周 敏,李益鋒,劉唐興,楊國(guó)順
(1.湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410127;2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410128)
葡萄是目前世界上種植面積最廣、加工程度最高、產(chǎn)業(yè)鏈最長(zhǎng)的果樹(shù)之一。葡萄果實(shí)品質(zhì)的高低很大程度上取決于果實(shí)內(nèi)含物的多少,包括糖、有機(jī)酸、維生素、芳香物質(zhì)等,其中最主要的影響因素是糖的種類(lèi)和數(shù)量[1]。含糖量不僅影響葡萄果實(shí)的甜度、風(fēng)味和商品性,對(duì)葡萄酒、葡萄汁等品質(zhì)也有顯著影響。葡萄屬于高糖類(lèi)果樹(shù)之一,漿果含糖量可達(dá)15%~28%[2]。糖在果實(shí)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。(1)作為能量物質(zhì),是葡萄生長(zhǎng)發(fā)育的動(dòng)力來(lái)源;(2)作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),能調(diào)控果實(shí)細(xì)胞膨大[3];(3)作為信號(hào)分子,對(duì)葡萄生長(zhǎng)與發(fā)育產(chǎn)生重要影響等[4]。該文對(duì)葡萄果實(shí)糖分的種類(lèi)與分布、糖分積累的類(lèi)型和機(jī)制、糖分代謝的調(diào)控進(jìn)行了綜述,以期為進(jìn)一步了解果實(shí)糖分代謝的機(jī)理、提高果實(shí)品質(zhì)等提供參考。
葡萄果實(shí)中主要的糖類(lèi)有葡萄糖、果糖和蔗糖,且以前面2 種類(lèi)型為主。葡萄糖與果糖在果實(shí)膨大期迅速積累,并在果實(shí)成熟至采收期穩(wěn)定存在。蔗糖作為果實(shí)糖分運(yùn)輸?shù)闹饕问?,在果?shí)發(fā)育前期存在,隨著果實(shí)的生長(zhǎng),蔗糖逐步發(fā)生水解,形成葡萄糖和果糖,所以在成熟的葡萄果實(shí)中蔗糖含量極微,且主要集中在維管束組織區(qū)域[2]。葡萄糖和果糖的積累速度很快,其濃度呈直線(xiàn)上升,故葡萄漿果中葡萄糖與果糖的濃度比其他水果要高。
按照果實(shí)糖分積累的類(lèi)型,可以將果實(shí)分為糖直接積累型、淀粉轉(zhuǎn)化型和中間型3 類(lèi)[5]。糖直接積累型:光合作用產(chǎn)物除在果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育的早期少量以淀粉形式存在以外,其余均以可溶性糖積累在液泡當(dāng)中,常見(jiàn)的果實(shí)有柑橘[6]、葡萄[7]、草莓[8]等,這類(lèi)果實(shí)多屬非呼吸躍變型果實(shí)。淀粉轉(zhuǎn)化型:光合產(chǎn)物進(jìn)入果實(shí)后除用于果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育與呼吸作用外,其余的以淀粉形式貯存,采收后經(jīng)后熟作用將淀粉轉(zhuǎn)化為可溶性糖,如香蕉[9]、芒果[10]、獼猴桃[11]等。中間型:光合產(chǎn)物早期以淀粉形式貯存,然后淀粉經(jīng)水解進(jìn)入糖代謝過(guò)程,且光合產(chǎn)物以糖的形式直接輸入,如蘋(píng) 果[12]、桃[13]、李子[14]等。淀粉轉(zhuǎn)化性和中間型果實(shí)多屬于呼吸躍變型果實(shí)[15]。
