全 文 ：园 　艺 　学 　报 　2009, 36 (9) : 1370 - 1374
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期 : 2009 - 03 - 31; 修回日期 : 2009 - 07 - 13
基金项目 : 国家自然科学基金项目 (30771473)3 通讯作者 Author for correspondence ( E2mail: xcyu@ sdau1edu1cn)
马铃薯抗坏血酸含量及其代谢相关酶活性关系的研
究
秦爱国 1 , 于贤昌 23
(1山东农业大学园艺科学与工程学院 , 作物生物学国家重点实验室 , 山东泰安 271018; 2中国农业科学院蔬菜花卉研
究所 , 北京 100081)
摘 　要 : 为探讨马铃薯不同器官中抗坏血酸 (A sA ) 含量及其代谢相关酶活性关系 , 研究了马铃薯幼
叶、功能叶、老叶、茎和块茎中 A sA和其氧化态脱氢抗坏血酸 (DHA) 的含量与 L - 半乳糖 - 1, 4 - 内酯
脱氢酶 ( GalLDH )、脱氢抗坏血酸还原酶 (DHAR )、谷胱甘肽还原酶 ( GR )、抗坏血酸过氧化物酶
(APX)、抗坏血酸氧化酶 (AO) 和单脱氢抗坏血酸还原酶 (MDHAR) 等 6种酶活性之间的相关性。结果
表明 , 马铃薯 A sA在幼叶和块茎中含量很高。叶片和茎的抗坏血酸库 (A sA与 DHA之和 ) 水平与 GalLDH
活性显著相关 , 而 A sA含量与 DHAR活性显著相关 , DHA含量与 APX活性显著相关。说明在马铃薯幼叶
中高含量的 A sA可能由于 GalLDH和 DHAR的高活性 ; 而块茎中 A sA的积累 , 主要来自于叶片的运输和
DHAR催化的 DHA再生。
关键词 : 马铃薯 ; 抗坏血酸 ; L -半乳糖 - 1, 4 -内酯脱氢酶 ; 脱氢抗坏血酸还原酶 ; 抗坏血酸过氧化
物酶
中图分类号 : S 532　　文献标识码 : A　　文章编号 : 05132353X (2009) 0921370205
Rela tion sh ip Between A scorb ic Ac id Con ten t and the Enzym e Activ ities
Involved in A sA M etabolism of Pota to
Q IN A i2guo1 and YU Xian2chang23
(1 S ta te Key Laboratory of C rop B iology, College of Horticu lture Science and Engineering, Shandong A gricu ltura l U niversity,
Taipian, Shandong 271018, Ch ina; 2 Institu te of V egetables and Flow ers, Chinese A cadem y of A griculture Sciences, B eijing
100081, Ch ina)
Abstract: To investigate the relationship between ascorbate (A sA ) distribution and the activities of
enzymes involved in A sA metabolism, the A sA and dehydroascorbate (DHA ) contents and the activities of six
related enzymes were studied in various organs of potato, i1e. young leaves, mature leaves, aged leaves,
stem s and tubers. The results showed that A sA was accumulated in young leaves and tubers. A sA pool size
( the sum of A sA and DHA ) in leaves and stem s was correlated with L2galactono21, 42lactone dehydrogenase
( GalLDH) activity. A sA content was significantly related with the dehydroascorbate reductase (DHAR )
activity in all organs, especially in tubers. Meanwhile, DHA content was significantly associated with
ascorbate peroxidase (APX) activity. This suggested that high A sA content in young leaves m ight result from
higher activites of GalLDH and DHAR, while A sA accumulation in tuber m ight be attributed to the transporta2
tion from leaves, and DHA recycling via DHAR.
