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中国马铃薯品质现状及改良对策

来源:互联网 发表日期: 2014-10-09 14:50:03

    

摘要:较为简要地叙述了目前中国马铃薯品种的品质现状,对中国马铃薯育种中品质性状上存在的问题及品种的品质性状改良目标建立进行了探讨,结合分析了中国马铃薯种质资源品质性状研究与利用现状,从倍性育种技术、分子技术与种质资源等的研究与利用方面着眼,提出了中国应加强育种新技术开发和利用以及扩大种质资源利用范围的马铃薯品质改良策略,为今后开展马铃薯品质育种提供参考。
关键词:马铃薯;品质;改良  中图分类号:S532文献标识码:A
Progress of Research on Potato Molecular Breeding for QualitiesSheng Wanmin(Potato Research Institute of Heilongjian academy of Agriculture Sciences,Keshan 161606)Abstract:This paper briefly introduces the current research and development of potato breeding for quali-ties in China.In the mean time,the existing problems of the quality traits in potato varieties and buildingpotato breeding objectives on improving qualities are being discussed.When the current research and uti-lization of potato germplasm on quality traits were analyzed,the corresponding suggestions to support the  development of potato breeding for quality in China were put forward.These suggestions are:to reinforce  utilization of new potato breeding technologies for improving qualities and the germplasm 
Key words:Potato,Quality,Improvement
近年来,随着中国经济的快速发展,人们生活水平进一步提高。以马铃薯为原料的加工产品(食品、工业产品)越来越受到消费市场的欢迎。尤其是在农业产业化发展的新形式下,中国马铃薯加工业得到了快速发展,进一步促进了中国马铃薯种植结构的调整,人们对马铃薯品种品质越来越重视。笔者将就中国马铃薯品种品质性状研究现状、进展,试对今后中国马铃薯品质改良的方法和策略进行探讨,为改良中国马铃薯品质性状提供参考。
1 中国马铃薯生产与市场发展对品质性状的需求
