楊瑞娟， 龔一富， 郭 倫， 杭雨晴， 王何瑜

(寧波大學(xué)海洋學(xué)院， 浙江 寧波 315211)

蔗糖對紫色土豆微型薯形成及花青素含量的影響

楊瑞娟， 龔一富， 郭 倫， 杭雨晴， 王何瑜

(寧波大學(xué)海洋學(xué)院， 浙江 寧波 315211)

為深入探討蔗糖在植物花青素生物合成過程中的調(diào)節(jié)作用，以紫色土豆為材料，分析不同蔗糖濃度對紫色土豆外植體生長、花青素含量、微型薯形成以及花青素生物合成相關(guān)基因表達(dá)的影響。結(jié)果表明，紫色土豆外植體在蔗糖濃度為15 g/L時生長情況最好，平均長度最長，平均重量最重，但高濃度蔗糖對外植體生長起抑制作用；蔗糖能促進(jìn)紫色土豆花青素含量的積累及微型薯的形成，隨著蔗糖濃度的增加，花青素含量隨之增加，紫色土豆花青素含量在蔗糖濃度為120 g/L時最高，為5.11 mg/g FW，是對照組的8.89倍；蔗糖濃度為60 g/L時，微型薯重量最重，為0.34 g，結(jié)實率最高，達(dá)到22.50%。RT-PCR結(jié)果顯示，蔗糖能促進(jìn)StF3′5′H、StUFGT以及StDFR的表達(dá)，蔗糖通過調(diào)控此類花青素合成相關(guān)基因的表達(dá)影響紫色土豆花青素含量。

花青素；蔗糖；微型薯；紫色土豆；基因表達(dá)

紫色土豆(Solariumtuberoosum)原產(chǎn)南美洲，是集藥用與保健作用為一體的土豆新品種。微型薯是在紫色土豆脫毒試管苗之后生產(chǎn)種薯的新形式，由于微型薯具有體積小、產(chǎn)量高、不易染菌等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于種質(zhì)保存[1]、脫毒苗生產(chǎn)以及基因轉(zhuǎn)移受體中。經(jīng)色素分離和鑒定結(jié)果表明，紫色土豆主要成分為花青素。花青素屬黃酮類化合物，具有很強(qiáng)的抗氧化性，有清除氧自由基、抗炎和抗癌等作用[2-4]。近年來，紫色土豆作為一種營養(yǎng)價值高、保健作用強(qiáng)的食物廣受關(guān)注。

花青素生物合成受到外界因素的調(diào)控，前人研究表明，干旱、低溫、強(qiáng)光[5]、壓力[6]、低氮[7]、蕓苔素[8]、赤霉素、蔗糖[9]等均能影響植物花青素生物合成。其中，外源性蔗糖能夠顯著影響植物花青素的生物合成。利用多種糖類處理花椰菜后發(fā)現(xiàn)，蔗糖對花青素含量影響最大，且蔗糖能夠促進(jìn)花椰菜花青素生物合成相關(guān)基因的表達(dá)[10]。研究表明，蔗糖通過多途徑影響植物花青素的生物合成。首先，作為能源物質(zhì)，蔗糖是植物生長發(fā)育和花青素生物合成的保證。在草莓果實發(fā)育過程中，外源蔗糖處理可加速果實成熟[11]。蘋果的生長發(fā)育和著色也需要蔗糖參與[12]。其次，蔗糖是花青素生物合成的前體物質(zhì)。高濃度蔗糖有利于花青素的積累，在花青素生物合成過程中，蔗糖可能是代謝過程的前體物質(zhì)和提高基因表達(dá)的一個信號分子[13]。第三，蔗糖作為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中初級信使因子參與調(diào)節(jié)植物生命周期中許多重要進(jìn)程[14]，例如，蔗糖能夠通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)Ca2+和蛋白激酶/磷酸酶這些信號轉(zhuǎn)換器參與植物花青素生物合成[15]。

