高寒阴湿区马铃薯主食化品种的筛选及性能

李玉涛, 唐德晶, 朱永永, 谢奎忠

(1. 临夏州农业技术推广服务中心, 临夏 731100; 2. 西北师范大学地理与环境科学学院, 兰州 730070; 3. 甘肃省农业技术推广总站, 兰州 730020; 4. 甘肃省农业科学院马铃薯研究所, 兰州 730070; )

我国西北地区海拔高,气候冷凉,而马铃薯(SolanumtuberosumL.)喜冷凉环境,是该地区的主要农作物[1]。马铃薯于明代传入中国,后被迅速传播引种[2-3],现在已经成为甘肃三大粮食作物之一[4-5]。尽管甘肃省马铃薯品种繁多[6-8],然而适合主食化加工的专用品种缺乏,当地种植品种与国家马铃薯主粮化战略所需要的加工专用品种之间存在很大的差距,严重制约马铃薯主粮化战略的推进[9];马铃薯主食化品种要求具有高产、抗病、高商品率、抗氧化褐变、低还原糖、低含水率等特性[10-12]。

我国选育出了部分高淀粉品种、鲜食兼加工型品种,但目前仍无完全满足全粉加工要求的品种,炸片型和炸条型马铃薯都是以欧美国家的品种为主[13]。这与我国长期将马铃薯作为一种蔬菜作物有关,我国20世纪90年代才开始选育高淀粉加工专用型品种,起步落后于欧美国家[14]。从技术上可将我国马铃薯育种方法分为杂交育种、诱变育种和生物育种3类,这3种育种方法的有机结合,是我国马铃薯育种发展的主流[15]。落后的马铃薯栽培方式,也同样制约着马铃薯产业的发展,甘肃长期以来的马铃薯栽培以传统的平作培土和条播技术为主,这种栽培方式可能会影响马铃薯前期发育。覆膜栽培、大垄栽培和间作套作等栽培技术,有利于马铃薯生长发育,增强其农艺性状[16],所以推广科学种植技术,也是促进甘肃马铃薯主食化发展的有力手段。鉴于马铃薯主食化专用品种的缺乏,本文筛选适宜在高寒阴湿区种植的马铃薯主食化加工专用品种,为甘肃马铃薯主食化发展提供技术支持,为推进国家主粮化战略作出贡献。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验区概况

试验区设在甘肃省临夏州和政县达浪乡杨马族村(N 35°20′,E 103°17′),海拔2 250 m,属于高寒性湿润阴湿大陆性季风气候区,日照时数2 669.7 h。年平均气温为5.9 ℃,多年平均降水578.5 mm。0～20 cm耕层土壤有机质含量28 g/kg,全氮含量1.63 g/kg,全磷含量0.86 g/kg,全钾含量23.80 g/kg,速效氮含量45.00 mg/kg,有效磷含量24.70 mg/kg,速效钾含量218.00 mg/kg,pH值8.1。土壤为黑垆土,前茬为马铃薯。

1.1.2 供试品种

引进育成新品种和收集当地种植品种共计25个参加品种比较试验,试验采取随机区组设计,每个品种设3次重复,小区长12 m,宽4.2 m,面积50 m2,每小区300株,种植密度60 000株/hm2。

1.1.3 播种和田间管理

于2021年4月22日播种,基肥为P2O5123 kg/hm2、纯N 150 kg/hm2、农家肥30 000 kg/hm2,采用黑色地膜全覆盖垄作侧播栽培技术,机械起垄覆膜,基肥配合机械覆膜一次施入,各小区品种人工点播种植。

1.2 方法

1.2.1 测定项目

(1)考种项目。收获前分小区选择正常的植株20株,挖出薯块称重,求其平均值,并且记录腐烂薯块重量,分别记录≥75 g薯块和<75 g薯块的重量,计算病薯率和商品薯率[17]。

(2)产量测定。各品种按小区实收薯块的重量折算成公顷产量。

(3)马铃薯加工相关品质指标的测定。含水量含量依据国标GB5009.3—2010采用干燥法测定;还原糖含量依据国标GB5009.7—2008采用直接滴定法;淀粉含量依据标准NY/T11—1985采用旋光法测定。

