南瓜果实淀粉和可溶性固形物研究进展

马 玮，史玉滋，段 颖，王长林

（农业部园艺作物生物学与种质创制重点实验室·中国农业科学院蔬菜花卉研究所 北京 100081）

南瓜是葫芦科（Cucurbitaceae）南瓜属（Cucurbita）一年蔓生草本植物，原产于南美洲，主要分为印度南瓜（Cucurbita maxima）、中国南瓜（Cucurbita moschata）和美洲南瓜（Cucurbita pepo）等[1]。南瓜果实的主要组成成分为淀粉和其他糖类物质，也富含氨基酸、果胶质、类胡萝卜素、维生素C、矿物质等生物活性物质和营养成分，具有很高的食用、药用和保健价值。南瓜果实淀粉和可溶性固形物含量是重要的果实品质性状，二者之间还存在密切的相互转化关系，共同影响南瓜果实风味和口感。因此，南瓜果实淀粉和可溶性固形物已成为近年来国内外南瓜品种选育和分子改良的重要研究方向。笔者对近年来南瓜果实淀粉和可溶性固形物的研究进展进行综述，以期为南瓜果实品质育种工作提供一定的参考。

1 南瓜果实淀粉与可溶性固形物的代谢途径

南瓜果实淀粉是植物体内糖类物质的重要储藏形式，主要包括直链淀粉（amylose）和支链淀粉（amylopectin）[2]。淀粉合成前体ADP-葡萄糖通过α-1，4-糖苷键形成直链淀粉，而支链淀粉是ADP-葡萄糖通过α-1，4-糖苷键和α-1，6-糖苷键连接形成的多分支葡萄糖多聚体，再经卷曲、缠绕，形成复杂结构[3]。果实可溶性固形物主要由葡萄糖（glucose）、果糖（fructose）、蔗糖（sucrose）等可溶性糖类物质组成[4]，此外还包含少量有机酸[5]。南瓜果实淀粉和可溶性固形物之间的相互转化，与糖类物质在南瓜体内的合成、运输以及代谢调控有关。在叶片等光合器官中，光合产物以蔗糖的形式经韧皮部运输至发育中的果实，并在运输过程中或进入果实之后进行一系列的催化反应，最终以淀粉、蔗糖、果糖、葡萄糖等形式积累在果实中（图1）。

在南瓜和其他植物的研究中发现，蔗糖在二者相互转化中具有较为重要的地位[6-8]。蔗糖是可溶性糖的主要成分，也是合成果实淀粉和挥发性芳香物质的基础。果实中可溶性糖代谢的关键酶主要包括蔗糖合成酶（sucrose synthase，SUS）、蔗糖转化酶（sucrose invertase，INV）和蔗糖磷酸合成酶（sucrose phosphate synthase，SPS），其 中 SPS 催 化UDP-葡萄糖形成蔗糖，INV主要将蔗糖分解为葡萄糖和果糖，SUS主要催化蔗糖形成UDP-葡萄糖和果糖，该反应是一个可逆反应，与底物浓度密切相关。蔗糖经韧皮部运输进入南瓜果实后，通过催化级联反应形成淀粉，该过程主要由5种关键酶参与，分别为ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（ADP-glucose pyrophsphorylase，AGPase）、颗粒型淀粉合成酶（granule-bound starch synthase，GBSS）、可溶性淀粉合成酶（soluble starch synthase，SSS）、淀粉分支酶（starch branching enzymes，SBE）、淀粉去分支酶（debranching enzymes，DBE）。此外，直链淀粉和支链淀粉在淀粉水解酶的作用下又形成麦芽糖，转变为葡萄糖，进一步转变为蔗糖，从而决定果实的甜度。果实中淀粉合成及向可溶性糖转变过程的关键酶主要有 SPS、SUS、AGPase 等（图1）。

酶的催化活性还受到水解产物浓度的影响，从而实现对整个糖类代谢途径的精密调控[9-10]。在南瓜果实发育的不同时期，淀粉和可溶性固形物的含量及相互转化受到上述一系列代谢酶及调控物质的影响，从而造成果实内的淀粉和可溶性固形物在组成和含量上的差异。深入研究这些酶与编码基因的表达模式和功能，理解果实品质代谢途径的关键调控位点，对于采取人工技术促进果实内淀粉和可溶性固形物的积累具有重要意义。