2001年中国马铃薯的种植面积为471.8万hm(中国农业统计年鉴,2002),已成为世界上马铃薯种植面积最大的国家。作为重要的粮菜兼用作物,其经济效益仅次于其它蔬菜和瓜类,而大大高于其它主要粮食、棉花和油料作物。据统计,目前中国每年马铃薯精淀粉的需求量为40万t,预测2020年将达到300万t;全粉年需求量3万t;薯条年需求量15万t,预测2010年将达到40万t;薯片3万t;而中国现有的马铃薯加工企业的生产能力及加工专用品种的品质和数量都远不能满足需要。因此,中国马铃薯加工业将会进一步快速发展,加工市场需要更多的优质马铃薯加工原料,这使农民看到了马铃薯作为食品加工原料而提升其生产效益的潜力,这在一定程度上激发了农民种植马铃薯的积极性。因此,中国的马铃薯已从一个单纯的粮食作物转变成具有多种用途的经济作物。马铃薯产业的发展和市场需求的变化也对品种品质特性提出了更多、更高的要求,从而对中国马铃薯品质育种研究提出了新的目标要求[1~6]
2 中国马铃薯品种的品质现状及存在的问题
回顾中国马铃薯育种工作自20世纪50年代以来现在已取得了很大的成绩,选出了一大批适应不同地区栽培的品种,克服了当流行的主要病害,如晚疫病、环腐病等,并已成为当地的主栽品种,大幅度地提高了马铃薯产量。今后随着生产水平和人们生产和生活水平的改善,尤其是以马铃薯为原料的加工业的兴起,对马铃薯品种的品质性状提出了更高的要求[2,3,5]
2.1 中国马铃薯品种的品质现状
马铃薯块茎是贮藏器官,块茎内各种成分的含量高低直接影响到马铃薯的加工品质和加工工艺。一般情况下,块茎内76%左右是水分,24%左右是干物质。淀粉占干物质的70%~80%。马铃薯块茎主要成分的含量(占湿重%)。马铃薯块茎含有2%左右的蛋白质,包括18种氨基酸,其中有人体裁不能合成的各种必需氨基酸,且容易消化、吸收。马铃薯块茎还含有多种维生素和无机盐成分,包括维生素C、维生素A等18种维生素成分和钙、磷、铁等10多种矿物质元素。经常食用马铃薯对人体健康十分有效益。从营养价值来说,马铃薯在单位面积单位时间内生产的蛋白质或能量是相当高的,同时马铃薯还含有丰富的维生素C。应当指出的是,马铃薯块茎在发芽或变绿时会增加龙葵素的含量,如龙葵素含量过高,食用时会口麻,若100g鲜块茎中龙葵素含量超过2mg,食用后就会中毒。因此,在块茎发芽和表皮变绿时,一般不要再食用。
据统计,中国现育成的马铃薯品种主要品质性状如干物质含量变幅在13.1~28.8之间,平均为20.7%淀粉含量变幅在11.3~20.4之间,平均为14.5%;还原糖含量变幅在0.22~1.4之间,平均为0.8%;粗蛋白含量变幅在0.2~2.6之间,平均为1.3%;从表1中看出可以适宜炸食加工的品种很少[2,4]
2.2 中国马铃薯品质存在的问题
中国现育成的马铃薯品种与世界马铃薯生产先进国家如荷兰、美国、加拿大品种相比,在品质性状上还存在着很大差别。主要原因表现在:
2.2.1 外观品质为缓解粮食供需矛盾突出,长期以来中国马铃薯育种和生产只片面追求产量,忽视了对块茎外观与加工品质的选育和改良,大多数品种薯形较差,芽眼较深,削皮损耗率很大,薯皮抗损伤能力差,无法出口竟争[4,5]
2.2.2 内在品质大多数品种干物质含量较低(18%以下),比重低(1.080以下),淀粉含量低(12%-15%)Vc含量低,还原糖含量较高(0.4%以上),薯肉易褐变,不适宜马铃薯加工业的需要,甚至有的品种龙葵素含量较高,吃起来麻嘴,对人身体健康有害[4,5]
3 中国马铃薯育种品质目标性状的确定[4,5]
随着马铃薯加工业的发展和生活水平的提高,人们对马铃薯品种的品质要求越来越高。除了高产、稳产、抗病、优质外,选育具有不同品质性状的专用型品种已成为中国马铃薯育种主要目标:鲜食品种:薯形好,芽眼浅,商品薯率85%以上,薯块大。干物质含量15%~17%,Vc含量25mg/100g鲜薯,粗蛋白含量2%以上。炒食、蒸食风味、口感好。耐贮运,符合出口标准。炸片品种:块茎圆形,芽眼浅,商品薯率85%以上。还原糖含量低于0.25%,耐低温贮藏,比重1.085~1.100之间,炸食风味、口感好。炸条品种:块茎长椭圆或长筒形,芽眼浅,薯块大。还原糖含量低于0.25%,耐低温贮藏,比重1.085~1.100之间,炸食风味、口感好。全粉加工品种:薯形好,芽眼浅,商品薯率85%以上。还原糖含量低于0.25%,耐低温贮藏,比重在1.085以上,产品复水后食味、口感好。