(4)马铃薯加工相关的酶活性指标测定。PPO和POD 酶活性测定参照王丽等[18]的方法测定。马铃薯总酚含量参照岑忠用等[19]的方法测定。

1.3 数据处理

用Microsoft Excel对数据进行整理,SPSS软件[20]对数据进行方差、聚类分析和相关性分析。

马铃薯各种指标综合性评价采用隶属函数法,先计算马铃薯单个指标的隶属函数值,再计算马铃薯所有指标的平均隶属函数值,其值越大,表明越适宜作主食化专用品种。用于综合评价的隶属函数值的计算公式:

X1=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

X2=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中,X为某一指标的测定值;Xmax为所参试品种中该指标的最大值;Xmin为所参试品种中该指标的最小值。采用X1计算与马铃薯主食化特性正相关指标的隶属函数值;用X2表示与马铃薯主食化特性负相关指标的隶属函数值。

2 结果与分析

2.1 不同马铃薯品种主要农艺性状指标的比较

将25个马铃薯品种的经济产量、商品率和病薯率作方差分析(表1),各品种产量平均为24 606.80 kg/hm2,经济产量最高为31 143.77 kg/hm2(陇薯10号),产量最低为18 932.93 kg/hm2(天薯13号),经济产量在不同品种间变异系数为11.69%。不同品种平均商品薯率为79.47%,商品薯率最高为92.77%(陇薯14号),最低为70.83%(庄薯3号),品种间变异系数为6.07%。不同品种平均病薯率为5.12%,病薯率最低为1.50%(青薯9号),最高为10.60%(陇薯6号),品种间变异系数为57.15%。

2.2 不同马铃薯品种主要加工品质指标的比较

将25个马铃薯品种的主要加工品质指标含水量、还原糖和淀粉含量分别作方差分析(表2),不同品种含水量平均为77.41%,含水量最高为82.47%(新大坪),含水量最低为73.35%(陇薯12号),不同品种间含水量变异系数为2.98%。不同品种还原糖平均含量为0.17%,还原糖最高含量为0.52%(冀张薯12号),最低为0.06%(庄薯3号),品种间变异系数为62.06%。各品种淀粉含量平均为17.74%,淀粉含量最高为23.58%(陇薯15号),最低为11.81%(新大坪),品种间变异系数为16.20%。

表2 各品种马铃薯主粮化加工品质指标的比较Table 2 Comparison of processing quality indexes of potato varieties

2.3 不同马铃薯品种与加工相关的酶活性的比较

马铃薯在加工过程中会发生褐变,严重影响加工品质,马铃薯褐变受到多酚氧化酶(PPO)和过氧化物酶(POD)活性以及薯块中总酚含量的影响。将25个马铃薯品种的加工品质指标多酚氧化酶(PPO)和过氧化物酶(POD)活性以及薯块中总酚含量分别作方差分析(表3),各品种PPO活性平均为10.91 U,PPO活性最高为16.22 U(陇薯12号),PPO活性最低为6.44 U(陇薯7号),PPO活性不同品种间变异系数为22.90%。各品种POD活性平均为11.57 U,POD活性最高为15.87 U(陇薯12号),最低为7.09 U(希森6号),POD活性不同品种间变异系数为20.19%。各品种总酚含量平均为0.97 mg/g,总酚含量最高为1.37 mg/g(陇薯3号),最低为0.67 mg/g(青薯168),总酚含量不同品种间变异系数为18.48%。

表3 各品种马铃薯加工相关的酶活性比较Table 3 Comparison of enzyme activities related to potato processing of various varieties

2.4 不同马铃薯品种测定指标间相关性分析

不同品种间马铃薯各测定指标间的相关性分析见表4。不同品种马铃薯的淀粉含量与马铃薯块茎含水量呈极显著负相关(P<0.01),相关系数为-0.798;总酚含量与PPO活性呈极显著正相关(P<0.01),相关系数为0.682。

表4 马铃薯不同测定指标的相关性分析Table 4 Correlation analysis of different determination indexes of potato

2.5 不同马铃薯品种各指标隶属函数值的比较

根据表1、2和3中马铃薯各农艺性状、品质和主要酶活性指标值,采用隶属函数法计算各指标隶属函数值(表5)。通过各指标隶属函数的平均值进行排名,25个品种综合性状由高到低的顺序依次为陇薯15号、陇薯14号、青薯9号、陇薯10号、陇薯8号、陇薯7号、天薯11号、庄薯3号、天薯13号、希森6号、庄薯4号、定薯3号、陇薯11号、青薯10号、新大坪、民薯2号、青薯168、定薯4号、天薯12号、陇薯6号、陇薯9号、陇薯3号、陇薯12号、冀张薯12号和冀张薯8号。

