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砧木对西瓜果实瓜氨酸及其他代谢物含量的影响

【摘要】:嫁接是西瓜(Citrullus lanatus L.)生产中的一项重要技术。中国是世界上西瓜生产和消费第一大国,其中40%的西瓜是嫁接生产的。不同的砧木嫁接会影响西瓜果实的营养物质成分与含量。本论文在重茬种植西瓜4年的大棚中,通过4个试验来研究砧木对西瓜果实瓜氨酸及其他代谢物含量的影响,主要研究结果如下:1.为了解瓜氨酸在不同葫芦科作物中的含量差异,本试验以9种葫芦科作物为研究对象,测定了9种葫芦科作物的果实、老叶、幼叶、根、茎中的瓜氨酸含量。结果表明:在9种葫芦科作物中,果实的瓜氨酸含量最高(1.4 g/kg.f.wt),其次是老叶(0.85 g/kg.f.wt),幼叶(0.47 g/kg.f.wt),根(0.43 g/kg.f.wt)和茎(0.39 g/kg.f.wt)。比较不同葫芦科作物果实中瓜氨酸的含量,发现西瓜果实中瓜氨酸含量最高(1.4 g/kg.f.wt);比较9种葫芦科作物茎、根、叶片中瓜氨酸的含量,发现葫芦(Lagenaria siceraria)茎中瓜氨酸含量最丰富(0.39 g/kg.f.wt);苦瓜(Momordica charantia)的根中瓜氨酸含量最高(0.43 g/kg.f.wt);苦瓜幼嫩叶中瓜氨酸含量最高(0.47 g/kg.f.wt),而丝瓜(Luffa aegyptiaca)老叶中较高(0.85 g/kg.f.wt)。研究结果表明葫芦科作物不仅在果实中含有瓜氨酸,其他被测组织也是潜在的瓜氨酸来源。2.为了揭示不同砧木嫁接对西瓜果实瓜氨酸合成的影响调控机制,分别以自根嫁接西瓜(SRW)、南瓜(Cucurbita moschata)为砧木的西瓜(PGW)、野生西瓜(Citrullus amarus)为砧木的西瓜(WGW)和葫芦为砧木的西瓜(GGW)果实为研究对象,比较不同砧木嫁接西瓜果实发育过程中瓜氨酸代谢途径中基因表达量和瓜氨酸含量的变化。结果表明,砧木降低了瓜氨酸含量和所有基因的表达,GGW的抑制作用较SGW和NGW明显,WGW和PGW次之。SGW和NGW中瓜氨酸含量显著升高是由于上游基因的高表达和ASl2、ARG的高度下调所致。我们的结果为进一步研究瓜氨酸在不同砧木嫁接西瓜果实中积累的可能机制奠定了基础。3.为研究南瓜嫁接对西瓜果实品质和风味的影响,以南瓜嫁接西瓜(PGW)和自生根西瓜(SRW)的成熟期果肉为试验材料,通过LC-ESI-MS/MS代谢组学方法检测了西瓜果实中代谢物含量。结果表明:PGW中碳水化合物、脂质、维生素、氨基酸、生物碱和有机酸的总含量分别增加了17%、26%、60%、8%和31%,而总酚和类黄酮的含量分别减少了24%和11%。PGW中代谢物明显升高的分别是与口感的相关化合物,例如糖(蔗糖、葡萄糖、海藻糖和6-磷酸葡萄糖),有机酸(顺式乌头酸、异柠檬酸、富马酸和苹果酸),与风味有关的化合物(酚和氨基酸)以及与健康相关的化合物(瓜氨酸、谷胱甘肽和维生素)。本试验表明在西瓜重茬地南瓜嫁接有助于提高西瓜果实的品质。4.为研究南瓜嫁接对西瓜果实代谢物调控的分子机制,本研究对不同发育阶段的南瓜嫁接西瓜和未嫁接西瓜进行了代谢组和转录组关联分析。最终鉴定出了56种在南瓜嫁接西瓜和未嫁接西瓜中变化较大的初级代谢产物。其中,鸟氨酸、精氨酸和赖氨酸(氨基酸),葡萄糖、蔗糖和葡萄糖胺(糖),苹果酸、富马酸和琥珀酸(有机酸)是影响果实品质的主要代谢产物。对授粉后10d、18d、26d和34d的对南瓜嫁接和未嫁接西瓜进行转录组比较分析,分别筛选到了729、174、128和356个差异表达的基因。这些差异表达基因的KEGG和GO分析表明嫁接显著改变了与果实品质有关的代谢过程。关联分析代谢组和转录组数据,结果发现FBA2、FK、SuSy、SPS、IAI、AI和糖转运蛋白基因(SWT3b)在葡萄糖和蔗糖的积累中起着核心作用,而南瓜嫁接西瓜中较高的苹果酸含量则是由于ALMT13和ALMT8的下调造成的。同时南瓜嫁接西瓜中鸟氨酸、谷氨酰胺、丙氨酸、酪氨酸、缬氨酸、天冬酰胺、苯丙氨酸、精氨酸和色氨酸含量的变化与其代谢相关基因NAOD、GS、AGT、TaT、aDH1、OGDH、aDC、4CL1、PaL、CaT和两个硝酸盐转运蛋白基因(NRT1)的转录水平一致。这项研究的开展为后续进一步揭示西瓜嫁接对果实品质相关的代谢物的影响及调控机制提供了理论基础。

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