鹽脅迫對(duì)菊芋糖組分含量和分配的影響

詹文悅，李輝，康健，尹曉明，梁明祥*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095；2.江蘇省海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210095)

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鹽脅迫對(duì)菊芋糖組分含量和分配的影響

詹文悅1,2，李輝1,2，康健1,2，尹曉明1，梁明祥1,2*

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095；2.江蘇省海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210095)

本研究以菊芋品種南芋一號(hào)(NY-1)為試材，在溫室進(jìn)行全生育期土培盆栽試驗(yàn)，研究了鹽脅迫對(duì)糖分積累與分配的影響。通過(guò)HPLC-ELSD(高效液相色譜-蒸發(fā)光檢測(cè)儀)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫對(duì)NY-1塊莖、莖和葉中各種糖的含量有不同影響。對(duì)于單糖和二糖來(lái)說(shuō)，與對(duì)照相比，鹽處理140 DAP (days after planting)時(shí)莖中的果糖、葡萄糖和蔗糖含量分別降低了72.67%,78.31%和39.40%；塊莖中果糖、葡萄糖和蔗糖含量分別降低了67.08%,60.91%和30.07%；葉中果糖、葡萄糖和蔗糖含量與對(duì)照相比無(wú)顯著性變化。鹽處理220 DAP時(shí)，塊莖中這些糖的含量無(wú)明顯降低，莖中的葡萄糖含量與對(duì)照相比降低了139.22%；而葉中這些糖已檢測(cè)不出。低聚合度果聚糖主要集中分布在菊芋塊莖和莖中。與對(duì)照相比，鹽處理140 DAP 時(shí)莖與塊莖中蔗果三糖、蔗果四糖和蔗果五糖的含量沒(méi)有顯著差異，葉中這些糖分布很少，與對(duì)照相比變化很小。鹽處理220 DAP，塊莖中這些糖含量與對(duì)照相比無(wú)顯著性差異，而莖與對(duì)照相比，蔗果三糖、蔗果四糖和蔗果五糖含量幾乎為0，表明隨塊莖的形成，莖和葉中的果聚糖逐步向塊莖轉(zhuǎn)運(yùn)，鹽脅迫產(chǎn)生滲透機(jī)制，增加了果聚糖在塊莖中的積累。以上結(jié)果表明鹽脅迫影響了糖分的積累轉(zhuǎn)運(yùn)，微調(diào)了植物體內(nèi)的果聚糖組成，但極其嚴(yán)重地減少了果聚糖在地上部分(尤其是莖)的積累。

菊芋；鹽脅迫；果聚糖；高效液相色譜

菊芋(Helianthustuberosus)是菊科向日葵屬的栽培植物，又稱洋姜或鬼子姜[1]，是為數(shù)不多的抗逆高產(chǎn)的能源植物。菊芋具有耐寒、耐旱、耐貧瘠和耐鹽堿的特性，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。地上莖稈富含纖維可以做成高密度纖維板和飼料。菊芋被人類利用的主要是塊莖，塊莖的主要成分為菊粉(果聚糖)，占?jí)K莖干物質(zhì)含量的80%以上。地下塊莖除了做飼料外，富含的菊糖為天然果聚糖，是食品中的甜劑和脂肪的理想替代物[2]。其塊莖或莖葉入藥具有利水除濕，清熱涼血，益胃之功效，故被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織官員稱為“21世紀(jì)人畜共用作物”[3]。同時(shí)，菊芋塊莖還可以生產(chǎn)燃料乙醇、生物柴油等新興生物質(zhì)能源[4]。

果聚糖是由果糖組成的線型或分支型的多聚體，存在于大概15%的被子植物中。菊芋中的菊粉是一種線型果聚糖，其基本由果糖基連接而成，末端是葡萄糖基。菊芋的菊粉是由不同聚合度的線性果聚糖組合而成(聚合度即為果糖基的數(shù)目)，最高的聚合度可以達(dá)到50。葉片是植物光合同化產(chǎn)物的合成工廠，蔗糖是光合同化產(chǎn)物的主要產(chǎn)物，同時(shí)蔗糖也是果聚糖合成的原料。菊芋葉片以蔗糖的形式通過(guò)莖中的輸導(dǎo)組織運(yùn)送到塊莖中形成果聚糖[5]。蔗糖可以通過(guò)蔗糖：蔗糖轉(zhuǎn)移酶合成蔗果三糖，蔗果三糖可以繼續(xù)在果聚糖：果聚糖轉(zhuǎn)移酶的作用下合成更高聚合度的蔗果四糖等。果聚糖可以在植物外切果聚糖水解酶的作用下水解生成果糖和蔗糖。蔗糖可以在轉(zhuǎn)化酶作用下不可逆地生成果糖和葡萄糖，也可以在蔗糖合成酶的作用下可逆地生成果糖(菊芋中的果聚糖代謝見(jiàn)圖1)。