Key words: potato; ascorbate; L2galactono21, 42lactone dehydrogenase; dehydroascorbate reductase;
ascorbate peroxidase
　9期 秦爱国等 : 马铃薯抗坏血酸含量及其代谢相关酶活性关系的研究 　
抗坏血酸 (A sA ) 是植物合成的一种己糖内酯化合物 , 也是人类必需的维生素。A sA对植物抗氧
化 ( Padh, 1990; A sada, 1992)、光保护 ( Sm irnoff, 2000) 、细胞生长和分裂 ( Potters et al. , 2000) 等
均具有重要作用。因此 , A sA的含量变化与植物抗逆性和生长发育密切相关 (Conklin, 2001)。
迄今研究表明 , A sA 生物合成主要是通过半乳糖途径 (W heeler et al. , 1998; Lorence et al. ,
2004) , 而 L -半乳糖 - 1, 4 -内酯脱氢酶 ( GalLDH) 为催化该途径最后一步反应的关键酶 ( Imai et
al. , 1998)。在植物中 , A sA 在抗坏血酸过氧化物酶 (APX ) 作用下被氧化为单脱氢抗坏血酸
(MDHA) , MDHA可自发地非酶促歧化反应生成脱氢抗坏血酸 (DHA ) , 两者分别通过单脱氢抗坏血
酸还原酶 (MDHAR) 、脱氢抗坏血酸还原酶 (DHAR ) 及谷胱甘肽还原酶 ( GR ) 被还原再生为 A sA
(Noctor & Foyer, 1998)。定位于细胞壁的抗坏血酸氧化酶 (AO ) 能够调节质外体 A sA 的氧化还原态
(石永春和刘卫群 , 2008)。因此 , GalLDH、APX、AO、MDHAR、DHAR和 GR的活性均有可能影响
A sA的积累。
本试验中研究了马铃薯不同器官抗坏血酸代谢相关酶活性及其与 A sA含量之间的关系 , 以期了
解马铃薯抗坏血酸积累的生理机制 , 为进一步提高马铃薯抗坏血酸含量奠定基础。
1　材料与方法
111　材料
试材为 ‘鲁引一号 ’马铃薯 (Solanum tuberosum‘Luyin 1’) , 由山东省农业科学院提供脱毒微型
种薯。取健康薯块 , 以赤霉素 50μmol·L - 1浸种 10 m in后装入纸袋中 , 室温黑暗催芽 10 d。2007年
3月 10日 , 取芽长势一致的薯块播于日光温室内直径 30 cm、高度 15 cm的栽培盆中 , 栽培基质为草
炭 ∶蛭石 ∶羊粪 = 3 ∶2 ∶1 (体积比 )。待植株 8片真叶时取长势一致植株的幼叶 (从生长点向下数 2、
3节 )、功能叶 (从生长点向下数 4、5节 )、老叶 (从生长点向下数 7、8节 )、茎和块茎 , 每处理均
随机采样 3次 , 先经液氮冷冻 , 再于 - 80 ℃超低温冰箱保存。
112　酶活性测定
GalLDH活性测定采用 Tabata等 ( 2001) 的方法 ; GR、APX 和 AO 活性测定参照 Pignocchi等
(2006) 的方法 ; MDHAR活性测定参照 J iménez等 (1997) 的方法。
DHAR活性测定参照 Chen等 (2003) 的方法加以改进。取 015 g马铃薯鲜样在 4 mL提取缓冲液
(含 50 mmol·L - 1 Tris2HCl, pH 714, 100 mmol·L - 1 NaCl, 2 mmol·L - 1 EDTA 和 1 mmol·L - 1
MgCl2 ) 中研磨匀浆 , 12 000 r·m in - 1离心 10 m in。取 100μL 提取液 , 加 119 mL 反应液 (含 25
mmol·L - 1磷酸钾缓冲液 , pH 710, 011 mmol·L - 1 EDTA , 315 mmol·L - 1 GSH, 014 mmol·L - 1
DHA)。紫外分光光度计测定 265 nm下吸光值变化。
以上酶活性的测定均在 25 ℃下进行。
113　A sA、D HA和 A sA +D HA含量测定
A sA含量测定参考 Turesányi等 (2000) 及 Takahama和 Oniki (1992) 提供的方法并作适当改进 :
称取约 015 g鲜样在 5% 的偏磷酸中研磨匀浆 , 于 4 ℃ 13 000 r·m in - 1离心 20 m in, 收集上清液用于
测定 A sA和 DHA的含量。测定 A sA时 , 吸取 100μL的上清液加入 2 mL 100 mmol·L - 1磷酸钾缓冲
液 (pH 618) 中 , 当加入 1 U 的抗坏血酸氧化酶 ( EC 11101313, 来自 Cucurbita sp1) 后记录 265 nm
下的吸光值变化。测定 DHA时 , 吸取等量的上清液加入 2 mL 100 mmol·L - 1磷酸钾缓冲液 (pH 618)
中 , 当加入 2 mmol·L - 1 DTT后开始记录 265 nm下的吸光值变化。同时用一系列已知浓度的 A sA 和
DHA ( Sigma公司 ) 溶液用相同的方法测定吸光值 , 作标准曲线以计算样品中 A sA、DHA和 A sA +
DHA 含量。
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114　数据分析
以上试验均设 3次重复 , 采用 DPS统计系统软件中 Duncanpis新复极差法及 Excel对数据进行统
