夜间低温对薄皮甜瓜糖转运途径上各器官糖含量的影响

夜间低温对薄皮甜瓜糖转运途径上各器官糖含量的影响

cucumismelol是galu菌科的一种重要作物。这是世界上最具营养价值的水果之一。它的果实芳香而甜，具有很高的营养价值。这是夏季出汗的珍贵。它的糖运转形式与大多数高等作物不同,体内以水苏糖作为光合产物的主要运输物质(蔗糖、棉籽糖也占有一定的比例);经叶片光合作用形成的蔗糖,只有在一系列酶的作用下进一步转化为水苏糖后,才能装载入韧皮部经长距离运输进入果实。有报道指出,光合产物在从源到库的运输过程中会被消耗或被积累,糖含量会发生很大的变化,糖运转途径上各器官含糖量的变化将对果实中糖的积累产生直接的影响。甜瓜为喜温作物,在中国北方设施生产过程中,常会遇到低温(特别是夜间低温)胁迫。有关低温条件下植物糖代谢方面的研究已有一些报道,表明低温胁迫会导致植株叶片中的糖大量积累以及果实含糖量的大幅度降低,但是有关低温胁迫对薄皮甜瓜糖运转途径上各器官糖含量的影响还未见详细报道。为此,本研究以薄皮甜瓜(CucumismeloL.)品种‘玉美人’为试材,分析了不同夜间低温对薄皮甜瓜糖运转途径上各器官糖含量的影响,为进一步探讨低温对薄皮甜瓜糖运转的影响机制提供理论依据。1材料和方法1.1人工气候室温度处理试验于2007年7~10月在沈阳农业大学园艺科研基地日光温室内进行。供试薄皮甜瓜(CucumismeloL.)品种为‘玉美人’,2007年7月10日播种,8月12日分苗至25cm×25cm的塑料桶中,定量浇水,单干整枝,21节位去生长点,12~14节位留瓜,一株留一个瓜。开花后7d移入人工气候室进行夜间(18:00~6:00)9℃、12℃、15℃(对照)3个温度处理,昼温均为26℃,处理天数共计18d。其间人工气候室湿度保持在60%,6:00、8:00、10:00和16:00的光照强度分别为475、475、1045和570μmol·m-2·s-1,18:00结束光照。每一温度条件下处理25株,3次重复。1.2液相色谱法测定糖组在夜间低温处理的第0、3、6、9、12,15和18天分别取薄皮甜瓜叶片、子蔓维管束、果柄维管束、果实各6g,用于糖的组成和含量的测定。采用单株取样,共3次重复。糖的组成和含量的测定依据Madore和Qi等的方法,并加以改进。取样后称质量→置入试管→用80%乙醇提取、80℃水浴1h冷却后封存。测定前再用80%乙醇,80℃水浴反复提取2次,合并提取液,过C18小柱滤除色素,之后转入蒸发皿中蒸干,用1mL超纯水溶解,上清液经0.45μm滤膜过滤后进液相(HPLC)测定,测定方法及色谱条件为:Waters600E高效液相色谱,用Dikma公司氨基柱,柱温35℃,2410示差检测器,流动相比例为70%乙腈∶30%超纯水,流速为1.0mL·min-1。糖的标样为果糖、葡萄糖、蔗糖、棉籽糖、肌醇半乳糖苷、水苏糖,其中肌醇半乳糖苷、棉子糖、水苏糖均购自Sigmar公司。果糖(F)、葡萄糖(Gl)、蔗糖(Sw)、棉籽糖(R)、肌醇半乳糖苷(G)、水苏糖(S)的保留时间分别为7.0、7.5、9.1、14.5、15.9、21.1min,根据保留时间的不同来区分各种糖,其色谱图如图1所示,并用WatersMillennium软件控制及数据处理。1.3数据分析采用Excel2007和DPS数据分析软件分析实验数据及作图。2结果与分析2.1不同夜间对薄皮甜瓜叶片糖含量的影响与蔗糖运输型作物相比,水苏糖运输型植物的光合产物在输出之前尚需经历由蔗糖合成棉籽糖,进而合成水苏糖的步骤。因此甜瓜叶片中糖的组成比较复杂。据表1和图1可知,薄皮甜瓜叶片中葡萄糖和果糖含量较高,其中葡萄糖含量最高达4.44mg·g-1,其次是蔗糖,而肌醇半乳糖苷、棉籽糖和水苏糖含量很低,其中肌醇半乳糖苷含量仅为0.5mg·g-1左右。