垄沟集雨覆盖对旱作马铃薯块茎淀粉颗粒形态、颗粒分布及糊化特性的影响

苏 旺

(青海大学农林科学院/青海省农林科学院/青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室/青海大学青藏高原生物技术教育部重点实验室/青海省马铃薯育种重点实验室,青海 西宁 810016)

马铃薯(SolanumtuberosumL.)耐旱、耐瘠薄、水分利用效率高、抗灾害能力强,是青海东部旱区的特色优势作物[1],其以块大、整齐、淀粉含量高、退化轻等特性享誉国内外[2],对推进种植业结构调整、保障粮食安全、改善居民膳食营养结构和增加农民收入具有重要意义[3]。近二十年,微集雨技术,尤其是垄沟集雨覆盖栽培技术逐渐成为青海东部旱区马铃薯生产实践中的主栽技术,可使无效、微效降水形成径流,叠加到沟内,覆盖后可抑制土壤水分蒸发,促进水分下渗[4-5]。

目前,垄沟集雨覆盖栽培技术的研究主要集中在土壤理化[6-9]、光合特性[10-11]、水分利用及产量[12-13]等方面,有关块茎品质的报道较少。周进华等[14]研究表明,膜上覆土栽培提高了马铃薯块茎干物质含量、总淀粉含量和蛋白质含量。罗磊等[15]研究认为,覆盖垄作种植马铃薯块茎干物质量、粗淀粉和粗蛋白含量较裸地种植降低。张淑敏等[16]研究发现,垄作覆盖黑白配色地膜和生物降解地膜较普通地膜可提高块茎淀粉和维生素C含量、降低蛋白质含量。此外,马铃薯块茎淀粉的结构与性质的研究多见于食品加工领域[17-20],而有关其对垄沟集雨覆盖栽培技术的响应鲜见报道。

因此,本研究以旱作马铃薯生产上常用的2种垄沟集雨覆盖栽培模式为对象,探讨其对马铃薯块茎形成过程中淀粉颗粒形态、颗粒分布及糊化特性的影响,以期为筛选青海东部旱区马铃薯优质淀粉栽培措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验区概况

供试材料为马铃薯品种青薯9号,由青海大学农林科学院提供。试验于2018年4月至9月在青海省西宁市城北区青海大学农林科学院试验基地(36.73°N,101.75°E)进行。该基地海拔2 339 m,属大陆性高原半干旱气候,6—9月降水集中,占全年降水量的70%,年均降水量380mm,年均日照时数1 939.7 h,年均气温7.6℃,年均蒸发量1 363.6 mm,无霜期180 d。试验地耕层土壤有机质17.2 mg·kg-1,pH值8.1,碱解氮147.1 mg·kg-1,速效磷21.0 mg·kg-1,速效钾158.9 mg·kg-1。土壤质地为栗钙土,地力水平中上等。

1.2 试验设计

采用大田小区种植,单因素随机区组排列,重复3次。设置2种垄沟集雨覆盖栽培模式,分别为地膜垄作(M1)和全膜双垄(M2),以露地平播(M0)为对照。其中,地膜垄作为宽窄行种植,垄宽60 cm,沟宽30 cm,垄高15 cm,窄行30 cm,宽行60 cm,选用幅宽90 cm地膜,小区面积5.4 m×5 m=27 m2,12行区;全膜双垄为宽窄行种植,大垄垄宽70 cm、垄高15 cm,小垄垄宽50 cm、垄高10 cm,窄行50 cm,宽行70 cm,选用幅宽120 cm地膜,小区面积6 m×5 m=30 m2,10行区;露地平播为等行距种植,小区面积7 m×5 m=35 m2,行距70 cm,10行区。各小区种植密度均为4.28×104株·hm-2。采用0.013 mm厚地膜,旱作,无灌溉。播前施二胺300 kg·hm-2、尿素225 kg·hm-2、硫酸钾150 kg·hm-2,其他田间管理按照国家马铃薯品种区域试验进行。2018年4月25日整地,4月26日播种,9月27日收获。

