桃果实糖代谢研究进展

叶正文，李雄伟，马亚萍，刘 盼，苏明申，周京一，杜纪红

（1上海市农业科学院林木果树研究所，上海201403；2南京农业大学园艺学院，南京210095；3上海市农业技术推广服务中心，上海201103）

桃［Prunus persica（L.）Batsch］是蔷薇科李属植物，适应性强，栽培范围广，营养价值高，深受广大消费者喜爱。长久以来，桃育种家们一直致力于改良桃果实品质相关性状，如外观品质（果实大小、色泽）、质地（硬度）及货架期，并选育出一系列优良品种，但随着消费者需求的日益多元化，欧美国家对桃的消费水平依然呈下降趋势，其原因主要是桃果实风味品质没有得到有效改善，货架期长的硬肉桃品种普遍存在风味较淡的特征。果实风味是鲜食桃最重要的品质指标，由果实中的糖、有机酸、芳香物质等决定［1］。甜酸风味则主要由果实内可溶性糖和有机酸的含量及比例决定。研究表明，桃果实的糖酸比为6.5—19.4，当比值在7.5—8.5时，果实风味最好［2］。低品质的桃果实果糖含量较低，而山梨醇和葡萄糖含量则较高。因此，选育高甜品种，满足果品市场及消费者的需求，已成为桃育种者、生产者的首要目标。果实糖代谢机理是果实品质形成的关键，一直是桃果实研究的热点，也为调控果实风味和培育更好风味的育种研究提供可能。对当前桃果实糖代谢合成、基因调控及影响因子等研究进展进行系统总结，对目前存在的问题和未来开展的工作进行探讨，可以为通过栽培措施来改善桃果实糖酸比或选育高甜新品种提供理论依据。

1 桃果实中的糖组分及代谢合成

桃果实内的可溶性糖主要是蔗糖、葡萄糖、果糖和山梨醇，其种类、含量及比率是决定桃内在品质和商品价值的重要因素［3］。成熟桃果实中最主要的糖组分是蔗糖，占总糖含量的40%—85%，其次为葡萄糖和果糖占10%—25%，山梨醇则少于10%。桃果实中其他糖组分还包括麦芽糖、异麦芽糖、半乳聚糖、棉子糖、木糖、海藻糖、岩藻糖、甘油以及多元醇肌醇半乳糖苷等，其中棉子糖和半乳聚糖是与应激保护相关的关键抗氧化剂分子，其含量随桃品种不同有差异［4］。桃果实发育过程中总糖含量会不断上升，发育早期主要积累淀粉，到第二次快速膨大期主要积累己糖（果糖和葡萄糖），其后则以蔗糖积累为主，蔗糖积累一直持续到果实成熟阶段，最后在采后贮藏过程中保持稳定或稍有下降。山梨醇在整个生长发育期的含量均较低，并在硬核期到第二次快速膨大期过渡时达到最大值，在果实成熟过程中逐渐降低。不同品种桃果实中葡萄糖和果糖的比例不同，但基本范围为0.8—1.0［5］。

植物叶片产生的光合产物大部分以蔗糖或山梨醇的形式进行运输，经韧皮部长途运输后，卸载到发育过程中的果实内，然后在相关酶的作用下，进行一系列代谢及跨膜运输，转化为蔗糖、果糖或葡萄糖积累在果实中，产生不同的风味［6］。桃果实糖代谢途径主要是山梨醇途径，山梨醇是主要的光合产物，也是主要的运输和可溶性贮藏物质，受光合作用的影响很大，同时因其向葡萄糖和果糖的转化过程活跃，造成山梨醇、葡萄糖、果糖三种物质的含量在果实发育过程中不稳定，一直处于波动的状态。山梨醇向葡萄糖、果糖的转化主要由6-磷酸山梨醇脱氢酶、山梨醇氧化酶、山梨醇脱氢酶、酸性转化酶等酶进行调控［7］，蔗糖的积累则主要由蔗糖合成酶、蔗糖转化酶和蔗糖磷酸合成酶调控。Desnoues［8］等测定了山桃‘P1908’×普通桃‘Summergrand’、山桃‘P1908’×普通桃‘Zephyr’两个BC1群体的106份杂交后代果实的果糖/葡萄糖比率及相关酶活性，发现1/4的后代是低果糖/葡萄糖比率，年份间酶活性差异显著，且代谢物积累速率与酶活性之间相关性较差，推翻了酶活性直接控制桃果实糖含量的假设；低果糖型桃研究表明，此类桃蔗糖含量相对较高，可能果糖激酶活性高，中性转移酶活性低相关，这项工作为全面研究糖代谢在桃果实发育中的作用机制奠定了基础。

