全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2004) 02-0129-04
高羊茅蔗糖合成能力在低温锻炼下的部位差异
王世珍,蔡庆生*
(南京农业大学生命科学学院, 南京 210095)
摘要: 高羊茅植株经过 10 d 低温锻炼( 4/ 2℃,昼/夜) , 体内各部位的蔗糖含量急剧上升,上升幅度依次为茎基> 叶片> 根
系; 茎基的蔗糖合酶( SS)和磷酸蔗糖合酶( SPS)的活性皆成倍提高,而叶片仅表现为 SPS 活性提高; 茎基占植株总干重
的比值持续加大; 茎基是高羊茅在逆境中维持生存的重要器官, 高 SS 活性使其保持较高的卸载和吸纳蔗糖的能力, 同时
高 SPS 活性使其保持较高的蔗糖含量, 从而提高茎基对低温的抵抗能力。
关键词: 草原学; 低温; 蔗糖合酶; 蔗糖磷酸合酶; 高羊茅
中图分类号: S 812　　　　文献标识码: A
Sucrose Phosphate Synthetase and Sucrose Synthetase Activities to the
Different Parts of Tall Fescue in Low Temperatures
WANG Shi-zhen, CAI Qing-sheng
*
( Co llege o f L ife Science, Nanjing Agr icuiltural Univ ersity , Nanjing , Jiang su P rovince 210095, China )
Abstract: T en days af ter tall fescue plants being kept in a condition of 4℃ of dayt ime temperature and 2℃ of
night temperature, the sugar content of the dif ferent parts of the p1ants rises sharply. T he incr ease in the
cr ow n is the most mar ked, fo llow ed by that in the leaves and the roots. In a low temperature, the sucrose syn-
thetase and sucro se phosphate synthetase act ivit ies of the cr ow n are induced many t imes str onger than ever,
w hereas in the leaves only the sucrose phosphate synthetase activity is displayed. The proport ion of the crow n
w eight in the total plant w eight increases steadily . In fact , the crow n is an important org an that sustains the
existence o f the plant in st ring ent conditions. Vivid sucrose synthetase activity ensures the crow ns bear ing ca-
pacity and enables it to assimilate sugar. It is the highly act ive sucrose pho sphate synthetase that maintains the
cr ow ns significant sugar content and enhances it s cold r esistance in low temperatures.
Key words: Gr assland science; Low temperature; Sucrose synthetase; Sucro se phosphate synthetase; Tall fes-
cue
　　磷酸蔗糖合酶( Sucrose Phosphate Synthetase,以
下简作 SPS)与蔗糖合酶( Sucrose Synthetase, 以下简
作 SS)是高等植物体内与蔗糖合成有关的主要酶类,
其中 SPS 是蔗糖合成的主要酶类, 而 SS 则在植物细
胞内主要起着分解蔗糖的作用,进而参与蔗糖的长距
离运输,调节源库关系, 与水稻、小麦等作物的籽粒灌
