不同繁育方式对果桑光合特性和糖代谢的影响

周建华 李勇 于翠 莫荣利 朱志贤 董朝霞 胡兴明 邓文

摘要：为研究不同繁育方式对果桑光合特性和糖积累及相关酶活代谢特征的影响，选择扦插（QC）和嫁接（JJ）2种繁育方式盆栽果桑大10，测定叶片气体交换参数的日变化、动态变化及桑椹不同发育时期的可溶性糖含量、蔗糖代谢相关酶活性变化。结果显示，2种繁育方式果桑净光合速率（Pn）日变化曲线均呈双峰曲线，有明显光合“午休”现象，但QC果桑第二个峰值高于JJ果桑，蒸腾速率（Tr）日变化曲线中均为双峰曲线，Tr最大峰值QC>JJ;表观光能利用效率（LUE）和瞬时水分利用效率（WUE）均为QC>JJ，表观CO2利用效率（CUE）为JJ>QC。2种繁育方式桑椹不同发育时期糖分含量存在差异，可溶性糖（Tss）含量从红果期呈上升趋势，糖分积累以果糖（Fru）和葡萄糖（Glc）为主，桑椹为蔗糖（Can）和己糖共同积累型果实。SS和SPS活性随发育过程的变化类似。不同繁育方式桑椹NI活性在果实发育后期较前期活跃，光合生理参数与桑椹糖积累及蔗糖代谢相关酶活相关性分析表明，Tss、Fru、Glc均与Pn、LUE、CUE、WUE呈正相关，QC和JJ桑椹糖含量差异表明，不同繁育方式对桑椹光合同化物运输与分配有影响。

关键词：繁育;果桑;光合特性;糖代谢

中图分类号：S663.9         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）16-0089-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.020           開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： In order to study the effects of different breeding methods on photosynthetic characteristics， sugar accumulation and related enzyme activities， the cuttings （QC） and grafting （JJ） were selected to breeding fruit mulberry DA10， and the gas exchange parameters of mulberry leaves were determined. Diurnal changes， dynamic changes， and soluble sugar content and sucrose metabolism-related enzyme activities in different developmental stages of mulberry. The results showed that the daily variation curves of net photosynthetic rate（Pn） in the two breeding methods showed a double-peak curve with obvious photosynthetic “noon break” phenomenon， but the second peak of QC fruit mulberry was higher than the JJ fruit mulberry peak， and the transpiration rate（Tr） daily variation curve for the bimodal curve， the maximum peak value of Tr was QC>JJ. The utilization efficiency（LUE） and the instantaneous water use efficiency（WUE） were QC>JJ， and the apparent CO2 utilization efficiency （CUE） was JJ>QC. There were differences in the content of sugar components in different developmental stages of mulberry. The content of soluble sugar（Tss） increased linearly from red fruit stage. The accumulation of sugar was mainly fructose（Fru） and glucose（Glc）， which was the fruit of sucrose（Can） and hexose accumulation. SS and SPS activities were similar as changes in developmental processes. The activity of mulberry NI in different breeding methods was more active in the whole development stage than in the early stage. The correlation between photosynthetic physiological parameters and mulberry sugar accumulation and sucrose metabolism related enzyme activities showed that Tss， Fruand，Glc were were in positive correlation with Pn，LUE，CUE and WUE. The differences in the content of QC and JJ sugar indicated that different breeding methods had an impact on the transportation and distribution of mulberry light contract compound.

Key words： breeding; fruit mulberry; photosynthetic characteristics; sugar metabolism

果桑（Morus spp.）是多年生落叶果树，乔木或灌木，为桑科桑属植物中家桑的大果变种群。果桑果实（桑椹、桑果）为复果或多花果，果肉柔嫩多汁，营养丰富，是加工食品、保健品和药品的良好原料，已被卫生部列入“既是食品又是药品”的名单。目前，全国果桑种植面积近6.67万hm2，桑果产量超100万t，产值超500亿元，产业发展迅速。遗传特性对植物生理生长起决定性作用，但植物种苗繁育方式有多种，有些繁育方式在后代易出现变异，而不能保持其品种本来的优良特性，研究表明，不同繁育方式对植物抗性、光合、重金属积累能力等生长特性有影响。糖是光合作用的产物，又是呼吸作用的底物，它为植物的生长发育提供碳骨架和能量，并能增强植物抗逆性[1]。糖的种类、含量直接影响着果实的营养价值、风味口感、色泽等品质性状，其组成成分及其含量是决定果实风味的关键[2]。针对不同繁育方式果桑光合特性和桑椹糖代谢的研究鲜见报道，研究不同桑苗繁育技术对果桑光合特性及糖代谢等生长特性的影响对果桑品质调控有积极意义。

