草地早熟禾根莖發(fā)育不同階段及不同部位糖代謝差異

楊 偉,劉敏潔*,劉文輝,李軍喬,魏小星,馬暉玲

(1.青海民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院,青海 西寧 810007; 2.青海省特色經(jīng)濟(jì)植物高值化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810007;3.青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院/青海省青藏高原優(yōu)良牧草種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810016;4.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

根莖是一種地下變態(tài)莖,不僅可以儲(chǔ)存養(yǎng)分,還可以不斷形成新的根莖占據(jù)地下空間。根莖中的一部分在條件適宜的情況可形成新的植株,從而達(dá)到繁殖目的[1-2]。這種繁殖方式使根莖類植物具有很強(qiáng)的種群繁衍能力,通常這類植物都具有較強(qiáng)的適應(yīng)性[3]。

碳水化合物是植物的主要有機(jī)成分之一,包括結(jié)構(gòu)性碳水化合物和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物。其中,葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉等是參與植物生命活動(dòng)的主要非結(jié)構(gòu)性碳水化合物[4],它們還可以促進(jìn)部分結(jié)構(gòu)碳水化合物的合成,例如木質(zhì)素和纖維素等[5-6]。光合作用產(chǎn)生的蔗糖通過韌皮部運(yùn)輸?shù)礁o后,一部分在轉(zhuǎn)化酶的作用下裂解為葡萄糖和果糖,從而為根莖的擴(kuò)展提供能量[7-8];另一部分在蔗糖合酶的作用下產(chǎn)生果糖和腺苷二磷酸葡萄糖(ADP-Glucose,ADPG),然后在腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase,AGPase)和淀粉合酶的催化下合成淀粉,最后將淀粉儲(chǔ)存在根莖中作為儲(chǔ)備養(yǎng)分[9-11]。當(dāng)根莖快速繁殖時(shí),淀粉又會(huì)被降解為蔗糖,為植物生長提供能量[12]。近年來,關(guān)于根莖發(fā)育的相關(guān)研究愈來愈多,水稻(Oryzasativa)根莖蔗糖和淀粉主要分布在靠近植株的根莖基部,而葡萄糖和果糖在根莖尖端含量更高[13]。此外,蔗糖可以增加水稻根莖的生長速度,但在發(fā)育后期,過高的蔗糖濃度則會(huì)抑制新植株的形成[13-14]?；ǘ拰?shí)心竹(Fargesiayunnanensis)根莖在形成新筍的過程中,其蔗糖和淀粉含量大幅減少[7],而高羊茅(Festucaarundinacea)根莖中的蔗糖含量和鳶尾(Iris tectorum)根莖中的淀粉含量同樣隨發(fā)育時(shí)間逐漸增加[12,15]。因此,根莖中糖的積累程度是影響根莖發(fā)育的主要因素,并且糖很可能以信號通路的方式參與調(diào)節(jié)根莖的發(fā)育。另有研究表明Poapratensis根莖中的SPS活性與蔗糖含量呈顯著正相關(guān),而分解酶與蔗糖含量呈顯著負(fù)相關(guān)[4]。大豆(Glycinemax)果實(shí)成果過程中,SS和SPS活性與蔗糖含量呈顯著正相關(guān),而SAI活性與蔗糖含量呈顯著負(fù)相關(guān)[16]。這些研究表明蔗糖和淀粉是根莖類植物儲(chǔ)存物質(zhì)的主要形式。目前對草地早熟禾的研究大多集中在地上部分,雖然關(guān)于其根莖糖代謝的研究也已有報(bào)道,但這些研究把初級根莖當(dāng)作一個(gè)整體進(jìn)行研究,研究初級根莖碳水化合物不同生育期之間差異,其根莖發(fā)育與碳水化合物代謝之間的關(guān)系尚不清楚[17-20]。