葡萄果實(shí)的糖分主要來(lái)源于碳水化合物的同化,糖分積累的過(guò)程就是碳水化合物的運(yùn)輸和積累過(guò)程。葡萄糖分積累的主要過(guò)程可以分為以下幾個(gè)階段[16]。(1)葉片中葉綠體同化CO2形成磷酸丙糖(TPT),經(jīng) TPT 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)運(yùn)送到葉肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中,合成蔗糖;(2)合成的蔗糖經(jīng)短距離運(yùn)輸進(jìn)入韌皮部裝載區(qū),并裝載入韌皮部;(3)蔗糖在韌皮部篩管中進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸;(4)蔗糖從韌皮部中卸載;(5)蔗糖卸載后進(jìn)入果實(shí)代謝和貯藏。研究表明,影響果實(shí)糖分積累的關(guān)鍵因子位于正在發(fā)育的果實(shí)內(nèi)部,包括糖代謝相關(guān)酶的種類(lèi)與活力以及糖的跨膜運(yùn)輸能力等[17]。
果實(shí)糖分以蔗糖的形式到達(dá)韌皮部篩管伴胞復(fù)合體(SE/CC)后通過(guò)2 種途徑進(jìn)入庫(kù)細(xì)胞,即共質(zhì)體途徑與質(zhì)外體途徑[18]。
2.3.1 共質(zhì)體途徑 糖分經(jīng)SE/CC 與周?chē)”诩?xì)胞之間的胞間連絲進(jìn)入庫(kù)細(xì)胞,進(jìn)行共質(zhì)體卸載[19]。大多數(shù)庫(kù)組織中如葉、根、塊莖中均存在有共質(zhì)體途徑。葡萄果實(shí)中存在大量的胞間連絲,相互之間形成了一個(gè)緊密的共質(zhì)體網(wǎng)絡(luò),方便糖分在韌皮部的卸載與運(yùn)輸。共質(zhì)體途徑是一個(gè)被動(dòng)擴(kuò)散的過(guò)程,不需要消耗能量。Tucker 等[20]研究發(fā)現(xiàn),共質(zhì)體運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力主要是來(lái)自于系統(tǒng)內(nèi)溶質(zhì)濃度的差異,可溶性糖就是以被動(dòng)擴(kuò)散或集流的方式在胞間連絲中運(yùn)輸?shù)摹S绊懝操|(zhì)體運(yùn)輸?shù)囊蛩赜泻芏?,其中最主要的是胞間連絲的大小和數(shù)量。葡萄果實(shí)糖分的卸載途徑隨著果實(shí)發(fā)育程度的不同而存在差異。有研究表明,在果實(shí)轉(zhuǎn)色期以前,光合產(chǎn)物是以共質(zhì)體途徑運(yùn)輸為主[21]。
2.3.2 質(zhì)外體途徑 質(zhì)外體途徑指蔗糖從SE/CC 卸載到質(zhì)外體空間以后,利用果實(shí)細(xì)胞質(zhì)膜上的質(zhì)子泵(H+-ATPase)或載體進(jìn)入庫(kù)細(xì)胞。蔗糖經(jīng)質(zhì)外體卸載后被酸性轉(zhuǎn)化酶分解為葡萄糖與果糖。研究表明,在成熟葡萄果實(shí)中,葡萄糖和果糖含量較高,而蔗糖含量很低[22]。此時(shí)期對(duì)葡萄果實(shí)超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),胞間連絲堵塞的現(xiàn)象廣泛存在于韌皮部細(xì)胞與相鄰細(xì)胞之間以及果實(shí)庫(kù)細(xì)胞之間,甚至有時(shí)觀察不到胞間連絲的存在,說(shuō)明他們之間發(fā)生了共質(zhì)體隔離,糖分運(yùn)輸主要以質(zhì)外體途徑為主。Zhang 等[21]采用熒光染料示蹤的方法發(fā)現(xiàn),葡萄轉(zhuǎn)熟期是葡萄果實(shí)糖分卸載途徑發(fā)生轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵期,果實(shí)糖分卸載途徑在果實(shí)發(fā)育后期由共質(zhì)體途徑轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)外體途徑。
