CO2加富下温室番茄果实中糖分积累的研究

2018-08-02郑金英孙胜邢国明刘洋李靖张振花袁宏霞

山西农业大学学报（自然科学版） 2018年8期

郑金英，孙胜，邢国明，刘洋，李靖，张振花，袁宏霞

(山西农业大学园艺学院，山西太谷 030801)

由于现代工业的发展，大气中CO2浓度持续上升，当前CO2浓度已接近400 μmol·mol-1[1]。CO2是植物光合作用的主要原料，而在日光温室反季节生产中，常由于设施放风前相对封闭和作物光合作用导致CO2亏缺，严重影响植物的生长和发育，因此CO2精准施肥成为设施蔬菜高效栽培研究热点之一[2,3]。

番茄作为主要的设施蔬菜之一，对CO2施肥在其生产应用方面的研究倍受关注。樊琳等研究表明：增施CO2可以提高番茄叶片光合速率，降低番茄植株的根冠比，促使开花期和成熟期提前[4]，甚至改善果实品质[5]。而这些效应均与碳代谢、糖分转化和积累有关。齐红岩研究指出，番茄果实中主要积累葡萄糖与果糖[6]。果实中糖的种类与数量在很大程度上直接决定了果实的品质，且这些糖不仅参与植株生长代谢底物、能量供给，并在细胞信号转导中起着信号分子的作用，是植株生长包括果实生长发育的基础物质[7]。

番茄植株体内主要以蔗糖形式转运，而蔗糖代谢是糖分积累的前提[8]。王利研究指出，果实发育过程中蔗糖代谢相关酶活性的动态变化是研究果实中糖分积累与代谢的关键[9]，蔗糖磷酸合成酶(Sucrose Phosphate Synthase，SPS)、蔗糖合成酶(Sucrose Synthase，SS)和转化酶(Invertase，Inv)是主要的蔗糖代谢相关酶[10]。

目前，人们对糖进入果实的途径、果实糖代谢、糖和酶在细胞内的分布信息的研究相对较多[11,9]，且CO2施肥在番茄上的研究主要集中在单个时期或者单个浓度上[12,13]，而对全生育期增施不同浓度CO2条件下，番茄果实生长发育过程中糖分积累与代谢的研究鲜有报道。本研究通过对CO2加富条件下，番茄果实发育过程中糖含量与糖代谢相关酶活性的研究，探究番茄果实发育过程中糖分积累与代谢对环境中CO2增施的生理响应，旨在为进一步揭示CO2加富下番茄糖代谢机理提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与处理

试验于 2016 年11月3日至2017年4月10日在山西农业大学园艺站日光温室内进行。供试番茄(SolanumLycopersicon)品种为‘兴海12号’(幼苗购买于介休市兴海农业有限公司)。幼苗四叶一心时(2016.11.03)定植于65 cm×25 cm ×31 cm(长×宽×高)的栽培槽中，每个栽培槽定植2株，株距45 cm。采用草炭：蛭石∶珍珠岩(3∶1∶1)进行基质栽培。单干整枝，每株留5穗果，每穗留4～5个果，其他同常规管理。

温室用塑料棚膜隔出两个独立的空间，以液态CO2钢瓶为气源，将两个隔间CO2浓度分别设置为400±25(CK)、600±25(T1)、800±25(T1)和1 000±25(T1)μmol·mol-1。CO2释放控制采用GMM220传感器(芬兰VAISALA公司)和邯郸冀南新区盛炎电子科技有限公司的自动控制系统，通过管道和循流风机均匀施入CO2。于定植缓苗15 d后开始施入CO2，晴天上午8：30～10：30，下午2：30～4：30，阴雪雨天不施用[2]。整个生育期持续施入CO2，直到试验取样结束。

每个处理设置3个重复，每次重复设1个小区，每个小区平行摆放10个栽培槽，槽距30 cm，小区间距70 cm，小区面积为6.2 m2，平均种植密度3.3株·m-2，即每个重复20株，每个处理60株。

随机选取长势一致的番茄植株做好标记，分别于番茄结果初期(2016.12.29)、快速膨大期(2017.1.8)、绿熟期(2017.2.17)、成熟期(2017.3.9)，于晴天上午11：00～11：30时，取第2果穗的第2个果，每个小区取2个样，每个处理6个样，取样后用冰盒带回，液氮速冻，-80 ℃保存待测。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 糖含量的测定