青海扁莖早熟禾是針對青藏高原高海拔、高寒的惡劣生長環(huán)境選育出的抗寒、耐旱、根莖繁殖快、固土保水能力強(qiáng)的為數(shù)不多的優(yōu)良牧草品種之一。它在-35℃的低溫下能安全越冬,適合在海拔高度2 000～4 100 m、年降水量400 mm左右的高寒牧區(qū)旱作種植。此外,在我們多年田間馴化過程中發(fā)現(xiàn),有1份野生草地早熟禾種質(zhì)(SN)生長比較穩(wěn)定,并且其根莖繁殖能力較弱。因此,本研究將強(qiáng)根莖型品種青海扁莖早熟禾(QH)和弱根莖型材料野生草地早熟禾的根莖發(fā)育期糖代謝差異進(jìn)行比較,研究初級根莖發(fā)育過程中碳水化合物含量及相關(guān)酶活性動(dòng)態(tài)變化,以及初級根莖即將形成根莖子株時(shí)期碳水化合物從根莖基部到頂端的分布情況,從而更好地了解糖的儲(chǔ)存和分解與根莖發(fā)育的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 供試材料

青海扁莖早熟禾和野生草地早熟禾均由青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院提供,詳情見表1。

表1 供試材料信息表Table 1 Information sheet of the materials in experiment

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于青海省海北州西海鎮(zhèn)(101°45′E,36°49′N;海拔3 156 m)的國家牧草種質(zhì)資源苗圃(青藏高原)。試驗(yàn)站氣候類型為高原大陸性氣候,2019年年平均氣溫0.5℃,無絕對無霜期,降雨量集中在7-9月,并且年平均降水量僅為369 mm,年蒸發(fā)量1 400 mm[17]。土壤為板栗土(表2),2019年雨熱同期(圖1)。

圖1 降雨量及平均溫度變化Fig.1 Monthly precipitation and mean temperature changes

表2 試驗(yàn)地土壤特征Table 2 Soil characteristics of the experimental site

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年6月10日,單株種植兩份材料,株距為1 m,試驗(yàn)地面積為1 200 m2(長30 m,寬40 m),每份材料占地面積為600 m2。定期進(jìn)行除草,并于9月份進(jìn)行間苗,每穴只保留一株幼苗。整個(gè)試驗(yàn)期間不施肥、不灌溉。

在前期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)QH和SN形成新植株時(shí),具有7～9個(gè)節(jié)間的初級根莖分別有76%和75%(圖2)。這表明QH和SN根莖向新植物的轉(zhuǎn)化發(fā)生在7～9節(jié)間的階段。因此,在2020年拔節(jié)期采樣時(shí)分為兩種方式:

圖2 彎曲生長階段根莖具有的節(jié)間數(shù)Fig.2 Number of internodes of rhizomes during bending stage注:不同小寫字母表示同一材料不同根莖節(jié)間數(shù)之間差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate a significant difference among different number of rhizomes internodes of the same test material (P<0.05)

(1)收集不同發(fā)育時(shí)期的初級根莖:T1,根莖芽形成初期;T2,具有1個(gè)根莖節(jié)間的初級根狀莖;T3,具有3個(gè)根莖節(jié)間的初級根狀莖;T4,具有5個(gè)根莖節(jié)間的初級根狀莖;T5,根莖向上彎曲即將形成根莖子株階段。具體采樣方式見圖3。

圖3 采樣示意圖Fig.3 Sampling diagram of the development of primary rhizome

(2)為進(jìn)一步明確根莖發(fā)育過程中碳水化合物的變化,收集T5階段的初級根莖,分為以下四個(gè)部分:P1,從基部開始第1節(jié)間;P2,從基礎(chǔ)開始第3節(jié)間;P3,從基礎(chǔ)開始第5節(jié)間;P4,根莖向上彎曲的部分。具體采樣方式見圖4。

圖4 采樣示意圖Fig.4 Diagram for the sampling sections of primary rhizome

1.4 測定指標(biāo)

1.4.1非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量 蔗糖、果糖、葡萄糖和淀粉含量測定方法參考?？e等[6,21-22]的方法。

1.4.2蔗糖代謝酶活性 蔗糖磷酸合酶(Sucrose Phosphate Synthase,SPS)、蔗糖合酶-合成方向(Sucrose Synthase at Synthesis Direction,SS)、可溶性酸性轉(zhuǎn)化酶(Soluble Acid Invertase,SAI)和中性轉(zhuǎn)化酶(Neutral Invertase,NI)活性測定方法參考?？e等的方法[6,23]。