计分析。
2　结果与分析
211　不同器官中 A sA、D HA和 A sA +D HA含量及 A sA /D HA
如表 1所示 , 在马铃薯不同器官中 A sA、DHA和 A sA +DHA含量差异显著。A sA含量以块茎为
最高 , 茎最低 , 叶片中 A sA含量随其成熟和衰老逐渐下降。DHA以功能叶含量最高 , 其次是块茎 ,
茎最低。抗坏血酸库 (A sA +DHA ) 水平也以块茎为最高 , 其次是功能叶 , 茎为最低。反映抗坏血酸
氧化还原状态的 A sA /DHA在幼叶和块茎中均大于 1, 其它器官均小于 1。
表 1　马铃薯各器官的 A sA、D HA和 A sA +D HA含量及 A sA /D HA
Table 1　The con ten ts of A sA, D HA and A sA +D HA and A sA /D HA in d ifferen t organ s of pota to
器官
O rgan
A sA /
(μmol·g - 1 FW )
DHA /
(μmol·g - 1 FW )
A sA +DHA /
(μmol·g - 1 FW ) A sA /DHA
幼叶 Young leaves 2122 ±0116 b 1183 ±0113 c 4105 ±0120 c 1121 a
功能叶 Mature leaves 1174 ±0112 c 3139 ±0124 a 5113 ±0126 b 0152 d
老叶 Aged leaves 0192 ±0106 d 1130 ±0109 d 2122 ±0111 d 0171 c
茎 Stem 0142 ±0103 e 0186 ±0106 e 1128 ±0106 e 0149 d
块茎 Tuber 3112 ±0122 a 2184 ±0120 b 5196 ±0130 a 1110 b
　　注 : 表中数据为平均值 ±标准误差 , 同一列内不同小写字母分别表示差异达显著水平 ( P = 0105)。
Note: Values are means ±standard error. The different letters in a column show significant difference ( P = 0105) .
212　不同器官 Ga lLD H、D HAR、GR、APX、AO和 MD HAR的活性
如表 2所示 , 不同器官中 A sA代谢相关酶活性差异显著。在叶片中 A sA生物合成的最后一个关
键酶 GalLDH活性显著高于块茎和茎中的活性 , 且在叶片中以功能叶活性最高。相关性分析表明叶片
和茎 GalLDH活性与其中的 A sA和 A sA +DHA含量均呈明显正相关 , r分别为 018367 ( P < 0105) 和
019695 ( P < 0101 )。而块茎中 GalLDH 活性显著低于叶片 , 分别仅是功能叶、幼叶和老叶的
38102%、50125%和 67156% , 这与块茎含有最高水平 A sA +DHA的结果并不一致。
表 2　马铃薯各器官的 Ga lLD H、D HAR、GR、APX、AO和 MD HAR的活性
Table 2　The activ ities of Ga lLD H, D HAR, GR, APX, AO and MD HAR in d ifferen t organ s of pota to
器官
O rgan
GalLDH /
(U·g - 1 )
DHAR /
(U·mg - 1 ·
m in - 1 )
GR /
(U·mg - 1 ·
m in - 1 )
APX /
( U·mg - 1 ·
m in - 1 )
AO /
(U·mg - 1 ·
m in - 1 )
MDHAR /
(U·mg - 1 ·
m in - 1 )
幼叶 Young leaves 01724 ±01036 b 01616 ±01031 b 01087 ±01004 a 01436 ±01022 b 01271 ±01014 c 01412 ±01021 b
功能叶 Mature leaves 01957 ±01048 a 01554 ±01028 c 01082 ±01003 a 01557 ±01024 a 01379 ±01015 b 01463 ±01320 a
老叶 Aged leaves 01538 ±01026 c 01134 ±01007 d 01054 ±01002 c 01282 ±01014 c 01469 ±01021 a 01309 ±01015 c
茎 Stem 01180 ±01009 e 01010 ±01001 e 01016 ±01001 d 01092 ±01005 d 01124 ±01006 d 01129 ±01006 d
块茎 Tuber 01364 ±01018 d 01693 ±01035 a 01065 ±01003 a 01463 ±01023 b 01123 ±01009 d 01116 ±01006 d
　　注 : 表中数据为平均值 ±标准误差 , 同一列内不同小写字母分别表示差异达显著水平 ( P = 0105)。
Note: Values are means ±standard error. The different letters in a column show significant difference ( P = 0105) .
