休眠期前富士蘋果樹碳代謝探究

李 燕，溫志靜，魏嬋嬋，楚克歡，梁 俊

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

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休眠期前富士蘋果樹碳代謝探究

李 燕，溫志靜，魏嬋嬋，楚克歡，梁 俊

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

【目的】 研究蘋果樹進(jìn)入休眠期前的碳代謝規(guī)律，探討碳代謝與進(jìn)入休眠的關(guān)系。【方法】 以富士蘋果樹1年生枝為試材，分析其韌皮部、木質(zhì)部和芽中可溶性總糖、還原糖、蔗糖和淀粉的含量及其相關(guān)酶(酸性轉(zhuǎn)化酶(AI)、中性轉(zhuǎn)化酶(NI)、蔗糖合成酶(SS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)和淀粉酶)活性的變化。【結(jié)果】 隨著休眠期的推進(jìn)，蔗糖、還原糖和可溶性總糖含量在果樹不同部位的分布為韌皮部>芽>木質(zhì)部，且任意兩者糖組分之間均極顯著正相關(guān)；進(jìn)入休眠期前，果樹木質(zhì)部中淀粉含量不斷積累，其他碳水化合物含量變化不大，在休眠期之后，木質(zhì)部中淀粉與可溶性總糖含量顯著性負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.856*)。樹體進(jìn)入休眠期前后，芽中各酶活性均高于韌皮部；韌皮部和芽中AI活性與蔗糖含量極顯著性負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為-0.909**，-0.783**)；芽中SPS活性與蔗糖含量顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.649*)?！窘Y(jié)論】 蘋果在進(jìn)入休眠期前，木質(zhì)部開始儲藏淀粉，隨著休眠期的來臨，木質(zhì)部中積累的大量淀粉被分解使可溶性糖含量升高，與此同時，各部位的蔗糖含量快速上升，這與SPS活性的升高、AI活性的降低有關(guān)。

富士蘋果樹；休眠期前；枝條；芽；碳代謝

蘋果樹從落葉到萌芽的這一段時間稱為休眠期[1]。休眠期是果樹重要的物候期，體內(nèi)儲藏的碳水化合物是其抵御冬季低溫脅迫、維持最基本的生理代謝、花芽進(jìn)一步分化和春季萌芽生長的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。進(jìn)入休眠期前各種碳水化合物的積累和相關(guān)酶活性的變化，對進(jìn)入休眠期的果樹及后期解除休眠后樹體營養(yǎng)的整體狀況都起著舉足輕重的作用。目前，相關(guān)研究主要集中于果樹休眠期間[3-7]或休眠解除時期[8]枝條、芽中某幾種碳水化合物的變化，以及此期與碳水化合物相關(guān)酶活性的變化[2,9]等方面，但關(guān)于果樹進(jìn)入休眠期前碳水化合物的積累及相關(guān)酶活性變化的研究很少，而對于蘋果樹的研究尚未見報道。本試驗以富士蘋果樹的枝條和芽為材料，測定了其進(jìn)入休眠期(即落葉前后)前韌皮部、木質(zhì)部和芽中的碳水化合物及與之相關(guān)的代謝酶活性的變化，研究了蘋果枝條和芽在此期間的糖代謝規(guī)律，探討了果樹休眠期前碳代謝與進(jìn)入休眠的關(guān)系，以期為蘋果樹體內(nèi)有機(jī)碳代謝研究、有機(jī)碳肥開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

于2014年9月至12月，以西北農(nóng)林科技大學(xué)白水蘋果試驗站內(nèi)生長健壯、樹勢一致的8年生矮化“富士”蘋果樹為試材，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每7株為1個小區(qū)，3次重復(fù)。在此期間每隔10 d采樣1次，每次每株采集長勢一致的1年生基生結(jié)果枝1枝，共21枝。在試驗地立即將葉片清除干凈并帶回實驗室，用水沖洗干凈之后迅速將木質(zhì)部、韌皮部和芽分離。稱取一部分韌皮部和芽進(jìn)行研磨，用于測定糖代謝相關(guān)酶活性；剩余的在105 ℃殺青15 min，60 ℃烘干至恒質(zhì)量，磨碎后過0.175 mm(80目)篩，用于測定各物質(zhì)含量。