糖卸載到果實(shí)中與果實(shí)的庫(kù)強(qiáng)有很大的關(guān)系,而衡量庫(kù)強(qiáng)強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo)就是與蔗糖代謝相關(guān)的關(guān)鍵酶活性[23]。葡萄果實(shí)內(nèi)與蔗糖代謝相關(guān)的酶主要有3 類(lèi)。
3.1.1 轉(zhuǎn)化酶(Invertase,Ivr) 轉(zhuǎn)化酶主要將蔗糖水解為葡萄糖和果糖。轉(zhuǎn)化酶主要有酸性轉(zhuǎn)化酶和中性轉(zhuǎn)化酶2 個(gè)類(lèi)型。酸性轉(zhuǎn)化酶分為可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶(主要存在于液泡中)和非可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶(主要存在于細(xì)胞壁上)。前者調(diào)節(jié)果實(shí)內(nèi)糖的積累和蔗糖的利用,后者主要參與韌皮部質(zhì)外體卸載時(shí)蔗糖的分解。蔗糖的積累是以轉(zhuǎn)化酶的活性降低為前提的。因此,作為積累己糖的葡萄,其酸性轉(zhuǎn)化酶活性在整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中均維持在較高水平。葡萄的2 個(gè)酸性轉(zhuǎn)化酶基因(GIN1、GIN2)已經(jīng)被克隆出來(lái),研究發(fā)現(xiàn)這2 個(gè)基因均有2 個(gè)活性區(qū),且第2 活性區(qū)為保守區(qū)。在葡萄開(kāi)花時(shí),酸性轉(zhuǎn)化酶基因的mRNA 含量低,開(kāi)花2 周后達(dá)到最大值,隨后逐漸下降,開(kāi)花12 周后幾乎檢測(cè)不到;而酶活性在第8 周才達(dá)到最大,且至16 周一直維持在較高水平。酸性轉(zhuǎn)化酶mRNA 表達(dá)量的升高和酶活性的增加是蔗糖卸載的重要標(biāo)志,均先于己糖在果實(shí)中的積累,因此普遍認(rèn)為蔗糖的卸載啟動(dòng)了液泡中糖的積累過(guò)程[7]。
3.1.2 蔗糖磷酸合酶(sucrose phosphate synthase,SPS) SPS 是一種可溶性酶,是調(diào)節(jié)蔗糖合成的關(guān)鍵酶之一,主要催化如下可逆反應(yīng):
磷酸蔗糖磷酸化酶(SPP)催化6-磷酸蔗糖降解形成蔗糖。在植物體內(nèi),SPS 與SPP 形成一個(gè)復(fù)合體,因此SPS 催化蔗糖的生成反應(yīng)是非可逆的[24]。蔗糖是同化產(chǎn)物運(yùn)輸?shù)闹饕问健T谄咸压麑?shí)中,SPS 是唯一促進(jìn)蔗糖積累的關(guān)鍵酶,SPS 活性越高,蔗糖積累的越多[25]。Harbron 等[26]研究表明,SPS 可能是蔗糖合成的關(guān)鍵控制點(diǎn)之一,其活性表征蔗糖生物合成途徑的能力。1996 年,Komatsu 等[27]在柑橘中首先克隆到了3 個(gè)編碼SPS 的基因,其cDNA 有3 個(gè)同工型CitSPS1、CitSPS2 和CitSPS3,隨后他又研究了上述基因在柑橘果肉和果皮中的表達(dá)量,發(fā)現(xiàn)CitSPS1和CitSPS2 在果肉組織中全程或不同階段表達(dá),而CitSPS3 幾乎沒(méi)有檢測(cè)到;果皮中上述3 個(gè)同工基因均有表達(dá),只是CitSPS3 相較于其他2 個(gè)類(lèi)型表達(dá)量較少。果皮中的轉(zhuǎn)錄結(jié)果與SPS 酶活性之間存在正相關(guān)[28]。
