菊芋块茎贮藏过程中内源激素水平的变化

张 宇，门果桃，马郁瑾，兰开龙，尹春艳，康文钦，王 喆

（1.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古呼和浩特 010031；2.呼伦贝尔市农畜产品质量安全中心，内蒙古海拉尔 021000）

菊芋（Helianthus tuberosusL.）是菊科（Compositae）向日葵属（HelianthusL.）多年生宿根草本植物，产量高、效益显著、抗逆性强[1-3]。菊芋块茎富含菊糖、矿物质、维生素，具有非常好的食用价值和药用价值[4]。菊芋主要的繁殖器官是地下块茎，块茎收获后需要经过一段时间的贮藏休眠。块茎休眠是一个非常复杂的生物学过程，从休眠到萌发需要经过一系列物质的分解和合成，植物激素也发生明显变化，这一生理性休眠是不可逆转的。SCHUYLER[5]将休眠的过程分为诱导、维持、解除、萌发4 个阶段；门福义等[6]将马铃薯块茎的休眠期分为3 个阶段，即生理后熟阶段、休眠阶段和萌发阶段。目前，关于菊芋育种、栽培、产品加工等方面的研究较多，而菊芋休眠生理相关的研究报道较少，其休眠调控机制的研究还未被诠释。近年来，随着大众对菊芋块茎保健功效的认知，需求量逐年加大，但贮藏或运输过程中如果方式不当，菊芋块茎的食用、经济价值会降低[7]。因此，研究块茎休眠调控机制对菊芋等块茎类作物生产和研发有着重要的现实意义，但目前还没有与菊芋块茎休眠调控机制相关的研究报道。本试验以土默川菊芋为材料，研究自然条件下沙藏后，不同贮藏时间对菊芋块茎休眠及休眠解除萌发阶段ABA、IAA、GA3含量的影响，揭示不同休眠阶段菊芋块茎激素含量的变化规律，为进一步探索菊芋块茎休眠机理提供理论依据，为菊芋栽培打破休眠提供基础数据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

菊芋品种选用土默川菊芋（Helianthus tuberosusL.cv.Tumet）。土默川菊芋是内蒙古自治区农牧业科学院经过多年系统选育而成，2016年通过内蒙古自治区草品种审定委员会审定。试验材料统一种植于内蒙古自治区农牧业科学院托克托县基地。

1.2 处理和贮藏

2019年11月下旬随机采收自然成熟的土默川菊芋植株，选取完整、饱满、整齐、无病虫害的块茎晾干表皮，并将块茎分装在网袋中（10 颗一组，3 个重复），放置于内蒙古自治区农牧业科学院浅窖中沙藏，相对湿度92%～96%。

1.3 样品准备

根据菊芋块茎均在3月中下旬顶芽萌发（内蒙古自治区农牧业科学院院内），分别在贮藏0、30、60、90、120 d 取样，并清洗干净切成小块用锡箔纸包裹后置于50 mL 离心管中，速冻于液氮，转至-80 ℃冰箱保存，以备统一测定内源激素含量。

1.4 测定项目与方法

内源激素：赤霉素（GA3）、脱落酸（ABA）和吲哚乙酸（IAA）含量测定均按照Elisa 试剂盒说明书进行操作，采用酶联免疫吸附测定法。试剂盒使用时均在弱光下进行。

取1.0 g（精确到0.001 g）样品，用体积分数为80%的甲醇溶液［含二叔丁基对甲苯酚（BHT）1 mmol/L］研磨匀浆后，在4 ℃条件下提取8 h，于4 ℃、1 000×g下离心10 min；取上清液重复提取2 次；合并上清液，用Sep-Pack C18 柱纯化，经氮气吹干用含明胶和吐温的磷酸缓冲液（含0.5%明胶和0.1%吐温-20 的PBS）溶解并定容至2 mL，待测。Elisa 试剂盒由中国农业大学提供，在492 nm 下测定吸光度值，以ng/g（鲜重）表示激素的含量。

1.5 统计分析

采用Microsoft Excel 2007 和SigmaPlot 10.0 软件进行数据整理，SAS V8 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 标准曲线

由图1 可知，菊芋块茎ABA、IAA、GA3的含量呈良好的线性关系，线性方程分别为y=43.885x-0.849，R2=0.998；y=33.166x-1.691，R2=0.995；y=87.481x-1.003，R2=0.993。3 个线性方程R2均大于0.990，说明结果已达到植物激素标准曲线的线性要求。

图1 菊芋块茎内源激素标准曲线图

2.2 不同贮藏时间块茎外观及内源激素含量的变化

由表1 可知，菊芋块茎整个贮藏期间温度变化有浮动，呈先降低后升高的趋势，变幅-4.3～2.5 ℃、温差6.8 ℃，贮藏0～90 d 温度均＜0 ℃，贮藏120 d温度上升到2.5 ℃（室温达到6.6 ℃）；贮藏0～90 d块茎无变化，120 d 块茎出现微芽，休眠解除。

表1 不同贮藏时间贮藏温度与块茎外观变化

由表2 可知，菊芋块茎不同贮藏期间ABA、GA3、IAA 含量差异极显著（P＜0.01），ABA 含量整体最高。ABA 是块茎休眠解除的负调节剂，可维持块茎的休眠，同时也是“应急激素或胁迫激素”，有助于促进逆境防御。本试验中，整个贮藏期间ABA 含量的变化幅度是433.70～646.75 ng/g，呈上升-下降-快速下降趋势，贮藏30 d 达到最大值，比贮藏前增加了49.12%，随后逐渐下降，60～90 d 下降幅度最大，说明高含量的ABA 促进块茎休眠，低含量的ABA促进块茎解除休眠。90～120 d 是块茎由休眠解除向发芽发展的缓慢过程。