2 桃果实糖积累的关键酶和基因研究

2.1 果糖合成代谢关键酶及相关基因

大多数高等植物中，蔗糖是从源到库运输的主要形式，进入库器官后，蔗糖被转化酶分解为葡萄糖和果糖或由蔗糖合成酶分解为UDPG和果糖［9-11］。果糖进一步代谢前需要果糖激酶或己糖激酶进行磷酸化。果糖激酶是果糖磷酸化的主要酶，在库组织的分配和代谢中起到至关重要的作用［12］。此外，果糖激酶还可以作为植物的己糖感受器和信号分子，通过影响植物生活周期来调控代谢和生长发育［13］。果糖激酶基因属于pfkB碳水化合物激酶家族，这些基因的ATP与糖结合的区域高度保守［14］。最近，Desnoues等［15］开发了糖代谢的动力学模型，清晰地解释了10个种间杂交组合后代在基因型和年度间的变化，同时也论证了果糖激酶亲和力的差异可能导致低果糖-葡萄糖比率表型的假设。

2.2 蔗糖代谢关键酶及相关基因

蔗糖是成熟桃果实主要的糖类物质，是控制桃果实甜风味的重要成分，蔗糖在果实发育过程中呈逐渐增加趋势，并在采前30—50 d呈快速积累［16］。与蔗糖代谢、积累密切相关的酶主要是蔗糖合成酶（SS）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）、蔗糖转运蛋白（SUT）、转化酶（Inv）和1，6-二磷酸果糖脂酶（FBPase）［17-18］。SS具有合成和分解蔗糖的双重活性，桃果实SS与蔗糖积累的季节性变化研究表明SS活性与蔗糖积累呈正相关，在桃成熟过程中主要表现为合成动力，调控桃果实在后期发育阶段的蔗糖合成［19-20］。相似结果表明，果实发育过程中，桃果实中蔗糖含量的增加伴随有SS活性的升高和较低程度的SPS活性的升高［21］。目前已分离到桃蔗糖合成酶基因家族有6个成员，GenBank登录号分别为JQ412752、KJ493331、KJ493332、KJ493333、KJ493334、KJ49333［22］。SPS是催化蔗糖合成的关键酶，研究表明果实成熟过程中蔗糖的积累和SPS活性的升高密切相关。Zhang等［23］分离并克隆了6个与蔗糖代谢酶相关的基因，其核苷酸序列与从其他植物分离的相应基因具有高度的相似性，且这些基因的表达和相关酶的活性随着组织和果实发育阶段而变化，表明酶活性和相关基因表达存在显著相关性。蔗糖的降解主要是由Inv催化，根据反应pH的不同，Inv又可分为：中性转化酶、酸性转化酶和碱性转化酶。桃的蔗糖转化酶活力在幼果期较高，随着果实的发育和蔗糖的积累迅速降低，之后随着果实发育和蔗糖积累，活性下降［24］；该酶在果实成熟期活性降低则有利于果实中蔗糖的积累［25］。尽管如此，水解酶在维持库强、保证蔗糖的不断输入中起着重要作用。同时，蔗糖可作为呼吸基质被利用，这也是维持库强的因子之一，在幼果期这两种作用尤其突出［26］。

2.3 山梨醇代谢关键酶及相关基因

山梨醇（Sorbitol）是一种糖醇，其最早发现于蔷薇科植物欧洲花楸的果实中［27］。在木本蔷薇科植物中，山梨醇是树皮等贮藏器官的可溶性碳水化合物的主要形式［28-29］。它是由G6P经6-磷酸醛糖还原酶（A6PR）、6-磷酸山梨醇磷酸酯酶（S6Pase）等一系列酶催化而成。同时G6P也是蔗糖合成途径的调控底物，可激活SPS。源叶中同时也发生山梨醇的降解，由山梨醇脱氢酶（SDH）催化降解为果糖，由山梨醇氧化酶（SOX）催化降解为葡萄糖，代谢的山梨醇贮存于液泡中或细胞的自由空间中。果实发育早期，细胞分裂和细胞壁形成时，可用山梨醇作为呼吸基质，运来的产物不断被消耗，有利于使果实保持较高的库强；发育后期，山梨醇降解加快，渗透势下降，也能保证库强的存在。