3.1.3 蔗糖合成酶(sucrose synthase,SS) 蔗糖合成酶大部分是可溶性的,存在于細(xì)胞質(zhì)中,某些非溶性的定位在細(xì)胞膜上。SS 主要催化如下可逆反應(yīng):
SS 活性分為分解方向活性和合成方向活性。SS在桃果實(shí)發(fā)育前期主要是促進(jìn)蔗糖的分解,后期以合成方向?yàn)橹?,并在果?shí)成熟期維持在較高水平,所以在桃果實(shí)中SS 主要用于合成蔗糖。但是在葡萄果實(shí)內(nèi),SS 和轉(zhuǎn)化酶一起調(diào)節(jié)蔗糖的分解[29-30]。美人指葡萄在果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育全過(guò)程中蔗糖合成酶分解方向活性明顯高于合成方向[31]。SS 基因最先在馬鈴薯上被克隆出來(lái)[32],大多數(shù)植物中至少存在2 種同工酶,具有較高的氨基酸序列同源性和生化性質(zhì)相似性。如柑橘CitSuS1 和CitSuS2 在氨基酸水平上有90%以上的同一性。SS 基因在時(shí)間和空間上具有特異性表達(dá)。在柑橘果實(shí)發(fā)育過(guò)程中,CitSuS1 的表達(dá)呈下降趨勢(shì),而CitSuS2 的表達(dá)量上升[33]。
糖分通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜上載體蛋白的運(yùn)輸進(jìn)入到果實(shí)細(xì)胞,載體蛋白的運(yùn)輸同時(shí)存在主動(dòng)輸運(yùn)和被動(dòng)運(yùn)輸2 個(gè)過(guò)程[34]。糖的主動(dòng)運(yùn)輸分為初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸和次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸2 種形式。初級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸伴隨有ATP 的分解,而次級(jí)主動(dòng)運(yùn)輸需要ATP 分子分別朝順向、逆向能量梯度運(yùn)輸。被動(dòng)運(yùn)輸包括簡(jiǎn)單擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散2 種形式,前者直接跨過(guò)磷脂雙分子層;后者需要結(jié)合到膜上蛋白,由其負(fù)責(zé)運(yùn)輸。被動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆较蚴堑孜餄舛容^高的區(qū)域運(yùn)向底物濃度較低的區(qū)域。糖分進(jìn)入液泡的過(guò)程同時(shí)伴隨有主動(dòng)運(yùn)輸與被動(dòng)運(yùn)輸。液泡膜上ATPase 和PPiase 產(chǎn)生的H+的跨液泡膜梯度為主動(dòng)運(yùn)輸提高能量,運(yùn)輸載體的存在則使得被動(dòng)運(yùn)輸能夠順利進(jìn)行[22]。葡萄的蔗糖載體基因已經(jīng)被克隆出來(lái)[35]。 在已知的3 個(gè)載體基因中,VvSUC11,VvSUC12 隨己糖的積累而上調(diào),而VvSUC27 則下調(diào)。Hohmann 等[36]將上調(diào)的基因在酵母中進(jìn)行功能驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)VvSUC11、 VvSUC12 可能與蔗糖從質(zhì)外體空間運(yùn)載入貯藏薄壁細(xì)胞中進(jìn)行代謝和積累有關(guān)。Fillion 等[37]克隆了己糖運(yùn)輸?shù)鞍谆騐vht1,發(fā)現(xiàn)其在葡萄成熟期表達(dá)量較高。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,利用分子克隆、異源表達(dá)等手段可以從其他高等植物體內(nèi)分離并純化出己糖運(yùn)輸載體。
