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草石蚕发育过程中糖含量变化与相关酶活性的关系



全 文 :第37卷第2期          西 南 大 学 学 报 (自然科学版)           2015年2月
Vol.37 No.2 Journal of Southwest University(Natural Science Edition) Feb. 2015
DOI:10.13718/j.cnki.xdzk.2015.02.006
草石蚕发育过程中糖含量变化
与相关酶活性的关系

杨 祎1, 张素勤2, 耿广东2
1.贵州大学 生命科学学院,贵阳550025;2.贵州大学 农学院,贵阳550025
摘要:研究草石蚕(Stachys sieboldii Miq.)发育过程中不同部位糖含量变化与相关酶活性的关系,了解草石蚕糖积
累机制,为糖代谢的调控提供参考.结果表明:在草石蚕发育过程中,块茎中果糖、蔗糖和可溶性总糖含量均最高,
茎秆中次之,叶中最少.草石蚕块茎中果糖和蔗糖含量在营养生长Ⅱ期(t2)急剧增加,膨大末Ⅰ期(t6)含量最高;
总糖含量在整个发育过程中呈上升趋势,在膨大初Ⅱ期(t4)急剧提高,在膨大末Ⅱ期(t7)达到最大值.叶片中蔗糖
与蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)呈显著正相关,与转化酶无显著相关;块茎中果糖和蔗糖分别与SPS
呈极显著正相关,与SS呈显著正相关,与酸性转化酶(AI)呈显著负相关,与中性转化酶(NI)无显著相关,说明
SPS,SS和AI的共同作用是草石蚕块茎中糖积累的重要因子.
关 键 词:草石蚕;糖积累;蔗糖合成酶;蔗糖磷酸合成酶;转化酶
中图分类号:Q945    文献标志码:A    文章编号:1673-9868(2015)02-0032-07
草石蚕(Stachys sieboldii Miq.)也称甘露儿、宝塔菜、地蚕、螺狮菜、地古瘤地灵、石蚕,属唇形科
(Lamiaceae)水苏属(Stachys)1年生或多年生草本植物,能够形成地下块茎,其地下块茎质脆多汁,富含水
苏糖、淀粉、蛋白质、B族维生素、低脂肪等营养成分,其中水苏糖结构清晰、稳定性高、低甜度、低热量,
具有促进肠道双歧杆菌增殖、预防龋齿、防治便秘等一系列的生理功效[1],因此草石蚕被称为保健蔬菜,
逐渐受到人们关注.
果实的品质在很大程度上取决于所含糖的种类和数量[2],因为这些糖是果实品质和其他营养成分及芳
香物质等合成的基础原料,而且糖还是植物生长包括果实生长发育的基础物质[3],所以,糖分的积累是果
实品质的关键.蔗糖代谢在整个糖代谢过程中起重要作用.植物果实中糖代谢和积累的关键酶需要多种酶
共同调节,但最主要的是蔗糖代谢相关酶.这类酶主要包括蔗糖合成酶(sucrose synthase,SS)、蔗糖磷酸
合成酶(sucrose phosphate synthase,SPS)、酸性转化酶(acid invertase,AI)以及中性转化酶(neutral in-
vertase,NI).转化酶(invertase,IVR)和SS对于调节“源”与“库”关系具有重要的意义,为旺盛的生命活
动提供能量,促进叶不断制造光合产物[4],而SPS是蔗糖进入各种代谢途径所必需的关键酶之一[5].糖积
累与蔗糖代谢相关酶的关系在苹果[6]、番茄[7]、柑橘[8]、葡萄[9]、香蕉[10]等果实中已有报道.Dali等[11]和
Ntchobo等[12]认为SPS对提高番茄果实含糖量和蔗糖积累起重要作用.Beatriz等[13]认为蔗糖积累是蔗糖
代谢酶的综合作用,是IVR,SS及SPS等多种酶协同作用的结果.但是,有关草石蚕生长发育过程中糖积
① 收稿日期:2013-10-15
基金项目:科技部、财政部“富民强县”专项行动计划(205).
作者简介:杨 祎(1989-),女,湖北随州人,硕士研究生,主要从事植物分子生物学与转基因工程的研究.
通信作者:耿广东,博士,教授.
