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Background

研究背景

5-氨基乙酰丙酸（ALA）是一種新型植物生長調節(jié)物質，在植物生產中能夠起到多種調節(jié)作用，其中ALA提高植物光合作用效應尤為引人關注。2023年，我們制訂并發(fā)布《5-氨基乙酰丙酸 桃樹施用技術規(guī)程》團標(TJAASS 88—2023)，規(guī)范了ALA在桃上應用標準。但這個規(guī)程是否適用于其它樹種尚不清楚，ALA提高植物葉片光合效率的內在機制更需要深入研究。因此，本研究以盛果期‘華山’梨為材料，參照TJAASS 88—2023要求，在果樹開花前一周用ALA稀釋液灌根防寒、在盛花后期噴花以去除過多花朵的基礎上，于幼果發(fā)育期葉片噴施ALA溶液，探討ALA對梨樹葉片光合能力的影響，通過葉片氣體交換參數、葉綠素快速熒光特性以及葉綠素合成、光合系統(tǒng)II電子傳遞載體相關基因表達等分析，以期闡釋ALA對梨葉片光合作用的調控機理。

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Content

研究內容

1. ALA處理顯著促進梨葉片凈光合速率(Pn)等光合氣體交換參數

梨樹葉片噴施外源ALA后1周，葉片Pn就顯著高于對照。這種效應至少持續(xù)5周。5周間，ALA誘導的凈光合速率(Pn)平均增幅29.28%(圖1A)，ALA處理葉片蒸騰速率(Tr)平均比對照高出13.94%(圖1B)。與此類似，ALA處理后梨葉片氣孔導度(Gsw)整體上比對照高出18.73%(圖1C)。而且，梨葉片瞬時羧化效率(Pn/Ci)總平均值比對照增加32.30%(圖1E)，水分利用效率提高11.16%(圖1F)。由此可見，ALA處理提高梨樹葉片光合性能至少可以保持3-4周。

圖1 ALA處理對梨葉片光合氣體交換參數的影響。

2. ALA處理顯著促進梨葉片內源ALA的合成與代謝

本研究結果顯示，外源ALA處理可以誘導梨樹葉片內源ALA含量增加。在ALA處理后5周內，外源ALA誘導的內源ALA含量增幅達41.99%(圖2A)。在此過程中，外源ALA處理一方面顯著提高內源ALA合成能力，5周內的平均值提高54.54%(圖2B)；另一方面，在ALA處理后第2周外源ALA處理促進梨葉片內源ALA代謝分解。這意味著，外源ALA噴施梨葉片不僅促進內源ALA合成，而且促進ALA代謝。外源ALA對內源ALA合成的促進效應至少保持5周。

圖2 外源ALA對梨葉片內源ALA含量(A)、生物合成(B)和代謝能力(C)的影響

3. ALA處理顯著促進梨葉片光合色素的合成

如圖3A所示，ALA處理后第二周開始，處理葉片葉綠素相對含量(SPAD)均顯著高于對照。從圖3B-D看，ALA處理1周后梨樹葉片葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素總量均顯著高于對照。盡管第2周兩者Chl b含量沒有差異，但其它時間點的差異均達到顯著水平，說明ALA處理促進梨葉片葉綠素積累，緩解其含量下降。具體來說，ALA處理葉片五周內Chl a、Chl b和葉綠素總量的平均值分別比對照高出11.38%、8.59%和10.44%。另外，ALA促進提高梨葉片Chl a/b比值，說明ALA促進葉片葉綠素a積累，但不利于a轉化為b。與此類似，ALA處理也可以促進葉片類胡蘿卜素(Car)含量上升(圖3F)，且五周平均值比對照高出16.25%。

圖3 ALA處理對梨葉片光合色素含量的影響。(A)葉綠素相對含量、(B)葉綠素a、(C)葉綠素b、(D)總葉綠素含量、(E)Chla/b比值、(F)類胡蘿卜素含量

