甘薯淀粉相关性状变异性的分析

王璐璐，黄雨，傅玉凡，冉海榕，李佳欣，陈培涛，李丰茂

西南大学 生命科学学院/重庆市甘薯工程技术研究中心，重庆 400715

甘薯Ipomoeabatatas(L.) Lam.属旋花科(Convolvulaceae)甘薯属(Ipomoea)，1年或多年生草本双子叶植物[1-3]，不仅是我国重要的粮食、饲料作物，而且是淀粉工业的重要原料来源之一[4]，也是新型能源作物[5-6].因此，淀粉质量分数与产量双高是我国甘薯育种的重要方向之一[7-8].

淀粉是葡萄糖的自然聚合体，依据葡萄糖分子间连接方式的不同分为直链淀粉和支链淀粉两种类型[9].直链淀粉质量分数高，甘薯薯块蒸煮后硬而不黏，反之则软而黏[10]；直链淀粉质量分数越高，粉丝质量越好[11]；直链淀粉质量分数高于35%时，燃料酒精转化效率非常高[12].一般颗粒大或结构松散的淀粉比颗粒小或结构较紧密的淀粉易于糊化与加工，加工的产品透明筋道[13]；中小颗粒淀粉分布较多时，蒸煮薯块的口感较细腻[14].粒径Span表示粒径分布的宽度，是描述粉体集中、均匀特性的参数，Span值越小，粒径越均一[15-17].

AMMI模型是目前分析作物品种区域试验数据较为有效的模型，已广泛应用于水稻、小麦等多种作物区域试验的品种稳定性和试点辨别能力的分析[18-20].对品种而言，稳定性参数值越小，品种的稳定性越好；对试验地点而言，稳定性参数值越大，试验点的辨别力越强[21-22].

淀粉型甘薯育种长期以来着重以块根的干物质质量分数、淀粉质量分数和淀粉产量为主要的筛选性状，缺乏更深化的评价指标，不利于淀粉型品种的推广和开发利用.本文采用AMMI模型对9个淀粉型甘薯品种在2019年重庆市联合鉴定试验4个地点的干物质质量分数、鲜基淀粉质量分数、淀粉产量、直链淀粉质量分数、平均粒径和粒径Span 6个与淀粉相关的性状进行品种间和地点间的变异性分析，就品种各个性状的稳定性和试点对各个性状的辨别能力进行了评价，以期为今后优质高效淀粉型甘薯新品种的选育、评价与应用提供参考.

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料取自2019年重庆市淀粉型甘薯新品种联合鉴定试验的合川区渭沱镇乔角村(编号L1)、永川区卫星湖街道南华村(编号L2)、彭水县汉葭街道镇南村(编号L3)和万州区甘宁镇楠桥村(编号L4)4个试验地点中的9个品种.供试材料的品种编号、品种名称及其选育单位见表1，其中商薯19是淀粉型品种筛选的对照品种.

表1 9个淀粉型甘薯品种的编号、名称及其选育单位

1.2 田间试验设计及其执行概况

2019年重庆市淀粉型甘薯新品种联合鉴定试验的每个地点的田间试验均采用随机区组排列小区，重复3次，小区面积20 m2，种植密度60 000株/hm2.试验于2019年5月17日-6月20日栽插，于10月28日-11月10日期间收获，参照当地生产水平进行一致性田间管理.

1.3 取样及其样品制备

试验收获时，每个小区取约200 g的薯块6个，每个薯块对称性纵剖，取半边切成1 cm×1 cm×1 cm 薯粒，充分混匀后取100 g左右，50 ℃烘 48 h至薯粒变脆后，再105 ℃烘至质量恒定，称干质量后，中草药粉碎机打粉过 100 目筛，装管密封，4 ℃冰箱保存.

干物质质量分数(Dc)计算公式为

Dc/%=Dm/Fm×100

式中，Dm为干质量，Fm为鲜质量.

