可溶性糖与葡萄抗寒性的关系研究进展*

吕春晶，孙凌俊，魏 潇，高圣华

（辽宁省果树科学研究所，辽宁熊岳 115009）

可溶性糖与葡萄抗寒性的关系研究进展*

吕春晶，孙凌俊，魏 潇，高圣华

（辽宁省果树科学研究所，辽宁熊岳 115009）

综述了葡萄抗寒生理机制，低温胁迫下可溶性糖的积累和相互转化，可溶性糖提高抗寒性的作用机理，糖代谢相关酶在葡萄抗寒生理中的作用研究进展，为葡萄抗寒性研究提供参考。

葡萄；可溶性糖；抗寒性

葡萄（Vitis viniferaL.）是葡萄科葡萄属的多年生藤本落叶果树，在我国具有悠久的栽培历史，深受我国人民的喜爱。人们的生活水平在日益提高、市场需求量逐渐增长和农村产业机构的改变，促进了葡萄生产的飞速发展，使得栽培面积越居世界第一，产量居世界第二［1］，特别是鲜食葡萄生产更是名列前茅。我国葡萄生产主要集中在干旱少雨、光照充足、昼夜温差大的北方地区，该地区葡萄产量高、品质佳、病虫害少。葡萄是喜温性植物，耐寒性较差，温度和光照影响葡萄物候期的长短、果实外观和品质。低温胁迫能够造成葡萄植株的细胞内结冰，引起细胞收缩和膜物质受损，严重时会造成细胞质膜的机械破，影响植株生长发育。因此，探索提高葡萄抗寒能力的方法，减轻低温胁迫对葡萄的伤害尤为重要。

近年来，关于葡萄抗寒机理和抗寒途径等领域已经开展很多工作，并取得了长足的进展，尤其是葡萄生理生化与抗寒性的关系研究，这为阐明葡萄抗寒生理机制提供了理论依据。在低温环境下，葡萄的生理代谢会发生一些相应的变化去适应不良环境。这些变化主要体现在植株含水量下降、呼吸作用逐渐减弱、进入休眠、酶活性的改变、激素变化和保护性物质的增多［2］。可溶性糖的物理、化学性质决定了它的渗透调节能力高。在遭遇低温胁迫期间，可溶性糖积累增多。调节可溶性糖代谢的关键酶也相应发生变化，包括蔗糖合成酶（sucrose synthase，SS）、蔗糖磷酸合成酶（sucrose phosphate synthase，SPS）、淀粉酶（amylase，Amy）与转化酶（invertase）。这些关键酶在植物体内的分布和活性已经研究的较为清楚。本文对葡萄抗寒生理生化机制、可溶性糖和相关酶对葡萄抗寒性的影响等方面的研究进行综述，以期为今后葡萄抗寒机理的深入研究、抗寒种质的筛选、抗寒途径的探索提供参考。

1 葡萄抗寒的生理机制概述

抗寒性是指植物对低温环境长期适应中通过改变自身的遗传物质和自然选择获得的一种忍耐力。在寒冷地区包括越冬时期持续低温对葡萄根系的冻害和初春时期气温骤变对已经萌动的葡萄幼芽的霜害。低温不但影响植物的生长发育，而且影响地域分布以及作物产量［1］。葡萄对低温胁迫的适应性主要体现在两个方面，一是细胞膜的稳定性有所提高，二是减少细胞内结冰和脱水能力的增强。木质部和韧皮部的细胞具有硬而厚的细胞壁，能够作为保护机理避免因冰冻引起细胞脱水导致细胞膜破裂和原生质变形，因此，可以将韧皮部与木质部在植物组织结构中所占的比例作为衡量葡萄植株是否抗寒的一个指标［3～4］。细胞膜的基本成分是蛋白质，在抵御低温胁迫过程中，可溶性蛋白中的糖蛋白能够抑制细胞内结冰，具有冰冻保护剂和提高细胞持水性的作用［5］。葡萄根系肉质比例高，髓射线比较发达，能够积累所需的有机营养物质，在冬季到来之前韧皮部、木质部和髓射线中就已经开始贮藏大量的有机化合物、脂类和单宁等物质［6］。

