摘 要: 通过测定不同发育时期肉苁蓉和寄主梭梭体内主要糖类物质含量和蔗糖代谢相关酶活性,以研究寄生植物与寄主植物的糖代谢及其关系。结果表明: 未寄生肉苁蓉的梭梭以积累葡萄糖为主,而寄生肉苁蓉的梭梭在夏季休眠期以积累葡萄糖为主,进入秋季旺盛生长期时以积累蔗糖为主。肉苁蓉的糖分积累与梭梭不同,己糖含量约占可溶性总糖的62. 45% ,而蔗糖仅为可溶性总糖的4. 98% ,故肉苁蓉为己糖积累型。寄主梭梭同化枝内蔗糖磷酸合成酶活性较转化酶活性和蔗糖合成酶活性低,其中寄生肉苁蓉的梭梭的分解酶类活性高于未寄生肉苁蓉的梭梭。肉苁蓉体内转化酶活性较低,而蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性较高,且蔗糖合成酶活性高于蔗糖磷酸合成酶活性,表现为肉苁蓉中的分解酶类活性高于合成酶类活性,较高的分解酶类活性促进了蔗糖的分解,从而促进了糖分由寄主梭梭向肉苁蓉的不断转移。总体来看,肉苁蓉和寄主梭梭体内糖分的代谢主要以蔗糖合成酶为主,其它2种酶为辅协同参与调控。关键词: 梭梭;肉苁蓉;可溶性糖;蔗糖代谢相关酶寄生是植物之间相互关系的一个重要方面,在被子植物中, 约有3 000余种是以寄生方式生存的[1 ]。寄生植物生长所需要的营养物质来源及其与寄主植物生长发育的关系是研究寄生植物寄生机理的一个重要方面。不同的寄主植物受寄生植物侵染后,其生长和代谢表现各异。Stewa rt等[2 ]研究发现,独脚金可使寄主高粱、甘蔗、玉米、谷子等农作物完全丧失产量,相反,很多槲寄生植物可与寄主一起生活数十年而无多大危害。梭梭[ Haloxylon ammodendron ( C. A. Mey )Bung e ] ( 别名: 琐琐或梭梭柴) 是藜科( Chenopo diaceae)梭梭属( Haloxylon Bung e)的大灌木,主要分布在我国内蒙古、新疆、甘肃以及中亚、西亚等荒漠半荒漠地区,是防风固沙的优良树种,也是寄生植物肉苁蓉(Cistanche deserticola Ma )的专性寄主,二者被合称为“荒漠之宝” [3 ]。肉苁蓉具有增强免疫力、益肾壮阴、抗衰老、润肠消食、调节神经系统功能等作用[4 ]。肉苁蓉是多年生全寄生植物,无叶绿素,其生长发育所需的水、无机盐及有机营养物质均来源于寄主梭梭。近年来,有关梭梭和肉苁蓉的研究[4~ 8 ] ,多集中在肉苁蓉及梭梭的生境土壤特征,梭梭物候期特点,梭梭光合水分代谢,肉苁蓉药理学研究,以及梭梭、肉苁蓉人工栽培及开发利用现状等方面,而且这些研究大都是将肉苁蓉和梭梭分开,单独进行研究,而有关肉苁蓉寄生对寄主梭梭体内主要生理代谢及其生长发育状况研究较少,谭德远等[ 9]对肉苁蓉寄生后对其寄主梭梭生长方面进行了研究,发现肉苁蓉寄生后,其地下部根系和地上部当年生枝条生长均不同程度受到抑制,而关于肉苁蓉寄生后对寄主梭梭体内一些生理生化物质代谢运输方面的研究,目前尚未见报道。近年来人们对园艺作物的果实糖代谢机理进行了广泛的研究[ 10~ 12] ,而有关寄生植物与寄主间糖分的运输与积累方面的研究却未见相关报道。糖类物质是肉苁蓉体内含量较高的一类物质,本研究通过对寄生和未寄生肉苁蓉的梭梭及肉苁蓉在不同生长时期体内主要可溶性糖类物质的含量变化和糖代谢相关酶活性变化进行比较研究,明确寄生植物生长对寄主植物糖代谢的影响,以揭示二者间的相互关系,同时,开展这方面的研究也为我国梭梭属植物资源的保护和肉苁蓉资源的合理开发利用提供生理依据。1 材料与方法1. 