在匍匐茎顶端开始膨大至成熟期间,即块茎形成过程,按照时间顺序依次进行取样,具体取样时期如下:块茎形成期后期(第一花序开始开花,S1)、块茎增长期前期(盛花期,S2)、块茎增长期后期(茎叶开始衰老,S3)、淀粉积累期中期(植株基部1/3左右茎叶枯黄,S4)、淀粉积累期后期(植株基部2/3左右茎叶枯黄,S5)、成熟期(植物地上部茎叶全部枯黄,S6)。各处理各重复小区内选择长势均匀的2株进行取样,取样部位为每株马铃薯全部块茎。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 淀粉提取 每次块茎取回后洗去泥土,用纸擦干,然后选取同期大小均匀一致的薯块,用自然沉降的方法提取淀粉。具体方法:洗净块茎→去除表皮→破壁机破碎为匀浆→80目筛过滤(2～3次)→沉淀(自然沉降6～7 h后换水再次沉降)→真空抽滤→自然干燥→淀粉。

1.3.2 淀粉颗粒形态 利用JSM-6610 LV扫描电镜(日本JEOL公司)对淀粉颗粒形态进行观察。取极少量淀粉,均匀撒在样品台的导电胶上,用吸耳球吹走多余部分,喷金、观察,扫描模式SEI(二次电子像),测试电压15 kV,束斑尺寸40,工作距离11 mm,挑选形态完整、具有代表性的样品颗粒进行拍摄。

1.3.3 淀粉颗粒分布 利用Mastersize 2000型激光粒度仪(英国Malvern公司)测定淀粉颗粒分布。取3～5 g淀粉,均匀溶解于30 mL无水乙醇后,用滴管吸取溶液逐滴加入装有500mL无水乙醇的烧杯中,打开超声,将遮光度维持在75%左右,重复测定3次。

粒度测定结果选取淀粉颗粒的中位径、边界粒径及离散度,定义如下:

中位径:即平均粒径,记作d(0.5),表示处理样品中小于和大于它的颗粒各占50%,是反映淀粉颗粒大小的重要指标;边界粒径:即分布宽度,表示处理样品粒度分布的范围;离散度:分布宽度除以平均粒径。

1.3.4 淀粉糊化特性 利用快速粘度仪RVATecMaster(瑞典Perten公司)测定。在TCW软件中输入淀粉含水量,得出所需水的质量。使用电子天平准确称量2 g淀粉与所计算水的质量。将样品与蒸馏水倒入样品罐中,将桨叶放进样品罐里,搅拌使样品混合均匀。然后,将桨叶滑动进入RVA马达联轴处,按下塔头将样品罐放到RVA里开始检测,重复2～3次,记录糊化温度、各阶段粘度、崩解值、回生值。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007和SAS V8.0统计软件进行数据处理和统计分析,采用Duncan法进行样本之间的多重比较(α=0.05),采用Person法进行相关性分析(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 淀粉颗粒形态

淀粉颗粒形态一般有圆形(或球形)、卵形(或椭球形)和多角形(或不规则形)。由图1可知,在块茎形成过程中,马铃薯淀粉颗粒形态无明显变化,均为椭球体;从块茎发育全过程来看,处理间淀粉颗粒形态无明显差异,均呈椭球形。可见,垄沟集雨覆盖栽培模式对旱作马铃薯块茎发育过程中淀粉颗粒形态无明显影响。

2.2 淀粉颗粒分布

淀粉颗粒分布对淀粉的理化性质及其制品特性具有重要影响。由表1可知,在块茎形成过程中,马铃薯淀粉颗粒平均粒径总体呈增大趋势,而离散度总体波动较大;从块茎发育全程来看,处理间淀粉颗粒平均粒径和离散度均差异显著,平均粒径整体表现为M2＞M1＞M0(P＜0.05),离散度整体表现为M1＞M0＞M2(P＜0.05)。可见,在块茎形成过程中,垄沟集雨覆盖栽培模式增大了旱作马铃薯块茎淀粉的粒径,同时全膜双垄覆盖栽培降低了淀粉的离散度。

表1 垄沟集雨覆盖栽培模式对旱作马铃薯块茎形成各时期淀粉颗粒平均粒径和离散度的影响Table1 Effects ofmulching on ridge-furrow for harvesting rainwater on average diameter and dispersion of starch particle at each period of tuber formation in rainfed potato

2.3 淀粉糊化特性

淀粉糊化特性包括峰值粘度、低谷粘度、最终粘度等指标,对淀粉的加工应用具有重要影响。由表2可知,在块茎形成过程中,马铃薯淀粉峰值粘度、低谷粘度、最终粘度总体呈增大趋势,崩解值、回生值波动较大;始花至成熟期间(S1至S6),马铃薯淀粉糊化温度总体减小,但盛花至成熟期间(S2至S6)总体变化不大;从块茎发育全程来看,处理间糊化温度差异不显著,其他糊化特性指标处理间存在显著差异,其中,峰值粘度和最终粘度表现为M2＞M1＞M0,低谷粘度表现为M2＞M0＞M1,崩解值和回生值表现为M1＞M2＞M0(P＜0.05)。可见,在块茎形成过程中,与地膜垄作相比,全膜双垄覆盖栽培模式提高了旱作马铃薯块茎淀粉糊化各阶段粘度,所生产的淀粉品质较优。

