钾对苹果果实品质的影响及其与6-磷酸海藻糖代谢途径的关系

摘要

苹果的产量和品质形成主要依赖碳代谢途径，其最终产物为葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、苹果酸和柠檬酸等碳水化合物。钾是影响果实生长与发育的重要矿质元素，但其对可溶性糖、有机酸和淀粉等代谢产物的调节途径尚不明确。本研究以不同生长期的苹果果实为试验材料，通过向植株施用不同浓度的钾肥及其与氮磷的配施，向果实内添加可溶性糖以增加碳源的方法，摘叶以减少光合产物合成的处理方式等，分析了果肉的基因转录表达量、蛋白活性和初生代谢物含量，从而揭示果实中钾元素促进可溶性糖含量及抑制有机酸含量的调节途径。本研究为阐明钾调节苹果果实中碳代谢机理奠定理论基础，也为钾调节果实生长与发育提供理论依据，对提高苹果的产量与品质有重要的指导意义。
　　本研究获得的主要结果如下:
　　1.以五年生的盆栽‘嘎啦’/M26苹果为试材，施入4种不同水平的氯化钾(K0、K1、K2和K3)且折合K2O量分别为0、100、200和300 g株-1。通过测定不同时期的果实生长指标、品质指标、可溶性糖含量、有机酸含量以及碳代谢相关酶活性等，结果表明钾处理利于果实产量与品质的提高。K2浓度对果实pH值、可溶性固形物含量、糖酸比和单株产量的促进效果最明显，而K3浓度对果实中有机酸代谢的影响最显著。这主要是一方面钾元素能间接地影响酸性转化酶、蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合酶等蛋白酶活性，从而促进生长期果实中蔗糖、果糖和葡萄糖积累;另一方面钾元素可通过调节果实pH值进而影响苹果酸含量及苹果酸代谢相关酶活性。此外，在钾素配施氮素和磷素处理后，果实中单果重和可溶性固形物含量较对照组有更为明显的促进作用。
　　2.当不同水平的钾处理果树，并测定不同发育时期的果实中钾和钙离子浓度后，研究发现果实内钾元素和钙元素浓度间存在密切关联。当果实中钾离子浓度不超过11.85±0.29 mg g-1 DM(Dry Mass)时，钾素能促进钙离子的积累;当果实中钾离子浓度高于11.85±0.29 mg g-1 DM时，果实内钙离子浓度随着钾离子浓度的迅速增加而呈现逐渐下降的趋势。推测苹果果实内钾离子促进钙积累的极限阈值在11至12 mg g-1 DM之间。
　　3.以施钾和未施钾‘嘎啦’/M26苹果果肉为材料建立测序文库，经Illumina HiSeqTM4000系统进行mRNA测序，分析发现钾元素可使盛花后70天(d)和90 d时苹果果实内基因表达量出现明显的变化，其中代谢途径中的差异基因数量最多。通过结合与代谢途径相关的代谢组与转录组数据发现，盛花后70 d时，钾元素从基因表达水平和物质含量上对葡萄糖代谢途径、淀粉合成途径和6-磷酸海藻糖(Tre6P)代谢途径均有显著的影响;盛花后90 d时，钾元素从基因表达水平和物质含量上对苹果酸代谢途径存在明显的影响。
　　4.通过测定不同生长时期的苹果果实中淀粉、可溶性糖及磷酸化产物含量发现，除了拟南芥、土豆和葡萄等植物外，苹果果实内也存在Tre6P信号物质。随着果树的生长发育，果实中Tre6P含量呈现出先迅速下降后趋于平缓的变化趋势。不论是对照，还是摘叶或添加外源可溶性糖的处理，果实中Tre6P含量始终与山梨醇含量变化保持一致，而与蔗糖含量变化不一致。此外，Tre6P可协同山梨醇调节淀粉代谢。
　　5.针对苹果果实内Tre6P与可溶性糖含量间存在的密切关系，试验分析钾素对果实中可溶性糖含量及其相关的磷酸化产物含量、蛋白酶活性以及SnRK1激酶活性的调节作用。结果表明，随着果实发育和钾浓度的不断积累，6-磷酸海藻糖磷酸合成酶(TPS)活性逐渐降低，山梨醇氧化酶(SOX)活性逐渐增高，从而导致果实内6-磷酸海藻糖和山梨醇含量间的平衡关系(Tre6P/sorbitol)发生改变。果实中钾含量的不断增加，还可提高了Tre6P/sorbitol与果糖、蔗糖或葡萄糖含量间的相关性，从而影响果实的生长与发育过程。
　　6.钾处理不仅能提高果实中可溶性固形物和促进果实生长，还能明显增加果实硬度。通过测定抗氧化物质含量和抗氧化酶活性，结果表明在果实生长发育过程中，钾处理组中活性氧和超氧阴离子含量明显低于对照组，而钾处理组中还原性抗坏血酸含量及其相关代谢酶活性显著高于对照组。当外源海藻糖添加入果实内时，单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性均明显升高。比较海藻糖处理组与钾处理组发现，海藻糖处理组中DHAR和APX的活性变化与钾处理组中DHAR和APX活性变化一致。此外，钾元素对生长期果实中海藻糖酶活性始终存在抑制作用。钾素处理条件下果实中DHAR、APX和海藻糖酶（TREH）对活性氧代谢途径存在协同调节作用。
　　总而言之，钾不仅能通过调节果实pH值而影响果实内有机酸含量，还能通过6-磷酸海藻糖代谢途径影响果实硬度、淀粉含量和可溶性糖积累量。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 我国钾素施用现状