累机制及与蔗糖代谢相关酶的关系尚未见报道.因此,本实验以草石蚕为试材,对草石蚕发育过程中糖积
累规律和蔗糖代谢酶活性变化进行了研究,旨在探索草石蚕块茎的糖积累机制,为草石蚕糖代谢的分子调
节、改造糖积累及糖分组成提供理论依据.
1 材料与方法
1.1 材 料
供试材料草石蚕为贵州务川仡佬族苗族自治县主栽品种.实验地在播种前首先施有机肥1 500kg/hm2,
复合肥740kg/hm2;2012年3月20日以株距20cm,行距30cm播种,每小区播种面积为40m2.实验3次重
复,随机排列,四周设置保护行.定期浇水,施肥,除草,常规大田管理.
乙二醇二乙醚二胺四乙酸(EGTA)、N-2-羟乙基哌嗪-N-2-乙基磺酸(HEPES)、D-果糖来自美国Am-
resco公司;尿嘧啶核苷-5-二磷酸葡萄糖(UDP-G)、果糖-6-磷酸(F-6-P)、葡萄糖-6-磷酸(G-6-P)来自美国
Sigma公司;SephadexG-25柱来自Pharmacia公司.
1.2 方 法
1.2.1 取样方法
在7月7日(营养生长Ⅰ期,即t1)、8月1日(营养生长Ⅱ期,即t2)、8月24日(膨大初Ⅰ期,即t3)、9
月25日(膨大初Ⅱ期,即t4)、10月1日(膨大中期,即t5)、10月29日(膨大末Ⅰ期,即t6)、11月11日
(膨大末Ⅱ期,即t7)取样,共7次.将采集的样品立刻放入冰盒中带回实验室用于糖含量和酶活性测定.
1.2.2 可溶性总糖、蔗糖、果糖含量的测定
糖的提取测定采用汤章城等[14]方法稍作改变.
可溶性糖提取:将试验材料在110℃的烘箱内鼓风固定5min,然后调温至70℃过夜烘干至恒重.样
品磨碎后称取150mg倒入10mL刻度管内,加入4mL 80%酒精.置于80℃水浴锅中,不断搅拌40min
后离心.收集上清液,其残渣加80%酒精重复提2次,合并上清液,加入0.5g活性碳,80℃脱色30min,
定容至10mL,过滤,取滤液测定.
蔗糖测定:在1mL反应系统中,取1mL的糖提取液,加入1mL 2mol/L NaOH,100℃煮沸5min,
冷却,加入7mL 30% HCl,2mL 0.1%间苯二酚(0.1g间苯二酚溶入100mL 95%乙醇,棕色瓶内保存),
摇匀,80℃水浴反应10min,冷却后在480nm处比色测定,记录OD值.用1mg/mL蔗糖溶液,按上述
步骤做标准曲线.
果糖测定:在1mL反应系统中,取1mL的酒精提取液,加入2mL 0.1%间苯二酚及7mL 30%HCl,
摇匀,80℃水浴反应10min,冷却,在510nm处测定其OD值.用1mg/mL果糖溶液,按上述步骤做标
准曲线.
可溶性总糖测定:取0.1mL的待测液,加0.9mL蒸馏水,4mL蒽酮试剂(150mg蒽酮溶于100mL
稀硫酸(76mL浓硫酸加30mL蒸馏水)中,90℃保温15min,在620nm处测定OD值.用1mg/mL葡萄
糖按上述步骤做标准曲线.
1.2.3 酶活性测定
转化酶、蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性的测定参照秦巧平的方法[15].
1.3 数据处理
采用SPSS11.5和 Microsoft Excel 2003软件处理分析试验数据.
2 结果与分析
2.1 草石蚕生长发育过程中糖分含量的动态变化
2.1.1 果糖含量的动态变化
在草石蚕发育过程中块茎中果糖含量显著高于叶片和茎秆(图1),茎秆中的果糖含量显著高于叶片.
33第2期       杨 祎,等:草石蚕发育过程中糖含量变化与相关酶活性的关系
随着草石蚕发育块茎中果糖含量先升高后下降,从营养生长Ⅱ期(t2)开始升高,为块茎中水苏糖、蔗糖等
的合成积累前体物质;在膨大末Ⅰ期(t6)果糖含量达到最高,为干质量198.86mg/g;随后,由于块茎中可
溶性多糖合成的增多,消耗果糖,使其含量迅速下降.块茎中果糖含量的变化趋势最明显,叶片和茎秆中
果糖含量呈平缓上升趋势,在膨大初Ⅰ期(t3)开始下降,膨大中期(t5)之后又上升,在膨大末Ⅱ期(t7)时达
到最大,其分别为17.68mg/g和31.37mg/g.文中图t1~t7 分别代表7月7日,8月1日,8月24日,9
月25日,10月1日,10月29日,11月11日.小写字母表示在5%水平下的显著性.