1.4.3淀粉代謝酶活性 腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-Glucose Pyrophosphorylase,AGPase)、可溶性淀粉合酶(Soluble Starch Synthase,SSS)、淀粉磷酸化酶(Starch Phosphorylase,SP)和顆粒結(jié)合淀粉合酶(Granule-Bound Starch Synthase,GBSS)活性測定參考Wang等[7]的方法。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2019對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,采用SPSS 21.0對于同一材料不同發(fā)育時(shí)期初級根莖的碳水化合物變化和同一材料根莖彎曲階段不同根莖節(jié)間碳水化合物變化進(jìn)行單因素方差分析,采用Duncan法在0.05水平上進(jìn)行多重比較;對于同一發(fā)育時(shí)期不同材料間碳水化合物變化和同一根莖節(jié)間不同材料間碳水化合物變化進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),最后用Origin 2021繪圖。

2 結(jié)果分析

2.1 初級根莖不同發(fā)育時(shí)期/部位碳水化合物含量變化

不同發(fā)育時(shí)期初級根莖的碳水化合物含量差異顯著(圖5,P<0.05)。其中,兩份材料初級根莖蔗糖和淀粉含量隨著生長階段的變化持續(xù)升高(T1-T5)(P<0.05)。T1階段,QH和SN初級根莖蔗糖含量為5.36 mg·g-1和4.93 mg·g-1,兩者間差異不顯著,但從T2階段開始,QH蔗糖含量顯著高于SN(P<0.05)。T5階段,QH初級根莖蔗糖含量達(dá)11.67 mg·g-1,較T1階段增加了117.78%;SN初級根莖蔗糖含量為9.68 mg·g-1,較T1階段增加了96.55%;并且此時(shí)QH蔗糖含量比SN高出20.48%(P<0.01)。此外,T1階段,QH和SN初級根莖淀粉含量分別僅為5.56 mg·g-1和4.34 mg·g-1,T5階段分別增加到8.75 mg·g-1和7.70 mg·g-1,分別較T1增加了57.37%和77.50%,并且整個(gè)發(fā)育階段QH淀粉含量顯著高于SN(P<0.05)(圖5A,B)。

圖5 初級根莖不同發(fā)育時(shí)期碳水化合物含量變化Fig.5 Changes of the carbohydrate content of primary rhizome at different development stages注:不同小寫字母表示同一材料不同發(fā)育階段間差異顯著(P<0.05),*,**和***分別代表同一處理下不同材料間在P<0.05、P<0.01和P<0.001水平上差異顯著。下同Note:Different lowercase letters indicate a significant difference among different developmental stages of the primary rhizome of the same tested species (P<0.05). *,** and *** represent significant differences between different tested species under the same developmental stage at the P<0.05,P<0.01,and P<0.001 levels,respectively. The same as below

QH果糖含量在T1-T3階段逐漸降低,在T4期突然增加(P<0.05),之后在T5階段又呈現(xiàn)斷崖式下降(P<0.05)(圖5 C),而SN果糖含量呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢(圖5 D)。并且整個(gè)生長階段內(nèi),QH果糖含量顯著高于SN(P<0.05),其中T4階段QH果糖含量達(dá)10.83 mg·g-1,較SN高出61.27%。QH和SN根莖葡萄糖含量在T1階段分別為6.89 mg·g-1和6.06 mg·g-1,T5階段與T1相比分別降低了40.76%和31.85%,并且T1-T3階段QH葡萄糖含量顯著高于SN(P<0.05)。

由圖6可知,初級根莖向上彎曲階段不同部位間碳水化合物含量差異顯著(P<0.05)。其中,初級根莖向上彎曲階段不同部位間蔗糖和淀粉含量具體表現(xiàn)為初級根莖基部節(jié)間(P1)含量最高,越靠近初級根莖彎曲部位越低(P4)(圖6 A,B)。P1節(jié)間,QH和SN蔗糖含量分別為14.92 mg·g-1和11.34 mg·g-1,P4分別較P1降低了72.64%和69.06%;淀粉含量分別為11.32 mg·g-1和10.30 mg·g-1,P4分別較P1降低了85.95%和85.92%。同時(shí),在P1-P3節(jié)間,QH蔗糖含量均顯著高于SN(P<0.05),而淀粉含量QH僅在P1節(jié)間顯著高于SN(P<0.05)。

圖6 初級根莖向上彎曲階段不同部位碳水化合物含量變化Fig.6 Changes of carbohydrate content of different sections of primary rhizome during its bending stage