从不同夜间低温对薄皮甜瓜叶片各种糖含量的影响来看,夜间9℃低温处理6d后叶片中棉籽糖含量极显著高于对照(P<0.01),约是对照的2倍,处理9d后叶片中葡萄糖和果糖含量也极显著高于对照,且蔗糖、水苏糖在处理后期也显著高于对照(P<0.05),但变化都不如棉籽糖明显,而夜间12℃低温处理后,各种糖含量与对照相比差异不显著。以上结果说明,夜间9℃低温处理会导致薄皮甜瓜叶片中糖的大量积累,而夜间12℃低温作用不明显。2.2不同夜间温度处理对薄皮甜瓜子肋维管糖化指标的影响表2为夜间低温处理后薄皮甜瓜子蔓维管束中糖的组成和含量的变化情况。由此表可以看出,薄皮甜瓜子蔓维管束中含有大量的果糖和葡萄糖,其中果糖最高达10.10mg·g-1,蔗糖、棉籽糖和水苏糖含量也较高,其中蔗糖和水苏糖后期约为3.00mg·g-1,棉籽糖后期约为1.50mg·g-1,而肌醇半乳糖苷含量较少,后期仅为1.02mg·g-1左右。从不同夜间低温处理对薄皮甜瓜子蔓维管束各种糖含量的影响来看,夜间9℃处理9d后,子蔓维管束中葡萄糖、蔗糖和水苏糖含量显著高于对照(P<0.05),其中蔗糖和水苏糖含量分别比对照增加57.3%和21.8%,且果糖和棉籽糖在低温处理3d后就明显高于对照。而夜间12℃处理6d后,蔗糖和水苏糖含量稍微低于对照,肌醇半乳糖苷含量则极显著低于对照(P<0.01),而其他糖含量变化不明显。这暗示夜间9℃低温会造成子蔓维管束中糖的大量积累,而夜间12℃低温几乎不会产生这种不利的影响。2.3其他糖含量的变化由表3可知,果柄维管束中含有大量的蔗糖、果糖和葡萄糖,其中蔗糖含量最高达3.32mg·g-1,且存在一定量的水苏糖和棉籽糖,而肌醇半乳糖苷含量较少。从不同夜间低温处理对薄皮甜瓜果柄维管束各种糖含量的影响来看,夜间9℃处理后,果柄维管束中除棉籽糖含量显著低于对照外(P<0.05),葡萄糖、果糖、蔗糖含量都明显高于对照,差异极显著(P<0.01),且蔗糖含量增加最为明显,大概比对照增加90.7%;水苏糖含量在低温处理后期极显著高于对照,约增加28.9%,而肌醇半乳糖苷含量则在处理前9d极显著高于对照(P<0.01)。这说明除棉籽糖外,各种糖都在果柄维管束中大量积累,这可能是由于糖的运输速度变慢所致。而棉籽糖含量的降低可能是由于叶片向外输出的棉籽糖较少或夜间9℃低温导致棉籽糖大量分解为蔗糖。夜间12℃处理的后期,果柄维管束中蔗糖和肌醇半乳糖苷含量略低于对照,其他糖含量略高于对照,但变化不明显,仅在低温处理末期葡萄糖、果糖和棉籽糖显著高于对照(P<0.05)。蔗糖含量的减少,也许是夜间12℃处理后期水苏糖最终分解为蔗糖的能力略微降低所致。2.4夜间不同处理对薄皮甜瓜糖含量的影响薄皮甜瓜果实中糖的组成及含量如表4所示。果实中果糖、葡萄糖含量很高,分别在21.61和20.89mg·g-1左右,其次是蔗糖,而肌醇半乳糖苷、棉籽糖及水苏糖含量很低,尤其是水苏糖含量仅为0.1mg·g-1。从不同夜间低温处理对薄皮甜瓜果实中各种糖含量的影响看,夜间9℃处理3d后显著或极显著降低了果糖和葡萄糖含量,而蔗糖、棉籽糖和水苏糖含量则推迟到9℃低夜温处理9d后才显著降低,肌醇半乳糖苷则无显著差异;夜间12℃处理的薄皮甜瓜果实中各种糖含量均无显著变化。这说明夜间12℃低温仍是薄皮甜瓜果实糖积累的适宜温度;而夜间9℃低温处理对薄皮甜瓜果实糖积累有显著影响,但对光合运转糖——蔗糖、棉籽糖和水苏糖积累的影响是在低夜温处理9d后,而对蔗糖代谢中间产物——果糖和葡萄糖积累的影响则在夜间低温处理后就已显现。3低温对糖运输能力的影响本试验结果表明,在薄皮甜瓜从“源”到“库”光合产物运转途径上各器官糖含量存在很大的差异。