圖1 菊芋中的果聚糖代謝途徑Fig.1 Fructan metabolism pathway of Jerusalem artichoke 1-SST，蔗糖：蔗糖轉(zhuǎn)移酶Sucrose: sucrose fructosyltransferase；1-FFT，果聚糖：果聚糖轉(zhuǎn)移酶Fructan: fructan fructosyl transferase；INV，轉(zhuǎn)化酶Invertase；FEH，外切果聚糖水解酶Fructan exohydrolase.

糖分在菊芋各組織中的轉(zhuǎn)運(yùn)與分配隨著植株生長(zhǎng)發(fā)育的不同時(shí)期表現(xiàn)出了顯著差異。苗期葉、莖中糖分增加迅速，主要臨時(shí)存儲(chǔ)在葉中；植株的快速生長(zhǎng)期和匍匐莖形成期葉、莖中的糖分呈起伏變化，全株總糖持續(xù)上升，主要還是存儲(chǔ)在葉和莖中；開(kāi)花期，菊芋葉和莖中的糖分從葉向莖的轉(zhuǎn)運(yùn)，此時(shí)糖主要存儲(chǔ)在莖中；塊莖膨大期完成了糖從莖中向塊莖的轉(zhuǎn)運(yùn)，此時(shí)70%的糖集中在塊莖中[3]。菊芋的這種生長(zhǎng)發(fā)育和物質(zhì)積累呈現(xiàn)出的階段性跟菊芋塊莖的同化物來(lái)源于地上部的葉和莖(源)有著絕對(duì)性的關(guān)系，葉、莖中糖分的合成與分配對(duì)塊莖的形成和產(chǎn)量起著重要作用。果聚糖的合成與轉(zhuǎn)運(yùn)分配過(guò)程是貫穿植物生命周期中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在很大程度上決定了植物的生長(zhǎng)速率、生長(zhǎng)模式[6]，同時(shí)植物各組織之間的競(jìng)爭(zhēng)能力，對(duì)于植物結(jié)構(gòu)的形成也起著重要的作用[7]。

菊芋是一種抗逆性極強(qiáng)的植物，掌握菊芋抵御外在非生物脅迫機(jī)制對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐尤為重要，也是實(shí)現(xiàn)土地資源高效利用的基礎(chǔ)[8]。菊芋在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中合成積累大量以果聚糖為主的碳水化合物，并在各器官轉(zhuǎn)運(yùn)分配，最終儲(chǔ)存在塊莖中，鹽脅迫會(huì)導(dǎo)致糖含量和分配發(fā)生變化。在鹽脅迫條件下菊芋塊莖減產(chǎn)相較于地上部干物質(zhì)更明顯[9]，然而，鹽脅迫影響菊芋糖分的積累與分配的生理機(jī)制尚不清楚，尤其是對(duì)于果聚糖合成和分解途徑的主要糖分分配不清楚。因此，本試驗(yàn)開(kāi)展了模擬鹽脅迫條件下菊芋塊莖形成的兩個(gè)最重要的時(shí)期(開(kāi)花期和塊莖膨大期)糖代謝響應(yīng)研究，初步探討了菊芋在鹽脅迫條件下小分子果糖、葡萄糖、蔗糖以及低聚合度果聚糖(蔗果三糖、蔗果四糖和蔗果五糖)等碳水化合物在各組織中含量與轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化，從糖的來(lái)源和去向這兩方面闡明鹽脅迫下菊芋糖分的積累分配機(jī)制，有助于闡釋菊芋果聚糖代謝的抗逆作用，為耐鹽菊芋品種的選育和栽培調(diào)控提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用菊芋品種“南芋一號(hào)”(H.tuberosuscv. Nanyu No.1)為試材，“南芋一號(hào)”塊莖采自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)863試驗(yàn)基地江蘇省大豐市金海農(nóng)場(chǎng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2011年在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牌樓溫室試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)采用土培盆栽方式，盆栽用土為濱海地區(qū)(江蘇大豐)含鹽量較低的耕層0～20 cm砂壤，所用土壤的基本性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)14.56 g/kg，有效磷65 mg/kg，速效鉀24 mg/kg，堿解氮51 mg/kg，鹽分0.21 g/kg，pH值8.1。選用底端有孔、透氣性良好的塑料桶(直徑30 cm、深30 cm)進(jìn)行盆栽，底端墊塑料托盤(pán)。每盆裝干土10 kg，施10 g復(fù)合肥作為底肥，復(fù)合肥總養(yǎng)分為45%，不含氯，N∶P∶K=15∶15∶15。試驗(yàn)用菊芋塊莖種子預(yù)先在室內(nèi)進(jìn)行發(fā)芽，切取大小一致的塊莖芽眼播于裝有石英砂的塑料周轉(zhuǎn)箱中，芽眼朝上，于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，晝夜溫度分別為30和20 ℃，光暗周期為16 h∶8 h，保持砂質(zhì)的濕潤(rùn)。待塊莖萌發(fā)后，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗進(jìn)行移栽，每盆3株，待幼苗長(zhǎng)勢(shì)穩(wěn)定后定苗，每盆留取1株進(jìn)行鹽處理。

