‘红羽1号’‘红羽2号’油茶新品种果实成熟期非结构性碳水化合物的变化

郝丙青，江泽鹏，陈林强，梁 斌，夏莹莹

（广西壮族自治区林业科学研究院 广西特色经济林培育与利用重点实验室 广西 南宁 530022）

在树木固定光合产物的复杂生理生化过程中，一部分形成纤维素和木质素等结构性碳水化合物（structural carbohydrate，SC），另一部分形成非结构性碳水化合物（non-structural carbohydrate，NSC），非结构性碳水化合物（NSC）不仅是植物能量代谢过程中的主要能量参与物质，也是维持植物自身发育及响应环境调控的重要因子[1-2]。NSC 主要以淀粉和可溶性糖的形式积累，二者可占NSC 总量的90%，淀粉是主要的储存形式，而可溶性糖是树木体内可直接利用和运输的组分[2-3]。 植物体内的NSC 合成、储存与迁移的变化，受到叶龄、冠层光照、CO2浓度、温度及矿质元素的影响，而这些变化将引起体内碳平衡的库源关系以及植株的生长发育和对环境因子的响应[4-7]。此外，树种自身遗传特性[8]、生长阶段[9]、经营措施[10]、环境因子[11]等均对树木组织部位的非结构性碳水化合物水平有重要影响，例如红皮云杉Picea koraiensis、落叶松Larix gmelinii和黄波椤Phellodendron amurense中的非结构性碳水化合物及其组分的季节动态有明显的不同，常绿树种中叶片中的淀粉、可溶性糖和总非结构性碳水化合物与落叶树种之间存在明显不同的季节格局[3]，而且不同气候区水分和热量的季节分布也存在明显差异。刘万德[12]在对云南普洱季风常绿阔叶林不同林层非结构性碳水化合物研究中发现NSC 及其组分的分配在不同的组织中分配不同，这种分配的差异可能与组织功能的差异性有关，而与林层高度无关。

油茶Camellia oleiferaAbel.为广西特色的木本油料植物，其主要经济产品为油茶籽油。目前，对NSC 积累的研究有用材树种、大豆、水稻等[13-16]， 对于油茶NSC 的变化积累研究还相对较少，而NSC 的变化对于油茶油脂的积累是十分重要的，张凌云等[17-18]在对油茶果实糖含量与油脂积累的研究中发现种子发育后期较高的蔗糖浓度可以促进蔗糖向储存物质转化，为油脂积累提供碳源。在其它油料作物的研究也发现，大量的碳源供给是脂肪酸合成与油脂积累的必要前提[19]，是增强种子的“库强”的方式，可增加光合代谢产物（可溶性糖）的供给[20-23]，可显著提高种子含油量。‘红羽1 号’‘红羽2 号’油茶新品种是从广宁红花油茶Camellia semiserrata实生群体中选育出来的，与广宁红花油茶比较，这2 个新品种具有果皮薄、出籽率高、产量稳定等优点，于2015年12月获国家林业局植物新品种保护办公室授权[24-25]。 本研究以‘红羽1 号’‘红羽2 号’为试验材料，通过对其叶片、果实样品采集与测定，分析2 个新品种间以及不同组织间NSC 含量和分配规律，为进一步掌握油茶果实碳利用策略及NSC 与油茶果实品质的相关性等问题提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于广西藤县境内的‘红羽1 号’‘红羽2号’油茶新品种种植基地（22°55′51″N，108°20′03″E），地处亚热带，北回归线南侧，属湿润亚热带季风气候，年平均日照1742.4 h，年平均气温21 ℃，年平均最高气温37.4 ℃,年平均最低气温0.4 ℃，无霜期332 d，年降水量1 000 ～ 2 000 mm，平均1 472 mm，土壤类型主要有红壤、赤红壤和紫色土，土层厚度一般在50 ～100 cm之间，pH值为4.5～6.0，采样样地土壤类型为红壤。

1.2 材料和方法

本研究的供试品种为嫁接的油茶新品种‘红羽1 号’和‘红羽2 号’植株，即2010年将‘红羽1 号’和‘红羽2 号’作为接穗嫁接到广宁红花油茶大树的植株上，目前已进入正常结果期。样品采集于果实采收前1 个月开始进行，连续采样4 次，时间分别为2018年10月17 日、10月24 日、10月31 日、11月7 日，每次采样时间间隔为1 周。每个品种分别选取10 株树，每株分别采集不同方向的果实3 个，同时将结果枝上的叶片一起采集。

