文章導(dǎo)讀

近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院汪良駒教授團(tuán)隊(duì)研究論文“Study on the Mechanism of Exogenous 5-Aminolevulinic Acid (ALA) in Regulating the Photosynthetic Efficiency of Pear Leaves (外源 5-氨基乙酰丙酸 (ALA) 調(diào)節(jié)梨葉光合效率的機(jī)制研究)”在 Forests 期刊發(fā)表。該研究探討了外源ALA提高梨樹(shù)葉片光合作用的可能機(jī)制，為ALA在梨樹(shù)生產(chǎn)應(yīng)用上提供了理論依據(jù)。

研究過(guò)程與結(jié)果

5-氨基乙酰丙酸 (ALA) 是一種新型植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植物生產(chǎn)中能夠起到多種調(diào)節(jié)作用，其中ALA提高植物光合作用效應(yīng)尤為引人關(guān)注。2023年，汪良駒教授研究團(tuán)隊(duì)制訂并發(fā)布了《5-氨基乙酰丙酸 桃樹(shù)施用技術(shù)規(guī)程》團(tuán)標(biāo) (TJAASS 88—2023)，規(guī)范了ALA在桃上應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。但這個(gè)規(guī)程是否適用于其它樹(shù)種尚不清楚，ALA提高植物葉片光合效率的內(nèi)在機(jī)制更需要深入研究。因此，作者以盛果期‘華山’梨為材料，參照TJAASS 88—2023要求，在果樹(shù)開(kāi)花前一周用ALA稀釋液灌根防寒、在盛花后期噴花以去除過(guò)多花朵的基礎(chǔ)上，于幼果發(fā)育期葉片噴施ALA溶液，探討ALA對(duì)梨樹(shù)葉片光合能力的影響，通過(guò)葉片氣體交換參數(shù)、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(guān)基因表達(dá)等分析，以期闡釋ALA對(duì)梨葉片光合作用的調(diào)控機(jī)理。

1. ALA處理顯著促進(jìn)梨葉片凈光合速率 (Pn) 等光合氣體交換參數(shù)

梨樹(shù)葉片噴施外源ALA后1周，葉片Pn就顯著高于對(duì)照。這種效應(yīng)至少持續(xù)5周。5周間，ALA誘導(dǎo)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(duì)照高出13.94% (圖1B)。與此類(lèi)似，ALA處理后梨葉片氣孔導(dǎo)度 (Gsw) 整體上比對(duì)照高出18.73% (圖1C)。而且，梨葉片瞬時(shí)羧化效率 (Pn/Ci) 總平均值比對(duì)照增加32.30% (圖1E)，水分利用效率提高11.16% (圖1F)。由此可見(jiàn)，ALA處理提高梨樹(shù)葉片光合性能至少可以保持3~4周。

圖1. ALA處理對(duì)梨葉片光合氣體交換參數(shù)的影響。

2. ALA處理顯著促進(jìn)梨葉片內(nèi)源ALA的合成與代謝

研究結(jié)果顯示，外源ALA處理可以誘導(dǎo)梨樹(shù)葉片內(nèi)源ALA含量增加。在A(yíng)LA處理后5周內(nèi)，外源ALA誘導(dǎo)的內(nèi)源ALA含量增幅達(dá)41.99% (圖2A)。在此過(guò)程中，外源ALA處理一方面顯著提高內(nèi)源ALA合成能力，5周內(nèi)的平均值提高54.54% (圖2B)；另一方面，在A(yíng)LA處理后第2周外源ALA處理促進(jìn)梨葉片內(nèi)源ALA代謝分解。這意味著，外源ALA噴施梨葉片不僅促進(jìn)內(nèi)源ALA合成，而且促進(jìn)ALA代謝。外源ALA對(duì)內(nèi)源ALA合成的促進(jìn)效應(yīng)至少保持5周。

圖2. 外源ALA對(duì)梨葉片內(nèi)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(jìn)梨葉片光合色素的合成

如圖3A所示，ALA處理后第二周開(kāi)始，處理葉片葉綠素相對(duì)含量 (SPAD) 均顯著高于對(duì)照。從圖3B-D看，ALA處理1周后梨樹(shù)葉片葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素總量均顯著高于對(duì)照。盡管第2周兩者Chl b含量沒(méi)有差異，但其它時(shí)間點(diǎn)的差異均達(dá)到顯著水平，說(shuō)明ALA處理促進(jìn)梨葉片葉綠素積累，緩解其含量下降。具體來(lái)說(shuō)，ALA處理葉片五周內(nèi)Chl a、Chl b和葉綠素總量的平均值分別比對(duì)照高出11.38%、8.59%和10.44%。另外，ALA促進(jìn)提高梨葉片Chl a/b比值，說(shuō)明ALA促進(jìn)葉片葉綠素a積累，但不利于a轉(zhuǎn)化為b。與此類(lèi)似，ALA處理也可以促進(jìn)葉片類(lèi)胡蘿卜素 (Car) 含量上升 (圖3F)，且五周平均值比對(duì)照高出16.25%。

