全 文 ：文章编号 :100028551 (2004) 062457205
茭白肉质茎膨大发育的生化基础研究
程龙军　郭得平 3 　朱祝军　孙耘子
(浙江大学农业与生物技术学院园艺系 ,浙江 杭州　310029)
摘 　要 :本文研究了茭白肉质茎不同发育阶段的碳水化合物、蛋白质以及几种酶的变化情况 ,分
析了这些生化代谢与茭白肉质茎发育的可能关系。结果表明 :茭白肉质茎发育的早期主要表
现为重量的快速增加 ,后期则为重量和体积均快速地增长。碳水化合物中总糖和还原糖在肉
质茎发育的早期迅速上升 ,之后有所下降。而蔗糖则呈现先上升 ,后稳定的趋势。淀粉的含量
在肉质茎发育过程中一直上升。木质素和纤维素在肉质茎发育的早期含量较高 ,随着茎的发
育 ,其含量持续下降 ,发育后期二者的含量又明显上升。蛋白含量前期上升 ,后期下降。对茭
白肉质茎发育过程中酶活性的研究表明 ,超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性不断下降 ,而过氧
化物酶活性持续上升。苯丙氨酸解氨酶活性在茎发育过程中不断下降 ,后期又有所上升。
关键词 :茭白 ;碳水化合物 ;酶 ;蛋白质
STUDY ON THE BIOCHEMICAL CHANGES DURING STEM GALL FORMATION
IN Zizania latifolia
CHENGLong2jun 　GUO De2ping 　ZHU Zhu2jun 　SUN Yun2zi
( Department of Horticulture , College of Agriculture and Biotechnology , Zhejiang University , Hangzhou , Zhejiang , 　310029)
Abstract :The contents of carbohydrates ( total sugar , reducing sugar , sucrose , starch , lignin and cellulose) ,
protein and activities of some enzymes (superoxide dismutase , catalase , peroxidase , and phenylalanine ammonia2
lyase) in swollen stem , which is used as a vegetable in Chinese kitchen , of gausun ( Zizania latifolia L. ) were
measured during stem swelling. The results showed that the stem weight increased rapidly at early phase , then both
weight and volume of the swollen stem rose at later phase. The contents of sugar and reducing sugar increased during
the early stage , then decreased. The sucrose content also increased during stem swelling , then kept a stable level .
The contents of lignin and cellulose declined with stem swelling , they started to rise after reached the lowest level .
An increase in protein was observed at early swelling stage , then decreased , while starch level rose during stem
swelling. The activities of catalase and superoxide dismutase declined continuously during stem swelling. However ,
peroxidase activity increased slowly at earlier swelling stage , and rapid rise occurred afterwards. The possible
correlation between these biochemical changes and the formation of the swollen stem were discussed.
