呂春晶，孫凌俊，魏 瀟，高圣華

（遼寧省果樹科學研究所，遼寧熊岳 115009）

可溶性糖與葡萄抗寒性的關系研究進展*

呂春晶，孫凌俊，魏 瀟，高圣華

（遼寧省果樹科學研究所，遼寧熊岳 115009）

綜述了葡萄抗寒生理機制，低溫脅迫下可溶性糖的積累和相互轉化，可溶性糖提高抗寒性的作用機理，糖代謝相關酶在葡萄抗寒生理中的作用研究進展，為葡萄抗寒性研究提供參考。

葡萄；可溶性糖；抗寒性

葡萄（Vitis viniferaL.）是葡萄科葡萄屬的多年生藤本落葉果樹，在我國具有悠久的栽培歷史，深受我國人民的喜愛。人們的生活水平在日益提高、市場需求量逐漸增長和農村產業(yè)機構的改變，促進了葡萄生產的飛速發(fā)展，使得栽培面積越居世界第一，產量居世界第二［1］，特別是鮮食葡萄生產更是名列前茅。我國葡萄生產主要集中在干旱少雨、光照充足、晝夜溫差大的北方地區(qū)，該地區(qū)葡萄產量高、品質佳、病蟲害少。葡萄是喜溫性植物，耐寒性較差，溫度和光照影響葡萄物候期的長短、果實外觀和品質。低溫脅迫能夠造成葡萄植株的細胞內結冰，引起細胞收縮和膜物質受損，嚴重時會造成細胞質膜的機械破，影響植株生長發(fā)育。因此，探索提高葡萄抗寒能力的方法，減輕低溫脅迫對葡萄的傷害尤為重要。

近年來，關于葡萄抗寒機理和抗寒途徑等領域已經開展很多工作，并取得了長足的進展，尤其是葡萄生理生化與抗寒性的關系研究，這為闡明葡萄抗寒生理機制提供了理論依據(jù)。在低溫環(huán)境下，葡萄的生理代謝會發(fā)生一些相應的變化去適應不良環(huán)境。這些變化主要體現(xiàn)在植株含水量下降、呼吸作用逐漸減弱、進入休眠、酶活性的改變、激素變化和保護性物質的增多［2］?？扇苄蕴堑奈锢?、化學性質決定了它的滲透調節(jié)能力高。在遭遇低溫脅迫期間，可溶性糖積累增多。調節(jié)可溶性糖代謝的關鍵酶也相應發(fā)生變化，包括蔗糖合成酶（sucrose synthase，SS）、蔗糖磷酸合成酶（sucrose phosphate synthase，SPS）、淀粉酶（amylase，Amy）與轉化酶（invertase）。這些關鍵酶在植物體內的分布和活性已經研究的較為清楚。本文對葡萄抗寒生理生化機制、可溶性糖和相關酶對葡萄抗寒性的影響等方面的研究進行綜述，以期為今后葡萄抗寒機理的深入研究、抗寒種質的篩選、抗寒途徑的探索提供參考。

1 葡萄抗寒的生理機制概述

抗寒性是指植物對低溫環(huán)境長期適應中通過改變自身的遺傳物質和自然選擇獲得的一種忍耐力。在寒冷地區(qū)包括越冬時期持續(xù)低溫對葡萄根系的凍害和初春時期氣溫驟變對已經萌動的葡萄幼芽的霜害。低溫不但影響植物的生長發(fā)育，而且影響地域分布以及作物產量［1］。葡萄對低溫脅迫的適應性主要體現(xiàn)在兩個方面，一是細胞膜的穩(wěn)定性有所提高，二是減少細胞內結冰和脫水能力的增強。木質部和韌皮部的細胞具有硬而厚的細胞壁，能夠作為保護機理避免因冰凍引起細胞脫水導致細胞膜破裂和原生質變形，因此，可以將韌皮部與木質部在植物組織結構中所占的比例作為衡量葡萄植株是否抗寒的一個指標［3～4］。細胞膜的基本成分是蛋白質，在抵御低溫脅迫過程中，可溶性蛋白中的糖蛋白能夠抑制細胞內結冰，具有冰凍保護劑和提高細胞持水性的作用［5］。葡萄根系肉質比例高，髓射線比較發(fā)達，能夠積累所需的有機營養(yǎng)物質，在冬季到來之前韌皮部、木質部和髓射線中就已經開始貯藏大量的有機化合物、脂類和單寧等物質［6］。