表5 不同马铃薯品种各指标隶属函数值的综合分析Table 5 Comprehensive analysis of membership function values of potato varieties

2.6 不同马铃薯品种聚类分析

利用SPSS的ward联结对25个马铃薯样本进行聚类分析,在欧氏距离小于5时,可将25份样本分为3大类群(图1)。第Ⅰ、Ⅱ类群各有马铃薯样本10份,第Ⅲ类群有马铃薯样本5份。陇薯3号、陇薯11号、陇薯8号、庄薯3号、冀张薯12号、庄薯4号、定薯3号、民薯2号、青薯10号、定薯4号属于第Ⅰ类群。该类群在3个类群中平均病薯率最低为4.39%,平均总酚含量、PPO活性和POD活性在3个类群中最高,分别为11.45 U、12.14 U和1.05 mg/g。天薯12号、陇薯6号、天薯11号、陇薯9号、冀张薯8号、希森6号、青薯168、陇薯12号、新大坪、天薯13号属于第Ⅱ类群,该类群平均含水量、还原糖含量最高,分别为77.99%、0.19%。第Ⅲ类群有陇薯15号、陇薯14号、青薯9号、陇薯10号和陇薯7号。该类群平均商品薯率81.92%、平均经济产量29 291.87 kg/hm2、平均淀粉含量20.28%,这3项指标为3个类群之最。综合不同马铃薯品种各指标隶属函数值的比较分析,第Ⅲ类群的陇薯15号、陇薯14号、青薯9号、陇薯10号和陇薯7号在隶属函数值排名中分别排第1、第2、第3、第4和第6名。这5个品种产量在27 941.83～31 143.77 kg/hm2,含水率74.13%～76.51%,还原糖含量0.08%～0.20%,淀粉含量17.59%～23.58%,PPO活性6.44～10.82 U,推荐这5个品种在高寒阴湿区推广种植。

图1 马铃薯品种聚类分析Figure 1 Cluster analysis of potato varieties

3 讨论与结论

本研究筛选适宜高寒阴湿区种植的马铃薯主食化专用品种,就是利用当地现有品种去解决“种什么”的问题。首先从品种产量、商品薯率和病薯率3个农艺性状分析,陇薯10号、青薯9号、陇薯15号、陇薯14号和陇薯7号经济产量分别为31 143.77、29 861.17、29 422.73、28 089.87和27 941.83 kg/hm2,位居经济产量前5,商品薯率和病薯率2个农艺性状方面也在25个马铃薯品种中较为突出。这几个农艺性状能有效反映品种在当地的生态适应性和生产潜力,是马铃薯主食化品种筛选的重要依据。

我国马铃薯选育主要考虑产量和抗病性等性状为主,对加工品质考虑较少[21]。马铃薯在加工过程中要烘干脱水,含水量越低,脱水成本越低。淀粉是马铃薯主要的碳水化合物,是食品加工中的重要原料;通常加工型马铃薯的还原糖含量需低于0.3%[22-23]。本研究对25个马铃薯品种的含水量、还原糖含量和淀粉含量进行了比较。最终推荐的5个品种中含水率在74.13%～76.51%,平均为75.16%,剩余20个品种含水率在73.35%～82.47%,平均为77.98%。推荐的5个品种,平均还原糖含量在0.08%～0.20%,平均为0.14%,陇薯15号还原糖含量最高为0.20%,仍符合加工型马铃薯小于0.3%的要求;5个品种淀粉含量上除陇薯10号外,其余4个品种均为高淀粉材料,陇薯15号淀粉含量甚至达到23.58%。

PPO和POD均会引起马铃薯加工褐变,其中PPO酶促反应是引起加工褐变的主要原因之一[24]。在有H2O2存在时,POD通过催化类黄酮及酚类的聚合和氧化,使褐变发生,部分酚类化合物会被PPO氧化成醌类化合物,最终醌类化合物经过非酶促聚合发生褐变,从而影响加工品质[25-26]。同时POD作为植物体内活性氧防御系统构成物之一,可以催化植物体内有毒物质分解,保护植物[27]。筛选出的5个品种中,引起加工褐变主因之一的PPO活性普遍较低,其活性在6.44～10.82 U;陇薯7号和陇薯14号,可能由于在抗病性等方面有优势,其POD含量较高。

本文综合马铃薯品种生态适应性和加工性相关主要性状指标进行分析,推荐陇薯15号、陇薯14号、青薯9号、陇薯10号和陇薯7号这5个品种作为当地马铃薯主食化专用品种进行推广和种植。