葡萄果实中的糖分积累和调控

1、植物生理学通讯 第44 卷 第4 期，2008 年8 月785葡萄果实中的糖分积累和调控谢兆森, 王世平*, 许文平上海交通大学农业与生物学院, 上海200240Accumulation of Sugars and Their Regulation in Grape BerriesXIE Zhao-Sen, WANG Shi-Ping*, XU Wen-PingSchool of Agricultutre and Biology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China提要: 文章介绍葡萄果实不同发育期糖分积累的特点、糖分积累的细胞学途径、共质体到质外体的转变过程和这两种途径的调控机制, 以及根域限制栽培措施对葡萄果实糖分积累的影响和机制的研究进展。关键词: 葡萄; 果实; 卸载; 根域限制; ASR蛋白收稿2008-05-12修定2008-07-04资助国家自然科学基金(30571287)。*通讯作者(E-mail: ; Tel: 021-34205956)。葡萄(Vitis vinifera L.)是世界上栽培面积最

2、大的一种果树。对葡萄果实品质研究一直是国内外 果树研究领域的一个热点, 而决定葡萄果实品质的主要因素是果实内糖的种类及糖分含量。葡萄除幼果时积累少量淀粉、 有机酸外, 其他时期主要以积累葡萄糖和果糖为主, 蔗糖含量极微或无(潘照明和罗中光1990)。 葡萄果实糖分的积累过程决定糖含量的高低。葡萄果实糖分积累就是叶中光合产 物经韧皮部运输卸载到果实的过程, 而调控这一过 程的关键步骤就是糖分通过韧皮部在果实端的卸载, 这包括糖分在果实韧皮部的卸载途径及其调控因 子 。1 葡萄果实的构造、发育与糖分积累1.1 葡萄果实的结构 葡萄浆果由2552层细胞组 成, 其结构可分为外表皮、中果皮和内果皮。其中中果皮由1618层大型薄壁细胞组成, 形成了具有浆果特性的柔软多汁部分, 是主要的食用部分(饶景萍等 1998)。维管束分布在果皮内, 按其分布位置可分为主级维管束(major vascular bundle)、次级维管束(minor vascular bundle)、中央维管束 (central vascular bundle) (Zhang 等 2006)。主级维管束外侧为外果皮, 内侧为中

3、果皮; 次级维管束与主级维管束相连分布在中果皮内; 中央维管束沿葡萄果实的径向中轴分布在果肉中。维管束是糖运输的主要器官, 不同品种的葡萄果实的维管束数量也不同, 同一品种葡萄的维管束数量在果实发育不 同时期也不同(潘照明和罗国光 1990)。1.2 葡萄果实的发育期与糖分积累 葡萄果实发育呈典型的双 S 型, 可划分为 3 个时期。第 I 期和第III期为迅速生长期, 2个快速生长期之间为第II期,是果实生长的滞后期(Fillion 等 1999)。第 I 期, 花后迅速生长, 有稍短的细胞分裂期, 随之在液胞中 储藏大量的有机酸引起液胞膨大, 导致细胞体积扩大, 在这一时期结束时葡萄酸度达到最大。第 II期, 开花后 710 周, 是生长滞后期。第 III 期开始时伴随着果实软化, 糖和氨基酸快速积累, 酸度下降果肉细胞的扩张。第II期至第III期的转变在24h内就完成(Coombe 1992), 这一时期称之为转化期 (veraison), 标志着成熟的开始。转化期, 有机酸含 量下降, 可溶性糖浓度增加。在转化期之前, 果实硬, 果实颜色为绿色, 酸度大, 不甜, 已糖含量少于

4、150 mmolL-1, 葡萄糖(Glu)和果糖(Fru)的比例为 2。转熟 20 d 后, 已糖浓度接近 1 molL-1, 葡萄糖果糖比例为1 (Findlay等1987)。Zhang等(2006)发现在 第 I 期果实细胞之间存在少量胞间连丝, 而且在胞间连丝的通道中有成列的小囊胞。这些小囊胞是共质体运输的营养物质。第 II 期果肉细胞的有些细胞质膜发生凹陷, 使得壁膜界面积增大, 促进胞间物质的运输。果实发育的第III期果实体积迅速增大, 增量达到总体积的 1/2 左右(张大鹏等 1997)。2 葡萄果实中糖积累途径果实整个发育和成熟过程要积累大量的干物质, 是植物体一个强大的代谢库。 葡萄是果树中果实中糖分积累较高的品种, 达到 25%80%。按照果实糖分来源和积累特点, 可以将果实划分为3种植物生理学通讯 第44 卷 第4 期，2008 年8 月786类型。 (1)糖直接积累型, 如葡萄、柑橘、草莓、 荔枝等。 这类果实在果实生长发育期内, 光合产物主要以可溶性糖的形式在果实内积累。 (2)淀粉转化型, 如香蕉、猕猴桃、芒果等。这类果实积累的光合产物主要以淀粉形式存在, 采

