桃果實糖代謝研究進展

葉正文，李雄偉，馬亞萍，劉 盼，蘇明申，周京一，杜紀紅

（1上海市農業科學院林木果樹研究所，上海201403；2南京農業大學園藝學院，南京210095；3上海市農業技術推廣服務中心，上海201103）

桃［Prunus persica（L.）Batsch］是薔薇科李屬植物，適應性強，栽培范圍廣，營養價值高，深受廣大消費者喜愛。長久以來，桃育種家們一直致力于改良桃果實品質相關性狀，如外觀品質（果實大小、色澤）、質地（硬度）及貨架期，并選育出一系列優良品種，但隨著消費者需求的日益多元化，歐美國家對桃的消費水平依然呈下降趨勢，其原因主要是桃果實風味品質沒有得到有效改善，貨架期長的硬肉桃品種普遍存在風味較淡的特征。果實風味是鮮食桃最重要的品質指標，由果實中的糖、有機酸、芳香物質等決定［1］。甜酸風味則主要由果實內可溶性糖和有機酸的含量及比例決定。研究表明，桃果實的糖酸比為6.5—19.4，當比值在7.5—8.5時，果實風味最好［2］。低品質的桃果實果糖含量較低，而山梨醇和葡萄糖含量則較高。因此，選育高甜品種，滿足果品市場及消費者的需求，已成為桃育種者、生產者的首要目標。果實糖代謝機理是果實品質形成的關鍵，一直是桃果實研究的熱點，也為調控果實風味和培育更好風味的育種研究提供可能。對當前桃果實糖代謝合成、基因調控及影響因子等研究進展進行系統總結，對目前存在的問題和未來開展的工作進行探討，可以為通過栽培措施來改善桃果實糖酸比或選育高甜新品種提供理論依據。

1 桃果實中的糖組分及代謝合成

桃果實內的可溶性糖主要是蔗糖、葡萄糖、果糖和山梨醇，其種類、含量及比率是決定桃內在品質和商品價值的重要因素［3］。成熟桃果實中最主要的糖組分是蔗糖，占總糖含量的40%—85%，其次為葡萄糖和果糖占10%—25%，山梨醇則少于10%。桃果實中其他糖組分還包括麥芽糖、異麥芽糖、半乳聚糖、棉子糖、木糖、海藻糖、巖藻糖、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與應激保護相關的關鍵抗氧化劑分子，其含量隨桃品種不同有差異［4］。桃果實發育過程中總糖含量會不斷上升，發育早期主要積累淀粉，到第二次快速膨大期主要積累己糖（果糖和葡萄糖），其后則以蔗糖積累為主，蔗糖積累一直持續到果實成熟階段，最后在采后貯藏過程中保持穩定或稍有下降。山梨醇在整個生長發育期的含量均較低，并在硬核期到第二次快速膨大期過渡時達到最大值，在果實成熟過程中逐漸降低。不同品種桃果實中葡萄糖和果糖的比例不同，但基本范圍為0.8—1.0［5］。

植物葉片產生的光合產物大部分以蔗糖或山梨醇的形式進行運輸，經韌皮部長途運輸后，卸載到發育過程中的果實內，然后在相關酶的作用下，進行一系列代謝及跨膜運輸，轉化為蔗糖、果糖或葡萄糖積累在果實中，產生不同的風味［6］。桃果實糖代謝途徑主要是山梨醇途徑，山梨醇是主要的光合產物，也是主要的運輸和可溶性貯藏物質，受光合作用的影響很大，同時因其向葡萄糖和果糖的轉化過程活躍，造成山梨醇、葡萄糖、果糖三種物質的含量在果實發育過程中不穩定，一直處于波動的狀態。山梨醇向葡萄糖、果糖的轉化主要由6-磷酸山梨醇脫氫酶、山梨醇氧化酶、山梨醇脫氫酶、酸性轉化酶等酶進行調控［7］，蔗糖的積累則主要由蔗糖合成酶、蔗糖轉化酶和蔗糖磷酸合成酶調控。Desnoues［8］等測定了山桃‘P1908’×普通桃‘Summergrand’、山桃‘P1908’×普通桃‘Zephyr’兩個BC1群體的106份雜交后代果實的果糖/葡萄糖比率及相關酶活性，發現1/4的后代是低果糖/葡萄糖比率，年份間酶活性差異顯著，且代謝物積累速率與酶活性之間相關性較差，推翻了酶活性直接控制桃果實糖含量的假設；低果糖型桃研究表明，此類桃蔗糖含量相對較高，可能果糖激酶活性高，中性轉移酶活性低相關，這項工作為全面研究糖代謝在桃果實發育中的作用機制奠定了基礎。

