甘蔗糖分调控因素与增糖应用研究现状

陈迪文，吴庚福，周文灵，敖俊华*，江 永，李奇伟

(1广东省生物工程研究所(广州甘蔗糖业研究所)，广东广州510316；2广东省现代农业产业技术研发中心(资源环境与农产品安全)，广东广州510316；3仲恺农业工程学院环境科学与工程学院，广东广州510225)

0 引言

甘蔗是世界主要的糖料经济作物，蔗糖产量占全球食糖产量的85%以上[1]。中国是世界第 3大食糖生产国，近半个世纪以来，中国甘蔗种植总面积增加80%达到180万hm2，总糖产量从15万t增加到1061.3万t[2-3]。甘蔗糖主要通过蔗茎糖分(主要是蔗糖)积累获得，甘蔗茎理论上可提供蔗糖的物理容量可占甘蔗鲜重的 25%以上[4]，但目前生产上甘蔗糖分只有理论值的一半左右，理论上的提升空间很大。为了满足世界对糖日益增长的需求，甘蔗糖产业需要提高甘蔗糖分和蔗糖产量，在相同甘蔗产量的条件下，蔗糖分越高，产糖量则越高。因此，甘蔗中糖的积累转化及调控相关研究也是糖业科研人员关注度高的方向之一。本文综述了甘蔗糖业研究中甘蔗茎中蔗糖积累和合成、调控甘蔗糖分积累的内在因素、环境因素、化学调控以及甘蔗增糖剂应用相关的研究，并进行展望。

1 甘蔗糖分的合成和积累

1.1 甘蔗糖类合成

甘蔗是最早被利用生产糖类制品的的高光效C4植物。甘蔗中蔗糖含量的提高主要通过常规育种调节有机碳的分配实现的。在C4植物光合作用过程中，外界的CO2被叶肉细胞吸收，被细胞内磷酸烯醇丙酮酸羧化酶(PEPCase)固定形成 C4双羧酸，C4双羧酸脱羧酶在束鞘细胞作用中生成CO2[5]。然后，CO2被核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)再次固定在Clavin-Benson循环中合成磷酸三糖，磷酸三糖在细胞质中运输合成糖[6]。这些糖，主要以蔗糖的形式存在，被立即运输韧皮部，随后输出到异养器官。当细胞质中的糖过多时，它们被运输到液泡中进行短暂的储存，磷酸三糖被用来在叶绿体中合成淀粉[7]。另外，三碳糖磷酸从叶肉细胞的叶绿体转移出来之后，还参与各种脂肪酸和蛋白质合成过程[8]。在甘蔗的光合作用过程中，细胞内蔗糖生化合成的相关酶和蛋白质都位于细胞质中，所以蔗糖合成过程是在植物的叶肉细胞质中完成。在甘蔗中，其成熟期的蔗糖是同化作用产物主要形式和其碳水化合物主要储存形式[9]。尽管C4光合作用在甘蔗叶片中已被报道，但甘蔗光合作用的调节机制尚不清楚。

1.2 甘蔗糖分的转运和积累

甘蔗在生长后期开始逐步积累蔗糖分，到工艺成熟期糖分积累速率加快。蔗汁重力纯度随生育期进行而提高，一般种植早、株龄较老的植株蔗汁纯度高，还原糖含量低。蔗茎中的还原糖含量随株龄的增加而降低，但在次年3～4月份又开始增多，出现“回糖”现象[10]。一般说来，蔗茎各个茎节的还原糖含量自下而上逐节增加，蔗糖分含量自下而上逐节降低[11]。在茎中蔗糖积累过程中，叶片中合成的产物通过韧皮部运输到其他器官，为植物的生长发育提供营养[12]。当运输的同化物质超过新陈代谢的需求时，它们会被储存在库存器官中，一旦光合作用产物以蔗糖的形式在细胞内积累，就会引起植物平衡反应。植物细胞采用2种策略保持糖类平衡，一是在细胞质、液泡和细胞质外区排出蔗糖，另一种是合成低渗透的聚合物，如淀粉、蛋白质和油脂[13-14]。在甘蔗茎中，蔗糖先以共质体的方式转移并贮藏薄壁细胞中，然后再渗漏一部分到质外体[15]。蔗糖被甘蔗积极代谢，其过程不断水解和再合成其他物质，并用于甘蔗节间的呼吸、代谢和贮藏[16]，所以甘蔗糖分积累量受糖代谢影响，其转运积累过程也很复杂。