初級根莖向上彎曲階段不同部位間果糖和葡萄糖含量表現(xiàn)為初級根莖基部節(jié)間(P1)含量最低,越靠近初級根莖彎曲部位越高(P4)(圖6 C,D)。P4節(jié)間,QH和SN的果糖含量高達(dá)12.50 mg·g-1和10.75 mg·g-1,分別較P1增加了217.08%和195.33%;葡萄糖含量達(dá)到8.27 mg·g-1和7.80 mg·g-1,分別較P1增加了207.81%和246.31%。同時(shí),QH和SN各個(gè)部位節(jié)間果糖和葡萄糖含量無顯著差異。

2.2 根莖不同發(fā)育時(shí)期/部位蔗糖代謝酶活性變化

由圖7可知,不同發(fā)育時(shí)期初級根莖的蔗糖代謝酶活性差異顯著(P<0.05)。其中,T1-T5時(shí)期,QH初級根莖SPS活性先升高后降低,在T3時(shí)期達(dá)到最大值1 248.22 μg·min-1·g-1(圖7 A)。而SN初級根莖SPS活性僅在T2時(shí)期較T1降低了15.12%,其他時(shí)期間無顯著差異。同時(shí),在T1-T4時(shí)期,QH初級根莖SPS活性顯著高于SN(P<0.05),尤其在T3時(shí)期,較SN高出61.40%。

圖7 初級根莖不同發(fā)育時(shí)期蔗糖代謝相關(guān)酶活性變化Fig.7 Changes of sucrose metabolizing-related enzyme activities in primary rhizome at different development stages

SS活性在T1-T5時(shí)期呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(圖7B),T5時(shí)期QH和SN根莖SS活性分別為138.04 μg·min-1·g-1和124.40 μg·min-1·g-1,較T1時(shí)期升高了38.39%和34.93%,并且各個(gè)時(shí)期兩份材料間SS活性無顯著差異(P<0.05)。隨著初級根莖整體發(fā)育,蔗糖合成相關(guān)酶活性均有所升高,并且,在此過程中以SPS活性占主導(dǎo)地位(QH和SN初級根莖各發(fā)育時(shí)期SPS活性均值為860.84 μg·min-1·g-1,而SS活性均值僅為115.29 μg·min·g-1)。

T1-T5時(shí)期,QH和SN初級根莖SAI和NI活性呈現(xiàn)降低趨勢(P<0.05)(圖7 C,D),并且均在T4時(shí)期活性下降幅度較大。T5時(shí)期QH和SN根莖SAI活性分別為464.55和367.99 μg·min-1·g-1,與T1相比降低了23.07%和35.17%;而NI活性為41.79和25.34 μg·min-1·g-1,與T1時(shí)期相比,分別下降了62.81%和75.91%。此外,T2時(shí)期QH初級根莖SAI活性顯著低于SN(P<0.05),T4和T5時(shí)期,QH根莖SAI活性和NI活性顯著高于SN(P<0.05)?？傮w來看,初級根莖發(fā)育后期,QH蔗糖分解酶活性高于SN(P<0.05),并且蔗糖分解相關(guān)酶活性在初級根莖發(fā)育后期均有不同程度的降低。

由圖8可知,初級根莖向上彎曲階段不同部位間蔗糖代謝酶活性同樣差異顯著(P<0.05)。其中,初級根莖向上彎曲階段不同部位間SPS活性和SS活性變化和蔗糖含量十分相似(圖8 A,B),具體表現(xiàn)為初級根莖基部節(jié)間(P1)活性最高,越靠近初級根莖彎曲部位越低(P4)。P1節(jié)間,QH和SN初級根莖SPS活性分別為714.52和621.63 μg·min-1·g-1,P4節(jié)間分別較P1降低了72.79%和72.00%;QH和SN初級根莖SS活性分別為90.98和100.93 μg·min-1·g-1,P4節(jié)間分別較P1降低了64.51%和64.49%。同時(shí),在P1和P2節(jié)間,QH初級根莖SPS活性均顯著高于SN(P<0.05),但SS活性無顯著差異。

圖8 初級根莖向上彎曲階段蔗糖代謝相關(guān)酶活性變化Fig.8 Changes of sucrose metabolizing-related enzyme activities in different sections of primary rhizome during its bending stage