另取混匀的150 g左右的鲜薯粒经高速组织捣碎机粉碎后，1 000 mL自来水洗涤过100目筛，于室温下静置沉淀24 h，换水再静置沉淀24 h，再换水静置2次操作，得到的湿淀粉40 ℃烘干后研磨，过100目筛，装管密封，用于直链淀粉质量分数和粒径的测定.

1.4 干基淀粉质量分数的测定及鲜基淀粉质量分数换算

① 称取质量为50.0 mg干燥的薯粒粉末样品置于10 mL透明离心管中，加入0.7 mL 80%乙醇，振荡混匀，于70 ℃水浴孵育2 h，期间保持手动摇匀.② 加入0.7 mL蒸馏水，12 000 r/min离心10 min，弃上清.再加入0.7 mL 80%乙醇，手动混匀后再12 000 r/min离心10 min，弃上清.③ 重复步骤①和② 3次.④ 向离心管中加入0.2 mL 80%乙醇溶液润湿样品后加入1.5 mL α-淀粉酶，沸水浴6 min，期间保持手动摇匀.⑤ 加入0.05 mL葡糖苷酶，于50 ℃水浴孵育30 min.将孵育后的液体转移至100 mL容量瓶中并用蒸馏水定容.⑥ 取定容后的溶液10.0 mL于新的离心管中，3 500 r/min离心10 min后，取0.1 mL上清液于试管中，加入3.0 mL GOPOD试剂(购买自Megazyme)，50 ℃反应20 min.⑦ 取0.1 mL葡萄糖标准溶液，加入3.0 mL GOPOD试剂，50 ℃反应20 min；试剂空白加0.1 mL水.⑧ 在510 nm处测定吸光值.

干基淀粉质量分数(Ds)计算公式为

Ds/%=A×F×FV×0.9/W

式中，A为样品的吸光值，F为100 μg(葡萄糖标样质量)/吸光值(100 μg葡萄糖标样的吸光值)，FV为最终体积(10 mL)，W为干样的质量(50.0 mg).

鲜基淀粉质量分数(Fs)换算公式为

Fs/%=Dm×Ds/100

式中，Dm为干物质质量分数，Ds为干基淀粉质量分数.

1.5 淀粉产量

淀粉产量(Sy)计算公式为

Sy/kg=Fs×Fy/100

式中，Fs为鲜基淀粉质量分数，Fy为淀粉鲜薯产量；产量以每667 m2计.

1.6 直链淀粉质量分数的测定

参照刘襄河等[23]的方法测定淀粉中直链淀粉的质量分数.① 称取 0.01 g 干淀粉样品于离心管中，加入1 mL 无水乙醇，80 ℃水浴，期间保持手动摇匀，30 min后10 000 r/min，25 ℃离心 5 min，弃上清液.② 加入 1 mL乙醚振荡 5 min，10 000 r/min，25 ℃离心 5 min，弃上清液.③ 加入 5 mL KOH充分溶解，90 ℃水浴 10 min，冷却后10 000 r/min，25 ℃离心5 min，取上清液待测.④ 酶标仪预热 30 min 以上，调节双波长至550 nm和 485 nm.⑤ 分别吸取 0.1 mL待测溶液作为测定液，0.1 mL 0.4 mg/mL直链淀粉标准溶液作为标准液，0.1 mL蒸馏水作为空白液，依次各自加入 0.02 mL HCl，0.5 mL 碘试剂，0.86 mL蒸馏水，混匀后在550 nm 和 485 nm 处测定吸光值.

两个波长下吸光值的变化量计算公式为

直链淀粉质量分数(Ac)计算公式为

式中，C标准表示标准溶液浓度，为0.4 mg/mL；V样总表示加入KOH溶液的体积，为5 mL；W表示样品质量，为0.01 g.

1.7 淀粉粒径的测定

采用Malvern Mastersizer 2000激光粒度分析仪分析淀粉粒径.将适量淀粉样品置于粒度分析仪的样品池中，加入蒸馏水，超声波震荡2 min，使淀粉颗粒均匀分布，遮光度达到10%～20%后进样，根据激光光散射法原理，通过软件处理分析结果，可得到淀粉样品粒径分布和平均粒径，一般以D0.5表示淀粉粒径[24].