1 植物材料与实验地概况 实验区位于内蒙古阿拉善左旗苏海图肉苁蓉生产基地,该地处东经105°47′,北纬39°32′,属典型的大陆性气候。年平均气温8. 6℃ ,绝对最高气温40. 9℃ ,绝对最低气温- 31. 2℃。全年日照时数3 293 h,无霜期160 d,年平均降水量104. 7 mm,降雨量集中在7~ 9月,年平均蒸发量3 023. 7 mm。年平均风速3. 6 m / s,年平均大风日数34. 5 d。梭梭林分布区多为风沙土,地下水位埋深10 m。植被为旱生和超旱生类型, 建群种以梭梭为主,伴生种有白刺、红砂、猪毛菜、沙蒿、沙冬青等。1. 2 实验设计本实验随机选取5株10年生,生长较一致的未寄生肉苁蓉的梭梭作为对照( CK) ,再选取5株寄生有肉苁蓉(简称CD)的生长状况一致的梭梭(简称HA) ,分别选取寄主梭梭及寄生植物肉苁蓉旺盛的生长部位作为实验材料,每个处理重复5次。在对梭梭进行取样时选取梭梭东、南、西、北4个部位的肉质同化枝混合,然后迅速放入液氮中冷冻,供实验测定使用。采样时间从7月8日开始到10月12日结束,每20 d取样1次。1. 3 测定项目及方法1. 3. 1 蔗糖、葡萄糖、果糖含量的测定 称取5 g梭梭同化枝鲜样,肉苁蓉样量减半,用5 mL 80%乙醇研碎,在75℃下浸提10 min, 4 000 r /min 离心8min,去除提取液中的叶绿素, 收集上清液。再用8m L 80% 乙醇分3次清洗样品,使糖完全溶解,然后在40℃的条件下用旋转蒸发仪将水和乙醇蒸干,再用10 mL的流动相溶解,供液相分析用。色谱条件为流动相(乙腈∶重蒸水= 7∶ 3) ,流速1 mL /min,柱温30℃ ,柱型为Kromasil公司Kr 100-5N H2,岛津SHIM ADZU LC-6A系统,岛津RID-10A示差检测器, SLC-6A 系统控制器和C-R3A 数据处理系统[13 ]。1. 3. 2 可溶性总糖的测定 按照文献[14 ]的方法进行。1. 3. 3 蔗糖代谢相关酶活性测定 酶的提取: 参照Nielsen等[15 ]的方法稍作改进。每个材料设3次重复,每个样本1 g 果肉,加入5 m L预冷的提取缓冲液〔0. 1 mol· L- 1磷酸缓冲液( pH 7. 5) , 5 mmol· L- 1MgCl2 , 1 mmo l· L- 1 EDT A, 0. 1%巯基乙醇, 0. 1%Triton X-100〕冰浴下匀浆后, 10 000 r· min- 1离心15 min,上清液倒入10 mL刻度试管,沉淀用4 mL的提取液再提取1次,合并上清液定溶至10 mL,作为酶提液。( 1)中性转化酶活性的测定: 取0. 1 mL酶提液加入1 m L的反应液〔1% 蔗糖, 0. 1 mo l· L- 1磷酸缓冲液( pH 7. 5) , 5 mmo l· L- 1 MgCl2 , 1 mmol· L- 1EDTA〕于34℃水浴1 h后,沸水浴5 min以终止反应。用3, 5-二硝基水杨酸法测定还原糖含量;另取0.1 mL酶提液沸水浴10 min作为对照。用两者的差值来计算还原糖产生速率,表示转化酶的活性,单位mg· g- 1 FM· h- 1。( 2)酸性转化酶活性的测定: 取0. 1 mL酶提液加入1 m L反应液( 1%蔗糖, 0. 1 mol· L- 1醋酸缓冲液, pH 5. 5) ,于34℃下反应1 h 后沸水浴5 min以终止反应,其余操作同上。