干旱對甘蔗及其近緣植物蔗糖代謝的影響

楊 善, 方 欣, 張倩倩, 龔茂健, 周鴻凱, 莫俊杰

(廣東海洋大學濱海農業學院,廣東湛江 524088)

甘蔗(SaccharumofficinarumL.)作為最主要的制糖類經濟作物之一,支撐了糖料產業發展。廣東湛江憑借其獨特的地理位置及水熱條件,成為我國三大糖蔗產地之一,但湛江地區降雨量年際間變化大,年內季節分配不均,所以季節性干旱導致甘蔗的產量和品質大幅下降,影響甘蔗產業健康發展[1]。干旱是影響植物生長和發育的最主要因素之一,可使甘蔗平均產量減少31.7%[2]。在甘蔗生育期中,伸長期對水分的需求量最大,如果該時期遇到干旱,對甘蔗最終產量影響最大[3]。因此,研究干旱脅迫下甘蔗伸長期蔗糖代謝的變化特征,對今后培育抗旱甘蔗品種具有重要意義。

為應對干旱脅迫,植物會產生一系列適應性機制,如生長減緩、光合作用降低、氣孔關閉、滲透調節物質合成積累增多、相關激素含量升高、抗逆基因上調表達等[4]。在干旱脅迫下,甘蔗正常生理代謝過程會遭到破壞,長時間干旱脅迫會導致甘蔗生長減緩、植株矮小,產量和品質顯著下降[5]。有研究表明,干旱使得甘蔗葉片的細胞膜透性增大、丙二醛(MDA)含量增加、膜脂過氧化作用加劇、葉綠素含量下降、脯氨酸含量迅速增加,以提高甘蔗體內滲透勢,利于根系從土壤中吸收水分[6-7]。吳凱朝等以甘蔗品種GT11為材料,研究認為,甘蔗為響應水分脅迫,除可溶性蛋白含量和ProDH活性外,葉片MDA、可溶性糖、超氧陰離子、脯氨酸、脫落酸(ABA)含量及過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽還原酶(GSH-R)、Δ′-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)和多胺氧化酶(PAO)活性均明顯高于對照處理[8]。由此表明,干旱脅迫下耐旱品種具有更強的調控能力,以提高甘蔗對干旱脅迫的適應性。

蔗糖是植物中碳水化合物運輸的主要形式,從葉片的葉綠素中合成磷酸丙糖,運輸到細胞質中參與蔗糖合成,也可用于氨基酸和脂肪酸的合成。在作物糖代謝生理過程中,蔗糖磷酸合成酶(SPS)、蔗糖合成酶(SS)、酸性轉化酶(AI)、中性轉化酶(NI)起著重要的調節作用[9]。SPS以果糖(6-磷酸F6P)和尿苷二磷酸葡糖(UDPG)為底物催化合成蔗糖,是一種不可逆的酶[10]。SS既能催化果糖和UDPG合成蔗糖,又能催化蔗糖分解,是一種可逆酶[11]。轉化酶在蔗糖代謝中不可逆地催化蔗糖分解為果糖和葡萄糖,分為中性和酸性轉化酶[12]。在自然生長條件下,節間蔗糖含量與酸性轉化酶活性呈極顯著負相關,與蔗糖磷酸合成酶活性呈顯著正相關,表明酸性轉化酶、蔗糖磷酸合成酶對甘蔗節間蔗糖含量有顯著性調節作用[13]。葉燕萍等研究認為,干旱處理提高了甘蔗蔗糖糖分和蔗汁重力純度而降低了蔗汁還原糖分,因而提高了甘蔗品質[14]。由此表明,甘蔗成熟期適當的干旱脅迫有助于提高蔗糖糖分,提高甘蔗品質。

