全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2014, 50 (3): 303~308 303
收稿 2013-11-15　　修定 2014-01-17
资助 国家自然科学基金(91117006和91317312)、湖南省高校创
新平台开放基金项目(12K060、12K061和13K065)和作物
种质创新与资源利用国家重点实验室培育基地开放项目
(11KFXM11)。
* 通讯作者(E-mail: hesongli68@163.com; Tel: 0731-
84635260)。
南荻纤维素合成的相关生理特性
张闯, 黄志刚, 童建华, 彭琼, 萧浪涛, 李合松*
湖南农业大学生物科学技术学院, 植物激素与生长发育湖南省重点实验室, 长沙410128
摘要: 为探明南荻纤维素合成相关的生理特性, 研究了盆栽条件下南荻生长过程中IAA、ABA含量和纤维素合成关键酶
(蔗糖合成酶、β-1,3-葡聚糖酶)活性的变化及其与纤维素含量间的关系。结果显示, 在整个生育期, 叶片中IAA含量、蔗糖
合成酶活性和β-1,3-葡聚糖酶活性变化趋势一致, 均呈先升高后降低的单峰曲线变化; 叶片中ABA含量与茎秆蔗糖含量均
先降低后增加再降低; 茎秆纤维素、半纤维素和木质素含量均随生育进程呈现升高趋势。生育前期为调控纤维素合成的
关键时期, 此时ABA/IAA比值下降, 蔗糖合成酶和β-1,3-葡聚糖酶活性快速上升, 有利于纤维素的快速积累。
关键词: 南荻; 蔗糖合成酶; β-1,3-葡聚糖酶; IAA; ABA; 纤维素
Related Physiological Characteristics Associated with Fiber Development in
Triarrhena lutarioriparia
ZHANG Chuang, HUANG Zhi-Gang, TONG Jian-Hua, PENG Qiong, XIAO Lang-Tao, LI He-Song*
Hunan Provincial Key Laboratory of Phytohormones and Growth Development, College of Bioscience and Biotechnology, Hunan
Agricultural University, Changsha 410128, China
Abstract: In order to reveal the related physiological characteristics of cellulose synthesis in Triarrhena
lutarioriparia, pot experiments were focused on the changes of IAA and ABA contents, and sucrose synthase
activity, β-1,3-glucanase activity, and their relation with the accumulation of cellulose. The results showed that
leaf IAA content, sucrose synthase activity and β-1,3-glucanase activity were initially increased and then
decreased, both leaf ABA content and stalk sucrose content changed following the order of decrease-increase-
decrease, and the contents of stalk cellulose, hemicellulose and lignin increased along with growth stage. The
early growth stage is the critical period for the regulation of cellulose synthesis. At this stage, ABA/IAA ratio
decreased, while sucrose synthase activity and β-1,3-glucanase activity rapid increased, these changes
benefit the rapidly accumulation of cellulose in the stalk.
Key words: Triarrhena lutarioriparia; sucrose synthase; β-1,3-glucanase; IAA; ABA; cellulose
植物激素对植物纤维素合成与纤维发育具有
