不同淀粉含量木薯品种块根淀粉粒结构观察比较

张玉 罗兴录 黄学荣 朱艳梅 宁瑜

摘要：【目的】探討不同淀粉含量木薯品种块根淀粉粒结构差异及其与淀粉含量的潜在关系，为研究木薯块根淀粉存储状态及品种选育提供理论依据。【方法】以高淀粉木薯品种GR891、辐选01和低淀粉木薯品种华南124为材料，通过块根形态解剖、石蜡切片观察、电镜扫描等方法比较不同淀粉含量木薯块根淀粉粒的结构特点。【结果】苗期时木薯块根淀粉主要存在于次生木质部。块根形成期淀粉粒大量存在；淀粉储藏区是木薯块根淀粉储藏的最主要区域，皮层部分少量分布，储藏区淀粉粒密度高于皮层；靠近中柱的次生木质部区域，其淀粉粒呈放射线状排列分布。不同淀粉含量木薯品种在淀粉粒形态上无明显差别，多数为一面不规则的半球形、椭球形。高淀粉品种的淀粉粒直径小于低淀粉品种，但差异不显著（P>0.05）。【结论】木薯块根淀粉积累的主要位置是淀粉储藏区，导管内部及临近区域的淀粉粒数量多、直径小、填充程度高，且在块根膨大期高淀粉木薯品种淀粉粒聚集程度高于低淀粉木薯品种。

关键词： 木薯；淀粉粒形态结构；石蜡切片；电镜扫描

中图分类号： S533 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2017）05-0806-06

Starch grain structure in root tuber of cassava varieties

with different starch contents

ZHANG Yu1， LUO Xing-lu1，2 *， HUANG Xue-rong 1， ZHU Yan-mei1， NING Yu1

（1 College of Agriculture， Guangxi University， Nanning 530004， China； 2 State Key Laboratory for Conservation and

Utilization of Subtropical Agro-bioresources， Nanning 530004， China）

Abstract：【Objective】Starch grain structure in root tuber of cassava varieties with different starch contents and its relation to starch content were studied， so as to provide theoretical basis for starch storage and breeding of cassava. 【Method】Taking high-starch cassava varieties GR891，Fuxuan 01 and low-starch cassava variety SC124 as materials， the starch grain structure in root tuber of different cassava varieties were studied by morphology anatomy，paraffin section and scanning electron microscopy of root tuber. 【Result】At seedling stage， starch was mainly stored in secondary xylem. At root tuber formation stage， starch grains were abundant. Most of them were stored at starch storage area and a small amount were distributed at cortex， but starch grain density in starch storage area was higher than that in cortex. In secondary xylem region near the middle column，starch grains were distributed in a radial arrangement. There was no significant difference in morphology of starch grains between different cassava varieties，and most of them were irregular semicircle and elliptical. Starch grain diameter of high-starch varieties was smaller than that of low-starch varieties， but the difference was insignificant（P>0.05）. 【Conclusion】The main position of starch accumulation in root tuber of cassava is starch storage area. In catheter interior and adjacent areas， the number of starch grain is large， grain diameter is small， and filling degree is high. Aggregation degree of starch grain in high-starch cassava varieties is higher than that of low-starch cassava varieties at root tuber formation stage.

Key words： cassava； starch grain morphology； paraffin section； scanning electron microscopy