前人研究側重于在干旱脅迫下研究甘蔗生理生化變化特性,或利用干旱脅迫的生理指標對甘蔗材料進行抗旱性綜合評價[15-17]。伸長期甘蔗的蔗糖積累及其代謝相關酶活性應答干旱脅迫的生理機理尚不清楚。本研究通過在甘蔗伸長初期,連續干旱脅迫0、2、4、6、8、10 d,分別測定甘蔗及近緣植物割手密、斑茅體內蔗糖代謝相關酶活性變化,以及可溶性糖、蔗糖含量變化,并對各測定指標進行相關性分析,探究不同甘蔗品種及近緣植物應對干旱脅迫蔗糖代謝的響應特性,為今后深入研究干旱脅迫下甘蔗糖代謝、培育抗旱高糖甘蔗品種提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用2個甘蔗栽培品種,分別是Badila(干旱敏感品種)、ROC22(耐旱,推廣面積最大主栽品種),甘蔗近緣植物為湛江地區的10倍體割手密(x=8,2n=80,Saccharumspontaneum)和6倍體斑茅(x=10,2n=60,Erianthusarundinaceus),以上材料均由廣東省科學院南繁種業研究所湛江研究中心提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 采用桶栽(膠桶高50 cm、口徑40 cm,桶底均勻開4個排水小孔)方式進行種植,所用土壤為磚紅壤土,每桶裝土25 kg,與20 g復合肥(N、P2O5、K2O含量均為17%)混合均勻后裝桶,每桶種植雙芽苗4段,每桶出苗分蘗后定植6株。每個品種種植3桶,共12桶。

試驗地點在廣東海洋大學農業生物技術研究所。2020年6月7日將種苗種植入土,入土深度為10 cm,澆水使土壤保持濕潤。2020年6月20日出苗,出苗后每2 d澆500 mL水1次。干旱脅迫前,在研究所大院空地培育,所有材料種植管理水平一致。出苗60 d后,甘蔗處于伸長期初期(11～13張真葉),將全部桶搬至通風透氣良好的玻璃溫室內,進行干旱脅迫試驗,不再進行澆水。搬至玻璃溫室后,次日上午8時至9時取樣,每次每桶剪取1株甘蔗的+1葉,迅速放入液氮中速凍,帶回實驗室放入-80 ℃冰箱凍存,用于相關指標測試分析。之后,每2 d(48 h)取樣1次,共取樣6次,分別為干旱脅迫后0、2、4、6、8、10 d。

1.2.2 測定項目及方法 用烘干法測定土壤含水量[18]。細胞膜透性的測定采用電導法,可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法,蔗糖含量以及蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶、酸性轉化酶、中性轉化酶活性測定均參照高俊鳳的方法[19]。

1.3 數據統計分析

應用統計分析軟件SPSS 19.0分析試驗數據,用Duncan’s新復極差法分析同一品種不同干旱脅迫時間點測定指標的差異顯著性(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 土壤含水量

由圖1知,隨著干旱處理天數的增加,各個品種的土壤含水量均成一定梯度且顯著性地下降,表明本研究的干旱脅迫梯度設計具有典型性和可靠性,可以在此干旱脅迫水平下進行各項指標的測定和研究。

2.2 甘蔗植株細胞膜透性分析

由圖2可知,干旱脅迫下,與0 d相比,4種材料細胞膜透性增加的最大倍數分別為9.19倍、9.47倍、3.75倍、13.76倍,表明土壤水分含量是影響各材料細胞膜透性增加的主要因素。隨著干旱處理天數的增加,ROC22、斑茅的細胞膜透性呈一定梯度增加,且斑茅的各梯度間有顯著性差異,ROC22除30 d和2 d之間無顯著性差異,其他處理梯度間均有顯著性差異。Badila和割手密的細胞膜透性在干旱脅迫后8 d達到最大,之后開始減少,其他材料則一直增加。說明不同品種的耐旱能力不盡相同。

2.3 干旱脅迫下甘蔗植株糖代謝的生理效應分析

2.3.1 蔗糖磷酸合成酶活性 由圖3可知,干旱脅迫下,各材料的SPS活性變化趨勢一致,先增后減,在脅迫6 d時達到最大值,然后顯著下降,可能是干旱脅迫8 d達到了各材料SPS調控的極限,從而表現出下降的趨勢。然而,干旱脅迫下,抗旱品種ROC22的平均SPS活性低于其他材料的SPS活性。

2.3.2 蔗糖合成酶活性 由圖4可知,6次測定值中,各供試材料SS活性均呈現先增后減的趨勢,ROC22在干旱脅迫6 d時SS活性達到最大值,其余3個材料均在干旱脅迫4 d時SS活性達到最大值。另外,Badila與斑茅的SS活性變化非常相似,均比其他材料小,說明Badila與斑茅的SS活性對干旱脅迫的響應沒有ROC22和割手密積極。