2 调控甘蔗糖分积累的内在因素

甘蔗糖分积累是一个由多种蔗糖代谢酶参与调控的复杂过程，涉及蔗糖的合成、分解和运输等生理过程。调控蔗糖积累的关键性因素，一个是和蔗糖代谢相关酶的活性，一个是叶片输出光合产物的能力及韧皮部运输蔗糖的效率，以及茎细胞中蔗糖跨膜运输能力。同时，相关的基因表达也对这些过程参与直接或间接的调控。

2.1 酶的活性

酶可以催化蔗糖合成的和调节蔗糖含量。其中蔗糖磷酸合成酶(Sucrose phosphate synthase，SPS)、蔗糖合成酶(Sucrose synthase，SS)和转化酶(Invertase，INV)是调控蔗糖代谢的3大关键酶。SPS负责蔗糖的合成。SS是一种可逆酶，即能催化蔗糖合成，又能催化蔗糖分解。INV在蔗糖的转运、贮藏和分配中具有重要作用[17-18]。在植物中，同时在源和库中表达的SPS参与蔗糖的再合成，调节淀粉积累[19]、蛋白质储存[17]和纤维素合成[20]。INV 和SS在植物中催化蔗糖水解。INV按其最适pH分为酸性转化酶(SAI)和中性转化酶(NI)，并参与调节碳的分配和发育[21]。在甘蔗中，叶片和茎中均有蔗糖代谢酶SPS、SS、SAI和NI的表达[22]，但在未成熟节间中 SS和SAI活性高于成熟节间[23]。甘蔗中蔗糖代谢酶的活性在转录后水平受到调控[24-25]。最新研究表明，甘蔗叶中SPS与SS高活性，及茎中SS、SPS和SAI高活性，可能是高糖甘蔗品种成熟期茎中蔗糖积累的重要调节因素[26]。因此，相关的酶活性与糖分积累关系密切。

2.2 糖转运载体

糖转运载体可以调节糖类的运输和贮藏的载体，它们可分为单糖转运体(MSTs)、蔗糖转运体(SUTs)和糖类[27-28]。研究表明，薄壁组织细胞的质膜和液泡都可以通过细胞膜输入和输出蔗糖。蔗糖外源进入韧皮部并储存在薄壁细胞中需要甘蔗中的糖转运蛋白，然而在甘蔗中发现的糖转运蛋白很少[29]。在拟南芥中，单糖转运蛋白 AtTMT1和AtTMT2将葡萄糖和蔗糖转移到液泡中，与AtTMT2和AtTMT1高度同源的ShPST2a和ShPST2b可能将蔗糖运输至细胞液泡[30]。SUT4型蔗糖转运蛋白已被证实为H+/蔗糖共载体，可将液泡中的蔗糖输送到细胞质中[31]，在蔗糖运输中起作用。此外，糖转运体糖作为蔗糖释放物可能在蔗糖从贮藏薄壁细胞向外分泌的过程中起作用。这些糖转运蛋白共同参与调节甘蔗糖类的转运积累[30]。

2.3 基因表达

基因表达深刻影响甘蔗糖类合成、积累和运输。在甘蔗植株中，糖代谢关键酶及与其相关的结构基因构成网络共同调节糖代谢，参与植株发育进程[32]，调节蔗糖的比例。通过cDNA相关技术研究还发现，激素和应激反应相关的基因调控甘蔗蔗糖积累的转录因子[24-25]，如 DREB、ERF、NAC、MYB、生长素反应因子ARF和乙烯调节因子EIL[33]。拟南芥转录因子 bZIP11与蔗糖的控制蛋白质翻译可以被蔗糖抑制，以调节氨基酸代谢，而拟南芥bZIP11在甘蔗中的同源性还有待进一步鉴定[33]。研究表明，拟南芥转录因子 AtDREB2ACA可提高转基因甘蔗植株的蔗糖含量[34]。