0 引言

【研究意義】木薯（Manihot esculenta Crantz）又称树薯或树番薯，属大戟科植物，传入我国已有200多年，在我国南方地区广泛种植（张箭，2011）。木薯是世界三大薯类作物（木薯、马铃薯、甘薯）之一（张耀华等，2009），是介于C3和C4植物之间的中间型作物，具有高光不饱和及净光合速率较高的特性，且其块根在生理上无明显的成熟期，在适宜环境下一年四季均能生产种植和收获，因而具有很高的生物能量储藏潜力（Ceballos et al.，2004；Raemakers et al.，2005；Nassar，2007；张鹏等，2013）。木薯块根淀粉含量丰富，享有淀粉之王的美称（张鹏，2015）。淀粉粒结构是影响淀粉含量的重要因素，因此，比较不同淀粉含量木薯品种块根的淀粉粒结构，对选育高品质的木薯品种具有重要意义。【前人研究进展】目前，关于木薯块根淀粉形成及其结构的研究已有一些报道。闵义等（2010）对3个华南木薯品种（SC124、SC8、Arg7）膨大初期块根淀粉体的大小、形态、分布排列和发育等特性进行扫描电镜观察，发现淀粉主要沉积在木薯块根的次生韧皮部和木质部的薄壁细胞中，且品种间块根淀粉体形态无明显差异，形状主要为球形，常见的有椭球体、不规则半球体、多极球体等形态，但淀粉体大小及空间排列在3个品种间差异明显。潘坤等（2013）利用透射电镜技术对木薯初生、次生须根和不同时期的块根韧皮部进行亚细胞结构观察，发现在块根形成期薄壁细胞内逐渐开始出现淀粉累积，到成熟期淀粉粒最密集；同样发生次生生长的次生须根内虽然有少量淀粉累积，但随着其膨大活动而逐渐终止。汪树生等（2013）研究表明，经湿热处理后的木薯淀粉颗粒表面出现凹坑，随着初始水含量增加，淀粉颗粒表面凹坑的数量也增加。樊宪伟等（2014）比较了木薯块根储藏区与皮层中淀粉粒的长度，结果表明，高淀粉品种新选048和辐选01淀粉粒长度长于低淀粉品种SC124，木薯块根皮层厚度与淀粉的积累呈负相关。石海信等（2015）对不同微波辐射时间的木薯淀粉结构与性质进行研究，结果表明，微波辐射未能使淀粉产生新的官能团，但分子间及分子内氢键发生变化；随微波辐射时间延长，淀粉颗粒表面出现凹陷或皱褶数量增多，但未能改变淀粉颗粒结晶类型。曾文丹和罗兴录（2015）研究表明，在淀粉积累的各时期，高淀粉木薯品种FX01的支链淀粉、直链淀粉和总淀粉含量均显著高于低淀粉木薯品种SC124。【本研究切入点】前人主要对木薯块根淀粉粒的结构、形成过程及外界因素对其造成的影响进行了较多报道，结合形态解剖对不同淀粉含量木薯品种淀粉粒结构特点进行的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以高淀粉木薯品种GR891、辐选01和低淀粉木薯品种华南124为材料，通过块根形态解剖、石蜡切片观察、电镜扫描等比较不同淀粉含量木薯品种块根淀粉粒结构特点，探究其与淀粉含量的潜在关系，为研究木薯块根淀粉存储状态及木薯品种选育提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试木薯品种：高淀粉品种辐选01和GR891，分别由广西大学和广西亚热带作物研究所选育；低淀粉品种华南124，由中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所选育。

1. 2 试验方法

试验于2015年3月～2016年1月在广西大学试验基地进行。采用随机区组排列，每品种设3次重复，每小区种植木薯36株（6行×6排），小区种植规格为80 cm×100 cm。田间管理保持一致。

1. 2. 1 组织材料采集 采样时期分为苗期（6月19日）、块根形成期（8月21日）、块根膨大期（10月22日）和块根成熟期（12月22日）。采样具体时间为上午8：00～12：00，块根采集遵循随机取样法选取小区植株，小心挖取木薯块根，切取粗细位置相似的块根，清洗后及时用固定液固定，保持材料新鲜，保持原形。

1. 2. 2 石蜡切片制样 将鲜根置于福尔马林—醋酸—酒精（FAA）固定液中固定24 h后，在酒精和TO型生物制片透明剂中抽气，然后将材料放入TO型生物制片透明剂、石蜡混合液和石蜡溶液中透蜡10～15 d后，包埋、切片、番红固绿染色后封片，置于荧光显微镜下拍照。

1. 2. 3 电镜观察试验 取材（在淀粉储藏区取长0.6 cm、宽0.6 cm、高0.2 cm的样品）→固定（3%戊二醛4 ℃过夜）→漂洗（0.1 mol/L磷酸缓冲液，3次，20 min，4 ℃）→梯度脱水（依次用30%、50%、70%、80%、90%和100%的乙醇进行逐级脱水；100%乙醇过3次，每个梯度脱水时间20 min）→六甲基二硅胺烷（3次，20 min）→抽真空（3次，20 min→放于干净滤纸上，用解剖刀切成适合大小粘贴于有导电胶的铜板上，做好标记）。不同品种淀粉体大小的统计：随机选取照片上的50个淀粉体，以淀粉体的短轴直径为指标，并根据放大倍数换算成实际长度（μm）。