圖3. ALA處理對(duì)梨葉片光合色素含量的影響。(A) 葉綠素相對(duì)含量、(B) 葉綠素a、(C) 葉綠素b、(D) 總?cè)~綠素含量、(E) Chla/b比值、(F) 類(lèi)胡蘿卜素含量。

4. ALA處理對(duì)葉綠素合成相關(guān)基因表達(dá)的影響

為探究外源ALA提高梨葉片葉綠素含量的機(jī)理，作者分析了葉片噴施ALA后與ALA以及葉綠素生物合成相關(guān)的主要基因相對(duì)表達(dá)量。可以看出，催化ALA合成的兩個(gè)關(guān)鍵基因HEMA和GSA相對(duì)表達(dá)量在外源ALA處理后明顯上調(diào)。并且，ALA處理的葉片HEMF基因表達(dá)量至少在4周內(nèi)顯著高于對(duì)照。類(lèi)似的情況出現(xiàn)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(gè)基因。從圖中看，ALA處理第1周葉片CHLH相對(duì)表達(dá)量顯著高于對(duì)照。這種效應(yīng)可以維持3周。從整體上看，ALA促進(jìn)其自身合成、代謝以及轉(zhuǎn)化為葉綠素的編碼基因表達(dá)，特別是處理后4周內(nèi)，多數(shù)基因表達(dá)均受到不同程度上調(diào)。

圖4. 葉綠素生物合成途徑及ALA處理對(duì)梨葉片相關(guān)基因表達(dá)的影響。

5. ALA提高葉綠素合成關(guān)鍵基因PypHEMA和PypCHLH的啟動(dòng)子活性

為了進(jìn)一步探究ALA調(diào)控葉綠素合成機(jī)制，作者通過(guò)在煙草中進(jìn)行的GUS染色實(shí)驗(yàn)研究ALA對(duì)葉綠素合成過(guò)程中關(guān)鍵基因啟動(dòng)子的影響。結(jié)果表明，外源ALA可以顯著增強(qiáng)PypHEMA和PypCHLH基因啟動(dòng)子活性。因而，外源ALA處理可能通過(guò)上調(diào)內(nèi)源ALA合成關(guān)鍵基因HEMA和葉綠素合成關(guān)鍵基因CHLH啟動(dòng)子活性，促進(jìn)基因表達(dá)，從而導(dǎo)致梨葉片葉綠素含量提升。

圖5. 外源ALA對(duì)ALA和葉綠素合成相關(guān)基因啟動(dòng)子活性的影響。

6. 外源ALA處理對(duì)梨葉片PSII相關(guān)基因的影響

作者在葉綠素快速熒光曲線(xiàn)中觀(guān)察到ALA對(duì)梨葉片PSII反應(yīng)中心 (PSII-RC) 光合電子傳遞效率的促進(jìn)作用。為了探討其作用機(jī)制，作者還檢測(cè)了ALA處理后5周內(nèi)PSII-RC主要成員編碼基因在梨葉片中的相對(duì)表達(dá)量。結(jié)果表明，ALA處理可以通過(guò)促進(jìn)PSII-RC核心結(jié)構(gòu)蛋白和其他功能小分子蛋白編碼基因的表達(dá)，來(lái)維持PSII反應(yīng)中心的穩(wěn)定性，促進(jìn)植物光合作用。

圖6. PSII反應(yīng)中心結(jié)構(gòu)及ALA處理對(duì)梨葉片相關(guān)基因表達(dá)的影響。

研究總結(jié)

本文參照TJAASS 88—2023團(tuán)標(biāo)《5-氨基乙酰丙酸 桃樹(shù)施用技術(shù)規(guī)程》要求用ALA處理梨樹(shù)，至少可以在3周以上時(shí)間內(nèi)維持較高的葉片光合效率，而且這種效應(yīng)可以表現(xiàn)在多個(gè)方面。在葉綠素合成過(guò)程中，外源ALA不僅可以促進(jìn)內(nèi)源ALA合成與代謝，還可以促進(jìn)葉綠素合成，增加光合色素含量；在光合電子傳遞過(guò)程中，ALA促進(jìn)梨葉片PSII-RC核心蛋白基因表達(dá)，提高PSII-RC活性，促進(jìn)光合電子傳遞和能量轉(zhuǎn)化。作者的研究證明了TJAASS 88—2023標(biāo)準(zhǔn)也適合于梨樹(shù)。而且，沒(méi)有展示的數(shù)據(jù)表明，ALA處理過(guò)的梨單果重增加19.7%，果實(shí)可溶性糖含量提高14.5%。這些結(jié)果為ALA在梨生產(chǎn)上應(yīng)用提供了理論依據(jù)。