多年以来，研究者从组织细胞学、解剖学、生理学等不同方面对葡萄抗寒生理机制进行了深入研究，取得了很大进展。王丽雪等研究发现葡萄抗寒性强的品种比抗寒性弱的品种枝条木栓层厚，木栓化程度高［6］。叶片组织结构与葡萄抗寒性没有明显的相关性［7］。郭修武等发现葡萄抗寒性强的品种与抗寒性弱的品种在皮层和射线细胞大小、组织紧密度、皮层在根系结构中占的比例以及导管大小和密度上存在差异［8］。抗寒性强的品种组织紧密、导管小且密度低、皮层所占比率低。杨建民等通过对仁用杏的一年生和二年生枝条进行了解剖结构的观察和测定［9］，同时用电导法对枝条的抗寒性进行了测定，结果表明枝条木质部所占的比率越大其抗寒性越强且呈正相关关系，相关系数为0.954，与郭修武研究葡萄的试验结果相一致［8］。Guy等研究认为低温条件下可溶性糖含量的提高是植物适应不良环境的重要变化之一，而且与低温胁迫相关［10～11］。张基德等研究认为枝条和根系木质部中可溶性糖的含量与抗寒性呈正相关［12］。综上所述，葡萄的抗寒性与枝条木质部比率和木质部中可溶性糖含量呈正相关。

2 可溶性糖对提高葡萄抗寒性的作用机理

植物通过光合作用，并在相关酶的参与下生成蔗糖和淀粉。淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的，是植物体内碳水化合物的主要贮存形式［13］，还是葡萄越冬时期枝条内蔗糖的主要来源。蔗糖是由一分子果糖和一分子葡萄糖合成的，其具有较高的化学稳定性，是有机物运输和暂时贮藏的主要形式［14］。可溶性糖的增加可以促进脯氨酸的积累，而脯氨酸是植物体内溶解度高的渗透调节物质，能够调节细胞膜的稳定性。研究发现植物体内的脯氨酸含量随着低温胁迫时间的延长而增加［4］。说明植物的抗寒性与脯氨酸含量有关。可溶性糖包括蔗糖、淀粉、葡萄糖和果糖等，这些糖不但可以提高细胞的渗透浓度，降低水势，增加植株的持水能力，减少细胞质的过度脱水，使细胞质在低温条件下胶化程度降低，同时还可以作为冰的保护剂对原生质体和线粒体起保护作用，因而提高植物的抗寒性［15～16］。蔗糖作为植物在光合作用过程中的主要产物，在遇到低温环境时起到了重要作用，张明科等使用蔗糖溶液浸泡黄瓜的种子从而得到抗寒性强的黄瓜幼苗，这一试验表明了蔗糖有效的提高了植物抗寒性［17］。还有研究发抗寒性遗传受植物细胞质基因的影响，细胞质中的蔗糖和葡萄糖在调控低温诱导基因表达中发挥了关键作用［18］。同时可溶性糖为脂肪和淀粉等物质的合成提供代谢底物，这些物质的累积对葡萄安全越冬是十分重要的。

