牡丹开花和衰老期间花瓣糖代谢的研究

园　艺　学　报　2009, 36(8) :1184-1190牡丹开花和衰老期间花瓣糖代谢的研究

史国安1, 2, 郭香凤, 张国海, 包满珠1123

(1河南科技大学农学院, 洛阳市牡丹生物学重点实验室, 河南洛阳471000; 2华中农业大学园艺林学学院, 园艺植物生物学教育部重点实验室, 武汉430070)

摘　要:以牡丹(Paeonia suffruticosa ) 品种‘洛阳红’和‘胡红为材料, 中花瓣可溶性糖及其代谢相关酶活性的变化。结果表明:, 增加的趋势, 特别是己糖(葡萄糖和果糖) , , 渐下降的变化。己糖和蔗糖降解指数(S D I ) ; 花瓣酸性转化酶活性维持较高水平, , 可溶性糖的代谢依赖于酸性转化酶、。结果提示, 牡丹花瓣中己糖的积累在花。

关键词; 转化酶; 伸长生长; 糖; 代谢

中图分类号:S 685111; Q 945　　文献标识码:A 　　文章编号:05132353X (2009) 0821184207

Ana lysis of Sugar M et abolis m D ur i n g Florescence and Flower Senescence of Tree Peony Pet a l

SH I Guo 2an 1, 2, G UO Xiang 2feng , ZHANG Guo 2hai , and BAO Man 2zhu

21123(1College of A griculture, L uoyang Key L aboratory of Peony B iology, Henan U niversity of Science and Technology, L uoyang, Henan 471000, China; College of Horticultural and Forestry Science, Key L aboratory of Horticultural Plant B iology, M inistry

of Education, Huazhong A gricultural U niversity, W uhan 430070, China )

Abstract:T o clarify the mechanis m of fl ower opening and senescence in tree peony (Paeon ia suffruticosa ) ‘Luoyanghong ’and ‘Huhong ’, we investigated sugar metabolis m in the petals of t w o tree peony cultivars . The results showed that t otal s oluble sugar content increased rap idly with the cell enlarge ment in the petals and during fl ower senescence . The contents of hexoses (glucose and fruct ose ) markedly increased during fl ower opening and reached a highest level at full 2opening, but the content of sucr ose dr opped gradually . The hex ose content and sucr ose degradati on index (S D I ) were positively correlated with the fresh weight of fl ower . The activity f or acid invertase (A I ) increased during fl o wer opening and decreased after the fl o wers opened . Based on regressi on analyses, the s oluble sugar metabolis m was related t o the acti ons of the 4enzy mes, viz 1acid invertase (A I ) , neutral invertase (N I ) , sucr ose synthase (SS ) and sucr ose phos phate synthase (SPS ) . Our results suggest that hexose accu mulati on in the petal m ight be i m portant for fl owering opening and senescence in tree peony .

Key words:Paeonia suffru ticosa ; fl ower devel opment; invertase; el ongati on gr owth; sugar; metabolis m

牡丹作为极具发展潜力的切花, 其开花生理已经引起人们的重视(史国安等, 1999; 魏文辉收稿日期:2009-02-04; 修回日期:2009-07-13

基金项目:国家自然科学基金项目(30740013) ; 河南省自然科学基金项目(0611030600) ; 洛阳市重点实验室专项(0901063A ) 3通讯作者Author f or corres pondence (E 2mail:mzbao@mail1hzau 1edu 1cn )

　8期史国安等:牡丹开花和衰老期间花瓣糖代谢的研究　1185等, 2000; 张圣旺等, 2002; 郭闻文等, 2004; 王荣花等, 2005) 。开展牡丹鲜切花保鲜技术及其开花生理研究, 对延长观花期、提高花卉资源利用率、满足市场供应、提高经济价值具有极其重要的意义。

植物花瓣发育中源库之间碳水化合物的转移与转化酶活性相关(Sood et al . , 2006) 。花瓣糖分积累是降低花瓣水势、促进水分流入引起细胞扩大和开花的重要机制(Ho &N ichols, 1977) 。高等植物蔗糖代谢的关键酶主要有转化酶、蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶。蔗糖水解为己糖供给细胞生长发育, 可能具有重要的生物学功能(van Doorn et al . , 1991) 。这3种酶在一些常见植物中的作用已经有报道(张明方和李志凌, 2002) , 但在牡丹等植物开花过程中的作用未见报道, 理论依据。

