外源5-氨基乙酰丙酸处理对小白菜叶片的光合作用效应.pdf

外源52氨基乙酰丙酸处理对小白菜叶片的光合作用效应 汪良驹,石伟,刘晖,刘卫琴,姜卫兵,侯喜林 (南京农业大学园艺学院,江苏 南京210095) 摘要:以0105、015、5和50 mgL- 152氨基乙酰丙酸(ALA)处理小白菜,可以提高叶片净光合速率,增加表观量子效率 (AQY)和羧化效率(CE) ,同时降低光补偿点(LCP)和CO2补偿点(CCP) ,但是与AQY和CE增加量相比, LCP和CCP 下降幅度不大。ALA处理提高叶片暗呼吸速率,并显著促进根系的生长,但没有增加小白菜植株地上部干物质积累。 ALA处理显著提高根系可溶性糖和纤维素含量。推测ALA处理不仅能促进叶片的光合作用,还具有促进碳水化合物向地 下部运转的作用。 关键词: 52氨基乙酰丙酸;小白菜;光合作用;同化产物分配 中图分类号: S641 文献标识码: A 文章编号: 10002030 (2004) 02003405 Effects of exogenous 52aminolevulinic acid treatment on leaf photosynthesis of pak2choi WANGLiang2ju , SHI Wei , LIU Hui , LIU Wei2qin , JIANG Wei2bing , HOU Xi2lin (College of Horticulture , Nanjing Agricultural University , Nanjing 210095 , China) Abstract: By exogenous application of 52aminolevulinic acid (ALA , 0105 , 015 , 5 and 50 mgL - 1) , leaf photosynthesis of pak2choi was improved , with increased apparent quantum yield (AQY) and carboxylation efficiency (CE) , and somewhat decreased light compen2 sation point (LCP) and CO2compensation point (CCP) . However , there was no significant effect of ALA on shoot dry material accumu2 lation of pak2choi seedlings , which might be associated with increased leaf respiration. The root dryweight , soluble sugars and cellulose of seedlings treated by ALA were significantly higher than that of control. These results showed that ALA treatment improved not only CO2fix2 ation but also transportation of carbohydrates from shoots to roots. Key words: 52aminolevulinic acid; pak2choi ; photosynthesis; carbohydrate distribution 作为生物体内卟啉化合物生物合成的关键前体, 52氨基乙酰丙酸 (5 2aminolevulinic acid , ALA)的合 成与代谢过程已经得到了广泛研究1 ,2。后来的研究表明,它不单纯是一种植物体代谢中产物,而且可 能参与植物生长发育的调节过程。在高浓度时,外源ALA可以作为无污染、无残留的光敏除草剂3; 低浓度时,它可调节植物生长发育,促进作物生长,增加产量4 ,5,增强抗逆性6,因而在农业生产上 有重要的潜在应用价值7。 然而,人们对ALA调节植物生长发育特性的研究刚刚开始,其生理效应以及作用的生理机制都不 完全清楚。从现有的资料看, ALA存在着以下几个方面的生理效应 : (1) 促进光合作用 ; (2) 影响呼吸 作用 ; (3) 具有类似于IAA和CTK的双重调节作用;(4)启动细胞过氧化反应等7。我们近来的研究 还表明, ALA处理可以促进弱光下生长的甜瓜幼苗光合速率,并提高植株抗冷性8。但是, ALA为何能 够提高植物对逆境胁迫适应性还不清楚。本研究以小白菜为材料,进一步证实了低浓度ALA处理对植 物幼苗光合作用的促进效应,同时还发现根际浇灌ALA溶液可以显著促进根系生长,增加根部碳水化 合物积累等效应。 收稿日期: 20030709 基金项目:教育部留学基金委资助(200214) 作者简介:汪良驹(1964 ) ,博士,副教授,主要从事园艺作物栽培生理研究。E2mail : wlj lib1njau1edu1cn 南京农业大学学报 2004 , 27 (2) : 3438 Journal of Nanjing Agricultural University 1 材料与方法 111 材料培养 试验材料为小白菜(Brassica munisTsen et Lee)品种暑绿。