3 调控甘蔗糖分积累的环境因素

3.1 水分

水分是影响甘蔗糖类积累重要因素。光合作用是甘蔗糖类的主要来源过程，而水分是影响其过程主要环境因素之一。甘蔗在水分缺失的情况下会激发脱落酸的产生，脱落酸会诱导气孔关闭，从而减少蒸腾作用造成的水分损失[35]。中度水分缺失会导致气孔导度和内部CO2浓度降低，而严重水分缺失导致二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)的羧化活性降低，这导致光合作用强度受到限制[36]。另外，有研究表明，缺水干旱胁迫时，植物的叶绿体类囊体膜会受伤害[37]，同时显著降低光合作用相关蛋白酶的活性[38]，所以光合作用减弱。因此，在缺水情况下，甘蔗的碳同化作用降低，光合作用的减少可能会降低叶片中磷酸三糖、磷酸葡萄糖和果糖的浓度，导致甘蔗糖含量减少，同时对产量也不利。而在甘蔗生产上，进入秋冬季降水减少，适当的干旱反而可以促进糖分的积累和转化，研究表明，蔗糖积累可能与干旱和激素信号通路相互作用[34]，这可能是甘蔗后期干旱引起激素水平的变化而提高了糖分的积累。因此，甘蔗前中期的干旱需要灌溉防旱减少对产量的影响，而后期适当的自然干旱对糖分积累有利。

3.2 温度

温度是作物生长过程中非常重要的生态环境因素。甘蔗属于热带作物，喜温不耐寒。在自然生长中，在低温胁迫情况下会导致植物叶片细胞膜通透性增加，抑制叶绿素合成，破坏叶绿体结构[39]，所以当甘蔗植株遭受冷害时，无法启动细胞内增糖机制，而是需要大量的糖类来维持各种正常的功能和代谢，从而消耗体内存储的糖分。高温对生长影响较小，对同化物运转影响较小[40]，其中光合作用的损害和呼吸作用的增加可能是高温下叶片中碳水化合物减少的原因。在其他作物中研究表明，高温使植物蔗糖合成酶、液泡型转化酶和细胞壁结合型转化酶活性降低，蔗糖降解的减缓与蔗糖合成酶和转化酶活性的降低有关[41]。此外，土壤温度也会影响植株的生长发育，高温降低了叶片的相对含水量，导致叶片温度升高，细胞破裂而影响光合作用，减少光合产物的积累[42]。总的来说，温度影响甘蔗的叶片光合作用过程，以致影响甘蔗糖合成和积累，在甘蔗成熟期昼夜温差大，有利于促进甘蔗光合作用，增加糖分积累和提高。

3.3 光照

光是植物光合作的能量源头，是限制植物生长发育的重要环境因素。光照充足有利于增强光合作用，不仅促进甘蔗产量的提升，同时对于糖分积累也十分有利。由于甘蔗几乎没有光饱和上限，在其他因素达到最佳效果和效率的情况下，光照的时间越长和光照的强度越强，则甘蔗生长发育效果越好，糖分含量越高[43]。研究发现，光照强度影响甘蔗植物内源激素含量及其稳定性，尤其在分蘖期，光照对吲哚乙酸(IAA)、脱落酸(ABA)、玉米素核苷(ZR)和赤霉素(GA3)含量有所影响，从而影响甘蔗生长发育和糖含量积累[44]。另外光周期对于甘蔗糖分积累也有影响，光照影响甘蔗花芽分化和成花逆转过程，甘蔗从工艺成熟转为生殖成熟，会消耗自身积累的糖分，不利于糖分的积累[45]。

3.4 营养元素

3.4.1 大量营养元素

在植物生长过程中需要多种营养元素，这些营养元素对甘蔗的糖合成、积累和运输有着直接或间接的作用。合理的氮、磷、钾配比施用，能获得糖分含量较高的蔗汁和较高的经济效益[46-47]。氮素是植物体内蛋白质、核酸、叶绿素和许多酶的重要组成部分，通过影响甘蔗光合作用等生理生化过程而影响甘蔗糖分积累，研究表明，适量增加氮肥的供应，能提升糖分积累和蔗汁品质，但过多单施氮肥也会降低蔗汁品质，减少蔗糖积累[48]。适量的氮素能提升SPS活性，过高的氮含量抑制SPS活性，同时施用铵态氮有利于SPS活性的提高[49]。