4 中国马铃薯种质资源品质性状研究与利用现状
中国在马铃薯种质资源的征集、引入、研究利用和保存等方面做了大量工作。特别是通过“六五”“、七五”和“八五”“、九五”国家科技攻关项目“马铃薯资源研究与创新”“专用马铃薯亲本材料创造与选育”及国家“863”计划重大项目等课题的开展,使资源的研究有了突破性进展。在品质方面,创造选育出还原糖含量0.1%以下、淀粉含量22%以上、蛋白质含量2.5%以上、维生素C含量20mg/100g鲜重以上等各类特异性材料。为提高中国马铃薯品质育种水平奠定了基础。现保存各类马铃薯种质资源材料1700余份。中国马铃薯品种选育研究始于20世纪30年代,最初是从英美等国引进品种进行筛选。
中国自1941年开始进行有性杂交,20世纪50年代中期至20世纪60年代中期进行抗晚疫病为主的杂交育种工作;20世纪70年代在抗晚疫病育种的同时,重视对病毒病抗性的选择;20世纪80年代的育种除兼顾对主要病害抗性和高产筛选外,重视了对专用品种的选育。到目前为止,全国共育成马铃薯品种200多个,对促进马铃薯产业发展起到了重要作用[6]。但中国马铃薯加工品种的选育工作与北美发达国家相比,处于刚刚起步阶段,因此他们的加工品种选育经验很宝贵。
北美1876—1997年共121年的育种过程中,显着地改进了炸片品质,块茎干物质含量均增加0.025%,还原糖含量年降低0.0013%~0.0031%,炸片颜色年增加0.15~0.18Agtron单位,炸片合格率年增加0.23%[2]
中国马铃薯的育种资源主要来自于Solanum  tuberosum,育种亲本主要是20世纪50年代和60年代从欧洲和美国引进的四倍体品种。金光辉(1999)分析了中国到1999年所育成品种的血缘,其中亲本之一来自于美国品种的占42%,来自德国的占25%,来自波兰的占18%,其它血缘的仅15%。虽然后来从国际马铃薯中心和其他国家引进了部分新型栽培种和野生种材料,但它们在新品种选育中的应用还很有限。因此中国马铃薯品种的遗传基础相当狭窄,其主要原因是马铃薯不同倍性材料之间存在着严重的杂交障碍,加之育种家们在培育过程中对育种材料的选择淘汰,加剧了遗传基础狭窄问题,另外,种间遗传资源利用的育种技术还需要进一步完善[3]
中国人口压力大,粮食供需矛盾突出,马铃薯育种和生产只片面追求产量,忽视了对块茎加工品质的选育和改良,生产中需要的各类专用品种极少,加工品种奇缺,尤其是近年来马铃薯加工业在中国迅速发展,多家外国公司已在中国建厂,导致了目前专用品种供不应求,使得结构性供需矛盾更加突出,造成了部分普通品种供过于求的现象,挫伤了薯农的生产积极性,制约了中国马铃薯加工业的健康发展,马铃薯产业发展对新品种的要求与符合市场需求的新品种不足的矛盾日益突出。中国的马铃薯育种家在意识到拓宽种质资源的重要性的同时,一直致力于研究新的育种策略研究,以解决资源狭窄这一世界马铃薯育种所共同面临的挑战。
5 中国马铃薯品质改良策略
针对中国马铃薯品质方面存在的问题,为尽快提高中国马铃薯品质育种水平,满足中国马铃薯加工业发展的需要,借鉴世界先进国家的经验,笔者认为必须加强马铃薯育种新技术开发和利用以及扩大种质资源利用范围。
5.1 马铃薯新育种技术发展与利用
5.1.1 倍性育种技术的发展的利用
