木薯AGPase及其同工酶活性与淀粉积累的关系

陈会鲜　罗兴录　 曹升　郭雅静　王战　罗璇　单忠英

摘 要 采用高淀粉木薯品种辐选01和低淀粉木薯品种华南124作为试验材料，研究木薯块根的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）及其同工酶活性与淀粉积累的关系。通过对比研究可知：木薯块根的AGPase对淀粉积累可能有着至关重要的促进作用，并且木薯块根的AGPase具有四种同工酶，分别为AGP a、AGP b、AGP c、AGPd，其中AGP a、AGP b、AGP c可能是决定AGPase活性和影响块根淀粉积累的关键同工酶。

关键词 木薯；腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶；同工酶；淀粉积累

中文分类号 S533 文献标识码 A

The Research of the Relationship Between Starch Accumulation

and the Activity of Cassava's ADP-glucose

Pyrophosphorylase and Its Isozymes

CHEN Huixian1，3， LUO Xinglu1，2 *， CAO Sheng1，3， GUO Yajing1

WANG Zhan1， LUO Xuan1， SHAN Zhongying1

1 Agricultural College， Guangxi University， Nanning， Guangxi 530005， China

2 State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agricultural Biological， Nanning， Guangxi 530004， China

3 Academy of Agricultural Sciences， Yulin， Guangxi 537000， China

Abstract The high starch content cassava variety-Fuxuan01 and the low starch content cassava variety-SC124 were used as experimental material ，to research the research of the relationship between starch accumulation and the activity of cassava's ADP- glucose pyrophosphorylase and its isozymes .Through the comparative study ，it could come to a conclusion： AGPase of cassava's tuberous root might have an important role in promoting starch accumulation. AGPase might have four varieties of isozymes， they were AGP a、AGP b、AGP c、AGP d. among them， AGP a、AGP b、AGPc this three varieties of isozymes might be the key isozymes to determine the activity of AGPase， and might be the key isozymes to affect starch accumulation.

Key words Cassava； ADP-glucose pyrophosphorylase； Isozymes； Starch accumulation

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.01.016

木薯块根富含淀粉，素有“地下粮仓”的美称，是世界三大薯类之一。木薯是优质淀粉作物，又是重要的生物能源作物。广西是中国生产木薯的主要省（区），种植面积占全国60%，产量占70%。木薯生产是广西农业特色产业之一，但是目前广西木薯生产普遍存在产量低的问题，因此如何提高木薯块根淀粉产量是木薯栽培和品种选育的主要目标之一。Dong等[1]通过研究认为，淀粉的合成极有可能是生成的一磷酸葡萄糖（G-1-P）透过造粉体的双成膜进入到造粉体后被AGPase催化生成腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG）。Preiss等[2]认为，AGPase是淀粉合成的限速酶。由此可见，AGPase是淀粉合成的关键酶。目前对AGPase及其同工酶的研究主要集中在小麦上，而对木薯的AGPase及其同工酶的研究报道较少，目前只见关于木薯AGPase酶活性及其同工酶位点检测的报道。研究木薯块根AGPase及其同工酶活性对淀粉积累的作用开辟一条木薯高产研究的新途径，为高淀粉木薯品种的选育和高产高粉栽培的生理调控提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用木薯为高淀粉木薯品种辐选01和低淀粉品种华南124。辐选01是用华南124的种茎经过辐射而成的品种，2品种间具有较近的亲缘关系。辐选01除了块根淀粉含量比华南124高外，其他农艺性状基本与华南124相似。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验分2个处理，每个品种即为1个处理，每个处理重复3次，每个试验小区面积为99 m2，每个小区按照随机区组排列。试验材料种植于广西大学农学院科研基地，种植规格为90 cm×80 cm，田间管理采用常规栽培方法。

本试验样品分别于块根形成期、块根膨大中期、 块根膨大后期和块根成熟期，四个块根生长的关键时期进行采样。每个小区选取3株健壮并能代表相应时期生长状况的木薯植株作为样株，并采集能体现当株块根生长情况的块根作为样品。用于测定酶活性的样品，在田间采摘后立即用液氮速冻，然后转入-80 ℃冰箱，保存备用。而用于测定淀粉含量的样品，则在采集鲜样后用105 ℃杀青30 min左右，然后75 ℃烘干至恒重，最后粉碎过100目筛。