为此，选择扦插（QC）和嫁接（JJ）2种繁育的果桑，采用LI-6400型便携式光合系统对2种繁育方式果桑叶片气体交换参数的日变化、动态变化以及不同发育时期桑椹可溶性糖（Tss）、果糖（Fru）、葡萄糖（Glc）、蔗糖（Can）、乳糖（Lac）、麥芽糖（Mal）的含量变化特征及蔗糖合成酶（SS）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）、可溶性酸性转化酶（S-AI）和中性转化酶（NI）活性的变化动态进行测定，研究分析不同繁育方式对果桑光合特性和桑椹糖代谢的影响，旨在为调控桑椹发育与品质提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  材料

试验所用果桑为扦插和嫁接的无核大10。栽植方式为盆栽，基质组成为泥炭50%、珍珠岩20%、蛭石20%和黄土10%混匀后添加缓释肥2.5 kg/m3。每种繁育方式选树势和挂果量相近的9株树，每3株作为1次重复，每一次采样重复3次。在青果期、色变期、红果期、初熟期和成熟期采样。样品采集后当日置于加冰的保鲜箱中，运回实验室进行酶活性分析，其余经液氮处理保存于-70 ℃冰箱内用于其他指标测定。

1.2  方法

1.2.1  光合生理参数测定  利用美国LI-COR公司生产的LI-6400便携式光合测定仪测定桑树叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）。光合日变化测定时间在4月25日，叶位选择生长势一致的3株桑树样株中3个光照良好的顶部新梢，每新梢选1片功能正常叶片（5～7位叶片），测定时间为6：00～18：00，每隔2 h测定1次，每个时段重复测定3次，最后求平均值[3];光合季节变化测定时间在4月10、15、20、25、30日，5月4、9日，于8：30～10：30进行，测定叶片选择同上;根据Penuelas等[3]的方法计算瞬时水分利用效率（WUE）、表观CO2利用效率（CUE）、表观光能利用效率（LUE）。

1.2.2  糖含量测定  分别称取经过（96±2） ℃干燥2 h的果糖、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖和乳糖各1 g，加水定容至50 mL。分别移取上述溶液0.1、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0 mL于50 mL容量瓶中并定容，建立标准曲线并得出相关系数。

样品打碎混匀，称取2 g于100 mL容量瓶中，加水约50 mL溶解，缓慢加入乙酸锌溶液和亚铁氰化钾溶液各5 mL，加水定容至刻度，超声30 min，用干燥滤纸过滤，弃去初滤液，后续滤液用0.45 μm微孔滤膜过滤至样品瓶，供液相色谱（HPLC）分析。色谱条件：色谱柱为氨基柱，250.0 mm×4.6 mm，5 μm;流动相，乙腈∶水=70∶30（体积比）;流速1.0 mL/min;进样量20 μL;柱温40 ℃;检测器为示差折光检测器，温度40 ℃。采用蒽酮硫酸比色法测定果实可溶性总糖含量[4]。

1.2.3  糖代谢相关酶活性检测  采用Solarbio公司生产的蔗糖磷酸合成酶（Sucrose phosphate synthase，SPS）、蔗糖合成酶（Sucrose synthase，SS）、中性转化酶（Neutral invertase，NI）、可溶性酸性转化酶（Soluble acid invertase，S-AI）试剂盒测试SPS、SS、NI、S-AI酶活性。

1.3  数据分析

所有数据均取平均值，通过 Excel 2007软件进行整理，其他统计分析均采用SPSS 19.0软件。

2  结果与分析

2.1  不同繁育方式对果桑光合特性的影响

2.1.1  不同繁育方式果桑叶片光合生理参数  日变化净光合速率是植物气体交换特征中最重要的参数之一，反映植物同化CO2的能力[5]。不同繁育方式对果桑叶片光合特性的影响见图1。在4月25日的光合日变化测定中，图1-A表明，2种繁育方式果桑Pn日变化均呈双峰曲线，有明显的光合“午休”现象，第一个峰值均出现在10：00，而后随光照度和气温的持续升高，大气CO2浓度开始下降，Pn均逐渐下降，在12：00时降至低谷，而后均在14：00时出现第二个峰值。之后随着光照度的逐渐减弱，Pn均逐渐下降。Pn最大峰值JJ>QC，JJ为27.17 μmol/（m2·s），QC为25.66 μmol/（m2·s），差异不显著;Pn第二个峰值QC>JJ，JJ为16.44 μmol/（m2·s），QC为21.46 μmol/（m2·s），差异显著。