4. ALA處理對葉綠素合成相關基因表達的影響

為探究外源ALA提高梨葉片葉綠素含量的機理，本研究分析了葉片噴施ALA后與ALA以及葉綠素生物合成相關的主要基因相對表達量?？梢钥闯?，催化ALA合成的兩個關鍵基因HEMA和GSA相對表達量在外源ALA處理后明顯上調。并且，ALA處理的葉片HEMF基因表達量至少在4周內顯著高于對照。類似的情況出現在HEMG(催化原卟啉原Ⅸ生成原卟啉Ⅸ)和CHLH(催化原卟啉Ⅸ螯合Mg2+生成Mg-原卟啉Ⅸ)。CHLH是控制葉綠素生物合成分支的一個基因。從圖中看，ALA處理第1周葉片CHLH相對表達量顯著高于對照。這種效應可以維持3周。從整體上看，ALA促進其自身合成、代謝以及轉化為葉綠素的編碼基因表達，特別是處理后4周內，多數基因表達均受到不同程度上調。

圖4 葉綠素生物合成途徑及ALA處理對梨葉片相關基因表達的影響

5. ALA提高葉綠素合成關鍵基因PypHEMA和PypCHLH的啟動子活性

為了進一步探究ALA調控葉綠素合成機制，本研究通過在煙草中進行的GUS染色實驗研究ALA對葉綠素合成過程中關鍵基因啟動子的影響。結果表明，外源ALA可以顯著增強PypHEMA和PypCHLH基因啟動子活性。因而，外源ALA處理可能通過上調內源ALA合成關鍵基因HEMA和葉綠素合成關鍵基因CHLH啟動子活性，促進基因表達，從而導致梨葉片葉綠素含量提升。

圖5 外源ALA對ALA和葉綠素合成相關基因啟動子活性的影響

6. 外源ALA處理對梨葉片PSII相關基因的影響

我們在葉綠素快速熒光曲線中觀察到ALA對梨葉片PSII反應中心(PSII-RC)光合電子傳遞效率的促進作用。為了探討其作用機制，我們檢測了ALA處理后5周內PSII-RC主要成員編碼基因在梨葉片中的相對表達量。結果表明，ALA處理可以通過促進PSII-RC核心結構蛋白和其他功能小分子蛋白編碼基因的表達，來維持PSII反應中心的穩(wěn)定性，促進植物光合作用。

圖6 PSII反應中心結構及ALA處理對梨葉片相關基因表達的影響

綜上所述，參照TJAASS 88—2023團標《5-氨基乙酰丙酸 桃樹施用技術規(guī)程》要求用ALA處理梨樹，至少可以在3周以上時間內維持較高的葉片光合效率，而且這種效應可以表現在多個方面。在葉綠素合成過程中，外源ALA不僅可以促進內源ALA合成與代謝，還可以促進葉綠素合成，增加光合色素含量；在光合電子傳遞過程中，ALA促進梨葉片PSII-RC核心蛋白基因表達，提高PSII-RC活性，促進光合電子傳遞和能量轉化。至此，我們證明了TJAASS 88—2023標準也適合于梨樹。而且，沒有展示的數據表明，ALA處理過的梨單果重增加19.7%，果實可溶性糖含量提高14.5%。這些結果為ALA在梨生產上應用提供了理論依據。

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About the author

作者及團隊簡介

論文作者為南京農業(yè)大學果樹學碩士生王新清，通訊作者為汪良駒教授。

汪良駒 教授

汪良駒教授是江蘇省植物生理學會植物生長物質與生長調控專委會主任。他于2000年起開始從事ALA在農林作物抗逆增產提質效應及其生物學基礎研究。其研發(fā)的產品“金村秋”、“禾稼春”和“秀果美”等已經大面積應用于20多個省市區(qū)農業(yè)生產區(qū)。其團隊先后獲得20多項政府專項資金資助，在國內外學術期刊發(fā)表與ALA有關研究論文100余篇，授權專利20余項，處于5-ALA農業(yè)領域研究前沿。