罗妙明 陈松笔 安飞飞 薛晶晶 蔡杰 罗秀芹
(1中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所/农业农村部木薯种质资源保护与利用重点实验室 海南海口571101;2广东省兴宁市宁中镇农业农村服务中心 广东兴宁514500)
木薯(Manihot esculantaCrantz)是世界亚热带和热带地区近8亿人的主要粮食作物[1],在中国南方木薯主要作为淀粉工业和生物质能源的重要原料[2]。木薯贮藏根收获后,在24~72 h其周边部位逐渐出现褐变或青褐变,称为PPD[3]。木薯PPD过程主要分为初级变质和次级变质2种。初级变质是一个内在的生理生化过程,由酚类等物质氧化引起,可导致贮藏根变质[4]。木薯贮藏根采后24~72 h内迅速变质[5],影响食用、加工及产品性能,给农民和淀粉及燃料乙醇加工企业造成严重的经济损失,阻碍木薯产业的进一步发展[3,6-8]。据统计,每年亚洲、拉丁美洲和加勒比海地区及非洲因木薯PPD所造成的经济损失分别为8%、10%和29%[3]),直接经济损失超过2亿美元[9-10]。
类胡萝卜素一种优良的抗氧化剂,具有抗衰老、提高免疫力等多种生物学功能,尤其在保护人类健康方面起着重要作用。Morante等[11]对21个木薯品种(系)开展筛选试验,发现贮藏根富含类胡萝卜素的木薯品种最高能延迟PPD 40 d左右。Sánchez等[12]对101个木薯品种(系)干物质和类胡萝卜素含量与PPD的相关性进行分析,结果显示,PPD与干物质含量关系不大,但与类胡萝卜素含量存在负相关,表明富含类胡萝卜素的木薯贮藏根有助于延缓PPD。Luo等[13]以SC9木薯为试验材料,通过杂交进行初步筛选,得到β-胡萝卜素含量不同的群体种质。
本研究以14个不同木薯种质为材料,种植10个月后收获块根;放置12 d观察其腐烂情况,并在0、3、6、9和12 d分别取样检测其β-胡萝卜素的含量,旨在探讨类胡萝卜素与木薯采后腐烂的相关性,为选育高含量β-胡萝卜素和耐PPD木薯新品种奠定基础。
随机选取14个不同木薯种质(以SC9木薯为母本的自然杂交种),编号分别为137、70、310、79、260、60、186、266、270、268、369、237、280、261)。
1.2.1 材料处理与观察
将木薯种质种植于儋州木薯基地,10个月后采收;选取完好的木薯块根于25℃、40%湿度培养箱中放置;分别在0、3、6、9和12 d切开块根观察其变质情况,并切碎备用,每个种质每个时间点取样3份。
1.2.2β-胡萝卜素的提取
称取上述保存样品约0.3 g,放入2.0 mL的EP管中,加入400μL预冷水,2个2 mm的钢珠,放入打样机中以55 Hz研磨1 min;加入800μL的乙酸乙酯、100μL饱和氯化钠溶液,以涡旋振荡器混匀30 s,12 000 r/min离心2 min;加入200μL二氯甲烷,涡旋振荡器混匀30 s,以12 000 r/min离心2 min;加入50μL正己烷,涡旋振荡器混匀30 s,12 000 r/min离心5 min;吸上清,用0.22μm有机滤膜过滤,待测。
1.2.3β-胡萝卜素的测定
吸取200μL提取样品放置于样品瓶中,HPLC测定β-胡萝卜素含量。测定条件:流动相为甲醇/叔丁基甲醚(70/30);检测波长450 nm;柱温(30±0.1)℃,进样量20μL,流速1 mL/min。β-胡萝卜标准品购自sigma公司,纯度99.0%。
从图1可以看出,在相同条件下放置14个不同木薯种质块根,部分种质在3 d就开始出现腐烂现象,后期逐渐出现腐烂加剧现象;大部分种质块根放置12 d基本都出现了不同程度的腐烂;但也有部分种质如268、237、70、60放置12 d仍然比较完好;部分如270、310、79出现个体差异,即放置9 d出现腐烂,12 d块根却完好。
国际热带农业中心(CIAT)将木薯PPD分为6个等级,其中没有任何PPD为完好;PPD 10%以下为一级腐烂;10%~20%为二级腐烂;20%~40%为三级腐烂;40%~60%为四级腐烂;60%~80%为五级腐烂;80%~100%为六级腐烂。从图1可知,14个不同木薯种质块根等级划分见表1,但也会存在肉眼误差。
从图2可以看出,实验选取木薯种质的块根β-胡萝卜素在收获后几乎都出现不同程度的增加,6 d达到峰值,之后呈现不断下降的趋势;同时结合采后腐烂情况可以看出,β-胡萝卜素含量相对较高的种质其耐采后腐烂能力较强,即有一定的相关性,具体机理还需要进一步研究。随着放置天数的增加,β-胡萝卜素含量整体降低,其腐烂程度也出现加重情况。
图1 十四个木薯种质采后腐烂观察
表1 十四个木薯种质PPD等级划分
本研究对不同木薯种质调查后发现,β-胡萝卜素含量高的木薯种质,其块根PPD发生相对较为延缓。Sánchez等[12]报道称,木薯块根中β-胡萝卜素含量较高的品种,PPD发生要比常规品种延迟1~2 d。本研究发现,在放置6 d时β-胡萝卜素上升,6 d之后出现逐渐下降的趋势;比如60号种质,在放置6 d时β-胡萝卜素达到高峰,放置12 d时还比较完好;推测这是因为类胡萝卜素参与了木薯采后的抗氧化过程,类胡萝卜素是一种优良的抗氧化剂,在一定程度上能及时清除PPD发生过程中产生的ROS,对木薯块根PPD发生起到抑制作用[3,8,14]。但也存在PPD跟β-胡萝卜素含量不相关的情况,比如70号种质β-胡萝卜素含量很低,但是其能在12 d后表现出相对完好的状态;266号种质β-胡萝卜素含量相对比较高,但是其放置3 d时即出现了腐烂情况。Chavez等[15]报道称,木薯贮藏根类胡萝卜素含量达到一定水平可降低PPD程度,认为0.5μg/g的β-胡萝卜素含量是评价木薯PPD耐性的阈值,当β-胡萝卜素含量高于阈值时,可使贮藏根PPD发生程度下降30%。木薯采后生理腐烂是一个复杂的过程,目前许多发达国家(包括美国、英国、瑞士等)加大了对影响木薯初级变质的各种因子的研究力度,尤其是耐初级变质木薯种质的创制成为木薯研究热点;而次级变质主要是由于微生物侵染所导致,是引起后期变质的主要原因。关于类胡萝卜素抑制采后腐烂的机理尚未有明确的报道,本研究结果为木薯采后腐烂机制研究提供理论基础,为培育高含量β-胡萝卜素耐采后腐烂的木薯品种提供科学依据。
图2 十四个木薯种植放置12 dβ-胡萝卜素的含量变化趋势