气孔是植物进行气体交换的通道，气孔导度的变化将会影响植物的光合作用和蒸腾作用[6]。2种繁育方式果桑的Gs日变化呈逐渐下降趋势（图1-B）。植物的光合作用与胞间CO2浓度（Ci）有直接关系。2种繁育方式果桑Ci变化趋势类似，呈先下降后上升再下降的趋势（图1-C），在16：00有峰值出现。蒸腾作用是植物对水分吸收和运输的主要动力，也是植物吸收矿质盐类和在体内运输的动力，但过强的蒸腾作用也会造成植物出现水分供应不足的情况，影响植物的生长，甚至危及生存[7]。2种繁育方式果桑Tr日变化（图1-D）均为双峰曲线，峰值分别出现在10：00和14：00。Tr最大峰值QC>JJ，QC为8.46 mmol/（m2·s），JJ为7.04 mmol/（m2·s），差异不显著。

2种繁育方式果桑表观光能利用效率（LUE）（图1-E）为QC>JJ，表观CO2利用效率（CUE）（图1-F）为JJ>QC，但差异均不显著。瞬时水分利用效率（WUE）（图1-G）为QC>JJ，差异显著。

2.1.2  不同繁育方式果桑叶片光合生理参数动态变化  2种繁育方式果桑的光合生理参数见图2。由图2可知，2种繁育方式果桑的Pn、Gs、Ci、Tr季节变化趋势基本一致，在4月25、30日，5月4、9日，QC果桑的Pn、Gs、Ci、Tr大于JJ，而4月10、15日，JJ果桑的Pn、Ci值大于QC。

2.2  不同繁育方式对果桑桑椹糖积累的影响

结果显示，2种繁育方式果桑桑椹不同发育时期糖分含量存在差异，可溶性糖含量从红果期呈上升趋势，初熟期至成熟期有不同程度下降（图3-A）。糖分含量中果糖和葡萄糖含量始终较高，糖分积累均以果糖和葡萄糖为主，即以积累己糖为主。由红果期至成熟期呈快速升高趋势，在桑椹成熟期，2种繁育方式桑椹果糖和葡萄糖含量达到最高，QC分别为62、60 mg/g（DW），JJ分别为67、63 mg/g（DW）（图3-B、图3-C）。2种繁育方式桑椹蔗糖变化趋势类似，均呈“倒抛物线”变化特征（图3-D），其中QC桑椹蔗糖含量变化始终高于JJ桑椹。2种繁育方式桑椹的乳糖在整个发育过程中均呈逐渐降低的趋势（图3-E），QC和JJ桑椹青果期乳糖含量分别为1.166、1.267 mg/g（DW）。随着桑椹果实的发育，2种繁育方式桑椹的麦芽糖含量呈逐渐升高的趋势（图3-F），在桑椹成熟期，2种繁育方式桑椹麦芽糖含量达到最高时，QC的2.896 mg/g（DW）显著大于JJ的1.66 mg/g（DW）。

2.3  不同繁育方式对果桑桑椹蔗糖代谢相关酶活性的影响

随着果桑桑椹的生长发育，QC和JJ桑椹SS活性呈逐渐升高的趋势，于成熟期出现峰值，且JJ显著大于QC，分别为10 437.5、8 781.25 U/g（FW）（图4-A）;QC和JJ桑椹SPS活性变化趋势与SS类似，在成熟期达到峰值，分别为11 333.3、11 481.5 U/g（FW）（图4-B），可见不同繁育方式桑椹SS和SPS活性随发育过程的变化类似。QC和JJ桑椹S-AI活性变化趋势各异，其中QC桑椹由红果期上升至初熟期达到峰值1 549.6 U/g（FW），而JJ桑椹在成熟期达到峰值967.2 U/g（FW），二者峰值差异显著（图3-C）。QC和JJ桑椹NI活性变化各异，QC桑椹NI活性在青果期最高为393.12 U/g（FW），而JJ桑椹在成熟期达到最高为312 U/g（FW），差异显著。由图4-D可见，不同繁育方式桑椹NI活性变化在果实整个发育后期较前期更为活跃，这与S-AI活性表现相一致，可以推测在桑椹发育的后期转化酶可能参与多条代谢途径调控果实生长发育，从而表现出较高的酶活性[8-12]。