生长季葡萄中的蔗糖主要运往果实，枝条中积累量较低，而在越冬前枝条中蔗糖开始快速积累，这是葡萄越冬和抗冻性形成的重要物质基础［19］。杨光研究酿酒葡萄越冬枝条中蔗糖代谢的变化与抗寒性的关系，发现越冬枝条中较高的蔗糖含量有利于其抗冻性的形成与增强［18］。有研究表明葡萄抗寒性强的品种从秋季气温下降到埋土防寒前的抗寒锻炼期间，淀粉在枝条和根系中大量积累［6，20］。随着气温的逐步下降，淀粉水解作用增强，可溶性糖和可溶性蛋白含量增加，使得细胞液浓度升高，冰点降低，减少低温伤害。在越冬过程中，细胞质表面附着的一些化合物阻碍水分到达细胞内，从而减缓细胞代谢，降低细胞失水。不管是抗寒性强还是抗寒性弱的植物，可溶性糖和蛋白的含量均随着气温的下降而增加，只是抗寒性强的品种增加的早且数量多［18］。蔗糖在抗寒品种中有较高的含量，这可能是自身的遗传物质和代谢反应所致。淀粉的积累与蔗糖含量的变化相辅相成，并且淀粉合成与降解速率直接影响了蔗糖的积累量，同时也与相关代谢酶活性的强弱密切相关。此外，其他的可溶性糖如葡萄糖、蔗糖、果糖以及一些寡糖等在低温胁迫环境下含量也会相应增加［18］。

3 低温胁迫下糖代谢相关酶的调控作用

可溶性糖的含量受叶片中合成的碳水化合物的影响，同时还受相关酶活性的调控［21］，糖含量的变化是几种相关酶相互作用的结果。此外，还与植物本身的遗传物质、环境因素、激素含量等有关。目前有多项研究证明，调控糖代谢相关酶的基因表达可以有效地调控目标植物的可溶性糖含量［22～23］。

蔗糖合成酶（SS）是一种存在于植物组织细胞质中的可溶性酶，对蔗糖的合成与分解均起到催化作用。这种酶具有可逆性称为可逆酶，影响碳同化产物的运输。植株在淀粉积累时期，分解方向的活性强于合成方向，SS主要起分解作用；在蔗糖积累时期，合成方向的活性强于分解方向，SS主要起合成作用。蔗糖磷酸合成酶（SPS）也是存在于细胞质中的可溶性酶，催化葡萄糖和果糖合成蔗糖。SS和SPS共同参与细胞壁的合成，对植物的生长发育和逆境的调控都产生一定的影响。SPS催化葡萄枝条中蔗糖的合成积累，有研究证明其活性在受到低温胁迫时显著升高［19，24］。Huber提出SPS的活性与蔗糖积累呈正相关，与淀粉积累呈负相关［25］。低温环境下，可溶性糖含量的变化是鉴定植物抗寒性强弱的指标，而SPS是影响蔗糖积累的关键酶，所以SPS对植物的抗寒性有调节作用。SPS基因在植株抗逆性和果实品质方面有着密切的关系，其活性和含量影响“源”器官和“库”器官，同时调节碳水化合物在蔗糖和淀粉之间的分配［25～26］。周兰兰等研究不同生长期酿酒葡萄枝条蔗糖代谢及相关酶活性，发现在气温下降后葡萄植株体内代谢发生一系列变化，如枝条中的SPS和SS活性增强，可溶性糖积累增多，进而改变了植物细胞的渗透压，增强了抵御不良环境的能力［19，27］。并得出结论，在葡萄枝条中，SPS和SS活性受低温刺激而升高，且呈显著正相关，相关系数分别为0.922和0.990。可见SPS和SS对植株的抗寒性起重要调节作用。

转化酶（Inv）又称蔗糖酶或 β-呋喃果糖苷酶，其主要包括酸性转化酶（acid invertase，AI）和中性转化酶 （neutral invertase，NI）。是一种不可逆的催化蔗糖水解为果糖和葡萄糖的酶。它参与植物光合作用的调节、生长发育的调控以及逆境的应答［19］。液泡中的转化酶将光合作用的同化产物在蔗糖和淀粉中分配，使蔗糖的合成与分解利用处于动态平衡之中［28］。植物在低温环境下，呼吸作用增强，Inv活性也随之增强，影响蔗糖的积累［29］。

