ALA文章合集 | 外源5-ALA通过调节光合作用、渗调物质和抗氧化系统来提高核桃抗渗透胁迫能力

近期，南京农业大学园艺学院汪良驹教授团队研究论文《Exogenous 5-Aminolevulinic Acid Promotes Osmotic Stress Tolerance of Walnuts by Modulating Photosynthesis, Osmotic Adjustment and Antioxidant Systems》在国 际期刊《forests》上在线发表。该研究从渗透胁迫下核桃叶片的光合作用、光化学活性；叶片和根系的相对含水量、渗调物质含量、抗氧化酶活性、相关基因表达等角度探讨了外源ALA提升核桃抗渗透胁迫能力的可能机制。

核桃（Juglans regia L.）是一种世界性的经济树种，具有重要的生态效益和经济效益。核桃用途广泛，其种仁营养丰富，安心补脑益智的医疗保健作用家喻户晓。核桃仁还可以制成核桃油，是一种重要的木本油料植物。核桃木的应用价值也很高，可用来制作家具用品，在交通工具以及军事武器上也有重要应用价值。但是，核桃通常种植于干旱和半干旱地区，经常受到缺水胁迫袭扰，提高植株抗旱性对核桃生长、生产和经济收益具有重要意义。

5-ALA能够促进叶绿素生物合成、碳同化和植物生长，并且提高果实品质。此外，ALA能通过诱导干旱、涝渍、盐度、极端温度、重金属和紫外线胁迫下的一系列生理生化和分子防御机制，在缓解逆境胁迫对植物损伤中发挥重要作用。目前，已有众多研究表明，ALA可以提高杨树、黄瓜、香蕉等多种植物耐旱性，但它是否可以应用于提高核桃耐旱性则迄今未见报道。本试验以新疆主栽核桃品种‘温185’为材料，研究ALA对PEG6000胁迫下核桃植株的影响，并且分析了ALA提高核桃耐旱性的生理机制。主要结果如下。

1.     ALA对渗透胁迫下核桃叶片和培养基质相对含水量（RWC）的影响

图1结果表明，PEG胁迫损害了核桃叶片的水分平衡，RWC最 低，而ALA处理则显著缓解了叶片RWC的降低。另外，ALA处理能够提高植株根系吸水能力，使得植物能够从高渗基质中吸收水分，从而维持水分平衡。这一特性是对照植株所不具备的。由于根系吸水能力增强，栽种核桃的土壤基质RWC明显下降。

图1.不同处理后核桃叶片(A)和基质(B)的相对含水量（RWC）

2.     ALA对渗透胁迫下核桃叶片光合气体交换参数的影响

PEG胁迫显著抑制核桃叶片光合作用，而ALA处理则缓解核桃叶片光合能力下降。PEG胁迫处理下，核桃叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、羧化效率（Pn/Ci）以及水分利用效率（WUE）均下降，而ALA预处理与之相比显著升高。另外，ALA诱导的Ci的减少和Ls的增加可能是ALA促进CO2在叶片中固定的结果。ALA处理使叶面温度下降2度，说明其在一定程度上通过保持蒸腾作用和叶片散热来降低叶片温度。

图2. 不同处理10d后核桃叶片气体交换参数的比较。(A)净光合速率，(B)气孔导度，(C)蒸腾速率，(D)羧化效率，(E)水分利用效率，(F)胞间CO2浓度，(G)气孔限度，(H)叶面温度

3.     ALA对渗透胁迫下核桃叶片光系统反应中心光化学活性的影响
    PEG胁迫会降低核桃叶片PSI反应中心自身被氧化以及PSII反应中心传递电子还原PSI反应中心的能力，影响植株叶片的光合系统的效率，而ALA处理能缓解这种伤害。

图3. 不同处理15 d后核桃叶片叶绿素快速荧光诱导动力学（OKJIP）曲线(A)和820 nm反射荧光（MR820）曲线(B)