2 桃果實糖積累的關鍵酶和基因研究

2.1 果糖合成代謝關鍵酶及相關基因

大多數高等植物中，蔗糖是從源到庫運輸的主要形式，進入庫器官后，蔗糖被轉化酶分解為葡萄糖和果糖或由蔗糖合成酶分解為UDPG和果糖［9-11］。果糖進一步代謝前需要果糖激酶或己糖激酶進行磷酸化。果糖激酶是果糖磷酸化的主要酶，在庫組織的分配和代謝中起到至關重要的作用［12］。此外，果糖激酶還可以作為植物的己糖感受器和信號分子，通過影響植物生活周期來調控代謝和生長發育［13］。果糖激酶基因屬于pfkB碳水化合物激酶家族，這些基因的ATP與糖結合的區域高度保守［14］。最近，Desnoues等［15］開發了糖代謝的動力學模型，清晰地解釋了10個種間雜交組合后代在基因型和年度間的變化，同時也論證了果糖激酶親和力的差異可能導致低果糖-葡萄糖比率表型的假設。

2.2 蔗糖代謝關鍵酶及相關基因

蔗糖是成熟桃果實主要的糖類物質，是控制桃果實甜風味的重要成分，蔗糖在果實發育過程中呈逐漸增加趨勢，并在采前30—50 d呈快速積累［16］。與蔗糖代謝、積累密切相關的酶主要是蔗糖合成酶（SS）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）、蔗糖轉運蛋白（SUT）、轉化酶（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雙重活性，桃果實SS與蔗糖積累的季節性變化研究表明SS活性與蔗糖積累呈正相關，在桃成熟過程中主要表現為合成動力，調控桃果實在后期發育階段的蔗糖合成［19-20］。相似結果表明，果實發育過程中，桃果實中蔗糖含量的增加伴隨有SS活性的升高和較低程度的SPS活性的升高［21］。目前已分離到桃蔗糖合成酶基因家族有6個成員，GenBank登錄號分別為JQ412752、KJ493331、KJ493332、KJ493333、KJ493334、KJ49333［22］。SPS是催化蔗糖合成的關鍵酶，研究表明果實成熟過程中蔗糖的積累和SPS活性的升高密切相關。Zhang等［23］分離并克隆了6個與蔗糖代謝酶相關的基因，其核苷酸序列與從其他植物分離的相應基因具有高度的相似性，且這些基因的表達和相關酶的活性隨著組織和果實發育階段而變化，表明酶活性和相關基因表達存在顯著相關性。蔗糖的降解主要是由Inv催化，根據反應pH的不同，Inv又可分為：中性轉化酶、酸性轉化酶和堿性轉化酶。桃的蔗糖轉化酶活力在幼果期較高，隨著果實的發育和蔗糖的積累迅速降低，之后隨著果實發育和蔗糖積累，活性下降［24］；該酶在果實成熟期活性降低則有利于果實中蔗糖的積累［25］。盡管如此，水解酶在維持庫強、保證蔗糖的不斷輸入中起著重要作用。同時，蔗糖可作為呼吸基質被利用，這也是維持庫強的因子之一，在幼果期這兩種作用尤其突出［26］。