( 3)蔗糖合成酶活性的测定: 取50μL酶液加入50μL的反应液〔4 mmol· L- 1 U DP-葡萄糖, 0. 06mol· L- 1果糖, 15 mmo l· L- 1MgCl2 , 0. 1 mol· L- 1磷酸缓冲液( pH 8. 0)〕,于34℃下反应1 h 后加入2m L的30% KO H,转入沸水浴10 min终止反应,冷却至室温,混合后加入3. 5 mL的蒽酮溶液( 0. 15 g蒽酮溶于10 mL 81%硫酸)于40℃下反应20 min后冷却,测定在620 nm的吸光值; 对照50μL酶液在沸水浴杀酶10 min后,其余操作同上。用两者的差值来计算蔗糖的合成量,表示蔗糖合成酶活性,单位为mg· g- 1 FM· h- 1。( 4)蔗糖磷酸合成酶活性的测定: 除反应液改为UPD-葡萄糖10 mmol· L- 1 ,果糖-6-磷酸5 mmol·L- 1 ,葡萄糖-6-磷酸15 mmol· L- 1 , 15 mmo l· L- 1Mg Cl2 , 1 mmo l· L- 1 EDTA, 0. 1 mol· L- 1硼酸缓冲液( pH 8. 0)和反应时间为30 min外,其余与蔗糖合成酶活性测定相同。单位为mg· g- 1 FM· h- 1。1. 4 数据处理应用DPS 3. 0软件对所得数据进行统计处理。2 结果与分析2. 1 不同发育时期肉苁蓉及其寄主梭梭体内主要可溶性糖类含量的变化2. 1. 1 不同发育时期肉苁蓉及其寄主梭梭体内可溶性总糖含量的变化 从图1, A中可知, CK和HA体内可溶性糖含量差异不显著,而它们与肉苁蓉间却达到了极显著的差异( F= 163. 69* * )。从发育时期看, 9月22日CK的可溶性总糖含量达到最大值,而HA的可溶性总糖的含量在10月12日才达到高峰,出现这种现象的原因可能由于肉苁蓉的寄生使得寄主梭梭整体生育时期延迟。而肉苁蓉体内可溶性糖含量在9月1日后明显下降,这可能与糖类物质转化为有机酸或其它酚类物质有关[12 ]。2. 1. 2 不同发育时期肉苁蓉及其寄主梭梭体内蔗糖含量变化 从图1, B可知,肉苁蓉和CK、HA体内的蔗糖含量存在一定的差异性,表现为肉苁蓉中的蔗糖含量明显高于CK和HA体内的蔗糖含量,而CK 和HA 之间的蔗糖含量无显著差异( F =4. 86*)。从不同发育时期来看,肉苁蓉中的蔗糖含量呈现持续上升的趋势,其中在9月22日以前,其蔗糖含量上升较平缓,之后则快速上升。CK和HA体内表现为HA> CK> CD的蔗糖变化趋势则不同于肉苁蓉,二者都表现为先下降再上升然后再下降的变化趋势,其中, CK的蔗糖高峰出现在9月22日而HA的却出现在9月1日,并且除7月8日外HA的蔗糖含量均高于同期CK的蔗糖含量,说明肉苁蓉的寄生对寄主梭梭的蔗糖积累起到了一定的影响。2. 1. 3 不同发育时期肉苁蓉及其寄主梭梭体内的葡萄糖含量的变化 从图1, C可知, CK、HA和肉苁蓉中都含有葡萄糖,且肉苁蓉中的葡萄糖含量远远高于CK和HA体内的葡萄糖含量,差异达极显著水平( F= 138. 92* * ) ,而CK的葡萄糖含量虽略高于HA,但二者差异不显著。从不同发育时期来看,肉苁蓉中葡萄糖的含量在采样期呈上升趋势,到9月22日达到最高峰。在CK中除9月1日外,其它时期葡萄糖含量均高于HA的, CK中葡萄糖的含量在梭梭进入休眠期时呈上升趋势,到了9月22日后梭梭进入生长旺盛期时葡萄糖含量下降。与CK相比,HA的葡萄糖含量变化恰恰相反,在休眠期葡萄糖含量呈现下降的趋势,当进入旺盛生长期时出现最高峰,这可能与快速生长期肉苁蓉大量积累葡萄糖有关。