不同甜高粱品種蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性與糖分積累的關(guān)系

李春陽+胡瑞芳+張馨月

摘要：以12個(gè)品種的甜高粱為材料，測定其葉片和莖稈在4個(gè)主要生長時(shí)期的可溶性糖含量以及蔗糖合成酶（sucrose syhthase，簡稱SS）和蔗糖磷酸合成酶（sucrose phosphate synthase，簡稱SPS）的活性變化，對(duì)2種酶的活性以及酶活性與可溶性糖含量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，以了解甜高粱體內(nèi)蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶對(duì)糖積累的影響。結(jié)果表明：在整個(gè)生長時(shí)期中，可溶性總糖含量不斷提高，成熟期達(dá)到最大值。同一時(shí)期，莖稈中的2種酶活力大于葉片中的酶活力，在前期，2種酶活力差異不明顯，但在生長后期，相同部位的SS活性要大于SPS活性。葉片中可溶性糖含量與SS活性呈極顯著正相關(guān)（r=0.913，P<0.01），與SPS活性也呈極顯著正相關(guān)（r=0.92，P<0.01）；莖稈中可溶性糖含量與SS活性呈極顯著正相關(guān)（r=0.989，P<0.01），與SPS活性也呈極顯著正相關(guān)（r=0.983，P<0.01），說明SPS和SS是影響甜高粱糖積累的關(guān)鍵酶。

關(guān)鍵詞：甜高粱；蔗糖合成酶（SS）；蔗糖磷酸合成酶（SPS ）；酶活力；糖分積累

中圖分類號(hào)：S514.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0139-03

甜高粱[Sorghum bicolor（L.） Moench]別稱糖高粱，屬于禾本科高粱屬，是普通粒用高粱的一個(gè)變種[1]，具有光合效率高、糖分積累快、生物量大、適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。近年來，甜高粱已成為世界上的一種新型的飼料、糖料和能源作物[4]，引起了許多國家的廣泛重視，受到積極研究并大力推廣[5]。研究甜高粱莖稈中可溶性糖含量及其相關(guān)酶活性的變化對(duì)高粱的改良、利用和開發(fā)具有很重要的意義。在高等植物中，參與糖代謝相關(guān)的酶主要有蔗糖合成酶（sucrose synthase，簡稱SS）和蔗糖磷酸合成酶（sucrose phosphate synthase，簡稱SPS ）等，二者含量的變化直接影響糖的合成[6]。SPS活性影響光合產(chǎn)物在淀粉與蔗糖之間的分配，主要調(diào)節(jié)蔗糖的合成[7]。SS能夠控制蔗糖代謝和蔗糖累積，既可催化蔗糖合成又可催化蔗糖分解，功能比較復(fù)雜[8]。本研究選用12個(gè)品種的甜高粱為材料，測定其在4個(gè)主要生長時(shí)期的葉片和莖稈中可溶性糖含量以及SS、SPS的活性，對(duì)2種酶的活性以及它們與可溶性糖含量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，為進(jìn)一步研究甜高粱SS、SPS的表達(dá)調(diào)控機(jī)制、糖分積累特征以及改良甜高粱的甜度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料由遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，分別為9198A3×（111×1022）、矮四A3×（111×1022）、遼甜1號(hào)、遼甜2號(hào)、遼甜3號(hào)、遼甜4號(hào)、遼甜5號(hào)、遼甜6號(hào)、遼甜7號(hào)、遼甜9號(hào)、遼甜10號(hào)、遼甜12號(hào)。

1.2 取樣

試驗(yàn)材料分別取自甜高粱苗期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期的莖和葉，葉片取自旗葉下第1張葉，莖稈取自從下往上數(shù)第3節(jié)莖，采樣時(shí)隨機(jī)選取，3次重復(fù)，液氮速凍后放入-40 ℃低溫冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 試驗(yàn)方法

采用優(yōu)化的蒽酮比色法[9-10]測定可溶性糖總含量。采用間苯二酚比色法[11]測定SS和SPS的活性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel及SPSS對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜高粱總糖含量分析