2.3 山梨醇代謝關鍵酶及相關基因

山梨醇（Sorbitol）是一種糖醇，其最早發現于薔薇科植物歐洲花楸的果實中［27］。在木本薔薇科植物中，山梨醇是樹皮等貯藏器官的可溶性碳水化合物的主要形式［28-29］。它是由G6P經6-磷酸醛糖還原酶（A6PR）、6-磷酸山梨醇磷酸酯酶（S6Pase）等一系列酶催化而成。同時G6P也是蔗糖合成途徑的調控底物，可激活SPS。源葉中同時也發生山梨醇的降解，由山梨醇脫氫酶（SDH）催化降解為果糖，由山梨醇氧化酶（SOX）催化降解為葡萄糖，代謝的山梨醇貯存于液泡中或細胞的自由空間中。果實發育早期，細胞分裂和細胞壁形成時，可用山梨醇作為呼吸基質，運來的產物不斷被消耗，有利于使果實保持較高的庫強；發育后期，山梨醇降解加快，滲透勢下降，也能保證庫強的存在。

桃果實不論在幼果期還是成熟期SDH的活性都很小［30］，但在桃果實發育過程中對山梨醇代謝起重要作用，在成熟果實中SDH活性的增強受轉錄基因的調控［31］。而桃果實中SOX活性在幼果中活性高，隨后開始下降，在成熟階段又有所上升。Bianco等［32］發現，SDH在中果皮中活性較高，而SOX在內果皮中的活性較高。在幼果生長期，栽培桃‘大久保’果皮中山梨醇含量整體趨勢高于野生桃，SDH和SOX的活性低于野生桃，說明在幼果生長期，栽培桃中果皮內的山梨醇代謝較野生桃弱［33］。山梨醇轉運蛋白（SOT）是運輸山梨醇的關鍵酶，其結構和功能的研究對山梨醇的運輸有重要的作用。但目前對山梨醇轉運蛋白的研究還很有限，其作用機理和功能還不清楚。SOT1、SOT5等基因的表達水平在不同桃品種之間存在顯著差異，且與果實的糖含量存在著一定的相關性，它們可能是控制果實可溶性糖積累的候選基因［34］。

3 影響桃果實糖含量的內外因素

影響桃果實糖含量的因素很多，不僅包含其不同品種自身的遺傳因素，還受外界栽培條件的影響：如光照、溫度、栽培地點、肥水管理、修剪程度及砧木等。Brooks等［35］連續兩年對不同桃品種群及Allgold、Goldilocks兩個栽培品種進行糖含量分析，發現不同年份間桃果實果糖、葡萄糖、山梨醇、可溶性固性物濃度差異很大。Wu等［36］研究了來自法國農業科學院兩個不同地區147個桃品種的糖、酸含量，發現其果實糖含量與栽培環境及自身基因型顯著相關。

3.1 遺傳控制機理

作為多基因控制的復雜數量性狀，果實糖相關的QTL定位已在草莓、蘋果、甜櫻桃、杏等多個物種上報道，并在薔薇科物種中表現出高度共線性。研究者們通過構建不同的雜交群體，對桃上幾種主要的可溶性糖相關的QTL進行了定位，最早利用‘Bailey’和‘Suncrest’的F2群體將5個與己糖含量相關的QTL定位到了遺傳圖譜上，但由于所用標記沒有整合到李屬植物國際參考圖譜上，其QTL在圖譜上的位置無法進行比較作圖。1999年，Dirlewanger等［37］利用‘Ferjalou Jalousia’（低酸普通桃）和‘Fantasia’（高酸油桃）的F2群體，將控制蔗糖含量的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’，黃肉油桃）和山桃（‘P1908’，低糖）雜交后回交兩代所獲得的BC2群體進行QTL定位，將控制桃果實果糖和葡萄糖含量的QTL位點定位在LG2、LG4和LG7上，控制總糖含量的2個QTL位點定位在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群體進行不同成熟期桃果實糖及相關酶相關位點的QTL分析，發現酶活性相關的QTL位點和代謝產物的QTL位點在遺傳連鎖圖譜上存在共同的座位。同時該研究也證明了果實發育過程中QTL效應的不穩定性對果實育種會產生重大影響，需要更多的研究來驗證這些QTL的候選基因并揭示它們的功能。