1　材料与方法

111　材料与处理

试验于年。供试材料为牡丹() 品种‘洛阳红’(瓶插寿命长) 和‘胡红’(瓶插寿命短) , 采于洛阳土桥花木有限公司苗圃。

参照王荣花等(2005) 的标准, 将花朵发育时期划分为露色期(Ⅰ) 、绽口期(Ⅱ) 、初开期(Ⅲ) 、半开期(Ⅳ) 、盛开期(Ⅴ) 和开始衰败期(Ⅵ) 。从5年生牡丹植株上采切不同发育阶段花枝, 各30枝, 保湿运回实验室, 插在盛有自来水的桶中恢复1h, 保留花枝长度15c m (两片复叶) , 分别测定花枝质量和花朵直径, 然后立即剥去花萼和最外一层花瓣, 取内层花瓣称量后, 经液氮速冻贮存-80℃超低温冰箱, 用于各项生理指标的测定。

112　测定项目及方法

11211　可溶性糖含量测定　

参照胡志群等(2005) 的方法, 称取花瓣2g 左右, 放入研钵在微波炉杀酶30s, 加入2mL 85%的乙醇研磨, 再用2mL 85%的乙醇分2次洗研钵, 10000×g 离心15m in, 残渣加入6mL 85%乙醇再提取1次, 合并上清液, 于25mL 容量瓶定容, 取4mL 于10mL 试管中, 45℃水浴条件下用高纯氮气吹干, 用去离子水定容至4mL, 取其中1mL 过0145μm 滤膜后待测。

使用美国Agilent 21100高效液相色谱仪, 配有R I D 示差检测器, 色谱柱为Agilent NH 2柱(150

-1mm ×416mm ) , 以乙腈和水(75∶25) 作流动相, 流速为114mL ・m in , 柱温35℃, 进样量10

μL, 检测波长为210nm 。外标法定量, 每个样品重复3次, 取平均值。所用蔗糖、麦芽糖、葡萄糖、果糖的标准样均为分析纯药品。

蔗糖降解指数(S D I ) 用己糖(G +F ) /蔗糖(S ) 表示(King et al . , 1997) 。

11212　酶活性测定　

参照Keller 和Ludl o w (1993) 的方法, 略有改动。称取1g 冷冻的花瓣样品, 分3次共加8mL 提

-1-1取液冰浴研磨成匀浆。提取液成分:50mmol ・L Hepes 2Na OH (pH 715) , 10mmol ・L MgC12, 1

mmol ・L -1EDT A , 215mmol ・L -1DTT, 015m l ・L -1Trit on X 2100和110mg ・L -1BS A 。将匀浆液在15000×g 、4℃离心10m in 。上清液装入D27mm 透析袋中脱盐, 在0～4℃下用稀释10倍的提取液(去除Trit on X 2100) 透析24h, 中间换1次透析液。透析后的酶液保存于-80℃待测。

酸性转化酶(A I ) 和中性转化酶(N I ) 的测定按照Ranwala 等(1991) 的方法, 略有改动。反

-1-1应液总体积为1mL, 包括:011mol ・L 乙酸钠—乙酸(pH 418, 对A I ) 或011mol ・L 磷酸氢二

-1-1钾, 011mol ・L 柠檬酸钠—柠檬酸(pH 712, 对N I ) , 011mol ・L 蔗糖和011mL 酶液。在37℃保

1186园　　艺　　学　　报36卷温40m in 后, 加1mL 3, 5-二硝基水杨酸试剂终止反应, 煮沸5m in, 冷却, 测定A 520值, 即测定从蔗糖释放还原糖的量。用酶空白作对照, 底物空白作参比。酶空白只含有酶液和反应液, 不含底物; 底物空白只含有底物和反应液, 不含酶液, 其它步骤相同。

磷酸蔗糖合成酶(SPS ) 活性测定参照Rufty 等(1983) 的方法, 略有改动。反应总体积为140

-1-1μL 。包括:50mmol ・L -1Hepes 2Na OH (pH 715) , 10mmol ・L MgC12, 1mmol ・L E DT A, 215

mmol ・L -1DTT, 3mmol ・L

-1-1UDPG, 4mmol ・L -1F6P 和70μL 酶液。混合液在37℃水浴保温40m in, 加70μL 1mol ・L Na OH 终止反应。未反应的F6P 通过将试管置于沸水中10m in 使之失去活

