枇杷果实发育过程中山梨醇含量及相关酶活性的变化

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  摘 要 以果型和品质差异较大的黄肉枇杷(Eriobotrya japonica Lindl.)‘解放钟’和白肉枇杷‘白梨’的果实为试材,测定果实发育过程中山梨醇、果糖、葡萄糖含量及与山梨醇代谢相关酶--山梨醇脱氢酶(Sorbitol dehydrogenase, SDH)和山梨醇氧化酶(Sorbitol oxidase, SOX)活性的变化,并探讨山梨醇代谢与枇杷果实生长发育和品质形成的关系。结果表明:2个枇杷品种果实中山梨醇含量均随果实发育进程呈下降趋势,且‘白梨’枇杷果实中山梨醇含量高于‘解放钟’。在花后35~80 d,2个枇杷品种幼果中葡萄糖和果糖含量均较低且相对稳定,而花后95~140 d果实中葡萄糖和果糖含量逐渐上升,并在花后125~140 d果实成熟期急剧增加而达到峰值;果实中葡萄糖含量在2个品种间差异不显著(p>0.05),花后125~140 d的果实成熟期,‘白梨’果实中果糖含量显著高于‘解放钟’(p<0.05)。果实发育过程中SDH和SOX的活性均呈先降后升的变化趋势。说明2个枇杷品种果实发育过程中山梨醇、果糖、葡萄糖含量及SDH和山SOX的活性表现出相似的变化规律,但果实山梨醇含量与SDH和SOX的活性在果实膨大期均存在显著差异(p<0.05),这可能是黄肉枇杷与白肉枇杷品质差异的关键。
  关键词 枇杷;山梨醇;山梨醇脱氢酶;山梨醇氧化酶
  中图分类号 S667.3 文献标识码 A
  Abstract The changes of sorbitol, fructose and glucose contents and the activities of sorbitol-metabolizing enzymes, including sorbitol dehydrogenase(SDH), sorbitol oxidase(SOX)were studied during the fruit development of ‘Baili’ and ‘Jiefangzhong’cultivars of loquat(Eriobotrya japonica Lindl.). The study was carried out to explore the relationships between sorbitol metabolism and the growth, development and quality formation of loquat fruits. The results showed that sorbitol content in the two cultivars generally decreased during fruit development, and sorbitol content was higher in ‘Baili’ than in ‘Jiefangzhong’ loquat. In the two cultivars, young loquat fruits from 35 to 80 days after anthesis exhibited low and relatively stable contents of fructose and glucose; their contents increased gradually from 95 to 140 days after anthesis, reaching to a peak from 125 to 140 days after anthesis. The glucose contents in the developing loquat fruits were similar in the two cultivars(p>0.05). The fructose content of ‘Baili’ fruit was significantly higher than that of ‘Jiefangzhong’ fruit during fruit maturation(p<0.05). In both cultivars, the activities of SDH and SOX decreased at first, and then rised during loquat fruit development. Trends of sorbitol, fructose and glucose contents and SDH, SOX activities were similar in the two cultivars, except for sorbitol content and SDH, SOX activities at the stage of loquat fruit enlargement(p<0.05). This may be the key for the formation of fruit quality in the two different loquat cultivars with yellow and white pulp.
