任莉雯 楊力行 魏李彤 周德玥 周儀容 韓浩章

摘要 堿性鹽脅迫影響植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育，γ-氨基丁酸（GABA）能有效緩解鹽堿逆境對(duì)植物的傷害。本研究以猴樟幼苗為材料，共設(shè)5個(gè)處理，分別噴施0（對(duì)照）、30、50、100 和150 ?mol/L的GABA溶液，選擇琥珀酸脫氫酶（SDH）、丙酮酸脫氫酶（PDH）、蘋果酸脫氫酶（MDH）、檸檬酸合成酶（CS）和異檸檬酸合成酶（ICDH）指標(biāo)，研究外源GABA處理對(duì)猴樟幼苗呼吸代謝相關(guān)酶活性的影響，為植物響應(yīng)堿性鹽脅迫的機(jī)理研究提供依據(jù)。結(jié)果表明，外源噴施30～50 ?mol/L濃度的GABA處理能明顯提高堿性鹽脅迫下猴樟幼苗葉片的SDH、PDH、MDH、CS和ICDH活性；100～150 ?mol/L濃度的GABA處理對(duì)呼吸代謝相關(guān)酶活性的促進(jìn)作用不明顯；隨著外源GABA處理濃度的增加，猴樟幼苗的耐堿性鹽脅迫能力綜合評(píng)價(jià)值D呈先增加后降低的趨勢(shì)，綜合評(píng)價(jià)值D在30～50 ?mol/L濃度的GABA處理?xiàng)l件下達(dá)最大值，而100～150 ?mol/L濃度的GABA處理?xiàng)l件下D值低于對(duì)照。因此，30～50 ?mol/L濃度的GABA處理能促進(jìn)堿性鹽脅迫下的猴樟幼苗呼吸代謝能力。

關(guān)鍵詞 GABA；堿性鹽脅迫；呼吸代謝；猴樟；PDH活性

中圖分類號(hào) S792.23? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2024）08-0056-05

土壤鹽堿化影響作物正常生長(zhǎng)發(fā)育，最終影響作物產(chǎn)量和產(chǎn)品品質(zhì)提升。堿性鹽環(huán)境通常會(huì)造成滲透脅迫、氧化脅迫和離子毒害等，使植物光合作用受阻，養(yǎng)分吸收困難，甚至生長(zhǎng)停止，最終導(dǎo)致植物組織早衰或死亡[1]。植物歷經(jīng)長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程，具備了較復(fù)雜的堿性鹽逆境應(yīng)答系統(tǒng)。植物對(duì)鹽堿地的逆境響應(yīng)涉及多種生物化學(xué)和生理生化機(jī)制的調(diào)控，包括調(diào)節(jié)滲透壓、積累滲透保護(hù)物質(zhì)、調(diào)節(jié)離子吸收分配和轉(zhuǎn)移、調(diào)節(jié)葉綠素組成以及維持細(xì)胞內(nèi)膜脂狀態(tài)等[2]。

猴樟（Cinnamomun bodinieri Levl.）為樟科樟屬常綠闊葉樹(shù)種，具有重要的藥用價(jià)值、林用價(jià)值和油料加工價(jià)值，多分布于南方地區(qū)，在生產(chǎn)栽培過(guò)程中易受鹽堿環(huán)境影響，可能導(dǎo)致其生長(zhǎng)不良、抗性下降。秦嗣軍等[3]發(fā)現(xiàn)，植物在應(yīng)對(duì)非生物脅迫時(shí)，能量代謝路徑會(huì)發(fā)生適應(yīng)性變化，如水分脅迫使東北山櫻幼苗通過(guò)調(diào)整磷酸戊糖（PPP）途徑和交替呼吸（AP）途徑比例的方式提高抗性。堿性鹽脅迫下，猴樟組織內(nèi)己糖激酶、乙醇脫氫酶、磷酸甘油酸激酶和磷酸甘油酸變位酶基因上調(diào)表達(dá)，草酰乙酸含量上升。植株呼吸代謝情況與其是否耐受堿性鹽脅迫密切相關(guān)[4]。鹽脅迫條件下，耐鹽的燕麥品種產(chǎn)量明顯高于鹽敏感燕麥品種，在鹽脅迫下鹽敏感燕麥品種根系呼吸速率下降明顯，抗氧化能力降低，營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)不足，限制了根系生長(zhǎng)及干物質(zhì)的積累，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降[5]。