重要的调节作用(Singh等2009)。有研究表明, 生
长素(IAA)是纤维发育过程中的正效应因子, 能促
进纤维伸长和次生壁的增厚, 而脱落酸(ABA)在纤
维发育过程中主要起抑制作用, 能抵消IAA的正效
应(Momtaz 1998; 程超华等2005)。植物激素并不
是单独发挥调控作用, 而是多种植物激素间相互
协同作用, 共同影响着植物的纤维发育。此外, 植
物纤维发育还受多种酶的调控(Saxena和Brown
2000)。目前普遍认为蔗糖合成酶和β-1,3-葡聚糖
酶是调控纤维发育的关键酶, 其活性的变化直接
影响纤维素的合成速度和累积质量(Brown等1996;
Ruan等1997; Shimizu等1997; 张文静等2007)。张
祥等(2011)研究发现, 高品质棕色棉的蔗糖合成酶
活性高, 纤维素的合成速率和积累质量也较高。
南荻是我国特有的多年生禾本科荻属高大草
本植物, 其茎秆粗壮, 大约含有50%的纤维细胞, 纤
维产量和质量均优于芦苇、麻类、毛竹和杨树等
传统纤维植物, 是一种优质的造纸原料, 同时也是
我国燃料乙醇的理想非粮原料。以往对南荻等荻
属植物的研究多注重其形态特征及生物产量的提
高, 如在栽培管理、繁殖和品种改良等方面的研
究报道较多(党宁等2012), 而有关包括南荻在内的
植物生理学报304
荻属植物激素变化、关键酶活性等纤维素合成相
关的生理特性及品质调控等方面的研究尚未见报
道。本研究以南荻为研究对象, 在测定分析茎、
叶中生长素(IAA)、脱落酸(ABA)含量和叶片中蔗
糖合成酶、β-1,3-葡聚糖酶活性变化规律的基础上
探讨了植物激素、纤维素合成关键酶与南荻纤维
素形成的内在关系, 旨在为深入研究南荻的生长
发育及开展纤维素合成与品质调控提供依据, 同
时为其他荻属植物乃至草本植物的类似研究提供
参考。
材料与方法
1 试验材料
供试材料为盆栽条件下南荻(Triarrhena lutar-
ioriparia L. Liu)于第2年由其地下茎长出的植株。
盆栽条件为每盆装50 kg风干稻田土, 土壤有机质
含量为14.2%, pH 5.36, 碱解氮66.15 mg·kg-1, 有效
磷8.5 mg·kg-1, 速效钾8 mg·kg-1, 按常规进行栽培管
理。
2 试验设计与取样
盆栽南荻共15盆, 于2012年3月18日分别从每
盆中选取5株生长发育较为一致且无病虫害的植
株挂牌标记以用于取样。根据南荻生育期特性设
5个取样时期, 分别为生长期I (4月27日)、生长期II
(6月6日)、生长期III (7月16日)、孕穗期(8月25日)
和成熟期(10月3日), 间隔时间为40 d。每3株随机
选自不同盆的挂牌标记植株作为取样的平行重
复。分别剪取植株茎秆上部的第2、3片完全展开
叶和最顶部的1节茎, 经液氮速冻后置于–80 ℃冰
箱保存, 用于酶活性和植物激素含量的测定。所
余茎秆经105 ℃杀青30 min后于60 ℃烘干至恒重,
再经粉碎用于蔗糖、纤维素、半纤维和木质素含
量的测定。
3 植物激素含量和酶活性的测定
IAA和ABA含量的测定采用液相串联质谱法
(LC-MS/MS), 具体参照Liu等(2010)的方法。蔗糖
合成酶活性测定采用南京建成生物工程研究所的
蔗糖合成酶测定试剂盒进行, β-1,3-葡聚糖酶活性
的测定参照史益敏(1999)的方法。
4 蔗糖、纤维素、半纤维和木质素含量的测定
蔗糖含量测定采用间苯二酚法(张志良和瞿
伟菁2004)。
纤维素、半纤维和木质素含量的测定: 准确
称取过16目筛的茎杆粉样1.0 g (W0), 加入100 mL
中性洗涤液、0.5 g Na2SO3和几滴消泡剂(正辛醇),
加热煮沸60 min, 用沸水清洗3次、冷丙酮清洗2
次, 于105 ℃烘干至恒重(8 h)后将中性洗涤纤维残
渣称重(W1), 再加入100 mL酸性洗涤剂和几滴消
泡剂, 煮沸60 min, 用沸水清洗3次、冷丙酮清洗2
次, 于105 ℃烘干至恒重后将酸性洗涤纤维残渣称
重(W2), 再加入25 mL 72%的硫酸溶液冷抽提2 h
(期间搅拌1次), 沸水清洗3次, 于105 ℃烘干至恒重
后将残渣称重(W3), 于550 ℃灰化2 h, 称其灰分重
(W4)。计算公式为纤维素含量=(W2–W3)/W0, 半纤
维素含量=(W1–W2)/W0, 木质素含量=(W3–W4)/
W0。
5 数据分析方法
数据作图采用Microsoft Excel 2003, 数据分析
采用DPS v7.05数据分析系统(唐启义和冯明光
2002)。
实验结果
1 叶片中IAA和ABA含量的动态变化
由图1-A可以看出, 南荻叶片中IAA含量的变
化在整个生育期表现为先升高后降低的单峰曲
线。生长期II时IAA含量达到峰值, 随后则逐渐下
降, 到成熟期降至最低值。叶片中ABA含量则表
现出先稍下降后升高再下降的变化趋势。在生育
前期(生长期I到生长期II) ABA含量减少, 之后则快