可溶性糖含量和淀粉含量测定均采用微量法（100 管/96 样），试剂盒采购于苏州科铭生物技术有限公司；非结构碳水化合物为可溶性糖（蔗糖、葡萄糖、果糖等）含量与淀粉含量的总和[22]。

1.3 数据分析

图表采用Office 办公软件绘制，数据统计分析采用IBM SPSS19.0 完成，差异显著分析采用单因素（ANOVA）方差分析，相关性分析采用Pearson 相关法进行分析。

2 结果与分析

2.1 ‘红羽1 号’‘红羽2 号’中NSC 含量的动态变化

2.1.1 可溶性糖含量的动态变化

‘红羽1 号’‘红羽2 号’叶片、果皮和种仁中的可溶性糖随着采样时间的延长，其含量整体呈上升趋势，而种壳中的可溶性糖含量则呈下降趋势。整体上，可溶性糖含量在2.58 ～40.40 mg/g 之间波动，其中叶片、果皮、种壳和种仁中可溶性糖含量波动区间分别为9.15 ～15.58、7.88 ～9.62、3.91 ～6.01、25.13 ～37.77 mg/g，其中种壳和果皮的可溶性糖的波动区间最小，种仁中可溶性糖的波动区间最大。

2.1.2 淀粉含量的动态变化

叶片、果皮和种仁中淀粉含量随着时间延长呈下降趋势，种壳中淀粉含量则呈上升趋势，2个新品种中淀粉含量在3.11 ～27.52 mg/g 之间波动，其中叶片、果皮、种壳和种仁中淀粉含量分别为23.11 ～25.55、14.21 ～17.58、3.11 ～3.47、23.38 ～27.52 mg/g。其中光合组织部位叶片和果皮中的淀粉含量明显高于可溶性糖含量，非光合组织部位的种仁和种壳中淀粉和可溶性糖的含量相差不大，因此光合作用一定程度上影响着油茶不同组织部位中光合产物的分布。

2.1.3 总NSC 含量的动态变化

‘红羽1 号’‘红羽2 号’的各个组织部位中，总NSC 含量在5.46 ～64.26 mg/g 之间波动，且表现出显著的组织特异性，总NSC 含量在不同组织部位中波动区间差异较大，表现出明显的空间分布特征，其中叶片、果皮、种壳和种仁的总NSC 含量分别为38.84 ～45.07、23.72 ～27.24、6.18 ～7.72、56.13 ～60.44 mg/g。4 个取样时间中，叶片和种仁中总NSC 含量随着时间延长，呈上升趋势，果皮和种壳中的总NSC 含量呈下降趋势。

整体上，可溶性糖与总NSC 变化趋势一致，淀粉的变化趋势与可溶性糖相反；在4 次采样过程中，同一组织部位中可溶性糖、淀粉和总NSC含量的变化不显著，且在‘红羽1 号’与‘红羽2 号’品种之间的变化趋势一致，并不具有品种差异性（图1）。

2.2 ‘红羽1 号’‘红羽2 号’各组织部位NSC分配特征

2.2.1 可溶性糖的分配特征

各组织部位叶片、果皮、种壳和种仁间可溶性糖含量均有差异（P＜0.05），其中种仁中的可溶性糖含量最高，种壳中的可溶性糖含量最低（表1）。

‘红羽1 号’种仁中可溶性糖与叶片中可溶性糖的比值始终为2，红羽2 号中，二者比值在第一次采样时间10月17 日采取的样本中为3，其他3 个采样时期的样本其比值均为2。种仁可溶性糖与果皮中可溶性糖的比值在3 ～4 之间波动。种仁可溶性糖与种壳可溶性糖的比值变化范围较大，二者随着采样时间的延长，比值分别增加：7、8、9、13 倍；7、9、8、16 倍。即4 个采样时间，种仁/叶片可溶性糖的比值较为稳定，为2 ～3 倍，种仁/果皮可溶性糖的比值为3 ～4 倍，种仁/种壳可溶性糖的比值变化较大，二者比值逐渐增加。随着成熟期的临近，可溶性糖在种仁、叶片和果皮中的含量均增加，且增加幅度一致，可溶性糖在种壳中的变化幅度较种仁的变化幅度小（图2）。