种子在培养箱中催芽 后,移栽于一次性纸杯中。每杯34株幼苗,以石英砂为培养基质,每日浇灌1/ 2 Hoagland营养液。 幼苗培养于大棚中,昼/夜温度约25/ 10,晴天中午最高光强约为1 250molm- 2s - 1。26 d后 (3 片真叶完全展开 ) , 分别用0105、015、5和50 mgL - 1 ALA溶液10 mL处理植株根部,以蒸馏水为对 照。重复6次,每处理共有2024株幼苗。3 d后测定叶片光合特性。47 d后,将植株分开,单株烘干 称重,并取混合样品测定碳水化合物含量,重复3次。 112 测定分析 光合特性测定采用英国PP2System公司生产的CIRAS1便携式光合系统。为了减少温度对光合参数 的影响,叶室温度设定为25。在制作光强响应曲线时,以大气为CO2源,同时设定不同光强梯度, 并以200molm- 2s - 1以下的 PFD2Pn直线斜率作为表观量子效率(AQY)。在测定羧化效率(CE)时, 利用内置CO2钢瓶供气,设定不同CO2浓度梯度,在1 000molm- 2s - 1光强下测定叶片净光合速率 ( P n ) , 并以细胞间隙CO2浓度低于200LL - 1的 Ci2Pn直线斜率表示羧化效率9。取细胞间隙CO2为 350LL - 1时的 Pn值代表RuBP最大再生能力10。光呼吸测定方法参照文献11 ,暗呼吸以光强为零 时的Pn绝对值表示。可溶性糖、淀粉和纤维素含量等均采用蒽酮比色法测定12。所有测定均重复3次 以上,取平均值,并做Duncans测验。 2 结果与分析 211 ALA处理对小白菜叶片光合作用的影响 21111 净光合速率 从图1可以看出,当入射光 强低于400molm- 2s - 1时 ,小白菜叶片净光合速 率(Pn)迅速上升;当光强高于400molm- 2s - 1 后,Pn值上升缓慢。在入射光强为1 600mol m- 2s - 1时 ,对照叶片的Pn值为17147molm- 2 s - 1 ,而用0105、015、5和50 mgL - 1 ALA处理叶 片的Pn值分别为20137、19115、22163和22165 molm- 2s - 1 ,明显高于对照叶片,其中0105与 015 mgL - 1处理间 ,以及5和50 mgL - 1 ALA处理 之间没有明显差异,后两种处理叶片在饱和光强下 的Pn比对照高30 %左右。但是没有改变叶片的光 饱和点。 图1 ALA处理对小白菜叶片光合光强响应曲线的影响 Fig11 Effect of ALA treatments on leaf photosynthesis of pak2 choi seedlings under a series incidence light intensity 21112 表观量子效率、光补偿点和暗呼吸速率 从表1可见,小白菜植株中部叶片(第2叶)表观量 子效率(AQY)普遍高于顶端叶片(第3叶 ) , 后者又高于基部叶片(第1叶)。这可能与它们的生理状 况有关。基部叶片的叶龄较长,部分功能可能已经处于衰老状态;顶端新叶发育尚不完全,因而中部叶 片的光合性能最为旺盛。 ALA处理对小白菜中部叶片AQY影响的规律性不明显,对新叶AQY有一定的促进效应,对基部叶 片AQY有显著的促进作用,暗示着ALA具有一定的延缓叶片衰老的效应。0105 mgL - 1ALA 处理的植株 基部叶片AQY比对照高28 % ,其他几个浓度处理的AQY增加幅度均达到100 %以上。 ALA处理具有降低植株基部第1叶光补偿点趋势,而对第2叶和第3叶的光补偿点影响没有明显的 规律性。ALA处理还明显提高了叶片暗呼吸速率。从表1中可以看出,除了极少数叶片外,不同浓度 ALA处理叶片的暗呼吸速率均高于对照。 53第2期 汪良驹等:外源52氨基乙酰丙酸处理对小白菜叶片的光合作用效应 表1 不同浓度ALA处理对小白菜幼苗表观量子效率、光补偿点和暗呼吸速率的影响 Table 1 Effect of ALA treatments on apparent quantum yield (AQY) , light compensation point (LCP) and dark respiration (Rd) of pak2choi seedlings (ALA) / mgL - 1 表观量子效率 AQY 光补偿点/molm- 2s- 1 LCP 暗呼吸/molm- 2s- 1 Rd 1st leaf2nd leaf3rd leaf1st leaf2nd leaf3rd leaf1st leaf2nd leaf3rd leaf 001019 8d01044 7ab01035 9c44101a37123a28123b01964b11073b01947b 010501025 5d01049 2a01043 0b15130c30186b29140b01836b11515a11264b 01501039 4bc01041 8b01035 8c37159a27193b25120b11481a11168b01904b 501045 0ab01051 0a01048 6a32188ab21198bc35166ab11480a11121b11733a 5001040 3b01047 0a01045 9ab27187b38112a20112bc11123b11792a01923b 注:表中不同字母代表0105差异水平。