多年以來，研究者從組織細胞學、解剖學、生理學等不同方面對葡萄抗寒生理機制進行了深入研究，取得了很大進展。王麗雪等研究發(fā)現(xiàn)葡萄抗寒性強的品種比抗寒性弱的品種枝條木栓層厚，木栓化程度高［6］。葉片組織結構與葡萄抗寒性沒有明顯的相關性［7］。郭修武等發(fā)現(xiàn)葡萄抗寒性強的品種與抗寒性弱的品種在皮層和射線細胞大小、組織緊密度、皮層在根系結構中占的比例以及導管大小和密度上存在差異［8］?？购詮姷钠贩N組織緊密、導管小且密度低、皮層所占比率低。楊建民等通過對仁用杏的一年生和二年生枝條進行了解剖結構的觀察和測定［9］，同時用電導法對枝條的抗寒性進行了測定，結果表明枝條木質部所占的比率越大其抗寒性越強且呈正相關關系，相關系數(shù)為0.954，與郭修武研究葡萄的試驗結果相一致［8］。Guy等研究認為低溫條件下可溶性糖含量的提高是植物適應不良環(huán)境的重要變化之一，而且與低溫脅迫相關［10～11］。張基德等研究認為枝條和根系木質部中可溶性糖的含量與抗寒性呈正相關［12］。綜上所述，葡萄的抗寒性與枝條木質部比率和木質部中可溶性糖含量呈正相關。

2 可溶性糖對提高葡萄抗寒性的作用機理

植物通過光合作用，并在相關酶的參與下生成蔗糖和淀粉。淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的，是植物體內碳水化合物的主要貯存形式［13］，還是葡萄越冬時期枝條內蔗糖的主要來源。蔗糖是由一分子果糖和一分子葡萄糖合成的，其具有較高的化學穩(wěn)定性，是有機物運輸和暫時貯藏的主要形式［14］?？扇苄蕴堑脑黾涌梢源龠M脯氨酸的積累，而脯氨酸是植物體內溶解度高的滲透調節(jié)物質，能夠調節(jié)細胞膜的穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)植物體內的脯氨酸含量隨著低溫脅迫時間的延長而增加［4］。說明植物的抗寒性與脯氨酸含量有關?？扇苄蕴前ㄕ崽?、淀粉、葡萄糖和果糖等，這些糖不但可以提高細胞的滲透濃度，降低水勢，增加植株的持水能力，減少細胞質的過度脫水，使細胞質在低溫條件下膠化程度降低，同時還可以作為冰的保護劑對原生質體和線粒體起保護作用，因而提高植物的抗寒性［15～16］。蔗糖作為植物在光合作用過程中的主要產物，在遇到低溫環(huán)境時起到了重要作用，張明科等使用蔗糖溶液浸泡黃瓜的種子從而得到抗寒性強的黃瓜幼苗，這一試驗表明了蔗糖有效的提高了植物抗寒性［17］。還有研究發(fā)抗寒性遺傳受植物細胞質基因的影響，細胞質中的蔗糖和葡萄糖在調控低溫誘導基因表達中發(fā)揮了關鍵作用［18］。同時可溶性糖為脂肪和淀粉等物質的合成提供代謝底物，這些物質的累積對葡萄安全越冬是十分重要的。