‘红羽1 号’种仁中4 个时间采取的样本其可溶性糖含量有差异（P＜0.05），且差异显著，叶片、果皮和种壳中的可溶性糖含量差异不显著（P＞0.05）。‘红羽2 号’果皮中4 个时间采取的样本其可溶性糖含量有差异（P＜0.05），叶片、种壳和种仁中的可溶性糖含量差异不显著（P＞0.05），果皮和种仁中的可溶性糖含量变化趋势较一致。

图1 ‘红羽1 号’‘红羽2 号’非结构性碳水化合物的变化趋势Fig.1 Change trends of non-structural carbohydrates in ‘Hongyu No.1’ and ‘Hongyu No.2’

图2 ‘红羽1 号’‘红羽2 号’各组织部位中可溶性糖的分配特征Fig.2 Distribution characteristics of soluble sugar in each tissue of ‘Hongyu No.1’ and ‘Hongyu No.2’

2.2.2 淀粉的分配特征

‘红羽1 号’叶片、‘红羽2 号’叶片、果皮、种壳和种仁间淀粉含量均存在差异（P＜0.05），其中种仁中的淀粉含量最高，种壳中的淀粉含量最低。4 个采样时间，种仁淀粉与叶片淀粉的比值均始终为1，种仁淀粉与果皮淀粉含量始终为2，二者与品种无关。种仁淀粉与种壳淀粉的比值为7 ～11，且随着成熟期的临近先升高后降低，对于红羽1 号、2 号，二者比值的趋势略有差异，然而2 个品种均在10月31 日采取的样本中比值达到最大（图3）。

方差分析结果显示，不同品种间各器官淀粉含量差异不显著（P＞0.05），仅10月31 日采取的样本种壳间可溶性糖含量差异显著（P＜0.05）（表2）。

表1 各组织部位中可溶性糖含量的方差分析†Table 1 Variance analysis of soluble sugar contents in different tissues

图3 ‘红羽1 号’‘红羽2 号’中淀粉的分配特征Fig.3 Distribution characteristics of starch in ‘Hongyu No.1’ and ‘Hongyu No.2’

2.2.3 总NSC 的分配特征

总NSC 是淀粉与可溶性糖的总和，在种仁中其含量最高，其次是叶片，果皮和种壳（图4）。这与可溶性糖、淀粉的空间分布特征一致。‘红羽1 号’种仁/叶片（NSC）的比值在4 次采样时间均为1，种仁/果皮（NSC）的比值为2 ～3，种仁/种壳的比值随着时间的变化增加，‘红羽2号’油茶中，种仁/叶片的比值为1 ～2，种仁/果皮的比值为2 ～3，种仁/种壳的比值，随着时间的变化，比值逐渐增加，11月7 日采取的样本中，比值达到最大。

方差分析（表3）显示，不同品种间各器官NSC 含量差异不显著（P＞0.05），仅10月24 日采取的样本果皮间NSC 含量差异显著（P＜0.05）。

2.3 各组分间的相关性分析

‘红羽1 号’‘红羽2 号’种仁中可溶性糖、淀粉和总NSC 的含量是最高的，其次是在叶片、果皮和种壳中。叶片总NSC 与叶片可溶性糖、种壳总NSC 与种壳可溶性糖、果皮总NSC 与果皮淀粉含量间呈极显著正相关（P＜0.01），叶片总NSC 与种壳淀粉呈显著正相关（P＜0.05）；果皮总NSC 与种仁间可溶性糖含量呈极显著负相关（P＜0.01）（表4）。

表2 不同组织部位中淀粉的方差分析Table 2 Variance analysis of starch contents in different tissues

图4 ‘红羽1 号’和‘红羽2 号’中总NSC 的分配特征Fig.4 Distribution characteristics of total NSC in ‘Hongyu No.1’ and ‘Hongyu No.2’

3 结论与讨论

本研究发现，同一采样时间不同组织部位间可溶性糖含量、淀粉含量、总NSC 含量差异显著，这种现象与刘万德在云南普洱季风常绿阔叶林不同林层非结构性碳水化合物的研究中结果一致，不同林层中可溶性糖含量、淀粉含量存在显著差异，NSC 及组分存在显著的季节性变化[12]，在对季风常绿阔叶林树种的叶片、枝、树干和根部可溶性糖、淀粉和总NSC 的测定中发现，NSC 及其组分的分配主要决定于组织，与林层无关，而且也反映了“叶片为NSC 的源，根系为NSC 的库”的理论。与其不同的是，油茶属于木本油料树种，对于油料树种来说，其种子作为“库”组织，叶片作为“源”组织，通过韧皮部将“源”组织合成的糖类物质转运到“库”组织，并在“库”中转变成自身的物质（如油脂、淀粉和蛋白质）储存起来[26]。本研究中，可溶性糖含量、淀粉含量、总NSC 含量在种仁中最高，其次为叶片，且二者间含量差异显著，而且可溶性糖含量在叶片和种仁间差异更大，这种差异可能是因为油茶在果实油脂转化期，需要更多的糖类物质被转运到种仁中合成油脂或转化为淀粉贮存起来。

