中国莲性状进化趋势分析

何志贵，柯卫东，郭宏波

(1.西北农林科技大学 生命科学学院，陕西杨凌 712100；2.桂林旅游学院 食品加工与营养健康实验教学中心， 广西桂林 541000；3.武汉市农业科学院 蔬菜研究所，湖北武昌 430065； 4.西北农林科技大学 化学与药学院，陕西杨凌 712100)

中国莲(NelumbonuciferaGaertn. ssp.nucifera)是莲科(Nelumbonaceae)莲属两个亚种之一[1]，包含藕莲、子莲和花莲3种类型，其中藕莲是中国独有、栽培面积最大、品种资源最丰富的水生经济作物[2]。

中国莲在中国分布很广，南至海南三亚，北至黑龙江，东至台湾，西至新疆天山北麓，各类型、不同生态型品种资源非常丰富[2]。据统计，中国有藕莲品种620个、子莲60个、花莲700个[2]。这些资源除在形态性状上具有丰富多样性外[3-4]，在基因组DNA上同样显示出丰富的遗传多样性[5-9]。

尽管拥有如此丰富的资源，但由于对其性状进化方向不清楚，导致目前中国莲品种的选育方向比较单一，藕莲主要依据产量和熟性，子莲主要依据莲子产量和粒形，而花莲主观性更大。前期笔者分别对藕莲和花莲的生物学性状进行多样性分析[3-4]，曾绍校等[10]对中国22个子莲品种外观品质和淀粉品质进行分析，但这些工作均未涉及重要性状的进化趋势，并结合最新研究进展进行梳理与分析，形成理论或推测，无法指导品种选育或进行分子改良。

因此，本文通过对国家种质武汉水生蔬菜资源圃中17个省市68份藕莲资源19个生物学性状的相关性分析结果[3]进行归纳总结，同时对原始数据进行再分析，获得藕莲单一性状和性状互作的进化趋势。对中国7省22个野生和栽培子莲品种莲子外观与直链淀粉含量的相关性数据[10]进行归纳总结，并对数据进行再分析，获得子莲单一性状和性状互作的进化趋势。对国家种质武汉水生蔬菜资源圃中40个花莲品种19个生物学性状的相关性数据[4]进行归纳总结，对原始数据进行再分析，获得花莲单一性状和性状互作的进化趋势。以多酚氧化酶(Polyphenol oxidase, PPO)在藕莲地下茎不同藕段中活性的分布差异及其与生物学性状的相关性数据[11]为基础，结合PPO基因对酚酸类物质合成的正向调控作用[12]，分析PPO对地下茎抗病虫害性状进化的影响，以期为同行提供参考。

1 单一性状进化趋势分析

1.1 藕 莲

在藕莲栽培品种选育过程中，产量是育种者最为关注的性状之一。通过对68份藕莲资源19个生物学性状的数据分析发现，以产量为育种目标的藕莲各性状均呈现升高趋势，如株高、第 3 节粗、主藕长和主藕质量等(表1)。但第 3 节长/粗比例升高降低藕莲地下茎产量(图1)，说明无法选育出在理论上可以无限高产的藕莲新品种。

1.2 子 莲

在过去，市场销售的莲子以干制品为主，但近几年随着鲜莲子出口贸易扩大，国际市场对莲子外观性状提出等级要求，如外观色泽、纵横径比(一级品小于1.25)及百克粒数(每500 g莲子在250粒以下)已成为质量检验的硬性指标。通过对22个子莲品种莲子外观和直链淀粉含量的数据分析，发现子莲的心皮数、花丝和花药长度均呈增加趋势，莲子纵径、横径、单蓬生莲子率和直链淀粉含量升高；但莲子纵横径比、百克粒数下降使莲子更圆、颗粒更大(表1)。

1.3 花 莲

通过对国家种质武汉水生蔬菜资源圃中40份花莲资源19个形态学性状进行观测分析，推测千瓣莲可能是最原始的花莲品种，而单瓣是后来进化的类型。与此一致的是，花蕾形状由桃形千瓣“瘦身”为长卵形单瓣，花瓣变长变宽，花瓣数变少，心皮不瓣化、不泡化(表1)。

