植物功能叶片淀粉积累量及酸性转化酶活性的变化

植物功能叶片淀粉积累量及酸性转化酶活性的变化

高产不仅需要功能叶片的强大的光合生产力，还需要通过光合作用器官形成的光合产物的合理有效分配和运输。正常条件下,叶片光合固定的CO2主要以淀粉、蔗糖的形式分别贮藏于叶绿体和细胞质中。研究表明,不同植物叶片淀粉与蔗糖的积累能力存在显著差异。但造成这种差异的原因迄今仍有待阐明。Heldt等研究发现:叶片光合产物的合成与降解是同时进行的。叶片淀粉、蔗糖的实际积累量是由合成与降解共同控制的。这意味着光合产物的降解过程可能参与对叶片光合产物积累的调控。但涉及这方面的研究报道不多。本文在广泛分析不同植物叶片淀粉、蔗糖积累量与相应降解酶活性关系的基础上,对水稻、玉米、大豆三类典型植物叶片发育过程中,光合产物积累与降解酶活性关系进行了系统探讨。1取样与测定时间实验材料选自校作物标本区及附近农田。在晴天,上午10:00—11:00选取植株健康的功能叶片,立即液氮固定取回待测。叶片不同发育时期取样是分别在水稻孕穗期,玉米吐丝期,大豆结荚期各选取约100株植株,对叶位相同,大小、色泽相似的初生叶,在其下部挂牌标记,以此作为零天。以后间隔不同天数,分早、中、晚3个时间取样,每次5株。叶片蔗糖、淀粉含量分别依Cardini和McCready方法测定;酸性转化酶和淀粉酶活性测定分别依Huber和Hammond,以麦芽糖作为标样。2结果与分析2.1中间类型叶片的蔗糖代谢活性结果汇于表1。由表1可看出:(1)不同植物功能叶片蔗糖、淀粉积累量差异极为显著。例如:淀粉积累量最高的为蚕豆叶片,达78mg/dm2,积累量最低的是蜡烛草,达11.0mg/dm2。同样地,蔗糖积累量最多(水稻)与最少(芝麻草)也可相差10倍之多。(2)在叶片积累的光合产物中,蔗糖与淀粉所占相对比例的差异,也十分显著。依据叶片蔗糖与淀粉比值,可大致将供测的28种植物划分为3种类型(图1),即糖叶植物(Suc./Starch大于2.5);如小麦、水稻等;粉叶植物(Suc./Starch小于0.5)如大豆、蚕豆等,中间类型植物(Suc,/Starch介于0.5—2.5之间)如玉米、黄麻等。叶片淀粉降解主要通过水解(amylolysis)和磷酸化(phosphorolysis)两条途径。而两者最初的步骤均由淀粉酶(amylases)催化。蔗糖降解则由蔗糖合成酶和酸性转化酶加以催化。已有研究表明:不同植物叶片蔗糖合成酶活性无明显差异,一般均在5—8μmol/gFW/h范围。据此,本文主要分析叶片淀粉酶及酸性转化酶活性与光合产物积累量之间的关系。由表1可见:不同植物功能叶片淀粉酶及酸性转化酶活性存在显著差异。酸性转化酶活性最高可达185.0μmol/gFW/h(大豆),最低仅8.2μmol/gFW/h(茄子)。淀粉酶活性高低也相差6倍多。分析叶片蔗糖、淀粉积累量与相应降解酶活性关系发现:糖叶与粉叶植物功能叶片蔗糖积累量与酸性转化酶活性间呈明显负相关(图2B),而与淀粉积累量以及与叶片淀粉酶活性无明显相关(图2A、图3B)。叶片淀粉积累量与淀粉酶活性(图4B)及酸性转化酶活性均无明显相关。一些中间类型植物功能叶片蔗糖积累并不表现出与叶片酸性转化酶活性间负相关,这反映出植物叶片光合产物代谢的复杂性。不同类型植物叶片的蔗糖、淀粉积累可能具有不同的调控机理。