图1 草石蚕发育过程中不同部位果糖含量的变化
2.1.2 蔗糖含量的变化动态
由图2可以看出,草石蚕块茎中蔗糖含量显著高于叶片和茎秆,其变化趋势是先升高后下降,从营养
生长Ⅱ期(t2)开始蔗糖含量急剧升高.蔗糖是草石蚕块茎中主要糖类合成的关键糖类,其积累是为水苏糖
的合成做准备的,其含量在块茎中膨大末Ⅰ期(t6)达到最大,为干质量228.55mg/g,之后急剧下降.叶是
光合作用场所,茎秆是光合产物的运输器官,叶片合成的糖类主要以蔗糖的形式通过茎部运输到库器官.
本试验草石蚕茎秆中的蔗糖含量高于叶片,这两种组织中的蔗糖含量呈现升—降—升的趋势,茎在膨大末
Ⅱ期(t7)达到最大,为干质量22.85mg/g;叶片在膨大初Ⅰ期达到最大,为干质量12.33mg/g.
图2 草石蚕发育过程中不同部位蔗糖含量的变化
2.1.3 可溶性总糖含量变化动态
块茎中可溶性总糖含量从营养生长Ⅰ期(t1)到膨大初Ⅱ期(t4)呈缓慢升高趋势(图3),膨大初Ⅱ期(t4)
以后急剧升高,膨大末Ⅱ期(t7)达到最高,为干质量571.68mg/g.在整个生长发育过程中,块茎中可溶性
总糖含量显著高于叶片和茎秆.叶片和茎秆中可溶性总糖含量的变化幅度小,茎秆和叶片中的可溶性糖含
量呈升—降—升的趋势;茎秆在膨大末Ⅱ期(t7)达到最高,为干质量79.07mg/g;叶片在膨大初Ⅱ期(t4)
达到最大,其含量为68.75mg/g.
2.1.4 草石蚕块茎中3种糖含量的变化动态
在膨大初Ⅱ期(t4)之前块茎中3种糖(果糖、蔗糖和总糖)含量相差较近,但随后由于块茎开始膨大,
43 西南大学学报(自然科学版)     http://xbbjb.swu.cn     第37卷
总糖在膨大初Ⅱ期(t4)开始急剧升高,而蔗糖和果糖从营养生长Ⅱ期(t2)开始缓慢升高,在膨大末Ⅰ期(t6)
后急剧下降.在块茎膨大过程中,总糖含量在膨大末Ⅱ期(t7)达到最大值为干质量571.68mg/g,蔗糖和果
糖在膨大末Ⅰ期(t6)达到最大值(其值分别为228.55mg/g和198.86mg/g).
图3 草石蚕发育过程中不同部位可溶性总糖含量的变化
2.2 不同部位蔗糖代谢相关酶活性的变化特点
2.2.1 转化酶活性的变化特点
草石蚕叶片和块茎中NI活性总体趋势是先升高后下降(图4a).在膨大初Ⅰ期(t3)块茎中的NI活性达到
最高,为鲜质量13.80mg/(h·g),之后随着草石蚕发育总体上呈下降趋势.叶片中NI活性先升高,在膨大
初Ⅰ期(t3)到膨大中期(t5)变化不大,在膨大中期(t5)达到最大,为13.00mg/(h·g),膨大中期(t5)之后总体上
呈下降趋势.叶片中AI活性在营养生长Ⅱ期(t2)达到最大,为16.62mg/(h·g)(图4b),之后随着草石蚕发育
总体上呈下降趋势.块茎中AI活性在营养生长Ⅰ期(t1)最高,为10.36mg/(h·g),之后一直下降.在块茎发
育过程中,AI活性要高于NI活性,说明蔗糖分解酶类以酸性转化酶为主.