可溶性糖在叶片、果皮和种仁的含量随着采样时间延长呈上升趋势，而在种壳中呈下降趋势，可溶性糖是植物能够利用并可以运输的物质，因此叶片和果皮可溶性糖含量的增加与光合作用息息相关，在种仁中可溶性糖含量的增加与可溶性糖的运输有关。随着果实的成熟，种壳组织细胞趋于成熟化，自身利用的可溶性糖越来越少，故大量运输到种仁。广宁红花油茶中，在临近采收的4 个取样时间节点，可溶性糖与淀粉的变化趋势相反，这跟杨芳等[27]在研究亚热带常绿阔叶林林下6 种植物：茶Camellia sinesis、细枝柃Eurya loquaiana、润楠Machilus pingii、短刺米储Castanopsis carlesii、大叶山矾Symplocos grandis和薄叶山矾Symplocos anomala叶片中淀粉和蔗糖情况一致，6 个物种中可溶性糖含量均随着淀粉含量的增加而降低。

表3 不同组织部位中总NSC 的方差分析 Table 3 Variance analysis of total NSC in different tissues

表4 非结构性碳水化合物之间的相关性分析†Table 4 Correlation analysis between non-structural carbohydrates

不同的采样时间，可溶性糖、淀粉和总NSC在油茶的不同部位中的变化趋势一致，在叶片和种仁中表现为先升高后降低再升高的趋势，11月叶片和种仁中的可溶性糖含量最高，不同的取样时间表现出一定的差异，因此叶片和种仁中可溶性糖含量呈现出时段上的差异特性，这个和王文娜等[28]的研究一致，而果皮和种壳中的可溶性糖、淀粉和总NSC 表现较为稳定。叶片为光合作用的重要部位，是可溶性糖合成的源组织，种仁是可溶性糖消耗、储存的库组织，因此在后续研究中更应关注叶片和种仁中可溶性糖的变化。淀粉也是NSC 的重要组分，本研究4 次取样时间中，叶片中的可溶性糖含量变化显著，种仁中的淀粉含量变化显著，但种仁中的NSC 含量差异不显著，在油菜种子油脂转化过程中，前期可溶性糖转化为淀粉，储存在胚中，随着种子发育和油脂积累过程的持续，淀粉逐渐转变为可溶性糖，用于脂肪酸合成和油脂积累[17]。淀粉是一种由光合作用合成中的未消耗合成葡萄糖转化而成的植物多糖，储存在植物体内，当葡萄糖不足时，淀粉能水解成葡萄糖而为植物提供能量[29]，因此在‘红羽1号’‘红羽2 号’油脂转化过程中，可溶性糖与淀粉之间的转化以及对NSC 积累的影响需要更为细致的研究。

本研究中，可溶性糖含量、淀粉含量、总NSC 含量并未表现出品种间的差异，仅表现为一个时期的果皮或种壳中含量差异，比如‘红羽1号’‘红羽2 号’可溶性糖含量在10月24 日采样果皮中、11月7 日采样种壳中表现出差异，而叶片和种仁中的含量差异均不显著。这种现象可能与‘红羽1 号’‘红羽2 号’的物候期不同有关，因为在连续采样的过程中，‘红羽1 号’‘红羽2 号’的果皮开裂程度不同。由于‘红羽2 号’的果皮较‘红羽1 号’薄，其开裂得更早，果皮容易失去水分，种壳也会暴露在空气中，这种物候的差异可能会造成NSC 及其组分的差异，而相关的验证和研究仍需要进一步深入的研究。同时，第一次采样时间为霜降前1周，油茶果实趋于成熟，油茶果实发育的生理指标趋于稳定，这种临近成熟期的采样时间选择造成了本试验研究的局限性。为了更好地描述同一组织部位中非结构性碳水化合物的变化趋势，我们将在下一步研究中完善采样时间，使采样时间能够完全覆盖油茶果实的整个发育过程。