QH和SN初級根莖彎曲階段不同部位SAI和NI活性分布與SPS和SS活性完全相反,P1節(jié)間活性最低,P4節(jié)間活性最高(圖8C,D)。P4節(jié)間QH和SN初級根莖SAI活性分別為549.03和636.88 μg·min-1·g-1,較P1增加了42.90%和76.34%;NI活性分別為107.71和116.33 μg·min-1·g-1,較P1增加了87.72%和87.66%。此外,初級根莖彎曲階段各部位間,QH和SN根莖SAI和NI活性基本無顯著差異。

2.3 根莖不同發(fā)育時(shí)期/部位淀粉代謝酶活性變化

由圖9可知,不同發(fā)育時(shí)期初級根莖的淀粉代謝酶活性差異顯著(P<0.05)。其中,T1-T5時(shí)期,QH初級根莖AGPase活性先升高后降低,在T3時(shí)期達(dá)到最大值188.63 μg·min-1·g-1(圖9 A),較T1時(shí)期升高了27.05%。SN初級根莖AGPase活性則表現(xiàn)為持續(xù)升高的趨勢,T5時(shí)期其活性為167.57 μg·min-1·g-1,較T1時(shí)期升高了28.56%。同時(shí),在T2和T3時(shí)期,QH初級根莖AGPase活性顯著高于SN(P<0.05)。

圖9 初級根莖不同發(fā)育時(shí)期淀粉代謝相關(guān)酶活性變化Fig.9 Changes of starch metabolizing-related enzyme activities in primary rhizome at different development stages

SSS活性在T1-T5時(shí)期呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(圖9 B)。其中QH初級根莖SSS活性在T3時(shí)期開始顯著增加,T5時(shí)期SSS活性為62.54 μg·min-1·g-1,較T1時(shí)期升高了78.05%。而SN初級根莖SSS活性在整個(gè)發(fā)育過程中變化幅度較小,T5時(shí)期較T1時(shí)期僅增加了25.76%。同時(shí)T3-T5時(shí)期,QH初級根莖SSS活性顯著高于SN(P<0.001),尤其T4時(shí)期,QH初級根莖SSS活性比SN高75.58%。

T1-T5期間,QH和SN初級根莖GBSS活性無顯著變化,并且其活性水平相對較低(圖9 C),但T4和T5時(shí)期,QH初級根莖GBSS活性顯著低于SN(P<0.05)。此外,QH和SN初級根莖SP活性呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(圖9 C),在T5時(shí)期SP活性分別為63.09和57.40 μg·min-1·g-1,較T1時(shí)期分別降低了37.50%和34.74%。總體來看,T1-T5階段,淀粉代謝相關(guān)酶活性變化趨勢和蔗糖代謝相關(guān)酶活性相似,合成酶活性均有所升高,分解酶活性均有不同程度的降低。

由圖10可知,初級根莖向上彎曲階段不同部位間淀粉代謝酶活性同樣差異顯著(P<0.05)。其中,AGPase、SSS和GBSS活性,均表現(xiàn)為P1節(jié)間活性高,P4節(jié)間活性低(圖10 A,B,C)。P1節(jié)間,QH初級根莖AGPase、SSS和GBSS的活性分別為125.57,27.22和4.67 μg·min-1·g-1,P4節(jié)間較P1階段分別降低了52.09%、78.78%和74.18%;SN初級根莖AGPase、SSS和GBSS活性分別為為114.69,24.50和5.61 μg·min-1·g-1,P4節(jié)間分別較P1階段降低了61.45%,75.54%和74.13%。此外,初級根莖彎曲階段各個(gè)部位QH和SN根莖AGPase、SSS和GBSS活性無顯著差異。

圖10 初級根莖向上彎曲階段淀粉代謝相關(guān)酶活性變化Fig.10 Changes of starch metabolizing-related enzyme activities in different sections of primary rhizome during its bending

QH和SN初級根莖彎曲階段不同部位SP活性分布與合成酶活性變化相反,P1節(jié)間活性最低,P4節(jié)間活性最高(圖10 D)。P4節(jié)間QH和SN初級根莖SP活性分別為82.81和71.88 μg·min-1·g-1,較P1增加了54.64%和52.51%。同時(shí),初級根莖彎曲階段各部位間,QH和SN初級根莖SP活性無顯著差異。

