4種鮮食葡萄果實糖積累和代謝相關酶及基因表達差異分析

任言 李美璇 劉婉君 喬月蓮 王莉 師校欣 杜國強

摘要：為明確鮮食葡萄果實糖積累規律及相關機理，以陽光玫瑰、巨峰、意大利和摩爾多瓦葡萄為試材，對發育期果實糖組分含量、蔗糖代謝相關酶活性及糖轉運蛋白基因表達進行分析。結果表明，葡萄果實成熟過程中葡萄糖與果糖含量呈上升趨勢，果實成熟時果糖與葡萄糖含量由高到低依次為陽光玫瑰>巨峰>意大利>摩爾多瓦，且差異顯著。在糖代謝中，酸性轉化酶（AI）活性在各品種果實成熟初期均達峰值，且陽光玫瑰葡萄AI活性比巨峰、意大利和摩爾多瓦分別高39.89%、72.55%和86.20%；陽光玫瑰葡萄蔗糖合酶-分解方向（SS-c）活性分別比巨峰、意大利和摩爾多瓦高11.13%、34.44%和45.76%。轉色末期至成熟期，陽光玫瑰葡萄果實糖轉運蛋白基因VvHT2和VvSWEET15相對表達量分別是其他品種的1.23～2.60倍與1.14～3.05倍。各品種葡萄果實果糖和葡萄糖含量與VvHT2、VvSWEET15表達量和AI活性均呈顯著正相關，陽光玫瑰和巨峰果實果糖、葡萄糖含量與SS-c活性呈顯著正相關。綜上所述，4種鮮食葡萄果實果糖及葡萄糖的積累規律差異主要由糖轉運蛋白基因VvHT2、VvSWEET15的差異表達和AI、SS-c酶活性差異所致。

關鍵詞：葡萄果實；品種；糖含量；代謝酶；表達量；相關性

中圖分類號：S663.101??文獻標志碼：A??文章編號：1002-1302（2023）09-0140-07

基金項目：熱雜果現代種業科技創新團隊（編號：21326310D）；河北省現代農業產業技術體系葡萄創新團隊（編號：HBCT2018100204）。

作者簡介：任?言（1996—），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事園藝產品質量與安全研究。E-mail：15075192193@163.com。

通信作者：杜國強，教授，主要從事果樹生物技術、果樹生理與生態、園藝（果樹）產品質量與安全研究。E-mail：gdu@hebau.edu.cn。

葡萄營養豐富，其果實可溶性固形物與可溶性糖含量較高且具有多種氨基酸、維生素和礦質元素等，其中糖類物質是決定果實甜度、口感與風味的重要因子［1］。高糖含量的鮮食葡萄品種甜度值高、風味佳，更易滿足消費者與市場需求。葡萄屬于糖直接積累型果實，其主要糖分有葡萄糖、果糖和蔗糖，少量存在其他糖組分種類，如水蘇糖和棉子糖等［2］。葉片光合作用產生的蔗糖通過韌皮部運送至果實中被分解成葡萄糖和果糖［3］。因此，在葡萄果實生長發育過程中，蔗糖代謝酶，如：轉化酶（INV）、蔗糖合酶（SS）和蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性大小決定庫強大小，進而影響了漿果內各糖組分含量［4-6］。閆梅玲等對赤霞珠葡萄的研究表明，葡萄糖、果糖的積累主要受轉化酶的調控［7］。盧彩玉等研究發現，通過根域限制巨玫瑰葡萄可提高酸性轉化酶（AI）活性，進而提高果實可溶性糖含量［8］。Han等發現，疏果處理提高了赤霞珠葡萄果實AI與細胞壁轉化酶（CWI）活性，從而提高葡萄糖與果糖含量［9］。在山葡萄果實中，轉色期SPS活性上升促進了蔗糖含量的積累。此外，糖轉運蛋白在葡萄果實糖分跨膜運輸中起重要作用，Wang等發現，疏果可上調轉色期后西拉葡萄果實糖轉運蛋白基因VvHT5表達量，從而提高葡萄糖與果糖含量［10］。在霞多麗葡萄中，VvSWEET10定位在質膜中并負責成熟后期己糖的跨膜轉運［11］。