表1 3种类型中国莲性状的进化趋势Table 1 Characteristics evolution of three types of lotus in Asian

2 性状互作进化趋势分析

2.1 藕 莲

研究发现藕莲地下茎产量与13个生物学性状显著相关[3]。但对产量有显著正向效应和负向效应的主要性状各4 个，正向效应性状是主藕质量、主藕长、第3 节粗和株高，这4 个性状之间也呈正比关系，互为促进(图1)。但这 4 个性状的数值升高均会促进第 3 节长度增加，而第 3 节长/粗比又与藕莲地下茎产量呈反比，降低产量；另一方面，主藕长、第 3 节粗和株高都会显著增加主藕质量，从而加大主藕质量/整藕质量，也会使产量降低。因此，若想使藕莲地下茎高产，各性状之间需要保持一种平衡。基于郭宏波等[3]的数据，理论上认为，当株高为125～177 cm(平均150.78 cm)，叶长为66～84 cm (平均74.73 cm)，叶宽为55～72 cm (平均64 cm)，主藕长为82～113 cm (平均97.54 cm)，主藕4或5节，主藕质量/整藕质量为65%～79%(平均72.06%)，主藕质量为1.3～2.3 kg(平均1.83 kg)，第 3 节长15.4～20.8 cm(平均18.11 cm)，第 3 节粗6.4～7.6 cm(平均7.0 cm)，第3节长/粗为2～3.1(平均2.6)时，整支藕质量可达最大值1.8～3.3 kg(平均2.6 kg)。上述推测性状的理论数据与表1中藕莲品种性状已有重叠，因而认为藕莲最高产品种已经选育成功。对育种者而言，选育抗病、耐盐碱、适合各类产品加工和提取活性物质的藕莲新品种可能是今后育种的主要方向。

藕莲地下茎的熟性是除产量外，为育种者和农户所关注的重要性状。它与主藕质量、第 3 节长、主藕长、叶长和叶宽呈显著正相关，晚熟对产量有正向效应，但不显著[3]。同时，同一品种的藕莲种植在不同类型土壤、不同耕层深度和不同水深时，熟性的表现都有可能变化，因此熟性虽然事关商品行情和农户经济效益，但它在生物学上并不是一个质量性状的绝对指标。

箭头上下的数字为显著性相关系数，下同 Number beside arrow represents significant correlation coefficient，the same below

图1影响藕莲地下茎产量的各种性状
Fig.1Characteristicsaffectingyieldoflotusrhizome

2.2 子 莲

研究发现莲子横径、纵横比、百克粒数和单蓬生子率之间存在显著相关，但莲子纵径除与纵横比显著正相关外，与其他性状相关不显著[10]。进一步分析后发现莲子纵径在≥17 mm和横径超过14 mm时，其纵横比为1.06～1.28(平均为1.20，仅1个品种为1.28，其他均≤1.25)，百克粒数39～45(平均42.22)，单蓬生子率为63.2%～84.0%(平均70.26%)，直链淀粉质量分数为11.87%～20.14%(平均16.40%)，这时除直链淀粉质量分数较高外，其他指标均符合一级品标准，且产量较高；另一方面，如果莲子纵径≥18 mm，横径≥12.5 mm时，纵横径比平均为1.43，百克粒数平均48.67，单蓬生子率平均62.50%，但直链淀粉质量分数平均只有11.14%。因此建议在制定莲子质量等级标准时，若要降低直链淀粉质量分数以提升莲子品质性状，就应增加纵横径比例，同时限定横径，因为横径与直链淀粉质量分数呈正相关趋势。

2.3 花 莲

花型、花色、花茎高和花径是花莲品种的 4 个重要性状。除花茎高与花径显著正相关外，另2个性状的影响因素之间没有交叉，也即花型与花色之间没有关联(图2)。花瓣数、雌蕊瓣化和泡化是影响花型的正向效应因素，花瓣宽是负向效应因素。表1显示花莲的千瓣莲可能是原始品种，花瓣数变少、雌蕊不再瓣化和泡化、花瓣变宽都是花瓣单瓣的进化趋势。藕皮色越深，花色越深，叶宽越小。但选育品种的趋势是叶宽变大，花茎变高，花径变大，花色变浅，藕皮色变浅甚至变白，这一现象在藕莲品种上也很明显。