前人已有關(guān)于外源性糖對花青素生物合成及相關(guān)基因表達(dá)影響的研究，然而，對于蔗糖對紫色土豆花青素的影響機(jī)理國內(nèi)外還未見報道。地上植物如番茄、草莓等在無光照條件下不能著色，而紫色土豆果實在完全遮光條件下仍然能夠積累花青素并呈現(xiàn)紫色，可見紫色土豆花青素生物合成調(diào)控機(jī)制與其他物種有所區(qū)別。類黃酮3′5′羥基化酶(F3′5′H)是生成藍(lán)色花色素苷的關(guān)鍵酶，二氫黃酮醇-4-還原酶(DFR)特異催化二氫黃酮醇還原為無色花青素，是花青素顯色的決定性酶，UDP-葡萄糖：黃酮類3-O-葡萄糖基轉(zhuǎn)運(yùn)酶(UFGT)能夠使無色不穩(wěn)定花青素轉(zhuǎn)化為有色穩(wěn)定的花色素苷。研究蔗糖對此類酶基因表達(dá)的影響有助于深入探究完全遮光條件下植物花青素積累的機(jī)制。目前，植物花青素合成相關(guān)基因的表達(dá)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及調(diào)控的機(jī)制研究主要集中在花的部位，對于塊莖等地下部位的花青素積累機(jī)制卻鮮有報道。研究植物地下部分花青素合成機(jī)制將填補(bǔ)此類研究的空白并為花青素生物合成機(jī)理研究提供參考。因此，本實驗通過研究蔗糖對紫色土豆花青素積累及其生物合成相關(guān)基因表達(dá)的影響，為深入探討植物地下部分花青素積累提供參考，同時也為紫色土豆在醫(yī)藥、衛(wèi)生領(lǐng)域的發(fā)展提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 植物材料與處理

紫色土豆試管苗由寧波大學(xué)海洋學(xué)院植物組織培養(yǎng)室提供。剪取無菌苗的莖段，接種于MS培養(yǎng)基中繼代繁殖，培養(yǎng)溫度為(25±1)℃，光照強(qiáng)度為2000 μmol/m2·s，每天光照16 h。培養(yǎng)30 d 后，獲得紫色土豆品種無菌試管苗供實驗用。

蔗糖對基因誘導(dǎo)表達(dá)實驗中，把不同濃度蔗糖處理12 h的試管苗作為實驗材料。提取2～3 cm長、莖稈略帶紫紅色的試管苗為材料，在液氮條件下將0.5 g紫色土豆材料研磨成粉末，抽提好的RNA加入RNA酶抑制劑于-70 ℃保存。

1.2 紫色土豆微型薯培養(yǎng)

本實驗以紫色土豆為材料，設(shè)置4個蔗糖濃度梯度，分別為15 g/L、30 g/L、60 g/L和120 g/L，每個濃度設(shè)3個重復(fù)，每個重復(fù)接種10 瓶，每瓶接種4個外植體，每個重復(fù)共40個外植體。不加蔗糖處理的一組為對照組，培養(yǎng)30 d后，用吸水紙吸干微型薯表面水份，在電子天平上稱取鮮重和微型薯的重量，記錄并計算微型薯的結(jié)薯率。

1.3 花青素含量的測定

將含有花青素的紫色土豆外植體剪成0.5 cm左右長短，再用濾紙進(jìn)行水份吸干。隨機(jī)取樣，在電子分析天平上分別準(zhǔn)確稱量紫色土豆外植體的新鮮重量，每次稱取量在0.1 g±10%，置于試管中。在試管中加入0.3 mL的1%酸性(1% HCl)乙醇，用鑷子進(jìn)行外植體的組織破碎，再加0.7 mL 1%酸性(1% HCl)乙醇定量。所有的試管用封口膜扎緊以防揮發(fā)，20℃下在THZ-C恒溫振蕩器上以95 r/min的速度進(jìn)行培養(yǎng)18 h，肉眼觀察組織完全變白。室溫條件下將培養(yǎng)后的組織21500 r/min離心3 min。精密量取離心后上清液0.5 mL與2.5 mL的1%酸性乙醇混合后，將混合液加到1 cm厚比色皿中， 1%酸性(1%HCl)乙醇溶液為空白對照，用722可見分光光度計分別在530 nm波長和657 nm波長下測定花青素的吸光度。每個樣品重復(fù)測量3次，取平均值。

