甜和不甜西瓜果实中糖积累及相关酶活性初析

2022年5月21日13:34:04甜和不甜西瓜果实中糖积累及相关酶活性初析已关闭评论
摘要

刘景安 郭绍贵 何洪巨 张海英 宫国义 任毅 许勇目的与意义:棉子糖半乳糖苷系列寡糖(RFO)的水解对于西瓜果实中糖的积累至关重要,然而大众对于α-半乳糖苷酶在西瓜果实发育过程中的作用知之

    刘景安 郭绍贵 何洪巨 张海英 宫国义 任毅 许勇

    

    目的与意义:棉子糖半乳糖苷系列寡糖(RFO)的水解对于西瓜果实中糖的积累至关重要,然而大众对于α-半乳糖苷酶在西瓜果实发育过程中的作用知之甚少。之前并没有关于高糖西瓜和低糖西瓜中糖积累及酶活性进行过系统的报道。研究了高糖西瓜和低糖西瓜两个亚种中果实糖代谢机制的差异,及2种西瓜中心果肉和中果皮的糖代谢相关酶的动态特征,包括转化酶,α-半乳糖苷酶,SuSy(蔗糖合成酶)和SPS(蔗糖磷酸合酶)。

    材料与方法:使用高糖栽培种西瓜‘97103(C. lanatus subsp. vulgaris)和低糖野生种西瓜‘PI 296341-FR(C. lanatus subsp. lanatus)作为试验材料。在高糖西瓜‘97103果实发育的4个关键阶段收集中心果肉、中果皮和整个果实组织样品,这4个阶段分为授粉后10、18、26、34 d收集,对于低糖西瓜‘PI 296341-FR,在授粉后10、18、26、34、42和50 d处收集果肉、中果皮和整个果实组织样品用于测试糖和干物质含量以及测定酶活性。使用化学仪器和统计方法等手段分离西瓜样品中的各种糖,测定α-半乳糖苷酶活性,提取转化酶活性并进行分析,提取SuSy和SPS。

    结果与分析:在西瓜果实发育过程中栽培种‘97103果肉的总含糖量远高于栽培种‘97103中果皮,同样高于野生种‘PI 296341-FR的果肉和中果皮。在野生种‘PI 296341-FR果实的不同发育阶段,果肉中的总含糖量高于中果皮,葡萄糖和果糖是栽培种‘97103果肉发育早期(18 DAP之前)积累的主要糖类,果糖含量几乎恒定,葡萄糖含量略有下降。栽培种‘97103中果皮,果糖和葡萄糖含量在果实发育过程中恒定,并且低于栽培种果肉中果糖和葡萄糖含量。对于野生种‘PI 296341-FR果实,果糖和葡萄糖含量逐渐下降,略低于栽培种‘97103中果皮糖含量,蔗糖含量從18 DAP(授粉后的天数) 到26 DAP大幅增加,并在栽培种‘97103的成熟果肉中达到最高水平,这可能是因为栽培种‘97103是早熟品种,所以栽培种‘97103果肉中的糖含量在授粉后2~3周左右急剧增加。在栽培种‘97103成熟果实的中果皮和野生种‘PI 296341-FR的果肉及中果皮几乎没有蔗糖,而蔗糖是成熟栽培种‘97103果实中3种糖积累中最多的。栽培种和野生种的果肉和中果皮干物质含量的变化与果实发育过程中总糖含量的变化相似。研究结果表明,蔗糖是高糖西瓜‘97103中总糖含量最多的糖,蔗糖积累不仅决定了高糖西瓜‘97103中糖分的组成和总含量,而且还可以反映高糖西瓜和低糖西瓜之间的差异。在栽培种‘97103中,果肉中含有更多的光合产物,因为在栽培种西瓜‘97103果肉中的干物质含量高于中果皮和整个果实组织(整个果实组织包括什么?)。在野生种中,因为果肉和中果皮累积的干物质比整个果实组织少,所以大部分未装载的光合同化物被分配到种子中。总的来说,栽培西瓜的成熟果实比野生西瓜积累更多的光合同化物,因为栽培品种的整个果实组织中的干物质含量高于野生西瓜。糖和干物质积累的完全不同的动态意味着在西瓜进化过程中驯化了糖卸载和分配的机制。

    高糖栽培西瓜‘97103和低糖野生西瓜‘PI 296341-FR中碱性α-半乳糖苷酶活性在整个果实发育过程中呈下降趋势,栽培种‘97103果肉和中果皮,野生种‘PI 296341-FR果肉和中果皮中该酶活性没有明显差异。可以得出结论,碱性α-半乳糖苷酶在决定西瓜果实中糖积累的水平中不起作用。栽培种‘97103果肉中可溶性糖含量显著高于栽培种‘97103中果皮,而碱性α-半乳糖苷酶水平相似。因此,碱性α-半乳糖苷酶在西瓜果实中的作用可能只涉及光合同化物的卸载。

    确定了栽培型‘97103果肉中不溶性酸转化酶活性随着蔗糖含量增加而增加,其活性在果实发育后期(26~34 DAP)下降。果实发育过程中不溶性酸转化酶活性在栽培种‘97103中果皮中保持恒定水平,远低于栽培种‘97103果肉水平,但远高于野生种‘PI 296341-FR的果肉和中果皮。在野生种‘PI 296341-FR果实发育的所有阶段,酸性缓冲液测量结果显示不溶性转化酶活性保持恒定低水平。野生种‘PI 296341-FR果肉和中果皮中的不溶性酸转化酶活性比栽培种‘97103果肉低得多。栽培种‘97103果实中果皮的SAI(可溶性酸转化酶)活性高于果肉,野生种‘PI 296341-FR果实中SAI活性也较高。在栽培种‘97103的果肉中糖含量较高,但中性转化酶(NI)活性低于中果皮,但中果皮糖含量非常低,野生种‘PI 296341-FR果肉和中果皮的NI活性和糖含量都很低。

    在目前的研究中,蔗糖合成方向的SuSy活性在果实成熟初期略有下降,在果实发育的成熟阶段急剧增加(26~

    34 DAP)。在栽培种‘97103果实发育各个阶段中果肉的SPS活性随着蔗糖含量的增加而增加,表明SPS在蔗糖合成中起作用。SPS活性和蔗糖含量正相关也说明了其在栽培种‘97103果肉中蔗糖合成中起作用。在栽培种‘97103果肉中,SuSy活性与蔗糖含量之间没有明显相关性,但SuSy活性在其最低点仍然相当高(26 DAP)。因此,SuSy在果实发育过程中有效地合成蔗糖。栽培种‘97103中果皮,野生种‘PI 296341-FR果肉和中果皮的SPS和SuSy活性均低于栽培种‘97103果肉,蔗糖含量也较低。这些结果进一步证实,较高的SPS和SuSy活性是增加栽培西瓜果实中蔗糖积累所必需的。

    结? ? 论:对高糖西瓜和低糖西瓜果肉与中果皮糖相关酶活性动态进行了比较,为西瓜果实糖代谢研究提供了新的方向。高水平糖的积累可能来自几个因素,包括酸性α-半乳糖苷酶、不溶性酸转化酶、SuSy和SPS的活性增加。目前正在对果实发育过程中‘97103和‘PI 296341-FR果实的果肉和中果皮进行全球转录组分析,转录组结果将提供更详细的信息,以阐明西瓜果实品质发展的分子机制。