2.3.3 酸性轉化酶活性 由圖5可知,干旱脅迫下,各供試材料的AI活性在脅迫2 d后開始顯著下降,Badila和割手密的AI活性在脅迫4 d時達到最低水平。ROC22和斑茅的AI活性在脅迫10 d時達到最低水平。脅迫6 d后Badila和ROC22的AI活性趨于穩定,沒有顯著性差異,而割手密在脅迫10 d后AI活性顯著增加。在脅迫10 d時AI活性顯著下降。值得注意的是,在干旱脅迫0 d和2 d時,斑茅的AI活性顯著高于其他材料。

2.3.4 中性轉化酶活性 從圖6可知,干旱脅迫下,各個供試材料NI活性基本都呈現不斷減小的趨勢,但Badila脅迫4 d時先顯著性增加,爾后減小,說明干旱脅迫會使得供試材料NI活性減小,以影響其體內蔗糖代謝的生理生化反應。6次測定值中,斑茅的平均NI活性最高,Badila次之,并且干旱脅迫下Badila的NI活性變化較其他材料穩定。

2.3.5 可溶性糖含量 由圖7可知,除ROC22在脅迫6、8 d時可溶性糖含量下降,斑茅在脅迫6 d后可溶性糖含量基本不變外,干旱脅迫下各材料可溶性糖含量從脅迫2 d開始呈不斷增長趨勢,且有顯著性差異。由此說明,供試材料可依靠大量積累可溶性糖來緩解水分脅迫,增加細胞內滲透勢,以便根系從土壤中吸收水分。從整體觀察各材料的可溶性糖含量變化,同樣發現Badila、ROC22與割手密的變化趨勢基本一致。然而,斑茅與其他材料不同,雖然也是上升趨勢,但是干旱脅迫下斑茅的可溶性糖含量增加幅度并不大,其應對干旱脅迫的生理機制可能與甘蔗材料存在較大差異。

2.3.6 蔗糖含量 由圖8可知,隨干旱脅迫天數增加,Badila和割手密的蔗糖含量整體呈不斷上升趨勢,均在干旱脅迫10 d時蔗糖含量最高,ROC22和斑茅的蔗糖含量則呈先上升后下降的趨勢,分別在脅迫后6、4 d達到最高。由此說明,在干旱脅迫下,大量積累蔗糖是各材料啟動干旱脅迫的響應機制之一。從整體上觀察,甘蔗栽培種的變化趨勢與割手密的趨勢基本一致,而不同于斑茅。

2.4 干旱脅迫下甘蔗及其近緣植物生理指標間的偏相關分析

由表1可知,通過偏相關分析,土壤含水量除了與Badila和割手密的可溶性糖含量、與斑茅的細胞膜透性和NI活性沒有顯著性相關外,與各生理指標均顯著或極顯著相關。細胞膜透性,在Badila中與SPS活性、NI活性、蔗糖含量存在極顯著負相關關系;在ROC22中只與可溶性糖含量不存在顯著性相關;在割手密中與SS活性、蔗糖含量存在顯著或極顯著性正相關;在斑茅中只與NI活性存在極顯著性正相關。由此表明,干旱脅迫下甘蔗及其近緣植物的細胞膜透性與蔗糖含量、蔗糖代謝相關酶活性存在顯著性相關,但不同材料間存在一定差異。干旱脅迫下,在Badila、ROC22、割手密中蔗糖含量與SPS、SS、AI活性存在極顯著性正相關,在Badila中與NI活性呈顯著正相關,在ROC22、割手密中與AI活性、NI活性呈顯著負相關,而在斑茅中蔗糖含量與SS活性、AI活性分別存在極顯著性正相關、負相關。可溶性糖含量,在Badila中只與AI活性存在極顯著性相關,在ROC22中只與SPS活性、NI活性分別存在顯著性正相關、負相關關系,在割手密、斑茅中分別只與SS活性、NI活性不存顯著性相關。在4種材料中,只有在割手密中可溶性糖含量與蔗糖含量存在極顯著性相關,說明干旱脅迫下,甘蔗的可溶性糖含量與蔗糖含量并不存在密切相關。