速升高, 至生长期III时达到峰值, 以后再迅速下降
(图1-B)。比较IAA和ABA含量的动态变化, 在营
养生长期, 两者含量呈相反的变化趋势, 但到后期
两者的含量均下降至最低(图1)。
2 生育前期茎中IAA和ABA含量的比较
生育前期南荻茎中IAA和ABA含量的测定结
果见图2。结果表明: 在生育前期(生长期I到生长
期II), 茎中IAA含量增加了37.42%, 而ABA含量降
低了80.27%, 这说明南荻生育前期茎中IAA和
ABA含量的动态变化趋势相反。
3 叶片中蔗糖合成酶和β-1,3-葡聚糖酶活性的动态
变化
南荻叶片中蔗糖合成酶活性的变化在整个生
张闯等: 南荻纤维素合成的相关生理特性 305
图1 不同生育时期南荻叶片中IAA (A)和ABA (B)含量的变化
Fig.1 The changes of IAA content (A) and ABA content (B) in leaves of T. lutarioriparia at different stages
图2 生育前期南荻茎中IAA和ABA含量的变化
Fig.2 The changes of IAA content and ABA content in the
stalk of T. lutarioriparia at early growth stage
图3 不同生育期南荻叶片中蔗糖合成酶活性(A)和β-1,3-葡聚糖酶活性(B)的变化
Fig.3 The changes of sucrose synthase activity (A) and β-1,3-glucanase activity (B) in leaves of the stalk of T. lutarioriparia at
different stages
性的高峰期提前出现(图3-B)。
4 茎秆中蔗糖、纤维素、半纤维素和木质素含量
的动态变化
各生育期南荻茎秆中蔗糖、纤维素、半纤维
素和木质素含量的测定结果见表1。结果表明, 南
荻茎杆中蔗糖含量随生育进程推进呈现先降低后
上升再降低的趋势。生长期I时蔗糖含量最高, 生
长期II时降至最低, 随后快速升高再缓慢下降。纤
维素、半纤维素和木质素的含量均随生育进程逐
渐增加, 在生长期I后纤维素、木质素含量快速增
加, 而半纤维素含量平缓增加, 到生长期III后各成
分含量基本趋于稳定, 且各生育期茎杆中各纤维
成分含量表现为纤维素含量>半纤维素含量>木质
素含量。
5 IAA、ABA含量与纤维素含量的关系及ABA/
IAA的变化
对南荻茎和叶中IAA、ABA含量与茎秆中纤
维素含量进行相关性分析表明, 在生育前期, 茎和
育期呈现先升高后下降的单峰曲线(图3-A)。在孕
穗期蔗糖合成酶活性最高, 此后则快速下降, 至成
熟期时活性最低。叶片中β-1,3-葡聚糖酶活性的动
态变化与蔗糖合成酶活性相似, 在整个生育期也
呈现先升高后下降的单峰曲线, 但β-1,3-葡聚糖酶
活性的高峰期出现在生长期III, 较蔗糖合成酶活
植物生理学报306
表1 不同生育时期南荻茎秆中蔗糖、纤维素、半纤维素和木质素含量的变化
Table 1 The changes of sucrose, cellulose, hemicellulose, lignin content in the stalk of T. lutarioriparia at different growth stages
生育期 蔗糖含量/% 纤维素含量/% 半纤维素含量/% 木质素含量/%
生长期I 4.61±0.15a 28.77±0.52c 26.08±0.84b 5.87±0.19c
生长期II 1.33±0.06c 35.44±0.63b 26.54±1.11ab 9.74±0.40b
生长期III 4.38±0.37a 36.85±2.01ab 27.73±1.04ab 10.66±0.84ab
孕穗期 3.71±0.18b 38.50±1.76a 28.18±1.95a 10.86±0.70ab
成熟期 3.53±0.25b 39.07±0.80a 28.90±0.51a 12.48±0.52a
同列数据旁不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
表2 不同生育期南荻茎和叶中的ABA/IAA比值变化
Table 2 The changes of ABA/IAA ratio in leaves and stalk of
T. lutarioriparia at different growth stages
生育期
ABA/IAA比值
叶 茎
生长期I 9.86 21.13
生长期II 1.46 3.03
生长期III 106.78 –
孕穗期 37.28 –
成熟期 2.60 –
–: 未测定。
讨　　论
1 南荻茎秆中蔗糖、纤维素、半纤维素和木质素
含量动态变化
有研究表明, 荻干物质中纤维素、半纤维素