Key words : Zizania latifolia ; carbohydrates ; enzyme ; protein
收稿日期 :2003204208
基金项目 :浙江省科技厅资助项目 (991102062)
作者简介 :程龙军 (1974～) ,男 ,硕士 ,主要从事作物生理学研究。3 通讯作者 ,E2mail : dpguo @zju. edu. cn茭白 ( Zizania latifolia L. )是原产于我国的一种重要水生蔬菜。茭白的食用器官 - 肉质茎是在黑粉菌 ( Ustilago esculenta P. Henn)代谢产物的刺激下畸形发育的结果[1 ,2 ] 。近年来 ,有关茭白生长发育规律、
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品种资源等方面有较多研究[3～6 ] ,但茭白肉质茎发育期间的生化变化的系统研究未见报道。本研究探
讨了茭白肉质茎发育与碳水化合物、蛋白质及几种酶代谢的关系 ,为进一步深入研究肉质茎膨大机理打
下基础。
1 　材料与方法
111 　材料
实验所用材料为浙江大学园艺系育成的双季茭新品种浙茭二号 ,于 2000 年至 2001 年种植在浙江
大学农业与生物技术学院试验农场。在 7 月份茭白植株旺盛生长期 ,选择长势和生长状态一致的茭白
植株。于肉质茎膨大发育初期 ,选取 158 株肉质茎膨大进程相似的植株挂牌标记 ,第一次取样后每隔一
定时间取样一次 ,共取 6 次。每次取样 15～20 个嫩茎 ,取样后 ,立即进行形态指标的测量 ,然后用液氮
处理 ,放入 - 75 ℃保存。
112 　方法
11211 　形态指标的测定 　体积的测定 :刚采取的新鲜茭白剥去外壳 ,然后浸入盛满水的量筒中 (用玻璃
板下压) ,排出的水量即为茭白的体积。含水量的测定方法 :新鲜茭白剥去外壳 , 称重 ,切碎后放入 80 ℃
烘箱烘 24h ,称干重。然后计算含水量。
11212 　碳水化合物含量的测定 　可溶性总糖和还原糖含量测定按照大连轻工业学院[7 ] 的方法。蔗糖
含量采用植物生理学实验手册[8 ]的方法测定。木质素含量的测定参考鞠志国等[9 ]的方法。粗纤维含量
测定采用何照范等[10 ]的方法。淀粉含量测定采用蒽酮比色法[7 ]测定。
11213 　蛋白质含量的测定 　参考 Bradford[11 ]的方法。
11214 　酶活性的测定 　超氧化物歧化酶 (SOD)酶活性的测定采用 NBT还原法[12 ] ,过氧化物酶 ( POD) 的
测定参考 Omran[13 ]的方法 ,过氧化氢酶 (CAT)活性测定参照邹琦等[14 ] 的方法 ,苯丙氨酸解氨酶 ( PAL) 活
性测定参照周进徐[15 ]的方法。酶活性测定设 3 个重复。
2 　结果与分析
211 　茭白肉质茎发育期间的形态变化
茭白肉质茎发育期间 ,前期生长极为迅速 ,在前 8d 生长期间 ,茭白的鲜重以近乎直线的速度增加 ,
由开始的 5106 g 一直增长到 48155 g ,直到第 10d ,增长速度开始变缓。而体积的增加与鲜重的增长特点
有所不同 ,体积早期的增加远小于后期的增加 (图 1) 。在茭白肉质茎生长一段时间之后 ,开始进入停滞
阶段。外观上 ,第 10d 采收的肉质茎有时表皮出现绿化现象。
212 　碳水化合物及蛋白质的变化
21211 　糖的变化 　试验结果表明 ,在茭白肉质茎发育过程中 ,糖类物质的变化与肉质茎的发育进程保
持一致。总糖、蔗糖和和还原糖的含量在肉质茎早期迅速发育期间 ,三者都保持着较快的增长 (图 2) 。
但是 ,不同糖类的变化趋势有所不同 ,总糖和还原糖在上升到一定水平后都有一个下降的过程 ,尤其是
还原糖 ,下降幅度更大一些 ,而蔗糖含量上升到一定水平后 ,基本保持稳定。
21212 　淀粉的变化 　在茭白肉质茎发育过程中 ,淀粉的变化呈逐渐上升的趋势 ,但茭白肉质茎发育后
期淀粉含量稍有下降 (图 3) 。
21213 　木质素、粗纤维含量的变化 　茭白肉质茎发育期间 ,木质素和粗纤维素在茎发育的前期阶段含