生長季葡萄中的蔗糖主要運往果實，枝條中積累量較低，而在越冬前枝條中蔗糖開始快速積累，這是葡萄越冬和抗凍性形成的重要物質基礎［19］。楊光研究釀酒葡萄越冬枝條中蔗糖代謝的變化與抗寒性的關系，發(fā)現(xiàn)越冬枝條中較高的蔗糖含量有利于其抗凍性的形成與增強［18］。有研究表明葡萄抗寒性強的品種從秋季氣溫下降到埋土防寒前的抗寒鍛煉期間，淀粉在枝條和根系中大量積累［6，20］。隨著氣溫的逐步下降，淀粉水解作用增強，可溶性糖和可溶性蛋白含量增加，使得細胞液濃度升高，冰點降低，減少低溫傷害。在越冬過程中，細胞質表面附著的一些化合物阻礙水分到達細胞內，從而減緩細胞代謝，降低細胞失水。不管是抗寒性強還是抗寒性弱的植物，可溶性糖和蛋白的含量均隨著氣溫的下降而增加，只是抗寒性強的品種增加的早且數(shù)量多［18］。蔗糖在抗寒品種中有較高的含量，這可能是自身的遺傳物質和代謝反應所致。淀粉的積累與蔗糖含量的變化相輔相成，并且淀粉合成與降解速率直接影響了蔗糖的積累量，同時也與相關代謝酶活性的強弱密切相關。此外，其他的可溶性糖如葡萄糖、蔗糖、果糖以及一些寡糖等在低溫脅迫環(huán)境下含量也會相應增加［18］。

3 低溫脅迫下糖代謝相關酶的調控作用

可溶性糖的含量受葉片中合成的碳水化合物的影響，同時還受相關酶活性的調控［21］，糖含量的變化是幾種相關酶相互作用的結果。此外，還與植物本身的遺傳物質、環(huán)境因素、激素含量等有關。目前有多項研究證明，調控糖代謝相關酶的基因表達可以有效地調控目標植物的可溶性糖含量［22～23］。

蔗糖合成酶（SS）是一種存在于植物組織細胞質中的可溶性酶，對蔗糖的合成與分解均起到催化作用。這種酶具有可逆性稱為可逆酶，影響碳同化產物的運輸。植株在淀粉積累時期，分解方向的活性強于合成方向，SS主要起分解作用；在蔗糖積累時期，合成方向的活性強于分解方向，SS主要起合成作用。蔗糖磷酸合成酶（SPS）也是存在于細胞質中的可溶性酶，催化葡萄糖和果糖合成蔗糖。SS和SPS共同參與細胞壁的合成，對植物的生長發(fā)育和逆境的調控都產生一定的影響。SPS催化葡萄枝條中蔗糖的合成積累，有研究證明其活性在受到低溫脅迫時顯著升高［19，24］。Huber提出SPS的活性與蔗糖積累呈正相關，與淀粉積累呈負相關［25］。低溫環(huán)境下，可溶性糖含量的變化是鑒定植物抗寒性強弱的指標，而SPS是影響蔗糖積累的關鍵酶，所以SPS對植物的抗寒性有調節(jié)作用。SPS基因在植株抗逆性和果實品質方面有著密切的關系，其活性和含量影響“源”器官和“庫”器官，同時調節(jié)碳水化合物在蔗糖和淀粉之間的分配［25～26］。周蘭蘭等研究不同生長期釀酒葡萄枝條蔗糖代謝及相關酶活性，發(fā)現(xiàn)在氣溫下降后葡萄植株體內代謝發(fā)生一系列變化，如枝條中的SPS和SS活性增強，可溶性糖積累增多，進而改變了植物細胞的滲透壓，增強了抵御不良環(huán)境的能力［19，27］。并得出結論，在葡萄枝條中，SPS和SS活性受低溫刺激而升高，且呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.922和0.990?？梢奡PS和SS對植株的抗寒性起重要調節(jié)作用。

轉化酶（Inv）又稱蔗糖酶或 β-呋喃果糖苷酶，其主要包括酸性轉化酶（acid invertase，AI）和中性轉化酶 （neutral invertase，NI）。是一種不可逆的催化蔗糖水解為果糖和葡萄糖的酶。它參與植物光合作用的調節(jié)、生長發(fā)育的調控以及逆境的應答［19］。液泡中的轉化酶將光合作用的同化產物在蔗糖和淀粉中分配，使蔗糖的合成與分解利用處于動態(tài)平衡之中［28］。植物在低溫環(huán)境下，呼吸作用增強，Inv活性也隨之增強，影響蔗糖的積累［29］。