  Key words Loquat;Sorbitol;Sorbitol dehydrogenase(SDH);Sorbitol oxidase(SOX)
  doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.10.019
  枇杷(Eriobotrya japonica Lindl.)是蔷薇科(Rosaceae)苹果亚科(Maloideae)枇杷属的一种常绿果树,是原产中国南方的特有珍稀水果。枇杷依其果肉颜色可分为黄肉枇杷和白肉枇杷2类,黄肉枇杷果实相对较大,但品质不及白肉枇杷;白肉枇杷果实味甜爽口、品质极优,但果较小。山梨醇属于糖醇类,是山梨糖的还原产物[1]。山梨醇在高等植物中多集中分布于蔷薇科的苹果亚科、梅亚科、绣线菊亚科和蔷薇亚科的棣棠花属、下田菊属和多瓣木属,而其它植物山梨醇含量极低或不含[2]。相关研究认为,果实中山梨醇并不始终以山梨醇的形式存在,可通过其代谢酶而被转化为果糖和葡萄糖,从而促进果实的膨大和品质的形成[3-5]。单守明等[6]的研究结果表明,外源激素通过调控SDH和SOX的活性而对苹果果实生长速率及品质的形成产生影响。安永梅等[7]研究认为苹果套袋降低了果实山梨醇的转化能力,从而改变果实的品质。孟海玲等[8]研究认为山梨醇吸收量和代谢能力的增强能促进桃果实体积和重量的迅速增加。目前,有关果实发育过程中山梨醇及相关酶活性变化的研究多集中在蔷薇科的苹果、桃子、梨等果树,而枇杷果实发育过程中营养成分及相关酶活性变化的研究主要集中于蔗糖及相关酶活性,有关枇杷果实山梨醇及代谢相关酶的研究鲜有报道。本研究以果型和品质差异较大的黄肉枇杷‘解放钟’(大果型)和白肉枇杷‘白梨’(小果型)的果实为材料,分析果实发育过程中山梨醇、果糖、葡萄糖含量及山梨醇代谢相关酶活性的变化规律,旨在为进一步探索枇杷果实生长发育及糖积累与转化的调控提供依据。   1 材料与方法
  1.1 材料
  以果型和品质差异较大的‘解放钟’和‘白梨’枇杷果实为试材,由福建省莆田市果树研究所提供。选取8年生树冠大小和长势相对一致、无病虫害、生长正常的枇杷树15株挂牌标记(经常规疏果),采取统一的土、肥、水管理方案,按物候期自花后35 d起至果实成熟,每隔15 d定期于树冠外围东、南、西、北和顶部随机选取中等大小果实15~20个,采用隔热保温箱冰冻密封,并迅速运回实验室,液氮速冻后保存于-70 ℃超低温冰箱,待测相关指标。
  1.2 方法
  1.2.1 山梨醇的提取与测定 果实山梨醇的提取参照陈俊伟等[9]和孟艳玲等[10]的方法并稍作修改。用液氮将果实研磨成粉末过筛后,称2.0~3.0 g粉末样品,加入10.0 mL 80%乙醇于80 ℃水浴中提取10 min,以2 500×g离心10 min并收集上清液,其沉淀再用80%乙醇提取2次,合并上清液于旋转蒸发仪上浓缩,加2.0 mL双蒸水定溶,再用Sep-Pak C18柱进行固相萃取以除去色素、多酚与脂类,然后用0.22 μm滤膜进行除菌过滤,最后获得山梨醇待测样液。
  山梨醇含量的测定参照孟艳玲等[10]和张丽娟等[11]的方法并稍作修改,采用液相色谱仪Waters 209系统,泵Waters 510,色谱柱为SUGAR SC1011(Shodex,日本)(8 mm i. d.×300 mm),以超纯水为流动相,0.8 mL/min的流量,紫外检测器,检测波长为190 nm, 柱温为25 ℃,进样量为20.0 μL。
  1.2.2 糖的提取与测定 果糖和葡萄糖的提取与测定参照张友杰[12]的方法,果糖和葡萄糖含量以mg/g FW表示。