計算公式：Q=(D530 nm-0.25D657 nm)×M-1。

其中Q為花青素的含量，單位為mg/g FW；D530 nm為花青素在530 nm的吸光度;D657 nm為花青素在657 nm的吸光度;M為花青素的樣品質(zhì)量，單位為g。

1.4 紫色土豆花青素相關(guān)基因表達(dá)分析

提取不同蔗糖濃度處理的紫色土豆試管苗RNA并檢查其濃度。按照TaKaRa公司DNase I 的操作程序，在37 ℃下溫浴30 min去除RNA樣品中的DNA。每份0.5 μg的RNA樣品用于 RT-PCR分析， RT-PCR按照one-step RT-PCR Kit (TaKaRa, Japan) 的操作程序進(jìn)行。反應(yīng)中所使用的引物分別為stf3′5′h-F和stf3′5′h-R、stdfr-F和stdfr-R、stufgt-F和stufgt-R(表1)，PCR程序：50℃反轉(zhuǎn)30 min；94℃預(yù)變性 2 min ； 94℃變性 45 s，60℃ 退火45 s，72℃延伸 2 min，28個循環(huán)；72℃延伸10 min;4℃保存。RT-PCR的內(nèi)參是土豆actin，等量的RNA作為模板，所使用的特異引物是actin-F和actin-R(表1)，產(chǎn)物在含溴化乙錠的1%的瓊脂糖凝膠上電泳分離檢測。

表1 實驗所用的 PCR引物

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度蔗糖對紫色土豆外植體生長的影響

研究不同濃度蔗糖對紫色土豆外植體生長的影響，實驗結(jié)果表明(表2)，隨著蔗糖濃度的增加，紫色土豆外植體的長度與重量呈先上升后下降的趨勢，在蔗糖濃度15 g/L時，紫色土豆外植體的長度達(dá)到最大值，為2.99 cm，外植體重量也達(dá)到最大值，為0.02 g。蔗糖濃度為120 g/L時，外植體長度和重量均低于對照組，說明高濃度蔗糖能夠抑制外植體的生長。方差分析表明不同濃度蔗糖對外植體生長長度與重量有顯著影響。

表2 不同濃度蔗糖處理后外植體生長情況

圖1 蔗糖濃度對紫色土豆結(jié)薯率的影響

Fig 1 The effect of different concentrations of sucrose on the ratio of tuber formation

2.2 不同濃度蔗糖對紫色土豆微型薯形成的影響

研究不同濃度蔗糖對紫色土豆微型薯生長的影響，實驗結(jié)果表明(圖1和圖2)，在一定蔗糖濃度范圍內(nèi)，紫色土豆結(jié)薯率和微型薯重量與蔗糖濃度成正相關(guān)。在蔗糖濃度為60 g/L 時結(jié)薯率最高，為22.50%，此濃度下微型薯總重量也最重，為0.34 g。對照組中，微型薯結(jié)薯率為零，可以看出蔗糖是微型薯形成和生長的必要因素。

圖2 不同濃度蔗糖處理下微型薯的重量

2.3 不同濃度蔗糖對紫色土豆花青素含量的影響

研究不同蔗糖濃度對紫色土豆花青素的影響，實驗結(jié)果表明(圖3 a)，隨著蔗糖濃度的增加，紫色土豆外植體花青素的含量呈增長趨勢?；ㄇ嗨睾吭谡崽菨舛葹?20 g/L時達(dá)到最大值，為5.11 mg/g FW，是對照組的8.89倍(對照組花青素含量為0.58 mg/g FW)。方差分析表明，不同濃度蔗糖對紫色土豆花青素含量有高度顯著影響。

