葡萄果實的糖分積累研究進展

周 敏，李益鋒，劉唐興，楊國順

（1.湖南生物機電職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410127；2.湖南農(nóng)業(yè)大學園藝學院， 湖南 長沙 410128）

葡萄是目前世界上種植面積最廣、加工程度最高、產(chǎn)業(yè)鏈最長的果樹之一。葡萄果實品質(zhì)的高低很大程度上取決于果實內(nèi)含物的多少，包括糖、有機酸、維生素、芳香物質(zhì)等，其中最主要的影響因素是糖的種類和數(shù)量[1]。含糖量不僅影響葡萄果實的甜度、風味和商品性，對葡萄酒、葡萄汁等品質(zhì)也有顯著影響。葡萄屬于高糖類果樹之一，漿果含糖量可達15%～28%[2]。糖在果實發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用。（1）作為能量物質(zhì)，是葡萄生長發(fā)育的動力來源；（2）作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，能調(diào)控果實細胞膨大[3]；（3）作為信號分子，對葡萄生長與發(fā)育產(chǎn)生重要影響等[4]。該文對葡萄果實糖分的種類與分布、糖分積累的類型和機制、糖分代謝的調(diào)控進行了綜述，以期為進一步了解果實糖分代謝的機理、提高果實品質(zhì)等提供參考。

1 糖的種類和分布

葡萄果實中主要的糖類有葡萄糖、果糖和蔗糖，且以前面2 種類型為主。葡萄糖與果糖在果實膨大期迅速積累，并在果實成熟至采收期穩(wěn)定存在。蔗糖作為果實糖分運輸?shù)闹饕问?，在果實發(fā)育前期存在，隨著果實的生長，蔗糖逐步發(fā)生水解，形成葡萄糖和果糖，所以在成熟的葡萄果實中蔗糖含量極微，且主要集中在維管束組織區(qū)域[2]。葡萄糖和果糖的積累速度很快，其濃度呈直線上升，故葡萄漿果中葡萄糖與果糖的濃度比其他水果要高。

2 糖分積累的類型和機制

2.1 糖分積累的類型

按照果實糖分積累的類型，可以將果實分為糖直接積累型、淀粉轉(zhuǎn)化型和中間型3 類[5]。糖直接積累型：光合作用產(chǎn)物除在果實生長發(fā)育的早期少量以淀粉形式存在以外，其余均以可溶性糖積累在液泡當中，常見的果實有柑橘[6]、葡萄[7]、草莓[8]等，這類果實多屬非呼吸躍變型果實。淀粉轉(zhuǎn)化型：光合產(chǎn)物進入果實后除用于果實生長發(fā)育與呼吸作用外，其余的以淀粉形式貯存，采收后經(jīng)后熟作用將淀粉轉(zhuǎn)化為可溶性糖，如香蕉[9]、芒果[10]、獼猴桃[11]等。中間型：光合產(chǎn)物早期以淀粉形式貯存，然后淀粉經(jīng)水解進入糖代謝過程，且光合產(chǎn)物以糖的形式直接輸入，如蘋 果[12]、桃[13]、李子[14]等。淀粉轉(zhuǎn)化性和中間型果實多屬于呼吸躍變型果實[15]。

2.2 果實糖分積累的過程

葡萄果實的糖分主要來源于碳水化合物的同化，糖分積累的過程就是碳水化合物的運輸和積累過程。葡萄糖分積累的主要過程可以分為以下幾個階段[16]。（1）葉片中葉綠體同化CO2形成磷酸丙糖（TPT），經(jīng) TPT 轉(zhuǎn)運蛋白介導運送到葉肉細胞的細胞質(zhì)中，合成蔗糖；（2）合成的蔗糖經(jīng)短距離運輸進入韌皮部裝載區(qū)，并裝載入韌皮部；（3）蔗糖在韌皮部篩管中進行長距離運輸；（4）蔗糖從韌皮部中卸載；（5）蔗糖卸載后進入果實代謝和貯藏。研究表明，影響果實糖分積累的關鍵因子位于正在發(fā)育的果實內(nèi)部，包括糖代謝相關酶的種類與活力以及糖的跨膜運輸能力等[17]。

