南京农业大学汪良驹教授团队：外源 5-氨基乙酰丙酸 (ALA) 调节梨叶光合效率的机制研究

文章导读

近日，南京农业大学园艺学院汪良驹教授团队研究论文“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) 调节梨叶光合效率的机制研究)”在 Forests 期刊发表。该研究探讨了外源ALA提高梨树叶片光合作用的可能机制，为ALA在梨树生产应用上提供了理论依据。

研究过程与结果

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，汪良驹教授研究团队制订并发布了《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，作者以盛果期‘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。

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

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，作者分析了叶片喷施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，作者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

作者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，作者还检测了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。

研究总结

本文参照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。作者的研究证明了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。