磷对甘蔗根系的生长、苗期的发育、分蘖和节间的伸长，乃至提早工艺成熟均有促进作用[50]。研究表明，在植物糖类合成转运过程中，二磷酸果糖和磷酸蔗糖等中间产物需要磷元素的配合组成，所以磷影响甘蔗对糖类的合成、运输和贮藏，且有助于提高甘蔗早期蔗糖的含量[51]。甘蔗缺磷时，植株生长受到影响，不利于糖分积累。另外，有机磷类的化学品对甘蔗催熟和增糖也具有良好效果，具体在本文4.2部分展开阐述。

钾是甘蔗体内各种生理机能正常运转不可缺少的元素之一，在核糖体中与蛋白质合成光合作用所需的物质[52-53]，在所有营养元素中甘蔗对钾的吸收是最多的。研究表明，充足的钾可以促进蔗糖从叶片向茎秆的转移，有利于蔗茎积累糖分[54]。钾还可以促进硝酸还原酶活性，有利于植株进行氨的同化，提高叶绿素含量从而促进光合作用产生更多光合产物。叶片中高浓度的钾素有利于增加叶片气孔导度和蒸腾速率，保持光合作用持续高速进行，对糖代谢相关酶活性有促进作用，有利于糖分的累积[55]。

3.4.2 中微量营养元素

适当施用植物所需中微量元素的肥料，也可以促进甘蔗糖分合成和积累[56]。镁对提高甘蔗糖分积累具有促进作用[57]。硼元素能促进甘蔗光合产物的运转，影响甘蔗体内糖的运输[58-59]。同时，缺少硼元素容易使叶绿体结构遭到破坏，叶绿素含量降低，光合效率下降，糖类合成减少[58-59]。锌是植物生长素、碳酸酐酶、脱氢酶、植物蛋白酶以及其他酶合成重要组成部分，尤其对甘蔗生长部分中的生长素有重要的影响，因此影响甘蔗糖分积累，对糖分的含量有明显的作用[60]。钼元素影响叶绿素的合成，同时也是甘蔗硝酸还原酶和固氮酶的合成元素之一，从而影响氮元素的作用，因此合理的施用钼可以促进甘蔗糖分的积累[61-62]。

4 甘蔗糖分化学调控及增糖剂应用

甘蔗糖分化学品调控技术或称化学催熟增糖技术已在国内外进入商品化使用阶段，被公认为是一项较经济的提高甘蔗蔗糖分的技术措施，可以取得较好的增糖效果。目前，甘蔗增糖剂的主要有效成分一般是植物生长调节剂类物质[63]。研究应用较多的有波拉利(增甘膦)、宝拿到(Polado)、草甘膦、茅草枯(Dalapon)、乙烯利、赤霉素等。化学调控能激化蔗糖合成相关酶的活性，从而促进催化蔗糖的合成，同时加速把光合产物以蔗糖的形式转运到蔗茎中积累起来，从而使甘蔗糖分和蔗汁重力纯度迅速提高，还原糖分下降，提升品质。因为具有操作简单、用量少、见效快、效益高等特点，国内外在科学研究和生产应用上都开展了大量工作。

4.1 乙烯利

乙烯利(乙烯磷)是世界上重要的植物生长调节剂，它可以分解释放乙烯，对果实具有催熟作用。乙烯对于甘蔗来说是重要的生长激素，在不同生长期用乙烯或乙烯利进行处理，可以调节甘蔗生长和糖分积累[64]。乙烯利对甘蔗的具体效应上，首先是诱导了氨基环丙烷羧酸(ACC)合成酶和ACC氧化酶的基因表达，使甘蔗组织内释放乙烯量达到高峰[65]。乙烯影响甘蔗体内源激素之间的稳定关系，以及影响许多基因的转录表达，从而影响植物细胞的分裂、伸长和分化，并进一步影响到甘蔗器官、组织的发育和生长[66]。内源性乙烯的合成受到多种因素影响，如其他化学物质的刺激、叶面喷雾剂的覆盖率、激素敏感性和环境条件的有效吸收率等[67]。如果乙烯利浓度过高，会造成内源激素的严重不平衡，导致蔗株发育伸长时受到抑制，在糖分积累时期使用，有助于蔗茎中的蔗糖积累，起到增糖作用[66]。但在甘蔗发育伸长前期施用大量的乙烯利，会导致甘蔗早生快发，而以至于植物前期提早进行蔗糖分积累阻止生长发育，产量降低，影响到收获期糖分积累总量[66]。因此，作为增糖剂使用的乙烯利需要在生长后期使用。

