不同甜高粱品种蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性与糖分积累的关系

李春阳+胡瑞芳+张馨月

摘要：以12个品种的甜高粱为材料，测定其叶片和茎秆在4个主要生长时期的可溶性糖含量以及蔗糖合成酶（sucrose syhthase，简称SS）和蔗糖磷酸合成酶（sucrose phosphate synthase，简称SPS）的活性变化，对2种酶的活性以及酶活性与可溶性糖含量之间的相关性进行分析，以了解甜高粱体内蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶对糖积累的影响。结果表明：在整个生长时期中，可溶性总糖含量不断提高，成熟期达到最大值。同一时期，茎秆中的2种酶活力大于叶片中的酶活力，在前期，2种酶活力差异不明显，但在生长后期，相同部位的SS活性要大于SPS活性。叶片中可溶性糖含量与SS活性呈极显著正相关（r=0.913，P<0.01），与SPS活性也呈极显著正相关（r=0.92，P<0.01）；茎秆中可溶性糖含量与SS活性呈极显著正相关（r=0.989，P<0.01），与SPS活性也呈极显著正相关（r=0.983，P<0.01），说明SPS和SS是影响甜高粱糖积累的关键酶。

关键词：甜高粱；蔗糖合成酶（SS）；蔗糖磷酸合成酶（SPS ）；酶活力；糖分积累

中图分类号：S514.01 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）11-0139-03

甜高粱[Sorghum bicolor（L.） Moench]别称糖高粱，属于禾本科高粱属，是普通粒用高粱的一个变种[1]，具有光合效率高、糖分积累快、生物量大、适应性广、抗逆性强等优点[2-3]。近年来，甜高粱已成为世界上的一种新型的饲料、糖料和能源作物[4]，引起了许多国家的广泛重视，受到积极研究并大力推广[5]。研究甜高粱茎秆中可溶性糖含量及其相关酶活性的变化对高粱的改良、利用和开发具有很重要的意义。在高等植物中，参与糖代谢相关的酶主要有蔗糖合成酶（sucrose synthase，简称SS）和蔗糖磷酸合成酶（sucrose phosphate synthase，简称SPS ）等，二者含量的变化直接影响糖的合成[6]。SPS活性影响光合产物在淀粉与蔗糖之间的分配，主要调节蔗糖的合成[7]。SS能够控制蔗糖代谢和蔗糖累积，既可催化蔗糖合成又可催化蔗糖分解，功能比较复杂[8]。本研究选用12个品种的甜高粱为材料，测定其在4个主要生长时期的叶片和茎秆中可溶性糖含量以及SS、SPS的活性，对2种酶的活性以及它们与可溶性糖含量之间的相关性进行分析，为进一步研究甜高粱SS、SPS的表达调控机制、糖分积累特征以及改良甜高粱的甜度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料由辽宁省农业科学院提供，分别为9198A3×（111×1022）、矮四A3×（111×1022）、辽甜1号、辽甜2号、辽甜3号、辽甜4号、辽甜5号、辽甜6号、辽甜7号、辽甜9号、辽甜10号、辽甜12号。

1.2 取样

试验材料分别取自甜高粱苗期、拔节期、抽穗期和成熟期的茎和叶，叶片取自旗叶下第1张叶，茎秆取自从下往上数第3节茎，采样时随机选取，3次重复，液氮速冻后放入-40 ℃低温冰箱中保存备用。

1.3 试验方法

采用优化的蒽酮比色法[9-10]测定可溶性糖总含量。采用间苯二酚比色法[11]测定SS和SPS的活性。

1.4 数据分析

利用Excel及SPSS对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 甜高粱总糖含量分析

在4个生长时期内，叶片中可溶性糖含量在前3个时期的变化都不明显，但在成熟期增长迅速，达到最大值，说明甜高粱是在成熟期积累大量的糖类物质；辽甜9号的叶片中可溶性糖含量最多，辽甜4号含量最少（图1）。

如图2所示，在3个生长时期中，茎秆的可溶性糖含量随着植株的生长不断增加，抽穗期增长缓慢，在成熟期有大幅度的增长，此时期茎秆可溶性糖含量达到最高值。其中辽甜9号的可溶性糖含量最高，辽甜4号含量最低，这一点与叶片中可溶性糖含量相似。