目前，針對葡萄果實糖含量的研究主要集中于栽培技術、外源生長調節劑及肥料噴施等方面［12-14］，而對不同品種間糖分積累差異及產生機制的研究較少。本試驗選取陽光玫瑰、巨峰、意大利和摩爾多瓦4個不同糖含量的鮮食葡萄品種，對其發育過程中糖積累、蔗糖代謝相關酶活性及糖轉運蛋白基因表達量進行研究，以期為闡明葡萄品種之間糖含量差異產生的原因及風味品質改良提供理論基礎。1?材料與方法

1.1?試驗材料

試驗材料取自河北省定州市黃家葡萄酒莊葡萄園（38°29′44″N，115°09′5″E），土壤類型為沙土，單臂籬架，南北行向，株行距1.5 m×2.0 m，樹齡8年生，品種為陽光玫瑰、巨峰、意大利和摩爾多瓦葡萄。于果實膨大期、轉色初期、轉色末期、成熟初期及成熟期采樣（表1）。每品種挑選生長勢一致、無病蟲害樹15株，采用完全隨機設計，3次重復，5株為1小區。每次取樣兼顧樹體方位采集果實30粒，迅速放入冰盒，用液氮速凍分裝后于-80 ℃超低溫冰箱中保存。

1.2?試驗方法

1.2.1?糖組分含量測定?糖組分提取及測定參照黃艷等的方法［14］進行。

1.2.2?糖代謝相關酶活性測定?蔗糖代謝相關酶提取參照王惠聰等的方法［15］，取1 g凍樣，加入液氮充分研磨，置于10 mL離心管中，加入4 mL 50 mmol/L Hepes-NaOH 緩沖液（pH值7.5）作為提取液，內含10 mmol/L MgCl2，1.0 mmol/L EDTA，2.5 mmol/L DTT，0.05% TritonX-100和0.1% BSA，12 000 r離心20 min，將上清液裝入透析袋中在稀釋10倍的提取緩沖液（無Triton X-100）于 4 ℃ 下透析16 h之后保存于-80 ℃待測。酶活性測定參照趙智中等的方法［16］。

1.2.3?實時熒光定量PCR分析?葡萄果實RNA提取參考Vashisth等改良的CTAB法［17］，采用UEIris Ⅱ RT-PCR System反轉錄試劑盒進行第一鏈cDNA的合成。本研究中熒光定量PCR特異性引物和內參基因序列見表2，引物合成工作由上海生物工程股份有限公司完成。定量分析使用宇恒生物科技有限公司生產的qRT-PCR試劑盒Fast Super EvaGreenTM qPCR Master Mix進行。PCR反應體系為20 μL：cDNA模板 1 μL，上、下游引物各 1 μL，Mix 10 μL，ddH2O 7 μL。反應程序：95 ℃ 預變性5 min；95 ℃ 10 s，60 ℃ 30 s，共40個循環；72 ℃ 10 min延伸。所有PCR反應設置3次生物學重復，采用2-ΔΔCT法計算相對表達量。

1.2.4?數據處理?采用Excel 2016和DPS軟件進行統計和差異顯著性分析（Duncans新復極差法，α=0.05），采用SPSS 20.0軟件進行相關性分析。

2?結果與分析

2.1?果實糖組分含量變化

隨著葡萄果實的發育，各品種果實果糖（圖1-A）、葡萄糖（圖1-B）含量呈不斷上升趨勢，蔗糖（圖1-C）含量呈先上升后下降的趨勢。果實發育過程中，摩爾多瓦果糖與葡萄糖含量均顯著低于陽光玫瑰和巨峰，意大利葡萄糖和果糖含量分別在成熟初期和成熟期顯著低于陽光玫瑰和巨峰。成熟期，葡萄糖與果糖在各品種中含量均較高，其中果糖占比為48.08%～50.24%，葡萄糖占比為48.01%～50.30%，兩者總占比為98.25%～98.48%，蔗糖含量較低，占比僅為1.53%～1.75%；陽光玫瑰果實果糖含量分別為巨峰、意大利、摩爾多瓦的1.13、1.19、1.33倍，葡萄糖含量分別為巨峰、意大利、摩爾多瓦的1.07、1.24、1.29倍，差異達顯著水平（P<0.05）。