試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理水平：對(duì)照(CK)和鹽處理(T)，根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果(數(shù)據(jù)未列出)，選取2‰作為鹽處理濃度，向土壤中澆灌NaCl稀溶液，使土壤含鹽量達(dá)到2 g/kg，土壤含鹽量(g/kg)=(加入鹽量+原始土鹽量)/土壤質(zhì)量×1000。充分供水，使土壤含水量達(dá)到最大持水量的60%，同時(shí)清洗托盤(pán)，將水澆入盆中，以保證鹽分不流失。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3 采樣時(shí)間與方法

在移栽后的140、220 d(days after planting，DAP)分別取樣一次，每個(gè)處理每次取3株作為重復(fù)樣。取功能葉片(倒三、四、五)、莖基部(5～10 cm)和塊莖烘干用于糖分測(cè)定。

1.4 糖分含量的測(cè)定

可溶性總糖的提?。壕沼蟾?、莖、葉等鮮樣于烘箱中80 ℃下恒溫烘48 h；組織樣品研磨后，與去離子水按1∶3(g/mL)比例混勻，放進(jìn)100 ℃的水浴鍋中20 min以去除蛋白，反復(fù)抽提3次，收集3次提取的所有溶液；將第2步所得的溶液過(guò)濾，濾液10848 r/min離心20 min，收集上清；所獲得的濾液過(guò)固相萃提柱GracePureTM SPE C18-Max(GRACE公司)，濾液過(guò)0.45 μm水相濾膜過(guò)濾，獲得上樣液。

糖分檢測(cè)：取0.5 mL上樣液于上樣瓶中，上機(jī)測(cè)定，樣品進(jìn)樣量為10 μL，梯度洗脫條件為：流速為1 mL/min，每次樣品的運(yùn)行時(shí)間為55 min。0～15 min流動(dòng)相：25%水(B)，75%乙腈(C)；15～30 min流動(dòng)相：35%水(B)，65%乙腈(C)；30～42 min流動(dòng)相：50%水(B)，50%乙腈(C)；42～55 min流動(dòng)相：25%水(B),75%乙腈(C)(“%”表示體積百分含量)。

所需設(shè)備：高效液相色譜儀(Agilent1200)、糖柱(PrevailTMCarbohydrate ES Coloumn-W250*46 mm 5 μm)和蒸發(fā)光檢測(cè)器(AlltechELSD 3300)。

試劑：標(biāo)準(zhǔn)果糖、葡萄糖和蔗糖均購(gòu)于SIGMA公司，蔗果三糖、蔗果四糖和蔗果五糖均購(gòu)于和光純藥工業(yè)株式會(huì)社(Wako)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel軟件和SigmaPlot軟件繪制圖。使用SPSS軟件中的LSD進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 6種典型的菊芋糖分在不同器官中的分布

