河西地區(qū)赤霞珠葡萄果實(shí)發(fā)育期糖代謝及相關(guān)酶活性的變化

邊彩燕 姜寒玉 朱永永 陳超 熊春蓉 趙貴賓

摘要：以采自甘肅紫軒葡萄酒業(yè)葡萄園的釀酒葡萄赤霞珠為試驗(yàn)材料，對(duì)果實(shí)中葡萄糖、果糖、蔗糖含量及糖代謝相關(guān)酶活性進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，隨著赤霞珠葡萄果實(shí)的生長(zhǎng)，蔗糖、葡萄糖、果糖含量顯著上升。不同生長(zhǎng)發(fā)育階段，赤霞珠果實(shí)中酸性轉(zhuǎn)化酶、中性轉(zhuǎn)化酶、蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活力不同。相關(guān)性分析表明，整個(gè)發(fā)育期的葡萄糖、果糖、蔗糖與酸性轉(zhuǎn)化酶活性存在顯著正相關(guān)，R值分別為0.789、0.726、0.719;葡萄糖、果糖、蔗糖與中性轉(zhuǎn)化酶活性、蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶活性均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：赤霞珠;糖代謝;轉(zhuǎn)化酶;合成酶

中圖分類號(hào)：S663.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1001-1463（2021）06-0042-07

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2021.06.011

Changes in Sugar Metabolism and Related Enzyme Activities of Cabernet sauvignon Grape Fruits during Development in Hexi Region

BIAN Caiyan 1， JIANG Hanyu 2， ZHU Yongyong 1， CHEN Chao 1， XIONG Chunrong 1， ZHAO Guibin 1

（1. Gansu Agricultural Technology Extension Station， Lanzhou Gansu 730000， China; 2. College of Physical Science and Technology， Nanjing Normal University， Nanjing Jiangsu 210046， China）

Abstract：Cabernet sauvignon was selected from the vineyard of Gansu Zixuan Wine Industry as the experimental material， the contents of glucose， fructose， sucrose and the activities of enzymes related to sugar metabolism in fruits were determined. The results showed that the content of sucrose， glucose and fructose increased significantly with the growth of Cabernet sauvignon grapes. The activities of acid invertase， neutral invertase， sucrose synthase and sucrose phosphate synthase were different in Cabernet sauvignon fruits at different growth and development stages. Correlation analysis showed that glucose， fructose， sucrose and activity of acidic invertase activity in the whole development period were significantly positively correlated， R values of 0.789， 0.726 and 0.719， respectively. The activities of neutral invertase， sucrose phosphate synthase and sucrose synthase were significantly positively correlated with glucose， fructose and sucrose.

Key words：Cabernet sauvignon;Sugar metabolism;Invertase;Synthetase

葡萄在我國屬于六大水果之一， 在果樹種植中有著舉足輕重的作用[1 - 2 ]。甘肅省河西走廊是我國重要的葡萄種植基地，歷史悠久，已形成了獨(dú)具特色的葡萄酒文化，基本形成了武威、張掖、嘉峪關(guān)、酒泉四大產(chǎn)區(qū)。該區(qū)域內(nèi)的釀酒葡萄，具有粒大、色澤好、氣味濃郁等特點(diǎn)。葡萄漿果中包含多種糖類，如葡萄糖、果糖及蔗糖，含量一般為15%～25%。糖不單單是口感的代名詞，也決定著漿果維生素、芳香物質(zhì)的含量，所以，含糖量是評(píng)價(jià)果實(shí)品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)糖代謝直接影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育，以強(qiáng)化植物生育及品質(zhì)為根本目的，圍繞糖代謝過程進(jìn)行探析，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義[3 ]。葡萄果實(shí)品質(zhì)的高低往往對(duì)應(yīng)著糖種類的多少及含量的大小，可以說，糖分的種類、含量決定著果實(shí)本身的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、風(fēng)味口感等各類品質(zhì)[4 - 6 ]。在葡萄上開展糖代謝相關(guān)的研究，深入了解其全生育期內(nèi)糖代謝的轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律，對(duì)認(rèn)識(shí)葡萄果實(shí)糖的來源、代謝相關(guān)酶的分布情況、果實(shí)生長(zhǎng)階段糖含量、相關(guān)酶活性的變化特征具有積極作用，且能夠?yàn)檎{(diào)控果實(shí)糖代謝及其相關(guān)研究帶來真實(shí)性的數(shù)據(jù)支持。有關(guān)糖代謝及相關(guān)酶的轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律在香蕉[7 ]、荔枝[8 ]、獼猴桃[9 ]、紐荷爾臍橙[10 ]、蘋? 果[11 ]、枸杞[12 ]等一些樹種中已有報(bào)道。我們基于赤霞珠葡萄果實(shí)生長(zhǎng)期，糖含量及蔗糖代謝相關(guān)酶活性變化進(jìn)行研究，旨在探索赤霞珠果實(shí)生長(zhǎng)過程中糖代謝的轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律和調(diào)控機(jī)制，進(jìn)而為果實(shí)品質(zhì)的改良提供參考。