用戴安离子色谱仪 ICS-3000(美国 Dionex 公司)测定番茄中各种糖含量，测定条件在前人基础上有所改进[14]。称取0.5 g果实鲜样，研磨，80%酒精反复提取离心，收集上清液至10 mL离心管中。每次取1 mL提取液，加超纯水稀释至10 mL，水浴使酒精完全挥发。之后用离子色谱仪测定葡萄糖、果糖、蔗糖含量。过滤后的残渣用蒸馏水反复提取，蒽酮硫酸法测淀粉含量[15]。

色谱条件为：分析柱 CarboPac PA10(250 mm×4 mm)；保护柱：CarboPac PA10 (50 mm×4 mm)；ED 3 000 脉冲安培检测，Au工作电极；Ag /AgCl 参比电极模式。淋洗液条件：25 mmol·L-1NaOH等度淋洗15 min；流速：1.00 mL·min-1；进样体积：10 μL；柱温：25 ℃。

1.2.2 蔗糖相关酶活性的测定

酶的提取及蔗糖合成酶(SS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性测定参照张志良[16]的方法。酶的活性单位为蔗糖mg·g-1FW·h-1表示。本试验中测定的SS活性为合成方向。

酸性转化酶(Acid Invertase，AI)和中性转化酶(Neutral Invertase，NI)活性测定参照高俊凤[15]的方法。酶的活性单位为葡萄糖mg·g-1FW·h-1表示。

试验中透析袋、UDPG和F-6-P等均购自美国Sigma公司。

1.3 数据处理

采用Excel 2007软件对试验数据进行统计分析与作图。运用SPSS 20.0进行检验分析与相关性分析。

2 结果与分析

2.1 CO2加富对果实中糖积累的影响

由图1可见，各处理果实中葡萄糖与果糖含量变化趋势(递增)一致，在前三个时期平稳变化，在成熟期含量最高，其中T2处理下成熟期果实中葡萄糖与果糖含量较对照分别显著增加46%和42%。各加富处理下果实中蔗糖含量整体上呈降低趋势，在成熟期含量最低，且较对照均差异不显著；在果实迅速膨大期、绿熟期和成熟期，T1处理下蔗糖含量较对照均差异不显著，T2处理下较对照分别显著增加94%、184%和47%， T3处理下较对照分别显著增加132%、184%和54%。各时期淀粉含量整体呈降低的趋势，在成熟期降至最低；且淀粉含量随CO2浓度的升高而降低，除果实迅速膨大期T1处理较对照显著增加9%外。

图1 不同浓度CO2处理下各时期果实中糖含量的差异Fig.1 The sugar contents in tomato fruits at different growth stages in different treatments注：图柱上不同小写字母表示在P<0.05水平差异显著。A-果实生长初期；B-果实迅速膨大期；C-果实绿熟期；D-果实成熟期。下同。Note:Different letters indicated significant difference at P<0.05.The same below A-early growth stage of fruit；B- rapid expansion period of fruit；C-green ripening stage；D-ripening stage. The same below.

2.2 CO2加富对蔗糖相关酶活性的影响

由图2可见，随着果实的生长发育，果实中合成类酶活性总体上呈降低的趋势，而分解类酶呈增加的趋势。不同加富处理下各时期果实中SS活性变化不同，在果实生长初期，T3处理下SS活性较对照显著增加1.03倍；在果实迅速膨大期，T2处理下SS活性较对照显著增加36%；在果实成熟期，各加富处理下SS活性均显著低于对照。经CO2加富处理后，SPS活性均高于对照，其中T3处理下各时期果实中SPS活性较对照均显著增加。各加富处理下果实中AI活性在前两个时期较对照变化幅度不大；在绿熟期和成熟期，T2处理下果实中AI活性较对照分别显著增加38%和20%，T3处理下较对照分别显著增加55%和21%。经CO2加富处理后，NI活性大体上均高于对照，尤其是T2处理下果实生长初期、迅速膨大期和成熟期果实中NI活性较对照分别显著增加68%、109%和44%。

图2 不同浓度CO2处理下各时期果实中糖代谢相关酶活性的变化Fig.2 The activities of sugar-metabolizing enzymes in fruits at different growth stages in different treatments