DHAR活性则以块茎为最高 , 茎最低 , 在叶片中活性随其成熟和衰老逐渐降低。但各器官 DHAR
活性与其 A sA和 A sA +DHA含量均呈极显著正相关 , r分别为 019574 ( P < 0101) 和 019567 ( P <
0101)。GR活性与 DHAR变化趋势基本一致 , 两者呈显著正相关 ( r = 018260, P < 0105)。
APX活性与以功能叶为最高 , 茎最低 , 且块茎中的活性稍高于幼叶 , 仅次于功能叶。其变化趋
势与 DHA含量基本一致 , 呈极显著正相关 ( r = 019137, P < 0101) , 但与 A sA含量相关性不显著。
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　9期 秦爱国等 : 马铃薯抗坏血酸含量及其代谢相关酶活性关系的研究 　
AO活性伴随叶片的成熟和衰老明显升高 , 茎和块茎中活性显著低于叶片 , 与 DHA和 A sA +DHA
含量相关性不明显。
MDHAR活性以功能叶最高 , 茎和块茎最低。叶片和茎 MDHAR活性与其 DHA含量呈显著正相
关 ( r = 019206, P < 0101) , 而与其 A sA和 A sA +DHA含量均无相关性。
3　讨论
近年来 , 高等植物 A sA生物合成及代谢途径已基本明确 (Noctor & Foyer, 1998; Sm irnoff et al. ,
2001) , 因此研究其相关酶活性与 A sA含量之间的关系 , 有助于揭示马铃薯不同器官 A sA积累的生理
机制。
马铃薯叶片和茎 GalLDH活性与其 A sA + DHA水平呈极显著正相关 , 并与其 A sA含量呈显著的
正相关 , 表明 GalLDH活性是影响叶片和茎抗坏血酸库水平和 A sA含量的一个主要因素 , 这与以拟南
芥、刺梨和苹果等为试材的研究结果基本一致 ( Tamaoki et al. , 2003; 安华明 等 , 2005; 马春花 等 ,
2007)。
A sA /DHA只在幼叶和块茎中大于 1, 其它器官均小于 1, 说明 A sA合成大于代谢 , 在幼叶和块茎
中积累。但幼叶中 A sA含量最高 , 但其 GalLDH活性却相对较低 , 这表明可能还有其它途径或因素在
影响叶内 A sA含量水平。在块茎中 , 这种 A sA及 A sA +DHA的高含量与 GalLDH低活性的不符更加
明显 , 这说明 GalLDH活性不是影响块茎 A sA含量的主要因素。试验结果显示 DHAR在马铃薯叶片和
茎的活性与其 A sA含量呈极显著正相关 , 表明 DHAR可能是影响叶片和茎中 A sA含量的另一个主要
因素 (Bartoli et al. , 2005) , 并且 DHAR在幼叶和块茎表现出很高的活性 , 与其 A sA高含量一致 , 说
明 DHAR可能是马铃薯 A sA积累的重要原因。
块茎 A sA +DHA水平最高的原因可能有三个 : 第一 , 由叶片的 A sA和 DHA运输而来。已有研
究表明 : 叶片内 A sA和 DHA均能从外质体运向共质体 ( Kollist et al. , 2001) , 且马铃薯植株存在
A sA长距离的运输现象 ( Tedone et al. , 2004) ; 第二 , 由于高活性的 DHAR不断地将 DHA还原为
A sA , 从而减少了 DHA 的损耗 , 进而维持了 A sA +DHA的高水平。本试验中不同器官 DHAR活性与
其 A sA +DHA水平呈极显著正相关 , 也说明了这一点 ; 第三 , 少量来自 GalLDH催化的生物合成。
DHA的还原是通过抗坏血酸 —谷胱甘肽循环进行 , DHAR和 GR是该循环的两个核心酶 , GR活
性与 DHAR呈显著正相关 , 但与 A sA无显著相关性 , 说明 GR在 A sA再生过程中只起辅助 DHAR的
作用 , 并不直接影响 A sA含量。
不同器官 APX活性与其 DHA含量呈极显著正相关 , 表明 APX是将 A sA氧化进而形成 DHA的
主要酶 , 这与功能叶中高含量的 DHA以及相对较低的 A sA含量和 A sA /DHA相符 , 说明 A sA通过
APX清除因功能叶光合作用产生的活性氧分子而被大量消耗。但由于功能叶中 GalLDH 和 DHAR 的
高活性 , 其正常的还原活性得以维持。而 AO主要与器官的衰老有关 (石永春和刘卫群 , 2008)。老
叶中 AO 活性最高 , A sA和 DHA 含量以及 GalLDH 和 DHAR 活性较低。这说明在衰老器官中 , AO
将 A sA氧化为 DHA , 但由于低活性 DHAR限制了 DHA的再生 , DHA降解流失 (Chen et al. , 2003) ,
加之低活性 GalLDH减弱了 A sA的生物合成能力 , 使老叶 A sA、DHA 和 A sA +DHA含量均显著低于
幼叶和功能叶。
综上所述 , GalLDH和 DHAR是马铃薯植株维持其体内正常的 A sA水平及其还原活性的重要酶。
马铃薯叶片和茎 A sA的积累 , 主要来自 GalLDH催化的生物合成和 DHAR催化的 DHA还原 ; 而在马
铃薯块茎积累的 A sA, 主要来自于叶片的运输和 DHAR催化的 DHA还原 , 少量来自 GalLDH催化的
生物合成 (块茎 GalLDH活性较低 ) , 同时 APX和 AO对 A sA的积累也有不可忽视的影响。
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