研究发现，现蕾期与初花期、花茎高呈显著正相关，与花瓣长呈负相关[4]。对于所有花莲品种，从现蕾至初花的时间间隔，在湖北武汉地区基本固定在13～16 d(平均15 d)。从表1花莲的性状进化可看出，现蕾期较早的品种是花瓣数多、雌蕊瓣化和泡化的千瓣莲；但它随着叶宽变大、花茎变高、花径变大、花色变浅等性状变化而变晚，这些性状的互作可能对选育晚花品种，使其在“十一”黄金周期间或之后仍能开放，将具有启发意义。

花蕾形状受制于花型，与花瓣数，雌蕊瓣化和泡化及藕皮色呈正相关[4]。通常单瓣花的花蕾长但窄于重瓣花和重台花。如果一个花蕾长宽比接近(如1∶1)，即可预测该植株将会有较多的花瓣、雌蕊瓣化和泡化、深黄色藕皮、叶长叶宽小、花红色等较原始性状(表1)。研究还发现，荷花花色与藕皮色呈正相关，与叶宽呈反比[4]。在藕莲中也呈现相同趋势，白花藕莲具有植株高大、叶长大、叶宽、藕皮白色、花少、单瓣、花径大、花茎高等特点。

图2 影响花莲观赏的各种性状Fig.2 Characteristics affecting ornamental value of flower lotus

3 多酚氧化酶对藕莲地下茎抗病虫害性状进化的影响

多酚氧化酶是核编码的一种含铜金属酶，广泛存在于植物、真菌和昆虫中，是植物抗氧化、抵御病虫害，影响地下茎性状进化的关键酶之一。研究发现马铃薯感染真菌后PPO活性明显增强，抗性品系总酚含量和PPO活性比敏感品系高，感染后PPO活性升高速率比敏感品系快[13]。前期笔者以富含酚类物质的丹参(SalviamiltiorrhizaBunge)为试验材料，发现PPO基因对丹酚酸B的合成具有正向调控作用[11]。因此认为植物在受到病虫害侵袭时，通过升高PPO活性促进总酚合成，从而抗菌；或通过氧化酚类物质生成有毒且不稳定的O-醌类物质达到抗虫的目的。

莲藕地下茎种植于淤泥，为何能不染病虫害？前期发现PPO基因在藕莲地下茎的茎尖、幼叶、地下茎切片、花瓣和茎秆中均有表达，特别是在地下茎的茎尖中显著高表达[14]。接着在地下茎主藕每个藕段中央取厚度0.5 cm切片，然后将其分为中心部位和外围部位(图3-B)，发现藕莲19个生物学和农艺性状中仅有顶芽色、皮孔数、主藕节数和花色 4 个性状与各藕节中心或外围部位PPO活性显著相关[11]，其中仅有主藕节数对地下茎产量有一定的正向效应。

有关顶芽色、皮孔数、主藕节数和花色性状在莲藕抗病虫害能力的指示方面未见报道。在形态学性状中，顶芽色与叶长叶宽呈极显著正比、与花型呈显著反比[3]，这与白花藕莲品种植株高大、叶长叶宽大、花单瓣、顶芽色深黄的观测结果一致。顶芽色深黄意味着该部位和第1节藕段中心部位的(H1)PPO活性高，同时会使第 1 节藕段外围部位(P1)PPO活性升高。H1部位和P1部位的PPO活性与第 2 节H2和P2部位的PPO活性存在正相关关系，而且H2和P2部位之间PPO活性也存在正相关(图3)，说明第 2 节藕段的酶活性完全受第 1 节调控。而第 3 节除受第 2 节调控外，还受第 1 节P1部位PPO活性的调控。第 4 节藕段是一个很特殊的部位。除第 4 节中心部位(H4)PPO活性白花品种显著低于红花外，其他各部位均是白花高于红花。对红花品种而言，H4部位PPO活性最高；但白花却相反。因此认为，在花色未知的情况下，可通过这一现象判断出花色。