近期，美國科學家通過全基因組關聯分析手段，對遺傳變異較大并具有代表性的桃種質資源進行基因分型，將與可溶性固形物相關的QTLs定位到LG6中部和LG7底部。而目前，與桃果實糖含量相關的QTL定位主要利用法國‘Ferjalou Jalousia’（低酸普通桃）בFantasia’（高酸油桃）和‘Summergrand’בZephyr’兩個F2雜交群體進行，并發現了多個位點與其相關。但僅有少數QTLs在兩個群體上的重復性較好。其中一個與蔗糖含量相關的主效QTL定位在LG5。與葡萄糖、果糖、山梨醇含量相關的QTLs主要在LG4、LG5、LG6上，這些QTL位點的定位對候選基因的定位及連鎖標記在分子輔助育種中的應用奠定了堅實的基礎。

3.2 激素對桃果實糖含量的影響

植物激素在植物生長過程中扮演著重要的角色：從花的形態發生到坐果、果實生長、果實成熟及采后保鮮貯藏各個環節［40-42］。激素的調節作用可能在基因表達的不同水平上（轉錄、翻譯和翻譯后）調節與糖代謝相關的關鍵酶和運輸糖的載體［7］。朱世明等［43］發現貯藏15 d時噴施外源乙烯能更好的保持桃果實的SSC含量、VC含量和總糖含量。10—15 mol/L ABA處理不僅可以促進桃果肉對山梨醇、果糖和葡萄糖的吸收，其中尤其以對山梨醇吸收的促進作用最為明顯，還可以抑制山梨醇的外流［44］。赤霉素、細胞分裂素等植物激素能提高可溶性固形物和總糖含量，降低酸度以及提高糖酸比例，其主要原因是激素在調節植物體內營養向果實運轉方面起很大作用。低溫5°C冷藏前，將桃果實在熱空氣中處理3 d，或將MeJA蒸氣以10μmol/L處理24 h，然后在5℃下保存，均會提高冷藏過程中桃果實的蔗糖含量及蔗糖磷酸合酶基因SPS表達水平，降低酸性轉移酶AI基因表達水平，提高果實抗冷害能力［45］。

3.3 其他和糖積累相關的研究

灌溉、采后人工氣調下儲存、光照、水脅迫、修剪、鉀元素和果實套袋都可以影響桃果實中糖的積累和代謝。光照充分、晝夜溫差大及土壤適度缺水均可提高果實的含糖量。Thakur［46］等研究了‘Spring Bright’和‘Summer Bright’兩個油桃品種在虧缺灌溉（DI）后桃果實生長中糖分和有機酸含量的響應，發現33%DI處理后兩個桃品種在果實成熟過程中總糖和蔗糖含量均有所增加。土壤水分虧缺后，‘Spring Bright’品種在開花后72 d，葡萄糖水平都有所升高，直到果實成熟葡萄糖水平開始降低；‘Summer Bright’品種的葡萄糖含量均有所增加。Kobashi等［47］對桃樹進行水脅迫處理，從而分析果實中糖積累和脫落酸之間的關系。在中等強度的水脅迫（-0.8 MPa）下，果實中山梨醇、蔗糖和總糖水平及山梨醇氧化酶的活性均提高，然而在高強度水脅迫（-1.1 MPa）下，水脅迫的植株和對照植株沒有什么不同。水脅迫可以誘導果實ABA的增加，繼而激發山梨醇代謝速率加快。

Kumar等［48］對‘Flordasun’‘Flordaking’和‘Saharanpur Prabhat’3個桃品種進行輕度、中度、重度和未修剪四個處理比較，發現3個品種的糖酸比受到修剪水平的影響不顯著，而‘Flordasun’的果實重量、果實大小、可溶性固形物、糖和酸的含量顯著增加。‘Flordaking’和‘Saharanpur Prabhat’幾乎全部理化特性都受修剪程度的影響，中度和重度修剪的處理表現更好。

近年來，桃、油桃等果樹的設施栽培面積和產量增長很快，但設施栽培條件下，樹體經常處在弱光環境中，嚴重影響了果實品質，表現為果實含糖量降低和風味變淡等。遮光處理降低了桃果實整個發育過程中AI、SS、NI和SPS的活性，同時減少果實中果糖和蔗糖含量。延長光照時間對果實含糖量沒有明顯影響，但在果實發育的某些階段對果實中SS和SPS活性有顯著影響。Wang等［49］用1.44 kJ/（m2·d）強度的紫外線B照射溫室中桃品種‘Lumi’，其結果表明，在桃果實第二次快速生長期之前用紫外線B輻射桃果實可以增加溫室中蔗糖和山梨醇含量。果實套袋處理也可改變果實生長發育的光照、濕度和溫度微環境，并可避免外界環境的不利因素，減少病蟲害侵襲和農藥殘留，改善果實外觀品質。但套袋在改善果實外觀品質的同時，對果實品質也有不良影響。采用塑料膜袋、牛皮紙袋、單層遮光袋、報紙袋進行套袋的‘瑞光油桃’的可溶性固形物含量較自然光照下的果實降低0.5%—1.5%［50］，在‘燕紅’桃上的試驗也得到了類似的結果［51］。