2.3 糖分進入果實的途徑

果實糖分以蔗糖的形式到達韌皮部篩管伴胞復合體（SE/CC）后通過2 種途徑進入庫細胞，即共質(zhì)體途徑與質(zhì)外體途徑[18]。

2.3.1 共質(zhì)體途徑 糖分經(jīng)SE/CC 與周圍薄壁細胞之間的胞間連絲進入庫細胞，進行共質(zhì)體卸載[19]。大多數(shù)庫組織中如葉、根、塊莖中均存在有共質(zhì)體途徑。葡萄果實中存在大量的胞間連絲，相互之間形成了一個緊密的共質(zhì)體網(wǎng)絡，方便糖分在韌皮部的卸載與運輸。共質(zhì)體途徑是一個被動擴散的過程，不需要消耗能量。Tucker 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，共質(zhì)體運輸?shù)膭恿χ饕莵碜杂谙到y(tǒng)內(nèi)溶質(zhì)濃度的差異，可溶性糖就是以被動擴散或集流的方式在胞間連絲中運輸?shù)?。影響共質(zhì)體運輸?shù)囊蛩赜泻芏?，其中最主要的是胞間連絲的大小和數(shù)量。葡萄果實糖分的卸載途徑隨著果實發(fā)育程度的不同而存在差異。有研究表明，在果實轉(zhuǎn)色期以前，光合產(chǎn)物是以共質(zhì)體途徑運輸為主[21]。

2.3.2 質(zhì)外體途徑 質(zhì)外體途徑指蔗糖從SE/CC 卸載到質(zhì)外體空間以后，利用果實細胞質(zhì)膜上的質(zhì)子泵（H+-ATPase）或載體進入庫細胞。蔗糖經(jīng)質(zhì)外體卸載后被酸性轉(zhuǎn)化酶分解為葡萄糖與果糖。研究表明，在成熟葡萄果實中，葡萄糖和果糖含量較高，而蔗糖含量很低[22]。此時期對葡萄果實超微結構進行觀察發(fā)現(xiàn)，胞間連絲堵塞的現(xiàn)象廣泛存在于韌皮部細胞與相鄰細胞之間以及果實庫細胞之間，甚至有時觀察不到胞間連絲的存在，說明他們之間發(fā)生了共質(zhì)體隔離，糖分運輸主要以質(zhì)外體途徑為主。Zhang 等[21]采用熒光染料示蹤的方法發(fā)現(xiàn)，葡萄轉(zhuǎn)熟期是葡萄果實糖分卸載途徑發(fā)生轉(zhuǎn)變的關鍵期，果實糖分卸載途徑在果實發(fā)育后期由共質(zhì)體途徑轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)外體途徑。

3 果實糖分代謝的調(diào)控

3.1 關鍵酶的調(diào)節(jié)

糖卸載到果實中與果實的庫強有很大的關系，而衡量庫強強弱的一個重要指標就是與蔗糖代謝相關的關鍵酶活性[23]。葡萄果實內(nèi)與蔗糖代謝相關的酶主要有3 類。

3.1.1 轉(zhuǎn)化酶（Invertase，Ivr） 轉(zhuǎn)化酶主要將蔗糖水解為葡萄糖和果糖。轉(zhuǎn)化酶主要有酸性轉(zhuǎn)化酶和中性轉(zhuǎn)化酶2 個類型。酸性轉(zhuǎn)化酶分為可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶（主要存在于液泡中）和非可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶（主要存在于細胞壁上）。前者調(diào)節(jié)果實內(nèi)糖的積累和蔗糖的利用，后者主要參與韌皮部質(zhì)外體卸載時蔗糖的分解。蔗糖的積累是以轉(zhuǎn)化酶的活性降低為前提的。因此，作為積累己糖的葡萄，其酸性轉(zhuǎn)化酶活性在整個生長發(fā)育過程中均維持在較高水平。葡萄的2 個酸性轉(zhuǎn)化酶基因（GIN1、GIN2）已經(jīng)被克隆出來，研究發(fā)現(xiàn)這2 個基因均有2 個活性區(qū)，且第2 活性區(qū)為保守區(qū)。在葡萄開花時，酸性轉(zhuǎn)化酶基因的mRNA 含量低，開花2 周后達到最大值，隨后逐漸下降，開花12 周后幾乎檢測不到；而酶活性在第8 周才達到最大，且至16 周一直維持在較高水平。酸性轉(zhuǎn)化酶mRNA 表達量的升高和酶活性的增加是蔗糖卸載的重要標志，均先于己糖在果實中的積累，因此普遍認為蔗糖的卸載啟動了液泡中糖的積累過程[7]。