1? ?材料與方法

1.1? ?試驗(yàn)區(qū)概況

選取甘肅紫軒葡萄酒業(yè)釀酒葡萄種植園為試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)位于祁連山北麓，北緯39° 6′，大陸性荒漠氣候。年平均氣溫為8.0 ℃，其中最高、最低氣溫分別為38.6、-31.7 ℃。年平均降水量為73.3 mm;太陽總輻射約等于560.12～576.84 kJ/cm2。土壤pH 7.5～8.8[13 ]。

1.2? ?供試材料

供試釀酒葡萄赤霞珠由甘肅紫軒葡萄酒業(yè)提供。

1.3? ?試驗(yàn)方法

選擇長(zhǎng)勢(shì)良好、均勻的5株赤霞珠為試驗(yàn)樹，于7、8、9月的15日左右分別取樣。分別從每株試驗(yàn)樹的同一部位選取大小相當(dāng)?shù)墓麑?shí)樣品，混勻后置于超低溫保存箱備用。

1.4? ?測(cè)定的項(xiàng)目及方法

1.4.1? ?糖的提取與測(cè)定? ?先將果實(shí)從超低溫保存箱中取出，對(duì)其進(jìn)行粗加工。取0.5 g經(jīng)粗加工的樣品置于試管中，添加5 mL蒸餾水，并攪拌均勻，置于沸水浴中，40 min后6 000 r/min離心10 min，取上清液。糖的測(cè)定均參照蔡武城[14 ]的方法。用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量，用分光光度法測(cè)定葡萄糖含量，用鉬酸銨比色法測(cè)定果糖含量，用Roe比色法測(cè)定蔗糖含量。

1.4.2? ?酶的提取與測(cè)定? ?取樣品0.5 g置于試管之中，添加 Hepes-NaOH（200 mmol/L，pH 7.5）緩沖液共計(jì)5 mL，將試管置于冰浴一段時(shí)間并研磨均勻，10 000 r/min冷凍離心10 min后取其上清液。酶的測(cè)定：酸性轉(zhuǎn)化酶、中性轉(zhuǎn)化酶按Nielsen的方法[15 ];蔗糖合成酶按Douglas和Tsai等的方法[16 - 17 ];蔗糖磷酸合成酶按Wardlaw的方法[18 ]。

1.5? ?數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用Excel 2003、SPSS 17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在此基礎(chǔ)上繪制相應(yīng)圖表。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?果實(shí)發(fā)育過程中糖含量的變化

2.1.1? ?蔗糖? ?從圖1可以看出，隨著果實(shí)的生長(zhǎng)，蔗糖含量顯著上升。8、9月份蔗糖含量分別為6.12、11.09 mg/g，比7月份（2.26 mg/g）分別顯著提高了172%、392%，而9月份比8月份顯著提高了81%。

2.1.2? ?葡萄糖? ?從圖2可以看出，隨著果實(shí)的生長(zhǎng)，葡萄糖含量顯著上升。8、9月份的葡萄糖含量分別為27.32、51.03 mg/g，比7月份分別顯著提高了946%、1855%，而9月份比8月份顯著提高了87%。

2.1.3? ?果糖? ?從圖3可以看出，隨著果實(shí)的生長(zhǎng)，果糖含量顯著上升。8、9月份的葡萄糖含量分別為57.56、103.35 mg/g，比7月份分別顯著提高了1 654%、3 051%，而9月份比8月份顯著提高了80%。

綜上所述，隨著果實(shí)的生長(zhǎng)，葡萄糖、果糖及蔗糖都呈顯著的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。蔗糖、葡萄糖、果糖含量在果實(shí)處于發(fā)育初期階段的7月份，含量較低，8月份蔗糖顯著積累，9月份成熟后達(dá)到高峰。葡萄糖，果糖的含量在果實(shí)生長(zhǎng)前期無較大差異，轉(zhuǎn)熟時(shí)前者稍低后者，成熟期后者則顯著高出前者。3種糖對(duì)應(yīng)的凈增長(zhǎng)量占據(jù)了成熟期糖總量的1/2?？紤]其中的各個(gè)組分，果實(shí)生長(zhǎng)的全過程以葡萄糖和果糖含量最高，約等于蔗糖、果糖及葡萄糖三者總量的90%及以上。