2.2玉米叶绿素积累与碳积累量相关分析为探明光合产物降解酶对叶片蔗糖、淀粉积累的可能调控作用,我们进一步分析了水稻、大豆、玉米三种典型作物叶片不同发育时期,早、中、晚叶片光合产物积累量及酸性转化酶,淀粉酶活性变化。由图5可见:三类作物叶片发育过程中,叶片蔗糖、淀粉积累量的变化明显不同。典型糖叶作物水稻叶片发育过程中,随光合能力不断增强,叶片主要表现为蔗糖积累量的增加,尤以午间表现最为突出。中间类型作物玉米,叶片发育过程中,蔗糖和淀粉积累量均有所增加。由图5,还可见:玉米叶片午间蔗糖积累最多,傍晚则明显回落,说明白天玉米功能叶片就有相当数量的光合产物输出。典型粉叶作物大豆叶片主要表现为淀粉积累量的不断增加。傍晚与午间相比,淀粉积累量未见减少。并且,不同发育阶段的叶片,清晨淀粉含量差异不甚明显。显然,大豆叶片淀粉降解主要是在傍晚后夜间进行的。三类作物叶片发育过程中,早、中、晚叶片酸性转化酶和淀粉酶活性变化见图6和图8。由图6可见:叶片发育过程中,玉米叶片淀粉酶活性始终高于水稻。随叶片发育,两者表现出相似的迅速下降变化趋势,且早、中、晚叶片淀粉酶活性无明显差异。大豆叶片淀粉酶活性变化较为复杂。清晨与午间,淀粉酶活性随叶片发育而迅速降低。但傍晚叶片淀粉酶活性却表现出与叶片淀粉积累相似的变化趋势,两者表现出显著正相关(图7)。水稻叶片酸性转化酶活性出叶后3天左右有一短暂的迅速上升,但很快回落至较低水平。后期又有所回升(图8),这可能与水稻灌浆期间,叶片光合产物强烈的动员转化有关。Schaffer等,也曾观察到Citrussinensis叶片酸性转化酶活性相似的变化趋势。玉米出叶初期,叶片酸性转化酶活性由高向低,下降较为平缓。以后有所加速,后期又趋于平缓(图8)。大豆叶一生转化酶活性变化先上升,再下降。但功能叶仍具较强活性(图8)。这可能正是粉叶植物叶片蔗糖积累量较少的原因之一。3酸性转化酶活性与淀粉积累叶片光合产物的积累与降解直接涉及光合固定碳素的运输与合理分配。这一领域的研究近来较为活跃。但以往研究多偏重于光合产物合成途径中有关酶促反应的调控以及降解途径的生化论证。较少注重降解过程对光合产物积累的可能影响。本文对涉及10多个科的28种农作物的分析表明:不同植物叶片蔗糖、淀粉积累量及相应的降解酶活性均存在显著差异。糖叶与粉叶植物功能叶片蔗糖积累量与酸性转化酶活性呈显著负相关。即叶片较高的蔗糖积累量是与叶片较低的酸性转化酶活性相联系的,如小麦、水稻等;反之亦然,如大豆等。由此可见:至少对这两类作物,叶片的蔗糖积累在相当程度上可能是受酸性转化酶活性控制。Huber曾提出叶片中可能存在一条由酸性转化酶催化的涉及胞质—液泡—胞质的蔗糖“无效循环”。最近,Stitt等人的工作证明,此循环可能参与对叶绿体淀粉合成的调节。植物叶片发育初期,光合功能尚未健全。叶片自身生长发育需要从功能叶片获取光合产物(主要是蔗糖),这清楚地体现在水稻、玉米、大豆幼叶中相对较强的酸性转化酶活性。随着叶片的发育,光合能力逐渐形成并日趋完善,开始光合产物的积累。此时,水稻等糖叶作物叶片蔗糖的高积累显然与叶片较低的酸性转化酶活性有关。因为蔗糖积累量较少的粉叶作物功能叶中酸性转化酶活性仍维持较高水平。已有的研究工作初步表明:不同植物叶片淀粉降解的催化酶系,代谢途径及作用时间等均各不相同。叶片淀粉积累与淀粉酶活性无关(图4B)正是从一个侧面反映了不同植物叶片淀粉降解的复杂性。分析粉叶作物大豆叶片不同发育时期,早、中、晚淀粉积累与淀粉酶活性关系,发现傍晚叶片淀粉积累量与淀粉酶活性呈显著正相关。这表明:对于