2.4 不同濃度蔗糖對紫色土豆花青素生物合成相關(guān)基因的影響

使用RT-PCR分析StF3′5′H、StDFR以及StUFGT在不同濃度蔗糖處理后在試管苗中的表達(dá)情況，結(jié)果表明，3個基因的表達(dá)均受蔗糖這一因素的誘導(dǎo)。不同濃度蔗糖處理紫色土豆12 h以后，StF3′5′H的表達(dá)量隨蔗糖濃度的增加而明顯增強(qiáng)，StF3′5′H的表達(dá)在蔗糖濃度為15 g/L和30 g/L時已有明顯的增強(qiáng)；當(dāng)蔗糖濃度為60 g/L和120 g/L時，StF3′5′H的表達(dá)量達(dá)到最高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對照組(圖3 b)。StDFR的表達(dá)量同樣隨蔗糖濃度的增加而明顯增強(qiáng)，當(dāng)蔗糖濃度為15 g/L時,StDFR的表達(dá)已經(jīng)有較明顯的增強(qiáng)；蔗糖濃度為60 g/L時，StDFR的表達(dá)量達(dá)到最高；當(dāng)蔗糖濃度120 g/L時，StDFR的表達(dá)量雖比蔗糖60 g/L時略微下降，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對照組(圖3 b)。StUFGT的表達(dá)量在不同濃度蔗糖處理試管苗12 h后有明顯增強(qiáng)，當(dāng)蔗糖濃度為15 g/L時，StUFGT的表達(dá)無明顯增強(qiáng)，與對照組幾乎相同；當(dāng)蔗糖濃度為30 g/L時，StUFGT的表達(dá)才有較明顯的增強(qiáng)；StUFGT的表達(dá)量在蔗糖濃度為60 g/L時達(dá)到最高；StUFGT的表達(dá)量在蔗糖濃度為120 g/L時略有下降，但仍然明顯高于對照組(圖3b)。

將不同蔗糖濃度下紫色土豆花青素的含量與此濃度下花青素相關(guān)基因的表達(dá)情況比較后發(fā)現(xiàn)(圖3)，花青素含量以及StF3′5′H、StDFR和StUFGT的表達(dá)均與蔗糖濃度呈正相關(guān)。當(dāng)蔗糖濃度為60 g/L時3個基因表達(dá)最強(qiáng)，而花青素含量在蔗糖濃度為120 g/L時達(dá)到最高。其中的原因可能是蔗糖濃度為120 g/L時，合成途徑中的其他關(guān)鍵酶基因表達(dá)繼續(xù)增強(qiáng)，例如StCHS表達(dá)量在蔗糖濃度為120 g/L時顯著增強(qiáng)。

圖3 不同蔗糖濃度處理下花青素積累(a)與花青素相關(guān)基因表達(dá)(b)的關(guān)系

3 討論

蔗糖是影響淮山薯(DioscoreafordiiPrain et Burkill.)珠芽誘導(dǎo)率和平均珠芽數(shù)的主導(dǎo)因子[16]，高濃度蔗糖可誘導(dǎo)塊莖膨大過程中的關(guān)鍵酶——淀粉合成酶的表達(dá)。本研究發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)蔗糖處理的紫色土豆無微型薯生成，說明淀粉合成酶在無蔗糖情況下未表達(dá)或表達(dá)較弱，進(jìn)而阻斷了塊莖膨大進(jìn)程。外植體在濃度為15 g/L 時長勢最好，高濃度(60 g/L及以上)蔗糖反而抑制外植體生長，但此濃度下微型薯的生長情況最好，一方面考慮營養(yǎng)較多提供微型薯的生長，造成外植體生長弱?。涣硪环矫?，高濃度蔗糖自身對外植體生長有抑制作用[17]，這與前人研究蔗糖對擬南芥(Arabidopsisthaliana)的影響結(jié)果一致[18]。因此在紫色土豆生長過程中，應(yīng)根據(jù)需求的不同，選擇不同蔗糖濃度進(jìn)行培養(yǎng)。