2.2?蔗糖代謝相關酶活性的變化

由圖2-A可知，4個品種葡萄果實酸性轉化酶（AI）活性均呈先升后降的趨勢，在成熟初期AI活性達峰值。成熟初期，陽光玫瑰AI活性最高，為301.46 mg/（g·h），分別為巨峰、意大利、摩爾多瓦的1.40、1.73、1.86倍。由圖2-B可知，中性轉化酶（NI）活性較低但變化趨勢與AI相似，在成熟初期達最高值，巨峰NI活性顯著低于其他品種。

蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性在葡萄果實發育過程中呈波動變化趨勢，由圖2-C可知，轉色末期，陽光玫瑰果實SPS活性達峰值。成熟初期，巨峰、意大利與摩爾多瓦果實SPS活性達峰值。成熟期陽光玫瑰SPS活性略微升高，而巨峰、意大利與摩爾多瓦SPS活性下降。由圖2-D可知，蔗糖合酶分解方向（SS-c）均呈“M”形變化趨勢，果實發育期內均以陽光玫瑰SS-c活性最高。轉色初期，各品種SS-c活性均達峰值，陽光玫瑰SS-c活性最高，為115.13 mg/（g·h）。成熟初期各品種葡萄果實 SS-c 活性均上升至峰值，且陽光玫瑰SS-c活性最高，為119.25 mg/（g·h），其次為巨峰，SS-c活性為107.31 mg/（g·h）。蔗糖合酶合成方向（SS-s）一直呈較低水平且分別在轉色期和成熟初期達到峰值。轉色末期，陽光玫瑰和巨峰SS-s活性分別為7.62、7.21 mg/（g·h），顯著高于意大利和摩爾多瓦。成熟期各品種葡萄果實SS-s活性均下降，無顯著差異（圖2-E）。

2.3?糖轉運蛋白相關基因表達水平的變化

由圖3可知，VvHT1基因在意大利果實中表達量除成熟初期外均顯著高于其他品種。VvHT5基因在膨大期陽光玫瑰果實中表達量最高，轉色初期至成熟初期以摩爾多瓦果實表達量最高，成熟期時各品種表達量一致。VvHT2基因在陽光玫瑰果實中表達量均顯著高于同時期其他品種，成熟初期，陽光玫瑰果實VvHT2基因表達量分別為巨峰、意大利、摩爾多瓦的2.52、2.47、2.60倍；VvHT3基因在巨峰果實中表達量較高，成熟期時，其表達量分別為陽光玫瑰、意大利、摩爾多瓦的1.83、1.46、1.73倍。VvHT4基因在陽光玫瑰和意大利膨大期果實中表達量較高，至成熟初期，摩爾多瓦果實中表達量較高。VvSWEET10基因在各品種果實中前期表達量高于后期，轉色初期摩爾多瓦果實表達量分別為陽光玫瑰、巨峰、意大利的2.54、3.25、1.21倍。VvSWEET15基因在各品種果實中呈不斷上升的趨勢，除轉色初期外，陽光玫瑰果實VvSWEET15基因表達量均高于其他品種，成熟初期，陽光玫瑰果實VvSWEET15基因表達量分別為巨峰、意大利、摩爾多瓦的1.23、1.22、3.05倍。