GABA為四碳非蛋白質(zhì)類氨基酸，是植物體內(nèi)重要的信號(hào)傳導(dǎo)分子，參與種子萌發(fā)、氨基酸代謝、滲透調(diào)節(jié)、光合作用和活性氧調(diào)節(jié)等多種生理生化過(guò)程[6]。鹽脅迫會(huì)抑制植物生長(zhǎng)發(fā)育，呼吸代謝能為植物適應(yīng)鹽堿脅迫提供能量和小分子代謝物質(zhì)，多種外源物質(zhì)處理均能影響逆境脅迫下植物的呼吸代謝[5，7-8]，堿低溫馴化使高山植物綿頭雪蓮呼吸速率和糖酵解速率先降低后升高，抗氰呼吸途徑加強(qiáng)，與糖代謝相關(guān)的關(guān)鍵酶基因表達(dá)量提高[9]。研究表明，外源GABA能夠提高鹽脅迫下菘藍(lán)幼苗活性氧清除能力和抗氧化酶的活性[10]，為植物幼苗生長(zhǎng)發(fā)育提供氮素營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)葉綠素的合成，誘導(dǎo)產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)多種氨基酸[11]。外源GABA也能夠提高鹽脅迫下西伯利亞白刺的光合能力[12]，提高植物的抗逆能力，緩解非生物脅迫對(duì)植物的損害[13]。外源水楊酸（SA）處理可有效調(diào)控冬小麥糖酵解（EMP）代謝，促進(jìn)果糖與丙酮酸積累與分解，提高植物的抗寒性[14]。赤霉素（GA3）處理提高了低溫脅迫條件下玉米種胚中可溶性糖和可溶性蛋白含量，提高了淀粉酶和呼吸途徑關(guān)鍵酶活性，提高了MDH、丙酮酸激酶（PK）、聯(lián)合酶（G-6-PDH和6-PGDH）的活性，提高了EMP、三羥酸循環(huán)（TCA）、PPP途徑的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，提高了種子對(duì)低溫的抵抗能力，實(shí)現(xiàn)在低溫脅迫條件下種子的萌發(fā)[12]。植物體內(nèi)的GABA由多胺代謝途徑或谷氨酸脫羧途徑合成，經(jīng)由GABA轉(zhuǎn)氨酶催化后，最終進(jìn)入TCA代謝[15]。

糖是植物光合作用的主要產(chǎn)物，也是呼吸作用的底物，為植物細(xì)胞的構(gòu)建和耗能提供碳骨架和能源，同時(shí)具有調(diào)節(jié)滲透、抵抗環(huán)境脅迫和影響生長(zhǎng)發(fā)育等重要作用。在鹽堿、低溫和干旱等非生物脅迫下，植物體內(nèi)的可溶性糖的含量會(huì)提高，而可溶性糖含量是植物抵抗非生物脅迫能力的重要體現(xiàn)。EMP、TCA、SDH、PDH、MDH、CS和ICDH是植物呼吸代謝過(guò)程中的關(guān)鍵酶。目前，關(guān)于GABA對(duì)植物堿性鹽脅迫下呼吸代謝影響的研究較少，本研究基于前期研究結(jié)果，探索外源GABA處理對(duì)猴樟幼苗呼吸代謝相關(guān)酶活性的影響，為植物耐堿性鹽脅迫的分子機(jī)理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選自宿遷學(xué)院樟屬植物資源圃生長(zhǎng)的1年生盆栽猴樟幼苗，2022年9月從同一母樹(shù)上采種，低溫層積后于2023年2月播種，2023年5月移栽至盆中，試驗(yàn)材料共60盆，每盆1株。栽培盆高22 cm，栽培基質(zhì)比例為基地田園土∶草炭土=3∶1，土壤pH值為7，在玻璃溫室中進(jìn)行培養(yǎng)，進(jìn)行正常水肥管理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共分5個(gè)處理，每處理有12盆猴樟幼苗。以前期研究為基礎(chǔ)，2023年10月12日9：00用200 mmol/L Na2CO3溶液進(jìn)行澆灌處理，用量為800 mL/盆；當(dāng)日15：00，外源噴施濃度分別為0（對(duì)照）、30、50、100和150 ?mol/L的GABA溶液，用量為100 mL/盆，噴至葉面滴水為止，剩余溶液澆施于盆內(nèi)，1 h后再噴施1次，用量為100 mL/盆。正常培養(yǎng)48 h后，檢測(cè)猴樟幼苗葉片的SDH、PDH、MDH、CS和ICDH活性，進(jìn)行3次生物學(xué)重復(fù)。