1.2.2 测定方法

（1）淀粉含量的测定。参照上海植物生理学会主编的《植物生理学实验手册》中蒽酮比色法[3]测定淀粉含量。

（2）AGPase活性的测定。参照Douglas[4]的方法测定AGPase的活性。

（3）AGPase同工酶的测定。分离AGPase的同工酶参照Davis[5]的方法，AGPase同工酶的活性染色参照Weaver等[6]的方法。电泳结束后所得的蛋白胶用单反相机拍照，最后用Quantity One Version 4.6.2凝胶分析软件分析各个条带的相对光密度（Volume），其大小代表酶活性的大小，单位为INT×mm2。

1.3 数据处理 试验所有数据用Excel 2003软件进行数据处理、分析和作图，用Word2003制表，用SPSS 17.0进行相关性分析和差异性分析。

2 结果与分析

2.1 不同时期木薯块根淀粉积累量的变化

从块根形成期到块根成熟期，华南124和辐选01的淀粉积累量均呈现着逐渐增加的趋势，直到块根成熟期达到最大值，其最大值分别为75.55%和86.79%。比较2个木薯品种的淀粉积累量，发现在这4个生长期内辐选01的淀粉积累量较华南124的有所提高，分别提高了3.70%、13.90%、16.66%、14.88%，其中在块根膨大中期、块根膨大后期和块根成熟期差异达到极显著水平（图1）。这说明辐选01合成淀粉的能力较强于华南124的。

2.2 不同时期木薯块根淀粉积累速率的变化

华南124和辐选01的淀粉积累速率变化都呈一个“慢-快-慢”的过程，其中在块根膨大后期达到最大值，淀粉积累速率分别为每天6.22%和7.22%。在前3个生育期里，辐选01的淀粉积累速率都大于华南124的，分别提高了4.38%、25.80%、15.95%，其中在块根膨大中期差异达到显著水平（图2）。这也进一步说明辐选01积累淀粉的能力强于华南124的。

2.3 不同时期木薯块根AGPase的活性变化

华南124和辐选01品种块根AGPase活性的变化都呈现“倒U型”变化，在块根膨大后期达到最大值，其活性分别为1.99 μmol/（g FW·min）和2.36 μmol/（g FW·min）。比较2个木薯品种的AGPase活性，发现在块根形成期、块根膨大后期、块根成熟期这3个时期里辐选01的AGPase活性较华南124的有所提高，分别提高了13.33%、18.59%、80.00%，其中在块根膨大后期差异达到极显著水平，在块根成熟期差异达到显著水平（图3）。

2.4 不同时期木薯块根AGPase的同工酶活性变化

由图4可知，木薯块根的AGPase至少有4种类型的同工酶，暂时命名AGPa、AGPb、AGPc、AGPd。这4种类型的同工酶都存在于这2种木薯品种的每个时期，但它们的活性大小在品种间和各个时期里存在较大差异。

2.4.1 不同时期木薯块根AGPa的活性变化 辐选01的AGPa活性在4个生育期里的变化呈先增大后减小的变化趋势，在块根膨大后期达到最大值，其活性为35 372.58 INT×mm2。在块根形成期以后，华南124的AGPa活性变化也呈先增大后减小的变化趋势，且在块根膨大后期也达到最大值，其活性为30 793.09 INT×mm2。除了块根形成期，其他3个时期里辐选01的AGPa活性都比华南124的大，分别提高了22.72%、14.87%、0.35%，其中在块根膨大中期和块根膨大后期差异达到极显著水平（图5）。

2.4.2 不同时期木薯块根AGPb的活性变化 2个木薯品种块根的AGPb活性变化规律与AGPa的活性变化规律大致相同。在后3个时期里，华南124和辐选01的AGPb活性也都在块根膨大后期达到最大值，其活性大小分别为50 949.22 INT×mm2和67 793.72 INT×mm2，并且辐选01的AGPb活性都比华南124的有所提高，分别提高了26.37%、33.06%、2.46%，其中在块根膨大中期和块根膨大后期差异达到极显著水平（图6）。

2.4.3 不同时期木薯块根AGPc的活性变化 2个木薯品种的AGPc活性变化规律也与AGPa的活性变化规律大致相同。在块根膨大中期、块根膨大后期和块根成熟期这3个时期里，华南124和辐选01的AGPb活性也都在块根膨大后期达到最大值，其活性大小分别为52 600.84 INT×mm2和62 558.53 INT×mm2，并且辐选01的AGPc活性都比华南124的高，分别提高了90.59%、18.93%、24.30%，且差异都达到极显著水平（图7）。