浆与成熟过程密切相关 [ 1～3]。
冷锻炼机理的研究是植物抗逆研究的热点之一,
许多研究表明,锻炼低温下植物细胞内会大幅度地积
累可溶性糖类尤其是蔗糖, 植物的抗冻性随之增
强[ 4～ 6]。
国内目前关于植物冷锻炼机理进行深入研究的报
道较少。作者将 SS 和 SPS 等蔗糖代谢酶类活力变化
与蔗糖的积累、植株形态的变化相联系,力图揭示冷锻
炼下植物的形态、抗性变化与蔗糖代谢酶类的联系, 为
高羊茅抗冻性的遗传改良提供参考。
1　材料与方法
1. 1　供试材料　冷季型草坪草“凌志”高羊茅[ Festu-
ca arunginacea ( Shreb. ) cv. Barlex ]。
　 收稿日期: 2003-01-27;修回日期: 2004-03-16
　 基金项目:教育部留学回国人员科研启动基金资助项目( G9812)
　 作者简介:王世珍,男( 1977-) ,清华大学生物科学与技术系在读博士研究生; * 通讯作者 Author for correspondence　E-mail: qs cai@ njau . edu. cn
第 12卷　第 2期 草　地　学　报 2004年　6 月
Vo l. 12　　No. 2 ACT A AGRESTIA SIN ICA June　　　　　2004

1. 2　材料培养　挑选饱满均匀一致的高羊茅种子播
于浅盘中, 在 28℃下催芽后, 按 30～35株/盆的密度
移植至盆中(直径 16 cm, 深 20 cm ) , 基质为河砂, 每 3
d 浇灌一次 Hoagland营养液, 至盆底部有溶液渗出,
在 20～25℃的温室内培养至三叶一心期后进行处理。
1. 3　低温处理　将培养好的材料转入低温光照生长
箱中,在 4/ 2℃(昼/夜)、12 h 光照的条件下进行低温
锻炼,分别于低温处理后2 d和 10 d取样。以未处理者
为对照。
1. 4　取样方法
随机选取部分植株,分别剪取根、上位第 2叶和与
根系连接处以上 0. 5 cm 茎基 3个部位, 3次重复。分
别称取各部分样品鲜样5～6 g, 洗净吸干, 于液氮中贮
存,供 SS和 SPS 活性测定。
剩余植株于烘箱中105℃烘干 1 h,在 70℃下烘干
至恒重,称取整株及根、叶和茎基的干重( DW ) , 分别
研磨,过筛后供蔗糖含量测定。
1. 5　测定方法
1. 5. 1　蔗糖含量　具体方法见参考文献[ 10]。
1. 5. 2　粗酶提取　将样品置于预冷的研钵中, 加 4倍
体积的缓冲液 A ( 100 mmo l/ L Tr is-HCl, pH 7. 0; 10
mmol/ L M gCl 2; 2 mmo l/ L EDTA; 2%的乙二醇; 20
mmol/ L 巯基乙醇)。冰浴中提取后, 经过滤、冷冻离
心、上清液用硫酸铵分级沉淀, 于缓冲液 B 中 ( 20
mmol/ L T ris-HCl, pH 7. 0; 10 mmo l/ L M gCl2 ; 2
mmol/ L EDTA ; 10%的乙二醇; 5 mmol/ L 巯基乙醇)
复溶、再度冷冻离心,上清液即为酶液。
1. 5. 3　SPS 活性　反应混合液 ( 50 mmol / L T ris-
HCl, pH 7. 0; 10 mmol/ L MgCl2; 10 mmo l/ L F-6-P; 3
mmol/ LU DPG) 0. 3 m l, 最后加入一定量的酶液, 在
30℃水浴中反应 30 min 后, 加入 0. 1 m l 2 mol/ L
NaOH, 沸水煮 10 m in, 流水冷却, 加入 1. 4 m l 30%
HCl 及 0. 4 ml 间苯二酚 (用 95%乙醇配置, 浓度
0. 1%) ,混匀后置于 80℃水浴 10 m in, 冷却后, 480 nm
测定蔗糖的生成, 以不加 UDPG处理调零。
1. 5. 4　SS 活性　在 SPS 测定体系中用 10 mmol/ L
的果糖取代 10 mmo l/ L F-6-P, 其余均按测定 SS活性
的方法进行。
以分析纯蔗糖制作标准曲线, SPS 和 SS 活性以
单位时间内每毫克蛋白所含的蔗糖毫克数( mg .
mg
- 1. h
- 1 )表示。
1. 5. 6　蛋白含量 [ 11]　以牛血清蛋白为标准。
1. 6　所有数据作 ANOVA 统计分析。
2　结果与分析
2. 1　蔗糖含量的变化
随着锻炼低温处理时间的延长,高羊茅茎基、叶和根
的蔗糖含量均呈逐渐上升趋势,在 0～2 d和 8～10 d的
低温锻炼期间变化尤其明显[ 12]。经过10 d低温处理,茎
基、叶和根的蔗糖含量高达 279. 7、208. 5 和 66. 0 mg .