马铃薯野生种和近缘栽培种是重要的遗传资源,在病虫害抗性、加工品质和抗逆等方面突出的优良性状,对现代品种改良具有重要意义。但这些资源材料多为二倍体2n=2x=24),与四倍体栽培种(2n=4x=48)杂交困难,除了倍性差异外,胚乳平衡数的不同也是导致这些资源难以利用的重要原因。自1963年Chase提出的分析育种方法得到了完善后,即通过种间杂交诱导四倍体普通栽培品种通过孤雌生殖产生双单倍体,双单倍体与二倍体种杂交产生二倍体杂种,进而利用丰富的马铃薯二倍体野生资源材料,在二倍体水平上进行种质改良。利用2n配子将存在于野生二倍体种中的优良品质性状转移到普通四倍体栽培品种中,从而选育出符合人们需要的优质新品种[6]。倍性育种程序,首先通过种间杂交诱导四倍体孤雌生殖产生双单倍体(H),然后与二倍体野生种或近缘栽培种(S)杂交,产生HS杂种。这些HS杂种能产生2n花粉或2n卵,能够与四倍体进行杂交。其结果是,通过2n配子途径,可以将二倍体的优异的品质性状重组到四倍体品种中。通过这一途径,中国现已育成高抗晚疫病、高淀粉(>20%)、具有优良油炸加工品质的马铃薯品种(系),如克新16号、克200422-6、TD41-6等,高产鲜食品系克9723-20,也选育出了具有二倍体抗青枯病性状的四倍体品系。
5.1.2 品质性状转基因研究
基因工程是在分子水平上对基因进行直接的操作,它的主要优点是专一性强,可以在优良的的遗传背景上只改变某些个别性状而不影响其他性状,更具有科学性和准确性,实现定向改造植物遗传性状,提高了育种目的性和可操作性,这在选育加工型品种中尤为有效[7~12]
(1)淀粉品质改良。马铃薯淀粉品质改良一直是马铃薯育种的重要领域,长期以来采用常规杂交育种途径培育高淀粉品种已选育出许多优良品种,但贮藏过程中的淀粉降解和低温糖化问题,通过常规育种途径收效甚微。随着淀粉合成和分解代谢过程的分子调控机理研究的不断深入,通过调控马铃薯贮藏特别是低温贮藏过程中淀粉代谢关键酶的活性,进而达到控制淀粉代谢目的的基因工程改良研究已成为当前被认为最快速有效的育种途径。此外,为了满足不同用途淀粉品质的要求,通过基因调控改良淀粉特性也是目前被受关注的领域,国外已在马铃薯淀粉改良领域进行了大量研究,中国目前在这一领域的研究才刚刚开始。为了改良马铃薯蛋白质品质,王光清(1995)将15KD玉米醇溶蛋白基因导入马铃薯,获得了高必需氨基酸含量的转基因马铃薯植株[12]
(2)利用基因工程提高马铃薯块茎蛋白质含量。把类型1和类型2的240ku蛋白基因的5’侧启动子序列(2.5ku)连接到T质粒双元载体PB1101.1的β-葡糖苷酸酶(GUS)基因上,转入农杆菌株LBA4404,进行对马铃薯转化,获得了蛋白质高水平表达的转基因植株[5]
(3)品质性状分子标记辅助选择。如何实现优异目的基因在育种后代群体定向快速转移、提高优良育种后代的选择效率一直是作物育种学家们在探索着重要课题。马铃薯育种一直采用品种间杂交育种和芽变育种的方法选育新品种[1],但由于栽培种马铃薯一般是四倍体无性繁殖作物,育种中存在许多困难,包括高度的细胞杂合性,基因分离复杂,花粉不育,以及现有栽培种基因库狭窄,缺乏抗病和抗逆性基因;同时因为受倍性水平差异的限制,无法与具有丰富基因资源的野生种质(75%左右为二倍体)进行有性杂交[6],限制了野生种质在作物改良上的应用。分子育种技术的发展和完善为实现优异目的基因在育种后代群体定向快速转移、提高优良育种后代的选择效率提供了可能。
DNA分子标记技术根据其操作原理可以分为两大类,一类是以Southern杂交为基础的分子标记,例如RAPD、VNTR。另一类是以PCR为基础的分子标记,如RAPD、AFLP、STM等[9~19]