在4個(gè)生長時(shí)期內(nèi)，葉片中可溶性糖含量在前3個(gè)時(shí)期的變化都不明顯，但在成熟期增長迅速，達(dá)到最大值，說明甜高粱是在成熟期積累大量的糖類物質(zhì)；遼甜9號(hào)的葉片中可溶性糖含量最多，遼甜4號(hào)含量最少（圖1）。

如圖2所示，在3個(gè)生長時(shí)期中，莖稈的可溶性糖含量隨著植株的生長不斷增加，抽穗期增長緩慢，在成熟期有大幅度的增長，此時(shí)期莖稈可溶性糖含量達(dá)到最高值。其中遼甜9號(hào)的可溶性糖含量最高，遼甜4號(hào)含量最低，這一點(diǎn)與葉片中可溶性糖含量相似。

2.2 甜高粱蔗糖合成酶活性分析

在12個(gè)品種的甜高粱葉片中SS的活性變化均表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢，在拔節(jié)期處于最低值，在成熟期達(dá)到峰值；在苗期和拔節(jié)期， 不同品種的葉片之間SS活性沒有明顯差異，在抽穗期有較小的差異，成熟期時(shí)差異最明顯，其中遼甜9號(hào)葉片的SS活性高于其他品種，而遼甜4號(hào)的SS活性最低（圖3）。

不同品種的甜高粱莖稈中的SS活性在拔節(jié)期相差不大，在成熟期差異明顯，其中遼甜9號(hào)莖稈的SS活性依然最大，遼甜4號(hào)最小；從整體上分析，莖稈中SS活性呈現(xiàn)上升的趨勢，先是緩慢上升，抽穗期以后，迅速上升，在成熟期達(dá)到最大值（圖4）。

2.3 甜高粱蔗糖磷酸合成酶活性分析

在4個(gè)生長時(shí)期內(nèi)，葉片中SPS活性與SS活性的變化趨勢基本一致，呈先降低后增高趨勢，在拔節(jié)期達(dá)到最小值，成熟期達(dá)到最大值，且高于前3個(gè)生長時(shí)期；不同品種的甜高粱葉片中的SPS活性相比較，前2個(gè)時(shí)期差異不明顯，抽穗期和成熟期差異明顯，成熟期遼甜9號(hào)的SPS活性明顯大于其他品種（圖5）。

分析比較不同品種的甜高粱莖稈中SPS活性，拔節(jié)期SPS活性相差不大，抽穗期略有差異，成熟期差異最明顯，同時(shí)活性最大的仍然是遼甜9號(hào)，活性最小的仍是遼甜4號(hào)；甜高粱莖稈中SPS活性與SS活性變化規(guī)律大體相同，呈上升趨勢；成熟期時(shí)莖稈中SPS活性明顯高于前2個(gè)時(shí)期（圖6）。

2.4 甜高粱總糖含量與相關(guān)酶活性的分析

12個(gè)品種甜高粱葉片中可溶性總糖含量與SS和SPS活性的變化趨勢略有不同，可溶性糖的變化呈先升高，再降低，最后上升的趨勢，而SS和SPS活性的變化呈先降低后升高的趨勢。對(duì)甜高粱葉片中可溶性糖含量與SS和SPS活性進(jìn)行相關(guān)性分析得出，可溶性總糖與SS活性呈顯極著正相關(guān)（r=0.913，P<0.01），與SPS活性也呈極顯著正相關(guān)（r=0.92，P<0.01）。

12個(gè)品種甜高粱莖稈中可溶性總糖含量與SS和SPS活性變化趨勢基本相同，都呈上升趨勢。對(duì)這12種甜高粱莖稈中可溶性糖與SS和SPS活性進(jìn)行相關(guān)性分析，得到相關(guān)系數(shù)。從數(shù)據(jù)上看，莖稈中可溶性糖與SS活性呈極顯著正相關(guān)（r=0.989，P<0.01），與SPS活性也呈極著正相關(guān)（r=0.983，P<0.01）。