1.8 粒径Span

粒径Span表示较大颗粒与较小颗粒直径差与平均直径的相对变化率[16].

Span值(S粒径)的计算公式为

S粒径=(D0.9-D0.1)/D0.5

式中，D0.9，D0.1，D0.5分别表示粒度累积分布图上累积百分数为90%，10%，50%所对应的颗粒直径.

1.9 数据分析

采用Microsoft Excel 2019软件进行平均值计算；采用 DPS v 9.50软件中的AMMI模型对9个品种4个试验点的相关数据进行方差分析以及基因与环境的互作效应分析[25]，在AMMI模型分析结果的基础上，参照吴为人[26]的方法计算稳定性参数Di性状，定量分析各个性状的稳定性以及试点之间的辨别力.

2 结果与分析

2.1 各品种在不同试点各性状的方差分析与多重比较

2.1.1 6个性状的方差分析及其主要影响因素

根据AMMI模型对9个品种在4个试验点的干物质质量分数、鲜基淀粉质量分数、淀粉产量、直链淀粉质量分数、粒径和粒径Span的分析结果(数据略)表明：干物质质量分数、鲜基淀粉质量分数、淀粉产量、直链淀粉质量分数、粒径和粒径Span在品种间、地点间、品种与地点交互作用上均表现出差异有统计学意义(p<0.01).

品种因素在干物质质量分数、鲜基淀粉质量分数和淀粉粒径3个性状总变异方差占比分别为48.63%，53.91%和72.79%，明显大于其他变异来源，表明干物质质量分数、鲜基淀粉质量分数和淀粉粒径主要受遗传因素的影响；地点因素在淀粉产量总变异方差占比为63.37%，远大于其他变异来源，说明地点因素对淀粉产量的影响最大；直链淀粉质量分数与粒径Span两个性状在品种和地点的交互作用上的方差占比分别为45.16%和31.96%，大于其他变异来源，说明品种和地点的交互作用对直链淀粉质量分数和粒径Span的影响最大.

2.1.2 6个性状在品种间、地点间的多重比较

品种间的多重比较结果见表2.V8的干物质质量分数除与V4差异无统计学意义以外，均极显著高于其他7个品种；V4的干物质质量分数除与V8和V1差异无统计学意义以外，均极显著高于其他6个品种；V3干物质质量分数最低，极显著低于其他8个品种.V4，V1，V8三者鲜基淀粉质量分数差异无统计学意义，均极显著高于其他6个品种；V7，V2两者鲜基淀粉质量分数差异无统计学意义，均极显著高于V5，V9和V3；V3鲜基淀粉质量分数最低，极显著低于其他8个品种.V4，V7，V9和V1四者淀粉产量差异无统计学意义，均显著高于其他5个品种；V2，V5和V8三者淀粉产量差异无统计学意义，相对较低.9个品种直链淀粉质量分数绝对值差异不大，V1数值最大，显著或极显著高于其他8个品种；V6直链淀粉质量分数居第2位，与V5，V9，V8，V7，V2和V3之间差异存在统计学意义.V8平均粒径极显著大于其他8个品种，V1和V3平均粒径最小，极显著小于其他7个品种.粒径Span值除了V1表现较大以外，其他8个品种间差异无统计学意义.

地点间的多重比较结果见表2.地点L1的干物质质量分数和鲜基淀粉质量分数与其他3个地点差异有统计学意义.地点L3的淀粉产量和直链淀粉质量分数与其他3个地点差异有统计学意义.地点L4平均粒径与其他3个地点差异有统计学意义，L3与L1之间差异有统计学意义.L2的粒径Span与其他3个地点差异有统计学意义.