图1 南瓜叶片和果实中淀粉和可溶性糖的转化关系

2 淀粉和可溶性固形物含量与果实风味的相关性

南瓜果实淀粉和可溶性固形物含量与果实产量、甜度和口感等性状密切相关。在中国南瓜中，果实可溶性固形物含量与果肉厚度、果实质量和产量等农艺性状呈显著正相关[11]。在印度南瓜的感官品质分析中发现，可溶性糖和干物质含量较高的南瓜，果肉甜度也较高；而淀粉含量较高的南瓜，果肉硬度较低，可以将甜度（可溶性糖含量）和粉质（淀粉和干物质含量）这2个性状作为评价南瓜果实品质的重要感官指标[12]。

通过测定南瓜果实淀粉、葡萄糖、果糖、蔗糖、可溶性固形物含量，并与南瓜甜度、面度等口感性状进行相关性分析，研究表明，淀粉和可溶性固形物含量与口感性状之间存在显著或极显著正相关[13-14]，并且这些物质的含量彼此之间也呈极显著正相关[4]。根据果实成熟期对果实甜度和葡萄糖、果糖、蔗糖在总糖中的组成和含量分析表明，蔗糖对南瓜甜度评价的贡献最大[15-16]，进一步表明了蔗糖含量是提高南瓜果实口感品质的关键因素。

3 南瓜果实淀粉和可溶性固形物含量的动态调控机制研究

南瓜果实淀粉和可溶性固形物含量在果实发育不同时期呈现动态变化趋势[17]。研究表明，淀粉和糖类物质含量的积累随果实发育总体上呈升高趋势，但在不同南瓜栽培品种中存在显著差异。以还原糖为例，中国南瓜在授粉35 d时还原糖含量最高，而印度南瓜的还原糖含量则在授粉25 d达到峰值，随后呈下降趋势[18]。进一步分析各发育时期的果实糖类物质组成发现，中国南瓜果实在生长期以积累果糖和葡萄糖为主，而在成熟期以积累蔗糖为主；印度南瓜果实在生长期和成熟期均以积累葡萄糖为主[16]。进入果实采后贮存期，南瓜果实干物质和淀粉含量随贮存时间呈下降趋势，葡萄糖和果糖含量再次呈上升趋势，可溶性固形物含量、蔗糖含量和酸度呈先升高再降低的趋势[19]。南瓜果实淀粉和糖类合成代谢有关的酶活性也有相应的变化趋势，整体上表现为随着果实采后贮存时间的延长，果实淀粉水解酶活性升高，促进淀粉降解，而蔗糖磷酸合成酶SPS酶活性升高，促进果实蔗糖积累，同时这些酶活性在不同淀粉积累模式的南瓜品种中也表现出较为明显的差异[20-22]。

测序技术的广泛应用为南瓜果实淀粉和可溶性固形物代谢调控机制的研究奠定了基础。对印度南瓜‘Lady Godiva’果实进行转录组测序，获得了一批果实特异性表达的淀粉代谢相关酶编码基因[23]。利用不同淀粉积累模式的南瓜种质分析淀粉代谢相关酶编码基因的表达模式，发现印度南瓜和中国南瓜的种间杂交种maxchata淀粉合成途径中的关键酶编码基因AGPaseL转录水平与果实淀粉含量密切相关，颗粒型淀粉合成酶编码基因GBSS I也表现出类似的差异[24]。利用2个果实糖类和淀粉含量差异显著的中国南瓜种质‘CMO-X’和‘CMO-E’进行不同发育时期的转录组测序，共筛选获得12个与蔗糖和淀粉代谢差异表达相关酶的编码基因，并明确了GBSS、SS和SBE是果实淀粉含量产生差异的关键基因，SUS、SPS和UGPase是果实蔗糖含量产生差异的关键基因[16]。

尽管目前在南瓜中尚未克隆到特异性控制果实淀粉和可溶性固形物性状的主效基因，但在其他淀粉积累型植物中已经获得了一些研究进展。通过对马铃薯、玉米、大麦等作物中参与淀粉和可溶性固形物相互转化的相关酶编码基因进行研究，揭示了一些与淀粉和糖类合成相关的重要基因功能。马铃薯叶片和块茎中的AGPase蛋白是由大亚基和小亚基形成的多聚体，其中小亚基编码基因的转录水平受到蔗糖诱导，从而决定该器官主要是同化物合成（源）或储存（库）的场所[25]。利用GUS报告基因分析了籼稻可溶性淀粉合成酶编码基因SSⅡa，确定该基因的启动子是胚乳特异性表达启动子，其特异性元件为AACA和GCN4基序[26]。水稻OsGBSS II主要在叶片中特异性表达，并且受到葡萄糖、谷氨酰胺和昼夜节律调控[27]。定位在水稻叶片韧皮部的CRCT（CO2 Responsive protein）基因编码的一个含有 CONSTANS和 TOC1（CCT）结构域的蛋白，其表达水平受到二氧化碳、葡萄糖和蔗糖上调，并诱导与合成淀粉有关的 AGPase、α-glucan phospholylase等蛋白编码基因表达，从而提高淀粉含量[28]。将 1个定位在大豆质体上的硫氧还蛋白TrxF（thioredoxin F-type protein）在拟南芥中进行超表达，能提高叶片淀粉含量，并且淀粉合成相关基因转录水平和酶活力均显著增加[29]，说明果实淀粉和可溶性固形物含量的相互转化及动态调控与基因在植物组织中的表达模式密切相关。