2.4.4 不同时期木薯块根AGPd的活性变化 2个木薯品种的块根AGPd活性变化大致呈U型的变化趋势，且在块根形成期都达到最大，其活性大小分别为15 592.83 INT×mm2和9 373.87 INT×mm2。华南124的AGPd活性在块根膨大后期达到最小，活性大小为848.92 INT×mm2。辐选01的AGPd活性在块根膨大中期达到最小，活性大小为221.03 INT×mm2。除了块根膨大后期以外的3个时期内，华南124的AGPd活性都大于辐选01的，且差异达到极显著水平。由此可见，AGPd的变化趋势与其他3种同工酶的变化趋势截然不同（图8）。

2.5 不同木薯品种块根AGPase活性与淀粉积累的相关性分析

无论是华南124还是辐选01，AGPase的活性与淀粉积累量都呈不显著正相关，与淀粉积累速率呈极显著正相关。这说明木薯块根的AGPase可能对淀粉的积累有着重要的促进作用（表1）。

2.6 不同木薯品种块根AGPase活性与其同工酶活性的相关性分析

在AGPa、AGPb、AGPc这3种同工酶的活性与AGPase活性所呈的相关性分析中，辐选01都呈现极显著正相关，而华南124却呈不显著负相关或是不显著正相关。虽然2种木薯品种呈现出的结果有所差异，但是通过比较显著性和相关系数大小发现，AGPa、AGPb、AGPc的活性可能与AGPase活性呈正相关，其中在高淀粉木薯品种辐选01中表现得更为明显。无论是华南124还是辐选01，AGPd的活性都与AGPase的活性呈显著负相关（表2）。这说明AGPa、AGPb、AGPc可能是决定AGPase活性的3种关键同工酶。

2.7 不同木薯品种块根AGPase的同工酶活性与淀粉积累的相关性分析

木薯块根AGPa、AGPb、AGPc的活性与淀粉积累总量的相关性在2个品种中的表现不同，在华南124中表现为不同显著性程度的负相关，而在辐选01中表现为显著或极显著正相关。2个木薯品种的AGPa、AGPb、AGPc的活性与淀粉积累速率呈正相关，且辐选01相关性达极显著水平。无论是华南124还是辐选01，AGPd的活性与淀粉积累速率呈负相关，与淀粉积累总量呈极显著负相关。说明AGPa、AGPb、AGPc这3种同工酶可能对提高淀粉积累速率有积极的促进作用。

3 讨论

AGPase催化G-1-P和ATP反应形成的ADPG直接作为淀粉合成的前体物质，因此AGPase是木薯淀粉积累的关键酶。张军杰等[7]研究玉米发现，AGPase的活性与直链淀粉含量、支链淀粉含量和总淀粉积累速率均呈极显著正相关。池敏青[8]研究木薯的淀粉积累特性时发现，AGPase活性与木薯块根淀粉积累速率呈正相关关系，但不显著。姜东等人[9]通过研究高产小麦强势和弱势子粒淀粉合成相关酶活性的变化，结果表明AGPase的活性与淀粉积累速率成正相关关系。本试验的研究结果表明，AGPase的活性可能对淀粉积累有重要的促进作用。这与前人的研究结果相似。

岳向文等[10]通过研究发现，小麦的AGPase有5种同工酶，且每种同工酶对小麦淀粉积累的作用不同，其中AGPa、AGPb、AGPc同工酶出现的频率较大。赵法茂等[11]研究出AGPase有6种同工酶，且各种同工酶对AGPase活性的影响是同步的。岳向文等[10]通过研究小麦的AGPase同工酶，发现AGPa、AGPb、AGPc、AGPd是决定小麦淀粉积累量的关键酶。本研究发现木薯的AGPase具有4种同工酶类型，其中AGPa、AGPb、AGPc可能是决定木薯块根AGPase活性的关键酶。这与前人的的研究有相同之处，也有不同之处。相同之处在于都验证了各种AGPase的同工酶普遍存在各种植物中，且对AGPase的活性积累影响是同步；不同之处在于AGPase的同工酶的类型不同，这可能是因植物的种类不一样决定的。闵义等[12]研究几种木薯的AGPase的同工酶，发现Agr7含有的AGPe是决定木薯块根淀粉积累量的关键酶，该结论与前人的研究有很大差别，可能是试验材料不同所致；他还发现华南124的块根AGPase具有4种同工酶，本试验也得出华南124的块根AGPase至少有4种同工酶，两者结果相同。

参考文献

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