1. 3 统计分析

用Excel 2007进行数据整理及制图，用SPSS 18.0进行方差分析。

2 结果与分析

2. 1 不同淀粉含量木薯品种块根横切面整体与局部结构特征及淀粉粒分布比较

图1为苗期（6月19日）木薯块根横切面解剖结构图。从图1可看出，3个木薯品种在苗期时淀粉粒已有少量生成，主要分布在次生木质部，由中心向四周呈明显的放射线状排列；靠近中柱的次生木质部处细胞排列整齐紧密，细胞较小，淀粉粒较小；在次生韧皮部淀粉体极少量出现，且淀粉粒直径较小。不同淀粉含量木薯品种其块根淀粉粒的特征及分布无明显差异，苗期时木薯块根淀粉主要存在于次生木质部。

圖2为块根形成期（8月21日）木薯块根横切面解剖结构图。从图2可看出，3个木薯品在块根形成期时块根淀粉粒已大量存在。从横切面结构来看，皮层薄壁中的淀粉粒数量相对较少，且直径较小，充实程度低；位于次生木质部的薄壁细胞中自外向里淀粉体排列紧密，充实程度高，其中辐选01和GR891的填充程度高于华南124；3个木薯品种块根形成层内均无淀粉生成。木薯块根淀粉分布密集程度由外向内的总体趋势为：少—几乎没有—逐渐增多—放射线状分布。

图3为块根形成期（8月21日）木薯块根横切面淀粉粒分布情况图。从图3可看出，3个木薯品种块根导管内部及临近区域的淀粉粒数量多，直径小，集中分布且填充程度高，其淀粉聚集程度远高于块根皮层，淀粉储藏区的淀粉粒直径也大于块根皮层。高淀粉木薯GR891和辐选01块根储藏区的淀粉粒填充密度较大，低淀粉木薯品种华南124则相对较小。说明木薯块根淀粉积累的主要区域是淀粉储藏区，而不同淀粉含量木薯品种块根淀粉粒在此区域的填充程度存在明显差异。

2. 2 不同淀粉含量木薯品种块根淀粉粒密度比较

图4为块根膨大期（10月22日）木薯块根横切面解剖结构图。从图4可看出，块根膨大期时，华南124的细胞结构狭长，部分淀粉粒聚集呈簇状，一些分散呈点状排列，细胞中淀粉粒间隙相对较大；辐选01和GR891的细胞结构不规则，淀粉粒在细胞中分布广，填充程度高，淀粉粒间隙小。高淀粉木薯品种辐选01和GR891的块根淀粉粒密度大于低淀粉木薯品种华南124，说明在淀粉积累的关键时期，淀粉粒密度的大小是形成木薯块根淀粉含量差异的主要原因。

2. 3 不同淀粉含量木薯品种块根淀粉粒形态比较

从图5可看出，在扫描电镜下观察，3个木薯品种的淀粉粒形态无明显差异，华南124淀粉粒呈不规则球形或半球形，多面凹陷或一面凹陷的半球形，有的呈不规则面重合的椭球形；辐选01淀粉粒形状多呈一面不规则的椭球形，淀粉粒附着在淀粉体上，其中有一形态特殊的帽子状淀粉粒，可能是几个淀粉粒未完全分离时的状态，说明不同时期的淀粉粒形状和大小处在不断变化的过程中；GR891淀粉粒形态大小较为一致，主要呈半球形，或一面凹陷或多面凹陷的半球形，少数中央还见突起的脐。

2. 4 不同淀粉含量木薯品种成熟期块根淀粉粒直径比较

从图6可看出，3个木薯品种中华南124的块根淀粉粒直径最大（14.72 μm），GR891的块根淀粉粒直径次之（13.28 μm），辐选01的块根淀粉粒直径最小（12.67 μm），但三者间差异不显著（P>0.05）。说明不同淀粉含量木薯品种的块根淀粉直径相差不明显，其中淀粉含量低的华南124块根淀粉粒直径较大，淀粉含量高的辐选01和GR891块根淀粉直径偏小，可能是由于淀粉粒排列密度小的低淀粉木薯块根淀粉粒间的空隙大，利于其伸缩，因此块根淀粉粒直径相对较大。