(1)炸片颜色基因标记。Davids S Douches(1994)利用RFLPs、RAPD和同工酶标记识别控制炸片颜色的遗传因素。对F1群体(Haploids S.tuberosum×S.chacoense)×S.phureja,进行炸片颜色和每一位点单因素方差分析,如个体间炸片颜色呈显着性差异,可解释为一个QTL位点与标记位点连锁,QTLs定位在标记位点所在的连锁组中。结果表明一个同工酶位点和12个RAPDs与炸片颜色连锁,6个QTLs决定炸片颜色,一个在2号染色体上,一个在4号染色体上,二个在5号染色体上,一个在10号染色体上。多因素方差分析表明加性基因效应是炸片颜色变异的主要因素[16]
(2)高蛋白基因标记。马铃薯蛋白质的质量比较好,可与大豆相比。蛋白质由19种氨基酸组成,其中含有8种人体必需的,因此,可称为完全蛋白质。在控制马铃薯蛋白质的基因研究中,对于40ku蛋白(有人称为马铃薯块茎特异蛋白,英文Patatin,它的含量占块茎总可溶性蛋白含量的40%左右)的研究较为深入。它是一种糖蛋白,具有酶活性,只存在于块茎中,是主要的贮藏蛋白。40ku蛋白由一个多基因簇编码,每个单倍体基因组由10~15个基因组成,典型的四倍体约有40~60个拷贝。已分离到的基因长度约为4 kb。它们都具有高度同源的编码区,都含有6个内含子。外显子与内含子的边界为典型的5’GT/3’AG。根据5’侧非翻译区有无22 bp的插入序列可分为两类,即类型1和类型2,前者无插入序列,
编码98%~99%的马铃薯蛋白,后者有插入序列,仅编码1%~2%的马铃薯蛋白。根据限制性片段长度多态性分析(RFLP)和脉冲电泳分析结果,马铃薯多基因簇考贝位于第八染色体的140万碱基对的DNA片段上[14~16]
5.2 扩大种质资源的利用
马铃薯是继水稻、小麦、玉米之后的第四大农作物,国际马铃薯中心(CIP)、欧美先进国家非常重视种质创新和品种选育研究。在搜集各种倍性的马铃薯栽培种、野生种资源的基础上,进行抗性鉴定、品质评价等,发现了许多在普通四倍体中不存在的优良特异基因,如:低还原糖含量、高比重、青枯病抗性、晚疫病抗性、病毒病抗性、抗虫、抗旱耐盐碱及抗霜冻等,并且利用这些马铃薯野生种和原始栽培种,应用种间杂交、轮回选择、倍性育种、体细胞融合等方法在不同的倍性水平进行加工、鲜食等专用型品种选育和抗晚疫病、青枯病、低温冷藏直接加工特性和主要病毒病的资源创新和筛选,以及性状的遗传分析、选择理论和育种技术的系统研究。欧美等世界上马铃薯生产先进国家自发现二倍体栽培种S.phureja和四倍体S.andigena作亲本可筛选出许多无低温糖化现象后,马铃薯加工品质有了极大的提高,选育出经冷藏后可直接用于炸食的品种,另外利用野生资源材料创造出淀粉含量达25%~28%以上的高淀粉资源材料[2,4]
东北农业大学马铃薯研究室,在进行还原糖的品种资源筛选研究中,分析了S.phureja的9份材料,普通栽培种20份材料,新型栽培种5份材料,普通栽培种与新型栽培种的单交种5份材料,二倍体杂种1份,还原糖含量变异幅度为0.09%~1.71%,平均为(0.61±0.30)%。还原糖最低的两份材料均出自S.phureja二倍体栽培种,分别为0.09%和0.10%。黑龙江省农科院马铃薯研究所通过利用普通栽培品种与新型栽培种之间杂交,育成了田间抗晚疫病、炸片品质优良的马铃薯新品种克新14号[2]
总之,随着马铃薯加工业的发展和专用马铃薯育种技术的不断完善,马铃薯品质性状改良工作越来越受到人们的重视,中国马铃薯品质育种将会取得更大的进展,各种不同用途的优质专用型马铃薯新品种将会不断育成推广。
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