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γ-氨基丁酸和脲素对玉米幼苗生长的影响

2018-06-13李裕芳朱昌华甘立军

生物学杂志 2018年3期
关键词:还原酶营养液可溶性

李裕芳, 朱昌华, 甘立军

(南京农业大学 生命科学学院,南京 210095)

γ-氨基丁酸是一种四碳非蛋白的氨基酸,作为动物体内的一种神经递质,对人体大脑血液循环、血压调节、癫痫和痛风疾病的治疗有很好的功效[1-2]。一直以来,GABA在植物上仅仅被认为是一种代谢产物,主要可以调节各种胁迫,比如盐胁迫[3]、低氧胁迫[4]。直到利用拟南芥基因组学作为媒介工具研究发现,GABA可能作为一种信号分子响应各种逆境,此外,GABA还与C、N代谢有关[5]。GABA还可以作为植物的一种氮素来源,植物可以通过吸收转化GABA来合成自身所需的氨基酸和蛋白质[6]。

脲素是实际生产中最常用的氮肥。甘氨酸的结构简式为NH2CH2COOH,它为人体非必需氨基酸,同GABA结构相似,在分子中同时具有碱性官能团氨基和酸性官能团羧基,并且在水中可电离,具有很强的亲水性,也极易溶于水难溶于乙醇。甲硫氨酸的结构简式为CH3SCH2CH2CNH2COOH,研究表明Met能替代部分氨基酸态氮源[7]。

前人的研究表明GABA以信号分子的形式对植物的生长发育起调节作用,调节碳氮代谢,可以作为氮的临时储存仓库,那么GABA是否单纯作为一种氨基酸形式的氮素为植物提供营养达到促进作物生长的作用,硝酸还原酶作为无机氮代谢关键酶在此过程中是否有变化?GABA与氨基酸Gly、Met、脲素比较又有什么不同之处?玉米作为中国主栽粮食作物之一,其生产过程一直以来颇受关注。本实验以玉米作为材料来比较GABA、Gly、Met和脲素的作用,对它们的联系进行初步探索,也对玉米的高产稳产进行一定的探索。

1 材料和方法

1.1 实验材料

玉米品种为“农大108”,来源于寿光欣欣然园艺有限公司。

1.2 实验设计

玉米二叶一心时,挑选长势一致的健康植株,采用不同处理液灌根,每个花盆均匀加入100 mL 处理液,保证溶液刚好不流出花盆为准,以清水为对照。每个处理6个重复,每个重复3株玉米苗。所用处理液均用Hoagland营养液配置。GABA的浓度梯度为0、0.5、1、2和3 mmol/L,Gly、Met、脲素分别配置为氮含量为1 mmol/L的处理液(预实验处理选取的浓度),浓度分别为:0.97、0.97和0.49 mmol/L。此后,每3 d只添加相对应的清水和营养液。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 形态指标的测定

叶片长度(直尺测量);鲜重(天平直接称重)和干重(烘干法)

1.3.2 生理指标的测定

叶绿素的含量根据Arnon[9]的方法计算;可溶性糖采用蒽酮硫酸法[10-11];蛋白质的测定采用考马斯亮蓝G-250法[12];硝酸还原酶活性的测定采用离体法[13];元素的测定采用ICP。

1.4 数据处理与分析

采用 Microsoft Excel 2010 和 SPSS 20.0 软件对数据进行统计分析。具有显著差异(P<0.05)的用不同小写字母标识。

2 结果与分析

2.1 GABA对不同培养条件下玉米生长的影响

通过对不同营养液培养条件下玉米幼苗叶发育进程的统计,发现不同的培养条件下,GABA均能促进叶片的伸长。在第5叶期,与对照相比,不同处理方式均出现显著性差异(图1)。其中,水培幼苗为处理第15天时的叶片长度,1/8和1/4 Hoagland分别为处理第10天和第8天时测定的长度。通过比较发现,水培和1/8 Hoagland营养液条件下,叶片长度与GABA浓度成正相关。在1/4 Hoagland营养液培养条件下,1 mmol/L和2 mmol/L GABA促进效果最佳,高浓度3 mmol/L作用减缓。