1.2 碳水化合物含量測定

1.2.1 可溶性糖和淀粉的提取 根據(jù)高俊鳳[10]的方法提取可溶性糖和淀粉。稱取枝條、芽干樣各 0.5 g和0.25 g于離心管，加入8 mL 體積分?jǐn)?shù)80%的乙醇，80 ℃水浴30 min，3 500 r/min離心15 min，上清液轉(zhuǎn)入25 mL容量瓶中，再向沉淀中加入6 mL體積分?jǐn)?shù)80%乙醇，如上述方法浸提2次，將上清液合并至25 mL容量瓶中，用乙醇定容至25 mL。取8 mL在沸水浴中蒸干，加入20 mL蒸餾水充分溶解后待測。提取后剩余的殘渣利用高氯酸法來提取淀粉。即往殘渣中加蒸餾水2 mL，沸水浴糊化15 min，冷卻后加入9.2 mol/L高氯酸，攪拌15 min，加蒸餾水4 mL，混勻，4 000 r/min離心10 min，上清液轉(zhuǎn)入50 mL容量瓶中；再向沉淀中加入2 mL 4.6 mol/L 高氯酸，攪拌提取15 min，加入5 mL蒸餾水，混勻后離心10 min，合并上清液，用蒸餾水洗滌沉淀2次，每次5～6 mL，合并上清液并用蒸餾水定容至刻度后待測。

1.2.2 可溶性總糖、還原糖含量的測定 可溶性總糖含量用蒽酮比色法[10]在620 nm下測定，根據(jù)葡萄糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線計算可溶性總糖含量；還原糖含量用3,5-二硝基水楊酸[10]測定520 nm下的光密度值，根據(jù)葡萄糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線測定還原糖含量。

1.2.3 淀粉含量的測定 淀粉含量用蒽酮比色法[10]測定620 nm下的光密度值，根據(jù)葡萄糖的標(biāo)準(zhǔn)曲線計算樣品中淀粉含量。

1.2.4 蔗糖含量的測定 蔗糖含量采用間苯二酚比色法[11-12]測定。

1.3 酶液提取及測定

酶液制備基本參照Keller等[13]的方法進(jìn)行。分別取新鮮的芽、韌皮部各0.5和1.0 g，分3次加7 mL酶提取液，冰浴研磨成勻漿。提取液成分為50 mmol/L HEPES-NaOH (pH 7.5)，10 mmol/L MgCl2，1 mmol/L EDTA，2.5 mmol/L DTT，體積分?jǐn)?shù)0.05% Triton-100 和1 g/L BSA。然后將勻漿倒入10 mL離心管中，在2 ℃下11 000 r/min離心20 min，上清液在2 ℃下用透析液(去除Triton-100稀釋10倍的提取液)透析24 h，透析后的酶液用于酶活性分析。

蔗糖合成酶(SS)活性測定按照Rufty 等[14]的方法，通過測定從UDPG(尿苷二磷酸葡萄糖)生成的蔗糖來定量；蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性測定按照Zhu等[15]的方法，通過測定從UDPG生成的蔗糖來定量；酸性轉(zhuǎn)化酶(AI)、中性轉(zhuǎn)化酶(NI)和淀粉酶活性測定按照Merlo等[16]的方法，測定釋放還原糖的量來表示酶活性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003、Origin 7.5、SPSS 19.0軟件進(jìn)行處理與相關(guān)數(shù)理統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 休眠期前后富士蘋果樹枝條和芽中碳水化合物含量的變化

2.1.1 還原糖和可溶性總糖含量 如圖1所示，隨著休眠期的推進(jìn)，還原糖與可溶性總糖含量在富士蘋果樹1年生枝條不同部位的分布為韌皮部>芽>木質(zhì)部，韌皮部和芽中還原糖、可溶性總糖含量較高，而木質(zhì)部中兩者含量均較低。盡管可溶性總糖含量略高于還原糖含量，但大多數(shù)情況下兩者不存在顯著性差異。蘋果樹在11月8日左右(此時期開始落葉)開始進(jìn)入休眠期，由圖1可知，休眠期前還原糖和可溶性總糖含量在各部位變化不大，進(jìn)入休眠期后各部位可溶性總糖和還原糖含量都呈現(xiàn)快速增加的趨勢。

圖 1 休眠期前后富士蘋果樹各部位還原糖和可溶性總糖含量的變化

2.1.2 蔗糖含量 由圖2可以看出，在富士蘋果樹1年生枝條韌皮部中蔗糖含量最高，其次是芽、木質(zhì)部，這與可溶性總糖、還原糖的分布規(guī)律一致。休眠期前，木質(zhì)部中蔗糖含量極低，但在進(jìn)入休眠期后，其含量迅速上升；韌皮部和芽中蔗糖含量在休眠期前比較穩(wěn)定，之后也呈快速上升的現(xiàn)象。

2.1.3 淀粉含量 由圖3可以看出，淀粉含量在富士蘋果樹1年生枝條各部位的分布基本呈現(xiàn)為木質(zhì)部>韌皮部>芽，木質(zhì)部和韌皮部中淀粉含量變化比較劇烈，大致呈現(xiàn)先升后降的趨勢，但木質(zhì)部中其含量是在進(jìn)入休眠期1周后達(dá)到最高值，而韌皮部是在休眠期前即達(dá)最高值；芽中淀粉含量較低且變化較小，尤其進(jìn)入休眠期后，淀粉含量比較穩(wěn)定。

