蔗糖、水杨酸和钾营养对彩色马铃薯试管薯结薯效率的影响

陈 莹，邹 雪，丁 凡，余金龙，余丽萍，杨 勇，王西瑶*

（1.四川农业大学农学院，成都 611130；2.绵阳市农业科学研究院，四川 绵阳 621023）

马铃薯（Solanum tuberosum L.）是重要的粮菜兼用和工业原料作物，营养全面，适应范围广，增产空间大，且和小麦、水稻等大宗粮食作物相比，水肥等资源利用率更高[1]。2015年我国提出马铃薯主粮化战略以来，马铃薯产业进入新的发展阶段，研究实现马铃薯的优质高产具有极其重要的意义[2]。但在生产中，马铃薯的品种退化问题严重影响其产量和品质。利用茎尖分生组织培养获得脱去病毒的试管苗，再由试管苗生产脱毒种薯，可以有效提高马铃薯的产量和品质[3-4]。由马铃薯试管苗诱导形成试管薯是脱毒种薯生产的新形式，与试管苗相比具有更多的优点，便于保存、运输和推广，可应用于种质资源保存、交换，无毒种薯的生长、运输以及马铃薯基因工程研究中基因转移的受体等等，受到了世界各国的重视[5-9]。彩色马铃薯富含花青素、抗氧化活性远高于普通马铃薯、营养丰富且口感良好，具有极高的营养保健价值和经济价值，近年来逐渐成为人们关注的热点，发展和应用前景广阔[10-11]。彩色马铃薯试管薯诱导体系虽然已经形成，但试管薯小、质量轻、成本高，限制了彩色马铃薯试管薯的生产应用[12]。提高彩色马铃薯试管薯的结薯效率，将有助于促进彩色马铃薯的推广发展。

马铃薯试管薯的形成和发育受多种因素影响。前人研究表明，蔗糖浓度是影响试管薯诱导的关键因素[13]。蔗糖不但为试管薯膨大提供碳源，而且可能对块茎发育过程中一些重要酶的基因表达及贮藏蛋白积累具有重要影响[14]，当蔗糖浓度为8%～12%时，试管薯诱导效果较好。钾具有促进物质运输、光合作用、以及淀粉合成等多种生理功能，对提高作物产量和品质起着重要作用[15]。马铃薯是喜钾作物，钾营养对马铃薯试管薯的形成有重要影响，适量钾有利于蔗糖向块茎的运输和块茎膨大。水杨酸对马铃薯试管薯的生产具有明显的化学调控作用，能抑制试管苗主茎的生长，促进侧枝和匍匐茎的分化，加速试管薯的形成，显著提高结薯率；水杨酸浓度为0.5 mmol/L 时，其化学调控作用最理想，结薯率高，成薯快，薯块均匀整齐[16]。

马铃薯试管薯诱导技术的研究推广，加快了脱毒马铃薯的繁殖，缩短了种薯生产周期，为工业化生产提供了切实可行的手段[17]。但是，目前关于彩色马铃薯试管薯诱导的研究报道很少。生产上彩色马铃薯的产量和品质一般不高，蔗糖、钾和水杨酸处理对其试管薯形成的作用几乎未见报道。本试验在前人研究的基础上，采用固液培养法，在适宜的条件下全黑暗培养，研究蔗糖、钾营养和水杨酸分别对彩色马铃薯试管薯结薯、薯块生理活性、淀粉和可溶性糖含量等的影响，探索提高彩色马铃薯试管薯结薯效率的方法。同时，试验选用多个组合的杂交后代材料，相比于前人选择1～2 个品种的研究，更能准确评价这3 个因素在马铃薯试管薯诱导中的作用。试验结果将为提高彩色马铃薯试管苗结薯产量和品质，降低生产成本，工厂化生产试管薯提供新途径。

1 材料和方法

1.1 试验材料

马铃薯杂交后代株系：16-3-4、16-4-1、16-6-1、16-6-8、16-6-12、16-7-9、16-9-18、16-12-3，由四川省绵阳市农业科学研究院提供，主要性状见表1。

表1 块茎主要性状Table 1 Main characteristic of tubers

1.2 试验方法

1.2.1 试管苗扩繁

在无菌条件下，剪取带1～2 个腋芽的茎段接入扩繁培养基MS+30 g/L 蔗糖+6 g/L 琼脂，pH 值5.8～6.0，每瓶接入约11 个茎段。培养条件：光照时间16 h 光/8 h 暗，光强60 μmol/m2·s，温度（22±1）℃[18]。培养出足够的试管苗。

1.2.2 试管薯诱导

基本诱薯液为MS 添加2 mg/L6-BA、6 mg/LB9、8%蔗糖以及0.5 g/L 活性炭[19]，正常钾水平为20 mmol/L，为避免提高钾含量对N 元素的影响，升高的钾用K2SO4补充。试验设计见表2。