2.2? ?果實(shí)發(fā)育過程中轉(zhuǎn)化酶活性的變化

轉(zhuǎn)化酶主要包括酸性轉(zhuǎn)化酶（AI）和中性轉(zhuǎn)化酶（NI）兩類。從圖4可以看出，不同生長(zhǎng)發(fā)育階段，果實(shí)中酸性轉(zhuǎn)化酶活性不同。9月份的酸性轉(zhuǎn)化酶活性為11.67 μmol/（h·g），比7月份和8月份顯著提高，而8月份與7月份無顯著差異。

從圖5可以看出，不同生長(zhǎng)發(fā)育階段，果實(shí)中中性轉(zhuǎn)化酶活性不同。9月份的中性轉(zhuǎn)化酶活性為7.27 μmol/（h·g），比7月份和8月份分別顯著提高了491%和277%，而8月份與7月份無顯著差異。

可見，隨著果實(shí)的生長(zhǎng)，AI和NI均表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，且AI活性高于同期NI的活性。8月份的轉(zhuǎn)化酶活性較高，但果糖和葡萄糖積累量卻不是很高，說明該階段因轉(zhuǎn)化酶催化而生成的己糖多被代謝所消耗。9月份葡萄糖、果糖積累量達(dá)最大值，此時(shí)己糖主要用于積累。從整個(gè)發(fā)育期來看，AI活性明顯高出NI。

2.3? ?果實(shí)發(fā)育過程中蔗糖合成酶活性的變化

蔗糖合成酶（SS）的特點(diǎn)在于可溶解性，常見于細(xì)胞質(zhì)之中，在蔗糖代謝活動(dòng)中起著關(guān)鍵性作用。從圖6可以看出，不同生長(zhǎng)發(fā)育階段，果實(shí)中蔗糖合成酶活性不同。8月份和9月份的蔗糖合成酶分別為12.76、13.36 μmol/（h·g），比7月份分別顯著提高了158%、170%，而9月份與8月份無顯著差異。8月份為葡萄果實(shí)膨大期，該階段蔗糖的合成多依靠SS，合成的大量蔗糖并沒有被積累下來，而是在轉(zhuǎn)化酶的作用下迅速分解形成己糖（葡萄糖和果糖），成熟期時(shí)己糖含量達(dá)最大值。

2.4? ?赤霞珠果實(shí)發(fā)育過程中蔗糖磷酸合成酶活性的變化

蔗糖磷酸合成酶（SPS）作為可溶性酶，在糖的形成及積累期具有積極影響。從圖7可以看出，不同生長(zhǎng)發(fā)育階段，赤霞珠果實(shí)中蔗糖磷酸合成酶活力不同。9月份的蔗糖磷酸合成酶活力為12.34 μmol/（h·g），比7月份和8月份分別顯著提高了168%、86%，而8月份與7月份無顯著差異。SPS的活力變化趨勢(shì)表現(xiàn)為上升，隨著果實(shí)的生長(zhǎng)發(fā)育，在SPS的作用下果實(shí)積累了一定的蔗糖，但蔗糖積累量較低，此反應(yīng)又是不可逆反應(yīng)，因此可以推斷赤霞珠果實(shí)在生長(zhǎng)發(fā)育積累蔗糖的過程中SPS對(duì)蔗糖的積累起關(guān)鍵作用，其催化作用機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。8月份SS活力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SPS活力。

2.5? ?果實(shí)可溶性糖積累與蔗糖代謝相關(guān)酶活性的相關(guān)性分析

由表1可見，在果實(shí)發(fā)育過程中，葡萄糖的積累在發(fā)育前期和發(fā)育后期與糖代謝相關(guān)酶的相關(guān)性不顯著?？v觀整個(gè)發(fā)育階段，葡萄糖積累與AI活性存在顯著正相關(guān)，R=0.798;與NI、SPS、SS的活性表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)，對(duì)應(yīng)的R值分別為0.909、0.869、0.827。

果糖積累在發(fā)育前期和發(fā)育后期均與其代謝相關(guān)酶的相關(guān)性不顯著。從整個(gè)發(fā)育期來看，果糖積累與AI活性存在顯著正相關(guān)，R=0.726;與NI、SPS、SS的活性表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)，對(duì)應(yīng)的R值分別為0.910、0.830、0.866。