桃果实不论在幼果期还是成熟期SDH的活性都很小［30］，但在桃果实发育过程中对山梨醇代谢起重要作用，在成熟果实中SDH活性的增强受转录基因的调控［31］。而桃果实中SOX活性在幼果中活性高，随后开始下降，在成熟阶段又有所上升。Bianco等［32］发现，SDH在中果皮中活性较高，而SOX在内果皮中的活性较高。在幼果生长期，栽培桃‘大久保’果皮中山梨醇含量整体趋势高于野生桃，SDH和SOX的活性低于野生桃，说明在幼果生长期，栽培桃中果皮内的山梨醇代谢较野生桃弱［33］。山梨醇转运蛋白（SOT）是运输山梨醇的关键酶，其结构和功能的研究对山梨醇的运输有重要的作用。但目前对山梨醇转运蛋白的研究还很有限，其作用机理和功能还不清楚。SOT1、SOT5等基因的表达水平在不同桃品种之间存在显著差异，且与果实的糖含量存在着一定的相关性，它们可能是控制果实可溶性糖积累的候选基因［34］。

3 影响桃果实糖含量的内外因素

影响桃果实糖含量的因素很多，不仅包含其不同品种自身的遗传因素，还受外界栽培条件的影响：如光照、温度、栽培地点、肥水管理、修剪程度及砧木等。Brooks等［35］连续两年对不同桃品种群及Allgold、Goldilocks两个栽培品种进行糖含量分析，发现不同年份间桃果实果糖、葡萄糖、山梨醇、可溶性固性物浓度差异很大。Wu等［36］研究了来自法国农业科学院两个不同地区147个桃品种的糖、酸含量，发现其果实糖含量与栽培环境及自身基因型显著相关。

3.1 遗传控制机理

作为多基因控制的复杂数量性状，果实糖相关的QTL定位已在草莓、苹果、甜樱桃、杏等多个物种上报道，并在蔷薇科物种中表现出高度共线性。研究者们通过构建不同的杂交群体，对桃上几种主要的可溶性糖相关的QTL进行了定位，最早利用‘Bailey’和‘Suncrest’的F2群体将5个与己糖含量相关的QTL定位到了遗传图谱上，但由于所用标记没有整合到李属植物国际参考图谱上，其QTL在图谱上的位置无法进行比较作图。1999年，Dirlewanger等［37］利用‘Ferjalou Jalousia’（低酸普通桃）和‘Fantasia’（高酸油桃）的F2群体，将控制蔗糖含量的QTLs定位在LG5、LG6上，控制葡萄糖含量的QTL定位在LG8上，控制果糖含量的QTLs定位在LG3、LG4、LG5上。Quilot等［38］利用普通栽培桃（‘Summergrand’，黄肉油桃）和山桃（‘P1908’，低糖）杂交后回交两代所获得的BC2群体进行QTL定位，将控制桃果实果糖和葡萄糖含量的QTL位点定位在LG2、LG4和LG7上，控制总糖含量的2个QTL位点定位在LG1上，控制蔗糖含量的QTL定位在LG7上。Desnoues等［39］利用普通桃（‘Summergrand’）和山桃（‘P1908’）的BC2群体进行不同成熟期桃果实糖及相关酶相关位点的QTL分析，发现酶活性相关的QTL位点和代谢产物的QTL位点在遗传连锁图谱上存在共同的座位。同时该研究也证明了果实发育过程中QTL效应的不稳定性对果实育种会产生重大影响，需要更多的研究来验证这些QTL的候选基因并揭示它们的功能。