2. 1. 4 不同发育时期肉苁蓉及其寄主梭梭体内果糖含量的变化 从图1, D可知,肉苁蓉和寄主梭梭体内果糖含量有一定的差异,肉苁蓉体内有较高的果糖含量,而CK和HA体内均未检测出果糖含量,而且从不同发育时期来看,肉苁蓉中果糖的含量呈持续上升的趋势,到10月12日达到最高峰。说明在肉苁蓉-梭梭这一寄生体系中,果糖主要贮藏于肉苁蓉的肉质茎中,而不是寄主梭梭的同化枝内。大量研究表明,植物组织中的果糖主要来自于蔗糖分解,而蔗糖分解又取决于蔗糖代谢相关酶的活性。从图3和表1可知,肉苁蓉中分解酶类的活性大于合成酶类的活性, 表现在转化酶含量较低而蔗糖合成酶( SS)和蔗糖磷酸合成酶( SPS)的活性较高,其中SS的活性又大于SPS的,肉苁蓉中较高活性的分解酶促进了蔗糖的分解,从而使得糖分源源不断地从寄主梭梭向肉苁蓉转移,这是导致肉苁蓉中果糖含量升高的主要原因,这与陈俊伟等[15 ]在柑橘上的研究结果是一致的。2. 1. 5 不同发育时期寄主梭梭和肉苁蓉体内果糖、葡萄糖、蔗糖含量占可溶性总糖含量比例 根据图1( A、B、C、D)中不同发育时期CK、HA和CD中可溶性总糖、蔗糖、果糖和葡萄糖含量的动态变化,可以计算出不同发育时期CK、HA和CD中蔗糖、果糖和葡萄糖含量占不同发育时期CK、HA和CD中可溶性总糖含量的比率(图2)。在糖积累高峰期( 9月22日) ,肉苁蓉体内主要以积累葡萄糖为主,约占可溶性总糖含量的43. 84% (图2, B) ,其次为果糖,占18.61% (图2, C) , 二者合计约占62. 45% ,而蔗糖仅占到4. 98% (图2, A ) , 由此可以断定, 肉苁蓉体内主要以积累己糖为主,为己糖积累型,这主要与其体内蔗糖合成酶活性较高有关(图3, C) ,当然除己糖和蔗糖外,肉苁蓉体内还含有其它种类的可溶性糖。而CK和HA体内的蔗糖、果糖、葡萄糖这3种可溶性糖总和仅占其体内可溶性总糖的21%左右( 9月22日) ,而且在不同的发育时期,二者在葡萄糖和蔗糖的积累上还表现出一定的差异。对于CK梭梭(图2, A、B) ,其在7月8日到9月22日这段时间,葡萄糖和蔗糖含量的总和占可溶性总糖的比例总体呈现下降的趋势,由7月8日的30%降到后期的20%( 9月22日)左右,随着生长期停止,其比例迅速下降到12% 左右( 10月12日) ,其中葡萄糖所占比例高于蔗糖,说明CK主要以蔗糖积累为主; 对于HA,从7月8日至10月12,葡萄糖和蔗糖含量的总和占可溶性总糖的比例总体呈现先上升后下降的趋势,在9月1日达到高峰, 为41. 12% ,而且在休眠期主要以积累葡萄糖为主当进入生长旺盛期后以积累蔗糖为主,其中9月1日为其转变过渡期,到生长终止期二者比例迅速下降,远低于CK的葡萄糖和蔗糖含量总和。HA生长后期蔗糖和葡萄糖总量的急剧下降可能与肉苁蓉这种专性根寄生植物生长发育对梭梭体内有机营养物质吸收消耗直接相关,表现为肉苁蓉生长后期糖分的迅速增加。2. 2 不同发育时期肉苁蓉及其寄主梭梭体内蔗糖代谢相关酶活性变化2. 2. 1 不同发育时期肉苁蓉及其寄主梭梭体内酸性转化酶、中性转化酶、蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性变化 转化酶是植物库组织中分解蔗糖的一类酶,包括酸性转化酶和中性转化酶2种。