表1 不同材料生理指標間的偏相關分析

3 討論與結論

水分短缺和季節性干旱嚴重影響作物的生長、品質和產量,因此,干旱脅迫已成為嚴重阻礙農作物可持續發展的重要因素之一[20]。對干旱脅迫,作物會產生感知、信號轉導、滲透調節、轉錄調控、蛋白質修飾和代謝物質調控等應答反應[21-22]。為緩解干旱脅迫帶來的不利影響,甘蔗體內會合成大量脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖等滲透調節物質[23-24]。本研究中,隨著干旱天數的增加,各個材料體內可溶性糖含量、蔗糖含量整體呈一定梯度顯著性增加,以提高滲透壓,這與前人的研究結果[25-26]一致。在4個材料中,干旱脅迫下,雖然斑茅可溶性糖含量、蔗糖含量整體為升高趨勢,但其整體含量較其他2個甘蔗品種和割手密的低。究其原因,可能是由于斑茅與其他材料不在同一個屬,遺傳背景相差較大[27]。從偏相關分析可知,4個材料的土壤含水量與蔗糖含量均達到了極顯著性負相關。然而,只在斑茅中土壤含水量與可溶性糖含量的關系為極顯著負相關,在ROC22中為顯著性負相關,由此說明,在甘蔗中蔗糖積極應答干旱脅迫,為主要的滲透調節糖類。同時,也進一步證明了干旱處理可提高甘蔗蔗糖糖分和蔗汁重力純度,從而提高甘蔗品質[14]。所以,在大田生產中,可以對甘蔗進行適當的干旱處理,以便提高甘蔗蔗糖糖分。

蔗糖合成代謝過程主要受SPS、SS以及轉化酶的影響[13]。本研究偏相關分析發現,Badila、ROC22、割手密中蔗糖含量與SPS、SS活性均為極顯著正相關,與AI、NI活性為極顯著負相關,但Badila中蔗糖含量與NI活性為極顯著正相關。由此表明,甘蔗蔗糖含量與SPS、SS、AI、NI的活性密切相關,蔗糖合成代謝受4種酶的共同調控。前人研究表明,蔗糖磷酸合成酶可能是蔗糖合成途徑中的一個重要控制點,它的活性反映蔗糖生物合成途徑的能力,SPS活性越高,蔗糖積累得越多[28]。本研究發現,隨著干旱天數增加,4個材料的SPS活性響應迅速,其活性在6 d達到最高值,之后呈一定梯度下降,并且在偏相關性分析中,SPS活性與蔗糖含量均呈極顯著正相關,由此表明,甘蔗中SPS活性顯著性地調控蔗糖合成。相關研究發現,在植物生長過程中,SS既可催化蔗糖合成又可催化蔗糖分解,但主要起分解作用[11]。趙麗宏等通過在甘蔗自然生長條件下,對蔗糖合成分解代謝進行研究認為,SS活性與蔗糖積累呈負相關[29]。這與本研究結果存在差異,隨著干旱天數增加,SS活性顯著增加,并在脅迫后4 d或6 d時活性達到最強,之后SS活性下降,并且在偏相關性分析中,各供試材料SS活性與蔗糖含量均呈極顯著正相關。由此認為,干旱脅迫下,SS在甘蔗中主要起催化蔗糖合成的作用。轉化酶分為AI和NI,在植物中主要催化蔗糖分解成果糖和葡萄糖,為植株的生長和發育提供碳源和能量,以保證植株的正常生理代謝活動[30-31]。本研究結果表明,隨干旱天數增加,AI、NI活性呈一定梯度顯著性下降,而蔗糖積累量則呈一定梯度顯著升高,與蔗糖含量為顯著負相關;而且,NI平均活性比AI平均活性低。有研究認為,在甘蔗生長過程中AI活性對蔗糖積累調控作用非常重要,此外,逆境條件下,AI活性對維持細胞的正常功能也起一定的作用[9]。由此說明,在甘蔗干旱脅迫中AI的調控作用更強。以上分析發現,SPS和SS活性受干旱脅迫激活,而轉化酶活性受抑制。由此表明,干旱脅迫對甘蔗的蔗糖分解代謝活動產生了抑制作用,為了抵御干旱帶來的滲透脅迫,甘蔗減少蔗糖分解以積累更多的蔗糖含量調節細胞滲透壓。

干旱脅迫使得甘蔗及其近緣植物的細胞膜透性增大,可溶性糖和蔗糖含量上升,SPS和SS活性先升后降,AI和NI活性下降。偏相關分析表明,蔗糖含量與SPS、SS活性呈極顯著正相關,與AI、NI活性呈極顯著負相關。由此表明,甘蔗及其近緣植物蔗糖代謝積極響應干旱脅迫,主要以蔗糖合成為主,蔗糖分解為輔,緩解滲透脅迫。