紫甘薯与黄肉突变体生物学特征及块根品质的比较分析

雷 艳，汤琳菲，董 文，秦玉芝，熊兴耀，胡新喜

（1.湖南农业大学园艺学院，湖南省马铃薯工程技术研究中心，蔬菜生物学湖南省重点实验室，湖南 长沙 410128；2.湘西土家族苗族自治州农业科学研究院，湖南 吉首430003；3.中国农业科学院深圳农业基因组研究所，广东 深圳 518120）

甘薯[Ipomoeabatatas（L.）Lam.]是世界第七大粮食作物，粮饲兼用，也是重要的工业原料，具有产量高、适应性广和抗性强等特点[1]。全世界有110 多个国家种植甘薯，总面积约900 万hm2，总产量约1.3亿t/a。我国是世界上最大的甘薯生产和消费国，2017年甘薯种植面积为337 万hm2，产量为7 200 万t，种植面积和总产量分别占世界的37%和49%[2]。甘薯块根是主要的食用器官，用于养分的储存和繁殖。甘薯的品种较多，其皮色也较为丰富，主要有白色、红色、黄色、淡黄色和紫红色等，薯肉的颜色也有黄色、白色、红色和紫色等[3]。甘薯块根富含微量元素、维生素、蛋白质、胡萝卜素和多糖等成分，具有增强免疫力、抗氧化、抗肿瘤等功效[4-6]。紫甘薯除含有普通甘薯的营养物质外，还富含花青素，已成为提取花青素的重要原料，广泛用作食品着色剂和营养保健食品。有研究表明，甘薯花青素具有抗氧化作用[7]能降低血压[8]和血糖[9]。与其他含花青素的作物相比，紫甘薯产量高，适应性强，花青素含量高，且其花青素具有很好的光稳定性和热稳定性[10-11]，在食品、化妆品和医药行业中有广泛的应用前景[12]。

目前，生产上推广的甘薯品种多数为有性杂种一代的无性系，在无性繁殖过程中会产生芽变，通过芽变选择可迅速获得新的品系（种），缩短育种年限。许多甘薯良种是由芽变获得的，如日本的蔓无源氏，我国的红皮南端苕、北京红，济南长蔓、惠红早等，在生产上大面积推广，增产显著[2]。

项目组在一株紫甘薯浙紫薯1 号（紫皮紫肉）的块根中发现了一个白皮芽变薯，其薯肉为淡黄色，植株性状也发生了变化，经过多年跟踪比较调查，发现这一变异性状表现稳定，认为该变异植株为芽变突变体。笔者比较分析了白皮黄肉突变体的突变型与野生型植株的生物学特征、生理学特性、薯肉颜色、花青素含量等方面的差异，旨在探讨黄肉突变体形成原因，进一步揭示突变体产量和品质差异的生理机制。

1 材料与方法

1.1 试验材料

该突变体是从长沙种植的紫甘薯浙紫薯1 号块根中发现的一个白皮块根，薯肉淡黄色，经多年跟踪比较调查，该突变体变异性状稳定。野生型浙紫薯1 号为对照材料。

1.2 田间试验方法

试验于2017 年3—11 月在湖南农业大学校内试验基地进行。基地位置113°17′32″E，28°07′58″N，海拔57 m，土壤为黏壤土。突变体和野生型2 个材料采取随机区组排列，设置3 次重复，共6 个小区；采用单垄双行、宽窄行种植，宽行80 cm，窄行40 cm，小区面积30 m2。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植物学特征观测 扦插后，观察甘薯扦插苗茎、叶、不定根的颜色，每个品种每小区随机取10 株测量茎长、茎粗，记录节数，计算平均节间长度。

1.3.2 光合特性 每个品种各选3 株，采用LI-6400XT便携式光合作用测定仪对植株第4 片完全展开叶进行测定，参考胡新喜等[13]的方法于晴天（8：00—18：00）测定净光合速率日变化，每隔2 h 测定1 次。为了消除时间上的误差，每次重复测定时各品种间采取随机测定的方法。

1.3.3 主要农艺性状观测 收获期，观察甘薯块根颜色及形状，每个重复每个品种各调查10 株，测量茎粗（mm）、株高（cm）；收获后将小区甘薯重量折算成公顷产量。

1.3.4 品质分析 选取代表性薯块1 000 g，切片60℃烘干至恒重时测定其干物质含量，薯块干物质含量（%）=烘干后重量/鲜重×100；采用蒽酮法测定甘薯淀粉含量[14]；采用考马斯亮蓝G-250 法测定甘薯蛋白质含量[15]；采用盐酸甲醇法检测甘薯块根薯肉和薯皮的总花色苷含量[16]。在530 nm 条件下采用高效液相色谱（HPLC）法分离块根花色苷。色谱条件：WondasilTM C18色 谱 柱（250 mm×4.6mm，5 μm），流动相为0.2% H3PO4（A）-乙腈（B），洗脱程序为0～30 min 15%～25% B；流速为 1.0 mL/min；二极管阵列检测器，柱温30℃，采用HPLC 峰面积归一化法测定花色苷提取液色谱峰的峰面积[17]。

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 2010 进行整理，采用SPSS 23.0 软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 突变体与野生型植株植物学特征比较