4 南瓜果实淀粉和可溶性固形物含量的遗传规律和QTL定位研究

利用植物数量性状主基因+多基因遗传模型对1个中国南瓜6世代群体进行遗传分析，结果表明，果实可溶性固形物含量的遗传符合2对加性-显性-上位性主基因+加性-显性多基因混合遗传模型，其中2对主基因的加性效应均为-0.707 7，使可溶性固形物含量降低，主基因遗传率在F2代达到95%，说明主基因表现出较高的遗传力[30]。利用印度南瓜1个低淀粉低蔗糖种质‘Scarlet Warren’和2个高淀粉高蔗糖种质‘CF2’‘CF4’为亲本分别构建6世代群体，遗传分析表明，低淀粉含量、高糖（蔗糖、葡萄糖和果糖）含量均为显性性状，但蔗糖含量还受到负的加性效应影响，并且提出了用非溶于乙醇固形物（alcohol-insoluble solids）指标取代淀粉含量测定的可行性[31]，表明南瓜果实淀粉和可溶性固形物含量性状可以在早期世代进行选择，但要注意环境条件对果实蔗糖含量及甜度的影响。

随着近年来南瓜基因组测序工作的展开，利用遗传群体和高密度遗传图谱对南瓜重要农艺性状的定位研究发展迅速，并开发出大量可用于南瓜品种选育的分子标记，但关于淀粉和可溶性固形物含量方面的QTL定位研究尚有待深入进行[32-34]。毛晓微[35]利用2个淀粉含量差异显著的南瓜自交系‘Rimu’和‘SQ026’构建了含有 456个 SNP标记位点的遗传连锁图谱，并定位出控制南瓜淀粉含量的2个QTL位点，分别位于3号连锁群和11号连锁群上，贡献率分别为12.94%和7.06%，可用于印度南瓜高淀粉含量的分子标记辅助育种。

尽管目前有关南瓜淀粉和可溶性固形物含量QTL和基因精细定位研究的相关报道较少，但在其他植物中已开展的QTL定位研究和主效基因功能分析将有助于进一步挖掘南瓜淀粉和可溶性固形物重要调控位点。在马铃薯中，许多控制块茎淀粉含量的QTL位点都定位在控制叶片蔗糖含量的QTL位点附近[36]。番茄成熟果实富含蔗糖、果糖、葡萄糖，番茄果实可溶性固形物含量是番茄重要性状之一。对番茄果实可溶性固形物含量QTL位点进行定位，获得了许多与糖类和淀粉相互转化的重要主效位点[37-38]，除了目前已克隆到的与淀粉和糖类代谢调控途径有关的关键酶编码基因之外，近期还发现了一些新的调控方式。利用水稻淀粉发育缺失突变体fse1克隆获得1个磷脂酶蛋白编码基因FSE1，通过调控水稻中半乳糖脂的合成，介导水稻胚乳发育过程中脂质和淀粉代谢的动态平衡，为解析淀粉和可溶性固形物代谢调控途径提供了新的思路[39]。

5 展望

随着对南瓜营养成分的深入研究和人们膳食结构的改善，果实品质优良（高淀粉含量、高甜度、高可溶性固形物含量）的南瓜已成为品种选育重要目标之一。研究不同栽培品种中果实淀粉和可溶性固形物含量的积累模式，特别是明确光照和温湿度等环境因素在果实发育关键时期对蔗糖合成和转化的影响，对于优质南瓜栽培技术的开发与应用具有重要意义。同时，通过构建遗传连锁图谱对品质性状关键调控位点进行QTL定位和连锁分子标记开发，将有助于提高种质筛选和优良性状聚合效率，加快我国南瓜新品种选育工作。