2.4 淀粉糊化特性与淀粉颗粒分布的相关性

由表3可知,在块茎形成过程中,旱作马铃薯淀粉颗粒平均粒径与淀粉峰值粘度、低谷粘度、最终粘度呈显著正相关(P＜0.05),与糊化温度呈显著负相关(P＜0.05),与崩解值、回生值无显著相关性;马铃薯淀粉颗粒的离散度与淀粉的糊化特性各指标均无显著相关性。

3 讨论

自2000年以来,垄沟集雨覆盖栽培利用田间起垄、沟垄相间、垄面产流、沟内高效集雨,并依靠增温、抑蒸等生理生态效应,在青海东部旱区马铃薯生产上得到长足的发展,受到广泛的关注,然而,目前的研究多注重产量的提高[21-23]。随着人们生活水平的提升,马铃薯的营养价值和品质应逐渐成为垄沟集雨覆盖栽

培探讨的重点[24-25]。本研究选用青海东部旱区马铃薯生产实践中大面积推广应用的2种集雨覆盖模式,探究其对马铃薯块茎发育过程中淀粉颗粒形态、颗粒分布及淀粉糊化特征的影响,发现在块茎形成过程中,与地膜垄作相比,全膜双垄覆盖栽培模式显著提高了旱作马铃薯块茎淀粉颗粒平均粒径和各阶段粘度,所生产的淀粉品质较优,可考虑作为马铃薯优质淀粉栽培措施加以推广应用。

表2 垄沟集雨覆盖栽培模式对旱作马铃薯块茎形成各时期淀粉糊化特性指标的影响Table2 Effects ofmulching on ridge-furrow for harvesting rainwater on starch gelatinization characteristic index at each period of tuber formation in rainfed potato

表3 旱作马铃薯块茎淀粉糊化特性与淀粉颗粒分布的相关性Table3 Correlation between starch gelatinization and particle size distribution of tuber in rainfed potato

有研究表明,外部环境因子的改变可显著调控作物淀粉颗粒形态[26]、分布[27-30]及淀粉糊化特性[31],但研究仅限于籽粒类作物[32-35],有关块根块茎类作物的研究尚鲜见,且淀粉颗粒形态、颗粒分布及淀粉糊化特征之间的关系尚不清楚。本研究表明,在块茎形成过程中,垄沟集雨覆盖可显著改变旱作马铃薯块茎淀粉颗粒分布及淀粉糊化特性,且淀粉颗粒平均粒径与峰值粘度、低谷粘度及最终粘度均呈显著正相关。可能是由于垄沟集雨覆盖处理改变了土壤环境(尤其是水分),造成旱作马铃薯淀粉颗粒分布发生改变,进而影响了淀粉的糊化特性。本研究初步揭示了马铃薯淀粉颗粒形态、颗粒分布及淀粉糊化特性间的关系,但还需结合水、肥管理等相关试验进行验证。

本研究仅揭示了垄沟集雨覆盖可以改变旱作马铃薯块茎淀粉颗粒的分布及糊化特性,但未提及其对淀粉生物合成的影响。已有研究表明,马铃薯淀粉生物合成由多种功能保守的关键酶类相互协调完成,包括腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶、淀粉合成酶、淀粉分支酶、淀粉去分支酶等[36]。合成过程中,淀粉生物合成关键酶的活性及基因表达情况将对淀粉的结构和性质产生决定性影响[37]。此外,淀粉生物合成的研究多集中在揭示淀粉合成关键酶基因的功能[38-40],为本研究的进一步开展提供了可能。鉴于此,今后研究应从淀粉合成关键酶活性及其基因表达的角度入手,同时注重各基因间的保守性,着重探讨垄沟集雨覆盖栽培模式对旱作马铃薯块茎淀粉合成关键酶及其基因表达的影响。

4 结论

本研究表明,在青海东部旱区的马铃薯块茎形成过程中,与地膜垄作相比,全膜双垄覆盖栽培模式拥有较高的马铃薯块茎淀粉颗粒平均粒径、峰值粘度、低谷粘度及最终粘度,生产的淀粉品质较好。