性。冷却后加0125mL 011%的间苯二酚(溶于95%乙醇) 和0175mL 30%HCl, ℃保温8m in, 冷却后测A 520值。用酶空白作对照, 底物空白作参比。; 底物空白只含有底物和反应液, 不含酶液, 其它步骤相同(SS ) 步骤相同, 只是将F6P 换为果糖。

所用试剂二硫苏糖醇(DTT ) 6磷酸果糖(F6P ) 、6-磷酸葡萄糖(G6P ) 、(-Fluka 和Si m ga 公司。

113　用DPS 6、回归分析及主成分回归分析。

2　结果与分析

211　牡丹花发育及其生长分析

随着牡丹花的开放, 花枝鲜样质量和花朵直径显著增加, ‘洛阳红’和‘胡红’花枝鲜样质量分别由露色期(Ⅰ) 的每枝12103g 和23150g, 提高到盛开期(Ⅴ) 的每枝32195g 和37197g, 增加了1174和0161倍; 花朵直径分别由露色期(Ⅰ) 的2165和2184c m , 提高到盛开期(Ⅴ) 的15142和12191c m , 增大了4182和3155倍(图1) 。两者花盛开期(Ⅴ) 花瓣质量占总花朵的79111%和84183%, 花盘与雌雄蕊所占比例较小。因此牡丹花瓣的发育与扩张过程显著快于整个花器官的发育。说明牡丹花的迅速开放是一个花瓣细胞伸长和质量的不可逆生长过程, 花瓣的扩张生长是增加水分吸收的结果。

从图1数据可以看出, ‘洛阳红’的花枝质量与花径变化幅度明显高于‘胡红’, 这与作者观察两个品种的开花习性相一致, ‘洛阳红’花的开放速度明显快于‘胡红’

。

图1　牡丹花发育过程中花枝质量和花朵直径的变化

F i g 11　Changes i n flower we i ght and d i a m eter i n the d i fferen t flower st ages of peon i es

　8期史国安等:牡丹开花和衰老期间花瓣糖代谢的研究　1187212　牡丹花瓣可溶性糖含量的变化

图2显示, 开花过程中花瓣中总可溶性糖迅速增加, 葡萄糖和果糖含量显著增加。从露色期(Ⅰ) 到盛开期(Ⅴ) , ‘洛阳红’和‘胡红’花瓣中葡萄糖含量分别提高了3108和1169倍, 果糖含量分别提高了8136和2128倍, 盛开期‘洛阳红’己糖水平高于‘胡红’。蔗糖含量呈现逐渐下降的变化。因此, 在牡丹花的开放过程中, 蔗糖的水解和总可溶性糖含量的提高, 可以降低花瓣的渗透势促进细胞吸水, 为细胞的扩张生长提供动力。

花盛开期(Ⅴ) 后, 花瓣衰老, 花朵萎蔫, 总碳水化合物以葡萄糖、果糖为主, 含量开始下降; 花瓣中蔗糖的含量迅速减少(图2) 。说明花瓣衰败引起了糖代谢的改变

。

图2　牡丹花发育过程中花瓣可溶性糖含量的变化

F i g 12　Changes i n con ten ts of soluble sugar i n the d i fferen t flower st ages of peon i es

213　牡丹花瓣蔗糖代谢相关酶活性的变化

花瓣中A I 、N I 、SS 和SPS 的活性如图3所示。

在花发育过程中, ‘洛阳红’和‘胡红’花瓣中A I 活性维持较高水平, 开花过程中A I 活性逐渐升高与花瓣生长相一致, 开放后逐渐下降。

花瓣中N I 活性较A I 活性低, ‘洛阳红’花瓣中N I 活性随花朵的开放和衰老缓慢下降, ‘胡红’与‘洛阳红’相反。

SS 是分解蔗糖的又一关键酶, ‘洛阳红’和‘胡红’花瓣中SS 活性的变化趋势与N I 活性的变化相一致。

SPS 活性维持较低水平, ‘洛阳红’花瓣中SPS 活性在开放初期略有升高而后下降维持在一定水平, ‘胡红’与‘洛阳红’类似, 但其峰值高且出现的时期晚于‘洛阳红’。

1188园　　艺　　学　　报36

卷

图3　牡丹花发育过程中花瓣蔗糖代谢相关酶活性的变化

F i g 13　Changes i n sucrose m et abolis m rel a ted enzym es acti v iti es i n the d i fferen t flower st ages of peon i es