在图2中分别比较了不同营养条件下干鲜重的变化,发现水培条件下,GABA可以显著增加地上和地下部的干鲜重,1/4和1/8 Hoagland营养液培养条件下,GABA对地上部也是促进作用,但对地下部差异不显著。

图 1 不同培养条件下GABA对玉米幼苗生长的影响Fig 1 Effects of GABA on the growth of maize seedlings under different conditions

A:水培养;B:1/8 Hoagland 营养液培养;C:1/4 Hoagland 营养液培养。图中柱上不同的小写字母表示差异达到显著性(P<0.05);下同。Control:对应不同浓度的营养液;0.5、1、2和3 mmol/L:不同浓度的GABA

图2 不同培养条件下GABA对玉米幼苗干鲜重的影响Fig 2 Effects of GABA on the weight of shoot and root of maize seedlings under different conditions

A、B,C、D,E、F分别代表水培、1/8 Hoagland培养、1/4 Hoagland培养。图中柱上不同的小写字母表示差异达到显著性(P<0.05),显著性差异分析对象为同一颜色柱子间的单向分析;下同

综合图1和图2可知,水培和1/8 Hoagland营养液条件下,GABA作用强度与浓度成正相关。在1/4 Hoagland营养液培养条件下,1 mmol/L和2 mmol/L GABA促进效果最佳。后续实验选取1/4 Hoagland营养液培养条件。

2.2 GABA和脲素对玉米发育进程和干鲜重的影响

2.2.1 GABA和脲素对玉米幼苗的发育进程的影响

GABA和脲素都可以促进玉米幼苗发育进程,表现为植株形态变大(图 3-A),第5叶期叶片长度出现显著性差异(图 3-B)。但GABA和脲素二者并无显著差异。GABA和脲素都可以为玉米幼苗生长发育提供营养物质,都可促进玉米幼苗发育进程,但两者差异不大。

图3 GABA和脲素对玉米幼苗发育进程的影响Fig 3 Effects of GABA and urea on the development process of maize seedlings

2.2.2 GABA和脲素对玉米幼苗干鲜重的影响

GABA和脲素都能显著提高玉米幼苗地上物质的积累(图4)。对照组玉米幼苗地上部鲜重为3.77 g,地下部鲜重为2.20 g。脲素处理组地上部鲜重为4.39 g,较对照组增加16%,地下部鲜重为2.46 g,较对照组增加10%。GABA处理时地上部鲜重为4.45 g,较对照组增长18%;地下部鲜重为2.38 g,较对照组增长8%。灌根处理后GABA和脲素处理组都提高了玉米幼苗地上部分物质的积累,二者无显著差异;另外添加GABA和脲素后,地下部干鲜重变化不大,但也都有小幅度的上升。甘氨酸和蛋氨酸处理组与对照比较也无差异,而且地上部差异较地下部显著。可见,GABA灌根处理,其效果与含等量氮素的脲素处理结果类似,可以提高玉米苗期的物质积累,促进幼苗生长。

李云燕等[16]用半枫荷散组以半枫荷散(由半枫荷根、荆芥、防风、乳香、胡椒根各等份组成,将诸药制成散剂,加白酒和陈醋浸泡7 d后备用)治疗膝关节骨性关节炎,其治疗的愈显率为68%,且总有效率达到90%。认为半枫荷散治疗膝关节骨性关节炎,作用迅速,疗效显著,而且价格低廉,具有推广应用价值。

图4 GABA和脲素对玉米幼苗鲜重(A)和干重(B)的影响Fig 4 Effect of GABA and urea on the fresh weight (A) and dry weight(B)of shoot and root of maize seedlings

2.3 GABA和脲素对玉米幼苗叶绿素含量的影响

除脲素组,各处理组对叶绿素含量的影响不大(图5)。Gly和Met组与对照无差异,添加脲素后,叶绿素含量有显著提升,此时叶绿素含量为2.36 mg/g,对照组为1.97 mg/g,叶绿素含量提高了20%,差异显著,而GABA对叶绿素无显著影响,但也有小幅度提高,较对照提高11.8%。