和木质素含量因地区和生育期的不同而表现出较
大的差异。如黑龙江省地区的荻在苗期的纤维素
含量为20%~25%, 孕穗至开花期上升到30%左右,
生育后期增至45% (王春艳等2009)。本试验发现,
随生育期的推进 , 南荻茎秆中纤维素、半纤维
图4 南荻叶片中蔗糖合成酶活性(A)、β-1,3-葡聚糖酶活性(B)与茎秆纤维素含量的相关性
Fig.4 The correlation between sucrose synthase activity (A) or β-1,3-glucanase activity (B) in leaves and cellulose content in
the stalk of T. lutarioriparia
叶中IAA含量与茎秆纤维素含量均呈极显著线性
正相关, 而ABA含量与茎秆纤维素含量均呈极显
著线性负相关(数据未列出)。对各生育期南荻叶
片中ABA/IAA比值和生育前期茎中ABA/IAA比值
进行分析发现: 叶片中ABA/IAA比值在整个生育
期表现为先降低后升高再降低的变化趋势, 而茎
中ABA/IAA比值在生育前期降低。在生育前期,
茎中ABA/IAA比值明显高于叶片中ABA/IAA比值
(表2)。
6 酶活性与纤维素含量的相关性分析
对南荻叶片中蔗糖合成酶活性、β-1,3-葡聚
糖酶活性与茎秆中纤维素含量进行相关性分析表
明, 在南荻营养生长期, 纤维素含量与蔗糖合成酶
活性、β-1,3-葡聚糖酶活性之间呈极显著正相关,
其变化趋势可分别用y=4.03x+2.63 (图4-A)和
y=2.21x+26.32 (图4-B)进行描述。
张闯等: 南荻纤维素合成的相关生理特性 307
素、木质素含量一直呈增加的变化趋势, 其中纤
维素和木质素的生物合成大致表现为快速增加期
和缓慢增加期两个时期, 而半纤维素含量一直呈
缓慢增加趋势 , 至生育后期时纤维素含量达
39.07%, 半纤维素含量达28.90%, 木质素含量达
12.48%。
蒋淑丽和王学德(2002)的研究表明, 纤维发育
过程中纤维可溶性糖含量的下降与纤维素的沉积
有关, 可溶性糖含量下降快, 纤维素沉积速度就
快。本研究发现南荻茎秆中蔗糖含量的快速降低
期与纤维素含量的快速增加期相吻合, 表明蔗糖
的大量分解为纤维素合成提供了充足的底物。在
整个生育期, 茎秆中纤维素含量不断增加, 而蔗糖
含量并非一直呈下降趋势, 其含量在生长期III时
有所回升, 可能是因为在生长前期茎秆中储存的
大量蔗糖被分解用于纤维素的生物合成, 随后叶
片中新合成的蔗糖不断运送到茎秆中得以补充,
以满足后期生殖生长的需求。
2 IAA、ABA含量与纤维素含量的关系
IAA在植物纤维发育中起着重要的调控作
用, 能促进纤维素的合成, ABA则抑制纤维素的
合成, 两者协调调控着纤维的发育(邴杰和张根发
2012)。白玉林等(2008)的研究发现棉纤维中IAA
含量在棉铃25 d左右达到峰值, 与纤维长度呈显著
正相关, 与纤维素合成的旺盛期相吻合。在棉花
超短纤维突变体中, ABA含量在纤维快速伸长期
高, 快速降低期出现较晚, 认为ABA对纤维伸长具
有抑制作用(邵明彦等2011)。本试验发现在南荻
茎秆纤维素迅速积累的生育前期南荻茎和叶中
IAA含量增加而ABA含量减少, ABA/IAA比值下
降; IAA含量与茎秆中纤维素含量呈极显著正相
关, 而ABA含量与纤维素含量呈极显著负相关, 较
低的ABA/IAA比值有利于纤维素的快速合成, 同
样表明了IAA对纤维素生物合成的促进作用及
ABA的抑制作用。在生长期III, 叶片中ABA/IAA
比值达到最高, 可能作为南荻营养生长结束和纤
维素快速积累终止的信号。
3 蔗糖合成酶活性和β-1,3-葡聚糖酶活性与纤维素
含量的关系
纤维素的形成与叶片中营养物质的合成、运
输和茎秆中可溶性糖等物质的积累有关(孙红春等
2004), 而蔗糖合成酶和β-1,3-葡聚糖酶活性在很大
程度上决定了这些物质的转化和利用效率, 最终
影响到植株的纤维品质(韩焕勇等2006)。蔗糖合
成酶和β-1,3-葡聚糖酶活性高低因植物种类或生育
期的不同而表现出一定的差异。本研究发现, 南
荻生长期间叶片中蔗糖合成酶活性和β-1,3-葡聚糖
酶活性的动态变化均表现为先升高后降低的单峰
曲线, 酶活性的快速上升期与纤维素含量的快速
增加期相吻合。相关性分析表明, 在营养生长期
间, 南荻中纤维素含量与蔗糖合成酶活性及β-1,3-
葡聚糖活性分别呈极显著正相关。束红梅等
(2008)研究发现, 棉纤维发育过程中蔗糖合成酶、
β-1,3-葡聚糖酶活性变化特征在生化和mRNA转录
水平上均存在明显的差异, 影响纤维素的沉积特
性及纤维比强度, 本试验未对南荻中纤维发育关
键酶的基因表达量进行分析, 有待进一步研究。
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