The data followed by different letters represented significant difference at 0105 level. 21113 RuBP最大再生能力、羧化效率、CO2补偿点和光呼吸 表2结果表明, 015、5和50 mgL - 1 ALA处理极显著提高了小白菜第2叶RuBP最大再生能力。ALA处理还显著提高了叶片羧化效率,其中 第1叶的提高幅度为8 %86 % ,第2叶的提高幅度为20 %54 %。 ALA处理降低了小白菜叶片CO2补偿点,但是01055 mgL - 1 ALA处理对第1叶片的降低幅度不 大,而50 mgL - 1ALA 处理的CO2补偿点下降了30 %。对第2叶而言, 5 mgL - 1 ALA处理使CO2补偿点 下降了近30 %。 ALA处理提高了叶片光呼吸速率,其中第1叶光呼吸速率平均比对照高32 % ,而第2叶平均仅比对 照高8125 %。 表2 不同浓度ALA处理对小白菜叶片RuBP最大再生能力、羧化效率、CO2补偿点和光呼吸的影响 Table 2 Effect of ALA treatments on maximum regeneration of RuBP , carboxylation efficiency (CE) , CO2compensation point (CCP) and light respiration (Rl) of pak2choi seedlings (ALA) / mgL - 1 RuBP最大再生能力 /molm- 2s- 1 Maximum regeneration of RuBP 羧化效率 CE CO2补偿点/LL - 1 CCP 光呼吸速率/molm- 2s- 1 Rl 1st leaf2nd leaf1st leaf2nd leaf1st leaf2nd leaf 021182B01032 5e01115 3c78158a62139b21554d71194b 010524166AB01035 3e01139 7b72124a69144a21550d91702a 01530134A01048 2d01137 9b75102a56155b31616cd71798b 528186A01056 9d01138 4b70173a45140c41025c61283b 5031116A01060 4d01178 0a54159b49108bc31297cd71368b 注:不同大小写字母分别代表0101和0105水平差异显著。 Note : The different capital and small letters represented significance at 0101 and 0105 level , respectively. The same as follows. 212 不同浓度ALA处理对小白菜植株组织干重及碳水化合物含量的影响 表3表明,当幼苗生长到47 d时, ALA处理具有降低小白菜幼苗地上部干重并增加根系干重的趋 势, 50 mgL - 1 ALA处理的根系干重比对照高35 %。015、5和50 mgL - 1 ALA处理植株的根冠比分别为 0130、0132和0133 ,对照植株根冠比为0122 ,暗示着ALA处理对根系生长具有促进作用。 表3 不同浓度ALA处理对小白菜植株组织干重及其糖类化合物含量的影响 Table 3 Effect of ALA treatments on dry materials and carbohydrate levels of pak2choi seedlings (ALA) / mgL - 1 单株干物质质量/ mg Dry weight per plant 淀粉含量/ % Starch content 纤维素含量/ % Cellulose content 可溶性糖含量/ % Soluble sugars ShootRootShootRootShootRootShootRoot 0536165a119167B5178B4173a15196b23146C9147B0194C 0105557196a103142B6158B5103a19111a26156C7145C1178B 015532130a158100A8143AB3183a14165b25103C10163A1151B 5451125a144125AB6188B4170a16115b37156A5186D2135A 50484117a161142A9184A5115a18108ab31166B9166B1144B 63 南 京 农 业 大 学 学 报 第27卷 ALA处理有增加地上部淀粉含量的趋势,其中50 mgL - 1 ALA处理叶片的淀粉含量比对照高70 %。 但是ALA处理没有影响根系的淀粉含量。 0105 mgL - 1 ALA处理显著增加了地上部纤维素含量,而5 mgL - 1和 50 mgL - 1ALA 处理显著增加 了根系的纤维素含量,表明较高浓度ALA处理促进根系发育而不影响地上部品质。 ALA处理对植株地上部可溶性糖含量的影响没有明显规律性,但是极显著提高了根系可溶性糖含 量,其中5 mgL - 1 ALA处理的根系可溶性糖含量比对照高150 % ,而所有处理的平均值比对照高88 %。 