盛，能为淀粉合成提供充足的底物。华南１２４在块根形成期时ＳＳ活性出现最低值。整体而言，木薯的整个生长发育过程中ＳＳ活性逐步增高，在植株生长最旺盛的块根膨大期时达到最高峰，随后开始下降（图３、图４）。
２．２．３ 不同生长期参试品种ＡＤＰ－葡萄糖焦磷酸化酶（ＡＤＰ－ｇｌｕｃｏｓｅ Ｐｙｒｏｐｈｏｓｐｈｏｒｙｌａｓｅ，ＡＧＰａｓｅ）活性 ＡＧＰａｓｅ是淀粉合成中重要的一种酶，它的作用是催化ＧＩＰ与无机焦磷酸反应生成ＡＤＰＧ，而ＡＤＰＧ是淀粉合成的直接前体物质之一。两个品种ＡＧＰａｓｅ活性变化与ＳＰＳ、ＳＳ的变化趋势相近，最高值出现在块根膨大期。苗期及块根形成期属于木薯生长前期，淀粉合成关键酶的活性逐渐增加，主要进行营养生长；块根膨大期为木薯整个植株生长旺盛期，此时期ＡＧＰａｓｅ活性达到最大，同时木薯的块根淀粉进入快速积累阶段，随后到了块根成熟期，木薯植株地上部分开始衰老，此时的ＡＧＰａｓｅ逐渐下降，但没达到最低水平。华南１２４在块根形成至块根膨大期是ＡＧＰａｓｅ活性增加速度最快的时期，同时在这个时期的ＡＧＰａｓｅ活性相对于辐选０１的要高，但到块根成熟期其含量下降的速度比辐选０１的快（图３、图４）。
２．２．４ 不同生长期参试品种游离态淀粉合成酶（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｓｔａｒｃｈ Ｓｙｎｔｈａｓｅ，ＳＳＳ）活性 ＳＳＳ游离存在于淀粉体中，催化ＡＤＰＧ或ＵＤＰＧ与淀粉（葡聚糖）反应，将葡萄糖分子转移到淀粉引物上，使淀粉链延长，是催化淀粉合成的一个重要酶。块根中ＳＳＳ活性越强，块根利用ＡＤＰＧ合成长链淀粉的能力就越强。两个品种在块根成熟期时ＳＳＳ的活性差异不显著，总体上ＳＳＳ活性是随着木薯生长发育的进行而不断增加的（图３、图４）。
２．２．５ 不同生长期参试品种淀粉分支酶（Ｓｔａｒｃｈ Ｂｒｅａｃｈｉｎｇ Ｅｎｚｙｍｅ，ＳＢＥ）活性 淀粉分支酶又称Ｑ酶，其在淀粉合成过程中的作用是通过形成ａ－１，６糖键，从而形成分支的糖链。Ｑ酶作为支链淀粉酶，它的变化直接影响到支链淀粉含量［１２］。ＳＢＥ活性在两个品种中都较低（图３、图４），这种现象的产生是由于木薯块根需要合成支链淀粉的量较少。
２．３ 木薯各时期淀粉含量变化情况
由图５可知，两个品种淀粉含量最高值出现在１２月，辐选０１较华南１２４的含量要高。辐选０１在块根形成期淀粉含量开始迅速增加，在块根膨大期时已超过华南１２４，虽然华南１２４在出苗期的淀粉积累相对较高，但在生长旺盛的块根膨大期淀粉积累能力相对于辐选０１不足，最终导致其淀粉含量相对较低。
两个品种生长前期各种酶活性较低，这与植株生长发育过程有关，同时淀粉合成关键酶活性随植株生长不断提高，呈上升趋势，但此时合成的还原糖主要用于地上部分生长；两个品种淀粉合成关键酶活性大多在块根膨大期达最高峰，此时木薯生长最为旺盛，叶面积及光合作用能达到全生育期的最大值，同时在叶片上存在的光合作用的酶含量最高，活性最高，使多余的还原糖进行积累，而合成的蔗糖通过韧皮部运输到块根并进行淀粉的快速积累，此时块根细胞中的相关酶活性就相对增加，达到整个生育期的最高峰。
２．４ 赤霉素与淀粉积累的关系
２．４．１ 参试品种各部位赤霉素含量与淀粉积累的关系 从表１可知，辐选０１各部位的赤霉素含量与块根淀粉含量呈极显著相关，其茎、根部与淀粉形成的机制与华南１２４相近，但相关性相对较低，这与木薯种性有关。在叶片中赤霉素含量与淀粉含量的关系，辐选０１的相关系数ｒ＝０．７５２，呈极显著相关，而华南１２４的相关系数为－０．４５４，为负相关，这是由于华南１２４叶部的赤霉素促进地上叶片的形成和快速扩大，所以对淀粉积累的影响相对较弱；而两个品种的茎、根部赤霉素含量均与淀粉含量极显著相关，充分说明赤霉素对于木薯块根淀粉积累存在一定的影响。
从表２可知，在各生长发育时期，参试品种赤霉素含量种间差异不明显。但各生长部位赤霉素含量在不同时期存在一定的种间差异，一定程度上说明了品种间的赤霉素在植株各部位分配存在差异性，同时也说明了在块根淀粉积累方式上存在着品种的特性。在苗期，参试品种间根、茎、叶部赤霉素含量均存在极显著差异；块根形成期，根部赤霉素含量存在极显著差异；块根膨大期，茎、叶部赤霉素含量存在极显著差异；块根成熟期，茎部赤霉素含量存在极显著差异。