量较高 ,随着时间的推移 ,茭白发育速度的加快 ,二者的含量都有一个迅速下降的过程 :木质素从发育始
期的 22169mgΠg·FW 的水平迅速下降到了第 6d 的 11134mgΠg·FW 的水平 ,粗纤维素也从每克鲜重
29102mg 的含量下降到 3182mg。之后 ,二者的含量又开始上升 (图 4) 。
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图 1 　肉质茎发育期间鲜重和体积的变化
Fig. 1 　Change in fresh weight and volume of stem
gall during stem swelling
图 2 　肉质茎膨大期间糖含量的变化
Fig. 2 　Changes in total sugar , reducing sugar
and sucrose content during stem swelling
图 3 　肉质茎膨大期间淀粉含量的变化
Fig. 3 　Change in starch content of stem
during stem swelling
图 4 　肉质茎膨大期间木质素、粗纤维素含量的变化
Fig. 4 　Change in lignin and cellulose content
of stem during stem swelling
21214 　蛋白质含量 　可溶性蛋白质含量在茭白茎发育的前 4d 保持较快的增长 (图 5) ,而在第 6d 开始
迅速减少。不溶性蛋白含量亦呈前期增加 ,后期下降的变化趋势。
213 　茭白肉质茎发育期间酶活性的变化
茭白肉质茎发育期间 ,SOD 和 CAT的活性逐渐下降。尤其是 CAT在茭白肉质茎发育过程中的活性
变化较大 ,特别是前期茭白迅速发育的阶段 ,酶活性有一个急剧下降的过程 ,而 SOD 酶活性下降的幅度
相对较为平缓 (图 6) 。POD 在茭白肉质茎发育过程中的变化趋势完全不同于以上两种酶 ,表现出逐步
升高的趋势 ,尤其是茭白发育后期阶段 ,POD 活性有一个明显的升高。PAL 在茭白肉质茎发育过程中表
现为初期含量较高 ,随着肉质茎发育的进行 ,其含量迅速下降 ,至肉质茎发育的第 6 天含量最低 ,然后 ,
随着茭白肉质茎发育速度的减缓 ,其活性又开始快速上升 (图 7) 。
3 　讨论
311 　茭白肉质茎发育的形态变化
954　6 期 茭白肉质茎膨大发育的生化基础研究
图 5 　肉质茎发育期间蛋白质含量的变化
Fig. 5 　Change in protein content of stem
during stem swelling
图 6 　肉质茎发育期间 SOD 和 CAT的变化
Fig. 6 　Changes in activities of superoxide dismutase
and catalase during stem swelling
图 7 　肉质茎发育期间 POD 和 PAL 的变化
Fig. 7 　Changes in activities of peroxidase and phenylala
ammonia2lyase during stem swelling　　肉质茎发育早期表现为重量增长为主 ,而体积增长相对较小 ;肉质茎发育后期则主要表现为体积增大速度相对较快。这表明发育初期重量增加可能与细胞数目的增加有一定关系 ,而后期肉质茎体积的增加主要是细胞体积的发育引起的[2 ,4 ] 。在茭白肉质茎发育期间 ,肉质茎膨大的主要贡献来自体积 (数据未列出) ,长度的增加趋势较缓 ,表明茭白体积增大时主要表现为细胞体积的横向扩展 ,这可能与茎中所含内源激素类物质的消长与互作有关[2 ] 。312 　茭白肉质茎发育期间的生化代谢糖类物质作为主要的同化物质在植物的代谢
中起着非常重要的作用。快速膨大的茎 ,作为主
要“库”结构 ,其建成与糖类等同化物质的代谢密切相关。糖类物质在茭白茎发育的前 8d 保持增长 ,表