3 讨论

木薯块根是由不定根经过次生增粗生长而形成的肉质贮藏根；块根维管形成层以外的皮层部分主要以次生韧皮部及周皮等构成；维管形成层以内的淀粉储藏区域，主要以次生木质部构成（马妙娟，1989）。木薯块根淀粉形态主要为球形，也有不规则的半球体或多极球体等形态，淀粉粒形状和大小上的差异，受发育中不同时期、空间挤压、营养状况等因素制约（周竹青等，2001；熊飞等，2005）。淀粉粒结构与作物品种密切相关，张云康等（1997）研究表明，早糯稻胚乳细胞内淀粉粒形状、大小、结构和发育与酿酒糯米品质存在一定关系，酿酒品质好的糯米，淀粉粒大小较一致，大多数为单粒淀粉粒，结构致密，排列整齐，淀粉粒间的空隙小而多，利于酿酒过程中水分吸收及酶渗透保持一致充分，较好控制发酵时间及过程，从而有利于提高黄酒的质量和产量；樊宪伟等（2014）研究表明，木薯块根淀粉粒的形状、大小、结构及空间排列与最终木薯块根的产量品质紧密相关。

本研究对苗期、块根形成期、块根彭大期和成熟期4个时期的木薯根部进行切片观察，比较了木薯在不同生长时期块根淀粉积累的空间排列特性，结果表明，在苗期时，块根已有少量淀粉粒生成，由于苗期植株的根系细胞较小，决定了淀粉粒偏小；根系淀粉粒主要存在于次生木质部，呈明显的放射线状排列；在次生韧皮部有极少量淀粉体出现，不同淀粉含量的木薯品种其块根淀粉粒的特征及分布无明显差异；在块根形成期时，块根淀粉粒已大量存在，主要贮存于次生木质部的薄壁细胞中，充实程度高，其中高淀粉含量木薯品种辐选01和GR891较低淀粉含量木薯品种华南124的填充程度高；块根的皮层也有淀粉粒出现，但数量不多；在块根膨大期时，低淀粉含量木薯品种华南124的块根淀粉粒聚集成簇状，细胞中淀粉粒间隙较大，而高淀粉含量木薯品种辐选01和GR891的块根淀粉粒在细胞中分布比较广泛，填充程度高，淀粉粒间隙小。高淀粉木薯品种块根淀粉粒排列密度大于低淀粉木薯品种，说明在淀粉积累的关键时期，淀粉含量不同的木薯，其块根淀粉粒的聚合度也不一样；其中块根导管内部及临近区域的淀粉粒呈数量多、直径小、充实程度高的特点。

本研究结果还表明，3个木薯品种块根的淀粉储藏区是木薯块根淀粉储藏最主要的地方，其淀粉聚集程度远高于块根皮层，淀粉储藏区的淀粉粒直径也大于块根皮层，成熟期其存储的淀粉粒密度很高，几乎所有组织中均充满淀粉粒，说明淀粉积累的主要位置是淀粉储藏区；不同淀粉含量木薯品种成熟期的淀粉粒形态无显著差别，多数为半球形、椭球形及不规则球形，与闵义等（2010）的研究结果一致。闵义等（2010）、樊宪伟等（2014）研究表明，不同木薯品种块根膨大期的块根淀粉体大小有差异，说明块根淀粉体的大小在生长前期差异明显，随着生育期的延后差异逐渐减小。本研究中低淀粉木薯品种华南124块根淀粉粒直径较大，而高淀粉木薯品种辐选01和GR891的块根淀粉直径偏小，可能是由于淀粉粒排列密度小的低淀粉木薯块根淀粉粒间的空隙大，利于其伸缩，因此块根淀粉粒直径较大。

本研究仅从块根形态学方面对3个不同淀粉含量木薯品种的淀粉粒结构进行了观察比较，而其他木薯品种的块根淀粉粒结构是否也存在类似情况有待进一步研究；同时造成不同木薯品种块根淀粉含量差异的原因除了块根膨大期块根淀粉粒的聚集程度不同外，是否还受特定的基因表达调控及木薯块根淀粉粒形状、大小、排布是否对木薯的食用口感有影响等问题均需后续试验加以证明。

4 结论

木薯块根淀粉积累的主要位置是淀粉储藏区，导管内部及其临近区域的淀粉粒数量多、直径小、填充程度高，且在块根膨大期高淀粉木薯品种淀粉粒聚集程度高于低淀粉木薯品种。

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（责任编辑 王 晖）