表2 试验设计Table 2 Experimental design

试管苗培养约30 d 长成壮苗后，在无菌条件下，加入40 mL 诱薯液，每个处理3 瓶，设3 次重复，全黑暗条件下诱导试管薯。试管薯诱导期间，定期观察，统计结薯数目。

1.2.3 试管薯收获与指标测定

试管薯诱导约75 d，产量保持稳定时，将试管薯取出洗净晾干，统计株数、结薯数，称重。然后进行重复3 次的指标测定，采用碘比色法[20]测定试管薯淀粉含量、蒽酮比色法[21]81-83测定试管薯可溶性糖含量、TTC 法[21]30-31测定试管薯活力。

1.2.4 成本比较分析

按照现在购买试剂的价格，计算试管苗扩繁培养基（用量为30 mL/瓶）和基本诱薯液（用量为40 mL/瓶）以及处理需要添加试剂的总成本，对比分析0.5 mmol/L 水杨酸、12%蔗糖处理与对照组生产试管薯所需试剂成本。MS 为0.16 元/g，用量为4.74 g/L。蔗糖0.032 元/g、琼脂0.272 元/g、6-BA 23 元/g、B9 0.95 元/g、活性炭0.05 元/g、水杨酸0.064 元/g。

1.2.5 数据统计与分析

用Microsoft Excel 2013 和DPS v7.65 软件进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对试管薯单株产量的影响

12%蔗糖和0.5 mmol/L 水杨酸处理都具有促进结薯提前的作用，可比对照平均提前约15～25 d 形成直径3～5 mm 薯块，并可提高彩色试管薯的结薯量（见图1）。由图2可得，与对照相比，12%蔗糖处理能极显著提高16-3-4、16-4-1 等6 个株系的单株产量，增产幅度最高达147%，株系16-6-12、16-7-9 则对提高蔗糖浓度处理不敏感。40 mmol/L 高钾处理除了极显著提高株系16-9-18 的单株试管薯产量外，对其他株系均无显著的提高作用，反而还一定程度地降低了试管薯产量。0.5 mmol/L 水杨酸处理极显著或显著提高了除16-6-12 外的7 个株系的单株产量，增产幅度19%～192%。

2.2 不同处理对试管薯单株结薯数的影响

从图3可以看出，与对照相比，12%蔗糖处理显著提高16-3-4、极显著提高16-6-8 的单株结薯数，对其他株系则没有显著影响。40 mmol/L 高钾处理下的单株结薯数没有显著变化。0.5 mmol/L 水杨酸处理显著提高16-4-1、极显著提高16-6-8 的单株结薯数，其他株系的单株结薯数虽有一定提高但未达到显著水平。

2.3 不同处理对试管薯淀粉含量的影响

从图4可以看出，与对照相比，12%蔗糖处理极显著或显著提高了16-4-1、16-6-1、16-6-12、16-9-18、16-12-3 的淀粉含量，升幅最大达28%，其他株系淀粉含量虽然也有一定程度升高但未达到显著水平。40 mmol/L 高钾处理极显著或显著降低了16-3-4、16-4-1、16-9-18、16-12-3 淀粉含量，对其他株系的作用未达显著水平。0.5 mmol/L 水杨酸处理极显著降低了16-3-4、16-4-1、16-9-18 淀粉含量，对其他株系表现出不显著的降低淀粉含量作用。

图1 蔗糖和水杨酸对试管薯诱导的促进作用Figure 1 Promoting effect of sucrose and salicylic acid on the induction of microtubers

图2 不同处理对单株试管薯产量的影响Figure 2 Effects of different treatments on the per shoot tuber yield

图3 不同处理对单株结薯数的影响Figure 3 Effects of different treatments on the number of microtuber per plant

图4 不同处理对淀粉含量的影响Figure 4 Effects of different treatments on starch content

2.4 不同处理对试管薯单株淀粉产量的影响

从图5可以看出，与对照相比，12%蔗糖处理能极显著或显著提高除16-7-9 外的其他所有株系的单株淀粉产量，提高幅度26%～155%。40 mmol/L 高钾处理对除16-3-4 和16-9-18 外其他株系的单株淀粉产量没有显著影响。0.5 mmol/L 水杨酸处理极显著提高了除16-6-12 和16-7-9 外的其他所有株系的单株淀粉产量，提高幅度33%～165%。

2.5 不同处理对试管薯可溶性糖含量的影响

由图6可见，与对照相比，12%蔗糖处理下，株系16-6-12 和16-9-18 的可溶性糖含量显著上升，16-6-1 和16-7-9 极显著或显著下降；40 mmol/L高钾处理下，16-6-8 的可溶性糖含量显著上升，16-4-1、16-6-1 和16-7-9 极显著或显著下降；0.5 mmol/L水杨酸处理下，16-3-4、16-6-8、16-7-9、16-9-18、16-12-3 的可溶性糖含量极显著或显著上升，16-4-1 和16-6-1 极显著或显著下降；其他株系的可溶性糖含量变化未达到显著水平。即不同株系在同一处理下的试管薯可溶性糖含量与对照相比变化趋势不一，对同一刺激的反应存在明显差异。