鉀可以調控糖代謝過程相關合成酶、氧化還原酶和轉移酶等的活性，從而調節相應的生理過程［52］。張新生等［53］研究發現，設施栽培條件下，幼果期和著色前噴施KH2PO4均顯著提高了‘艷光’油桃果實中蔗糖代謝酶活性，增加了桃果實中蔗糖含量，但對葡萄糖和果糖含量無明顯影響，說明KH2PO4處理是通過全面提高果實中蔗糖代謝酶活性，起到提高庫強作用，從而增加果實含糖量。土壤中充足的有效態N也有利于果實總糖含量的增加，過量施氮延遲了桃果實的成熟，導致收獲時蔗糖和蘋果酸降低。

桃果實采后貯藏條件也會影響糖代謝，在貯藏過程中，蔗糖含量保持恒定或稍微降低，而己糖增加或減少，具體取決于品種和貯藏條件［54］。桃果實的裂核與糖代謝也具有密切的關系。裂核果在發育后期，自身的代謝出現紊亂，而且裂核果在果核處易形成大量的愈傷組織，愈傷組織的形成是激素與糖等物質共同作用的結果，因此，與正常果相比，裂核果在發育后期糖代謝相關酶的活性表現出明顯差異［55］。另外，糖分含量的相對恒定受環境和基因型共同調控。但是，環境如何影響酶和酶基因表達水平仍有待闡明。

4 展望

提高桃果實感官品質一直是新品種選育的重要目標之一。目前，果實感官品質的改良主要在于提高其含糖量和甜味，為此，近20年來國內外也選育出一系列高糖新品種來滿足消費者需求。而隨著果品市場需求的日益多元化，桃果實消費并未隨果實糖度的升高而增加。同時，桃作為木本植物，童期長，栽培過程中占地面積大，育種周期長，勞動力成本高，大大降低了育種效率，傳統育種手段在現代都市農業中的弊端日漸突出，必須開發新型的育種技術，提高育種效率。

研究桃果實的糖代謝機制，不僅有重要的理論意義，而且在生產中也能得以應用。人們對桃果實的糖代謝路徑及相關酶的活性研究已取得了一定成就，鑒于任何果樹的性狀實質上都是基因調控的，因此有必要從分子生物學、遺傳學和基因組學角度研究基因對桃果實糖積累的調控作用。綜上，未來桃果實糖代謝研究應該重點從以下方面開展工作：（1）從糖代謝的完整調控網絡著手，利用基因組學、轉錄組學、代謝組學及蛋白質組學相結合的方法挖掘果實糖積累的候選基因及轉錄因子，并使用體外蛋白和酵母表達系統進行基因及調控因子的功能驗證。（2）不斷開發新的表型分析方法或模型，逐步消除性狀評價過程中環境或基因與環境互作的影響。同時在分析桃果實糖評價機制中，考慮單一成分如“蔗糖”、“果糖”和“葡萄糖”含量的同時，增加對“果糖/葡萄糖”及“糖/酸”比值，因后者更能反應桃的風味品質。（3）‘上海水蜜’作為世界優質桃的鼻祖，在美國、歐洲、我國衍生出一系列高甜濃香的新品種，從系譜分析的角度分析‘上海水蜜’及其優異后代在高甜性狀的遺傳特性，更能闡釋桃果實糖代謝的遺傳調控機理。（4）目前，桃上還未建立完善的遺傳轉化體系，因而很難對基因組或轉錄組中挖掘的性狀相關基因或轉錄因子進行功能驗證，考慮選擇草莓和李等同類屬植物進行功能快速驗證。