3 討論

3.1 初級根莖不同發(fā)育時(shí)期/部位碳水化合物含量變化

根莖尚未突破土壤形成新的植物前,主要借助于母株提供的營養(yǎng)物質(zhì),或者說存貯于根莖中的營養(yǎng)物質(zhì)[22],蔗糖在此過程中扮演重要角色[17,24]。當(dāng)?shù)厣喜糠诌\(yùn)輸?shù)礁o的蔗糖超過當(dāng)時(shí)發(fā)育要求時(shí),蔗糖就會(huì)在一系列酶的作用下形成淀粉,作為貯備物質(zhì);而當(dāng)?shù)厣喜糠诌\(yùn)輸?shù)恼崽菨M足不了生長需求時(shí),存貯的淀粉將重新被分解蔗糖,從而為植物發(fā)育提供能量[7]。有研究發(fā)現(xiàn)隨著發(fā)育時(shí)間增加,鳶尾(Iristectorum)根莖中的淀粉含量同樣和其生長時(shí)間成正比[12]。這些研究表明蔗糖和淀粉是根莖類植物儲(chǔ)存物質(zhì)的主要形式。本研究發(fā)現(xiàn),初級根莖中蔗糖和淀粉的含量在發(fā)育過程中顯著增加(P<0.05),尤其是蔗糖含量的積累更快,其積累量高于淀粉。這個(gè)研究結(jié)果既印證了其他學(xué)者的研究,又表明草地早熟禾初級根莖發(fā)育過程中營養(yǎng)儲(chǔ)存方式兼顧蔗糖和淀粉兩種形式,并且以蔗糖為主。此外,在初級根莖彎曲階段,初級根莖基部節(jié)間蔗糖和淀粉含量顯著高于彎曲部位(P<0.05),而葡萄糖和果糖含量顯著低于彎曲部位(P<0.05)。初級根莖彎曲階段碳水化合物的變化趨勢和已有研究相似[13],水稻根莖基部蔗糖和淀粉含量同樣顯著高于根莖尖端(P<0.05)。同時(shí),本研究發(fā)現(xiàn),強(qiáng)根莖材料QH初級根莖蔗糖和淀粉含量顯著高于弱根莖材料SN,這可能是兩者初級根莖擴(kuò)展或發(fā)育能力存在差異的因素之一?？梢?在初級根莖的發(fā)育過程中,物質(zhì)積累與自身生長之間存在一定的取舍。根莖發(fā)育一定階段后,碳水化合物以蔗糖和淀粉的形式暫時(shí)儲(chǔ)存在初級根莖基部,而初級根莖頂端的大部分蔗糖和淀粉分解成單糖,為初級根莖的擴(kuò)張?zhí)峁┠芰俊＿@也證實(shí)了之前的研究,幾乎所有的蔗糖和淀粉,在旺盛的生長部位,都被分解成葡萄糖和果糖,以支持植物的快速生長[7,24]。

3.2 初級根莖不同發(fā)育時(shí)期/部位蔗糖代謝酶活性變化

SPS、SS和INV是蔗糖代謝通路中的幾個(gè)主要酶[25],SPS活性的大小決定了蔗糖合成的快慢,在蔗糖代謝中發(fā)揮了巨大的作用[26]。SS既可以促進(jìn)蔗糖的合成,又可以促進(jìn)蔗糖的分解[27]。INV包括SAI和NI,它們促進(jìn)蔗糖分解為葡萄糖和果糖,從而促進(jìn)植物生長發(fā)育,但通常SAI的活性遠(yuǎn)高于NI[28]。研究發(fā)現(xiàn),Poapratensis根莖中的SPS活性與蔗糖含量呈顯著正相關(guān),而分解酶與蔗糖含量呈顯著負(fù)相關(guān)[4]。此外,大豆(Glycinemax)果實(shí)成果過程中,SS和SPS活性同樣與蔗糖含量呈顯著正相關(guān),而SAI活性與蔗糖含量呈顯著負(fù)相關(guān)[28]。在本研究中,在初級根莖的發(fā)育過程中,蔗糖含量逐漸升高,QH初級根莖SPS活性先升高后降低,SN初級根莖SPS活性先降低后升高,并且蔗糖分解酶活性整體雖然均有所降低,但其降低幅度較小。這可能是由于初級根莖雖然是一個(gè)整體,但在發(fā)育過程中從初級根莖基部到頂端處于不同的活躍狀態(tài),因此導(dǎo)致蔗糖含量變化和酶活性變化整體規(guī)律性不強(qiáng)。但是SPS、SS活性和蔗糖含量在初級根莖的基部到頂端的分布呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,而SAI和NI活性逐漸增加,這也再次表明初級根莖基部是蔗糖積累的主要部位,而初級根莖尖端的蔗糖在大量蔗糖分解酶的作用下被分解,從而促使初級根莖尖端生長發(fā)育。這與馬鈴薯、蓮藕等的塊莖植物的研究結(jié)果相似,其塊莖未膨大前和根莖的尖端一樣,大量蔗糖在分解酶的催化下被分解,從而促進(jìn)其生長發(fā)育;而當(dāng)塊莖膨大時(shí),則和根莖基部一樣,在合成酶作用下迅速積累大量的蔗糖[29]。上述結(jié)果不僅證實(shí)了之前的觀點(diǎn),也提出了一些分歧。這也說明Poapratensis初級根莖發(fā)育是一個(gè)復(fù)雜的過程,初級根莖不同部位或不同發(fā)育階段的碳水化合物代謝存在顯著差異。