扦插成活27 d后，观测突变体和野生型植株的茎、叶和根系的形态指标，从表1 中可以看出，2 个材料的叶片均呈典型的心形，叶片和叶柄均呈绿色，叶片大小无差异；茎均为圆形，野生型茎基部为紫色，中上部为绿中带紫，突变体全部为绿色；突变体茎粗为5.02 mm，显著粗于野生型，茎长和节数差异不显著，但是野生型的平均节间长度为5.59 cm，显著长于突变体；野生型茎上气生根较多，呈紫色，突变体气生根多，为白色；野生型和突变体的根系均较发达，野生型根系呈紫色，突变体根系为白色。因此，与野生型相比，突变体植株植物学特征发生了显著的变化，且突变体植株生长势更强。

表1 野生型和突变体的植物学特征

2.2 突变体与野生型植株光合特性比较

秋季是甘薯块根膨大的关键时期，该生长阶段光合作用的强弱与甘薯产量密切相关。测定了2 个材料秋季的净光合速率（Pn）日变化，发现野生型和突变体的Pn 日变化均是非典型的双峰曲线（图1），最高峰出现在14：00 左右，野生型和突变体分别为24.59和26.39 µmol/(m2∙s)；另外，野生型还有一个次高峰出 现 在10：00 前 后，为19.75 µmol/(m2∙s)，12：00时出现较为明显的光合午休现象，此时Pn 为16.28µmol/(m2∙s)，而突变体没有午休现象；8：00—10：00野生型的Pn 比突变体高，而10：00—18：00 突变体的Pn 比野生型高。2 个材料下午的Pn 均高于上午，可能是由于秋季上午气温较低，不利于光合作用导致的。

图1 野生型和突变体净光合速率的日变化曲线

2.3 突变体与野生型农艺性状比较

由表2 可知，收获期，野生型株高为365.27 cm，茎粗为5.57 cm，突变体株高为294.07 cm，茎粗为5.79 cm；与野生型相比，突变体的茎粗增加，株高显著降低。野生型单株结薯数为5.9 个，突变体单株结薯数减少，为5.1 个；野生型单株薯重为0.75 kg，突变体单株薯重显著增加，为0.98 kg；将小区产量换算成公顷产量，野生型产量为31.17 t/hm2，突变体产量为41.06 t/hm2，差异显著。野生型和突变体块根均呈纺锤形，野生型薯皮薯肉颜色均为紫色，突变体薯皮为白色，薯肉为淡黄色，发生了显著变化。

表2 突变体和野生型的农艺性状

2.4 突变体与野生型块根品质比较

从表3 中可以看出，野生型薯皮、薯肉花青素含量分别为666.0、536.7 mg/kg，突变体薯皮和薯肉的花色苷仅为15.3、11.2 mg/kg，材料间差异显著，同时薯皮的花青素含量显著高于薯肉。进一步对块根花色苷提取物进行HPLC 分析，在530 nm 条件下，野生型的薯肉和薯皮提取物有明显的吸收峰，薯肉和薯皮分别有3 和4 个较大的峰，而突变体的薯肉和薯皮均没有吸收峰（图2）。野生型块根干物质含量为31.8%，淀粉含量为18.10%，突变体块根干物质含量和淀粉含量高于野生型，分别为32.7%和20.07 %；野生型块根蛋白质含量为1.10 %，突变体块根蛋白质含量低于野生型，仅0.76%，差异显著。突变体块根食味品质评分为8.9 分，味粉甜，有板栗香味，野生型的食味品质评分仅为7.5 分，粗纤维较多，甜味不及突变体。

图2 突变体和野生型块根花色苷高效液相色谱图

表3 野生型和突变体的块根品质

2.5 突变体和野生型嫁接鉴定

为鉴定突变体花青素合成的表型是否受环境条件的影响，将突变体和野生型互相嫁接，从图3 中可以看出，未嫁接的野生型茎、根和块根均为紫色，突变体的茎为绿色，根和块根均为白色。嫁接后，野生型接穗的表型不受突变体砧木影响，呈现出野生型植株特征；突变体接穗的表型不受野生型砧木的影响，呈现出突变体植株特征。两种嫁接方式下砧木的表型也不受接穗影响。

图3 突变体和野生型植株及嫁接苗植株的表型

3 讨 论

紫甘薯具有产量高、适应性强、易于栽培等优点，而且花色苷含量高，营养价值高，是很好的天然健康食品和加工原料，应用前景广阔。研究结果表明，与野生型相比，突变体的块根由紫色变成白皮黄肉，突变体块根和茎上花青素含量显著降低，但其他生长发育未受到明显影响，产量和相关经济性状更为优良。块茎膨大期是关系甘薯产量的最重要时期，产量高低与叶片光合作用的强弱密切相关。黄咏梅等[18]对甘薯不同时期干物质积累及光合特性的研究结果表明，虽然高淀粉型甘薯品种桂粉2 号的鲜薯产量低于低淀粉型本地薯品种，但其干物率、薯干产量和光合能力均高于本地薯。笔者的研究结果表明，突变体总叶绿素的含量比野生型要高，块根膨大期净光合速率超过野生型，突变体产量显著增加，干物质含量和淀粉含量均超过野生型。

有关植物花色苷生物合成及其代谢调控的研究多集中在植物的花、果实、种子等地上部分，对块根、块茎等地下器官的相关研究较少，虽然在紫甘薯上取得了一些进展[19-20]，但是调控紫甘薯块根花色苷合成的分子机理尚未明确，有待进一步研究。由于甘薯是六倍体，且自交不亲和，很难获得近等基因系。核基因突变引起的芽变一般为单个基因的突变，是很好的基因功能研究材料。该研究中紫甘薯浙紫薯1 号及其突变体的遗传背景相近，很适合用于研究块根花青素合成调控的分子机制。