  1.2.3 酶液制备与活性测定 酶液制备参照单守明等[6]的方法并稍作修改。称取1.0 g果肉于研钵内,加少量石英砂和HEPES提取缓冲液5.0 mL(50.0 mmol/L的HEPES-NaOH,pH7.5,含10.0 mmol/L的MgCl2,1.0 mmol/L的EDTA,2. 5 mmol/L的DTT,10.0 mmol/L的维生素C和5.0%不溶性PVPP),冰浴研磨匀浆,于4 ℃条件下经12 000×g离心20 min,上清液即为粗酶液。粗酶液经45%~75%饱和度的硫酸铵分级盐析,盐析后采用稀释10倍的HEPES提取缓冲液(不含PVPP)于4 ℃下透析15 h,得到的酶液保存于4 ℃冰箱中待测酶活性。SDH和SOX的活性测定参照Yamaki[13]和任雪峰等[14]的方法并稍作修改,以μmol NADH/h·g FW表示SDH的活性,以μmol glucose/(h·g FW)表示SOX的活性。
  1.3 数据分析
  以上各指标的测定均重复3次,取平均值。所得数据采用Microsoft Excel软件进行绘图,采用SPSS软件检验差异显著性。
  2 结果与分析
  2.1 枇杷果实发育过程中山梨醇含量的变化
  从图1可看出,枇杷果实中山梨醇含量相对较低。‘解放钟’枇杷果实山梨醇含量随果实发育进程而降低,在花后35~95 d的果实生长期,果实山梨醇含量呈快速下降,而果实发育后期即果实趋向成熟,果实山梨醇含量下降速度趋向平缓。‘白梨’枇杷果实山梨醇含量随果实发育进程呈降-升-降-升的变化规律,致使其果实山梨醇含量在花后65~95 d的果实膨大期和125~140 d的成熟期显著高于‘解放钟’,差异达显著水平(p<0.05)。但‘白梨’枇杷果实山梨醇含量随果实发育进程总体上呈下降趋势,表现出与‘解放钟’枇杷相似的变化趋势。在果实发育进程中,‘白梨’果实山梨醇含量总体上高于‘解放钟’。
  2.2 枇杷果实发育过程中葡萄糖含量的变化
  由图2可见,‘白梨’和‘解放钟’枇杷果实发育过程中葡萄糖含量均呈上升的变化趋势,其中在花后35~95 d的果实生长期,2个枇杷品种果实的葡萄糖含量较低且相对稳定,而花后125~140 d的果实生长发育后期,果实葡萄糖含量急剧上升并达到峰值,葡萄糖含量的变化与枇杷果实发育过程中甜度逐渐增加的品质变化进程相吻合。‘白梨’和‘解放钟’枇杷在果实发育过程中葡萄糖含量差异不显著(p>0.05),2个枇杷品种果实品质存在差异的原因不在于葡萄糖。
  2.3 枇杷果实发育过程中果糖含量的变化
  从图3可以看出,‘白梨’和‘解放钟’果实发育过程中果糖含量均呈增加的变化趋势,在花后35~80 d,果实中果糖含量一直保持在较低的水平,花后80~110 d果实中果糖含量开始平缓上升,而花后125~140 d果实中果糖含量急剧增加并达到峰值,90%以上的果糖是在果实成熟前30 d内积累的。在花后35~125 d,‘白梨’和‘解放钟’枇杷果实中果糖含量相近,两者差异未达显著水平(p>0.05),但在花后125~140 d,‘白梨’枇杷果实中果糖含量显著高于‘解放钟’(p<0.05);至果实成熟时,‘白梨’枇杷果实中果糖含量是‘解放钟’的2倍多,差异达极显著水平(p<0.01)。这可能是导致黄肉枇杷果实品质不及白肉枇杷的重要原因之一。
  2.4 枇杷果实发育过程中SDH活性的变化