２．４．２ 参试品种淀粉合成关键酶活性与淀粉含量的关系 从表１可知，两个品种ＡＧＰａｓｅ、ＳＳＳ、ＳＢＥ活性均与块根淀粉含量呈极显著正相关。虽然ＳＰＳ及ＳＳ与淀粉含量没有显著相关，但它们所参与的反应是植物形成还原糖的重要途径，且相关系数的数值只表示自变量与因变量之间的接近程度，即酶活性与淀粉含量之间关系密切程度，因此不能排除ＳＰＳ及ＳＳ对木薯淀粉积累的意义，只是ＡＧＰａｓｅ、ＳＳＳ及ＳＢＥ与淀粉合成有着直接的关系，对于淀粉含量的相关性相对ＳＰＳ及ＳＳ要高。
从表２可知，两个品种间块根淀粉含量在块根形成期及成熟期差异显著，但辐选０１在块根成熟期淀粉含量相对较高，同时这个时期是木薯块根淀粉积累的最重要时期，是决定木薯淀粉最终含量的时期。两个品种间ＳＰＳ在不同生长期中均存在极显著差异；ＳＳ在苗期、块根形成期、块根膨大期种间均存在极显著差异；ＡＧＰａｓｅ及ＳＢＥ在块根成熟期种间差异显著；ＳＳＳ则无显著性差异。
２．４．３ 参试品种各部位赤霉素含量与淀粉合成关键酶活性的关系 从表３可知，辐选０１各部位赤霉素含量与ＳＰＳ以及ＳＳ活性的相关不显著；而叶部与ＡＧＰａｓｅ、ＳＢＥ 极显著相关，与ＳＳＳ显著相关；茎部与ＳＳＳ、ＳBE显著相关；根部与ＡＧＰａｓｅ、ＳSS显著相关，与ＳＢＥ极显著相关，说明辐选０１赤霉素含量能影响这３种酶活性，并具有一定的调节作用。华南１２４叶部赤霉素含量与淀粉合成关键酶活性除与ＳＢＥ呈显著负相关外，与其他均呈极显著负相关，说明叶部的赤霉素对这些酶存在抑制作用，叶部的赤霉素含量越高，酶的活性就相对降低；茎、根部赤霉素含量与ＳＰＳ以及ＳＳ活性的相关不显著，说明茎、根部的赤霉素含量对这两种酶的活性作用较弱，特别是根部的赤霉素几乎没有作用；但茎部的赤霉素含量与ＡＧＰａｓｅ、ＳＳＳ及ＳＢＥ活性极显著相关，根部的赤霉素含量与AGPase、SBE活性显著相比，与SSS极显著相关，说明华南１２４茎、根部赤霉素具有影响这3种酶活性的能力，对其存在一定的调节作用。
３ 小结与讨论
３．１ 淀粉合成关键酶对块根淀粉积累的作用
高淀粉品种（辐选０１）在块根成熟期淀粉含量显著高于低淀粉品种（华南１２４），在整个生长发育时期，辐选０１的ＳＰＳ活性均极显著高于华南１２４，这对块根淀粉积累提供了充足的原料；在块根成熟期辐选０１的ＡＧＰａｓｅ、ＳＢＥ活性显著高于华南１２４，这是由于高淀粉品种快速积累淀粉，同时合成支链淀粉能力比低淀粉品种高，进而导致了高、低淀粉木薯品种在此时期的淀粉含量差异。
３．２ 赤霉素含量对淀粉合成关键酶的作用
高淀粉品种（辐选０１）植株各部位赤霉素对ＡＧＰａｓｅ、ＳＳＳ及ＳＢＥ活性有明显的正向调节作用；而低淀粉品种（华南１２４）根、茎部赤霉素对ＡＧＰａｓｅ、ＳＳＳ以及ＳＢＥ活性有显著的正向调节作用，尤其是茎部的赤霉素含量与这3种酶呈极显著正相关。
３．３ 赤霉素含量对块根淀粉积累的作用
高淀粉品种（辐选０１）各部位赤霉素含量与淀粉含量均呈极显著相关，而低淀粉品种（华南１２４）叶部赤霉素含量与淀粉含量之间呈不显著负相关，茎、根部赤霉素含量与淀粉含量均呈极显著相关。综上所述，在不同生长发育时期，木薯通过各部位的赤霉素水平调控淀粉合成关键酶活性来调节淀粉的合成。
该研究只涉及表观性数据指标，如赤霉素含量、淀粉含量等，通过这些数据进行统计学上的分析，对于内源赤霉素是否影响木薯淀粉合成关键酶的活性进而影响木薯块根淀粉的积累有待进一步研究。此外，试验设计中木薯品种只有两个，分别为高淀粉含量品种辐选０１和较低淀粉含量品种华南１２４，应尽量选高、低淀粉含量品种各两个以上，以增加试验的可信度。且内源激素间存在着一定的相互作用，随之对木薯块根淀粉积累产生反应，试验只对单一的内源赤霉素进行研究，并不能准确说明内源赤霉素对木薯块根淀粉积累存在着促进作用，试验应通过对多种内源激素的研究才能获得相对准确的结论。
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