淀粉酶（Amy）是淀粉降解過程中的關鍵酶，將植物組織器官內的淀粉降解形成可溶性糖，參與細胞內的生理生化反應，為植物體內的代謝活動提供能量。Amy活性受低溫的刺激而上升［17］。周蘭蘭研究表明Amy活性在葡萄發(fā)芽期到漿果生長期一直保持較低的水平［24］；而到漿果成熟期其活性迅速升高，在秋季氣溫下降時略有下降，但仍然保持較高的水平，這些變化同枝條中淀粉含量變化相一致，說明Amy活性與葡萄越冬枝條中淀粉的合成積累有關系。Amy雖然是降解淀粉的關鍵酶，但卻與淀粉含量正相關，表明淀粉積累的同時其代謝也較強。

4 展望

通過田間試驗的方法對葡萄抗寒品種的鑒定和選育具有真實，可靠的優(yōu)點，但周期長，影響因素多；通過在室內模擬低溫環(huán)境的方法測定各項生理生化和形態(tài)指標來鑒定和選育抗寒性強的品種，可以更全面更系統(tǒng)地補充田間試驗的不足［30］。近年來，對植物抗寒性生理生化機制的研究已涉及植物代謝物質、滲透物質、細胞和細胞膜結構等方面。隨著分子生物學及基因工程原理和技術在葡萄上的應用，已經利用分子生物學手段調節(jié)和改造糖積累和轉化，對低溫脅迫下葡萄抗寒機理和生理過程進行了研究。目前研究發(fā)現(xiàn)，植物抗寒性是由多基因共同控制的數(shù)量性狀遺傳，可見利用分子生物學手段來提高和選育抗寒品種的任務艱巨，有待更深入的研究［26］。目前，關于低溫環(huán)境下葡萄枝條碳水化合物的含量與相關酶活性變化的關系研究還很少，因此，可以從這個方面入手篩選出能夠提高葡萄抗寒性的物質，進而選出抗寒性強的優(yōu)良砧木和品種，為葡萄抗寒性研究和生產栽培奠定基礎。

［1］曹琴，孔維府，溫鵬飛.植物抗寒及其基因表達研究進展［J］.生態(tài)學報，2004（24）：806～811.

［2］王忠.植物生理學［M］.北京：中國農業(yè)出版社，2000：446～447.

［3］黃海山.葡萄耐寒生理生化特性的研究［D］.甘肅農業(yè)大學，2007.

［4］劉文瑜葡萄抗寒砧木的組織培養(yǎng)、試管苗微嫁接及抗寒生理生化特性研究［D］.甘肅農業(yè)大學，2011.

［5］艾琳，張萍，胡成志.低溫脅迫對葡萄根系膜系統(tǒng)和可溶性糖及脯氨酸含量的影響［J］.新疆農業(yè)大學學報，2004，27（4）：47～50.

［6］王麗雪，李榮富，馬蘭青.葡萄枝條中淀粉、還原糖及脂類物質變化與抗寒性的關系［J］.內蒙古農牧學院學報，1994，15（4）：17.

［7］Wang Lixue.International symposium on Horticultural germplasm cultivated and wild［M］.International Academic Publisher，New York.1988：96～97.

［8］郭修武，傅望衡，王光杰.葡萄根系抗寒性的研究［J］.園藝學報，1989，16（1）：17～22.

［9］楊建民，李艷華，楊敏生，等.幾個仁用杏品種抗寒性的比較［J］.中國農業(yè)科學，1999，32（1）：46～50.

［10］Guy C L，Huber JL，Huber SC.Sucrose phosphate synthase and sucrose accumulation at low temperature［J］.Plant Physiol，1992（100）：502～508.

［11］Bhowmik P K，Tamura K，Sanada Y，et al.Sucrosemetabolism of perennial ryegrass in relation to cold acclimation［J］.Z Naturforsch C，2006（1～2）：99～104.

［12］張基德，李玉梅，陳艷秋，等.梨品種枝條可溶性糖、脯氨酸含量變化規(guī)律與抗寒性的關系［J］.延邊大學農學學報，2004：281～285.

［13］潘瑞熾，王小菁，李娘輝.植物生理學［M］.北京：高等教育出版社，2001：55～227.