图5 GABA和脲素对玉米幼苗叶片叶绿素含量的影响Fig 5 Effect of GABA and urea on the chloraphly content in the leaves of maize seedlings

2.4 GABA和脲素对玉米幼苗可溶性糖含量的影响

GABA和脲素灌根处理,无论地上部分(图6-A)还是地下部分(图6-B)可溶性糖都出现一定含量的下降。对照组可溶性糖含量为0.09%,甘氨酸、蛋氨酸、脲素和GABA处理组分别为0.093%、0.086%、0.073%和0.075%,脲素和GABA较对照组降低18.5%、16.7%和26.3%,而且两者下降差异显著(P<0.05),两者之间差异不大。对于玉米幼苗地下部分,脲素与GABA处理组比对照糖含量也显著降低,两者降低量相差不多。由此可见,脲素与GABA灌根处理组显著降低了玉米幼苗可溶性糖的水平。消耗更多的碳水化合物供应植物的生长发育。

图6 GABA和脲素对玉米幼苗地上(A)及地下(B)可溶性糖含量的影响Fig 6 Effect of GABA and urea on soluble sugar content in shoot(A) and root(B) of maize seedlings

2.5 GABA和脲素对玉米幼苗可溶性蛋白含量的影响

GABA和脲素处理在一定程度上降低了可溶性糖含量,对可溶性蛋白起到提升作用(图7)。其中,地上部分对照组蛋白质含量为9.45 mg/g,Gly、Met、脲素和GABA组蛋白质含量分别为:9.62、11.49、14.71和14.21 mg/g,通过计算得知4个处理组都较对照蛋白含量有所上升,分别提高1.8%、21%、56%和50.1%,其中Gly和蛋氨酸与对照组无显著性差异,脲素和GABA显著增加了地上部分蛋白质的合成。但两个处理组之间无显著性差异(P>0.05)。地下部分蛋白质的变化同地上一致。甘氨酸与蛋氨酸处理组与对照组地下蛋白含量无显著变化,脲素与GABA都明显提高了根部可溶性蛋白的含量,分别比对照增加了12.8%、9.8%。经过比较发现,GABA和脲素对地上部蛋白质的提升作用大于地下部。

图7 GABA和脲素对玉米幼苗地上(A)及地下(B)可溶性蛋白含量的影响Fig 7 Effects of GABA and urea on soluble protein of shoot(A) and root(B) of maize seedlings

图8 GABA和脲素对玉米幼苗地上(A)及地下(B)硝酸还原酶活性的影响Fig 8 Effects of GABA and urea on the nitrate reductase activity in shoot(A) and root(B) of maize seedlings

2.6 GABA和脲素对玉米幼苗硝酸还原酶活性的影响

硝酸还原酶(NR)作为氮代谢过程中的关键酶,其活性的高低直接反应氮代谢的旺盛程度。NR以NADPH为电子供体催化硝酸盐还原成亚硝酸盐,同时也可以进一步将亚硝酸盐还原为一氧化氮,在高等植物根、叶的细胞质中普遍都有NR的存在。而有研究报道GABA也可以作为一种氮素供植物生长需要。本实验研究发现GABA和脲素处理后都可以提高硝酸还原酶的活力,从而促进玉米幼苗的发育进程。从图8可以得出:由于处理时玉米幼苗本身营养消耗殆尽,添加含有不同试剂的营养液后,在处理后第2天,玉米叶片中检测到较高的硝酸还原酶,此后营养供应充足,硝酸还原酶活性水平增长变化不大。在实验期间,脲素和GABA处理组酶活始终高于清水对照组以及另外两个氨基酸处理组。GABA处理组以1和2 mmol/L 处理效果最佳,但与脲素无显著差异。在处理第6天,酶活相对最高时,对照组为18.5 μg/h·g,脲素和GABA处理组为25.35和24.96 μg/g·h,分别比对照增加了1.37倍和1.35倍。处理期间,根中酶活也有同样的变化趋势。脲素和GABA也提高了根中硝酸还原酶活性,促进根中氮代谢。