5、后再由淀粉转化成可溶性糖。 (3)中间类型, 如番茄、苹果、桃、梨等。这类果实在果实发育早期和中期主要 以积累淀粉为主, 后期淀粉含量下降, 可溶性糖含量增加。葡萄果实积累的糖分主要为果糖、葡萄糖, 还有少量蔗糖。 有研究证明葡萄浆果中蔗糖浓度很低, 其含量不足总糖的4%, 且主要集中在维管束组织区(Zhang 等 2006)。始熟期前果皮和果肉中央果糖葡萄含量最高, 之后果肉中央和周围维管 束的下部果糖和葡萄糖含量最高, 这说明蔗糖离开维管束组织后即快速分解。糖在葡萄韧皮部的运输形式为蔗糖。葡萄果实糖积累的主要在果实发育的转熟期, 如果在未成熟前采摘葡萄果实则不能变 甜 。葡萄果实糖分以蔗糖的形式从源器官(叶)经韧 皮部长距离运输到果实维管束韧皮部。糖到达果实韧皮部的筛管伴胞(sieve element/companion cell, SE/CC)复合体后经由 2条细胞学途径进入库细胞:一条为共质体途径, 即糖通过筛管伴胞复合体与周围韧皮部薄壁细胞间的胞间连丝运输到库细胞; 另一条为质外体途径, 即糖分从筛管伴胞复合体卸载 到质外体空间, 然后通过库细胞质膜上的载体或质子泵(H+-A

6、TPase)进入库细胞; 同时葡萄在果实发育的不同时期卸载途径也有区别, 存在2种途径的转换, 即由共质体途径转变成质外体途径(Lalonde2003)。2.1 共质体途径 许多库器官中筛管伴胞复合体与 周围薄壁细胞之间以胞间连丝相连, 光合产物可以通过胞间连丝进行共质体卸载。绝大多数库组织都是以共质体卸载为主, 比如在叶库、根、种子的胚珠以及果实上都得到证明(Patrick 1997; Oparka和 Cruz 2000; Lalonde 等 2003)。葡萄果实筛管伴胞复合体和韧皮部薄壁细胞之间以及薄壁细胞之间 都存在着大量胞间连丝。这些胞间连丝把相邻的细胞连接起来, 形成一个共质体区域。 葡萄果实的糖分经韧皮部长距离运输后可经胞间连丝进行共质体卸载和卸载后运输。通过胞间连丝的共质体运输是一个被动扩散过程, 是不需要能量的光合产物运输过程。 共质体 途径免除了跨膜运输对能量的依赖, 可以提供比跨膜运输更大的转运能力(Murphy 1986)。许多研究证明可溶性糖可以通过被动扩散和集流的方式通过胞间连丝进行运输(Tucker 和 Tucker 1993)。Pritchard等(200

7、0)发现根尖糖在胞间连丝的被动扩散是由胞间连丝两端的压力差驱动。同时胞间连 丝的糖集流运输可以驱散进入韧皮部的水分, 降低筛分子处的水势(Murphy 1989)。从整体上来看,共质体系统内溶质浓度的不平衡是造成糖分沿共质体运输的动力(Cleland等 1986)。在研究根尖共质体卸载时发现膨压梯度和溶质浓度梯度是推动共质体运输的主要动力(Cleland 等 1994)。 胞间连丝对通过它运输的糖分还可以起到一定的调控作用。 在共质体运输过程中, 影响共质体运输的重要因子有细胞大小、胞间连丝频率以及胞间连丝通道的数量和大小等(张凌云和张大鹏2003)。 胞间连丝通道大小极限(size exclusion limit,SEL)是决定不同细胞之间物质转移的重要因子 (Terry和Robards 1987), 并且是估算共质体运输能力的定量指标(Van Bel等1988)。正常植物细胞间 胞间连丝通透性大小极限为分子量 8001 000 Da的物质(Terry和Robards 1987)。2.2 质外体途径 蔗糖是葡萄韧皮部糖运输的主要形式, 但是有实验证明葡萄果实内蔗糖含量很低, 而 且葡