1．3 钾元素对植物生长与发育的影响

1．3．1 钾元素与果实糖代谢

1．3．2 钾与果实酸代谢

1．3．3 钾与果实硬度

1．4 果实中可溶性糖和有机酸代谢相关酶

1．4．1 可溶性糖代谢相关酶

1．4．2 有机酸代谢相关酶

1．5 抗氧化酶对植物生长与发育的影响

1．6 高等植物中6-磷酸海藻糖的代谢途径

1．6．1 Tre6P及关键酶对植物生长发育的调控

1．6．2 Tre6P与SnRK1信号调控

1．7 转录组学技术在植物钾元素研究中的应用

1．8 本研究的目的意义和内容

第二章 钾素对苹果果实碳代谢的影响及其配施氮、磷的协同作用

2．1 材料和方法

2．1．1 植物材料

2．1．2 果实生长指标测定

2．1．3 可溶性糖和有机酸含量测定

2．1．4 可溶性糖和有机酸代谢相关酶活性测定

2．1．5 数据分析

2．2 结果与分析

2．2．1 不同钾浓度对果实品质与产量的影响

2．2．2 钾元素配施氮、磷对果实品质的影响

2．2．3 不同浓度的钾处理对果实内钙元素含量的影响

2．2．4 不同浓度的钾处理对果实中碳代谢产物的影响

2．2．5 不同浓度的钾处理对果实中碳代谢相关酶的影响

2．3 讨论

2．4 小结

第三章 基于代谢物和基因转录分析钾元素对苹果果实中初生代谢途径的调节作用

3．1 材料和方法

3．1．1 植物材料

3．1．2 初生代谢物含量测定

3．1．3 果实RNA提取及RNA序列分析

3．1．4 数据和代谢网络分析

3．2 结果与分析

3．2．1 钾元素对苹果果实内初生代谢物质含量的影响

3．2．2 钾元素对苹果果实内初生代谢物含量间的相关性分析

3．2．3 钾元素对果实中基因转录水平的影响

3．2．4 钾元素对果实中参与代谢途径基因的转录水平影响

3．2．5 钾元素对果实中初生代谢途径的基因转录水平影响

3．3 讨论

3．4 小结

第四章 苹果果实中6-磷酸海藻糖与碳代谢物的关系分析

4．1 材料和方法

4．1．1 植物材料

4．1．2 果树摘叶处理

4．1．3 果实内外源添加可溶性糖的处理

4．1．4 单果重和横径的测定

4．1．5 淀粉、可溶性糖及磷酸化代谢产物含量的测定

4．1．6 数据分析

4．2 结果与分析

4．2．1 果实外部形态的动态变化

4．2．2 生长期果实中可溶性糖含量及淀粉的含量变化

4．2．3 生长期果实中6-磷酸海藻糖与海藻糖的含量变化

4．2．4 生长期果实中6-磷酸海藻糖前体物质的含量变化

4．2．6 果实膨大期摘叶对6-磷酸海藻糖含量的影响

4．2．7 外源添加可溶性糖对6-磷酸海藻糖含量的影响

4．2．8 果实中6-磷酸海藻糖与山梨醇含量比值与可溶性糖及淀粉含量问的关系

4．3 讨论

4．4 小结

第五章 6-磷酸海藻糖对苹果果实中可溶性糖含量的影响及与钾元素的关系

5．1 材料和方法

5．1．1 植物材料

5．1．2 果实生长指标测定

5．1．3 果实内钾离子浓度测定

5．1．4 果实内主要代谢物质含量的测定

5．1．5 糖代谢相关酶活性测定

5．1．6 果实中TPS、TPP和SnRKl活性测定

5．1．7 数据分析

5．2 结果与分析

5．2．1 钾处理对果实内在品质的影响

5．2．2 钾处理对果实中可溶性糖含量的影响

5．2．3 钾处理对果实中可溶性糖代谢相关酶活性的影响

5．2．4 钾处理对果实中6-磷酸海藻糖代谢途径的影响

5．2．5 钾处理条件下6-磷酸海藻糖和可溶性糖含量问的相关性分析

5．2．6 钾处理对果实中SnRK1活性的影响

5．2．7 钾处理下Tre6P/Sorbitol与可溶性糖含量之间的相关性分析

5．2．8 钾处理下果实中Tre6P与sorbitol之问的关系分析

5．3 讨论

5．4 小结

第六章 钾素对苹果果实中活性氧代谢的影响及与海藻糖的关系

6．1 材料与方法

6．1．1 植物材料

6．1．2 果实中添加外源可溶性糖处理

6．1．3 果实生长与发育的基础指标测定

6．1．4 果实内钾离子浓度测定

6．1．5 过氧化氢、超氧阴离子和还原性抗坏血酸含量测定

6．1．6 抗氧化酶活性的测定

6．1．7 可溶性糖含量测定

6．1．8 TPS，TPP和TREH活性测定

6．1．9 数据分析

6．2 结果与分析

6．2．1 果实内钾含量的变化及其对生长指标的影响

6．2．2 钾处理对果实内H2O2、O2*-和ASC含量以及抗氧化酶活性的影响

6．2．3 钾处理对果实内可溶性糖含量变化的影响

6．2．4 果糖和海藻糖对抗氧化物酶活性的影响

6．2．5 钾处理对果实中TPS、TPP和TREH酶活性的影响

6．3 讨论

6．4 小结

第七章 结论与主要创新点

7．1 结论

7．2 主要创新点

参考文献

缩略语

致谢

作者简介