淀粉酶（Amy）是淀粉降解过程中的关键酶，将植物组织器官内的淀粉降解形成可溶性糖，参与细胞内的生理生化反应，为植物体内的代谢活动提供能量。Amy活性受低温的刺激而上升［17］。周兰兰研究表明Amy活性在葡萄发芽期到浆果生长期一直保持较低的水平［24］；而到浆果成熟期其活性迅速升高，在秋季气温下降时略有下降，但仍然保持较高的水平，这些变化同枝条中淀粉含量变化相一致，说明Amy活性与葡萄越冬枝条中淀粉的合成积累有关系。Amy虽然是降解淀粉的关键酶，但却与淀粉含量正相关，表明淀粉积累的同时其代谢也较强。

4 展望

通过田间试验的方法对葡萄抗寒品种的鉴定和选育具有真实，可靠的优点，但周期长，影响因素多；通过在室内模拟低温环境的方法测定各项生理生化和形态指标来鉴定和选育抗寒性强的品种，可以更全面更系统地补充田间试验的不足［30］。近年来，对植物抗寒性生理生化机制的研究已涉及植物代谢物质、渗透物质、细胞和细胞膜结构等方面。随着分子生物学及基因工程原理和技术在葡萄上的应用，已经利用分子生物学手段调节和改造糖积累和转化，对低温胁迫下葡萄抗寒机理和生理过程进行了研究。目前研究发现，植物抗寒性是由多基因共同控制的数量性状遗传，可见利用分子生物学手段来提高和选育抗寒品种的任务艰巨，有待更深入的研究［26］。目前，关于低温环境下葡萄枝条碳水化合物的含量与相关酶活性变化的关系研究还很少，因此，可以从这个方面入手筛选出能够提高葡萄抗寒性的物质，进而选出抗寒性强的优良砧木和品种，为葡萄抗寒性研究和生产栽培奠定基础。

［1］曹琴，孔维府，温鹏飞.植物抗寒及其基因表达研究进展［J］.生态学报，2004（24）：806～811.

［2］王忠.植物生理学［M］.北京：中国农业出版社，2000：446～447.

［3］黄海山.葡萄耐寒生理生化特性的研究［D］.甘肃农业大学，2007.

［4］刘文瑜葡萄抗寒砧木的组织培养、试管苗微嫁接及抗寒生理生化特性研究［D］.甘肃农业大学，2011.

［5］艾琳，张萍，胡成志.低温胁迫对葡萄根系膜系统和可溶性糖及脯氨酸含量的影响［J］.新疆农业大学学报，2004，27（4）：47～50.

［6］王丽雪，李荣富，马兰青.葡萄枝条中淀粉、还原糖及脂类物质变化与抗寒性的关系［J］.内蒙古农牧学院学报，1994，15（4）：17.

［7］Wang Lixue.International symposium on Horticultural germplasm cultivated and wild［M］.International Academic Publisher，New York.1988：96～97.

［8］郭修武，傅望衡，王光杰.葡萄根系抗寒性的研究［J］.园艺学报，1989，16（1）：17～22.

［9］杨建民，李艳华，杨敏生，等.几个仁用杏品种抗寒性的比较［J］.中国农业科学，1999，32（1）：46～50.

［10］Guy C L，Huber JL，Huber SC.Sucrose phosphate synthase and sucrose accumulation at low temperature［J］.Plant Physiol，1992（100）：502～508.

［11］Bhowmik P K，Tamura K，Sanada Y，et al.Sucrosemetabolism of perennial ryegrass in relation to cold acclimation［J］.Z Naturforsch C，2006（1～2）：99～104.

［12］张基德，李玉梅，陈艳秋，等.梨品种枝条可溶性糖、脯氨酸含量变化规律与抗寒性的关系［J］.延边大学农学学报，2004：281～285.

［13］潘瑞炽，王小菁，李娘辉.植物生理学［M］.北京：高等教育出版社，2001：55～227.

［14］潘庆民，韩兴国，白永飞，等.植物非结构性贮藏碳水化合物的生理生态学研究进展［J］.植物学通报，2002（1）：30～38.