糖分積累與代謝的各個(gè)環(huán)節(jié)都有激素的參加與調(diào)控。GA3在葡萄幼果期可促進(jìn)蔗糖的吸收和果實(shí)糖成分的轉(zhuǎn)變,增加果糖含量。在葡萄成熟時(shí),有籽果實(shí)的葡萄糖、果糖、蔗糖3 種糖的比例為36 ∶42 ∶22,而經(jīng)GA3處理后的無(wú)籽葡萄3 種糖的比例為42 ∶49 ∶9,葡萄糖和果糖比重大大提升[38]。但GA3并沒(méi)有改變果實(shí)糖分代謝的類(lèi)型[39]。在果實(shí)轉(zhuǎn)色以后,GA3對(duì)蔗糖的吸收作用越來(lái)越小,至果實(shí)成熟時(shí)基本無(wú)作用[40]。IAA 同GA3一樣,促進(jìn)葡萄在幼果期對(duì)蔗糖的吸收,隨著果實(shí)的發(fā)育其作用逐漸降低。夏國(guó)海等[22]研究表明在果實(shí)發(fā)育前期IAA 能加速蔗糖水解的速率。ABA 是影響果實(shí)糖含量的一個(gè)重要因素,從葡萄緩慢生長(zhǎng)期到成熟期,ABA 能顯著促進(jìn)蔗糖進(jìn)入果實(shí)細(xì)胞,是成熟期唯一調(diào)控糖分輸入的激素。經(jīng)ABA 處理的果實(shí),糖分積累的速率明顯要高于對(duì)照,故ABA 可以強(qiáng)化庫(kù)活力,促進(jìn)光合產(chǎn)物在庫(kù)組織中積累。蕓苔素內(nèi)酯在果實(shí)轉(zhuǎn)色期能明顯增加糖的積累速率,使得蔗糖合成酶活性上升[41]。外施乙烯能促進(jìn)香蕉果實(shí)中淀粉向糖的轉(zhuǎn)化。王永章等[42]研究表明,乙烯對(duì)果實(shí)中蔗糖含量的調(diào)控可能主要是通過(guò)對(duì)蔗糖合成類(lèi)酶的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
果實(shí)通過(guò)滲透調(diào)節(jié)來(lái)使發(fā)育過(guò)程中的膨壓保持不變。滲透調(diào)節(jié)的作用主要是由可溶性的小分子物質(zhì)來(lái)完成的,其調(diào)控作用與分子數(shù)存在很大的關(guān)系。在葡萄果實(shí)的整個(gè)發(fā)育周期,膨壓基本保持恒定,而細(xì)胞溶質(zhì)勢(shì)和水勢(shì)則處于下降趨勢(shì)。楊洪強(qiáng)等[43]研究得出細(xì)胞溶質(zhì)勢(shì)大小與可溶性固形物含量多少有關(guān)。當(dāng)可溶性糖在果實(shí)中積累時(shí),可以降低水勢(shì),有利于水分子和溶質(zhì)進(jìn)入果實(shí),維持基本的滲透壓平衡;另一方面,過(guò)量的糖分積累會(huì)抑制光合產(chǎn)物向庫(kù)中的運(yùn)輸,起到反饋調(diào)節(jié)的作用。因此,庫(kù)中可溶性糖含量應(yīng)該保持在一定的水平。降低膨壓還可以刺激薄壁細(xì)胞上H+-ATPase 活性,提高糖的運(yùn)輸[34]。
溫度高的地區(qū),植物光合速率快,積累的同化物多,特別是晝夜溫差較大,更有利于光合產(chǎn)物在果實(shí)中的積累。溫度通過(guò)影響光合作用的效率來(lái)調(diào)節(jié)果實(shí)碳水化合物的積累。在我國(guó)新疆地區(qū),葡萄果實(shí)糖含量可達(dá)到30%以上[44]。水是影響葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因素之一。在巨峰葡萄果實(shí)第2 次快速生長(zhǎng)期,水分脅迫會(huì)降低果汁中的糖分含量。