劉溢健等[30]認(rèn)為INV參與細(xì)胞擴(kuò)增過程,更高的INV活性可以促進(jìn)植物快速生長。因此,通常在快速生長的組織中可以檢測到更高的SAI活性,例如芽和根尖[31]。在本研究中,初級根莖尖端彎曲部分(P4)SAI活性和NI活性均高于其他部位,這一結(jié)果也證實(shí)了植物活躍部位SAI活性更高的觀點(diǎn)。此外,無論那個(gè)發(fā)育時(shí)期或部位,NI的活性也遠(yuǎn)低于SAI活性,同樣印證了前人的觀點(diǎn),在新梢和快速伸長的節(jié)間NI活性均遠(yuǎn)低于SAI[7]。

3.3 初級根莖不同發(fā)育時(shí)期/部位淀粉代謝酶活性變化

淀粉的生物合成和降解是一個(gè)高度調(diào)控的代謝過程,需要多種酶的協(xié)同作用。其中AGPase是淀粉生物合成中的關(guān)鍵酶,其活性高低決定了淀粉合成底物是否充足[32]。GBSS和SSS是主要的淀粉合成酶,其中SSS參與支鏈淀粉的合成,而GBSS參與直鏈淀粉的合成[33]。SP可以催化淀粉的分解或合成,但由于SP分解方向的底物濃度比合成方向的底物濃度高出近兩個(gè)數(shù)量級,因此認(rèn)為淀粉磷酸化酶只催化淀粉的分解[34]。在蓮藕膨大過程中,AGPase和SSS的活性急劇增加,并且它們均與總淀粉含量呈極顯著正相關(guān)[29]。此外,馬鈴薯塊莖中的GBSS酶活性水平顯著高于葉子[34]。在本研究中,從初級根莖基部到根莖彎曲部位,AGPase、SSS、GBSS活性和淀粉含量的分布呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,而SP活性逐漸增加,這也再次表明初級根莖基部是淀粉積累的主要部位,而初級根莖尖端的淀粉在SP的作用下被分解,從而促使初級根莖尖端生長發(fā)育。此外,AGPase和SSS活性在初級根莖發(fā)育過程中同樣呈現(xiàn)先升高后降低或持續(xù)升高的趨勢,初級根莖淀粉酶活性變化的結(jié)果說明Poapratensis根莖發(fā)育是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化,淀粉酶活性變化與以往研究結(jié)果不同的原因可能是蓮藕和馬鈴薯塊莖的主要功能是儲(chǔ)存淀粉供食用,QH和SN初級根莖中儲(chǔ)存的淀粉主要是為其自身的無性繁殖做準(zhǔn)備,在初級根莖發(fā)育過程中根莖尖端或根莖芽中的蔗糖和淀粉均被分解,以促進(jìn)初級根莖擴(kuò)張或新植物的形成。

4 結(jié)論

草地早熟禾根莖整體發(fā)育是一個(gè)十分復(fù)雜的過程,既是物質(zhì)積累的過程,又是物質(zhì)消耗的過程。其中,初級根莖發(fā)育的過程也是淀粉和蔗糖積累的過程,并且在越靠近根莖基部的節(jié)間,兩者含量越高。此外,與弱根莖材料SN相比,強(qiáng)根莖材料QH蔗糖和淀粉的積累更為迅速。