［15］Bradford M.A rapid and sensitivemethod for thequantition of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein－dry binding［J］.Anal Biochem，1976（72）：248～254.

［16］王淑杰，王家民.可溶性全蛋白、可溶性糖含量与葡萄抗寒性关系的研究［J］.北方园艺，1996（2）：13～14.

［17］张明科，孙艳.脯氨酸和蔗糖溶液浸种对黄瓜幼苗生长及其抗冷能力的影响［J］.陕西农业科学，1997（3）：15～17.

［18］杨光.酿酒葡萄越冬枝中蔗糖代谢的变化与抗冻性的关系［D］.甘肃农业大学.2015.

［19］周兰兰.不同生长期酿酒葡萄枝条蔗糖代谢及相关酶活性的研究［D］.甘肃农业大学.2015.

［20］代汉萍，薛志杰，郭修武.树莓自然越冬枝条生理生化特性研究［J］.吉林农业大学学报，2009，31（5）：573～577.

［21］郭雪峰，李绍华，刘国杰.桃果实和叶片中糖分的季节变化及其与碳代谢酶活性的关系研究［J］.果树学报，2004，21（3）：196～200.

［22］Winter H，Huber SC.Regulation of sucrose metabolism in higher plants：localization and regulation of activity of key enzymes［J］.Crit Rev Biochem Mol Biol，2000，35（4）：253～289.

［23］Verma A K，Upadhyay SK，Verma P C，et al．.Functional analysis of sucrose phosphate synthase（SPS）and sucrose synthase（SS）in sugarcane（Saccharum）cultivars［J］.Plant Biol，2011，13（2）：325～332.

［24］Chapman G W，Horvat R J.Changes in nonvolatile acids，sugars，pectin and sugar composition of pectin during peach（cv.Monroe）matueation［J］.J Agric Food Chem，1990（38）：383～387.

［25］Huber SC.Role of sucrose-phosphate synthase in partitioning of carbon in leaves［J］.Plant Physiol，1983（71）：818～821.

［26］熊燕.中国野生葡萄抗寒基因标记RADP标记的研究［D］.西北农林科技大学，2003.

［27］周兰兰.酿酒葡萄枝条生长发育过程中蔗糖代谢及相关酶活性的变化［J］.植物生理学报，2015，51（6）：962～968.

［28］吴正景.番茄酸性转化酶cDNA克隆及胞壁转化酶在植株抗寒反应中功能研究［D］.西北农林科技大学，2007.

［29］Koch K E.Carbohydrate-modulated gene expression in plant［J］.Annu Rev Plant Physiol Plant Mol，1996（47）：509～540.

［30］张倩，刘崇怀，郭大龙，等.5个葡萄种群的低温半致死温度与其抗寒适应性的关系［J］.西北农林科技大学学报（自然科学版），2013，41（5）：150～154.

Research Advances in Relationship between Soluble Sugar and Cold Resistance in Grape

LV Chun-jing，SUN Ling-jun，WEIXiao，GAO Sheng-hua
（Liaoning Institute of Pomology，Xiongyue，Liaoning 115009）

In this paper，we reviewed the research progress on the physiologicalmechanism of cold resistance in grape，the accumulation and transformation of soluble sugar at low temperature stress，the mechanism of soluble sugar to improve cold resistance，the effect of related enzymes in sugarmetabolism in the cold resistance of grape.

Grape（Vitis viniferaL.）；Soluble sugar；Cold resistance

S663.103.4

B

1002－1728（2017）04－0050－04

10.3969／j.issn.1002－1728.2017.04.011

2017－06－12

辽宁省优秀人才培养计划（2014027030）

吕春晶（1983－），女，辽宁营口人，助理研究员，研究方向为葡萄栽培育种。E-mail：lvchunjing1＠163.com

孙凌俊（1969－），副研究员，研究方向为葡萄栽培育种。E-mail：77338600＠qq.com