2.4?葡萄果實糖組分含量與代謝酶活性和轉運蛋白基因表達相關性分析

由表3可知，各品種葡萄果實果糖與葡萄糖含量均與AI活性呈顯著或極顯著正相關，陽光玫瑰、意大利和摩爾多瓦果糖和葡萄糖含量與NI活性呈顯著或極顯著正相關。陽光玫瑰與巨峰果糖和葡萄糖含量與SS-c活性呈極顯著正相關，摩爾多瓦葡萄糖含量與SS-c活性呈顯著正相關。各品種糖組分與SPS和SS-s活性均無明顯相關性，蔗糖與

5種蔗糖代謝酶活性均無明顯相關性。

由表4可知，各品種果實果糖和葡萄糖含量與VvHT2和VvSWEET15表達量呈顯著或極顯著正相關，與VvHT1表達量呈顯著或極顯著負相關。陽光玫瑰和巨峰果實果糖與葡萄糖含量與VvHT5、VvSWEET10表達量呈顯著負相關，蔗糖含量與VvHT3表達量呈顯著正相關。意大利果實果糖與葡萄糖含量與VvHT4和VvSWEET10表達量呈顯著負相關。摩爾多瓦果實果糖與葡萄糖含量與VvHT3表達量呈顯著正相關，與VvHT5表達量呈顯著負相關，蔗糖含量與VvSWEET10表達量呈極顯著正相關。

3?討論

葡萄果實中糖的種類及含量是影響鮮食品質的主要因素［2］。葡萄為己糖積累型，蔗糖作為運輸糖運輸到果實內被分解為葡萄糖和果糖，為細胞內的物質代謝提供能量并以己糖形式儲存于果實內［18］。本研究表明，4種鮮食葡萄品種果實均以積累果糖與葡萄糖為主，且二者含量相近，蔗糖占比僅為1.53%～1.75%。在發育期內，摩爾多瓦果實果糖與葡萄糖含量均較低，而陽光玫瑰、巨峰和意大利果實果糖與葡萄糖含量在成熟初期至成熟期出現顯著差異，表明果實發育后期為果實糖積累差異的關鍵時期，這與鄧倩在棗中的研究結果［19］相一致。

葡萄果實的糖代謝對漿果內糖分積累起重要作用［2］。葡萄果實糖分積累主要受蔗糖代謝相關酶的調控，其中，最主要的是與蔗糖分解相關的AI、

NI和SS-c及蔗糖合成相關的SPS和SS-s等［13］。果實內糖分積累也與酶活性之間存在密切關系。果實作為一個代謝庫，在其生長發育過程中從源組織中獲得同化物，果實獲得同化物的能力稱為庫強。庫強在一定程度上與果實內蔗糖代謝酶的活性相關，因為蔗糖作為運輸糖由源至庫進行運輸，到達葡萄果實內被分解為己糖，從而形成蔗糖濃度梯度差，促進蔗糖運輸［20］。本研究結果表明，在各品種果實發育過程中，AI在成熟初期達到最高值且陽光玫瑰活性最高，顯著高于巨峰，導致成熟期陽光玫瑰己糖含量顯著高于巨峰，AI活性與果糖和葡萄糖含量呈顯著正相關，表明高AI活性是引起糖分積累差異的重要原因，這與何昕孺等的研究結果［21］相一致。NI活性變化趨勢與AI相似，但其活性遠小于AI。SS既可促進蔗糖的合成，也可分解蔗糖，多種研究表明，果實發育后期糖含量的提高均與SS相關。SS-c活性在葡萄果實成熟初期達到峰值且陽光玫瑰與巨峰顯著高于意大利和摩爾多瓦，相關性分析表明，陽光玫瑰與巨峰果糖含量與SS-c活性呈顯著正相關，意大利和摩爾多瓦果糖含量與 SS-c 活性無顯著相關性，表明SS-c活性的不同使糖分積累產生差異。成熟初期葡萄品種間AI和SS-c活性的差異導致了成熟期果實果糖與葡萄糖含量不同，這與劉麗媛在山葡萄［22］和李航在中國櫻桃中的結果［23］相似。SS-s活性與SPS活性較低導致葡萄果實內蔗糖含量始終處于較低水平，且與蔗糖含量無明顯相關性，可見蔗糖合成酶類對葡萄果實中蔗糖的積累無明顯作用，這與賀琰等在美樂葡萄中的研究結果［13］不一致，可能是由于釀酒葡萄果實中蔗糖含量較高，與鮮食葡萄的糖代謝方式不同所致。