从图3, A可以看出, CK和HA同化枝内的中性转化酶活性呈现先上升后下降的变化趋势,其中HA的中性转化酶在7月28日达到高峰,而CK的中性转化酶活性则推迟到9月1日,与寄主梭梭的中性转化酶相比,寄生植物肉苁蓉的中性转化酶活性相对较低,且在生长发育过程中也呈现出一个先逐渐上升后下降的过程,在9月1日达到活性最高峰。另外通过对CK、HA和肉苁蓉体内的中性转化酶活性作方差分析发现, HA的中性转化酶活性与CK的相比差异不显著,而它们与肉苁蓉的中性转化酶活性则达显著水平(F= 3. 104 * )。从图3, B可以看出, CK和HA的酸性转化酶与它们的中性转化酶表现出同样的变化趋势,所不同的是,二者的酶活性最高峰均出现在7月28日,之后下降很快。肉苁蓉的酸性转化酶活性变化与中性转化酶有一定差异,其活性变化比较平缓,即在肉苁蓉的不同发育时期酸性转化酶活性变化不大。另外,对CK、HA及肉苁蓉体内的酸性转化酶活性方差分析表明, CK和HA间的酸性转化酶活性差异不明显,但二者均比肉苁蓉的酸性转化酶活性高,且具有显著性差异( F= 2. 919* )。通过以上分析,可以看出,作为库组织的肉苁蓉中酸性转化酶和中性转化酶活性均低于源组织的CK和HA的,说明转化酶在一定程度上参与了肉苁蓉库强的调节。蔗糖合成酶是蔗糖代谢过程中,主要对蔗糖分解起关键作用的酶。从图3, C可以看出,肉苁蓉体内的蔗糖合成酶活性呈现先上升后下降的变化趋势,最高峰出现在9月1日,而HA和CK的蔗糖合成酶活性在肉苁蓉的旺盛生长期整体上变化比较平缓( 9月22日以前) ,之后随着外界气候环境的恶化,二者体内的蔗糖合成酶活性快速下降。另外对HA、CK和肉苁蓉的蔗糖合成酶活性行进方差分析发现,肉苁蓉体内的蔗糖合成酶活性极显著高于CK和HA的( F= 52. 968* * ) ,而HA和CK的蔗糖合成酶活性差异不显著,肉苁蓉体内较强的蔗糖合成酶活性为增强肉苁蓉肉质茎这一特殊的库组织的库强度起到了巨大的调节作用。蔗糖磷酸合成酶是植物体内调控蔗糖合成的一类关键酶。从图3, D可知,肉苁蓉的蔗糖磷酸合成酶活性呈现先缓慢上升后快速下降的变化趋势,其最高峰值出现在9月1日,而CK和HA的酶活性整体变化趋势较平缓,只是在9月1日后, CK的酶活性略高于HA的。方差分析表明,肉苁蓉与CK和HA间的酶活性差异达极显著,而CK和HA间的酶活性差异不显著( F= 19. 756* * ) , 这与肉苁蓉、CK 和HA(图1, B)体内蔗糖的变化趋势是一致的。2. 2. 2 不同发育时期寄主梭梭和肉苁蓉体内蔗糖合成酶类和分解酶类及酶净活性变化规律蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶和转化酶(包括中性转化酶和酸性转化酶)是植物果实糖代谢的关键酶,其中,蔗糖磷酸合成酶是合成蔗糖的酶,转化酶是分解蔗糖的酶,而蔗糖合成酶虽然能催化合成蔗糖,但现在有足够的证据表明它也是主要起分解蔗糖的作用[16. 17 ] ,一般被归结为蔗糖分解酶类,所以蔗糖分解酶类活性包括酸性转化酶、中性转化酶和蔗糖合成酶的活性,而蔗糖合成酶类活性主要是蔗糖磷酸合成酶的活性,合成酶类活性减去分解酶类活性即为蔗糖代谢相关酶的净活性[16 ]。肉苁蓉和寄主梭梭蔗糖代谢相关酶总体变化情况见表1。从表1可知,作为库贮藏组织的肉苁蓉,其体内分解酶类活性始终高于CK和HA体内的分解酶活性,且差异达极显著水平(F= 30. 989* * ) ,其中尤以蔗糖合成酶活性最为显著,而且随着肉苁蓉肉质茎的逐渐长大,其体内分解酶类活性表现出持续的上升趋势,使得肉苁蓉主要以积累己糖为主。