2.3 糖含量与蔗糖相关酶活性相关性的分析

通过对表1果实中糖含量与酶活性的相关性分析，蔗糖合成酶活性与还原糖(葡萄糖、果糖)含量均呈显著负相关性，与蔗糖和淀粉含量均呈显著正相关；Inv活性与还原糖含量均呈极显著正相关，与淀粉含量呈极显著负相关性，其中AI活性与蔗糖含量呈极显著负相关，而NI与之呈显著负相关；蔗糖磷酸合成酶活性除与葡萄糖含量呈显著负相关性外，与其它糖(果糖、蔗糖和淀粉)相关性不显著。

3 讨论

栽培番茄属己糖积累型果菜，主要积累葡萄糖与果糖，而蔗糖是光合产物向果实器官运输的主要形式[17,18]。在本研究中，对比各时期相关酶活性变化发现，果实生长发育早期，SS活性较高；随着果实成熟度的提高，蔗糖合成类酶活性降至极低，而分解类酶活性变化与之相反，导致还原糖的大量积累。

作为光合作用的底物，CO2浓度的升高能够促进光合产物的合成与碳代谢[19，20 ]。本研究表明，CO2增施后，果实中可溶性糖含量及相关酶活性明显增加，这可能与CO2加富下碳源增加导致植株代谢旺盛有关。Islam[13,21]等的研究结果表明，增施CO2能够促进成熟期果实中还原糖(葡萄糖与果糖)的积累，本研究也证实了这一点。可能原因：一方面CO2促进糖向库端的转运，另一方面CO2促进了果实成熟过程中蔗糖与淀粉的降解。800±25 μmol·mol-1处理下，成熟期果实中积累的还原糖含量最高，这可能是因为该处理下叶片中合成的光合产物以蔗糖形式被有效运输至果实中，由此推断800±25 μmol·mol-1处理更有利于光合产物向库端器官的转运，更能促进果实中还原糖的积累。CO2增施后果实生长初期和迅速膨大期蔗糖含量显著高于对照，这可能是因为高浓度CO2促进源端光合产物向果实转运及在合成类酶作用下合成更多蔗糖[13]。绿熟期和成熟期，蔗糖在分解类酶的作用下分解为单糖，储存在果实中。对各时期淀粉含量分析发现，CO2增施后，果实中淀粉含量显著低于对照(除果实迅速膨大期略高于对照外)，且淀粉含量在绿熟期迅速降低，这与淀粉快速转化为可溶性糖有关，相关性分析也证实了这一点，即淀粉含量与还原糖含量和蔗糖含量间分别呈极显著负相关性和显著正相关性。

表1 CO2加富下番茄果实发育过程中糖含量和相关代谢酶间的相关性(Pearson)

Table1 The Correlation coefficient between sucrose /starch and the enzyme related to carbohydrate metabolism in tomato fruit under the CO2enrichment

相关性Correlations果糖Fructose蔗糖Sucrose淀粉Starch蔗糖合成酶SS蔗糖磷酸合成酶SPS酸性转化酶 AI碱性转化酶 NIGlucose0.972∗∗-0.756∗-0.864∗∗-0.817∗-0.724∗0.966∗∗0.993∗∗Fructose1-0.773∗-0.926∗∗-0.813∗-0.6160.961∗∗0.962∗∗Sucrose10.719∗0.778∗0.639-0.869∗∗-0.739∗Starch10.733∗0.565-0.906∗∗-0.847∗∗SS10.507-0.889∗∗-0.841∗∗SPS1-0.727∗-0.672AI10.958∗∗NI1

注：*表示在0.05水平上差异显著；**表示在0.01水平上差异显著。

Note：**,*indicates significant at the 0.01 and 0.05 levels,respectively.

不同加富处理下各时期果实中糖代谢相关酶活性变化不一致。在1 000±25 μmol·mol-1处理下，果实生长初期和果实迅速膨大期的果实中蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性显著高于对照，而分解类酶活性变化差异不显著。在800±25 μmol·mol-1处理下，成熟期果实中蔗糖转化酶活性显著增强，这应该与该处理下果实中积累了大量蔗糖有关。同时这也解释了800±25 μmol·mol-1处理下成熟期果实中还原糖含量高于其他处理。果实中糖分转化与积累是一个复杂的代谢过程，其中蔗糖代谢是关键环节。本试验通过对增施不同浓度CO2条件下各时期果实中糖含量及蔗糖相关酶活性的分析，揭示了CO2加富对番茄果实发育过程中糖分形态转化与积累的生理响应，但关于内在的分子机制还有待今后进一步的深入研究。