河套蜜瓜库源关系中源叶光合作用及碳水化合物代谢的研究 43页

分类号S652学校代码10129UDC635.020.20学号2009202047河套蜜瓜库源关系中源叶光合作用及碳水化合物代谢的研究PhotosynthesisandCarbohydrateMetabolisminSourceLeavesinResponsetoSink-SourceManipulationsinCucumismeloL.cv.Hetao申请人：蔡贵芳学科门类：农学学科专业：果树学研究方向：果实发育生物学指导教师：刘艳副教授论文提交日期：二〇一二年六月 摘要河套蜜瓜是内蒙古河套地区的优良地方甜瓜品种，其果实醇香甘甜，风味独特，为瓜中珍品，研究库源调控机制对于阐明河套蜜瓜果实品质形成机制具有重要意义。本研究在前期已确定河套蜜瓜果实碳水化合物代谢特性基础上，进一步以河套蜜瓜源叶为材料，研究果实发育期间源叶的净光合速率、碳水化合物含量及其代谢相关酶活性变化规律；同时，通过去果降低库强的处理方法，研究库强改变对源叶光合作用和碳水化合物代谢的影响。主要研究结果如下：1．河套蜜瓜果实发育期间，源叶的净光合速率在幼果期和果实迅速膨大期初期（0～12d）逐渐升高，在果实迅速膨大期后期和缓慢生长期（12～32d）保持较高水平，在成熟采收期（32～44d）随着叶片的衰老迅速降低。源叶中蔗糖含量比较稳定；还原糖含量在波动中保持稳定；淀粉含量在果实迅速膨大期后期和缓慢生长期（12～32d）较低，初期和后期较高。河套蜜瓜果实发育期间，蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶合成方向活性变化均是在果实发育中期较高，初期和后期较低；蔗糖合成酶分解方向活性和转化酶活性在果实发育期间呈无规则的波动变化，果实成熟期较高；ADPG焦磷酸化酶在果实幼果期和果实迅速膨大期初期（0～12d）较高，之后迅速下降，并保持较低水平。2．在果实迅速膨大期，河套蜜瓜源叶净光合速率的昼夜变化为单峰曲线，峰值出现在11:00～13:00之间，无“光合午休”现象；源叶中蔗糖、还原糖和淀粉含量的昼夜变化为单峰曲线，峰值出现在13:00前后；源叶中蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶合成方向活性的昼夜变化为双峰曲线，ADPG焦磷酸化酶活性的昼夜变化为单峰曲线，蔗糖合成酶分解方向、转化酶活性的昼夜变化无明显规律。3．去果降低库强可以显著提高河套蜜瓜源叶中淀粉含量和ADPG焦磷酸化酶活性，但对其它指标均无显著影响。4．河套蜜瓜源叶中蔗糖含量受蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶合成方向正调控；源叶中淀粉含量受ADPG焦磷酸化酶正调控。关键词：河套蜜瓜；源叶；净光合速率；碳水化合物代谢；库源关系 PhotosynthesisandCarbohydrateMetabolisminSourceLeavesinResponsetoSink-SourceManipulationsinCucumismeloL.cv.HetaoAbstractHetaomelonisInnerMongoliahetaoareaofgoodmelonvarieties.Ithastheoreticandpracticalsignificancetoexploreandillustrateitscarbohydratemetabolism.ThisstudybasedonthecarbohydratemetabolismofHetaomelonfruits.Netphotosyntheticrate,carbohydratecontentsandtheactivitiesofrelatedenzymesinsourceleaveswerestudiedduringfruitdevelopment(CucumismeloL.cv.Hetao).Variationsofnetphotosyntheticrate,sucrosecontents,reducingsugarcontents,starchcontentsandtheactivitiesofrelatedenzymesincarbohydratemetabolisminsourceleavesinresponsetosink-sourcemanipulationbydefruitingandretainingfruitswerestudied.Theresultsindicatedthat:1.Netphotosyntheticrateinsourceleavessignificantlyincreasedduringyoungfruitperiodandearlystageoffruitexpansionperiod(0～12d),stayedhighlevelduringthemidandlatestageoffruitexpansionperiodandthelagphase(12～32d),decreasedgraduallyduringmatureperiod(32～44d).Duringthefullgrowthstage,sucroseandreducingsugarcontentsinsourceleavesremainedstable.Theactivitiesofsucrosephosphatesynthase(SPS)andsucrosesynthaseonsynthesis(SS+)higherintheearlyandlaststagethanthatinthemiddlestage.Theactivitiesofsucrosesynthaseoncleavage(SS-)andinvertase(Inv)showednoregularlawbutincrasedduringmatureperiod.Theactivitiesofadenosinediphosphate-glucosepyrophosphorylase(AGPase)insourceleavessignificantlyincreasedduringyoungfruitperiodandearlystageoffruitexpansionperiod(0～12d)andthenstayedlowlevel.2.Dayandnightvariationofnetphotosyntheticratewastypicalsinglepeakcurveandshowednoevidenceofmiddaydepressionandthepeakshowedduring11:00～13:00.Singlepeakcurvevariationsincontentsofsucrose,reducingsugar,starchinleaveswerefoundindayandnightchangesandthepeakshowedaround13:00.DayandnightvariationsofactivitiesofSPSandSS+inleavesshowedbimodalcurvesandtheactivitiesofAGPaseshowedtypicalsinglepeak.DayandnightvariationsofactivitiesofSS-andInvshowednoregularlaw.3.ContentsofstarchandactivitiesofAGPaseinleavesofdefruitingtreatmentwerehigherthanthoseofretainingfruits.Therewasnosignificantdifferencebetweendefruitingandretainingfruitsinnetphotosyntheticrate,contnentsofsucrose,reducingsugar,starchandactivitiesofsucrosemetabolism-relatedenzymes. 4.ContentsofsucroseinleavesincreasedwererelatedtotheactivitiesofSPSandSS+andcontentsofstarchinleavesincreasedwererelatedtotheactivitiesofAGPase.Keywords:CucumismeloL.cv.Hetao;Sourceleaves;Netphotosyntheticrate;Carbohydratemetabolism;Sink-sourcerelationshipDirectedby:Assoc.Proc.LIUYanApplicantforMasterdegree:CAIGuifang(pomology)(CollegeofAgronomy.InnerMongoliaAgriculturalUniversity.Hohhot010018.China) 