糖運輸蛋白參與果實糖類由質外體運輸進入果肉細胞的過程，糖運輸蛋白基因表達量的高低與庫組織糖分積累密切相關［24］。本研究中VvHT2基因表達量在4種鮮食葡萄果實發育過程中顯著上調，與果糖和葡萄糖含量呈顯著正相關，且在陽光玫瑰果實中高表達，推測VvHT2基因是葡萄品種間糖含量差異的關鍵基因，這與Wang等的研究結果［10］相似。Conde等研究發現，VvHT1在葡萄幼果期表達水平高，葡萄糖含量的增加抑制了VvHT1的表達，表明VvHT1可能參與了細胞生長的能量供給［25］。本試驗同樣發現，VvHT1基因在各品種果實中幼果期表達量高于成熟期。李芬等研究發現，VvHT3基因表達水平的降低導致花色苷合成量減少［26］，本研究發現在巨峰與摩爾多瓦中VvHT3基因表達水平明顯高于陽光玫瑰與意大利，表明VvHT3與漿果顏色關系密切。VvHT4與VvHT5基因表達模式與VvHT1基因相似，在果實發育前期表達量高于成熟期，推測可能參與了其他代謝途徑。Chen等研究發現，SWEET蛋白在植物中具有運轉糖的能力［27］。VvSWEET15基因表達水平隨果實發育不斷上升且與果糖和葡萄糖含量呈極顯著正相關，說明VvSWEET15基因是參與果實糖分運輸的關鍵糖轉運蛋白基因。在漿果成熟期，VvSWEET15基因高表達，且陽光玫瑰中表達量顯著高于其余品種，表明VvSWEET15基因是導致葡萄果實品種間糖含量差異的關鍵基因，這與Ren等在小芒森葡萄上的研究結果［28］相一致。

4?結論

4種鮮食葡萄果實糖含量均在成熟期達到峰值且葡萄糖與果糖含量由高到低排序依次為陽光玫瑰、巨峰、意大利和摩爾多瓦；果實發育后期，糖轉運蛋白基因VvHT2、VvSWEET15的差異表達及酸性轉化酶與蔗糖合酶（分解方向）活性不同是葡萄果實糖分積累差異的關鍵。

參考文獻：

［1］鐘海霞，丁?祥，周曉明，等. 新疆10個釀酒葡萄品種（系）可溶性糖組分及含量分析［J］. 新疆農業科學，2021，58（7）：1323-1331.

［2］趙艷俠，亓桂梅，董興全，等. 葡萄果實中糖代謝及轉運機制研究進展［J］. 中國果樹，2019（5）：7-11.

［3］Hawker J，Ruffner H，Walker R. The sucrose content of some Australian grapes［J］. American Journal of Enology and Viticulture，1976，27（3）：125-129.

［4］李利梅，王秀芹，楊培培，等. 赤霞珠葡萄果實糖積累與糖代謝相關酶的關系［J］. 中外葡萄與葡萄酒，2011（7）：24-27.

［5］Shiraishi M，Hamada M. Genetic and gene expression analysis of berry sugar composition in a sucrose-accumulating grapevine［J］. The Horticulture Journal，2020，89（3）：216-224.

［6］胡瑞芳，姜?慧，李玥瑩. 蔗糖代謝相關酶的研究進展［J］. 北方園藝，2012（1）：167-170.

［7］閆梅玲，王振平，范?永，等. 蔗糖代謝相關酶在赤霞珠葡萄果實糖積累中的作用［J］. 果樹學報，2010，27（5）：703-707.