4.2 草甘膦

草甘膦化学名称为 N-(膦酸甲基)甘氨酸，是一种常用的有机磷类除草剂，主要通过抑制植物体内烯醇丙酮基莽草素磷酸合成酶，从而使蛋白质的合成受到干扰导致植物死亡。而研究发现，在喷施一定浓度草甘膦的条件下能够提高甘蔗叶片的过氧化物酶、多酚氧化酶和中性转化酶活性，促进叶片中一些化学成分如水溶性蛋白质、无机磷和蔗糖含量的提高[68]。同时，草甘膦还会使叶片水分含量和还原糖分的含量降低，并对NADP-苹果酸酶、酸性转化酶、Mg2+-ATP酶和 Ca2+-ATP酶活性产生抑制作用，这些酶通过影响甘蔗植物体内各种生化活动而对蔗糖积累产生调控[68-69]。还有研究表明，施用一定量的草甘膦能刺激植物的光合作用、气孔导度和蒸腾作用，促进糖类积累，但具体的原理还需要深入的研究[70]。

4.3 赤霉素

甘蔗研究应用最多的植物激素是赤霉素(GA)。在赤霉素的种类中，赤霉素A3(GA3)对甘蔗发育的多个阶段显示出明显促进效果，使产量增加[71]。各种研究表明，GA3影响蔗糖合成中的主要酶之一SPS的活性，促进贮存糖组织的增殖，从而改善甘蔗的糖合成过程[72]。GA3可能通过刺激植物细胞呼吸作用和增加韧皮部蔗糖向贮存组织内的转移，从而来影响糖合成信号，结果使糖库和糖源之间建立更有利的蔗糖梯度[73]。研究表明，施用 100～250 mg/L浓度的赤霉素能显著提高甘蔗蔗糖分，降低还原糖分[74]。

4.4 其他化学调控剂

除了乙烯利、草甘膦、赤霉素外，还有其他植物生长调节剂，以促进植物生长发育和调节植物生理活动的手段，来达到增产和增糖的目的。吲哚丁酸是一种重要的生长素，作为吲哚乙酸释放的前体，在甘蔗再生植株的根形成过程中发挥着重要作用，影响细胞分裂、分化和伸长，从而细胞和组织的最终形状和功能产生主要影响，因而促进甘蔗良好生长达到增糖目的[75-76]。海藻素是从海藻(主要是褐藻)中提取出的一类生物刺激素，含有海藻多糖、酚类化合物以及天然激素类物质，可以作为植物生长调节剂，能促进细胞分裂和增进根、茎生长，从而使甘蔗良好生长以达到增产增糖目的，研究表明其可以作为增糖剂使用对提高甘蔗糖分具有良好效果[77-78]。另外，氨基酸液体肥能促进甘蔗出苗、分蘖，以及蔗茎伸长，能够明显提高甘蔗产量和糖分[79-80]。

5 展望

甘蔗中糖的合成、转化、运输、存储及代谢需要植株各个器官和组织系统协调运作，并且过程复杂，整个系统过程的分子机制研究还需要进一步完善。甘蔗复杂的基因组结构阻碍了其基因组测序和基因发现，而基因测序是发现涉及糖分合成转化等多种生理过程相关功能基因的有效方法。目前，基因对蔗糖积累的调控网络尚不清楚，与蔗糖积累相关的糖转运蛋白和调控基因进行功能了解不全面，蔗糖代谢酶活性的相互作用调控和源库通信的调控机制还有待进一步研究。将来可用基因工程方法调控蔗糖积累，对于高糖甘蔗品种选育及糖分提升具有重要意义。

通过化学方法提高甘蔗糖分是目前国内外通用的一种手段，操作简单且取得的效果较好，国内目前应用市场较大，技术发展前景较好。对于化学增糖制剂的研发方向应趋向于无毒无污染生态环保型制剂，减少对农作物和土壤环境的损害。对于增糖剂的具体应用方式，随着无人机农用技术的普及推广应用，其与增糖剂结合应用会进一步发展。而增糖剂对甘蔗糖分提升作用的内在机制还需要进一步进行深入研究，对于增糖剂的改进及应用发展具有重要的指导意义。