目录1前言............................................................................................................................11.1库源关系与源叶光合作用...................................................................................11.1.1净光合速率（Netphotosyntheticrate，Pn）..........................................11.1.2果实对源叶净光合速率的影响.......................................................................11.2源叶碳水化合物代谢途径...................................................................................21.2.1蔗糖和淀粉的合成..........................................................................................21.2.2蔗糖和淀粉合成的调节...................................................................................21.2.3蔗糖和淀粉的降解..........................................................................................41.2.4蔗糖磷酸合成酶（Sucrosephosphatesynthase，SPS）...........................41.2.5蔗糖合成酶（Sucrosesynthase，SS）........................................................51.2.6转化酶（Invertase，Inv）...........................................................................51.2.7淀粉代谢相关酶..............................................................................................61.3库源关系改变后对源叶碳水化合物代谢的影响.................................................61.4反馈抑制假说.......................................................................................................61.5本课题研究目的与意义.......................................................................................62材料与方法.................................................................................................................72.1试验材料..............................................................................................................72.2试验处理与取样..................................................................................................72.2.1河套蜜瓜果实发育期间试材取样...................................................................72.2.2去果处理连续6d试材取样...........................................................................82.2.3去果处理昼夜变化试材取样...........................................................................82.3测定方法..............................................................................................................82.3.1田间自然光照度测定......................................................................................82.3.2净光合速率测定..............................................................................................82.3.3可溶性糖含量的测定......................................................................................82.3.4淀粉含量的测定..............................................................................................82.3.5碳水化合物代谢相关酶活性的测定...............................................................92.4数据处理..............................................................................................................93结果与分析.................................................................................................................93.1河套蜜瓜果实发育期间源叶净光合速率和碳水化合物代谢的特性..................93.1.1河套蜜瓜果实发育期间源叶净光合速率的变化............................................93.1.2河套蜜瓜果实发育期间源叶中碳水化合物含量的变化...............................10 3.1.3河套蜜瓜果实发育期间源叶中碳水化合物代谢相关酶活性变化................113.1.4河套蜜瓜果实发育期源叶中碳水化合物含量与代谢相关酶活性的关系....123.2去果对河套蜜瓜源叶中碳水化合物含量及其代谢相关酶活性的影响.............143.2.1去果对河套蜜瓜源叶中蔗糖和还原糖含量的影响.......................................143.2.2去果对河套蜜瓜源叶中蔗糖代谢相关酶活性的影响...................................143.2.3去果对河套蜜瓜源叶中淀粉含量和ADPG焦磷酸化酶活性的影响..............163.3去果对河套蜜瓜源叶碳水化合物含量及其代谢相关酶活性昼夜变化的影响.173.3.1去果对河套蜜瓜源叶净光合速率昼夜变化的影响.......................................173.3.2去果对河套蜜瓜源叶蔗糖和还原糖含量昼夜变化的影响............................173.3.3去果对河套蜜瓜源叶蔗糖代谢相关酶活性昼夜变化的影响........................183.3.4去果对河套蜜瓜源叶淀粉含量和ADPG焦磷酸化酶活性昼夜变化的影响..203.3.5河套蜜瓜源叶中可溶性糖含量与其代谢相关酶活性的关系.......................214讨论...........................................................................................................................214.1河套蜜瓜果实发育期间源叶净光合速率的变化特性........................................214.2河套蜜瓜果实发育期间源叶碳水化合物代谢机制...........................................224.3河套蜜瓜源叶净光合速率的昼夜变化特性......................................................224.4河套蜜瓜源叶碳水化合物含量的昼夜变化及其酶学调控...............................234.5河套蜜瓜源叶中光合末端产物积累与光合作用的关系....................................245结论...........................................................................................................................24致谢…………………………………………………………………………………..26参考文献..…………………………………………………………………………27作者简介..…………………………………………………………………………33 插图和附表清单1.图1淀粉和蔗糖分别在叶绿体和胞质溶胶中的合成（自R.A.Wolosiuk，2002）........32.图2叶绿体淀粉生物合成的调节（自Buchanan等，2002）.............................................43.图3河套蜜瓜果实发育期间源叶净光合速率的变化............................................................94.图4河套蜜瓜果实发育期间源叶可溶性糖（A）与淀粉（B）含量的变化.......................105.图5河套蜜瓜果实发育期间源叶中碳水化合物代谢相关酶活性变化..............................116.图6去果对河套蜜瓜源叶蔗糖（A）和还原糖（B）含量的影响......................................147.图7去果对河套蜜瓜源叶蔗糖代谢相关酶活性的影响......................................................158.图8去果对河套蜜瓜源叶中淀粉含量（A）和ADPG焦磷酸化酶活性（B）的影响.........169.图9河套蜜瓜去果处理与留果对照源叶净光合速率的昼夜变化......................................1710.图10河套蜜瓜去果处理与留果对照源叶中蔗糖（A）与还原糖（B）含量的变化.........1811.