表2 甘薯淀粉相关6个性状在9个品种间和4个种植地点间的多重比较

2.2 各品种在不同试点的各性状的稳定性分析

干物质质量分数、鲜基淀粉质量分数、淀粉产量、直链淀粉质量分数、平均粒径和粒径Span 6个性状不仅在品种间、地点间差异有统计学意义，除平均粒径以外的其他5个性状还存在极显著的品种与地点的交互作用(p<0.01).因此有必要利用AMMI模型对这5个性状的品种与地点的交互作用引起的变异进行稳定性分析[27].利用AMMI模型在显著交互效应主成分轴(IPCA)上的得分计算出每个品种在5个性状上的稳定性参数(Di)值(表3).

根据表3的稳定性参数值(Di)大小对品种进行排序.V4，V8，V7，V1，V3和 V2干物质质量分数的稳定性优于对照品种V9；V1，V4，V3，V7和V5鲜基淀粉质量分数的稳定性优于对照品种V9；只有V1淀粉产量上的稳定性优于对照品种V9，V4淀粉产量稳定性参数值特别大；V7，V1，V3，V4和V2直链淀粉质量分数的稳定性优于对照品种V9；V5，V2，V8和V6的粒径Span稳定性优于对照品种V9.

从各试验点的稳定性参数排序来看，地点L3对干物质质量分数、鲜基淀粉质量分数辨别能力最强、L4辨别能力最差；地点L1，L4对淀粉产量的辨别能力最强；地点L1对直链淀粉质量分数辨别能力最差，其他几个地点鉴别能力相当；地点L3和L4对粒径Span的辨别力最好.

表3 甘薯淀粉相关6个性状在9个品种间和4个种植地点间的稳定性参数

2.3 AMMI双标图对各品种和各地点的评价

双标图是解释AMMI模型最有效的工具，从中可以直观地看出品种与地点等环境的互作关系.本文采用双标图对6个淀粉相关性状在品种上的稳定性和地点上的辨别能力进行了分析，结果见图 1.横坐标表示性状的平均值，纵坐标表示互作效应的差异.水平方向上值越大，品种在性状上的值越大；垂直方向上，越靠近横坐标轴，就品种而言稳定性越好，就试点而言，地点辨别力越差.

图1a表明品种V8，V4和V7的稳定性较好，V5，V6和V9的稳定性较差；地点L3的代表性最强，L2，L1次之，L4最差.因此，就干物质质量分数而言，V8，V4是质量分数高且稳定性好的品种，地点L3对品种间干物质质量分数差异的辨别力最强.

图1b表明品种V1，V4和V7的稳定性较好，V2，V8和V6的稳定性较差；地点L3的代表性最强，L2，L1次之，L4最差.因此，就鲜基淀粉质量分数而言，V1，V4是质量分数高且稳定性好的品种，地点L3对品种间鲜基淀粉质量分数差异的辨别力最强.

图1c表明品种V1，V9和V6的稳定性较好，V4，V5和V2的稳定性较差；地点L1的代表性最强，L2，L4次之，L3最差.因此，就淀粉产量而言，V1，V9是高产稳产品种，地点L1对品种间淀粉产量差异的辨别力最强.

图1d表明品种V7，V2和V1的稳定性较好，V5，V6和V8的稳定性较差；地点L3的代表性最强，L2，L4次之，L1最差.因此，就直链淀粉质量分数而言，V1是质量分数高且稳定性好的品种，V2是质量分数低稳定性好的品种，地点L3对品种间直链淀粉质量分数差异的辨别力最强.

图1e表明品种V9，V2和V4的平均粒径稳定性较好，V7，V8和V6的稳定性较差；地点L1的代表性最强，L2，L4次之，L3最差.因此，就淀粉粒径而言，V9，V4粒径较大且较稳定，V2是粒径较小且稳定性好的品种，地点L1对品种间粒径大小差异的辨别力最强.

图1f表明品种V5，V8和V2的粒径Span稳定性较好，V1，V3和V7的稳定性较差；地点L3的代表性最强，L2，L4次之，L1最差.因此，就粒径Span值而言，V8，V2是粒径大小较为稳定的品种，地点L3对品种间粒径Span差异的辨别力最强.