在基本滿(mǎn)足葡萄生長(zhǎng)需要的基礎(chǔ)上,適當(dāng)?shù)乃置{迫可以提高葡萄果實(shí)的可溶性固形物含量,促進(jìn)著色,但會(huì)影響果實(shí)中糖類(lèi)化合物的重新分配,而過(guò)度的缺水,對(duì)果實(shí)品質(zhì)有明顯的降低作用[45]。光是光合作用的能量來(lái)源,在一定的范圍內(nèi),光強(qiáng)越大,光合效率越高,糖分積累就越多。小林章[46]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)光照強(qiáng)度降低時(shí),果實(shí)粒重、穗重、固酸比也隨之降低。在葡萄果實(shí)發(fā)育的后期,增加光照強(qiáng)度、延長(zhǎng)光照時(shí)數(shù),果實(shí)含糖量隨之增加。張磊等[47]的研究顯示,最適合赤霞珠葡萄果實(shí)中糖分積累的平均氣溫為24.0℃、日照時(shí)間為6.4 h、溫濕比約為0.35。周亞林等[48]在研究不同海拔和栽培模式對(duì)巨峰葡萄果實(shí)糖含量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),在高海拔和鋼架避雨栽培模式下,果實(shí)中可溶性糖含量和相關(guān)糖代謝酶活性均有升高。土壤中養(yǎng)分含量的多少對(duì)果實(shí)糖分代謝和積累有密切的關(guān)系。鉀是品質(zhì)元素,對(duì)葡萄果實(shí)糖分積累有重要影響[38,49]。適當(dāng)?shù)拟浄使?yīng),促進(jìn)了光合產(chǎn)物的合成及其向果實(shí)中的運(yùn)輸,提高了蔗糖代謝相關(guān)酶(主要是分解類(lèi)酶)的活性,增加了果實(shí)中葡萄糖和果糖的含量[50]。氮肥配施鉀肥可以提高果實(shí)中可溶性糖的含量及糖酸比,但過(guò)量使用氮肥會(huì)降低葡萄果實(shí)花青素的含量,增加總酸度[51]。缺硼會(huì)在篩管中形成胼胝質(zhì),導(dǎo)致篩管堵塞,使碳水化合物的運(yùn)輸受阻,進(jìn)而降低果實(shí)中的糖分含量[52]。
栽培措施對(duì)果實(shí)的糖分代謝和積累也有重要的影響。根域限制栽培可以有效控制葡萄枝梢的生長(zhǎng),減少養(yǎng)分的無(wú)用消耗,促使更多養(yǎng)分用于果實(shí)內(nèi)含物的積累,提高葡萄糖和果糖含量[53-54];疏花、疏果措施通過(guò)調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)之間的平衡,提高了坐果率和酸性轉(zhuǎn)化酶活性,促進(jìn)糖分積累[55]。周敏等[56]研究發(fā)現(xiàn),在湖南避雨栽培條件下,紅地球單株留穗量超過(guò)14 穗時(shí),果實(shí)著色不良,含糖量降低。趙文東等[57]研究發(fā)現(xiàn),晚紅葡萄每個(gè)果穗留40 粒果實(shí)品質(zhì)最佳。環(huán)剝能顯著增加紅地球[58]和藤稔[59]葡萄可溶性糖含量和糖酸比,增產(chǎn)增效明顯;周興本等[60]研究表明,在紅地球果實(shí)發(fā)育前期,套袋處理明顯提高了果實(shí)中蔗糖的相對(duì)含量及酸性轉(zhuǎn)化酶活性。葉面噴施硒肥可以提高葡萄果實(shí)糖的濃度,增加酸性轉(zhuǎn)化酶活性[61]。
果實(shí)糖分積累過(guò)程是影響葡萄品質(zhì)形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié),果實(shí)含糖量的高低是內(nèi)外因子相互作用的結(jié)果。探討葡萄果實(shí)中糖分積累機(jī)制以及調(diào)控果實(shí)糖分代謝的措施,對(duì)于日后采用栽培手段、育種以及轉(zhuǎn)基因等方法提高果實(shí)品質(zhì)具有十分重要的意義。