  SDH在果实中催化山梨醇转变成果糖和葡萄糖。从图4可看出,‘白梨’果实发育过程中SDH活性变化不同于‘解放钟’,‘白梨’枇杷果实SDH活性呈“升-降-升”的变化规律,而‘解放钟’枇杷果实SDH活性则呈“先降-后升”的变化趋势。在花后50~95 d, ‘解放钟’枇杷果实SDH活性明显高于‘白梨’,差异达显著水平(p<0.05)。在花后110~140 d即果实生长发育后期,因‘白梨’枇杷果实SDH活性上升较快,导致‘白梨’枇杷果实SDH活性高于‘解放钟’,两者差异达显著水平(p<0.05),这与‘白梨’枇杷果实果糖含量高于‘解放钟’枇杷的结果相一致。在花后125~140 d,2个枇杷品种果实的SDH活性均表现出急剧上升。   SOX在果实中催化山梨醇转变成葡萄糖。从图5可看出,‘白梨’和‘解放钟’枇杷果实发育过程中SOX活性均呈“先降-后升”的变化趋势,但‘白梨’枇杷果实SOX活性下降较为平缓,而‘解放钟’枇杷果实SOX活性下降较为明显,并由此导致在花后35~80 d,‘白梨’枇杷果实SOX活性高于‘解放钟’,特别在花后50~80 d期间,两者差异达显著水平(p<0.05)。在花后80~140 d,2个枇杷品种果实SOX活性逐渐上升,但两者SOX活性差异不明显(p>0.05),这与果实成熟时‘白梨’枇杷果实葡萄糖含量略高于‘解放钟’枇杷的结果相吻合。
  3 讨论与结论
  山梨醇是蔷薇科果树枇杷同化物的主要运输形式,参与果实的形态建成及糖代谢,影响果实的生长发育与品质的形成[9]。枇杷果实发育早期生长较慢,且葡萄糖和果糖含量较低,可能与山梨醇作为代谢基质用于呼吸代谢、细胞分裂和细胞形成等消耗较少,同时山梨醇被转化成葡萄糖和果糖也较少有关;而叶片合成的山梨醇不断外运到果实中,使发育早期枇杷果实山梨醇含量保持在较高的水平。随着果实进入细胞快速分裂和生长的发育中期,用于形态建成的山梨醇消耗随之增加,导致此时果实山梨醇含量的降低。果实发育后期,SDH和SOX的活性随着果实的成熟而逐渐升高,果实葡萄糖和果糖含量也随之增加,叶片转运来的山梨醇可能大部分被转化成葡萄糖和果糖,因此成熟果实中山梨醇含量很低。在枇杷果实发育过程中,由山梨醇在果实发育早期和中期主要用于形态建成逐渐向果实发育后期山梨醇被转化的功能转变。本研究结果还发现果实成熟时,供试白肉枇杷‘白梨’果实的果糖含量是‘解放钟’的2倍多,其山梨醇含量也高于‘解放钟’,而葡萄糖含量无明显差别。在枇杷果实的葡萄糖、果糖和蔗糖3种糖中,果糖的甜度最高,白肉枇杷果实品质优于黄肉枇杷与其高果糖含量相关,这与陈俊伟等[9]的研究结果一致。
  本研究结果表明,在果实发育的早期和中期即花后50~95 d,‘解放钟’枇杷果实SDH的活性虽明显高于‘白梨’,而此期间‘解放钟’和‘白梨’的果糖含量却维持在较低的水平且,两者几乎无差异。果实发育后期即花后110~125 d,‘白梨’枇杷果实SDH的活性高于‘解放钟’,而这期间‘白梨’的果糖含量极显著高于‘解放钟’,这表明枇杷果实中果糖含量还受控于其它代谢途径,这与Sizuki等[15]在苹果与亚洲梨上的研究结果基本一致。
  Loescher等[16]和Archbold[17]研究认为苹果果实的生长速率取决于果实获取山梨醇的能力及山梨醇的转化效率,SDH和SOX对果实生长发育和品质的形成起调控作用[4, 17]。本试验在花后65~95 d的果实细胞快速分裂和生长期,‘白梨’枇杷果实山梨醇的含量显著高于‘解放钟’,而果实中果糖和葡萄糖含量却没有明显变化且维持在较低的水平;这一时期‘白梨’果实细胞分裂和细胞生长速度慢于‘解放钟’,可能与其果实山梨醇用于细胞分裂与生长等形态建成的转化能力较弱或转化为果糖和葡萄糖的需求少于‘解放钟’相关,导致其山梨醇的积累量高于‘解放钟’的结果,从而影响果实体积和重量的迅速增加,这可能是白肉枇杷果型普遍比黄肉枇杷果型小的原因之一。
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