鉀對蘋果果實(shí)品質(zhì)的影響及其與6-磷酸海藻糖代謝途徑的關(guān)系.pdf

1、蘋果的產(chǎn)量和品質(zhì)形成主要依賴碳代謝途徑，其最終產(chǎn)物為葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉、蘋果酸和檸檬酸等碳水化合物。鉀是影響果實(shí)生長與發(fā)育的重要礦質(zhì)元素，但其對可溶性糖、有機(jī)酸和淀粉等代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)途徑尚不明確。本研究以不同生長期的蘋果果實(shí)為試驗(yàn)材料，通過向植株施用不同濃度的鉀肥及其與氮磷的配施，向果實(shí)內(nèi)添加可溶性糖以增加碳源的方法，摘葉以減少光合產(chǎn)物合成的處理方式等，分析了果肉的基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量、蛋白活性和初生代謝物含量，從而揭示果實(shí)中鉀元素促進(jìn)

2、可溶性糖含量及抑制有機(jī)酸含量的調(diào)節(jié)途徑。本研究為闡明鉀調(diào)節(jié)蘋果果實(shí)中碳代謝機(jī)理奠定理論基礎(chǔ)，也為鉀調(diào)節(jié)果實(shí)生長與發(fā)育提供理論依據(jù)，對提高蘋果的產(chǎn)量與品質(zhì)有重要的指導(dǎo)意義。
　　本研究獲得的主要結(jié)果如下:
　　1.以五年生的盆栽‘嘎啦’/M26蘋果為試材，施入4種不同水平的氯化鉀(K0、K1、K2和K3)且折合K2O量分別為0、100、200和300 g株-1。通過測定不同時(shí)期的果實(shí)生長指標(biāo)、品質(zhì)指標(biāo)、可溶性糖含量、有機(jī)酸含量

3、以及碳代謝相關(guān)酶活性等，結(jié)果表明鉀處理利于果實(shí)產(chǎn)量與品質(zhì)的提高。K2濃度對果實(shí)pH值、可溶性固形物含量、糖酸比和單株產(chǎn)量的促進(jìn)效果最明顯，而K3濃度對果實(shí)中有機(jī)酸代謝的影響最顯著。這主要是一方面鉀元素能間接地影響酸性轉(zhuǎn)化酶、蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合酶等蛋白酶活性，從而促進(jìn)生長期果實(shí)中蔗糖、果糖和葡萄糖積累;另一方面鉀元素可通過調(diào)節(jié)果實(shí)pH值進(jìn)而影響蘋果酸含量及蘋果酸代謝相關(guān)酶活性。此外，在鉀素配施氮素和磷素處理后，果實(shí)中單果重和可溶性固形

4、物含量較對照組有更為明顯的促進(jìn)作用。
　　2.當(dāng)不同水平的鉀處理果樹，并測定不同發(fā)育時(shí)期的果實(shí)中鉀和鈣離子濃度后，研究發(fā)現(xiàn)果實(shí)內(nèi)鉀元素和鈣元素濃度間存在密切關(guān)聯(lián)。當(dāng)果實(shí)中鉀離子濃度不超過11.85±0.29 mg g-1 DM(Dry Mass)時(shí)，鉀素能促進(jìn)鈣離子的積累;當(dāng)果實(shí)中鉀離子濃度高于11.85±0.29 mg g-1 DM時(shí)，果實(shí)內(nèi)鈣離子濃度隨著鉀離子濃度的迅速增加而呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。推測蘋果果實(shí)內(nèi)鉀離子促進(jìn)鈣積累的

5、極限閾值在11至12 mg g-1 DM之間。
　　3.以施鉀和未施鉀‘嘎啦’/M26蘋果果肉為材料建立測序文庫，經(jīng)Illumina HiSeqTM4000系統(tǒng)進(jìn)行mRNA測序，分析發(fā)現(xiàn)鉀元素可使盛花后70天(d)和90 d時(shí)蘋果果實(shí)內(nèi)基因表達(dá)量出現(xiàn)明顯的變化，其中代謝途徑中的差異基因數(shù)量最多。通過結(jié)合與代謝途徑相關(guān)的代謝組與轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，盛花后70 d時(shí)，鉀元素從基因表達(dá)水平和物質(zhì)含量上對葡萄糖代謝途徑、淀粉合成途徑和6-磷酸

6、海藻糖(Tre6P)代謝途徑均有顯著的影響;盛花后90 d時(shí)，鉀元素從基因表達(dá)水平和物質(zhì)含量上對蘋果酸代謝途徑存在明顯的影響。
　　4.通過測定不同生長時(shí)期的蘋果果實(shí)中淀粉、可溶性糖及磷酸化產(chǎn)物含量發(fā)現(xiàn)，除了擬南芥、土豆和葡萄等植物外，蘋果果實(shí)內(nèi)也存在Tre6P信號物質(zhì)。隨著果樹的生長發(fā)育，果實(shí)中Tre6P含量呈現(xiàn)出先迅速下降后趨于平緩的變化趨勢。不論是對照，還是摘葉或添加外源可溶性糖的處理，果實(shí)中Tre6P含量始終與山梨醇含量變

7、化保持一致，而與蔗糖含量變化不一致。此外，Tre6P可協(xié)同山梨醇調(diào)節(jié)淀粉代謝。
　　5.針對蘋果果實(shí)內(nèi)Tre6P與可溶性糖含量間存在的密切關(guān)系，試驗(yàn)分析鉀素對果實(shí)中可溶性糖含量及其相關(guān)的磷酸化產(chǎn)物含量、蛋白酶活性以及SnRK1激酶活性的調(diào)節(jié)作用。結(jié)果表明，隨著果實(shí)發(fā)育和鉀濃度的不斷積累，6-磷酸海藻糖磷酸合成酶(TPS)活性逐漸降低，山梨醇氧化酶(SOX)活性逐漸增高，從而導(dǎo)致果實(shí)內(nèi)6-磷酸海藻糖和山梨醇含量間的平衡關(guān)系(Tre6

8、P/sorbitol)發(fā)生改變。果實(shí)中鉀含量的不斷增加，還可提高了Tre6P/sorbitol與果糖、蔗糖或葡萄糖含量間的相關(guān)性，從而影響果實(shí)的生長與發(fā)育過程。
　　6.鉀處理不僅能提高果實(shí)中可溶性固形物和促進(jìn)果實(shí)生長，還能明顯增加果實(shí)硬度。通過測定抗氧化物質(zhì)含量和抗氧化酶活性，結(jié)果表明在果實(shí)生長發(fā)育過程中，鉀處理組中活性氧和超氧陰離子含量明顯低于對照組，而鉀處理組中還原性抗壞血酸含量及其相關(guān)代謝酶活性顯著高于對照組。當(dāng)外源海藻糖

9、添加入果實(shí)內(nèi)時(shí)，單脫氫抗壞血酸還原酶(MDHAR)、脫氫抗壞血酸還原酶(DHAR)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性均明顯升高。比較海藻糖處理組與鉀處理組發(fā)現(xiàn)，海藻糖處理組中DHAR和APX的活性變化與鉀處理組中DHAR和APX活性變化一致。此外，鉀元素對生長期果實(shí)中海藻糖酶活性始終存在抑制作用。鉀素處理?xiàng)l件下果實(shí)中DHAR、APX和海藻糖酶（TREH）對活性氧代謝途徑存在協(xié)同調(diào)節(jié)作用。
　　總而言之，鉀不僅能通過調(diào)節(jié)果實(shí)pH值而