圖 2 休眠期前后富士蘋果樹各部位蔗糖含量的變化

圖 3 休眠期前后富士蘋果樹各部位淀粉含量的變化

2.2 休眠期前后富士蘋果樹不同部位糖組分之間的相關(guān)性

由表1可知，在休眠期前，富士蘋果樹1年生枝條芽、木質(zhì)部和韌皮部中的可溶性總糖、蔗糖和還原糖任意兩者之間都呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。在休眠期以后，對木質(zhì)部中淀粉與可溶性總糖含量進(jìn)行了相關(guān)分析，兩者之間呈顯著性負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.856*)，但韌皮部、芽中兩者無顯著相關(guān)關(guān)系。

表 1 休眠期前富士蘋果樹不同部位碳水化合物含量之間的相關(guān)性分析

注：相關(guān)顯著水平：*.P<0.05，**.P<0.01。表2同。

Note:Significant correlation level:*.P<0.05，**.P<0.01.The same for table 2.

2.3 休眠期前后富士蘋果樹枝條和芽中糖代謝相關(guān)酶活性的變化

2.3.1 轉(zhuǎn)化酶(AI和NI)活性 如圖4所示，富士蘋果樹1年生枝條芽中AI和NI活性均明顯高于韌皮部，且同一器官中兩者活性變化趨勢相似，AI在此期間活性較高，整體呈現(xiàn)下降的趨勢，直到11月28日，其活性降到比較平穩(wěn)的范圍，并保持較低水平；NI在韌皮部和芽中的活性很低，前期活性比較穩(wěn)定，在休眠期前突然上升并達(dá)到最大值，進(jìn)入休眠期后其活性又迅速下降并降至最低。

圖 4 休眠期前后富士蘋果樹韌皮部和芽中轉(zhuǎn)化酶活性的變化

2.3.2 蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性 休眠期前后富士蘋果樹韌皮部和芽中SS和SPS活性的變化見圖5。

圖 5 休眠期前后富士蘋果樹韌皮部和芽中SS和SPS活性的變化

如圖5所示，富士蘋果樹1年生枝條韌皮部和芽中SS活性的變化比較復(fù)雜，基本呈現(xiàn)下降-上升-下降的變化趨勢，芽中變幅較大且活性明顯高于韌皮部。SPS在韌皮部和芽中活性變化趨勢一致，前期比較平穩(wěn)，但在果樹進(jìn)入休眠期后迅速上升。

2.3.3 淀粉酶活性 休眠期前后富士蘋果樹韌皮部和芽中淀粉酶活性的變化見圖6。

圖 6 休眠期前后富士蘋果樹韌皮部和芽中淀粉酶活性的變化

由圖6可知，富士蘋果樹1年生枝條中淀粉酶活性與上述4種酶類似，在芽中的活性高于韌皮部，淀粉酶活性在韌皮部和芽中大致都呈先升后降的變化趨勢，即在休眠期前淀粉酶活性逐漸升高，之后快速下降，而且芽中活性開始下降的時間晚于韌皮部1周左右。

2.4 休眠期前后蘋果樹不同部位碳水化合物含量與相關(guān)代謝酶活性的關(guān)系

由表2可以看出，富士蘋果樹1年生枝條韌皮部中AI與蔗糖、還原糖、可溶性總糖含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為-0.909**，-0.737*，-0.888**)，而芽中AI僅與蔗糖含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.783**)。韌皮部中NI與還原糖和可溶性總糖含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為-0.913**和-0.796**)，芽中NI與蔗糖、還原糖、可溶性總糖含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為-0.805**，-0.744**，-0.716*)。韌皮部中SPS與還原糖含量呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.687*)，而芽中SPS與蔗糖含量呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.649*)。

表 2 休眠期前后富士蘋果樹韌皮部和芽中碳水化合物含量與相關(guān)酶活性的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