图11河套蜜瓜去果处理与留果对照源叶中蔗糖代谢相关酶活性的昼夜变化.................1912.图12河套蜜瓜去果处理与留果对照源叶中淀粉含量及相关酶活性的昼夜变化.............2013.表1河套蜜瓜源叶中碳水化合物含量与其代谢相关酶活性的相关系数...........................1314.表2河套蜜瓜源叶中蔗糖和还原糖含量与其代谢相关酶活性的相关系数.......................21 缩略语表UDPGUDP-glueose尿苷二磷酸葡糖UDPUridinediphosphate尿苷二磷酸F6PFrctose-6-phosphate果糖-6-磷酸TrisTrishydroxylamidegeleleetrophoresis三羟甲基氨基甲烷AGPaseAdenosinediphosphate-glucosepyrophosphorylaseADPG焦磷酸化酶PnNetphotosyntheticrate净光合速率G6PGlucose-6-phosphate葡萄糖-6-磷酸EDTAEthylenediaminetetra-aceticacid乙二基四乙酸ADPAdenosinediphosphate二磷酸腺苷FWFreshweight鲜重AIAcidInvertase酸性转化酶SSSuerosesynthase蔗糖合成酶InvInvertase转化酶SPSSuerosephosphtesynthase蔗糖磷酸合成酶NINeutralInvertase中性转化酶NADPHTriphosphopyridinenucleotide烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸ATPAdenosinetriphosphate腺嘌呤核苷三磷酸F-1,6-P2Fructose-1,6-DiphosphateSodium果糖-1,6-二磷酸PVPPPolyviylpyrroldione聚乙烯吡咯烷酮ProProteid蛋白质G1PGlucose-1-phosphate葡萄糖-1-磷酸 内蒙古农业大学硕士学位论文11前言绿色植物可以通过光合作用（photosynthesis）把CO2和水转化成光合产物（photosyntheticproduct）和O2。绿色植物的光合作用是地球上最重要的生命现象之一，自发现以来就一直受到科研工作者的广泛关注。对于农业来说，人们种植作物、蔬菜、果树等的目的，都是想获得更多的光合产物。因此，光合作用成为农林业生产的核心，各种农林业生产的耕作栽培措施，都是为了充分利用光合作用[1]。以果实为经济产品的作物，其成熟的叶片和发育的果实分别是同化物主要的制造和贮存器官，即源（source）和库（sink）。源强（sourcestrength）是指源器官制造和输出同化物的能力，而库强（sinkstrength）则是指库器官吸收和转化同化物的能力[2]。光合产物（photosyntheticproduct）在库源器官间均衡分配，是作物获得高的经济产量和产品品质的重要保障。库源关系改变直接影响植物光合作用及光合同化产物在库源器官间的运输与分配。因此，开展植物库源关系调控机制研究具有重要的理论和实践意义。1.1库源关系与源叶光合作用1.1.1净光合速率（Netphotosyntheticrate，Pn）净光合速率是衡量植物光合作用能力的重要指标，它是一定时间、一定叶面积吸收CO[3]2的量或放出O2的量。测定的结果实际是光合作用与呼吸作用的差值。植物的光合作用经常受到外界环境条件（即外部因素）和内部因素的影响而发生变化。外部因素主要为光照、CO2、温度、水分等。由于外界的光强、温度、水分、CO2浓度等每时每刻都在不断变化着，所以叶片的净光合速率也呈现明显的日变化规律。净光合速率一般有两种日变化规律：一种呈单峰曲线，日出后Pn逐渐升高，12:00之前达到高峰，以后降低，日落后Pn为负值。另一种呈双峰曲线，大的峰在上午出现，小的峰在下午出现，中午前后Pn下降，即通常所说的光合“午休”现象（middaydepressionofphotosynthesis）。影响光合作用的内部因素主要为叶龄及库源关系。首先，对于同一片叶子来说，叶片的净光合速率与叶龄息息相关。从叶片生成到衰老，其Pn变化呈单峰曲线。新生嫩叶由于组织发育不健全、尚未形态建成，Pn很低，需要吸收其它功能叶片制造的同化物。随着叶片的成长，Pn不断提高。当叶片形态建成后，Pn达最大值。通常将叶片形态建成后Pn保持较高水平的时期，称为叶片功能期，处于功能期的叶片称为功能叶。功能期过后，随着叶片衰老，Pn迅速下降。其次，对于同一部位的叶片来说，源强和库强的相对大小、同化物从叶片输出的快慢都会影响叶片Pn。1.1.2果实对源叶净光合速率的影响果实对源叶净光合速率的影响是植物库源关系的重要方面。首先，果实发育期间 2河套蜜瓜库源关系中源叶光合作用及碳水化合物代谢的研究的不同阶段会影响源叶Pn。如FujiiandKennedy[4]、DeJong[5]、Wood[6]等研究均表明，在果实最后生长阶段，库强最强，叶片Pn也随之明显提高。其次，果实的有无也会影响源叶Pn，如在苹果[7]、桃[8]、猕猴桃[9]上的研究表明，果实的存在能提高叶片Pn。但在甜樱桃[10]、橄榄[11]上的研究却得出不同的观点，认为果实的有无或负载量的不同对叶片Pn无显著影响。1.2源叶碳水化合物代谢途径大多数植物的光合产物主要是蔗糖和淀粉。根据植物叶片中暂时贮存的碳水化合物种类的不同，可以将植物分为两类：一种为淀粉积累型，叶片中以贮存淀粉为主，如番茄[12]、马铃薯[13]等；另一种则以贮存蔗糖为主，称为蔗糖积累型，如玉米[14]、甘蔗[15]等。这两种积累方式并无优劣之分，是由它们的代谢相关酶调控所致。下面就对叶片中碳水化合物的代谢过程及其相关酶作简要阐述。1.2.1蔗糖和淀粉的合成淀粉的合成是在叶绿体内，当卡尔文循环（C3途径）形成磷酸丙糖时，经过ADPG焦磷酸化酶等各种酶的催化，先后形成果糖-1,6-二磷酸（F-1,6-P2）、果糖-6-磷酸（F6P）、葡萄糖-6-磷酸（G6P）、葡萄糖-1-磷酸（G1P）、ADP-葡萄糖（ADPG），最后合成淀粉。而蔗糖的合成是在胞质溶胶中，叶绿体中合成的磷酸丙糖，通过磷酸转运体（phosphatetranslocator）运送到胞质溶胶，在蔗糖磷酸合成酶等相关酶的作用下，磷酸丙糖先后转变为F-1,6-P2、F6P、G6P、G1P、UDP-葡萄糖（UDPG）及蔗糖-6-磷酸，最后形成蔗糖，并释放出Pi，Pi可以通过磷酸转运体再次进入叶绿体中[1]（如图1，略有改动）。1.2.2蔗糖和淀粉合成的调节如上所述，磷酸丙糖是叶片光合作用形成的最初糖类，也是光合同化产物从叶绿体运输到细胞溶胶的主要形式，它一部分在叶绿体中合成淀粉，一部分被运到胞质溶胶中合成蔗糖。因此，这两种合成途径呈竞争反应。如果胞质溶胶中的Pi浓度较低，从叶绿体中输出磷酸丙糖就会受到限制，从而促进叶绿体中淀粉的合成。相反，如果胞质溶胶中Pi的浓度较高，叶绿体中的磷酸丙糖与胞质溶胶中的Pi交换，输出到胞质溶胶中，从而促进蔗糖的合成。Pi和磷酸丙糖控制着蔗糖和淀粉合成中的几种酶。其中ADPG焦磷酸化酶是调节淀粉生物合成的关键酶，此酶活性是被3-磷酸甘油酸活化，而被Pi抑制。白天，光合作用形成较多3-磷酸甘油酸，在ADPG焦磷酸化酶的催化下合成淀粉。晚上，光合磷酸化停止，叶绿体里的Pi浓度升高，从而抑制淀粉形成。因此，白天或光照 内蒙古农业大学硕士学位论文3下3-磷酸甘油酸/Pi的比值高时，合成淀粉活跃；在晚上或暗处则抑制淀粉合成，转而形成蔗糖[1]（图2，略有改动）。叶绿体（5）（4）（3）ADPGG1PG6PF6PPi（7）PPiATP（2）卡尔文循环淀粉H2O（6）Pi磷酸丙糖F-1,6-P2（1）胞质溶胶磷酸转运体蔗糖①②磷酸丙糖F-1,6-P2⑧PiPi磷酸蔗糖Pi③Pi⑦PPiUDPUDPGG1PG6PF6PPi⑥⑤④图1淀粉和蔗糖分别在叶绿体和胞质溶胶中的合成（自R.A.Wolosiuk，2002）Fig.1Thesynthesisofstarchandsucroserespectivelyinthechloroplastsandcytoplasm（1）醛缩酶，（2）果糖-1,6-二磷酸酶，（3）磷酸己糖异构酶，（4）磷酸葡糖变位酶，（5）ADPG焦磷酸化酶，（6）焦磷酸酶，（7）淀粉合酶，①磷酸转运体，②醛缩酶，③果糖-1,6-二磷酸酶，④己糖磷酸异构酶，⑤磷酸葡糖异构酶，⑥ADPG焦磷酸化酶，⑦蔗糖磷酸合成酶，⑧蔗糖磷酸酶 4河套蜜瓜库源关系中源叶光合作用及碳水化合物代谢的研究胞质溶胶基质蔗糖葡糖-6-磷酸葡糖-1-磷酸ATPPiPiADPG磷酸丙糖磷酸丙糖NADP+焦磷酸化酶NADPH1,3-二磷酸甘油酸ADPADP葡糖ATPADP3-磷酸甘油酸淀粉叶绿体膜光合作用图2叶绿体淀粉生物合成的调节（自Buchanan等，2002）Fig.2Theadjustmentofstarchbiosynthesisinthechloroplasts1.2.3蔗糖和淀粉的降解蔗糖作为葫芦科植物叶片的光合产物，其去向更为复杂。一部分蔗糖在蔗糖合成酶和转化酶的催化下降解成葡萄糖和果糖，供自身生理代谢消耗；一部分用作合成水苏糖和棉子糖的底物；还有一小部分作为光合产物的运输形式等。淀粉的降解分为水解和磷酸化两种途径。水解主要由淀粉酶、脱支酶和葡萄糖昔酶催化，产物是葡萄糖和果糖；磷酸化主要由淀粉磷酸化酶、葡萄糖基转移酶和脱支酶催化，产物是磷酸丙糖和3-磷酸甘油酸。1.2.4蔗糖磷酸合成酶（Sucrosephosphatesynthase，SPS）[16]蔗糖磷酸合成酶是植物中合成蔗糖的关键酶之一。20世纪90年代初从玉米和菠菜[17]中纯化了SPS，并对其分子特征、生物学功能等进行了大量研究。目前已明确SPS是一种可溶性酶，广泛存在于细胞质中，其含量较低，不到可溶性蛋白的0.1%，且不稳定。SPS活性最适pH值约为7.0，它催化UDPG与果糖-6-磷酸（F6P）结合+形成磷酸蔗糖：UDPG+F6P→蔗糖-6-P+UDP+H。蔗糖-6-P可以经磷酸蔗糖酶（SPP）水解后形成蔗糖[18]。实际上有证据表明SPS和SPP可以在体内形成一复合体，因此该反应基本上是不可逆的。蔗糖磷酸合成酶在蔗糖代谢中的作用主要表现在：一、SPS影响源强和库强。[19][20]Huber研究认为SPS活性越高，蔗糖积累越多。在甘蔗上的研究表明，甘蔗茎中蔗糖的含量主要受SPS活性的影响。二、SPS调节光合产物在蔗糖和淀粉的分配。 