蔗糖誘導(dǎo)植物花青素的積累及其合成途徑中相關(guān)基因的表達(dá)，擬南芥(Arabidopsisthaliana)、矮牽牛(RosahybridaL.)、花椰菜(Brassicaoleracea)等植物花青素生物合成及相關(guān)基因表達(dá)均受蔗糖調(diào)節(jié)[19-20]。早期研究結(jié)果表明，蔗糖作為前體物質(zhì)參與植物花青素生物合成；后來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蔗糖能夠通過提高植物的滲透脅迫能力為花青素生物合成提供動力，蔗糖能夠增強(qiáng)擬南芥中花青素色素基因PAP1的表達(dá)，進(jìn)而提高花青素含量，并增強(qiáng)擬南芥的鹽脅迫能力[21]；植物花青素的生物合成還受蔗糖特異信號通路調(diào)控，而外源性蔗糖能夠激活蔗糖特異信號通路進(jìn)而影響花青素生物合成[22]。本研究結(jié)果表明，隨著蔗糖濃度的增加，花青素含量及合成相關(guān)基因表達(dá)量逐漸增加，且不同蔗糖濃度對花青素含量的影響與其合成相關(guān)基因表達(dá)情況基本一致。外源性蔗糖顯著誘導(dǎo)StF3′5′H、StDFR和StUFGT的表達(dá)，使花青素合成過程中的關(guān)鍵酶高度表達(dá)，進(jìn)而增加紫色土豆花青素含量，說明蔗糖能夠通過誘導(dǎo)紫色土豆花青素合成相關(guān)酶基因的表達(dá)從而調(diào)節(jié)花青素代謝途徑影響花青素的積累。不同種類的可溶性糖對植物花青素生物合成影響不同，其中，蔗糖能夠明顯提高花青素生物合成，說明培養(yǎng)基中C/N比也是花青素生物合成的影響因素[23]。蔗糖對植物花青素生物合成機(jī)理可能通過一些未知的途徑進(jìn)行調(diào)控，需要進(jìn)一步探索。蔗糖是光合產(chǎn)物由葉片或源組織到庫組織的主要運(yùn)輸形式[24]，紫色土豆地下部分花青素生物合成可能通過運(yùn)送到塊莖的蔗糖誘導(dǎo)合成。本實驗研究蔗糖對紫色土豆花青素的生物合成機(jī)理，為植物花青素合成代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的提供參考。地下部分植物花青素生物合成涉及到復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)，有待于進(jìn)一步研究。花青素生物合成是類黃酮類物質(zhì)合成途徑的分支模式，后續(xù)研究可進(jìn)一步分析花青素合成途徑和其他途徑的協(xié)調(diào)機(jī)制。

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Effect of sucrose on minituber formation and the accumulation of anthocyanin in purple potato

YANG Rui-juan, GONG Yi-fu, GUO Lun, HANG Yu-qing, WANG He-yu

(School of Marine Sciences, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

To illuminate the sucrose regulation of plant anthocyanin biosynthesis pathway, the effects of different sucrose concentration on the explants growth, anthocyanin accumulation, the minituber formation and the related gene expression involved in anthocyanin biosynthesis in purple potato were investigated. The results indicated that when cultured with 15 g/L sucrose, the explants have the best growth condition, the growth of explants was inhibited at high concentration of sucrose. Sucrose enhanced the contents of anthocyanin and the minituber formation in purple potato. With the increasing of sucrose concentration, anthocyanin accumulation was significantly increased. When treated with 120 g/L sucrose, the contents of anthocyanin achieved the highest value as 5.11 mg/g FW. The minitubers have a heaviest weight (0.34 g) and highest setting rate (22.50%), when treated with 60 g/L sucrose. The related genes involved in anthocyanin biosynthesis includingStF3′5′H,StDFRandStUFGTwere up-regulated by sucrose, implying that the sucrose might control the anthocyanin accumulation by regulating the genes expressions involved in anthocyanin biosynthesis.

anthocyanin; sucrose; minituber; purple potato; genes expression

2014-05-01；

2014-07-10

浙江省自然科學(xué)基金項目(LY13C020004)

龔一富，副教授，主要研究方向為植物分子生物學(xué)與基因工程，E-mail：gongyifu@163.com。

Q945

A

2095-1736(2015)01-0053-05

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2015.02.053