由表2 可知，GA3含量变化呈上升-下降-上升趋势，整个贮藏期间GA3含量的变化幅度是352.30～433.35 ng/g。贮藏30 d 达到第1 个峰值，比贮藏前增加了17.60%，随后逐渐下降，90 d 下降至最低值；贮藏120 d 达到第2 个峰值，GA3含量比贮藏90 d 时增加了23.00%，说明GA3在块茎休眠过程中也起到重要的调控作用，GA3含量提高可促进菊芋块茎芽萌发。

IAA 是植物生长促进剂，一般含量较低。由表2可知，IAA 含量变化较平缓，随着温度的变化，IAA整体表现趋势与GA3一致。本试验整个贮藏期间IAA 含量的变化幅度是45.76～69.27 ng/g。贮藏30 d达到第1 个峰值，比贮藏前增加了6.66%，随后逐渐下降，90 d 下降至最低值；贮藏120 d 达到第2 个峰值，IAA 含量比贮藏90 d 时增加了51.38%，说明菊芋块茎休眠解除后，IAA 含量变化极为明显。

2.3 不同贮藏时间内源激素比值的变化

不同激素对块茎休眠起到不同的作用，相互之间的平衡关系反映了菊芋休眠的程度。由表2 可知，不同贮藏时间GA3/ABA 和IAA/ABA 均小于1，且差异极显著（P＜0.01），变幅分别为0.629～0.962 和0.082～0.154，GA3/ABA 变幅更大。随着贮藏时间的延长，两个比值均呈先降后升的趋势，低含量的生长促进类激素，特别是GA3的迅速降低，减少了对生长抑制激素ABA 的制约，使ABA 在休眠中发挥主要作用。但随着GA3的迅速上升，ABA 被制约，菊芋块茎休眠解除并促进块茎萌发。虽然IAA 在休眠期间占比偏少，但在休眠解除至顶芽萌发过程中也逐渐升高，说明菊芋块茎休眠解除过程取决于不同激素间含量的增加或减少以及激素间的相互平衡。

表2 贮藏期间菊芋块茎内源激素含量变化

3 讨论与结论

块茎作物在收获后仍是活生物体，还会与周围环境相互作用。为了保证块茎的营养和外观品质，需要对其进行贮藏保存。贮藏环境的温度、湿度和空气流动都会影响块茎类作物的品质，温度是最重要的影响因素。研究发现，马铃薯在≤7 ℃环境下，块茎中的糖不易转化为淀粉；马铃薯在4 ℃时，尽管腐烂和呼吸作用继续，但发育基本停止[8-9]。其他块茎类如山药、木薯和甘薯在12 ℃或更低的温度下会遭受冷害或冻害，马铃薯、可可豆的冷害发生在2 ℃或更低的温度[10-12]。菊芋块茎的贮藏主要参考马铃薯的贮藏方式，由于菊芋可在-45 ℃于土层中安全越冬，菊芋发生冷害的温度更低，冬季温度较低的地区，可以考虑就地沙藏，或者待来年开春再收获[13-14]。本试验中，菊芋贮藏期间温度的变化幅度为-4.3～2.5 ℃，相对湿度为92%～96%，温度缓慢变化和较高的相对湿度可以防止菊芋块茎水分的流失和腐烂导致的过度皱缩。沙藏可以作为内蒙古地区节省成本的贮藏方式。菊芋适宜萌发的平均气温是6 ℃左右，本试验中，贮藏90～120 d，温度变化-0.4～2.5 ℃（气温-1.0～6.6 ℃），已到达菊芋萌发的过渡温度，块茎休眠解除，出现微芽。

植物激素不仅调控植物生长发育进程，而且在不利的环境中起着至关重要的作用。ABA 会在休眠状态和逆境条件下大量合成，促进气孔关闭，调节水分输送以提高细胞膜的通透性；还可通过诱导植物渗透物质和保护酶活性的提高增加细胞膜的稳定性和完整性，进而增强植物的休眠特性和抗逆性[15-16]。杨勇[17]对不同品种狗牙根抗寒性及相关生理生化机制的研究发现，自然低温胁迫过程中，抗寒性较强的品种ABA 含量能维持较高的水平。在本试验中，菊芋块茎在低温贮藏前期，ABA 含量显著增加，也为激素积累应对外界环境提供了保证，上升幅度较其他激素明显，因此，可以促进菊芋块茎保持休眠并使其适应冬季的低温。

随着相关研究的不断深入，发现不同的植物激素对植物的调控存在明显差异。GA3可促进组织的生长和打破休眠，能诱导多种水解酶合成，从而促进糖类、蛋白质等物质的分解。虽然植物中IAA 含量甚微，但作用不容小觑，IAA 能增强核酸和蛋白质的合成，影响芽的萌发和生长[18-21]。植物激素在不同阶段都是相互关联、相互作用的，菊芋块茎休眠相关的研究中也得出，激素ABA 含量的占比会在进入休眠末期而减少[22]。刘悦善等[20]对马铃薯种薯贮藏休眠期间内源激素变化研究发现，随着贮藏时间的推移和环境温度的变化，GA3含量会显著上调，IAA 含量在贮藏后期会显著上调，但ABA 含量会显著下调。朱海旺[23]研究发现，山药块茎在休眠过程中，GA3含量及GA3/ABA 逐渐升高，而ABA 含量逐渐降低，这与本试验的结论一致，也进一步验证块茎休眠是不同类型激素平衡协调进行调控的结果，而不是单一激素作用的结果[24-26]。