内蒙古农业大学硕士学位论文5Huber[21]指出SPS活性与淀粉含量呈负相关，而与蔗糖含量呈正相关，SPS活性直接影响光合产物在淀粉和蔗糖之间的分配。Galtier等[22]在番茄上的研究表明蔗糖/淀粉比与SPS活性之间存在显著正相关。三、影响蔗糖的合成，提高瓜果等含蔗糖产品的品质。Hubbard等[23]研究认为甜瓜的SPS活性决定蔗糖的合成能力。在枸杞[24]、柑橘[25]等果实上的研究均表明SPS在蔗糖积累型库器官中起重要作用。植物叶片中蔗糖磷酸合成酶活性在不同生育期存在明显差异。在小麦[26]上的研究表明，小麦开花期至花后7d，SPS活性呈上升趋势，花后7～21d一直保持较高活性，此后急剧下降。对春玉米[27]的研究表明穗位叶SPS活性在吐丝后21d之内缓慢下降，之后迅速下降。大量研究还表明，植物叶片中SPS活性表现出一定地昼夜变化规律。Hussain等[28]对水稻叶片SPS活性日变化的研究表明，SPS活性在夜间较低，在白天随光照强度的增加而升高。在水分充足的条件下，上午8:00达到最大值。Sinha等[29]在牧豆树上的研究发现，SPS活性变化与光合速率日变化相似，日出后SPS活性增强，到8:00达到最大值，中午时降低。这些研究表明SPS活性受光照、水分、温度等多种因素的影响。1.2.5蔗糖合成酶（Sucrosesynthase，SS）蔗糖合成酶是由Cardini等[30]于1955年在小麦胚芽中首次发现的。SS是由分子量约为83～100kD的亚基构成的四聚体[31]，并以两种以上的同工酶形式存在于植物组织中，是植物蔗糖代谢的关键酶之一。SS参与蔗糖代谢的反应可表示为：UDPG+果糖←→蔗糖+UDP。这是一个可逆反应，平衡常数为1.3～2.0。该酶在分解方向的K[18]m值相对较高，细胞中高的蔗糖浓度有利于反应向分解方向进行。SS和转化酶调节蔗糖的分解与合成，使库器官与韧皮部保持一定地蔗糖浓度差，有利于蔗糖运入库器官，因而SS和转化酶活性的改变直接影响库强。此外SS在植物淀粉的合成、纤维素的合成、细胞壁的合成等生化过程中起着非常重要的作用[32]。1.2.6转化酶（Invertase，Inv）转化酶在蔗糖代谢中参与的反应为：蔗糖+H2O→果糖+葡萄糖。转化酶包括酸性转化酶（AcidInvertase，AI）和中性转化酶（NeutralInvertase，NI）[33]。酸性转化酶主要存在于液泡（称为可溶性酸性转化酶）或束缚于细胞壁（称为不溶性酸性转化酶）上，其最适pH值在3.0～5.0；中性转化酶位于细胞质中，最适pH值在7.0左右。转化酶与果实发育、成熟和糖积累有密切关系[34]。罗海玲等[35]在甜瓜上的研究发现，甜瓜果实中蔗糖的积累与叶片中性转化酶的活性呈显著正相关。吴正景等[36]对番茄叶片的研究表明，番茄叶片光合速率同蔗糖含量和胞质转化酶活性存在高度正相关，胞质转化酶在蔗糖代谢和光合产物输出与分配方面发挥着重要作用。 6河套蜜瓜库源关系中源叶光合作用及碳水化合物代谢的研究1.2.7淀粉代谢相关酶ADPG焦磷酸化酶（AGPase）催化G1P与ATP反应生成ADPG，并释放焦磷酸。此反应过程既是淀粉合成的起始步骤也是主要的调节步骤。AGPase是由一对大亚基和一对小亚基构成的异源四聚体[37]。大亚基（LSU）分子量为51～60kDa左右，小亚基（SSU）分子量在50～55kDa之间，二亚基之间的进化关系非常近。在功能上，LSU是酶活性的调节中心，而SSU是酶活性的催化中心，是酶别构效应的关键部位，比LSU更为保守。3-磷酸甘油酸和Pi能与AGPase结合，调控AGPase的活性。大多数植物的AGPase受3-磷酸甘油酸激活，而为Pi所抑制，这两个别构效应因子在植物光合机构控制淀粉的合成中发挥着重要作用，可能是因为当细胞内ATP数量较少时，Pi能降低ADPG焦磷酸化酶的活性，当高水平的碳流进入贮藏组织时，原先受Pi抑制的AGPase被3-磷酸甘油酸激活。1.3库源关系改变后对源叶碳水化合物代谢的影响去果常会引起源叶中碳水化合物含量及其相关酶活性的升高[38]。如在桃[39]上的研究表明，去果显著提高了源叶中山梨醇和淀粉的含量；显著提高了6-磷酸醛糖还原酶和ADPG焦磷酸化酶的活性。有些学者也有不同的研究结果，去果不影响叶片中碳水化合物的积累[40]。Mareesli[41]在黄瓜上的研究表明，降低库强对源叶中蔗糖、葡萄糖、果糖和淀粉含量无显著影响。Proietti[11]在橄榄上的研究表明，果实的存在与否或负载量的大小对叶片中碳水化合物含量和单位干物质重均无显著影响。1.4反馈抑制假说反馈抑制假说是解释库源关系中光合作用调控机制的重要假说之一。这一假说最早是在1868年由法国植物生理学家Boussingault提出来的。Boussingault认为在光照下，叶片中同化产物的积累会降低叶片的光合能力[42]。反馈抑制假说通常用来解释降低库源比可以增加叶片中碳水化合物的含量，降低叶片光合速率的现象。反馈抑制假说已提出一百多年了，但至今并未得到明确证实，且饱受质疑。Shakrye[43]研究认为简单的光合反馈抑制调控是不存在的。Gucci等[44]认为库强与叶片光合速率不存在直线正相关关系。方金豹等[45]甚至认为库强与源叶光合速率无关。1.5本课题研究目的与意义甜瓜是葫芦科（Cucurbitaceae）甜瓜属（Cucumis）植物，其果实醇香甘甜，营养价值高。是一种重要的园艺作物和经济作物。前人对甜瓜果实发育和品质形成机制[46]已有一定的研究，但较多关注果实碳水化合物代谢及同化物在库源间的运输特性， 内蒙古农业大学硕士学位论文7果实发育期间，源叶光合能力和碳水化合物代谢特征以及源库关系研究还少有报道。李静援等[47]对温室厚皮甜瓜果实发育中后期植株生理特性的研究表明，甜瓜叶片叶绿素和类胡萝卜素含量随节位升高而升高。李成军等[48]的研究表明温室厚皮甜瓜的叶片在叶龄0～21d之间，叶片净光合速率不断升高；在21～35d之间Pn较稳定；35d之后Pn迅速下降。陈光等[49]对网纹甜瓜源库关系的研究表明，在甜瓜果实坐果期，源叶中的中位叶输出的光合同化产物比率最高，且光合同化产物的运输具有明显方向性，均向果实中运输。胡敏等[50]研究发现，对甜瓜进行摘叶处理降低叶果比后，剩余叶片的Pn显著增大。河套蜜瓜（又名华莱士）是内蒙古河套地区的优良地方甜瓜品种，其香气浓郁、醇香甘甜、风味独特，为瓜中珍品，在内蒙古巴彦淖尔市广泛种植，已成为当地主要的经济作物。目前对河套蜜瓜的研究多集中在采后生理[51]、贮藏方法[52]和栽培技术[53]等。而关于其果实品质形成的机制尚缺乏系统深入的研究，本试验在前期我们已确定河套蜜瓜果实碳水化合物积累与代谢特性的基础上[54]，进一步对果实发育期间源叶光合能力、碳水化合物代谢以及库源关系进行研究，以期揭示河套蜜瓜果实产量品质形成机制，探讨甜瓜库源调控机制，并为在生产中建立高效优质栽培措施提供科学理论依据。2材料与方法2.1试验材料试验材料取自内蒙古自治区巴彦淖尔市农牧业科学研究院河套蜜瓜示范田。试验地位于阴山山脉以南黄河以北的河套平原，海拔1024m，属温带大陆性气候，光照充足热量丰富。年日照时数3210.8～3305.8h，年平均气温6.1～7.6℃，日平均温差13～14℃；≥10℃的积温2876～3221℃，无霜期127～135d。试验于2011年进行。2011年5月9日播种，出苗后正常管理，双蔓整枝。6月24日开花，自然授粉，子蔓第3节位孙蔓留瓜，每蔓留一个瓜。2.2试验处理与取样2.2.1河套蜜瓜果实发育期间试材取样于授粉当天选择花期相同、节位一致的雌花挂牌标记，共标记110株。于授粉后第2天（记为受精后0d）开始取样，每隔4d取样一次，直至果实成熟。每次取9株植株，时间为上午9:00～10:00，以瓜下第一片子蔓叶为目标源叶，先进行净光合速率的测定，之后将叶片取下，除主脉后液氮速冻，贮于-35℃冰箱中，用于碳水化合物含量以及代谢相关酶活性测定。 8河套蜜瓜库源关系中源叶光合作用及碳水化合物代谢的研究2.2.2去果处理连续6d试材取样于授粉当天选择同株两蔓长势一致、花期和节位相同的雌花挂牌标记。在果实迅速膨大期初期从中随机选取60株，每株的其中一蔓去果处理，另一蔓留果作对照。从去果后第2天（记作去果后1d）起，连续6天每天上午9：00～10:00取样。每次选取9株植株，以每蔓瓜下第一片子蔓叶为目标源叶，将叶片除主脉后液氮速冻，置于-35℃的冰箱中贮存，用于碳水化合物含量及代谢相关酶活性的测定。2.2.3去果处理昼夜变化试材取样于授粉当天选择同株两蔓长势一致、花期和节位相同的雌花挂牌标记。在果实迅速膨大期初期从中随机选取120株，每株的其中一蔓去果处理，另一蔓留果作对照。在去果7d时（晴天）开始测定并取样。自早晨5:00开始，每2h取样一次，至第二天早晨5:00最后一次取样为止。取样时先测定并记录田间自然光照度，然后选取9株植株，以每蔓瓜下第一片子蔓叶作为目标源叶，进行净光合速率的测定，之后将叶片除主脉后液氮速冻，置于-35℃的冰箱中贮存，用于碳水化合物含量及代谢相关酶活性的测定。2.3测定方法2.3.1田间自然光照度测定用照度计进行测定，单位用lux表示。2.3.2净光合速率测定用GXH-3051红外线二氧化碳分析仪测定。2.3.3可溶性糖含量的测定可溶性糖提取参照魏建梅等[55]的方法并加以改进。称取冷冻鲜样1g，加5mL80%乙醇，置于80℃水浴中浸提30min，取出冷却，5000×g离心5min，收集上清液，沉淀加5mL80%乙醇重复提取2次，合并上清液于100mL容量瓶中并用蒸馏水定容，用于可溶性糖测定。总可溶性糖、蔗糖含量测定参照张友杰[56]的蒽酮比色法，还原糖测定参照高俊凤的3,5-二硝基水杨酸法。2.3.4淀粉含量的测定淀粉含量测定参照张友杰的方法。将2.3.3中提取可溶性糖后的残留物用高氯酸法提取，并通过蒽酮比色法测定生成葡萄糖的量，根据葡萄糖标准曲线计算样品中淀粉的含量。 内蒙古农业大学硕士学位论文92.3.5碳水化合物代谢相关酶活性的测定酶提取液制备参照赵智中等[57]的方法并加以改进，称取冷冻鲜样1g，液氮研磨，-1-1加5mL提取缓冲液（100mmol·LTris-HCl缓冲液，内含10mmol·LMgCl2、1-1-1-1mmol·LEDTA-Na2、10mmol·Lβ-巯基乙醇、2%乙二醇、3%PVPP、5mmol·LVc，pH=7.2），匀浆以12000×g、4℃下离心20min，上清液即为酶提取液。蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶和转化酶活性测定参照赵智中等方法，ADPG焦磷酸化酶活性-1-1测定参照高俊凤的方法，测定NADH产生量，以μmol·mgPro·h表示酶活性。