明茎发育需要大量糖类同化物质的调入。而且 ,糖类物质还可能作为一种重要的生理调控物质与其他
激素类物质共同调节诸如代谢、合成、转运等生理过程 ,例如己糖激酶 (目前被认为是糖类物质的重要信
号转导传感器)的缺陷会直接导致植物内 IAA 和 CTK激素的平衡失调 ,使植株发育畸形[16 ] 。茭白茎的
膨大发育与微生物产生的植物激素密切相关 ,其发育过程中糖类物质与激素的代谢调节的关系值得进
一步研究[2 ,3 ] 。
茭白发育茎期间 ,蛋白质作为一种营养物质被贮藏 ,但蛋白质合成同样需要消耗同化物质 ,这与淀
粉的合成、积累产生竞争[17 ] 。同时 ,发育期间的茎保持旺盛的代谢过程 ,要消耗大量的活性蛋白 ,而且 ,
发育后期会伴随着蛋白质的水解 ,从而使蛋白质的含量出现减少的趋势。
木质素和纤维素的变化可能与茭白发育茎的个体发育进程有关 :发育初期 ,由于主要进行细胞的分
裂 ,细胞建成需要大量构成细胞壁的物质 - 木质素和纤维素的参与 ,使二者的合成较多。然后 ,随茭白
茎的迅速发育 ,茭白茎的发育由细胞分裂为主转为细胞的扩大为主 ,纤维素和木质素需要量减少 ,因此
合成速度下降。同时 ,迅速发育的茎对木质素和纤维素的含量也有一个“稀释”作用 ,使他们的含量也急
速下降。当茭白茎发育进入后期阶段时 ,木质素和纤维素的合成又开始活跃 ,其含量逐步上升。另外 ,
茭白茎形成初期木质素、纤维素含量较高 ,可能对茭白茎的早期发育有关 ,因为茭白茎的形成需要大量
的木质素和纤维素。
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313 　茭白肉质茎发育与酶代谢的关系
超氧化物歧化酶、过氧化物酶及过氧化氢酶是植物体内的三种保护性酶。它们的功能相似 ,均可清
除植物体内由于衰老、逆境、外界伤害等而产生的大量活性氧自由基[18 ] 。茭白肉质茎发育早期 ,SOD 和
CAT两种保护性酶都保持着较高的活性 ,使植物细胞保持着旺盛的生命力 ,器官迅速生长发育。而当细
胞成熟甚至开始走向衰老的时候 ,自由基产生的越来越多 ,膜质过氧化作用越来越强 ,加速了蛋白质的
降解 ,也促进了酶促防御系统和功能的破坏 ,使酶活性逐步下降。CAT在茭白肉质茎发育过程中的活性
变化较大 ,可能与 CAT对植物的生育阶段比较敏感 ,也可能与 CAT与其他酶类的相互作用有关 ,CAT与
POD 之间在反应上因为争夺供氢体还可能存在着互相抑制作用。而 SOD 酶活性降低的幅度相对较为
平缓 ,说明 SOD 清除活性氧自由基的酶系统结构比较稳固 ,在植物组织中能保持较长时间相对稳定的
酶活性 ,这对生长发育是非常有利的 ,所以 SOD 是植物保护酶中非常重要的一种酶。
过氧化物酶 (POD)的变化趋势不同于以上两种酶 ,呈逐步升高的趋势。研究表明 ,POD 除了能清除
由植物衰老或逆境而产生的活性氧作用外 ,具有 IAA 氧化酶的作用 ,能氧化降解植物体内的生成的
IAA[12 ] 。茭白肉质茎的发育与黑粉菌分泌的生长素类 ( IAA) 物质有关[1 ,2 ] 。在茭白发育期间 ,POD 很可
能对茭白组织内部 IAA 的作用有一定的调控作用。随着肉质茎的不断发育 ,POD 的活性也不断增强 ,
说明肉质茎的发育过程可能是一个 POD 与 IAA 相互作用的一个动态平衡过程。在茭白茎发育前期 ,
POD 活性较弱 ,黑粉菌分泌的 IAA 对茭白的作用较强 ,茭白生长发育迅速。而随着 POD 活性的增强 ,茭
白中的 IAA 开始被分解 ,使其作用减弱 ,茭白的生长速度也开始逐渐减缓。另外 ,POD 酶活性的不断升
高 ,还可能于茭白生长后期木质素的合成积累上升有关 ,因为 POD 的同工酶还是植物木质素合成过程
中的关键酶[19 ] 。
茭白中的苯丙氨酸解氨酶 (PAL)活性变化和木质素、纤维素含量的变化呈明显的正相关 ,说明 PAL
与木质素和纤维素的合成有着密切的关系[20 ] 。
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