［8］盧彩玉，鄭小艷，賈惠娟，等. 根域限制對‘巨玫瑰’葡萄果實可溶性糖含量及相關代謝酶活性的影響［J］. 園藝學報，2011，38（5）：825-832.

［9］Han W W，Han N，He X，et al. Berry thinning to reduce bunch compactness improves fruit quality of Cabernet Sauvignon （Vitis vinifera L.）［J］. Scientia Horticulturae，2019，246：589-596.

［10］Wang W，Liang Y Y，Quan G R，et al. Thinning of cluster improves berry composition and sugar accumulation in Syrah grapes［J］. Scientia Horticulturae，2022，297：110966.

［11］Zhang Z，Zou L M，Ren C，et al. VvSWEET10 mediates sugar accumulation in grapes［J］. Genes，2019，10（4）：255.

［12］李夢鴿. 避雨栽培對葡萄果實糖分積累及蔗糖代謝酶活性的影響［D］. 雅安：四川農業大學，2015：12-13.

［13］賀?琰，孫艷麗，趙芳芳，等. 外源油菜素內酯處理對‘美樂’葡萄果實糖代謝的影響［J］. 園藝學報，2022，49（1）：117-128.

［14］黃?艷，文?露，龐亞卓，等. 噴施鈣肥對‘夏黑’葡萄果實糖酸積累的影響［J］. 中國土壤與肥料，2020（2）：166-172.

［15］王惠聰，黃輝白，黃旭明. 荔枝果實的糖積累與相關酶活性［J］. 園藝學報，2003，30（1）：1-5.

［16］趙智中，張上隆，徐昌杰，等. 蔗糖代謝相關酶在溫州蜜柑果實糖積累中的作用［J］. 園藝學報，2001，28（2）：112-118.

［17］Vashisth T，Johnson L K，Malladi A. An efficient RNA isolation procedure and identification of reference genes for normalization of gene expression in blueberry［J］. Plant Cell Reports，2011，30（12）：2167-2176.

［18］李金龍. 果實內糖的積累與糖代謝相關酶［J］. 中國林副特產，2015（3）：92-93.

［19］鄧?倩，王?羊，鄧群仙，等. 棗和酸棗果實可溶性糖積累規律差異研究［J］. 四川農業大學學報，2021，39（6）：734-741.

［20］劉翔宇，李?娟，黃?敏，等. 柑橘砧木對砂糖橘果實糖積累的影響［J］. 中國農業科學，2015，48（11）：2217-2228.

［21］何昕孺，單守明，黃學春，等. 赤霉酸對“摩爾多瓦”葡萄果實糖代謝及果實品質的影響［J］. 北方園藝，2013（21）：23-26.

［22］劉麗媛. 山葡萄糖酸積累規律及代謝調控機理研究［D］. 楊凌：西北農林科技大學，2016：65.

［23］李?航. 兩種中國櫻桃果實糖酸積累和代謝相關酶及其基因表達的研究［D］. 雅安：四川農業大學，2019：45.

［24］Xu F，Xi Z M，Hui Z，et al. Brassinosteroids are involved in controlling sugar unloading in Vitis vinifera ‘Cabernet Sauvignon’ berries during véraison［J］. Plant Physiology and Biochemistry，2015，94：197-208.

［25］Conde C，Agasse A，Glissant D，et al. Pathways of glucose regulation of monosaccharide transport in grape cells［J］. Plant Physiology，2006，141（4）：1563-1577.

［26］李?芬. 鹽堿處理對釀酒葡萄果實膨壓和成熟進程的影響［D］. 濟南：齊魯工業大學，2019：36-37.

［27］Chen L Q，Qu X Q，Hou B H，et al. Sucrose efflux mediated by SWEET proteins as a key step for phloem transport［J］. Science，2012，335（6065）：207-211.

［28］Ren R H，Yue X F，Li J N，et al. Coexpression of sucrose synthase and the SWEET transporter，which are associated with sugar hydrolysis and transport，respectively，increases the hexose content in Vitis vinifera L. grape berries［J］. Frontiers in Plant Science，2020，11：321.