3.1.2 蔗糖磷酸合酶（sucrose phosphate synthase，SPS） SPS 是一種可溶性酶，是調(diào)節(jié)蔗糖合成的關鍵酶之一，主要催化如下可逆反應：

磷酸蔗糖磷酸化酶（SPP）催化6-磷酸蔗糖降解形成蔗糖。在植物體內(nèi)，SPS 與SPP 形成一個復合體，因此SPS 催化蔗糖的生成反應是非可逆的[24]。蔗糖是同化產(chǎn)物運輸?shù)闹饕问?。在葡萄果實中，SPS 是唯一促進蔗糖積累的關鍵酶，SPS 活性越高，蔗糖積累的越多[25]。Harbron 等[26]研究表明，SPS 可能是蔗糖合成的關鍵控制點之一，其活性表征蔗糖生物合成途徑的能力。1996 年，Komatsu 等[27]在柑橘中首先克隆到了3 個編碼SPS 的基因，其cDNA 有3 個同工型CitSPS1、CitSPS2 和CitSPS3，隨后他又研究了上述基因在柑橘果肉和果皮中的表達量，發(fā)現(xiàn)CitSPS1和CitSPS2 在果肉組織中全程或不同階段表達，而CitSPS3 幾乎沒有檢測到；果皮中上述3 個同工基因均有表達，只是CitSPS3 相較于其他2 個類型表達量較少。果皮中的轉(zhuǎn)錄結果與SPS 酶活性之間存在正相關[28]。

3.1.3 蔗糖合成酶（sucrose synthase，SS） 蔗糖合成酶大部分是可溶性的，存在于細胞質(zhì)中，某些非溶性的定位在細胞膜上。SS 主要催化如下可逆反應：

SS 活性分為分解方向活性和合成方向活性。SS在桃果實發(fā)育前期主要是促進蔗糖的分解，后期以合成方向為主，并在果實成熟期維持在較高水平，所以在桃果實中SS 主要用于合成蔗糖。但是在葡萄果實內(nèi)，SS 和轉(zhuǎn)化酶一起調(diào)節(jié)蔗糖的分解[29-30]。美人指葡萄在果實生長發(fā)育全過程中蔗糖合成酶分解方向活性明顯高于合成方向[31]。SS 基因最先在馬鈴薯上被克隆出來[32]，大多數(shù)植物中至少存在2 種同工酶，具有較高的氨基酸序列同源性和生化性質(zhì)相似性。如柑橘CitSuS1 和CitSuS2 在氨基酸水平上有90%以上的同一性。SS 基因在時間和空間上具有特異性表達。在柑橘果實發(fā)育過程中，CitSuS1 的表達呈下降趨勢，而CitSuS2 的表達量上升[33]。

3.2 載體的調(diào)節(jié)