蔗糖積累在發(fā)育前期與糖代謝相關(guān)酶的相關(guān)性不顯著。發(fā)育后期與AI活性表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)，R=-0.997?？v觀整個(gè)發(fā)育期，蔗糖積累與AI活性表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，R=0.719;與NI、SPS、SS活性表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)，R值分別為0.860、0.825、0.919。

3? ?結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，隨著赤霞珠葡萄果實(shí)的生長(zhǎng)，蔗糖、葡萄糖、果糖含量顯著上升。不同生長(zhǎng)發(fā)育階段赤霞珠果實(shí)中酸性轉(zhuǎn)化酶活性、中性轉(zhuǎn)化酶活性、蔗糖合成酶活性、蔗糖磷酸合成酶活性不同。相關(guān)性分析表明，整個(gè)發(fā)育期的葡萄糖、果糖、蔗糖與酸性轉(zhuǎn)化酶存在顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.789、0.726、0.719;葡萄糖、果糖、蔗糖與中性轉(zhuǎn)化酶活性、蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶活性均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)。由此可以認(rèn)為葡萄糖及果糖二者的積累在一定程度上需要依賴轉(zhuǎn)化酶的調(diào)控作用。赤霞珠果實(shí)糖代謝與蔗糖積累存在較大關(guān)聯(lián)，蔗糖的積累與蔗糖合成酶活性存在明顯的正向關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.919。果實(shí)生長(zhǎng)后期蔗糖積累與酸性轉(zhuǎn)化酶活性之間表現(xiàn)為顯著的負(fù)相關(guān)，且這一階段蔗糖積累和轉(zhuǎn)化酶活性均呈上升趨勢(shì)，可認(rèn)為蔗糖積累過程中受蔗糖合成酶影響較大。

轉(zhuǎn)化酶屬于一種因蔗糖生成的分解酶，葡萄漿果在其轉(zhuǎn)熟期，蔗糖主要源于葉片運(yùn)輸，在紫外照射環(huán)境下受細(xì)胞壁酸性轉(zhuǎn)化酶的作用可被可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶分解，即生成了果糖、葡萄糖[19 ]。在葡萄轉(zhuǎn)熟前的一段時(shí)期，液泡轉(zhuǎn)化酶生成的己糖多被用作代謝，待完成了轉(zhuǎn)熟后，便多被用作積累[20 ]。因此，在催化蔗糖分解成己糖的階段中前者的作用較大。在諸多蔗糖積累型果實(shí)中，包括溫州蜜柑與梨[21 - 22 ]，隨蔗糖積累量的不斷增多可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶活性趨于零。蔗糖合成酶催化的化學(xué)公式為：蔗糖+ UDP？圮果糖+ UDPG，因蔗糖合成酶具備分解、合成蔗糖的雙重作用，將其用于蔗糖代謝的調(diào)控具有一定的意義。從整體上看，蔗糖合成酶的活性高于同期蔗糖磷酸合成酶活性。之所以會(huì)出現(xiàn)這一情況，一般是因蔗糖磷酸合成酶活性的生存環(huán)境所導(dǎo)致的，其多存在含葉綠素的組織之中，特別是在部分蔗糖組織中表現(xiàn)的更加活躍[23 ]。

果實(shí)中的糖分、有機(jī)酸，包括多酚、花青素等是衡量葡萄本質(zhì)的基本指標(biāo)，作為其中的基礎(chǔ)性因素，糖分在一定程度上決定著葡萄酒的酒度[24 ]。糖分積累本身就是果實(shí)品質(zhì)形成的關(guān)鍵，蔗糖代謝是前者的重要內(nèi)容。本文研究表明，在果實(shí)發(fā)育的各個(gè)階段，己糖占總蔗糖、果糖和葡萄糖的93%以上，即可認(rèn)為葡萄糖、果糖為果實(shí)積累糖分的重要來源，但蔗糖含量仍然很低，成熟時(shí)僅占總糖含量的6.5%，說明大部分蔗糖轉(zhuǎn)化為己糖。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭立龍.? 離體嫁接地球葡萄試管苗的光合特性日變化[J].? 甘肅農(nóng)業(yè)科技，2018（11）：84-87.

[2] 巨智強(qiáng)，成自勇，王? ?棟，等.? 水分脅迫對(duì)紅地球葡萄生理生長(zhǎng)的影響[J].? 甘肅農(nóng)業(yè)科技， 2015（2）：42-45.

[3] 胡瑞芳，姜? ?慧，李玥瑩，等.? 蔗糖代謝相關(guān)酶的研究進(jìn)展[J].? 北方園藝，2012（1）：167-170.