近期，美国科学家通过全基因组关联分析手段，对遗传变异较大并具有代表性的桃种质资源进行基因分型，将与可溶性固形物相关的QTLs定位到LG6中部和LG7底部。而目前，与桃果实糖含量相关的QTL定位主要利用法国‘Ferjalou Jalousia’（低酸普通桃）בFantasia’（高酸油桃）和‘Summergrand’בZephyr’两个F2杂交群体进行，并发现了多个位点与其相关。但仅有少数QTLs在两个群体上的重复性较好。其中一个与蔗糖含量相关的主效QTL定位在LG5。与葡萄糖、果糖、山梨醇含量相关的QTLs主要在LG4、LG5、LG6上，这些QTL位点的定位对候选基因的定位及连锁标记在分子辅助育种中的应用奠定了坚实的基础。

3.2 激素对桃果实糖含量的影响

植物激素在植物生长过程中扮演着重要的角色：从花的形态发生到坐果、果实生长、果实成熟及采后保鲜贮藏各个环节［40-42］。激素的调节作用可能在基因表达的不同水平上（转录、翻译和翻译后）调节与糖代谢相关的关键酶和运输糖的载体［7］。朱世明等［43］发现贮藏15 d时喷施外源乙烯能更好的保持桃果实的SSC含量、VC含量和总糖含量。10—15 mol/L ABA处理不仅可以促进桃果肉对山梨醇、果糖和葡萄糖的吸收，其中尤其以对山梨醇吸收的促进作用最为明显，还可以抑制山梨醇的外流［44］。赤霉素、细胞分裂素等植物激素能提高可溶性固形物和总糖含量，降低酸度以及提高糖酸比例，其主要原因是激素在调节植物体内营养向果实运转方面起很大作用。低温5°C冷藏前，将桃果实在热空气中处理3 d，或将MeJA蒸气以10μmol/L处理24 h，然后在5℃下保存，均会提高冷藏过程中桃果实的蔗糖含量及蔗糖磷酸合酶基因SPS表达水平，降低酸性转移酶AI基因表达水平，提高果实抗冷害能力［45］。

3.3 其他和糖积累相关的研究

灌溉、采后人工气调下储存、光照、水胁迫、修剪、钾元素和果实套袋都可以影响桃果实中糖的积累和代谢。光照充分、昼夜温差大及土壤适度缺水均可提高果实的含糖量。Thakur［46］等研究了‘Spring Bright’和‘Summer Bright’两个油桃品种在亏缺灌溉（DI）后桃果实生长中糖分和有机酸含量的响应，发现33%DI处理后两个桃品种在果实成熟过程中总糖和蔗糖含量均有所增加。土壤水分亏缺后，‘Spring Bright’品种在开花后72 d，葡萄糖水平都有所升高，直到果实成熟葡萄糖水平开始降低；‘Summer Bright’品种的葡萄糖含量均有所增加。Kobashi等［47］对桃树进行水胁迫处理，从而分析果实中糖积累和脱落酸之间的关系。在中等强度的水胁迫（-0.8 MPa）下，果实中山梨醇、蔗糖和总糖水平及山梨醇氧化酶的活性均提高，然而在高强度水胁迫（-1.1 MPa）下，水胁迫的植株和对照植株没有什么不同。水胁迫可以诱导果实ABA的增加，继而激发山梨醇代谢速率加快。

Kumar等［48］对‘Flordasun’‘Flordaking’和‘Saharanpur Prabhat’3个桃品种进行轻度、中度、重度和未修剪四个处理比较，发现3个品种的糖酸比受到修剪水平的影响不显著，而‘Flordasun’的果实重量、果实大小、可溶性固形物、糖和酸的含量显著增加。‘Flordaking’和‘Saharanpur Prabhat’几乎全部理化特性都受修剪程度的影响，中度和重度修剪的处理表现更好。