糖分通過細胞質(zhì)膜上載體蛋白的運輸進入到果實細胞，載體蛋白的運輸同時存在主動輸運和被動運輸2 個過程[34]。糖的主動運輸分為初級主動運輸和次級主動運輸2 種形式。初級主動運輸伴隨有ATP 的分解，而次級主動運輸需要ATP 分子分別朝順向、逆向能量梯度運輸。被動運輸包括簡單擴散和協(xié)助擴散2 種形式，前者直接跨過磷脂雙分子層；后者需要結合到膜上蛋白，由其負責運輸。被動運輸?shù)姆较蚴堑孜餄舛容^高的區(qū)域運向底物濃度較低的區(qū)域。糖分進入液泡的過程同時伴隨有主動運輸與被動運輸。液泡膜上ATPase 和PPiase 產(chǎn)生的H+的跨液泡膜梯度為主動運輸提高能量，運輸載體的存在則使得被動運輸能夠順利進行[22]。葡萄的蔗糖載體基因已經(jīng)被克隆出來[35]。 在已知的3 個載體基因中，VvSUC11，VvSUC12 隨己糖的積累而上調(diào)，而VvSUC27 則下調(diào)。Hohmann 等[36]將上調(diào)的基因在酵母中進行功能驗證，發(fā)現(xiàn)VvSUC11、 VvSUC12 可能與蔗糖從質(zhì)外體空間運載入貯藏薄壁細胞中進行代謝和積累有關。Fillion 等[37]克隆了己糖運輸?shù)鞍谆騐vht1，發(fā)現(xiàn)其在葡萄成熟期表達量較高。隨著分子生物學技術的快速發(fā)展，利用分子克隆、異源表達等手段可以從其他高等植物體內(nèi)分離并純化出己糖運輸載體。

3.3 內(nèi)源激素的調(diào)節(jié)

糖分積累與代謝的各個環(huán)節(jié)都有激素的參加與調(diào)控。GA3在葡萄幼果期可促進蔗糖的吸收和果實糖成分的轉(zhuǎn)變，增加果糖含量。在葡萄成熟時，有籽果實的葡萄糖、果糖、蔗糖3 種糖的比例為36 ∶42 ∶22，而經(jīng)GA3處理后的無籽葡萄3 種糖的比例為42 ∶49 ∶9，葡萄糖和果糖比重大大提升[38]。但GA3并沒有改變果實糖分代謝的類型[39]。在果實轉(zhuǎn)色以后，GA3對蔗糖的吸收作用越來越小，至果實成熟時基本無作用[40]。IAA 同GA3一樣，促進葡萄在幼果期對蔗糖的吸收，隨著果實的發(fā)育其作用逐漸降低。夏國海等[22]研究表明在果實發(fā)育前期IAA 能加速蔗糖水解的速率。ABA 是影響果實糖含量的一個重要因素，從葡萄緩慢生長期到成熟期，ABA 能顯著促進蔗糖進入果實細胞，是成熟期唯一調(diào)控糖分輸入的激素。經(jīng)ABA 處理的果實，糖分積累的速率明顯要高于對照，故ABA 可以強化庫活力，促進光合產(chǎn)物在庫組織中積累。蕓苔素內(nèi)酯在果實轉(zhuǎn)色期能明顯增加糖的積累速率，使得蔗糖合成酶活性上升[41]。外施乙烯能促進香蕉果實中淀粉向糖的轉(zhuǎn)化。王永章等[42]研究表明，乙烯對果實中蔗糖含量的調(diào)控可能主要是通過對蔗糖合成類酶的影響來實現(xiàn)的。

3.4 滲透調(diào)節(jié)

果實通過滲透調(diào)節(jié)來使發(fā)育過程中的膨壓保持不變。滲透調(diào)節(jié)的作用主要是由可溶性的小分子物質(zhì)來完成的，其調(diào)控作用與分子數(shù)存在很大的關系。在葡萄果實的整個發(fā)育周期，膨壓基本保持恒定，而細胞溶質(zhì)勢和水勢則處于下降趨勢。楊洪強等[43]研究得出細胞溶質(zhì)勢大小與可溶性固形物含量多少有關。當可溶性糖在果實中積累時，可以降低水勢，有利于水分子和溶質(zhì)進入果實，維持基本的滲透壓平衡；另一方面，過量的糖分積累會抑制光合產(chǎn)物向庫中的運輸，起到反饋調(diào)節(jié)的作用。因此，庫中可溶性糖含量應該保持在一定的水平。降低膨壓還可以刺激薄壁細胞上H+-ATPase 活性，提高糖的運輸[34]。