2.4数据处理用Origin85绘图软件画图并进行显著性T检验，用SAS9.0统计软件对试验数据进行相关性分析。3结果与分析3.1河套蜜瓜果实发育期间源叶净光合速率和碳水化合物代谢的特性3.1.1河套蜜瓜果实发育期间源叶净光合速率的变化1816/14）-1s12·-2m10·8净光合速率molμ6（Netphotosyntheticrate420048121620242832364044受精后天数Daysafterpollination/d图3河套蜜瓜果实发育期间源叶净光合速率的变化Fig.3Thechangesofnetphotosyntheticrateofsourceleavesindevelopingmuskmelonfruits河套蜜瓜果实从开花受精开始生长发育，至果实成熟约需40d左右。其中，受精后0~4d为幼果期，4~16d为果实迅速膨大期，16~32d为果实缓慢生长期，32~44d为果实成熟期。净光合速率是叶片光合作用能力的重要指标。在果实发育的不同阶段，源叶Pn有所不同（如图3）。其中，在幼果期和果实迅速膨大期初期（0~12d），-2-1-2-1源叶Pn呈逐渐升高趋势，由最初的10.75μmol·m·s升高至16.67μmol·m·s，升高了55%；在果实迅速膨大期后期（12~16d），源叶已具有较高的Pn；在果实缓 10河套蜜瓜库源关系中源叶光合作用及碳水化合物代谢的研究-2-1慢生长期（16~32d），源叶Pn一直维持较高水平，平均值为15.92μmol·m·s；-2-1进入成熟期后，源叶Pn迅速下降，至果实成熟采收，Pn仅为5.09μmol·m·s。3.1.2河套蜜瓜果实发育期间源叶中碳水化合物含量的变化总可溶性糖Totalsolublesugar30还原糖ReducingsugarA）蔗糖SucroseFW25-1g·20mg（/15糖含量105Sugarcontent004812162024283236404414B）12FW-1g10·mg8（/6淀粉含量42Starchcontent0048121620242832364044受精后天数Daysafterpollination/d图4河套蜜瓜果实发育期间源叶可溶性糖（A）与淀粉（B）含量的变化Fig.4Thechangesofsolublesugarsandstarchofsourceleavesindevelopingmuskmelonfruits叶片中含有多种碳水化合物成分，其中蔗糖是叶片主要的光合产物，蔗糖又可通过降解形成葡萄糖和果糖；过量的蔗糖又大多以转化成淀粉的形式贮存起来。图4显示河套蜜瓜果实发育期间，源叶中上述几种主要碳水化合物的含量变化。图4，A显示，在整个果实发育期，源叶中蔗糖含量一直维持较为稳定水平，含-1量在7.31～9.34mg·gFW范围内。还原糖是葡萄糖和果糖二者之和，果实发育期间，源叶中还原糖含量有小幅波动。受精后0~12d，还原糖含量缓慢上升，达到12.61-1mg·gFW；之后还原糖含量在波动中略有降低，直到果实成熟，还原糖含量为8.95-1mg·gFW。源叶中可溶性糖含量的变化受还原糖含量影响，表现出与还原糖含量一 内蒙古农业大学硕士学位论文11-1致的变化规律，整体含量在16.90～21.48mg·gFW之间。在果实发育不同阶段，源叶淀粉含量有所不同。如图4，B所示，幼果期和果实-1迅速膨大前期（0~12d），源叶淀粉含量逐渐升高，并达到最大值10.65mg·gFW；-1之后淀粉含量迅速下降，直到果实成熟前一直维持在7.50mg·gFW左右；至果实成熟采收，源叶中淀粉含量又略有升高。3.1.3河套蜜瓜果实发育期间源叶中碳水化合物代谢相关酶活性变化蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶、转化酶和ADPG焦磷酸化酶是参与叶片碳水化合物代谢的重要酶类。如图5所示，在河套蜜瓜果实发育期间，源叶中上述几种酶活性变化各有特点。）-1h12A35合成活性SyntheticactivityB）分解活性Cleavageacitivity·10-1h30Pro·25-18mgPro20-1·6酸合成酶活性mg15mg·4（/蔗糖合成酶活性10mg蔗糖磷2（5Sucrosesynthaseactivities/Sucrosephosphatesynthase00activities048121620242832364044048121620242832364044受精后天数受精后天数Daysafterpollination/dDaysafterpollination/d32中性转化酶NeutralinvertaseC50D）酸性转化酶Acidinvertase）45-1h28/-1h40活性·24·35Pro20Pro30-1-125mg16mg20转化酶活性·12焦磷酸化酶·15Invertaseactivities/mg8AG,Paseactivitiesmol10（μADPG（540048121620242832364044048121620242832364044受精后天数受精后天数Daysafterpollination/dDaysafterpollination/d图5河套蜜瓜果实发育期间源叶中碳水化合物代谢相关酶活性变化Fig.5Thechangesintheactivitiesofrelatedenzymesincarbohydratemetabolismofsourceleavesindevelopingmuskmelonfruits蔗糖磷酸合成酶是合成蔗糖的重要酶类之一。如图5，A所示，在果实不同发育阶段，源叶SPS活性有所不同。其中在幼果期和果实迅速膨大期（0~16d），源叶SPS 12河套蜜瓜库源关系中源叶光合作用及碳水化合物代谢的研究-1-1-1-1活性迅速升高，从最初的4.93mg·mgPro·h升高到10.12mg·mgPro·h；在-1-1果实缓慢生长阶段，源叶SPS活性一直维持较高水平，均值为10.72mg·mgPro·h；进入果实成熟期，源叶SPS活性迅速下降，至果实成熟采收，SPS活性已降至2.56-1-1mg·mgPro·h。蔗糖合成酶既能催化蔗糖合成又能催化蔗糖分解，在蔗糖代谢途径中起重要的调控作用。本研究分别测定了河套蜜瓜果实发育期间源叶SS的合成活性（SS+）和分解活性（SS-），结果如图5，B所示。在果实整个发育期，SS+活性变化幅度较小，幼果期活性较低，之后缓慢升高；在果实缓慢生长期，SS+活性稳定，均值为7.63-1-1mg·mgPro·h；进入成熟期后，SS+活性有所下降。SS-活性则在果实成熟期前一-1-1直维持相对稳定的水平，均值为13.07mg·mgPro·h，进入成熟期后，SS-活性迅-1-1速升高，至果实成熟采收，酶活性已高达35.26mg·mgPro·h。从整体来看，源叶中SS-活性始终高于SS+活性，表明SS在源叶中主要起分解蔗糖的作用。转化酶催化蔗糖降解为葡萄糖和果糖。根据催化反应所需的最适pH不同，可将Inv分为两种，即酸性转化酶（AI）和中性转化酶（NI）。如图5，C所示，河套蜜瓜果实发育期间，源叶AI和NI活性呈不规则的动态波动，除果实缓慢生长阶段NI较AI活性有明显增强外，其它果实发育阶段，上述两种酶活性保持相当水平。ADPG焦磷酸化酶（AGPase）是合成淀粉的关键酶。如图5，D所示，在幼果期和果实迅速膨大期初期（0～12d），河套蜜瓜源叶中AGPase活性呈升高趋势，受精-1-1后12d，酶活性达到最大值（45.32μmol·mgPro·h），受精后16d，酶活性迅速-1-1下降至20.13μmol·mgPro·h，之后酶活性开始保持稳定，在果实成熟采收前，AGPase活性又有小幅下降。3.1.4河套蜜瓜果实发育期源叶中碳水化合物含量与代谢相关酶活性的关系蔗糖代谢酶的净活力为蔗糖合成酶类活性（SPS+SS合成方向）与蔗糖分解酶类活性（SS分解方向+NI+AI）之差，它是反映蔗糖代谢酶综合作用的重要指标。如表1所示，在果实发育的各个阶段，河套蜜瓜源叶的蔗糖代谢酶净活力与蔗糖和还原糖含量均无显著相关性；在成熟期前，源叶中SPS活性与蔗糖含量呈极显著正相关；在成熟期前和整个发育期，源叶中SS+与蔗糖含量呈显著正相关；还原糖含量在任何时期与蔗糖合成酶、转化酶活性均无显著相关性；在果实成熟期，蔗糖、还原糖和淀粉含量与其相关酶活性无显著相关性；源叶中ADPG焦磷酸化酶活性与淀粉含量在成熟期前呈极显著正相关，在整个发育期呈显著正相关。上述结果表明：在河套蜜瓜果实成熟期前，源叶生理功能正常，源叶中的蔗糖含量受SPS和SS+的正调控，源叶中的淀粉含量受AGPase的正调控；在果实成熟采收期，源叶逐渐衰老，碳水化合物代谢趋于紊乱。 内蒙古农业大学硕士学位论文13表1河套蜜瓜源叶中碳水化合物含量与其代谢相关酶活性的相关系数Table1CorrelationcoefficientbetweencarbohydratemetabolismcontentandrelatedenzymeactivitiesinHetaomuskmelonleaves发育时期还原糖代谢酶活性蔗糖淀粉DevelopingReducingEnzymeactivitySucroseStarchstagesugar蔗糖磷酸合成酶Sucrosephosphate0.7984**————蔗糖合成酶合成方向Sucrosesynthaseonsynthesis0.6040*————成熟期前蔗糖合成酶分解方向Sucrosesynthaseoncleavage0.16350.4298——（0～32d）酸性转化酶Acidinvertase0.10600.3641——Before中性转化酶Neutralinvertase0.02150.0947——Mature酶的净活力Netactivityofenzymes0.01270.4584——PeriodADPG焦磷酸化酶————0.7071**Adenosinediphosphate-glucosepyrophosphorylase蔗糖磷酸合成酶Sucrosephosphate0.4559————蔗糖合成酶合成方向Sucrosesynthaseonsynthesis0.4321————成熟期蔗糖合成酶分解方向Sucrosesynthaseoncleavage0.08950.5516——（32～44d）酸性转化酶Acidinvertase0.24800.1197——Mature中性转化酶Neutralinvertase0.23830.0947——Period酶的净活力Netactivityofenzymes0.27300.1010——ADPG焦磷酸化酶————0.3342Adenosinediphosphate-glucosepyrophosphorylase蔗糖磷酸合成酶Sucrosephosphate0.3954————蔗糖合成酶合成方向Sucrosesynthaseonsynthesis0.5805*————整个发育期蔗糖合成酶分解方向Sucrosesynthaseoncleavage0.09100.0606——（0～44d）酸性转化酶Acidinvertase0.01230.0042——Fullgrowth中性转化酶Neutralinvertase0.01640.0077——Stage酶的净活力Netactivityofenzymes0.00020.0035——ADPG焦磷酸化酶————0.4946*Adenosinediphosphate-glucosepyrophosphorylase注：*和**分别表示相关系数达到0.05和0.01显著水平。