1.3 試驗(yàn)方法

采用SDH活性檢測(cè)試劑盒（BC0955）測(cè)定SDH活性，每1 g植物組織在反應(yīng)體系中每1 min消耗1 nmol 2，6-二氯酚靛酚定義為1個(gè)酶活力單位U；采用分光光度計(jì)法檢測(cè)PDH活性，以每1 min吸光度值升高0.01為1個(gè)酶活力單位U；采用分光光度計(jì)法檢測(cè)MDH活性，以每1 min吸光度值升高0.01為1個(gè)酶活力單位U；采用分光光度計(jì)法檢測(cè)CS活性，以每1 min吸光度值升高0.01為1個(gè)酶活力單位U；采用分光光度計(jì)法檢測(cè)ICDH活性，以每1 min吸光度值升高0.01為1個(gè)酶活力單位U[7]。外源GABA處理對(duì)堿性鹽脅迫下猴樟幼苗呼吸代謝影響效果的綜合評(píng)價(jià)采用隸屬函數(shù)法[16]，在所有測(cè)定指標(biāo)中，SDH、PDH、MDH、CS和ICDH活性均與抗堿性鹽脅迫能力成正相關(guān)，采用隸屬函數(shù)公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

[U（Xab）=（Xab-Xamin）/（Xamax-Xamin）] （1）

式（1）中，[U（Xab）]為測(cè)定指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Xab為各處理的指標(biāo)測(cè)定值，Xamin為各處理指標(biāo)測(cè)定的最小值，Xamax為各處理指標(biāo)測(cè)定的最大值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2019制表，用SPSS 21.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，用最小顯著差數(shù)法（LSD）分析數(shù)據(jù)之間的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源GABA處理對(duì)堿性鹽脅迫下猴樟幼苗PDH活性的影響

PDH是分布在線粒體基質(zhì)中由3個(gè)酶組合而成的復(fù)合體，負(fù)責(zé)催化丙酮酸脫羧，可生成乙酰輔酶A。使用不同濃度的外源GABA處理影響堿性鹽脅迫下猴樟幼苗PDH活性（圖1），其中30、50 ?mol/L濃度的外源GABA處理下堿性鹽脅迫下PDH活性與對(duì)照組的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），分別較對(duì)照提高了32.12%和77.58%；100、150 ?mol/L的外源GABA處理對(duì)PDH活性影響與對(duì)照組的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。因此，30～50 ?mol/L濃度的外源GABA處理對(duì)PDH活性的影響效果較好。

2.2 外源GABA處理對(duì)堿性鹽脅迫下猴樟幼苗CS活性的影響

在三羧酸循環(huán)第一步反應(yīng)中，CS能催化乙酰輔酶A的乙基與草酰乙酸的酮基結(jié)合，生成檸檬酰輔酶A。適宜濃度的外源GABA處理影響了堿性鹽脅迫下猴樟幼苗CS活性（圖2），隨著GABA處理濃度的提高，CS活性呈先升高后下降的趨勢(shì)；在30 ?mol/L時(shí)CS活性達(dá)最高值，與對(duì)照組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），比對(duì)照組提高了94%，隨后CS活性明顯下降，其中50 ?mol/L外源GABA處理較對(duì)照提高了36.8%，但二者間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），而100和150 ?mol/L外源GABA處理對(duì)CS活性影響低于對(duì)照，與對(duì)照組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。因此，30～50 ?mol/L的外源GABA濃度處理對(duì)CS活性的影響效果較好。

2.3 外源GABA處理對(duì)堿性鹽脅迫下猴樟幼苗ICDH活性的影響

ICDH催化異檸檬酸轉(zhuǎn)化成α-酮戊二酸，實(shí)現(xiàn)了TCA循環(huán)中第一次脫羧過(guò)程。適宜濃度的外源GABA處理影響了堿性鹽脅迫下猴樟幼苗ICDH活性（圖3），其中30 ?mol/L的外源GABA處理明顯提高堿性鹽脅迫下ICDH活性，與對(duì)照組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），較對(duì)照提高了163.55%；隨著GABA處理濃度的提高，ICDH活性迅速下降，其中50、100 ?mol/L濃度的GABA處理下ICDH活性低于對(duì)照，但二者間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），150 ?mol/L外源GABA濃度處理時(shí)的ICDH活性較對(duì)照提高了15.89%，但二者間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。因此，30 ?mol/L濃度的外源GABA處理對(duì)ICDH活性的影響效果較好。