從圖2可知，以非鹽處理下生長(zhǎng)220 d為例，南芋一號(hào)塊莖中，出現(xiàn)了大量的高聚合度的糖,說(shuō)明在塊莖中，高聚合度的果聚糖已經(jīng)占到主導(dǎo)地位。在生長(zhǎng)了220 d(全生育期約為250 d)的南芋一號(hào)莖稈中，莖稈作為一個(gè)暫時(shí)的糖類儲(chǔ)存器官也有少量高聚合度的糖類積累。而在生長(zhǎng)了220 d的南芋一號(hào)葉片中，蔗果三糖、蔗果四糖等聚合度高的果聚糖幾乎未檢出，這說(shuō)明在菊芋葉片中，基本以簡(jiǎn)單單糖和二糖等糖為主。

圖2 南芋一號(hào)塊莖(a)、莖(b)、葉(c)糖的HPLC-ELSD圖(220 DAP)Fig.2 Soluble sugar patterns for Nanyu No.1 tubers (a), stems (b), leaves (c) by HPLC-ELSD (220 DAP) 1:果糖 Fructose；2:葡萄糖 Glucose；3:蔗糖 Sucrose；4:蔗果三糖 1-kestose；5:蔗果四糖 Nystose；6:蔗果五糖 1F-fructofuranosylnystose.

2.2 鹽脅迫對(duì)菊芋單糖含量的影響

由圖3A可知，在對(duì)照中，莖中的果糖含量在140 DAP達(dá)到高峰，為77.01 mg/g，220 DAP時(shí)含量降低；對(duì)照塊莖中果糖含量隨時(shí)間推移無(wú)顯著變化，在220 DAP均在35 mg/g上下，這表明菊芋中果糖在生長(zhǎng)初期主要分布在莖中。鹽處理后，140 DAP的莖和塊莖的果糖含量與各自組織的對(duì)照相比有顯著差異，且果糖含量明顯降低；而220 DAP莖和塊莖的果糖含量與對(duì)照比較沒(méi)有顯著性差異。然而鹽處理后140 DAP葉的果糖含量與對(duì)照相比卻增加了113.26%(盡管沒(méi)有顯著性差異)。由于到220 DAP的時(shí)候整個(gè)菊芋植物已經(jīng)枯萎凋零，無(wú)法測(cè)定出葉片中的果糖含量。以上結(jié)果表明，鹽脅迫抑制了塊莖和莖中果糖的積累，但促進(jìn)了開(kāi)花期葉片中的積累。

如圖3B所示，在140 DAP，對(duì)照塊莖和莖葡萄糖含量明顯高于鹽處理，鹽處理對(duì)葉中葡萄糖的含量無(wú)明顯影響。對(duì)照塊莖中葡萄糖的含量在140 DAP達(dá)到高峰，為7.16 mg/g。莖中的葡萄糖含量呈逐漸增加趨勢(shì)，在220 DAP達(dá)到高峰，為23.95 mg/g。鹽處理220 DAP后，莖中葡萄糖含量與對(duì)照相比無(wú)顯著性差異。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，菊芋蔗糖含量與同期的葡萄糖含量相比，在塊莖、莖和葉中都大幅度增加，如圖3C。對(duì)照中蔗糖在塊莖和莖中的含量比在葉中高。與對(duì)照相比，在140 DAP時(shí)，鹽處理后塊莖和莖的蔗糖含量稍微降低，表明鹽脅迫對(duì)塊莖和莖中的蔗糖含量有不利影響。在220 DAP，鹽處理對(duì)塊莖和莖中蔗糖含量變化無(wú)顯著性影響。

圖3 鹽脅迫對(duì)南芋一號(hào)單糖或二糖含量的影響Fig.3 Effect of salt stress on monosaccharide or disaccharide content in Nanyu No.1 *表示菊芋鹽處理與對(duì)照的顯著性差異(P<0.05)。下同。*significant differences between stress-treated and control plants (P<0.05).The same below.

2.3 鹽脅迫對(duì)菊芋低聚合度果聚糖含量的影響

蔗果三糖是菊芋中最簡(jiǎn)單的果聚糖。由圖4A可知，對(duì)照處理蔗果三糖塊莖和莖中含量相對(duì)較高，在葉中含量很少(10倍)。對(duì)照中，塊莖和莖中的蔗果三糖含量隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)，均在140 DAP達(dá)到高峰，分別為20.52和24.00 mg/g。鹽處理后，塊莖和莖中蔗果三糖的含量與對(duì)照相比無(wú)顯著性差異。鹽處理后的220 DAP，塊莖中蔗果三糖含量與對(duì)照也無(wú)顯著性差異，但鹽處理后莖中蔗果三糖含量檢測(cè)不出。葉中蔗果三糖分布很少,只在140 DAP檢測(cè)出來(lái)，而到220 DAP，HPLC檢測(cè)不出葉中蔗果三糖的含量。以上結(jié)果表明，蔗果三糖主要分布在塊莖和莖中，葉中較少，鹽處理沒(méi)有改變莖和葉的蔗果三糖變化趨勢(shì)。