A:红圈代表中心部位；蓝圈代表外围部位，箭头旁数字代表该部位的PPO活性与箭头下性状的显著性系数 Red circle represents heart section of lotus rhizome cut; blue circle represents peripheral section of lotus rhizome cut,the number beside arrow represents significant correlation coefficient;B:中心部位和外围部位 Heart and peripheral section of lotus rhizome cut;C:第1节到第5节藕段(从左向右)中心和外围部位PPO活性的相关性，箭头旁的数字为显著性相关系数 Correlation coefficients of PPO activity between sections of lotus rhizome knot (1 to 5 from left to right)

图3PPO活性在不同藕段中心和外围部位中分布式样及不同部位的相关性关系
Fig.3Distributionpatternofpolyphenoloxidase(PPO)indifferenttissuesoflotusrhizomeandtheircorrelationrelationship

H4部位PPO活性除在不同花色中表现出特殊差异外，还与主藕节数存在显著正相关(图3-A)。在农艺性状中，主藕节数虽对产量有一定的正向效应，但并不是关键影响因素。因此，H4部位的PPO活性可能调控藕段数量形成，但此推测还需更多证据证明。

皮孔是分布于地下茎表皮上的“黑点”，其功能未知。在19个生物学性状中，皮孔数只与第 3 节长存在正相关关系[3]，同时与P2外围部位PPO活性呈正比，而P2外围部位PPO活性与第1节、第 3 节和H2均存在显著正相关(图3-C)。因此认为P2外围部位PPO活性不仅调控所有藕段表皮上的皮孔数，可能还参与调控第 3 节长度发育。

花色在生物学性状中与花型、开花量及第 3 节长/粗比呈正相关[3]，并与第 4 节P4部位呈负相关(图3-C)，这与现实中观测白花品种P4部位PPO活性高、花少、单瓣、第 3 节长/粗比例小是一致的。表明不同深浅花色品种PPO活性会有差异，但其与前3节之间却没有任何关联。

综上，藕莲地下茎从藕带抽生到发育膨大，涉及很多机制。PPO不仅参与抗病虫害、调控酚类次生代谢物的合成，而且可能还参与调控地下茎不同藕节内的PPO活性、地下茎藕节的分化及性状形成甚至进化。同时，基于现在所掌握的现象，提出一点新品种选育中亲本选用的建议(表2)。

表2 藕莲地下茎不同藕节中PPO活性分布及应用建议Table 2 Distribution of PPO activity in different sections of lotus rhizome and suggestion for cultivar breeding

4 展 望

尽管中国莲全基因组已经测序[15]，围绕荷叶中黄酮含量及其抗氧化分析[16-17]、花色差异基因发掘[18]、地下茎膨大差异基因测序筛选[19]、藕莲品种的遗传图谱构建[20]，以及一些特定基因如结合态淀粉合酶基因的克隆与表达[21-22]等方面已开展不少工作，但基因与农艺性状之间的关联尚未建立，利用基因改良性状更是还有很长的路要走。对藕莲而言，选育具有特定性状指标的粉面地下茎、适合煲汤的专用品种；不易褐变适合加工；含有高含量的黄酮类、酚酸类或生物碱等活性成分、高抗病虫害和不开花的新品种，其性状指标都有待深入发掘。对子莲和花莲而言，选育新鲜水果莲子耐贮藏保鲜和加工、贮藏期内甜度不降低、品质不下降、莲子成熟后莲蓬不低头，含有高活性成分莲子的子莲品种，以及选育提早开花、花期超长、耐低温的花莲品种，这些潜在品种的性状指标都还不清楚。

中国莲是卫生部最早公布的药食两用食物之一，在中国药典中以莲须和莲房入药。具有明确药理学效果的还有荷叶、荷梗和藕节间及其须根。因此，通过性状指标选育相应品种，促进药物、功能性产品或食品的研发，对延长产业链、促进乡村振兴，迎合工作压力大亚健康群体增多、老龄化社会保健需求高的发展趋势，均具有重要意义。