2.4 外源GABA處理對(duì)堿性鹽脅迫下猴樟幼苗SDH活性的影響

SDH是TCA循環(huán)和線粒體電子傳遞鏈的關(guān)鍵酶，在細(xì)胞能量代謝中起重要作用，可以根據(jù)其活性來(lái)推測(cè)TCA循環(huán)的活躍程度。適宜濃度的外源GABA處理影響了堿性鹽脅迫下猴樟幼苗SDH活性（圖4），隨著外源GABA處理濃度的提高，SDH活性呈先升高再下降趨勢(shì)，其中50 ?mol/L外源GABA處理明顯提高堿性鹽脅迫下SDH活性，與對(duì)照組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），比對(duì)照提高了61.79%，而100和150 ?mol/L外源GABA濃度處理下的SDH活性低于對(duì)照，但二者間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。因此，50 ?mol/L濃度的外源GABA處理對(duì)SDH活性的影響效果較好。

2.5 外源GABA處理對(duì)堿性鹽脅迫下猴樟幼苗MDH活性的影響

MDH主要將呼吸代謝中的蘋果酸脫氫形成草酰乙酸，草酰乙酸可繼續(xù)作為受體參與TCA循環(huán)。適宜濃度的外源GABA處理影響了堿性鹽脅迫下猴樟幼苗MDH活性（圖5），隨著外源GABA處理濃度的提高，MDH活性呈先升高再下降趨勢(shì)，但與對(duì)照組的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），分別較對(duì)照提高了104.35%、143.04%、92.61%和70.43%。因此，30～150 ?mol/L濃度的外源GABA處理對(duì)MDH活性的影響效果均較好。

2.6 外源GABA處理對(duì)堿性鹽脅迫下猴樟幼苗呼吸代謝影響效果的綜合評(píng)價(jià)

綜合評(píng)價(jià)值D表示不同濃度外源GABA處理對(duì)堿性鹽脅迫下猴樟幼苗呼吸代謝影響的綜合效果評(píng)價(jià)，D值范圍為0～1，D值越接近1表示外源GABA處理對(duì)堿性鹽脅迫下猴樟幼苗呼吸代謝的影響效果越好，植物耐堿性鹽脅迫能力越強(qiáng)，反之則效果越差[17]。由圖6可以看出，不同濃度外源GABA處理對(duì)堿性鹽脅迫下猴樟幼苗呼吸代謝影響的綜合效果不一致，其中30～50 ?mol/L濃度的外源GABA處理效果較好，D值分別為0.806和0.633，分別較對(duì)照提高了285.94%和203.33%，而100～150 ?mol/L濃度的外源GABA處理效果較差，D值分別為0.142和0.102，分別較對(duì)照降低了31.98%和51.21%。

3 結(jié)論與討論

堿性鹽脅迫影響植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育，γ-氨基丁酸（GABA）能有效緩解鹽堿逆境對(duì)植物的傷害，本研究以猴樟幼苗為材料，研究外源GABA處理對(duì)猴樟幼苗呼吸代謝相關(guān)酶活性的影響，為植物響應(yīng)堿性鹽脅迫的機(jī)理研究提供參考。

本研究結(jié)果表明，呼吸代謝在植物響應(yīng)堿性鹽過(guò)程中發(fā)揮重要作用，包括供應(yīng)能量、合成中間產(chǎn)物等多個(gè)方面，抗堿性鹽脅迫能力強(qiáng)的植物品種的呼吸代謝越旺盛。外源化學(xué)藥劑處理參與并促進(jìn)植物呼吸代謝過(guò)程，適宜濃度的GABA處理均能促進(jìn)猴樟幼苗適應(yīng)堿性鹽脅迫，提高種苗抗性和生長(zhǎng)質(zhì)量，但不同濃度GABA處理的影響效果不一致。結(jié)合隸屬函數(shù)法的結(jié)果來(lái)看，30 ?g/L外源GABA和50 ?g/L外源GABA處理效果最好，D值分別為0.806和0.633，而100～150 ?mol/L外源GABA濃度處理效果較差，D值分別為0.142和0.102。因此，在猴樟幼苗期葉面噴施30～50 ?mol/L外源GABA可明顯提高猴樟幼苗的抗鹽堿能力。

在本試驗(yàn)中，葉面噴施適宜濃度的GABA可明顯提高猴樟幼苗在堿性鹽脅迫下的SDH、PDH、MDH、CS和ICDH活性，提高植物在堿性鹽脅迫下的能量供應(yīng)能力和草酰乙酸等小分子物質(zhì)含量，提高植物抗逆性，這與吳繁琦等[18]對(duì)甘草、賈璐婷[19]對(duì)東北山櫻的研究結(jié)果一致。

參考文獻(xiàn)

[1] TAROLLI P，LUO J，PARK E，et al. Soil salinization in agriculture：mitigation and adaptation strategies combining nature-based solutions and bioengineering[J]. iScience，2024，27（2）：108830.