与肉苁蓉相比, CK和HA的分解酶活性都大于其体内的合成酶活性,且HA的分解酶活性大于CK的,表现为HA体内的蔗糖代谢酶净活性高于CK的,即HA体内整体蔗糖分解水平高于CK的,且二者的差异达显著水平(F= 7. 838* ) ,这就促使糖分由寄主梭梭向寄生植物肉苁蓉的不断转移表现为HA> CK> CD。3 讨 论大量研究表明碳水化合物运输到植物特定的贮藏器官,是由库强和植物生产光合同化物的能力决定的,而库强在很大程度上又取决于库细胞的蔗糖代谢和贮藏能力。因此,蔗糖代谢相关酶活性就成为衡量库强大小的一个重要指标[ 18]。与植物体内糖积累关系密切的糖代谢相关酶主要有中性转化酶、酸性转化酶、蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶[18 ]。对果树的研究表明,在苹果[17 ]和葡萄[ 12]果实发育早期蔗糖含量与转化酶活性呈负相关; 在果实发育的过程中嫁接西瓜幼果组织中转化酶活性下降,蔗糖合成酶活性上升是导致果实中蔗糖含量降低的主要原因[13 ]。与果实相似,肉苁蓉作为一个强大的代谢库,在其生长发育的过程中从寄主组织获取大量的同化物,它获取同化产物的能力取决于代谢库的大小,而库强的大小常常决定与糖代谢相关酶的活性[ 12] ; 而且许多研究还表明,控制糖分积累的关键步骤是在于发育的果实内部而不是源叶输出光合产物的能力或者是韧皮部路径的运输效率。库细胞中糖代谢酶的成分与活力及糖的跨膜运输能力等因素决定了果实糖分的积累[20 ]。其中蔗糖代谢酶中的蔗糖合成酶和转化酶是影响果实库强的一个主要原因。蔗糖合成酶和转化酶调节蔗糖的合成与分解,使库细胞与韧皮部保持一定的蔗糖浓度梯度,便于蔗糖在库组织中积累。作者对肉苁蓉和寄主梭梭体内的蔗糖代谢酶研究后发现,梭梭同化枝内蔗糖磷酸合成酶活性较转化酶活性和蔗糖合成酶活性低,说明梭梭体内糖分积累主要以后两种酶的调控为主,而这两种酶活性的升高促进了梭梭同化枝内光合产物蔗糖的分解,进而运输到肉苁蓉体内,而使自身的生长受到抑制(这与谭德水等[ 9]的结果是一样的) ,表现为寄生肉苁蓉的梭梭的分解酶类(转化酶和蔗糖合成酶活性)高于未寄生肉苁蓉的梭梭的分解酶类活性(表1)。肉苁蓉体内转化酶活性却较低,而其蔗糖合成酶活性和蔗糖磷酸合成酶活性较高,其中蔗糖合成酶活性高于蔗糖磷酸合成酶活性,表现为肉苁蓉中的分解酶类活性高于合成酶类活性,较高的分解酶类活性促进了蔗糖的分解,从而促进了糖分由“源” (梭梭同化枝)向“库” (肉苁蓉肉质茎)的不断转移,表现为寄主梭梭同化枝主要以积累蔗糖和葡萄糖为主,而肉苁蓉肉质茎内以积累葡萄糖、果糖为主,其中在积累高峰期葡萄糖含量约占肉苁蓉肉质茎中可溶性糖含量的43. 84% ,果糖占到18. 61% ,而蔗糖只占极少一部分为4. 98% 。由于肉苁蓉的寄生使得HA的糖分积累较CK的糖分积累也发生了一定变化,表现为CK以积累葡萄糖为主,而HA在夏季休眠期以积累葡萄糖为主,进入秋季旺盛生长期时以积累蔗糖为主,而蔗糖的积累又促进了糖分由“源”向“库”的不断转移,从另一角度说明糖分由寄主梭梭向肉苁蓉的运输和转移主要以蔗糖为主,这与绝大多数植物体内糖分由“源”组织向“库”组织转移的结论一致[18 ]。肉苁蓉的糖分积累与梭梭不同,己糖含量约占可溶性总糖的62. 45% ,而蔗糖仅为可溶性总糖的4. 98% ,故肉苁蓉为糖积累类型中的“己糖积累型”。总体来看,控制梭梭和肉苁蓉体内糖分代谢的酶主要以蔗糖合成酶为主,其它2种酶为辅协同参与调控。