4.     ALA对渗透胁迫下核桃叶片叶绿素含量的影响

在PEG处理下，核桃植株在胁迫5~15 d，叶片叶绿素含量显著降低，而ALA预处理则显著缓解了包括叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素以及叶绿素a/b的下降。这表明PEG胁迫会导致光合色素减少，而ALA可以减轻这种伤害。测定参与叶绿素代谢相关的5个基因HEMG1、HEMA1、PORB、CHLG和CAO的相对表达量，发现ALA在PEG胁迫下可以促进叶绿素的生物合成，抑制其分解。

5.     ALA对渗透胁迫下渗透调节物质的影响

可溶性糖、可溶性蛋白质和脯氨酸含量在叶片中的水平显著高于根中。PEG胁迫增加了叶片和根中这些物质的含量，ALA处理使其进一步提高，以抵御渗透胁迫。

图4. 不同处理核桃叶和根中可溶性糖（A、B）、可溶性蛋白（C、D）和游离脯氨酸（E、F）的含量

6.     ALA对渗透胁迫下抗氧化酶活性的影响

  在PEG胁迫下，核桃叶片和根系SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性上升，以抵御植物氧化损伤，而ALA处理的植株SOD、POD和CAT酶活性进一步升高，说明ALA能增强核桃植株抗氧化酶能力。

图5. 不同处理后核桃叶和根中SOD（A、B）、POD（C、D）和CAT（E、F）的活性比较

7.     ALA对渗透胁迫下核桃ROS含量的影响

PEG诱导的干旱胁迫对核桃造成了损伤，因此，核桃叶片和根系活性氧含量上升，但ALA处理显著抑制渗透胁迫下O₂⁻、H₂O₂和MDA含量上升，其中对O₂⁻的抑制作用在核桃根系中更为明显。

图6. 不同处理后核桃叶片和根系超氧阴离子(O₂⁻）的产生速率（A、B）以及H₂O₂（C、D）和MDA（E、F）的含量

8.     ALA调控渗透胁迫下核桃植株DREB2A基因表达

本研究检测到的核桃叶和根中DREB2A基因的表达均对PEG胁迫有响应，但不同的基因表现出不同的表达模式。在叶片中，PEG胁迫上调4个DREB2A基因（包括DREB2A1/3/4/9）表达，其中ALA进一步上调DREB2A1/3的表达；同时，PEG胁迫下调DREB2A2/5/6/7/8基因表达，而ALA处理则减少其下调幅度。说明这些基因可能对渗透胁迫敏感，ALA对它们有保护作用。在根中，PEG胁迫显著上调DREB2A1/3/4/5/6/7/8/9的表达，而ALA抑制了PEG诱导的基因表达。说明这些基因可能与胁迫伤害有关，而ALA对它们也具有保护效应。

图7.不同处理10天后干旱响应元件结合蛋白2A（DREB2A）亚家族基因在核桃叶片(A)和根(B)中的相对表达量

9.     ALA调控渗透胁迫下核桃植株PIP和TIP基因表达

  在PEG胁迫下，核桃叶片中PIP和TIP基因表达均下调，但ALA处理后只有少数基因（PIP1；4和TIP1；1）表达上调。根中PIP1；4、TIP1；1和TIP1；2的表达显著上调，而ALA处理抑制其表达的增加。其他基因，包括PIP1;1、PIP1;3、PIP1;5和TIP120均被PEG胁迫下调，但ALA预处理能抑制其下调，说明这些基因与干旱下核桃吸水能力提高有关。

图8. 不同处理10 d后水通道蛋白基因质膜内在蛋白（TIP）基因和液泡膜内在蛋白（PIP）基因在核桃叶(A)和根(B)中的相对表达量

╱ 作者简介 ╱

第一作者为南京农业大学果树学仲岩副教授

通讯作者为南京农业大学果树学汪良驹教授和陕西师范大学植物生理学安玉艳副教授

╱ 资助资金 ╱

● 江苏省农业自主创新资金重大项目CX(20)2023

● 国家自然科学基金32172512，32272641

● 江苏省碳达峰碳中和前沿基础项目BK20220005

● 中央高校基本科研业务费基金项目KYYJ202004