g- 1 , 皆明显高于对照( CK , 分别为对照的7. 7、4. 1 和
12. 6 倍) ,而且增加幅度明显大于 2 d 低温处理( 65. 7、
83. 5和26. 7 mg. g - 1 ) (图 1A)。
图 1　低温处理期间高羊茅茎基、叶片和根系蔗糖含量(A)、蔗糖合酶( B)和磷酸蔗糖合酶(C)活性的变化
Fig. 1　Ef fect of low temperature on the content of sucrose (A) , activity of sucrose synthetase ( B)
and sucrose phosphate synthetase in crown, leaf and root of tall f escue
2. 2　SS活性的变化
高羊茅茎基中 SS 活性在低温锻炼诱导下迅速升
高,处理 2 d 后即高达 38. 8
g . mg- 1 . h- 1 ,为对照的
2. 1倍, 10 d后,其平均值虽略低于 2 d,但仍明显高于
130 草　地　学　报 第 12卷
对照。在高羊茅各部位中, 经低温处理后,茎基中 SS
活性最高(图 1B)。叶片中 SS 活性无明显变化, 一直维
持在很低的水平,只占茎基的 1/ 4,这可能也是叶片能
迅速积累蔗糖的重要原因之一,而根系的 SS 活性经
过 10 d的低温处理后下降了约 20%。
2. 3　SPS活性的变化
与叶片相比,高羊茅茎基的 SPS 活性对低温诱导
的响应速度要慢得多,低温处理 2 d后,茎基的 SPS 活
性无明显变化,而叶片则为对照的近 2倍; 在低温处理
10 d 后,叶片的 SPS 活性基本维持在2 d时的水平, 而
茎基中则高达 16. 02
g. mg - 1. h- 1 ,接近对照和处理 2
d的 2倍,居高羊茅各部位之首;而根系的 SPS 活性在
10 d低温处理期间则无明显变化(图 1C)。
2. 4　茎基占植株总干重比例的变化
在低温处理后高羊茅植株呈现矮小、紧缩状态, 但
茎基部位与对照相比明显膨大,随着低温处理时间的
增加, 茎基与植株总重的比值迅速上升,低温处理 2 d
时是对照的 2倍, 10 d时为对照的 3倍(图 2) , 结果与
茎基的蔗糖含量在低温处理下的变化趋势相一致, 也
与茎基的SS 和 SPS 活性变化总趋势大体吻合。
图 2　低温处理对高羊茅茎基重/植株总重的影响
F ig . 2　Effect of cold acclimation on the r atio of cr ow ns
to total plant dr y w eight of tall fescue
3　讨论
3. 1　蔗糖作为植物体内重要的可溶性糖类或非结构
性碳水化合物之一, 对锻炼低温下的植物抗冻性的提
高起着十分重要的作用 [ 3～5, 12, 15]。SS 主要催化蔗糖的
降解,也可能参与蔗糖在韧皮部中的运输过程, SPS 是
催化蔗糖合成的主要酶,其活性与植物细胞内的蔗糖
含量密切相关, 直接或间接地影响蔗糖的合成和代
谢[ 1～ 3, 13, 14]。
3. 2　本研究结果表明, 与各部位的蔗糖含量相对应,
高羊茅在低温诱导下,茎基、叶片和根系的 SS 和 SPS
活性也呈现出不同的变化特点。
在叶片, 较高的 SPS 活性和较低的 SS 活性使叶
片内可以快速地积累蔗糖, 一方面提高其自身的抗冻
性,另一方面也提高了叶片作为源器官向外输出蔗糖
的能力。
作为高羊茅越冬的重要器官茎基[ 8] ,经过低温处
理后, SS 活性和 SPS 活性皆有大幅度提高,这意味着
在低温处理下,茎基内蔗糖代谢活跃; 一方面, SS 活性
的增高,增强了茎基对蔗糖的卸载和吸纳能力; 另一方
面, SPS活性的提高,使得茎基可以维持较高的蔗糖含
量,进而提高茎基自身对低温逆境的抵抗能力。在低温
条件下的高羊茅幼苗,其茎基作为植株维持生存的重
要器官,在碳源的运输和分配方面得到了加强, 成为强
势的库器官, 表现为茎基占植株总干重比例的持续上
升,成为低温锻炼造成高羊茅形态结构变化的重要代
谢基础。这也可以从先前的研究中得到佐证[ 8]。
3. 3　综上所述,茎基是决定高羊茅植株抗冻性的重要
器官, 因此在高羊茅的耐低温育种中可选育根颈发达
的品种(或单株) , 而根颈部位 SS 活性也可作为筛选
高羊茅抗冻品种的有效生理指标在育种实践中加以应
用。
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131第 2期 王世珍等:高羊茅蔗糖合成能力在低温锻炼下的部位差异
149第 2期 王庚辰等:内蒙古草原生长季节大气中 CO 2 浓度及其变化特征研究