3.5 環(huán)境因子的調(diào)節(jié)

溫度高的地區(qū)，植物光合速率快，積累的同化物多，特別是晝夜溫差較大，更有利于光合產(chǎn)物在果實中的積累。溫度通過影響光合作用的效率來調(diào)節(jié)果實碳水化合物的積累。在我國新疆地區(qū)，葡萄果實糖含量可達到30%以上[44]。水是影響葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因素之一。在巨峰葡萄果實第2 次快速生長期，水分脅迫會降低果汁中的糖分含量。在基本滿足葡萄生長需要的基礎上，適當?shù)乃置{迫可以提高葡萄果實的可溶性固形物含量，促進著色，但會影響果實中糖類化合物的重新分配，而過度的缺水，對果實品質(zhì)有明顯的降低作用[45]。光是光合作用的能量來源，在一定的范圍內(nèi)，光強越大，光合效率越高，糖分積累就越多。小林章[46]研究發(fā)現(xiàn)，當光照強度降低時，果實粒重、穗重、固酸比也隨之降低。在葡萄果實發(fā)育的后期，增加光照強度、延長光照時數(shù)，果實含糖量隨之增加。張磊等[47]的研究顯示，最適合赤霞珠葡萄果實中糖分積累的平均氣溫為24.0℃、日照時間為6.4 h、溫濕比約為0.35。周亞林等[48]在研究不同海拔和栽培模式對巨峰葡萄果實糖含量的影響時發(fā)現(xiàn)，在高海拔和鋼架避雨栽培模式下，果實中可溶性糖含量和相關糖代謝酶活性均有升高。土壤中養(yǎng)分含量的多少對果實糖分代謝和積累有密切的關系。鉀是品質(zhì)元素，對葡萄果實糖分積累有重要影響[38,49]。適當?shù)拟浄使?，促進了光合產(chǎn)物的合成及其向果實中的運輸，提高了蔗糖代謝相關酶（主要是分解類酶）的活性，增加了果實中葡萄糖和果糖的含量[50]。氮肥配施鉀肥可以提高果實中可溶性糖的含量及糖酸比，但過量使用氮肥會降低葡萄果實花青素的含量，增加總酸度[51]。缺硼會在篩管中形成胼胝質(zhì)，導致篩管堵塞，使碳水化合物的運輸受阻，進而降低果實中的糖分含量[52]。

3.6 栽培措施調(diào)節(jié)

栽培措施對果實的糖分代謝和積累也有重要的影響。根域限制栽培可以有效控制葡萄枝梢的生長，減少養(yǎng)分的無用消耗，促使更多養(yǎng)分用于果實內(nèi)含物的積累，提高葡萄糖和果糖含量[53-54]；疏花、疏果措施通過調(diào)節(jié)營養(yǎng)生長與生殖生長之間的平衡，提高了坐果率和酸性轉(zhuǎn)化酶活性，促進糖分積累[55]。周敏等[56]研究發(fā)現(xiàn)，在湖南避雨栽培條件下，紅地球單株留穗量超過14 穗時，果實著色不良，含糖量降低。趙文東等[57]研究發(fā)現(xiàn)，晚紅葡萄每個果穗留40 粒果實品質(zhì)最佳。環(huán)剝能顯著增加紅地球[58]和藤稔[59]葡萄可溶性糖含量和糖酸比，增產(chǎn)增效明顯；周興本等[60]研究表明，在紅地球果實發(fā)育前期，套袋處理明顯提高了果實中蔗糖的相對含量及酸性轉(zhuǎn)化酶活性。葉面噴施硒肥可以提高葡萄果實糖的濃度，增加酸性轉(zhuǎn)化酶活性[61]。

4 展 望

果實糖分積累過程是影響葡萄品質(zhì)形成的關鍵環(huán)節(jié)，果實含糖量的高低是內(nèi)外因子相互作用的結果。探討葡萄果實中糖分積累機制以及調(diào)控果實糖分代謝的措施，對于日后采用栽培手段、育種以及轉(zhuǎn)基因等方法提高果實品質(zhì)具有十分重要的意義。