214　可溶性糖变化与牡丹花开放的关系

相关分析表明, 在‘洛阳红’和‘胡红’花朵发育过程中, 花枝质量和花朵直径变化呈显著的正相关, 相关系数分别达到01986(P

通过进一步的主成分回归分析, 揭示牡丹花瓣中可溶性糖含量及比例变化与花枝质量的关系。牡丹花瓣中己糖(G +F ) 、蔗糖(S ) 和S D I 与花枝质量变化有密切的相关性。其中, 第一主成分‘洛阳红’和‘胡红’的己糖(G +F ) 含量与S D I 比值对花枝质量变化的贡献率分别达到94140%和78111%, 而己糖(G +F ) 含量与S D I 比值因子载荷又非常接近, 两者之间存在着相互制约关系; 同时, 主成分回归分析得到‘洛阳红’和‘胡红’的己糖(G +F ) 含量与花枝质量的偏相关系数分别达到019679(P

主成分回归分析得到‘洛阳红’花瓣A I 和SS 与己糖(G +F ) 含量之间的偏相关系数分别达到-019776(P

‘洛阳红’第一主成分中A I 、N I 和SS 是主要因子, 第二主成分中SPS 是主要因子; 而‘胡红’第一主成分中N I 和SS 是主要因子, 第二主成分中A I 和SPS 是主要因子。因此, 可以认为牡丹开花过程中可溶性糖的代谢依赖于4种酶的共同作用。

3　讨论

植物花朵的开放与衰老是一个极其复杂的生理生化过程。花朵的开放是花瓣的不可逆生长过程,

　8期史国安等:牡丹开花和衰老期间花瓣糖代谢的研究　1189涉及到花瓣细胞扩张与干、鲜样质量的增加(Reid &Evans, 1986; Evans &Reid, 1988; van Doorn &van Meeteren, 2003) 。渗透势下降是花瓣细胞扩张生长促进水分流入的重要因素, 因此细胞中糖分积累可能是降低花瓣水势促进吸水的生理机制。已经证明, 花瓣中淀粉(Ha mmond, 1982) 、果聚糖(B ieleski, 1993) 等聚合物的降解, 己糖的积累导致渗透势的显著降低是促进花瓣生长的重要过程。试验结果表明, 牡丹开花过程中存在着与月季、百合等花卉相似的生理现象(图1, 图2) 。从露色期(Ⅰ) 到盛开期(Ⅴ) , ‘洛阳红’和‘胡红’花瓣中牡丹花瓣中己糖(G +F ) 含量和S D I 与花枝重变化有密切的相关性。而开始衰败期(Ⅵ) ‘胡红’花瓣己糖(G +F ) 和总糖含量明显下降, 可能是‘胡红’花瓣衰败快于‘洛阳红’的重要原因。

Ya mada 等(2007) 在切花月季花瓣生长过程中, A I 导花瓣吸水的关键酶。关键酶起着重要的控制作用, 张与生长过程密切相联系。件(图1, 3) 。、呼吸消耗与器官之间的转移, 而其中A I 和, 在调控可溶性糖的转化过程中可能起着中心作用。通过, 4种酶的共同作用, 这一结论与Hubbard 等(1989) 提出的净活性相一致。

丰亚南等(2007) 以牡丹品种‘肉芙蓉’为材料, 研究了牡丹开花过程中碳水化合物的分配及其对有花枝上叶片与无花枝叶片净光合速率的影响, 发现在花衰败前花枝上叶片P n 明显低于无花枝, 但可溶性糖含量却高于无花枝, 推测在牡丹开花过程中可溶性糖等营养物质很大一部分是由根系提供的。高志民等(2007) 分析了牡丹开花前后根、枝条的各种营养成分的变化, 认为牡丹开花是明显的能量消耗过程, 根是植株的主要养分贮存器官, 为开花提供所需的营养物质。Kui per 等(1995) 研究发现, 对采后通常不能正常开花的切花月季品种‘Madel on ’供给蔗糖, 可以使其正常开花。显然, 植物切花体内碳水化合物水平以及采后糖分的供应对切花的品质是十分重要的。牡丹切花离开母体后, 体内糖分水平迅速下降, 花瓣衰老显著快于连体花朵。切花实践表明, 含有2%蔗糖的瓶插液能够显著延长牡丹切花的瓶插寿命。而牡丹花瓣中可溶性碳水化合物除了提供能源和渗透调节剂以外, 在花瓣衰老过程中的信号转导机制以及调控途径需要进一步研究。

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