2.6 不同处理对试管薯活力的影响

有生活力的植物组织具有一定的还原力，其呼吸作用产生的NADH 能还原TTC，生成TPF。若薯块活力越强，则其产生的NADH 越多，试验通过TTC 法测定薯块NADH 还原能力，来反映薯块产生的NADH 量，从而间接反映其活力。由图7可见，与对照相比，各处理不同程度地降低了试管薯活力。12%蔗糖处理使16-3-4 和16-12-3 的试管薯活力显著降低；40 mmol/L 高钾处理使16-6-1、16-6-8、16-6-12、16-9-18 试管薯活力极显著或显著降低；0.5 mmol/L 水杨酸处理使16-3-4、16-4-1、16-6-1、16-6-8、16-7-9 和16-12-3 的试管薯活力极显著或显著降低；其他的试管薯活力降低未达到显著水平。

图5 不同处理对单株淀粉产量的影响Figure 5 Effects of different treatments on starch yield per plant

图6 不同处理对可溶性糖含量的影响Figure 6 Effects of different treatments on soluble sugar content

图7 不同处理对试管薯活力的影响Figure 7 Effects of different treatments on microtuber vitality

此外，试验测定了彩色马铃薯的花青素含量，但由于试管薯本身花青素含量较低，与对照相比，除12%蔗糖处理显著提高了16-6-12 的花青素含量外，12%蔗糖、40 mmol/L 钾和0.5 mmol/L 水杨酸处理对各株系试管薯的花青素含量基本没有显著影响。

2.7 水杨酸与蔗糖提高彩色马铃薯试管薯产量成本分析

从表3可以明显看出，12%蔗糖处理和0.5 mmol/L水杨酸处理均能提高彩色马铃薯试管薯产量，降低成本，但综合来看后者的效果更佳，生产1 kg 试管薯可节约试剂成本43.11%，有较大优势，具有实际应用价值。

表3 成本分析Table 3 Cost analysis

3 讨论与结论

12%蔗糖处理不仅能提高彩色马铃薯试管薯单株产量，还使淀粉含量升高，提高了单株淀粉产量。已知蔗糖是光合作用的主要产物，也是植物体内碳水化合物运输的主要形式，同时还是淀粉合成的前体物质，能提供能源和物质合成基础[22]。因此，适当的增加蔗糖供应能促进结薯，并能提高优质马铃薯重要指标之一的淀粉含量。

0.5 mmol/L 水杨酸处理极显著提高了彩色马铃薯试管薯单株产量，不同株系增产幅度19%～192%，这一结果与韩德俊、A.Nistor、陈大清等[23-25]的研究相似；同时，水杨酸有很强的块茎诱导活性，能促进马铃薯试管薯的形成[26]，进而提高产量，这与茉莉酸促进结薯的效果相似[27-29]，也与水杨酸对类似的薯类作物甘薯的增产效应相似[30]。但是，水杨酸在提高产量的同时降低了淀粉含量，而蔗糖处理能同时提高产量和淀粉含量，推测蔗糖作为有机碳源的直接供应物，其提高能保证淀粉合成所需，而水杨酸虽然能促进结薯，但因碳源供应不足，使产量提高的同时淀粉含量略有下降，存在稀释效应，因此试管薯诱导中，保证碳源供应有利于试管薯品质形成。

钾会影响光合产物的合成和运输，影响马铃薯的产量及品质，适量钾有利于蔗糖向块茎的运输和块茎膨大，还能促进淀粉合成。殷文等[31]研究表明，适量钾对马铃薯块茎的膨大有明显的正效应，还有提高马铃薯淀粉含量的作用，但高量钾会出现负效应，淀粉含量也呈下降趋势。本试验中40 mmol/L 高钾处理同样不仅不利于彩色马铃薯试管薯产量增加，反而一定程度地降低了淀粉含量和单株淀粉产量。这可能是因为基本MS 培养基中含有的钾已经能充分满足试管薯生长所需，过高浓度的钾可能造成渗透胁迫，不利于薯块形成。

水杨酸具有促进结薯提前的作用，可比对照平均提前约15～25 d 形成直径3～5 mm 薯块。这与韩德俊等[16]报道的水杨酸可以刺激结薯和加速试管薯形成的研究结果一致。由此可以解释0.5 mmol/L 水杨酸处理的薯块活力偏低的问题，是由于部分株系属于早熟材料，而水杨酸处理进一步使结薯提前，在检测时薯块已开始老化，造成活力偏低现象。

在本试验的诱导体系中，彩色马铃薯试管薯能较好地生长，结合蔗糖、钾和水杨酸处理对其产量和品质相关指标影响的研究结果，可为工厂化生产试管薯提供一定依据，特别是0.5 mmol/L 水杨酸处理具有成本低、结薯效率高的优点，有实际应用价值。