Note：*and**standforsignificanceofcorrelationcoefficientat0.05and0.01levelrespectively. 14河套蜜瓜库源关系中源叶光合作用及碳水化合物代谢的研究3.2去果对河套蜜瓜源叶中碳水化合物含量及其代谢相关酶活性的影响3.2.1去果对河套蜜瓜源叶中蔗糖和还原糖含量的影响/14留果14留果AB去果/去果1212content）10）10FWFW-1g8-18gugarcontentSucrose·6·6mg还原糖含量mg（4（42Reducings2蔗糖含量00123456123456去果后天数/d去果后天数/dDaysafterdefruiting/dDaysafterdefruiting/d图6去果对河套蜜瓜源叶蔗糖（A）和还原糖（B）含量的影响Fig.6Thechangesofsolublesugarsandstarchofsourceleavesbydefruitingtreatment从图6中可以看出，河套蜜瓜留果源叶中蔗糖（图6，A）和还原糖（图6，B）的含量在去果后1～5d保持稳定，在去果后6d时有小幅增加。去果处理与留果对照间，河套蜜瓜源叶中蔗糖和还原糖的含量无显著差异。3.2.2去果对河套蜜瓜源叶中蔗糖代谢相关酶活性的影响图7显示，河套蜜瓜源叶中蔗糖磷酸合成酶（图7，A）和转化酶（图7，D和图7，E）活性在去果后1～6d较稳定，蔗糖合成酶（图7，B和图7，C）活性略有波动。去果处理与留果对照间，河套蜜瓜源叶中的蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶、转化酶活性均无显著差异。 内蒙古农业大学硕士学位论文15））12留果-112留果-1hAhB去果·去果·1010ProPro-1-1g8g8mm·6·6mgmg4（4（//蔗糖磷酸合成酶活性2蔗糖合成酶合成活性2SucrosephosphatesynthaseSucrosesynthaseonsynthesis0activities0activities123456123456去果后天数/d去果后天数/dDaysafterdefruiting/dDaysafterdefruiting/d）-1hC留果D留果2020·去果）去果-1cleavagePro16h16-1·gm·12Pro12-1gmgm（8·8/中性转化酶活性mg蔗糖合成酶分解活性rosesynthaseon4（4NeutralinvertaseactivitiesSucactivities00123456123456去果后天数/d去果后天数/dDaysafterdefruiting/dDaysafterdefruiting/dE留果20去果）-1h16·Pro12-1gm8·酸性转化酶活性mg4Acidinvertaseactivities（0123456去果后天数/dDaysafterdefruiting/d图7去果对河套蜜瓜源叶蔗糖代谢相关酶活性的影响Fig.7Thechangesintheactivitiesofrelatedenzymesinsucrosemetabolismofsourceleavesbydefruitingtreatment 16河套蜜瓜库源关系中源叶光合作用及碳水化合物代谢的研究3.2.3去果对河套蜜瓜源叶中淀粉含量和ADPG焦磷酸化酶活性的影响留果20A去果）FWS**-116S*gS*S*S*·S*mg12（T/淀粉含量84Starchcontent0123456）-180留果hB·去果70S*ProS*S*-1S*60S*mgS*·50molμ40（焦磷酸化酶活性/3020ADPG100AGPaseactivities123456去果后天数/dDaysafterdefruiting/d图8去果对河套蜜瓜源叶中淀粉含量（A）和ADPG焦磷酸化酶活性（B）的影响Fig.8ThechangesofstarchcontentandAGPaseactivitiesofsourceleavesbydefruitingtreatment注：S*和S**分别表示去果处理和留果对照之间存在P＜0.05和P＜0.01的显著性差异，未标识表示不存在显著性差异。Note：S*andS**indicatesignificantdifferencebetweendefruitingtreatmentandretainingfruitsatP＜0.05andP＜0.01.Notidentifierindicatesnodifferencebetweendefruitingtreatmentandretainingfruits.从图8可以看出，河套蜜瓜源叶中淀粉（图8，A）含量和ADPG焦磷酸化酶（图8，B）活性在去果后1～6d比较稳定。图8，A显示，去果显著增加了河套蜜瓜源叶中淀粉的含量，其中去果后2d时去果源叶与留果源叶的淀粉含量表现为极显著差异。图8，B显示，去果显著增强了河套蜜瓜源叶中ADPG焦磷酸化酶的活性。 内蒙古农业大学硕士学位论文173.3去果对河套蜜瓜源叶碳水化合物含量及其代谢相关酶活性昼夜变化的影响3.3.1去果对河套蜜瓜源叶净光合速率昼夜变化的影响试验当天为晴朗无云天气，图9显示，田间自然光照度的昼夜变化呈单峰曲线，早晨5:00有微弱的光照度（190lux），之后迅速升高，至下午13:00达到最大值（2.498×10lux），13:00之后迅速下降，至23:00降到最低值（0lux），光照度在23:00至第二天3:00之间均为0lux。净光合速率在一个昼夜周期内呈现规律性变化。从图9可以看出，河套蜜瓜留果-2-1源叶Pn的昼夜变化呈单峰曲线，早晨5:00为-0.46μmol·m·s，之后随光照度的-2-1升高而迅速升高，至下午13:00达到最大值（22.94μmol·m·s），其中源叶Pn在11:00～15:00之间均较高，15:00之后则迅速下降，至21:00降到最低值（-4.01-2-1μmol·m·s），在日出之前Pn虽有小幅升高但均为负值。去果处理与留果对照间，河套蜜瓜源叶Pn无显著差异。24留果300021去果光照度/182500））15-1s20005lux1210·-29（m1500·6光照度净光合速率mol31000μuminance/（0IllNetphotosyntheticrate500-3-60579111315171921231"3"5"时刻O’clock图9河套蜜瓜去果处理与留果对照源叶净光合速率的昼夜变化Fig.9Dayandnightchangesofnetphotosyntheticratesinsourceleavesofdefruitingtreatmentandretainingfruitsinmelonplants3.3.2去果对河套蜜瓜源叶蔗糖和还原糖含量昼夜变化的影响蔗糖是叶片光合作用的主要产物之一。图10，A显示，河套蜜瓜留果源叶中蔗-1糖含量的昼夜变化呈单峰曲线，变化范围是6.95～10.69mg·gFW。从早晨5:00起，-1-1蔗糖含量从最低值（6.95mg·gFW）逐渐升高，至下午13:00达到最大值（10.69mg·gFW），之后缓慢下降直到第二天早晨5:00。叶片中的还原糖主要是葡萄糖和果糖。图10，B显示，河套蜜瓜留果源叶中还-1原糖含量的昼夜变化与蔗糖相似，但变化幅度略小于蔗糖，在8.13～10.97mg·gFW之间。还原糖含量在5:00～13:00之间逐渐上升，13:00之后缓慢下降。 18河套蜜瓜库源关系中源叶光合作用及碳水化合物代谢的研究去果处理和留果对照间，河套蜜瓜源叶中蔗糖和还原糖含量无显著差异。12留果A去果）FW10-1g·8mg（/6蔗糖蔗糖含量4content2Sucrose0579111315171921231"3"5"）12留果B去果FW-1g10·mg8（/6还原糖还原糖含量4ugarcontent2Reducings0579111315171921231"3"5"时刻O’clock图10河套蜜瓜去果处理与留果对照源叶中蔗糖（A）与还原糖（B）含量的变化Fig.10Dayandnightchangesofsucrose(A)andreducingsugar(B)contentinsourceleavesofdefruitingtreatmentandretainingfruitsinmelonplants3.3.3去果对河套蜜瓜源叶蔗糖代谢相关酶活性昼夜变化的影响如图11，A所示，河套蜜瓜留果源叶的SPS活性昼夜变化呈双峰曲线，从上午-1-17:00迅速升高，至11:00达到最大值（17.64mg·mgPro·h），13:00～15:00之间-1-1有所下降，之后小幅回升，至19:00回升至第二个峰值（16.84mg·mgPro·h），-1-119:00之后迅速下降，至第二天凌晨3:00降到最低值（7.01mg·mgPro·h）。 