近年来，桃、油桃等果树的设施栽培面积和产量增长很快，但设施栽培条件下，树体经常处在弱光环境中，严重影响了果实品质，表现为果实含糖量降低和风味变淡等。遮光处理降低了桃果实整个发育过程中AI、SS、NI和SPS的活性，同时减少果实中果糖和蔗糖含量。延长光照时间对果实含糖量没有明显影响，但在果实发育的某些阶段对果实中SS和SPS活性有显著影响。Wang等［49］用1.44 kJ/（m2·d）强度的紫外线B照射温室中桃品种‘Lumi’，其结果表明，在桃果实第二次快速生长期之前用紫外线B辐射桃果实可以增加温室中蔗糖和山梨醇含量。果实套袋处理也可改变果实生长发育的光照、湿度和温度微环境，并可避免外界环境的不利因素，减少病虫害侵袭和农药残留，改善果实外观品质。但套袋在改善果实外观品质的同时，对果实品质也有不良影响。采用塑料膜袋、牛皮纸袋、单层遮光袋、报纸袋进行套袋的‘瑞光油桃’的可溶性固形物含量较自然光照下的果实降低0.5%—1.5%［50］，在‘燕红’桃上的试验也得到了类似的结果［51］。

钾可以调控糖代谢过程相关合成酶、氧化还原酶和转移酶等的活性，从而调节相应的生理过程［52］。张新生等［53］研究发现，设施栽培条件下，幼果期和着色前喷施KH2PO4均显著提高了‘艳光’油桃果实中蔗糖代谢酶活性，增加了桃果实中蔗糖含量，但对葡萄糖和果糖含量无明显影响，说明KH2PO4处理是通过全面提高果实中蔗糖代谢酶活性，起到提高库强作用，从而增加果实含糖量。土壤中充足的有效态N也有利于果实总糖含量的增加，过量施氮延迟了桃果实的成熟，导致收获时蔗糖和苹果酸降低。

桃果实采后贮藏条件也会影响糖代谢，在贮藏过程中，蔗糖含量保持恒定或稍微降低，而己糖增加或减少，具体取决于品种和贮藏条件［54］。桃果实的裂核与糖代谢也具有密切的关系。裂核果在发育后期，自身的代谢出现紊乱，而且裂核果在果核处易形成大量的愈伤组织，愈伤组织的形成是激素与糖等物质共同作用的结果，因此，与正常果相比，裂核果在发育后期糖代谢相关酶的活性表现出明显差异［55］。另外，糖分含量的相对恒定受环境和基因型共同调控。但是，环境如何影响酶和酶基因表达水平仍有待阐明。

4 展望

提高桃果实感官品质一直是新品种选育的重要目标之一。目前，果实感官品质的改良主要在于提高其含糖量和甜味，为此，近20年来国内外也选育出一系列高糖新品种来满足消费者需求。而随着果品市场需求的日益多元化，桃果实消费并未随果实糖度的升高而增加。同时，桃作为木本植物，童期长，栽培过程中占地面积大，育种周期长，劳动力成本高，大大降低了育种效率，传统育种手段在现代都市农业中的弊端日渐突出，必须开发新型的育种技术，提高育种效率。

研究桃果实的糖代谢机制，不仅有重要的理论意义，而且在生产中也能得以应用。人们对桃果实的糖代谢路径及相关酶的活性研究已取得了一定成就，鉴于任何果树的性状实质上都是基因调控的，因此有必要从分子生物学、遗传学和基因组学角度研究基因对桃果实糖积累的调控作用。综上，未来桃果实糖代谢研究应该重点从以下方面开展工作：（1）从糖代谢的完整调控网络着手，利用基因组学、转录组学、代谢组学及蛋白质组学相结合的方法挖掘果实糖积累的候选基因及转录因子，并使用体外蛋白和酵母表达系统进行基因及调控因子的功能验证。（2）不断开发新的表型分析方法或模型，逐步消除性状评价过程中环境或基因与环境互作的影响。同时在分析桃果实糖评价机制中，考虑单一成分如“蔗糖”、“果糖”和“葡萄糖”含量的同时，增加对“果糖/葡萄糖”及“糖/酸”比值，因后者更能反应桃的风味品质。（3）‘上海水蜜’作为世界优质桃的鼻祖，在美国、欧洲、我国衍生出一系列高甜浓香的新品种，从系谱分析的角度分析‘上海水蜜’及其优异后代在高甜性状的遗传特性，更能阐释桃果实糖代谢的遗传调控机理。（4）目前，桃上还未建立完善的遗传转化体系，因而很难对基因组或转录组中挖掘的性状相关基因或转录因子进行功能验证，考虑选择草莓和李等同类属植物进行功能快速验证。