ALA相关文章|外源 5-氨基乙酰丙酸（ALA）调节梨叶光合效率的机制研究

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Background

研究背景

5-氨基乙酰丙酸（ALA）是一种新型植物生长调节物质，在植物生产中能够起到多种调节作用，其中ALA提高植物光合作用效应尤为引人关注。2023年，我们制订并发布《5-氨基乙酰丙酸 桃树施用技术规程》团标(TJAASS 88—2023)，规范了ALA在桃上应用标准。但这个规程是否适用于其它树种尚不清楚，ALA提高植物叶片光合效率的内在机制更需要深入研究。因此，本研究以盛果期‘华山’梨为材料，参照TJAASS 88—2023要求，在果树开花前一周用ALA稀释液灌根防寒、在盛花后期喷花以去除过多花朵的基础上，于幼果发育期叶片喷施ALA溶液，探讨ALA对梨树叶片光合能力的影响，通过叶片气体交换参数、叶绿素快速荧光特性以及叶绿素合成、光合系统II电子传递载体相关基因表达等分析，以期阐释ALA对梨叶片光合作用的调控机理。

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Content

研究内容

1. ALA处理显著促进梨叶片净光合速率(Pn)等光合气体交换参数

梨树叶片喷施外源ALA后1周，叶片Pn就显著高于对照。这种效应至少持续5周。5周间，ALA诱导的净光合速率(Pn)平均增幅29.28%(图1A)，ALA处理叶片蒸腾速率(Tr)平均比对照高出13.94%(图1B)。与此类似，ALA处理后梨叶片气孔导度(Gsw)整体上比对照高出18.73%(图1C)。而且，梨叶片瞬时羧化效率(Pn/Ci)总平均值比对照增加32.30%(图1E)，水分利用效率提高11.16%(图1F)。由此可见，ALA处理提高梨树叶片光合性能至少可以保持3-4周。

图1 ALA处理对梨叶片光合气体交换参数的影响。

2. ALA处理显著促进梨叶片内源ALA的合成与代谢

本研究结果显示，外源ALA处理可以诱导梨树叶片内源ALA含量增加。在ALA处理后5周内，外源ALA诱导的内源ALA含量增幅达41.99%(图2A)。在此过程中，外源ALA处理一方面显著提高内源ALA合成能力，5周内的平均值提高54.54%(图2B)；另一方面，在ALA处理后第2周外源ALA处理促进梨叶片内源ALA代谢分解。这意味着，外源ALA喷施梨叶片不仅促进内源ALA合成，而且促进ALA代谢。外源ALA对内源ALA合成的促进效应至少保持5周。

图2 外源ALA对梨叶片内源ALA含量(A)、生物合成(B)和代谢能力(C)的影响

3. ALA处理显著促进梨叶片光合色素的合成

如图3A所示，ALA处理后第二周开始，处理叶片叶绿素相对含量(SPAD)均显著高于对照。从图3B-D看，ALA处理1周后梨树叶片叶绿素a、叶绿素b以及叶绿素总量均显著高于对照。尽管第2周两者Chl b含量没有差异，但其它时间点的差异均达到显著水平，说明ALA处理促进梨叶片叶绿素积累，缓解其含量下降。具体来说，ALA处理叶片五周内Chl a、Chl b和叶绿素总量的平均值分别比对照高出11.38%、8.59%和10.44%。另外，ALA促进提高梨叶片Chl a/b比值，说明ALA促进叶片叶绿素a积累，但不利于a转化为b。与此类似，ALA处理也可以促进叶片类胡萝卜素(Car)含量上升(图3F)，且五周平均值比对照高出16.25%。

图3 ALA处理对梨叶片光合色素含量的影响。(A)叶绿素相对含量、(B)叶绿素a、(C)叶绿素b、(D)总叶绿素含量、(E)Chla/b比值、(F)类胡萝卜素含量

4. ALA处理对叶绿素合成相关基因表达的影响

为探究外源ALA提高梨叶片叶绿素含量的机理，本研究分析了叶片喷施ALA后与ALA以及叶绿素生物合成相关的主要基因相对表达量。可以看出，催化ALA合成的两个关键基因HEMA和GSA相对表达量在外源ALA处理后明显上调。并且，ALA处理的叶片HEMF基因表达量至少在4周内显著高于对照。类似的情况出现在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是控制叶绿素生物合成分支的一个基因。从图中看，ALA处理第1周叶片CHLH相对表达量显著高于对照。这种效应可以维持3周。从整体上看，ALA促进其自身合成、代谢以及转化为叶绿素的编码基因表达，特别是处理后4周内，多数基因表达均受到不同程度上调。

图4 叶绿素生物合成途径及ALA处理对梨叶片相关基因表达的影响

5. ALA提高叶绿素合成关键基因PypHEMA和PypCHLH的启动子活性

为了进一步探究ALA调控叶绿素合成机制，本研究通过在烟草中进行的GUS染色实验研究ALA对叶绿素合成过程中关键基因启动子的影响。结果表明，外源ALA可以显著增强PypHEMA和PypCHLH基因启动子活性。因而，外源ALA处理可能通过上调内源ALA合成关键基因HEMA和叶绿素合成关键基因CHLH启动子活性，促进基因表达，从而导致梨叶片叶绿素含量提升。

图5 外源ALA对ALA和叶绿素合成相关基因启动子活性的影响

6. 外源ALA处理对梨叶片PSII相关基因的影响

我们在叶绿素快速荧光曲线中观察到ALA对梨叶片PSII反应中心(PSII-RC)光合电子传递效率的促进作用。为了探讨其作用机制，我们检测了ALA处理后5周内PSII-RC主要成员编码基因在梨叶片中的相对表达量。结果表明，ALA处理可以通过促进PSII-RC核心结构蛋白和其他功能小分子蛋白编码基因的表达，来维持PSII反应中心的稳定性，促进植物光合作用。

图6 PSII反应中心结构及ALA处理对梨叶片相关基因表达的影响

综上所述，参照TJAASS 88—2023团标《5-氨基乙酰丙酸 桃树施用技术规程》要求用ALA处理梨树，至少可以在3周以上时间内维持较高的叶片光合效率，而且这种效应可以表现在多个方面。在叶绿素合成过程中，外源ALA不仅可以促进内源ALA合成与代谢，还可以促进叶绿素合成，增加光合色素含量；在光合电子传递过程中，ALA促进梨叶片PSII-RC核心蛋白基因表达，提高PSII-RC活性，促进光合电子传递和能量转化。至此，我们证明了TJAASS 88—2023标准也适合于梨树。而且，没有展示的数据表明，ALA处理过的梨单果重增加19.7%，果实可溶性糖含量提高14.5%。这些结果为ALA在梨生产上应用提供了理论依据。

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About the author

作者及团队简介

论文作者为南京农业大学果树学硕士生王新清，通讯作者为汪良驹教授。

汪良驹 教授

汪良驹教授是江苏省植物生理学会植物生长物质与生长调控专委会主任。他于2000年起开始从事ALA在农林作物抗逆增产提质效应及其生物学基础研究。其研发的产品“金村秋”、“禾稼春”和“秀果美”等已经大面积应用于20多个省市区农业生产区。其团队先后获得20多项政府专项资金资助，在国内外学术期刊发表与ALA有关研究论文100余篇，授权专利20余项，处于5-ALA农业领域研究前沿。