由圖4B可得，蔗果四糖在140 DAP時(shí)，主要分布在塊莖和莖中。鹽處理后，140 DAP與220 DAP時(shí)，塊莖中蔗果四糖含量與對(duì)照沒(méi)有顯著性差異，說(shuō)明鹽處理并沒(méi)有抑制蔗果四糖在塊莖中的積累；而在220 DAP時(shí)鹽處理后的莖中含量已經(jīng)降低為0了，說(shuō)明鹽脅迫抑制了蔗果四糖在莖中的積累。葉中蔗果四糖在140 DAP有分布，但總體含量也很低。鹽處理后的140 DAP時(shí)，葉中蔗果四糖含量與對(duì)照沒(méi)有顯著性差異。

由圖4C可知，在非鹽處理的塊莖、莖中，蔗果五糖含量隨時(shí)間的推移呈逐漸降低趨勢(shì)，在140 DAP，塊莖的蔗果五糖含量達(dá)到最高值，為37.22 mg/g，莖中蔗果五糖的含量達(dá)到高峰，為36.08 mg/g，葉中蔗果五糖含量很少，只在140 DAP檢測(cè)出。鹽處理對(duì)塊莖和莖中蔗果五糖含量無(wú)明顯影響，鹽處理220 DAP后，莖中幾乎檢測(cè)不出其含量，說(shuō)明鹽脅迫抑制了蔗果五糖在莖中的積累而促進(jìn)了向塊莖的轉(zhuǎn)運(yùn)；140 DAP階段，鹽處理的葉中蔗果五糖的含量跟對(duì)照相當(dāng)；到了220 DAP，葉中蔗果五糖的含量檢測(cè)不到。以上結(jié)果表明，隨著糖聚合度的增加，高聚合度的糖主要分布在塊莖和莖中，葉中分布很少，到后期葉中基本已沒(méi)有分布。

圖4 鹽脅迫對(duì)南芋一號(hào)低聚合度果聚糖含量的影響Fig.4 Effect of salt stress on fructo-oligose content in Nanyu No.1

3 討論

3.1 鹽脅迫對(duì)單糖或者二糖等積累與分配的影響

菊芋廣泛種植于半干旱的鹽堿地，因此本實(shí)驗(yàn)從果聚糖代謝途徑中的糖分著手，對(duì)果糖、葡萄糖、蔗糖、蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖(以下簡(jiǎn)稱6種糖)在移栽后140和220 d(對(duì)菊芋塊莖形成的兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)期)在非鹽處理和鹽處理的南芋一號(hào)塊莖、莖、葉的組織中糖分含量進(jìn)行了測(cè)定，發(fā)現(xiàn)鹽在南芋一號(hào)塊莖、莖和葉中對(duì)不同的糖分有不同的影響。在菊芋的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，葉片是糖分的主要來(lái)源，莖稈作為糖分的臨時(shí)貯藏器官，而塊莖的糖分只能來(lái)源于地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，糖分在莖中的積累和再分配對(duì)塊莖的生長(zhǎng)形成起重要的調(diào)節(jié)作用[5,9-10]。從實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在140 DAP和220 DAP時(shí)期，在非鹽處理下，單糖和二糖(果糖、葡萄糖、蔗糖)在塊莖、莖和葉中均有積累。