图4 草石蚕发育过程中不同部位NI和AI活性变化
2.2.2 蔗糖磷酸合成酶(SPS)与蔗糖合成酶(SS)活性变化特点
在草石蚕发育过程中块茎中SPS和SS 活性显著高于叶片(图5).随着草石蚕发育,叶片和块茎中
SPS活性变化总体呈先上升后下降的趋势,叶片在膨大初Ⅰ期(t3)为鲜质量12.87mg/(h·g),块茎在膨
大中期(t5)达到峰值,为46.95mg/(h·g).草石蚕块茎中的SS活性在整个发育过程中呈现升—降—升—
降的趋势,在膨大中期(t5)达到最大为120.85mg/(h·g).叶片中的SS活性呈现先升高后下降的趋势,
于膨大初Ⅰ期(t3)达到最大值为18.66mg/(h·g).在草石蚕发育过程中,叶片中的两种酶活性变化比较
平稳,块茎中的变幅较大.在块茎中SS和SPS在膨大中期(t5)达到峰值,但SS活性远高于SPS活性.
2.3 不同部位糖含量与蔗糖代谢相关酶活性的关系
通过SPSS软件分析可知:在草石蚕发育过程中,叶片中蔗糖与SS和SPS的相关系数分别为0.827*
和0.854*,呈显著正相关,与转化酶无显著相关性.果糖和可溶性总糖与这4种酶均无显著相关性.
53第2期       杨 祎,等:草石蚕发育过程中糖含量变化与相关酶活性的关系
块茎中果糖和蔗糖分别与SPS呈极显著正相关(表1),相关系数分别为0.899**和0.943**;
与SS呈显著正相关,相关系数分别为0.776*和0.827*,与酸性转化酶呈显著负相关,相关系数分
别为-0.866*和-0.854*,与中性转化酶无显著相关性.在草石蚕发育过程中,果糖、蔗糖和可溶
性总糖均与中性转化酶无显著相关,说明草石蚕果实中糖的积累和代谢主要受SS,SPS和AI的综合
调控.蔗糖合成与SPS极显著正相关,与SS显著相关,说明SPS和SS对蔗糖积累起着重要调控作
用,并且SPS对蔗糖积累的贡献要大于SS.
图5 草石蚕发育过程中不同部位SPS和SS活性变化
表1 草石蚕块茎中糖积累与糖代谢酶的相关性


蔗糖合成酶(分解方向) 蔗糖磷酸合成酶 酸性转化酶 中性转化酶
果糖 0.776* 0.899** -0.866* -0.298
蔗糖 0.827* 0.943** -0.854* -0.306
可溶性总糖 0.414  0.607 -0.743 -0.493
  注:* 表示在0.05%水平上显著相关;** 表示在0.01%水平上显著相关.
3 讨 论
3.1 草石蚕各组织中的糖分组成及其源库关系
果实糖分积累的主要成分为果糖、葡萄糖和蔗糖.Yongling等[16]研究表明,控制糖分积累的关键是正
在发育果实的内部反应,而不是源叶输出光合产物的能力或者茎秆的运输效率.李丹等[17]研究表明,甜菜
块根整个生育期的可溶性总糖、果糖和蔗糖含量均大于叶片.本试验结果可以看出,块茎中各种糖含量都
是最高的,茎秆中其次,叶中最少.叶片是植物光合作用场所,即代谢源,合成的碳水化合物通过植物运输
组织—茎秆,运向储藏库—块茎.光合作用产物主要以蔗糖等形式源源不断地向块茎运输并积累下来,因
此叶片和茎秆中糖含量较少,在块茎中含量最大,与李丹等[17]的研究结果一致.乔永旭等[18]研究甜瓜发
现,在其果实发育过程中,蔗糖含量和总糖含量均是在成熟时达到最大值.本试验结果表明:草石蚕发育
过程中块茎中果糖和蔗糖在营养生长Ⅱ期(t2)后呈急剧增加趋势,在膨大初Ⅰ期(t3)和膨大初Ⅱ期(t4)大
量积累,在块茎膨大末Ⅰ期(t6)达到最大,与乔永旭等[18]的结果相似.