［14］潘慶民，韓興國，白永飛，等.植物非結構性貯藏碳水化合物的生理生態(tài)學研究進展［J］.植物學通報，2002（1）：30～38.

［15］Bradford M.A rapid and sensitivemethod for thequantition of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein－dry binding［J］.Anal Biochem，1976（72）：248～254.

［16］王淑杰，王家民.可溶性全蛋白、可溶性糖含量與葡萄抗寒性關系的研究［J］.北方園藝，1996（2）：13～14.

［17］張明科，孫艷.脯氨酸和蔗糖溶液浸種對黃瓜幼苗生長及其抗冷能力的影響［J］.陜西農業(yè)科學，1997（3）：15～17.

［18］楊光.釀酒葡萄越冬枝中蔗糖代謝的變化與抗凍性的關系［D］.甘肅農業(yè)大學.2015.

［19］周蘭蘭.不同生長期釀酒葡萄枝條蔗糖代謝及相關酶活性的研究［D］.甘肅農業(yè)大學.2015.

［20］代漢萍，薛志杰，郭修武.樹莓自然越冬枝條生理生化特性研究［J］.吉林農業(yè)大學學報，2009，31（5）：573～577.

［21］郭雪峰，李紹華，劉國杰.桃果實和葉片中糖分的季節(jié)變化及其與碳代謝酶活性的關系研究［J］.果樹學報，2004，21（3）：196～200.

［22］Winter H，Huber SC.Regulation of sucrose metabolism in higher plants：localization and regulation of activity of key enzymes［J］.Crit Rev Biochem Mol Biol，2000，35（4）：253～289.

［23］Verma A K，Upadhyay SK，Verma P C，et al．.Functional analysis of sucrose phosphate synthase（SPS）and sucrose synthase（SS）in sugarcane（Saccharum）cultivars［J］.Plant Biol，2011，13（2）：325～332.

［24］Chapman G W，Horvat R J.Changes in nonvolatile acids，sugars，pectin and sugar composition of pectin during peach（cv.Monroe）matueation［J］.J Agric Food Chem，1990（38）：383～387.

［25］Huber SC.Role of sucrose-phosphate synthase in partitioning of carbon in leaves［J］.Plant Physiol，1983（71）：818～821.

［26］熊燕.中國野生葡萄抗寒基因標記RADP標記的研究［D］.西北農林科技大學，2003.

［27］周蘭蘭.釀酒葡萄枝條生長發(fā)育過程中蔗糖代謝及相關酶活性的變化［J］.植物生理學報，2015，51（6）：962～968.

［28］吳正景.番茄酸性轉化酶cDNA克隆及胞壁轉化酶在植株抗寒反應中功能研究［D］.西北農林科技大學，2007.

［29］Koch K E.Carbohydrate-modulated gene expression in plant［J］.Annu Rev Plant Physiol Plant Mol，1996（47）：509～540.

［30］張倩，劉崇懷，郭大龍，等.5個葡萄種群的低溫半致死溫度與其抗寒適應性的關系［J］.西北農林科技大學學報（自然科學版），2013，41（5）：150～154.

Research Advances in Relationship between Soluble Sugar and Cold Resistance in Grape

LV Chun-jing，SUN Ling-jun，WEIXiao，GAO Sheng-hua
（Liaoning Institute of Pomology，Xiongyue，Liaoning 115009）

In this paper，we reviewed the research progress on the physiologicalmechanism of cold resistance in grape，the accumulation and transformation of soluble sugar at low temperature stress，the mechanism of soluble sugar to improve cold resistance，the effect of related enzymes in sugarmetabolism in the cold resistance of grape.

Grape（Vitis viniferaL.）；Soluble sugar；Cold resistance

S663.103.4

B

1002－1728（2017）04－0050－04

10.3969／j.issn.1002－1728.2017.04.011

2017－06－12

遼寧省優(yōu)秀人才培養(yǎng)計劃（2014027030）

呂春晶（1983－），女，遼寧營口人，助理研究員，研究方向為葡萄栽培育種。E-mail：lvchunjing1＠163.com

孫凌俊（1969－），副研究員，研究方向為葡萄栽培育種。E-mail：77338600＠qq.com