140 DAP鹽處理中，莖和塊莖中的果糖、葡萄糖和蔗糖含量均比對(duì)照低，說(shuō)明鹽脅迫抑制了果糖、葡萄糖和蔗糖在莖和塊莖中的積累。在鹽處理220 DAP時(shí)塊莖和莖的果糖含量與對(duì)照沒(méi)有顯著性差異。220 DAP時(shí)，鹽處理的莖中葡萄糖含量顯著降低，而塊莖中葡萄糖含量下降得不明顯，可能的原因是隨塊莖的形成，葡萄糖逐漸向地下塊莖轉(zhuǎn)運(yùn)，葡萄糖被用來(lái)維持植株的生長(zhǎng)和合成新生系列果聚糖。蔗糖是植物體內(nèi)糖分的主要轉(zhuǎn)運(yùn)形式[9]。研究表明，持續(xù)的鹽處理降低了菊芋莖中可溶性總糖含量，莖中還原糖含量下降幅度較大，但莖中的非還原性糖含量卻有所增加[11]，本研究中莖在220 DAP鹽處理后蔗糖下降，同上述研究結(jié)果不太一致(蔗糖屬于非還原糖)，其原因之一可能是上述研究中的非還原糖可能還包括淀粉和果聚糖等，本試驗(yàn)鹽脅迫發(fā)現(xiàn)抑制了蔗糖在塊莖和莖中的積累。對(duì)于葉片，其果糖、葡萄糖和蔗糖含量在鹽處理后與對(duì)照相比并無(wú)明顯變化，可能是葉片中的這些糖轉(zhuǎn)移到了莖和塊莖中。袁琳等[12]研究的鹽脅迫對(duì)阿月渾子(Pistaciavera)可溶性糖的影響中發(fā)現(xiàn)，短期的NaCl脅迫5，10和20 d后長(zhǎng)果和葉片的可溶性糖含量均在鹽濃度為500 mmol/L時(shí)達(dá)到最大值，說(shuō)明在鹽脅迫下，其長(zhǎng)果和葉片均可通過(guò)增加可溶性糖含量，來(lái)維持滲透平衡，但該研究中未具體測(cè)定哪些可溶性糖含量得到提高。

3.2 鹽脅迫對(duì)低聚合度果聚糖積累與分配的影響

有研究表明，對(duì)菊芋生長(zhǎng)有抑制作用的任何因素(滲透脅迫、抗赤霉素類物質(zhì)等)都可以誘導(dǎo)塊莖形成和膨大，且這些因子具有疊加效應(yīng)[5]。鹽脅迫影響了糖類物質(zhì)的運(yùn)輸，同化物流入果實(shí)減少，同時(shí)植物為了繁殖和后代生長(zhǎng)，盡可能積累糖分，因而表現(xiàn)為果實(shí)內(nèi)的多糖比例增加[13]。從本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低聚合度的果聚糖例如蔗果三糖、蔗果四糖、蔗果五糖主要集中分布在塊莖和莖中。莖作為糖分的臨時(shí)貯藏器官，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖各種糖在莖中都有分布，但主要是低聚合度的糖，其他高聚合度糖隨著植株的繼續(xù)生長(zhǎng)含量逐漸下降。

在鹽、旱脅迫條件下，有機(jī)滲透保護(hù)物質(zhì)，如脯氨酸、可溶性糖及可溶性蛋白等，可以使細(xì)胞保持適當(dāng)?shù)臐B透勢(shì)而防止脫水，同時(shí)對(duì)生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能起到穩(wěn)定和保護(hù)作用[14]，但這些研究主要在非果聚糖積累的植物中開(kāi)展。本研究發(fā)現(xiàn)在140 DAP，鹽脅迫后塊莖、莖和葉中蔗果三糖、蔗果四糖和蔗果五糖含量與對(duì)照沒(méi)有顯著性差異；到了220 DAP時(shí)，鹽處理后莖中低聚合度果聚糖含量迅速降低，已經(jīng)檢測(cè)不出。但同期塊莖中的這3種糖在鹽處理后變化不大或者稍微增加，其可能原因是鹽脅迫促進(jìn)塊莖中的蔗糖等糖分的合成和積累，還有原因可能是莖和葉中的蔗糖等糖分逐漸向塊莖轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)了其在塊莖的積累。菊芋在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中合成積累大量以果聚糖為主的碳水化合物，果聚糖也是植物在鹽分脅迫下的一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[15]。在鹽脅迫條件下，隨著時(shí)間的推移，到了塊莖基本形成時(shí)期，塊莖中的低聚合度果聚糖含量仍保持與對(duì)照相近，說(shuō)明菊芋能夠通過(guò)增加果聚糖的含量從而降低植物遭受鹽脅迫的危害。任紅旭等[16]對(duì)小麥(Triticumaestivum)不同品種進(jìn)行水分脅迫處理，發(fā)現(xiàn)PEG脅迫下，抗旱品種8139 具有較強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力和抗氧化能力，使果聚糖在小麥中大量積累。