3 結(jié)論與討論

甜高粱以其生物學(xué)產(chǎn)量高、用途廣成為具有潛在應(yīng)用價(jià)值的能源作物[12]。本試驗(yàn)通過對(duì)12個(gè)品種甜高粱不同時(shí)期可溶性總糖含量以及SS、SPS活性的研究，結(jié)果表明，在甜高粱的整個(gè)生長發(fā)育時(shí)期內(nèi)，可溶性糖含量總體上隨著植株的生長不斷增加，到成熟期達(dá)最大值，莖稈中的總糖的含量高于其在葉片中的含量，說明莖稈是甜高粱糖分儲(chǔ)存的主要器官。

葉片中SS、SPS活性的變化趨勢相同，呈先少量降低，再緩慢上升，最后迅速上升的趨勢，且SS活性高于SPS活性。莖稈中SS、SPS活性的變化依然相同，呈上升的趨勢。同一時(shí)期，莖稈中的2種活性要大于葉片中的活性。在生長前期時(shí)，葉片和莖稈中的相關(guān)活性差異較小，但在生長后期，相同部位的SS活性普遍大于SPS活性。

對(duì)可溶性糖含量和SS、SPS活性的相關(guān)性分析可以看出，葉片中可溶性總糖與SS活性呈極顯著正相關(guān)（r=0.913，P<0.01），與SPS活性也呈極顯著正相關(guān)（r=0.92，P<0.01）。莖稈中可溶性總糖與SS活性呈極顯著正相關(guān)（r=0.989，P<0.01），與SPS活性也呈極顯著正相關(guān)（r=0.983，P<0.01）。說明SS和SPS是影響甜高粱糖積累的重要酶。在成熟期時(shí)，遼甜9號(hào)的總糖含量、SS和SPS活性最高，遼甜4號(hào)最低，這與成熟期糖積累的情況相符。

研究甜高粱可溶性糖含量及其相關(guān)酶活性的變化，可為進(jìn)一步研究高粱SS、SPS表達(dá)調(diào)控機(jī)制、提升高粱含糖量、培育品質(zhì)優(yōu)異的甜高粱品種提供參考，對(duì)提高甜高粱的產(chǎn)量、生物量、含糖量，及其改良、有效利用和開發(fā)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧 峰，鄒劍秋，段有厚. 甜高粱莖稈含糖量及主要農(nóng)藝性狀相關(guān)性研究[J]. 遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013（6）：1-4.

[2]Evaggel Billa，Dimitris P. Koullas，et al. Structure and composition of sweet sorghum stalk components[J]. Industrial Crops and Products，1997，6（3）：279-302.

[3]Ritter K B，Mc Intyre C L，Godwin ID，et al. An assessment of the genetic relationship between sweet and grain sorghums，within Sorghum bicolor ssp. bicolor （L.） Moench，using AFLP markers[J]. Euphytica，2007，157（1）：161-176.

[4]李春宏，張培通，郭文琦，等. 甜高粱青貯飼料研究與利用現(xiàn)狀及展望[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（3）：150-152.

[5]Rooney W L，Blumenthal J，Bean B，et al. Designing sorghum as adedicated bioenergy feedstock [J]. Biofuels，Bioproducts and Biorefining，2007，1（2）：147-157.

[6]葉 凱，再吐尼古麗·庫爾班，陳維維，等. 不同播種期下甜高粱秸稈SS、SPS酶活性的研究[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，49（10）：1874-1880.

[7]劉彩霞，蔣學(xué)皎，陳進(jìn)紅. 作物蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性調(diào)控的研究進(jìn)展[J]. 科技通報(bào)，2008，24（3）：355-360.

[8]薛 薇，崔江慧，孫愛芹，等. 高粱可溶性糖含量與SS、SPS酶活性的相關(guān)性研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2009，11（2）：124-128.

[9]王宏軍，鄧旭明，蔣 紅，等. 蒽酮-硫酸比色法檢測多糖條件的優(yōu)化[J]. 中國飼料，2011（4）：39-41.

[10]李曉旭，李家政. 優(yōu)化蒽酮比色法測定甜玉米中可溶性糖的含量[J]. 保鮮與加工，2013（4）：24-27.

[11]薛應(yīng)龍. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)[M]. 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985：148-150.

[12]張 會(huì)，鄒維華，張友兵，等. 優(yōu)質(zhì)能源甜高粱突變體的篩選與鑒定[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，34（5）：1-6.