外源5-氨基乙酰丙酸缓解番茄幼苗盐胁迫的效果及机理研究

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随着我国设施农业专业化和规模化生产的发展,设施内土壤次生盐渍化问题也日益突出。土壤盐渍化业已成为设施蔬菜生产的主要障碍因子,严重制约了设施产业的可持续发展。5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid,ALA)是所有有机四吡咯环类物质生物合成的重要前体,普遍存在于高等动植物体内,在叶绿素合成、光合作用、植物生长方面具有多重生理效应。关于ALA提高作物抗逆性的研究已有部分报道,然而ALA的最佳施用浓度及最佳处理方式是什么,仍然没有形成一致的结论。外源ALA是否能够弥补非生物逆境导致的矿质营养失衡、是否对叶绿素合成代谢存在调控效应、是否能够协调光能的吸收与分配或水孔蛋白基因的表达,这些仍然不清楚,就目前已知的研究状况在理论和实践水平上都存在很大的空白。番茄(Solanum lycopersicum)属于中度耐盐性作物,是设施蔬菜中栽培最广泛的作物种类之一,设施土壤次生盐渍化现象给番茄生长和产量造成严重影响。本试验以盐敏感品种“中杂9号”和耐盐型品种“金鹏1号”两种番茄幼苗为试材,通过营养液水培模拟盐胁迫,采用叶面喷施或根施两种方式供给外源ALA,测量番茄植株生长、生理生化代谢及光合特性的变化,筛选外源ALA处理的适宜浓度和施用方式,揭示外源ALA对番茄幼苗光合能力及光合电子传递的促进效应;通过研究NaCl胁迫下外源ALA对番茄幼苗矿质元素吸收、叶绿素合成代谢、光合电子流分配及氧化还原平衡的影响,探讨外源ALA消减番茄盐胁迫伤害的效应和机理;同时,利用Real-time PCR技术对外源ALA和NaCl胁迫下番茄水孔蛋白基因和LeNHX1基因的表达规律进行了分析,以期从分子水平初步阐明外源ALA提高番茄幼苗耐盐能力的调控机制。主要结果如下:1.浸种试验结果表明,适宜浓度的(0.1-0.5mg·L-1)ALA浸种能够提高100mmol·L-1NaCl胁迫下番茄种子发芽率(GR)、发芽势(GE)、发芽指数(GI)和活力指数(VI),增强抗氧化酶活性,降低MDA含量,促进种子萌发和芽苗生长,而高浓度ALA(10.0mg·L-1)抑制种子萌发。叶面喷施或根施不同浓度ALA均能够有效缓解NaCl胁迫对番茄幼苗生长的抑制作用,诱导根系和叶片中抗氧化系统(POD、CAT、SOD和APX)和渗透调节系统活性升高,减轻膜脂过氧化程度,显著提高叶绿素和类胡萝卜素含量,叶面喷施以50mg·L-1ALA处理效果最佳,根施以10mg·L-1较为适宜,超过最佳施用浓度则会对植株生长产生负面效应。2.随着NaCl胁迫时间延长,两品种番茄幼苗的净光合速率和PSII光化学效率均显著降低,气孔限制值和天线热耗散的比例显著增加,“中杂9号”受胁迫影响程度更大,且在NaCl胁迫9天后,表现出典型的非气孔限制,而“金鹏1号”受到的光合限制仍以气孔因素为主。叶面喷施或根施ALA处理促使两品种番茄幼苗最大净光合速率、光饱和点、气孔导度和蒸腾速率增加,有效缓解盐胁迫对光合碳同化作用的气孔限制和非气孔限制,通过增加类胡萝卜素含量维持类囊体膜结构的完整性,降低天线热耗散的能量消耗,提高PSII反应中心光化学电子效率,尤其是对强光的利用能力,减轻PSII光抑制,叶面喷施效果优于根施。3.