在“源”——叶片中水苏糖含量很低,而“运输途径”——子蔓维管束和果柄维管束中含量较高,“库”——果实中却很低。已有研究表明,小叶脉韧皮部的中间细胞是水苏糖合成的主要位点。这表明叶片中水苏糖合成后立即被运输出去,仅有少量短暂存在,从叶片运输出来的光合产物主要是水苏糖,通过维管束运输进入果实后(或进入果实前)被快速分解。此外,本研究还发现维管束中也含有大量的蔗糖和一定量的棉籽糖,进一步验证了蔗糖和棉籽糖也是甜瓜运转糖的一部分。本试验中,夜间低温处理使叶片中各种糖含量增加,尤其以夜间9℃处理9d后变化较明显,低温会抑制糖向源叶外运输,最终导致叶片中糖大量积累,这一结果与前人研究相一致。棉籽糖是棉籽糖系列寡糖(RFO)中的重要成员之一,RFO可以高浓度储存于植物体内,不容易被损耗,可以作为植物的碳源提供能量。葡萄筋骨草中RFO有两个库,即叶肉的储存库和韧皮部的运转库,低温下在叶肉中合成的水苏糖主要用于储存;葫芦科植物RFO的合成也有叶肉和韧皮部中间细胞两个部位。此外,已有研究表明在低温条件下植物中的RFO积累,可提高植物的抗冷能力。如紫花苜蓿在冷锻炼过程中,根中可以积累水苏糖和棉籽糖;矮牵牛随叶片中棉籽糖含量的增加冷适应性增强。值得注意的是,本研究中,夜间9℃处理9d后薄皮甜瓜叶片中棉籽糖增加最明显,约是对照的2倍。这表明棉籽糖含量的大量增加可能行使两方面的功能,包括运转和提高作物的抗寒能力。然而,DonaldE认为厚皮甜瓜10℃处理6d后,叶片中棉籽糖和水苏糖都没增加,这一差别可能是由于品种及处理温度和时间不同所致。但也从另一个方面说明薄皮甜瓜叶片中糖的积累对低温不太敏感,短时间的低温可能不会对薄皮甜瓜有太大的影响,只有长时间的低温才会影响叶片中糖的积累。本试验结果还发现,夜间9℃处理后,子蔓和果柄维管束积累的蔗糖和水苏糖增加,可能是夜间9℃低温限制了薄皮甜瓜糖的运输,从而使糖在微管束中大量积累,然而,夜间12℃处理后,维管束中糖的积累变化不明显,几乎未对糖的运输产生影响。这就表明夜间12℃可能是影响甜瓜糖运输的临界温度,低于此温度就会对糖运输造成影响。Minorsky认为低温的作用机理在于降低了库强,破坏了维管束运输中钙诱导的胼胝质,使筛孔堵塞,导致糖运输能力下降,并增加了叶片中糖的积累。低温可以通过影响代谢活动抑制维管束运输。Ashlee-McCaskill通过14CO2示踪试验,检测紫毛蕊花韧皮部汁液中14C的量表明,低温下维管束运输速率下降。本实验虽不能直接反映糖运输速率与运输量,但所测定的维管束中糖的含量却能反映糖在维管束中的积累量,可以间接反映糖运输能力。作者认为,除了上述原因外,低温还可能通过限制糖运输载体蛋白的活性以及改变共质体的运输状态,从而对糖运输造成影响,但其机制还需进一步证明。另外,本研究中,夜间9℃低温处理后,与子蔓维管束积累的糖相比,果柄维管束积累的运转糖总量是增加的,且主要积累蔗糖,表明夜间9℃低温抑制果柄维管束糖运输的程度可能比抑制子蔓维管束糖运输的程度大,这就进一步证实,在糖运输方面果柄维管束可能较子蔓维管束对低温敏感,这可能与两个部位的维管束结构的差异或者是运输途径的改变有关。目前存在两种韧皮部装载机制,一种是光合产物进入质外体,随后通过特殊运转蛋白被装载到韧皮部,以运输蔗糖为主的作物大多是质外体运输途径;第二种是共质体途径,运输寡聚糖(棉籽糖、水苏糖、毛蕊花糖等)和蔗糖的植物大多数是进行共质体装载。本试验中,夜间9℃低温条件下果柄维管束中蔗糖积累量高于子蔓维管束中蔗糖积累量,可能是葫芦科作物在果柄维管束存在一部分的质外体运输或者当共质体运输受到抑制时质外体运输被诱导。烟草和马铃薯上也有相似报道。另一种可能就是蔗糖通过胞间连丝进入