8、萄糖分积累主要在果实的成熟期, 这一生长期葡萄卸载以质外体卸载为主。蔗糖从筛管经质外体卸载后就快速被分解成葡萄糖和果糖。夏国海(1999)的实验证明: 在葡萄果实的成熟期, 葡萄浆果的质外体空间有高浓度的可溶性糖的存在, 而且韧皮部细胞与相邻的果肉库细胞之间、以及果肉 库细胞相互之间几乎不存在胞间连丝, 说明韧皮部与周围果肉库细胞之间、以及果肉库细胞相互之间形成共质体隔离。 据此可以认为, 在葡萄果实发育前期, 一方面, 筛管中糖分可通过共质体途径卸载到伴胞或韧皮薄壁细胞中, 糖分可以在韧皮部连为一体的共质体空间内方便地运转, 而糖分由韧皮 部向果肉库细胞的卸载则转为质外体途径为主; 另一方面, 糖分在果肉中的卸载后运输、 以及向库细胞的装载主要是通过质外体途径。韧皮部糖分卸载后主要依靠质外体途径进行运输己经得到证明(Patrick 1997)。植物生理学通讯 第44 卷 第4 期，2008 年8 月787在葡萄浆果质外体空间含有可溶性的、与细 胞壁结合的蔗糖转化酶, 这些转化酶把蔗糖转化为葡萄糖和果糖, 从而导致韧皮部至浆果质外体空间中蔗糖的浓度梯度增加(Davis 和 Robins

9、on 1996)。卸载到质外体空间的糖分依赖特异的运输蛋白, 从质外体空间跨膜进入果肉薄壁细胞中。2.3 共质体与质外体途径的转变 光合产物的卸载 途径会随着有些库器官的发育过程发生变化。用共质体荧光染料示踪方法证实, 马铃薯在块茎形成期光合产物卸载途径会从质外体途径转变成共质体途径(Viola 等 2001)。在番茄果实发育早期, 光合产物卸载是以共质体途径为主, 到了果实发育后期卸载方式则转变成质外体途径(Patrick 1997)。这 种途径的不同转变与其积累物质相关。番茄和马铃薯在以积累淀粉为主的发育期内, 都采用共质体途径进行积累; 而在积累己糖为主的发育期内, 积累途径则都转变为质外体途径(Lalonde 等 2003)。葡萄果实共质体运输能力会随着果实发育的不同阶段发生变化。 随着果实转熟期开始, 葡萄果 实共质体运输能力不断下降, 这一时期果实糖分卸载是以质外体途径进行的。Zhang等(2006)的研究 证明葡萄果实发育的第 I期和第 II期, 光合产物是以共质体途径运输; 在转熟期开始, 共质体运输开始转变成质外体运输; 在第III期, 糖分卸载主要以质外体途径进行。 葡萄转熟期是葡萄果实卸载途径发生转变的关键期。 对葡萄果实超微结构观察的结果表明, 葡萄果实转熟后筛管伴胞复合体与周围薄壁细胞之间以及薄壁细胞之间的胞间连丝发生堵塞, 许多伴胞也发生质壁分离。这些特征标志着筛管伴胞复合体与周围薄壁细胞间的共质体联系被阻断, 果实发 育前期的整个韧皮部与周围同化物库细胞之间的共质体隔离, 演变为韧皮部内部筛管伴胞复合体与周围细胞之间的共质体隔离。Zhang等(2006)通过在韧皮部中注入共质体荧光染料示踪剂 (carboxy fluorescein,CF)、绿色荧光蛋白(green fluorescent protein, GFP)、GFP 标记运动蛋白(3a green fluorescent protein, 3a GFP)等物质, 采用活细胞示踪和激光共聚焦扫描显微技术(confocal laser scanning microscope, CLSM)研究了这些示踪剂和荧光标记物在果实组织内的运动, 证实了糖分卸载途径的转变。 在果实发育的前期, CF、GFP 和

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