内蒙古农业大学硕士学位论文19）7留果）7B留果-1hA-1h去果去果·6·6Pro5Pro5-1-1ggm4m4··33mgmg（2（2//蔗糖磷酸合成酶活性1蔗糖合成酶合成活性1Sucrosephosphatesynthase0Sucrosesynthaseonsynthesis0activities579111315171921231"3"5"activities579111315171921231"3"5"时刻O’clock时刻O’clock-1）10C留果10D留果h去果）去果·-18h8cleavagePro·-1gm6Pro6-1·gmmg44·（/中性转化酶活性mg22蔗糖合成酶分解活性（NeutralinvertaseactivitiesSucrosesynthaseon00activities579111315171921231"3"5"579111315171921231"3"5"时刻O’clock时刻O’clock10E留果去果）-18h·Pro6-1gm4·酸性转化酶活性mg2Acidinvertaseactivities（0579111315171921231"3"5"时刻O’clock图11河套蜜瓜去果处理与留果对照源叶中蔗糖代谢相关酶活性的昼夜变化Fig.11Dayandnightchangesofactivitiesofrelatedenzymestosucrosemetabolisminsourceleavesofdefruitingtreatmentandretainingfruitsinmelonplants图11，B显示，河套蜜瓜留果源叶SS+活性的昼夜变化与SPS相似，呈双峰曲-1-1线，从早晨5:00起逐渐升高，至11:00达到第一高峰（15.68mg·mgPro·h），之-1-1后有所下降，13:00之后又缓慢回升，至17:00达到第二高峰（15:24mg·mgPro·h），第二高峰略低于第一高峰，17:00之后逐渐下降，至第二天5:00降到最低值（6.95-1-1mg·mgPro·h）。从图11，C可以看出，河套蜜瓜留果源叶SS-活性的昼夜变化波 20河套蜜瓜库源关系中源叶光合作用及碳水化合物代谢的研究动较大，在5:00～11:00之间逐渐降低，13:00～15:00之间有所回升，17:00～21:00-1-1又保持较低活性，最低值为11.06mg·mgPro·h，21:00之后逐渐回升直至第二天早晨5:00。图11，D和图11，E显示，河套蜜瓜留果源叶中NI和AI活性的昼夜变化均呈无规则的波动变化，但活性均较高。去果处理与留果对照间，河套蜜瓜源叶中SPS、SS和Inv活性均无显著差异。3.3.4去果对河套蜜瓜源叶淀粉含量和ADPG焦磷酸化酶活性昼夜变化的影响18留果A去果16S**S**/14S*）12FW-1S*g10Starchcontent·8mg（6淀粉含量420579111315171921231"3"5"）-1留果h·100BS**S*去果S*ProS*S*-1mg80·S*mol60μ（焦磷酸化酶活性/40ADPG200AGPaseactivities579111315171921231"3"5"时刻O’clock图12河套蜜瓜去果处理与留果对照源叶中淀粉含量及相关酶活性的昼夜变化Fig.12Dayandnightchangesofstarchcontentandactivitiesofrelatedenzymesinsourceleavesofdefruitingtreatmentandretainingfruitsinmelonplants注：S*和S**分别表示去果处理和留果对照之间存在P＜0.05和P＜0.01的显著性差异，未标识表示不存在显著性差异。Note：S*andS**indicatesignificantdifferencebetweendefruitingtreatmentandretainingfruitsatP＜0.05andP＜0.01.Notidentifierindicatesnodifferencebetweendefruitingtreatmentandretainingfruits. 内蒙古农业大学硕士学位论文21图12，A显示，河套蜜瓜留果源叶中淀粉含量的昼夜变化呈单峰曲线，在5:00～-1-113:00之间逐渐从最低值（5.35mg·gFW）升高到最大值（12.48mg·gFW），19:00之前均保持较高含量，之后则缓慢下降直到第二天5:00。淀粉含量的变化幅度略大于蔗糖。去果处理导致源叶中淀粉含量在9:00～15:00之间显著或极显著高于留果对照。图12，B显示，河套蜜瓜留果源叶中ADPG焦磷酸化酶活性的昼夜变化也呈单-1-1峰曲线，从早晨5:00开始逐渐升高，至13:00达到最大值（77.45μmol·mgPro·h），在11:00～19:00之间均保持较高活性，19:00之后则缓慢下降直到第二天5:00。去果处理导致源叶中AGPase活性在9:00～19:00之间显著或极显著高于留果对照。我们同时对淀粉含量和AGPase活性进行了相关性分析，结果发现，无论是去果处理还是留果对照，二者均呈极显著正相关（R留果=0.951；R去果=0.982），表明河套蜜瓜源叶中AGPase是合成淀粉的关键酶，淀粉含量受AGPase的正调控。3.3.5河套蜜瓜源叶中可溶性糖含量与其代谢相关酶活性的关系表2河套蜜瓜源叶中蔗糖和还原糖含量与其代谢相关酶活性的相关系数Table2CorrelationcoefficientbetweensucroseandreducingsugarcontentsandrelatedenzymeactivitiesinHetaomuskmelonleaves代谢酶活性蔗糖Sucrose还原糖ReducingsugarEnzymeactivity留果去果留果去果蔗糖磷酸合成酶Sucrosephosphate0.828**0.829**————蔗糖合成酶合成方向Sucrosesynthaseonsynthesis0.849**0.783**————蔗糖合成酶分解方向Sucrosesynthaseoncleavage0.4710.4960.5490.546酸性转化酶Acidinvertase0.3250.2350.0740.072中性转化酶Neutralinvertase0.3490.3730.1390.142酶的净活力Netactivityofenzymes0.1760.1650.3550.329注：**表示相关系数达到0.01显著水平。Note：**standforsignificanceofcorrelationcoefficientat0.01level.表2显示，河套蜜瓜源叶中蔗糖含量与SPS、SS+的活性呈极显著正相关，表明这两种酶是蔗糖合成的关键酶，蔗糖含量受SPS和SS+的正调控。蔗糖和还原糖含量与酶的净活力无显著相关性，与SS-、AI和NI的活性亦无显著相关性，但这三种酶的活性均较高，表明蔗糖的降解比较复杂，受多种酶的调控。4讨论4.1河套蜜瓜果实发育期间源叶净光合速率的变化特性叶片是高等绿色植物进行光合作用的主要器官，其净光合速率受到外界条件、叶龄和叶位、果实的有无等多种因素的影响。本研究结果显示，在果实整个发育期，源 22河套蜜瓜库源关系中源叶光合作用及碳水化合物代谢的研究叶Pn呈升高--高--下降的变化趋势。前期我们观测到，在果实整个发育期，果实库强呈低--高--低的变化动态。综合二者动态变化初步认为，在果实发育早期，源叶可能生理功能尚未健全，光合功能正在逐步完善；进入果实缓慢生长期，此时叶片已形态建成，并在果实高库强的刺激下维持高的光合能力；果实成熟阶段，一方面果实库强下降，另一方面我们在田间观测到叶片边缘开始逐渐黄化衰老、病害增多，因而源叶Pn迅速下降。已知保证叶片的高光合性能是植物获得高产稳产的关键，据此建议在河套蜜瓜果实发育早期在生产中应加强肥水管理，促进叶片形态建成；果实缓慢生长期则应做好有效源叶的保护工作，保证通风透光，及时防治病虫害、防止叶片早衰等，保证叶片高的光合能力，从而保证河套蜜瓜的产量和品质。4.2河套蜜瓜果实发育期间源叶碳水化合物代谢机制在河套蜜瓜果实发育前期（0～12d），源叶中可溶性总糖（图4，A）和淀粉（图4，B）含量随着源叶净光合速率（图3）的升高而持续增加，表明该时期源叶正在进行形态建成，自身碳水化合物代谢剧烈。在河套蜜瓜果实发育中期（12～32d），源叶中可溶性总糖保持较高水平，而淀粉含量则维持相对较低水平，表明当源叶形态建成后，淀粉可能主要用于维持碳水化合物代谢的平衡。在河套蜜瓜果实发育后期，源叶逐渐衰老，自身代谢紊乱。在果实整个发育期，源叶中蔗糖含量一直保持稳定，推测源叶中蔗糖浓度可能是源叶进行正常代谢的关键。此外，本研究显示（表1）：在河套蜜瓜果实整个发育期，源叶中蔗糖代谢酶的净活力与蔗糖和还原糖含量之间均无显著相关性。但在成熟期前，源叶中蔗糖含量受SPS和SS+的正调控；源叶中SS-、AI和NI活性与蔗糖和还原糖含量之间无显著相关性，但活性均较高，表明这3种酶可能都参与了碳水化合物的代谢；源叶中淀粉含量受ADPG焦磷酸化酶的正调控。4.3河套蜜瓜源叶净光合速率的昼夜变化特性净光合速率是表示植物叶片光合能力的重要指标，它受光照、CO2、温度等多种因素的影响。Pn的日变化则主要受光照和温度的影响，在无云的晴天，不同植物叶片Pn的日变化可以分为两种情况：一种为单峰曲线，叶片光合过程与光照度变化相符合；另一种为双峰曲线，一个高峰在上午，一个高峰在下午，中午前后Pn下降，呈现光合“午休”现象。种培芳等[58]研究表明厚皮甜瓜成熟叶片Pn的日变化呈双峰曲线，有明显的“光合午休”现象。陈年来等[59]对温室厚皮甜瓜光合特性的研究表明，不同品种在各个时期功能叶Pn的日变化有双峰型也有单峰型。本研究发现河套蜜瓜源叶在果实迅速膨大期Pn的昼夜变化（图9）为单峰曲线，Pn在11:00～15:00之间均保持较高水平，无“光合午休”现象，表明河套蜜瓜源叶适应高光强高气温的环境。 内蒙古农业大学硕士学位论文234.4河套蜜瓜源叶碳水化合物含量的昼夜变化及其酶学调控目前对于甜瓜叶片中碳水化合物含量的昼夜变化的研究未见报道，本研究表明河套蜜瓜源叶中蔗糖（图10，A）、还原糖（图10，B）和淀粉（图12，A）含量的昼夜变化均呈单峰曲线，白天积累，夜间减少。该结果表明：在白天，源叶光合作用产生的碳水化合物除一部分输出外，还有一部分贮存在源叶中，此时源叶以固定碳水化合物为主；在傍晚和夜间，源叶光合能力降低，而将贮存的碳水化合物降解或输出，这样在全天源叶的碳水化合物输出就保持相对稳定。这与前人在苹果[85]和桃[39]上的研究结果相同。蔗糖是甜瓜叶片的主要光合产物和运输形式之一，它在源叶中含量的昼夜变化暗示在调节源叶昼夜碳素贮存和运输中发挥着重要作用，并受其代谢相关酶活性及源流库的调节。在白天，随着源叶SPS和SS+活性的升高（图11，A及图11，B），蔗糖含量持续积累（图10，A），二者呈显著正相关（表2），表明源叶中蔗糖合成主要受SPS和SS+活性调控。而在13:00～15:00之间，SPS和SS+活性明显降低，蔗糖含量却没有随之显著下降，依然保持较高积累水平，暗示河套蜜瓜源叶中还有其它途径维持蔗糖的积累。