[2] LIAO J M，XIA P G. Continuous cropping obstacles of medicinal plants：focus on the plant-soil-microbe interaction system in the rhizosphere[J]. Scientia horticulturae，2024，328：112927.

[3] 秦嗣軍，呂德國(guó)，李志霞，等. 水分脅迫對(duì)東北山櫻幼苗呼吸等生理代謝的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，44（1）：201-209.

[4] HAN H Z，ZHANG L H，LI S H，et al. Transcriptome and metabolome integrated analysis reveals the mechanism of Cinnamomum bodinieri root response to alkali stress[J]. Plant molecular biology reporter，2023，41（3）：470-488.

[5] 張碧茹，米俊珍，趙寶平，等. 外源γ-氨基丁酸緩解燕麥幼苗鹽堿脅迫的生理效應(yīng)[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2024，44（2）：222-229.

[6] 韓多紅，王恩軍，張勇，等. 外源γ-氨基丁酸對(duì)鹽脅迫下菘藍(lán)幼苗活性氧和抗氧化系統(tǒng)的影響[J]. 北方園藝，2021（6）：111-116.

[7] 賈邱穎，吳曉蕾，冀勝鑫，等. γ-氨基丁酸對(duì)番茄嫁接苗耐鹽性的生理調(diào)控效應(yīng)[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2021，27（1）：122-134.

[8] 王馨，閆永慶，殷媛，等. 外源γ-氨基丁酸（GABA）對(duì)鹽脅迫下西伯利亞白刺光合特性的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2019，35（5）：1032-1039.

[9] 常菲菲，楊志杰，冉春霞，等. 外源γ-氨基丁酸緩解番茄幼苗熱脅迫的生理生化機(jī)制[J]. 植物生理學(xué)報(bào)，2023，59（11）：2039-2051.

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2023（24）：88-91.

[10] 朱育賢，施詩(shī)，豈子雁，等. 褪黑素對(duì)堿性鹽脅迫下猴樟呼吸代謝相關(guān)酶活性的影響[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2023（24）：88-91.

[11] 羅立娜，李紹鵬，吳凡，等. 隸屬函數(shù)法篩選多效唑?qū)ο憬冻看匍L(zhǎng)效果的最佳劑量[J]. 分子植物育種，2018，16（12）：4079-4085.

[12] 王青青，胡艷麗，周慧，等. 根皮苷對(duì)平邑甜茶根系TCA循環(huán)酶的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，45（15）：3108-3114.

[13] 陳曉晶，徐忠山，趙寶平，等. 鹽脅迫對(duì)燕麥根系呼吸代謝、抗氧化酶活性及產(chǎn)量的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2021，40（9）：2773-2782.

[14] 陸雅寧，王曉靜，楊佳慧，等. 低溫馴化對(duì)綿頭雪蓮呼吸代謝及相關(guān)基因表達(dá)的影響[J]. 分子植物育種，2023，21（10）：3171-3179.

[15] 趙欣，孟德義，蒼晶，等. 外源SA對(duì)低溫脅迫下冬小麥糖酵解代謝的影響[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2022，42（8）：1031-1038.

[16] 任曉松，王子沐，焦健，等. GA3處理對(duì)低溫脅迫條件下玉米種子呼吸代謝的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2020，39（3）：847-854.

[17] SHELP B J，BOZZO G G，TROBACHER C P，et al. Hypothesis/review：contribution of putrescine to 4-aminobutyrate （GABA） production in response to abiotic stress[J]. Plant science：an international journal of experimental plant biology，2012，193/194：130-135.

[18] 吳繁琦，王桂榮，白鈺，等. γ-氨基丁酸對(duì)甘草種子萌發(fā)及呼吸代謝的影響[J]. 種子，2023，42（4）：18-24.

[19] 賈璐婷. 水澇脅迫下東北山櫻根系GABA代謝特征及其生理效應(yīng)研究[D]. 沈陽(yáng)：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

（責(zé)編：張 蓓）

基金項(xiàng)目 江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK20231362）；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2023XSJ144Y）；宿遷市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（K202316）；宿遷學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2021td05）。

作者簡(jiǎn)介 任莉雯（2003—），女，江蘇揚(yáng)州人，從事樟屬植物逆境分子生物學(xué)研究。

通信作者 韓浩章（1978—），男，山東青島人，碩士，副教授，從事樟屬植物逆境分子生物學(xué)研究。

收稿日期 2024-02-15