以上可以得出菊芋中果聚糖的分配轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制：首先小分子的果糖和葡萄糖通過(guò)葉片的光合作用積累在葉片中合成蔗糖，然后通過(guò)莖轉(zhuǎn)運(yùn)蔗糖進(jìn)入塊莖，在塊莖中合成高聚合度的果聚糖。莖作為糖分的臨時(shí)貯藏器官，蔗糖經(jīng)過(guò)莖運(yùn)送到塊莖中合成高聚合度的果聚糖。塊莖的糖分只能來(lái)自地上部糖分的轉(zhuǎn)運(yùn)與分配，糖分在莖中的積累與分配對(duì)塊莖形成和產(chǎn)量起著關(guān)鍵的作用[5,10]。鹽脅迫對(duì)莖葉中不同的糖分有不同的影響，但鹽脅迫極大減少了果聚糖在莖葉中的積累。研究表明，果聚糖除作為貯藏性碳水化合物外，還是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，果聚糖可以保護(hù)質(zhì)膜不被冷害、干旱等脅迫損傷[17]。鹽脅迫導(dǎo)致塊莖中部分果聚糖含量升高但不利于塊莖中糖分的持續(xù)有效積累。雖然更高聚合度的果聚糖由于缺少標(biāo)準(zhǔn)品，無(wú)法定量計(jì)算，但從本研究發(fā)現(xiàn)，其含量與非鹽處理均是減少，這說(shuō)明鹽的脅迫雖然沒(méi)有急劇改變果聚糖的組成，但是以犧牲生物量為前提的(南芋一號(hào)的塊莖干重在鹽處理下下降了57%)[18]。

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Effect of salt stress on the accumulation and distribution of sugars in Jerusalem artichoke (Helianthustuberosus) plants

ZHAN Wen-Yue1,2, LI Hui1,2, KANG Jian1,2, YIN Xiao-Ming1, LIANG Ming-Xiang1,2*

1.CollegeofResourceandEnvironmentalScience,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China; 2.KeyDisciplineofMarineBiology,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China

A pot experiment was conducted to determine the effects of salinity on the accumulation and distribution of sugars in Jerusalem artichoke (Helianthustuberosuscv. Nanyu No. 1). The tuber, stem, and leaf showed differences in sugar accumulation under salt stress, as determined by high-performance liquid chromatography coupled with evaporative light scattering detection. At 140 DAP (days after planting), the contents of fructose, glucose, and sucrose were 72.67%, 78.31%, and 39.40% lower, respectively, in the stems of salt-treated plants than in those of control plants; and 67.08%, 60.91%, and 30.07% lower, respectively, in the tubers of salt-treated plants than in those of control plants. The contents of fructose, glucose, and sucrose in the leaves did not differ significantly between salt-treated and control plants. At 220 DAP, the contents of fructose, glucose, and sucrose had hardly changed in the tuber, but the glucose content in the stem was 139.22% lower in the salt-treated plants than in the control plants, and sugars were not detected in the leaves at this stage. Generally, there was a low degree polymerization of fructans in the tubers and stems of Jerusalem artichoke. Compared with the control, the salt-treated plants at 140 DAP showed different contents of 1-kestose, nystose, and 1F-fructofuranosylnystose in the tuber and stem. The sugar content in leaves was very low in salt-treated plants at this stage, similar to that in the control. At 220 DAP, 1-kestose, nystose, and 1F-fructofuranosylnystose were barely detectable in the stems of salt-treated plants, while the contents of 1-kestose and 1F-fructofuranosylnystose in the tubers had not changed significantly. The results implied that sugars in the stem and leaves were gradually transferred to the tuber as it developed. Salt stress induced an osmotic adjustment followed by sugar accumulation in the tuber. Salt stress affected the accumulation and distribution profiles of sugars in Jerusalem artichoke, and greatly reduced fructan accumulation in aboveground tissues, especially the stem.

Jerusalem artichoke (Helianthustuberosus); salt stress; fructan; HPLC-ELSD

10.11686/cyxb2016227

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-05-27；改回日期：2016-07-06

江蘇省科技項(xiàng)目-社會(huì)發(fā)展類(BE2015681)和國(guó)家自然科學(xué)基金(31201842)資助。

詹文悅(1994-)，女，安徽池州人，在讀碩士。E-mail: 2015803171@njau.edu.cn*通信作者Corresponding author. E-mail: liangmx@njau.edu.cn

詹文悅, 李輝, 康健, 尹曉明, 梁明祥. 鹽脅迫對(duì)菊芋糖組分含量和分配的影響. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(5): 127-134.

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