图1 甘薯淀粉相关的6个性状品种、地点AMMI模型双标图

3 讨论与结论

目前作为国内重要育种方向之一的淀粉型甘薯如济薯25、渝薯27等品种的淀粉质量分数与淀粉产量都已经达到较高的水平，促进了淀粉加工及其产业的发展，除进一步在淀粉质量分数和淀粉产量方面开展筛选外，还应在淀粉品质方面开展深入研究.本文以2019年重庆市淀粉型甘薯新品种联合鉴定试验的重庆合川、永川、彭水和万州4个地点的9个品种为供试材料，采用AMMI模型对淀粉相关的干物质质量分数、鲜基淀粉质量分数、淀粉产量、直链淀粉质量分数、平均粒径及其粒径Span的均匀性在品种间的差异、地点间的稳定性以及试验地点的鉴定灵敏度进行了初步分析.

研究结果表明，干物质质量分数、鲜基淀粉质量分数和淀粉粒径受遗传因素影响最大，这是因为不同品种移栽后茎叶生长动态和光合能力及产物转运能力存在着差异[28]，这3个性状可以通过杂交亲本的选择和搭配加以提高和改善.育种材料的干物质质量分数、鲜基淀粉质量分数在重庆彭水(地点L3)可以比较灵敏地加以鉴定.淀粉产量受地点因素影响最大，在不同地点间存在明显差异，与前人在水稻、玉米、油菜等作物上的研究结论相似[18，20，29]，这主要由于鲜薯产量是容易受环境影响的数量性状.淀粉产量可以在重庆合川(地点L1)和万州(地点L4)比较灵敏地加以鉴定，这可能与合川点土壤肥力相对较差和万州点土壤肥力相对较好有关.直链淀粉质量分数和粒径Span受品种与地点的交互作用影响最大，这可能是因为淀粉在合成过程中直链淀粉的质量分数不仅受糯性基因wx和rbe的影响，而且外部条件的改变在一定程度上影响着它的质量分数，研究发现机械活化、气温、光照强度、海拔高度、贮藏时期和收获时期对直链淀粉质量分数都有显著影响[30].刘建超[31]发现稻米淀粉颗粒的形态和空间排列结构与生长环境温度密切相关，高温处理下稻米淀粉颗粒平均粒径值的增加主要是由于大淀粉粒占总淀粉粒的相对数量和百分比增加所致，而小淀粉粒在高温处理下的相对数量和平均粒径并没有出现较明显的增加，甚至还略有下降.这两个性状能在重庆彭水(地点L3)比较灵敏地鉴别，这可能与彭水点气候特点有关.因此本文得到地点鉴别能力研究结果表明，可通过适宜地点的筛选来提高淀粉型甘薯新品种淀粉性状的鉴定与选择效率[32].

贾赵东等[33]分析了甘薯品种产量性状的稳定性和适应性，但对甘薯品种淀粉的相关性状没有做进一步的报道.本文对9个品种6个淀粉相关性状进行了初步评价：针对淀粉质量分数高的需求，V1和V4是质量分数高且稳定性好的品种，可以作为育种亲本.针对淀粉产量高的需求，V1是高产稳产品种.针对直链淀粉质量分数高，可用于工业生产方面的需求，V1是质量分数高且稳定性好的品种；针对直链淀粉质量分数低且有更好食用口感的需求，V2是低质量分数且稳定性好的品种.针对淀粉粒分布需求，V8和V2的淀粉粒径较为稳定.本文9个品种淀粉相关性状变异及其稳定分析的研究结果表明，可以通过育种手段选育出符合各类工业加工要求的优质高淀粉高产的淀粉型新品种.

致谢：重庆市淀粉型甘薯新品种联合鉴定试验由重庆市种子管理站主持，承蒙合川、永川、彭水和万州4个地点承试单位提供甘薯样品和鲜薯产量数据，在此一并致谢.