如果将3种碳水化合物的含量折算成总含量和单株总量(其中碳水化合物总含量为可溶性糖、淀粉 和纤维素含量之和,单株总量为碳水化合物总含量与组织干重的乘积 ) , 结果表明(表4) , ALA处理对 小白菜植株地上部碳水化合物总含量以及总量的影响不明显,但是极显著提高了植株根系的碳水化合物 总含量和总量。比较地上部与根系碳水化合物总含量的比值,可见对照根系碳水化合物总含量略低于地 上部;而ALA处理明显提高地下部碳水化合物总含量,其中015 mgL - 1 ALA处理的R/ S比值为对照的 198185 % , 5 mgL - 1 ALA处理后的比值亦达到对照的165143 %。不过, 0105和50 mgL - 1 ALA处理后的 R/ S比值与对照相比,增加幅度不大。 从单株积累的碳水化合物总量上看, ALA处理对地上部影响的规律性不明显,但是01550 mgL - 1 ALA处理明显提高了地下部碳水化合物总量。如表4所示,对照植株根系碳水化合物总量约为地上部的 1/ 5 ,而015和5 mgL - 1 ALA处理植株的根系与地上部的碳水化合物总量比值是对照的215倍左右,暗 示着一定浓度的ALA处理使得更多的碳水化合物向植株地下部运转。 表4 ALA处理对小白菜植株碳水化合物总含量和单株总量的影响 Table 4 Effect of ALA treatments on total contents and amounts of carbohydrates of pak2choi seedlings (ALA) / mgL - 1 碳水化合物总含量/ % T otal carbohydrate content ShootRoot Root/ Shoot 碳水化合物总量/ mg T otal carbohydrate amount ShootRoot Root/ Shoot 031121291130193167149341860121 010533114331371104184191341510119 01533171621571186179144981860155 528189441611154130137641350149 5037158381251102181195611740134 3 讨 论 有关小白菜叶片光合特性的研究报告并不很多。艾希珍等13曾经在田间条件下测定了小白菜叶片 的光合性能。本研究在大棚栽培条件下测得暑绿的光补偿点为44molm- 2s - 1 ,明显低于艾希珍等13 的结果,暗示着大棚中生长的植株在一定程度上能降低光补偿点以适应弱光环境。但是,在饱和光强下 我们观察到的Pn值与前人报道相近。 外源ALA处理可以明显提高小白菜叶片净光合速率,这与对绿萝(Epipremnum aureus)和萝卜的研 究结果相似5。前人在研究ALA促进光合作用机理时主要考察了外源ALA对PS 活性以及叶绿素合成 的促进作用。本研究结果表明, ALA处理可明显提高小白菜叶片表观量子效率和羧化效率,说明对光反 应和暗反应都有效应,有利于光能的利用和CO2固定。此外, ALA处理有降低叶片光补偿点和CO2补偿 点的趋势,但是降低幅度不大。 本试验没有观察到前人报道的外源ALA处理提高植株干物质积累的效应5,特别是植株地上部, 甚至还有下降的趋势。这可能与小白菜叶片光呼吸和暗呼吸速率提高有关。将不同浓度ALA处理作为 一个总样本,与对照相比后发现, ALA处理使小白菜叶片光呼吸速率增加15 % ,暗呼吸增加30 %;而 在光补偿点以上光强下测得的Pn总平均比对照高22 % ,净光合速率的增加量大抵与呼吸速率增加量相 当,因而,植株干物质积累不可能明显增加。 ALA处理促进小白菜植株根系生长的效应非常明显,这可能与其促进叶片合成的碳水化合物向根部 运转有关。同时,这一结果也可以用来解释前人在不同作物上观察到的不同增产效应。如Hotta等5报 73第2期 汪良驹等:外源52氨基乙酰丙酸处理对小白菜叶片的光合作用效应 道,外源ALA处理使萝卜增产20 %26 % ,马铃薯增产63 % ,大蒜鳞茎增产40 % ,蚕豆增产8 % 30 %。萝卜、马铃薯和大蒜等均以地下器官为生产目的,增产幅度较大;蚕豆以荚果为收获器官,增产 幅度较小;本研究中小白菜以地上部为收获部位,产量没有增加。然而,由于ALA处理促进了根系生 长,植株抗逆性明显增强(资料未列出 ) , 因而在生产实践中也具有一定意义。因而,今后的研究应选 择更为合适的材料,并且进一步研究ALA处理促进碳水化合物向根系运转的机理,以便为ALA在生产 实践中的应用提供科学依据。 参考文献: 1 Castelfranco P A , Beale S I. Chlorophyll biosynthesis: recent advances and areasof current interest J . Ann Rev Plant Physiol , 1983 , 34: 241 278. 2 von Wettstein D , G ough S, Kananagara C G. Chlorophyll biosynthesis J . Plant Cell , 1995 , 7: 10391057. 3 阎宏涛,李汉杰,王邦法.光活化除草剂ALA作用机理初探J .植物保护, 1994 , 20(1) : 4445. 4 Bindu C R , Viv