2.4  不同繁育方式果桑光合生理参数、桑椹糖积累及蔗糖代谢相关酶活相关性分析

不同繁育方式桑椹发育过程中光合生理參数、糖积累及其蔗糖代谢酶活性之间相关性分析如表1所示。其中，桑椹Tss与SS、SPS呈显著正相关;Fru与Glc、SS、SPS呈显著或极显著正相关;Glc与SS、SPS呈显著、极显著正相关;Can与Lac、S-AI、NI、Pn、LUE、CUE、WUE呈正相关;Lac与Ci呈正相关，与其他参数均呈负相关;Mal与SS、SPS、S-AI、NI、WUE呈显著或极显著正相关。以上相关性分析结果表明，桑椹发育过程中，己糖（果糖和葡萄糖）含量逐渐升高，主要原因是运输到果实中的蔗糖被转化酶（S-AI和NI）分解为果糖和葡萄糖。Tss、Fru、Glc均与Pn、LUE、CUE、WUE呈正相关，糖作为植物光合同化物与植物光能利用息息相关，但光合同化物的运输分配是由若干个相互有关的生理生化过程所控制，在经济库器官如果实、种子间的分配和运输受到诸多生理过程的调节，如光合效率、同化物在源叶的装载、韧皮部长距离转运、库器官韧皮部的卸载及韧皮部后运输等[13-15]。大量研究表明，在生理、分子和信号转导水平上，光合同化物的运输与代谢对果实糖积累发挥着越来越重要的作用[16-20]。QC和JJ桑椹糖含量差异表明，不同繁育方式对桑椹光合同化物运输与分配有影响。

3  讨论

糖是果实品质和风味物质形成及其他营养成分合成的基础原料[21]。研究结果表明，2种繁育方式果桑Pn日变化曲线均呈双峰曲线，有明显的光合“午休”现象，但QC果桑第2个峰值均明显高于JJ果桑峰值，Tr日变化均为双峰曲线，Tr最大峰值QC>JJ。2种繁育方式果桑表观光能利用效率（LUE）和瞬时水分利用效率（WUE）均为QC>JJ，表观CO2利用效率（CUE）为JJ>QC，表明不同繁育方式对桑树光合特性有影响。2种繁育方式桑椹不同发育时期糖分含量存在差异，可溶性糖含量从红果期呈直线上升趋势，初熟期至成熟期有不同程度下降。糖分含量中果糖和葡萄糖含量始终较高，糖分积累均以果糖和葡萄糖为主，推测桑椹为蔗糖和己糖共同积累型果实。不同繁育方式桑椹SS和SPS活性随发育过程的变化类似。不同繁育方式桑椹NI活性变化在果实整个发育后期较前期更为活跃，这与S-AI活性表现相一致，可以推测在桑椹发育后期转化酶可能参与多条代谢途径调控果实生长发育，从而表现出较高酶活性。在桑椹发育过程中，推测正是由于S-AI、NI活性的不断升高，导致果桑的光合产物-蔗糖被不断分解为果糖和葡萄糖。在果实发育不同阶段，参与糖代谢的酶活性各异，其果实品质的形成可能为各种酶协同作用的结果[22，23]。

光合生理参数与桑椹糖积累及蔗糖代谢相关酶活相关性分析表明，Tss、Fru、Glc均与Pn、LUE、CUE、WUE呈正相关，糖作为植物光合同化物与植物光能利用相关，但光合同化物的运输分配是由若干个相互有关的生理生化过程所控制，在经济库器官如果实、种子间的分配和运输受到诸多生理过程的调节，如光合效率、同化物在源叶的装载、韧皮部长距离转运、库器官韧皮部的卸载及韧皮部后运输等[13]。近年来，大量研究表明，在生理、分子和信号转导水平上光合同化物的运输与代谢对果实糖积累发挥着越来越重要的作用[16]。QC和JJ桑椹糖含量差异表明，不同繁育方式对桑椹光合同化物运输与分配有影响。但果实中光合同化物——糖代谢是个复杂的生理生化过程，受多种因素的调控与影响[24，25]。因此，繁育方式对果桑光合同化物的运输分配及代谢的内在机理与调控都需要进一步研究。

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