砀山酥梨石细胞发育过程中木质素沉积及结构特性的研究

摘要

砀山酥梨属白梨系品种，原产安徽省砀山县，是我国华北、西北、黄河故道等地区的主栽品种。但近年来由于品种退化或栽培管理不善等原因，砀山酥梨石细胞含量增多，果肉变粗，口感多渣，严重影响砀山酥梨风味和品质。石细胞是木质素沉积在细胞壁次生加厚而形成的，木质素的合成、转运和沉积与石细胞发育有密切的关系。因此，探讨梨石细胞发育过程中的木质素在石细胞次生壁加厚的机制及木质素结构特性，对研究石细胞发育有重要意义。
　　 本实验通过对不同时期的梨果实中木质素合成关键酶、木质素含量、石细胞含量的测定及相关的分析，探讨砀山酥梨的木质素代谢与石细胞发育二者的关系。通过石细胞发育的显微、超显微观察，了解木质素在石细胞壁上转运、沉积，阐明石细胞次生壁形成的机制。通过从梨果实中分离提取纯化出木质素，并对其结构特性及类型进行分析，为更深入的探讨梨石细胞的发育机理奠定基础。
　　 主要研究结果如下：
　　 1、砀山酥梨果实发育过程中，石细胞含量高峰出现在花后51天，为17.82％；木质素含量高峰出现在花后47天和63天，分别为6.47％和7.00％: POD活性高峰3个，分别出现在花后31天、43天和55天，为184.5U/g.min、221.4U/g.min和242.9U/g.min; CAD活性高峰出现在花后35天，为384.6U/g.min: C4H活性高峰也有3个，分别出现在花后23天、39天和63天，为204.9U/g.min、143.2U/g.min和159.1U/g.min。高峰时期出现的顺序：POD、CAD、C4H活性高峰先出现，木质素含量高峰稍后，石细胞含量高峰最后出现。
　　 2、显微、超显微观察表明：木质素沉积是从细胞壁外层开始的，向次生壁推进直至充满整个细胞内腔。木质素在初生壁的细胞角隅处以颗粒状不均匀地在复合胞间层上沉积，随着S1、S2层纤维素微纤丝的沉积并沿圆周呈定向平行排列，木质素仍以颗粒状不均匀地沿着定向平行排列微纤丝的方向并从其内侧沉积，与S2层纤维素微纤丝交替排列直至充满整个细胞内腔为止。
　　 石细胞的细胞壁刚加厚时就出现了纹孔，随着壁的加厚纹孔变得更加明显，最终形成分枝纹孔。随石细胞发育的进行，石细胞壁上的众多纹孔由开发状态渐渐地转为封闭状态，纹孔未封闭前，其保证了相邻细胞间的水分、营养的交换，逐渐封闭的纹孔降低了石细胞与周围环境间的物质交换能力，最终阻碍了石细胞与周围环境的物质交换。
　　 3、从砀山酥梨果实中分离、提取纯化木质素的适宜条件为：梨样品预处理，料液比（液为苯-乙醇混合液：2：1）1：10、60℃恒温水浴锅回流抽提1h;木质素提取：采用料液比（液为二氧六环/水的混合溶剂：8：2）为1：10、20℃，恒温回流提取30h。
　　 4、木质素紫外光谱中274-276 nm处有紫丁香基的吸收特征峰，288nm左右处有愈创木基的吸收特征峰，且274-276nm处吸收较288nm处的吸收峰弱表明，砀山酥梨果实中木质素的类型为愈创木基-紫丁香基木质素( G-S)，且愈创木基的相对含量多于紫丁香基。在＞300 nm区域出现宽大的肩峰，是由砀山酥梨木质素分子中存在的共轭体系造成的
　　 木质素红外光谱中1269cm－1处有愈创木基环加C=O伸缩振动的特征峰，1227cm-1处有与紫丁香核有关的芳香核C-O振动的特征峰，且1269cm－1处的特征峰高于1227cm－1处的特征峰，这二处谱带的强度比：A1269/A1227=1.25可知，砀山酥梨木质素的类型为愈创木基-紫丁香基木质素；愈创木基的相对含量多于紫丁香基。这与紫外光谱的分析相一致。
　　 由乙酰化木质素1H- NMR谱图中7.0×10－6有一峰，6.6×10－6处还有一较弱的信号表明，砀山酥梨木质素的类型为愈创木基-紫丁香基木质素，与紫外光谱、红外光谱的分析相一致。由芳环醋酸酯的质子与脂肪族醋酸酯的质子的比值可以推出原来木素中酚羟基与醇羟基的比例为4.9/29.8=0.16，即酚羟基占总羟基数的16％，而醇羟基占总羟基数的84％。砀山酥梨木质素中碳氢化合物质子含量较多．占15.8％。
　　 由上述分析可知，砀山酥梨果实中木质素的类型为愈创木基-紫丁香基木质素(G-S)；愈创木基的相对含量多于紫丁香基。