[4] TEIXEIRA R T，KNORPP C，GLIMELIUS K.Modified sucrose，starchand ATP levels in two alloplasmic male-sterile lines of B. napus[J]. Exp. Bot.，2005，56（414）：1245-1253

[5] 王? ?晨，房經(jīng)貴，王? ?濤，等.? 果樹果實(shí)中的糖代謝[J].? 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2009，21（5）：529-534.

[6] 王振平，奚? ?強(qiáng)，李玉霞.? 葡萄果實(shí)中糖分研究進(jìn)展[J].? 中外葡萄與葡萄酒，2005（6）：26-30.

[7] HUBBARD N L，PH ARR D M，H UBER S C. Role of sucrose phosph at esynthase in sucrose biosynthesis in ripening bananas and its relationship to the respiratory climacteric[J].? Plant Physiol.，1990，94：201-208.

[8] 王惠聰，黃輝白，黃旭明.? 荔枝果實(shí)的糖積累與相關(guān)酶活性[J].? 園藝學(xué)報(bào)，2003，30（1）：1-5.

[9] MACRAEE，QUICKW P，BENKERC，et al. Carbohydrate metabolism during postharvest ripening in fruit[J].? Plant，1992，188：314-323.

[10] 王利芬，夏仁學(xué)，周開兵，等.? 紐荷爾臍橙果肉糖分積累和蔗糖代謝相關(guān)酶活性的變化[J].? 果樹學(xué)報(bào)，2004，21（3）：220-223.

[11] 王永章，張大鵬.? 乙烯對(duì)成熟期新紅星蘋果果實(shí)碳水化合物代謝的調(diào)控[J].? 園藝學(xué)報(bào)，2000，27（6）：391-395.

[12] 鄭國琦，羅? ?霄，鄭紫燕，等.? 寧夏枸杞果實(shí)遮光處理對(duì)果實(shí)糖積累和相關(guān)酶活性影響[J].? 西北植物學(xué)報(bào)，2008，28（6）：1172- 1178.

[13] 郭祥東.? 嘉峪關(guān)市釀酒葡萄引種試驗(yàn)結(jié)果[J].? 甘肅農(nóng)業(yè)科技，2008（12）：23-25.

[14] 蔡武城，袁厚積.? 生物物質(zhì)常用化學(xué)分析法[M].? 北京：科學(xué)出版社，1982.

[15] NIELSEN T H，SKIARBEK H C，KARLSEN P.? Carbohydrate metabolism during fruit development in sweet pepper（Capsicum annuum）plants[J].? Plant Physiol.，1991，82（2）：311-319.

[16] DOUGLAS C D，TSUNG M K，F(xiàn)REDERICK C F. Enzymes of sucrose and hexose metabolism in developing kernels of two inbreds of maize[J].? Plant Physiol，1988，86：1013-1019.

[17]TSAI M，OUL，SETTER T L. Effect of increased temperature in apical regions of maize ears on starch synthesis enzymes and accumulation of sugars and starch[J].? Plant Physiol.，1985，79（3）：852-855.

[18] WARDLAW I F，WILLENBRINK J. Carbohydrate storage and mobilisation by the culm of wheat between heading and grain maturity：the relation to sucrose synthase and sucrose-phosphate synthase[J]. Plant Physiol.，1994，

21（3）：251-271.

[19] DAVIES C，ROBIMSON S P. Sugar accumulation in grape berries[J].? Plant Physiol，1996（111）： 275-283.

[20]HMANOK，YONEMORIK，SUGIURA. Involvement of sugar metabolismin persimmon growth inhibition by calyx lobe removal[J].? J. Amer. Soc. Hort. Sci.，1996，121（3）：466-472.

[21] 趙智中，張上隆，徐昌杰，等.? 蔗糖代謝相關(guān)酶在溫州蜜柑果實(shí)糖積累中的作用[J].? 園藝學(xué)報(bào)，2001，28（2）：112-127 .

[22] MORIGUCHI T，ABEK，SANADA TETAL. Levels and role of sucrose synthase accumulation in fruit of Asian pear[J].? J. Amer. Soc. Hort. Sci，1992，117：274-278.

[23]王永章，張大鵬.? 紅富士蘋果果實(shí)蔗糖代謝與酸性轉(zhuǎn)化酶和蔗糖合酶的關(guān)系的研究[J].? 園藝學(xué)報(bào)，2001，28（3）： 259-261.

[24]OLLTAN，DAKUO-VERDINP，CARDEIP.Grape berry development：are view[J].? J.Int.Sci.Vigne. Vin.，2002，36（3）：101-131.

（本文責(zé)編：楊? ?杰）