外源ALA处理诱导NaCl胁迫下两品种番茄幼苗Rubisco羧化速率(Vc)和加氧速率(Vo)、RuBP最大再生速率(Jmax)提高,分配用于光合碳还原Je(PCR)的电子流增加,减轻PSII光化学反应的反馈抑制;同时,增加用于光合碳氧化的电子流Je(PCO)和依赖于氧或不依赖于氧的交替电子流总量(Ja),耗散过剩光能,避免活性氧的产生。NaCl胁迫下,单脱氢抗坏血酸还原酶(MDHAR)、脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)及根系中的谷胱甘肽还原酶(GR)活性大幅降低,抗坏血酸(AsA)和还原型谷胱甘肽(GSH)含量减少,导致超氧阴离子(O2·ˉ)产生速率升高,脂质过氧化反应加剧,MDA含量明显增多。外源ALA处理通过提高水-水循环相关酶活性增强了活性氧清除能力,同时耗散过多的光能减轻光抑制增加用于光合碳循环的电子传递,介导了光合电子流分配的平衡。4. NaCl胁迫导致番茄幼苗不同叶位叶绿素含量均显著降低,胁迫初期叶片中ALA、PBG和UroIII含量显著增加,而ProtoIX、 Mg-ProtoIX、Pchl、Chl a、Chl b含量显著降低,表明此时叶绿素含量降低主要是叶绿素前体物质向下游的代谢受阻导致的,受阻位点位于UroIII向ProtoIX的转化;NaCl处理10天后,叶片中ALA、PBG和UroIII含量逐渐降低,与ProtoIX及其下游产物变化趋势一致,表明此时叶绿素含量降低主要是ALA合成受阻所致,且受阻程度为“中杂9号”大于“金鹏1号”。外源ALA缓解了NaCl胁迫对叶绿素合成代谢的抑制作用,促进了PBG和UroIII向下游的转化,提高了番茄叶片內源ALA合成速率,通过促进叶绿素的从头合成及中间代谢产物(PBG和UroIII)向下游的转化共同介导了叶绿素含量的增加。5. NaCl胁迫下,两品种番茄幼苗根茎叶中Na+积累量显著增加,K+积累量在根系中显著增加在叶片中则显著降低,Ca2+和Mg2+含量在茎叶中均显著降低,同时根-茎选择性运输K+、Ca2+、Mg2+的比率(SK.Na、SCa.Na、SMg.Na)大幅降低。外源ALA处理后,耐盐性品种根茎叶中Na+积累量降低,叶片中K+、Ca2+和Mg2+含量显著上升,茎-叶选择性运输K+和Mg2+的比率(SK.Na、SMg.Na)升高,盐敏感品种茎-叶的SK.Na、根-茎和茎-叶的SCa.Na和SMg.Na显著升高,表明盐胁迫下外源ALA能够调控番茄幼苗对K+、Ca2+、Mg2+吸收和运输的选择性,通过促进茎中矿质元素向叶片中的运输提高叶片中K+、Ca2+、Mg2+的含量,有助于维持主要矿质元素间的平衡,缓解盐胁迫的伤害。6.利用Real-time PCR技术分析了外源ALA和NaCl胁迫对番茄幼苗水孔蛋白基因和LeNHX1基因转录水平的影响,结果显示,外源ALA处理能够显著诱导盐胁迫下番茄幼苗叶片中水孔蛋白和LeNHX1基因表达量上调或提前表达,降低根系中LePIP1、LePIP2和LeAQP2的转录水平,提高叶片细胞-细胞途径的水分运输,同时减少根系细胞水分流失;而叶片中液泡膜定位的LeTIP和LeNHX1基因被ALA诱导上升幅度明显大于质膜定位的LePIP1、LePIP2和LeAQP2基因,表明ALA主要通过将Na+区隔化到液泡中同时提高液泡膜的透水性,充分发挥液泡的渗透调节作用保持叶片水分平衡和较高的生理代谢活性,提高番茄幼苗对盐胁迫的耐受力。
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