2.2 甜高粱蔗糖合成酶活性分析

在12个品种的甜高粱叶片中SS的活性变化均表现为先下降后上升的趋势，在拔节期处于最低值，在成熟期达到峰值；在苗期和拔节期， 不同品种的叶片之间SS活性没有明显差异，在抽穗期有较小的差异，成熟期时差异最明显，其中辽甜9号叶片的SS活性高于其他品种，而辽甜4号的SS活性最低（图3）。

不同品种的甜高粱茎秆中的SS活性在拔节期相差不大，在成熟期差异明显，其中辽甜9号茎秆的SS活性依然最大，辽甜4号最小；从整体上分析，茎秆中SS活性呈现上升的趋势，先是缓慢上升，抽穗期以后，迅速上升，在成熟期达到最大值（图4）。

2.3 甜高粱蔗糖磷酸合成酶活性分析

在4个生长时期内，叶片中SPS活性与SS活性的变化趋势基本一致，呈先降低后增高趋势，在拔节期达到最小值，成熟期达到最大值，且高于前3个生长时期；不同品种的甜高粱叶片中的SPS活性相比较，前2个时期差异不明显，抽穗期和成熟期差异明显，成熟期辽甜9号的SPS活性明显大于其他品种（图5）。

分析比较不同品种的甜高粱茎秆中SPS活性，拔节期SPS活性相差不大，抽穗期略有差异，成熟期差异最明显，同时活性最大的仍然是辽甜9号，活性最小的仍是辽甜4号；甜高粱茎秆中SPS活性与SS活性变化规律大体相同，呈上升趋势；成熟期时茎秆中SPS活性明顯高于前2个时期（图6）。

2.4 甜高粱总糖含量与相关酶活性的分析

12个品种甜高粱叶片中可溶性总糖含量与SS和SPS活性的变化趋势略有不同，可溶性糖的变化呈先升高，再降低，最后上升的趋势，而SS和SPS活性的变化呈先降低后升高的趋势。对甜高粱叶片中可溶性糖含量与SS和SPS活性进行相关性分析得出，可溶性总糖与SS活性呈显极著正相关（r=0.913，P<0.01），与SPS活性也呈极显著正相关（r=0.92，P<0.01）。

12个品种甜高粱茎秆中可溶性总糖含量与SS和SPS活性变化趋势基本相同，都呈上升趋势。对这12种甜高粱茎秆中可溶性糖与SS和SPS活性进行相关性分析，得到相关系数。从数据上看，茎秆中可溶性糖与SS活性呈极显著正相关（r=0.989，P<0.01），与SPS活性也呈极著正相关（r=0.983，P<0.01）。

3 结论与讨论

甜高粱以其生物学产量高、用途广成为具有潜在应用价值的能源作物[12]。本试验通过对12个品种甜高粱不同时期可溶性总糖含量以及SS、SPS活性的研究，结果表明，在甜高粱的整个生长发育时期内，可溶性糖含量总体上随着植株的生长不断增加，到成熟期达最大值，茎秆中的总糖的含量高于其在叶片中的含量，说明茎秆是甜高粱糖分储存的主要器官。

叶片中SS、SPS活性的变化趋势相同，呈先少量降低，再缓慢上升，最后迅速上升的趋势，且SS活性高于SPS活性。茎秆中SS、SPS活性的变化依然相同，呈上升的趋势。同一时期，茎秆中的2种活性要大于叶片中的活性。在生长前期时，叶片和茎秆中的相关活性差异较小，但在生长后期，相同部位的SS活性普遍大于SPS活性。

对可溶性糖含量和SS、SPS活性的相关性分析可以看出，叶片中可溶性总糖与SS活性呈极显著正相关（r=0.913，P<0.01），与SPS活性也呈极显著正相关（r=0.92，P<0.01）。茎秆中可溶性总糖与SS活性呈极显著正相关（r=0.989，P<0.01），与SPS活性也呈极显著正相关（r=0.983，P<0.01）。说明SS和SPS是影响甜高粱糖积累的重要酶。在成熟期时，辽甜9号的总糖含量、SS和SPS活性最高，辽甜4号最低，这与成熟期糖积累的情况相符。

研究甜高粱可溶性糖含量及其相关酶活性的变化，可为进一步研究高粱SS、SPS表达调控机制、提升高粱含糖量、培育品质优异的甜高粱品种提供参考，对提高甜高粱的产量、生物量、含糖量，及其改良、有效利用和开发具有重要意义。

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