3.1 休眠期前后蘋果樹各部位碳水化合物含量變化與休眠的關(guān)系

果樹在進(jìn)入休眠期前，碳水化合物作為體內(nèi)的主要能量來源在此期間會進(jìn)行一系列的代謝和分配，以保證其生命活動的正常進(jìn)行。本研究結(jié)果顯示，果樹進(jìn)入休眠期前，1年生枝條木質(zhì)部中淀粉含量不斷積累，其他碳水化合物含量變化不大，這與前人的研究結(jié)果[17-18]相似。進(jìn)入休眠期之后，木質(zhì)部中淀粉與可溶性總糖含量顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.856*)，而韌皮部和芽中的淀粉含量與可溶性總糖含量沒有顯著相關(guān)性，這表明韌皮部、芽中可溶性總糖含量的升高很可能是由于木質(zhì)部中淀粉的水解，即果樹進(jìn)入休眠期前，木質(zhì)部是儲藏淀粉的主要部位，此后隨著外界環(huán)境溫度的降低，為樹體進(jìn)入休眠期做準(zhǔn)備，淀粉迅速被水解為可溶性糖以適應(yīng)樹體自身內(nèi)部的需要。李秀珍等[2]在對歐李的研究中就提出，休眠期韌皮部和芽中淀粉含量與可溶性總糖含量之間沒有相關(guān)性，可溶性糖的來源需要進(jìn)一步探討，本研究結(jié)果恰好解釋了這一現(xiàn)象。本研究還發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)入休眠期后果樹各部位中可溶性總糖含量迅速升高，原因是可溶性總糖可提高低溫下果樹的滲透調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而增強(qiáng)植株抵抗低溫的能力，這與前人對果樹抗性研究的結(jié)果[19-21]一致。蔗糖含量在進(jìn)入休眠期前很低，在之后明顯升高，這與王慧等[8]對油桃的研究結(jié)果相似。

3.2 休眠期前后蘋果樹韌皮部和芽中碳水化合物含量變化與相關(guān)代謝酶活性的關(guān)系

本研究結(jié)果顯示，富士蘋果樹1年生枝條韌皮部中各酶活性均低于芽中，相關(guān)性分析表明，韌皮部和芽中AI活性與蔗糖含量極顯著性負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為-0.909**和-0.783**)，而韌皮部NI活性與蔗糖含量無顯著相關(guān)性；進(jìn)入休眠期后SPS活性突然增大，這與蔗糖含量在此時快速增加相一致。通常認(rèn)為SPS是促進(jìn)蔗糖合成的一種重要酶[22]。相關(guān)性分析認(rèn)為，芽中SPS活性與蔗糖含量顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.649*)，可以認(rèn)為芽中SPS是合成蔗糖的關(guān)鍵酶。SS是蔗糖雙向作用酶類，其變化復(fù)雜，與蔗糖含量的變化無相關(guān)性，但是SS活性的變化與蔗糖含量變化有時相反有時一致，這恰恰體現(xiàn)了該酶的特性。由以上分析可知，果樹休眠期前蔗糖調(diào)控的關(guān)鍵酶是AI和SPS，NI和SS起調(diào)節(jié)作用。

綜上所述，蘋果樹在進(jìn)入休眠期前，木質(zhì)部開始儲藏淀粉，隨著休眠期的到來，木質(zhì)部中積累的大量淀粉開始分解，使各部位可溶性糖含量升高，以此來適應(yīng)逐漸變冷的外界環(huán)境，與此同時，各部位的蔗糖含量快速上升，這與SPS活性的升高、AI活性的降低有密切關(guān)系。

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Carbon metabolism of Fuji before dormancy

LI Yan,WEN Zhijing,WEI Chanchan,CHU Kehuan,LIANG Jun

(CollegeofHorticulture,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This study investigated the carbon metabolism of apple tree before dormancy period.【Method】 Annual shoots of Fuji were selected to analyze soluble sugar,reducing sugar,sucrose,starch contents and changes in activities of related enzymes (AI,NI,SS,SPS and amylase) in xylem,phloem and bud.【Result】 Along with the advancement of dormancy,the distribution of sucrose,reducing sugar and total soluble sugar content in different parts of trees was in the order of phloem>bud>xylem,and the correlation between any two was significantly positive.Before dormancy,starch content in xylem continued to accumulate,while other carbohydrate contents barely changed.At early dormancy starch and soluble sugar contents in the xylem had significant negative correlation with coefficient of -0.856*.During the experiment,enzyme activities in bud were higher than in phloem.AI and sucrose content had significant negative correlation in phloem and bud with coefficients of -0.909**and -0.783**,respectively.SPS and sucrose content in bud was significantly positively related with coefficient of 0.649*.【Conclusion】 Before dormancy,the xylem began to store starch,which was hydrolyzed during dormancy to form soluble sugar.At the same time,sucrose content in each organ increased rapidly relating to increase of SPS activity and decrease of AI activity.

Fuji apple;before dormancy;shoot;bud;carbon metabolism

時間:2016-10-09 10:08

10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.11.018

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20161009.1008.036.html

2015-05-14

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD10B02)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2011KTZB02-02-04)

李 燕(1990-)，女，山東新泰人，在讀碩士，主要從事蘋果品質(zhì)改良研究。E-mail:liyan901112@163.com

梁 俊(1963-)，男，陜西高陵人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事果樹生理與生態(tài)研究。 E-mail:strongca@163.com

S661.1

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1671-9387(2016)11-0127-06