3.2 草石蚕中糖积累与蔗糖代谢酶的关系
果实同化物的积累能力在很大程度上决定于库强,库强大小与蔗糖代谢相关酶的活力高低成正相
关,因此蔗糖代谢相关酶的活性是决定库强大小的关键因子,并影响果实糖的积累[19].果实中蔗糖代谢
关键酶主要为IVR,SS和SPS.SS是蔗糖代谢关键酶中极其重要的一种可溶性酶,存在于细胞质中,通
过影响果实的库强来影响果实的糖积累,是促使蔗糖进入各种代谢途径的关键酶之一[20].Fisher等[21]
曾指出,SS可能是蔗糖合成途径中的一个重要控制点,它的活性反映蔗糖生物合成途径的能力.SPS
是蔗糖合成的关键酶,它催化 UDPG和6-磷酸果糖(F-6-P)合成蔗糖磷酸(S-6-P),然后在磷酸蔗糖磷酸
酯酶作用下生成蔗糖.SS和SPS都是蔗糖合成关键酶,但在不同种类的果实中两者调节蔗糖合成的能
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力不同.在草莓、甜瓜、芒果和香蕉的果实中,蔗糖是由SPS而不是由SS合成的,但在桃果实中,果实
成熟过程中SS活力的上升对蔗糖积累起主导作用[22].在日本梨中,成熟过程中SS和SPS活力的上升
引起蔗糖含量的增加,但SS比SPS的贡献大[3].本试验研究结果表明,蔗糖积累受SPS和SS的共同
控制,但是SPS对蔗糖积累的贡献要大于SS.
Beruter等[23],王永章等[6]的研究表明,苹果的蔗糖和果糖的积累与SS呈显著正相关,本研究结果与
其一致.Hubbard等[24]研究认为甜瓜的蔗糖合成能力反映在SPS的活性上,并决定着蔗糖合成积累.在
香瓜果实中SPS决定蔗糖积累的主要因子[25-26].在番茄和甜瓜[11,18]中,SPS活性的升高与体内蔗糖的积
累相一致.本试验研究结果表明,草石蚕块茎中蔗糖合成与SPS活性极显著正相关,SPS是决定蔗糖积累
的关键因子,获得了与前人相似的研究结果.转化酶参与蔗糖分解,在植物体内具有重要的生理作用[27].
转化酶分为酸性、中性和碱性3种,其中酸性转化酶是组成植物转化酶的重要部分,中性和碱性转化酶生
化特性极不稳定,极易在匀浆过程中丢失.在苹果、菠萝、梨、杨梅等[6]果实中果糖和蔗糖的积累与酸性转
化酶呈显著负相关,随着果实发育的变化而变化.本试验研究也发现草石蚕发育过程中块茎的果糖和蔗糖
与酸性转化酶呈显著负相关,与中性转化酶无显著相关性,表明酸性转化酶为草石蚕块茎中转化酶的主要
存在形式,是影响果糖和蔗糖代谢的主要因子.
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Changes in Carbohydrates During Development of
Chinese Artichoke(Stachys sieboldi Miq.)and
Their Relationship with the Activities of Related Enzymes
YANG Yi 1, ZHANG Su-qin2, GENG Guang-dong2
1.Life Science Colege,Guizhou University,Guiyang Guizhou 550025,China;
2.Agricultural Colege,Guizhou University,Guiyang Guizhou 550025,China
Abstract:The variations in the contents of carbohydrates in developing Chinese artichoke(Stachys siebold-
ii Miq.)plants were monitored and their relationship with the activities of related enzymes were investiga-
ted to understand the sugar accumulation mechanism of this plant species and provide reference for regula-
ting its sugar metabolism.Throughout the development of the plants,the tubers had the highest contents
of fructose,sucrose and total soluble sugars,folowed in order by the stems and the leaves.The contents
of fructose and sucrose in the tubers increased dramaticaly at the vegetative stageⅡ(t2),and reached the
maximum at the late tuber development stageⅠ(t6).Total sugar contents rose steadily,with a sharp in-
crease at the early expansion stageⅡ(t4)and arrived at its maximum at the late tuber development stageⅡ
(t7).The sucrose content in the leaves was found to be in a significant positive correlation with the activi-
ties of sucrose synthase(SS)and sucrose phosphate synthase(SPS),but in a non-significant correlation
with invertase.Fructose and sucrose contents in the tubers were in a highly significant positive correlation
with SPSactivity,a significant positive correlation with SSactivity,a significant negative correlation with acid
invertase(AI)activity and a non-significant correlation with neutral invertase(NI)activity,indicating that the
combined action of SPS,SSand AI was the key factor afecting sugar accumulation in Chinese artichoke.
Key words:Chinese artichoke(Stachys sieboldii Miq.);sugar accumulation;sucrose synthase;sucrose
phosphate synthetase;invertase
责任编辑 周仁惠    
83 西南大学学报(自然科学版)     http://xbbjb.swu.cn     第37卷