源叶中蔗糖含量与蔗糖代谢降解酶（SS-、AI及NI）活性无显著相关性，表明蔗糖的降解有多种途径，受多种因素的影响。淀粉作为一种不溶性的光合产物，在源叶中的昼夜变化表明其在源叶昼夜碳水化合物调节中起着重要作用。在白天，源叶中淀粉含量升高，表明淀粉是作为一种贮存物质存在于叶绿体中，在晚上源叶动用贮存的淀粉降解输出，以调节昼夜的碳水化合物输出，并且这种淀粉含量的昼夜变化受其代谢相关酶活性的调节。源叶中淀粉含量在白天积累，在夜间降低，并且源叶中淀粉含量与AGPase活性呈极显著正相关，说明白天源叶中淀粉积累主要是受AGPase活性升高所致，夜间源叶中淀粉含量下降与AGPase活性下降有关。源叶中的还原糖是蔗糖和淀粉代谢的中间产物，其作用主要是调节蔗糖和淀粉的相对含量。源叶中还原糖含量的昼夜变化幅度相对较小（图10，B），与其代谢相关酶（SS、AI及NI）活性无显著相关性（表2），但其代谢相关酶的活性均较高，暗示河套蜜瓜源叶中碳水化合物代谢的迅速和复杂性，这一点与蒋亚华[60]等在同属葫芦科的黄瓜上的研究结果和缪旻珉等[61]对甜瓜的研究结果一致。此外。河套蜜瓜源叶中淀粉含量的昼夜变化幅度高于蔗糖，且去果降低库强显著或极显著增加了源叶中淀粉的含量，但并没有显著影响蔗糖的含量，表明淀粉是调节源叶中碳水化合物含量昼夜变化的关键物质。源叶中SPS和SS+活性的昼夜变化呈双峰曲线，在中午前后酶活性受到抑制，可能与高温有关。AGPase活性的昼夜变化呈单峰曲线，在中午前后没有受到抑制，可能该酶适应高温环境，较之SPS和SS+，AGPase对河套蜜瓜源叶中碳水化合物代谢的调节能力更强。 24河套蜜瓜库源关系中源叶光合作用及碳水化合物代谢的研究综上所述，本研究对河套蜜瓜果实发育期间源叶的光合作用和碳水化合物代谢机制作出了初步的探讨，对河套蜜瓜库源调控机制作了初步研究。然而植物的光合作用和碳水化合物代谢是一个极其复杂的生理生化过程，受遗传因子、植物激素、生态因子等的调控和影响。有关河套蜜瓜源叶中蔗糖的去向等问题尚需进一步研究。4.5河套蜜瓜源叶中光合末端产物积累与光合作用的关系去果对叶片净光合速率的影响通常用反馈抑制假说来解释，该假说认为库强的降低会减少光合同化产物从源向库中运输，致使源叶中可溶性糖和淀粉积累，高的可溶性糖和淀粉含量会抑制叶片中相应酶的活性，从而导致光合速率的降低。本研究中，去果降低库强显著增加了源叶中淀粉的含量，但并未导致源叶的净光合速率降低，表明去果处理后，源叶碳水化合物积累对其光合作用无影响。此外，AGPase是淀粉合成的关键酶，而去果降低库强并没有导致AGPase活性的降低，反而导致其活性的升高。因此，本研究认为，河套蜜瓜中源库调节机制不能简单地用反馈抑制假说来解释。去果降低库强可以显著提高河套蜜瓜源叶中的淀粉含量和AGPase活性，但并不影响蔗糖和还原糖含量，也不影响蔗糖代谢相关酶的活性。该结果暗示：河套蜜瓜源叶可能通过AGPase调控淀粉含量来调节源叶中碳水化合物代谢的平衡。葫芦科植物的源叶对库强变化作出反应需要一段时间。Mayoral等[83]发现在去除黄瓜库器官后的第三天，源叶中的光合速率才开始逐渐下降。如果只留一张源叶而去除别的源叶，则在去除其他源叶后的第二天光合速率才开始提高。Marcelis等[82]通过去除库器官进行相关研究，也发现直到果实开始生长的两周后，光合速率才发生变化。本研究发现，去果对河套蜜瓜源叶中淀粉（图8，A）含量及AGPase（图8，B）活性的影响在去果后第二天就开始，一直维持了一周。5结论（1）河套蜜瓜果实发育期间，源叶的净光合速率呈升高--高--降低的变化趋势。河套蜜瓜果实发育期间，源叶中蔗糖含量比较稳定；还原糖含量在波动中保持稳定；淀粉含量在果实发育中期较低，初期和后期较高。河套蜜瓜果实发育期间，蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶合成方向活性变化均是在果实发育中期较高，初期和后期较低；蔗糖合成酶分解方向活性和转化酶活性在果实发育期间呈无规则的波动变化，果实成熟期较高；ADPG焦磷酸化酶在果实发育初期较高，之后迅速下降，并保持较低水平。（2）在果实迅速膨大期，河套蜜瓜源叶净光合速率的昼夜变化为单峰曲线；源叶中蔗糖、还原糖和淀粉含量的昼夜变化为单峰曲线；源叶中蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶合成方向活性的昼夜变化为双峰曲线，ADPG焦磷酸化酶活性的昼夜变化为单峰曲线，蔗糖合成酶分解方向和转化酶活性的昼夜变化无明显规律。 内蒙古农业大学硕士学位论文25（3）去果降低库强可以显著提高河套蜜瓜源叶中淀粉含量和ADPG焦磷酸化酶活性，但对其它指标均无显著影响。（4）河套蜜瓜源叶中蔗糖含量受蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶合成方向正调控；源叶中淀粉含量受ADPG焦磷酸化酶正调控。 26河套蜜瓜库源关系中源叶光合作用及碳水化合物代谢的研究致谢时光飞逝，转眼间三年的研究生生活即将结束，再一次的分别就在眼前。回想这三年，印象最深刻的就是我的导师刘艳副教授对我无微不至的关怀。从生活中的点点滴滴到学业上的各种困惑，尤其是在本次毕业设计的每一个环节，都凝聚着刘老师的良苦用心，感激之情溢于言表。刘老师严谨的治学态度、精益求精的工作原则、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、积极进取的科研精神以及诲人不倦的师者风范值得我终生学习。感谢李巧玲老师、李连国老师、李小燕老师、郭金丽老师、白瑞琴老师、贺学勤老师、马强老师等对我课题研究的帮助。在本次毕业设计过程中，得到了内蒙古自治区巴彦淖尔市农牧业科学研究院的白立华主任、郭宏强老师、杜瑞霞老师等科研人员的大力支持，在此表示衷心感谢。几位老师丰富的实践经验和吃苦耐劳的工作态度给我留下了深刻的印象。感谢同教研组的同学们，因为你们的热情帮助，我才会这么顺利的完成了毕业设计。同时感谢所有给予我帮助和鼓励的朋友们，衷心的谢谢你们。感谢父母这么多年来对我的栽培，没有你们的鼓励和支持，就没有我的今天。 内蒙古农业大学硕士学位论文27参考文献1潘瑞炽.植物生理学[M].北京:高等教育出版社,2004:56-57,82-832李卫东.桃库源关系中源叶光合作用及其碳水化合物代谢的研究[D].中国农业大学,20053李合生等.现代植物生理学[M].北京:高等教育出版社,2002:129-1374FujiiJ.A.andKennedyR.A.Seasonalchangesinthephotosyntheticrateinappletrees:Acomparisonbetweenfruitingandnonfruitingtrees[J].PlantPhysiology,1985,78:519-5245DeJongT.M.FruiteffectsonphotosynthesisinPrunuspersica[J].PhysiologiaPlantarum,1986,66:149-1536WoodB.W.Fruitingeffectsphotosynthesisandsenescenceofpecanleaves[J].JournaloftheAmericanSocietyforHorticulturalScience,1988,113:432-4367周睿,夏宁,束怀瑞.苹果果实对叶片光合作用的调节[J].园艺学报,1995,22(3):293-2948NiiN.Fruitingeffectsonleafcharacteristics,photosynthesis,androotgrowthinpeachtrees[J].JournaloftheJapaneseSocietyforHorticulturalScience,1993,62:519-5269彭永宏,章文才.猕猴桃的光合作用[J].园艺学报,1994,21(2):151-15710RoperT.R.,KellerJ.D.,LoescherW.H.andRomC.R.Photosynthesisandcarbohydratepartitioninginsweetcherry:fruitingeffects[J].physiologiaPlantarum,1988,72:42-4711ProiettiP.Effectoffruitingonleafgasexchangeinolive(OleaeuropaeaL.).Photosynthetica,2000,38:397-40212WorrellA.C.,BruneauJ.M.,SummerfletK.,etal.Expressionofamaizesucrosephosphatesynthaseintomatoaltersleafcarbohydratepartitioning[J].PlantCell,1991,3:1121-113013TobiasD.J.,HiroseT.,IshimaruK.,etal.Elevatedsucrose-phosphatesynthaseactivityinsourceleavesofpotatoplantstransformedwiththemaizeSPSgene[J].PlantProdSci,1999,2:92-9914LunnJ.E.,HatchM.D.PrimarypartitioningandstorageofphotosynthateinsucroseandstarchinleavesofC4plant[J].Planta,1995,197:385-39115GrofC.O.L.,KnightD.P.,McNeilS.D.,etal.Amodifiedassaymethodshowsleafsucrose-phosphatesynthaseactivityiscorrelatedwithleafsucrosecontentacrossarangeofsugarcanevarieties[J].AustJPlantPhysiol,1998,25:499-50216WorrellA.C.,BruneauJ.M.andSummerfeltK.Expressionofamaizesuerosephosphatesynthaseintomatoleafcearbohydratepartitioning.PlantCell,1991,3:1121-1130 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