2.7 GABA和脲素对玉米幼苗元素的影响

由表2可知,地下部元素含量的变化与地上部相同的是,GABA处理组提高了Ca、Mg的含量,并且分别较对照提高了17.20%、15.52%,GABA和脲素也都促进了Fe的含量,分别上升14.19%、27.12%,差异显著(P<0.05)。脲素组也提高了Mg的含量,达10.86%。此外,Met和GABA处理组Mn含量分别为对照组的1.27倍和1.31倍,达到显著性差异。Gly和GABA也增加了地下部Si的含量,分别比对照组上升21.46%、35.36%。

表 1 γ-氨基丁酸(GABA)处理对玉米幼苗地上矿质元素含量的影响(mg/kg)Table 1 Effects of exogenous γ-aminobutyric acid (GABA) on elements content in shoot of maize seedlings

表中不同的小写字母表示差异达到显著性(P<0.05);下同

3 讨论

内源和外源GABA都可以对拟南芥[14]和烟草[15]根长生长量、茎的伸长量[16]起到抑制或促进作用,从而影响作物的生长发育。GABA可能有植物激素的作用,影响细胞的伸长和分裂,GABA较低浓度的水平下能促进植物茎的伸长,而在高浓度的水平下抑制茎的伸长[17]。我们的研究结果表明,在不同强度的营养液中,GABA都可以促进玉米幼苗的发育进程,而且,营养液强度越低促进作用越显著。在1/4营养液中,甘氨酸与蛋氨酸处理组与对照也没有明显差异,GABA以1和2 mmol/L效果最佳,与含有等量氮素的脲素比较,二者差异不明显。

表 2 γ-氨基丁酸(GABA)对玉米幼苗地下矿质元素含量的影响(mg/kg)Table 2 Effects of exogenous γ-aminobutyric acid (GABA) on elements content in root of maize seedlings

大量元素和微量元素对植物的生长发育过程起着举足轻重的作用,有的是一些重要化合物的主要成分,有一些是各种酶活的辅基参与各种重要的代谢反应,还有一些直接参与调节细胞的生命活动。它们不因含量的多少决定作用的重要性。如P是形成核酸、核蛋白和磷脂的主要成分,还参与光和呼吸作用,对氮代谢也有重要作用;K 和 Na 在维持细胞渗透势方面起重要作用;Ca 既可以作为信使分子参与到各种调解中,在维持细胞膜稳定性方面也有重要作用;Mg、Mn、Zn、Fe 元素构成叶绿素不可或缺的成分,Fe、Mg 元素在光合作用和碳氮代谢中也有非常重要的作用。Fe、Mn、Cu、Si、Zn 等多种微量元素作为多种酶的辅基发挥作用[25-26]。Fe 是多种酶的辅因子,并且与其他多种酶参与植物的呼吸作用,尤其是在氧化还原方面,参与光合作用中的电子传递等重要过程。

4 小结

该实验结论证实,GABA可以提高玉米幼苗的发育进程,提高硝酸还原酶活性,提高氮代谢水平,降低可溶性糖含量提高蛋白质的合成,在这些方面GABA与含等量氮素的脲素水平相当。但在元素吸收方面,GABA 较脲素显著增加了多种元素的吸收。推测GABA以信号形式影响元素代谢途径。

[1]ABDOU A M, HIGASHIGUCHI S, HORIE K, et al.Relaxation and immunity enhancement effects of γ-aminobutyric acid (GABA) administration in humans [J].Biofactors, 2006, 26(3): 201-208.

[2]NEJATI F, RIZZELLO C G, DI CAGNO R, et al.Manufacture of a functional fermented milk enriched of angiotensin-I converting enzyme (ACE)-inhibitory peptides and gamma-amino butyric acid (GABA) [J].LWT-Food Science and Technology, 2013, 51(1): 183-189.

[3]RENAULT H, ROUSSEL V, EI AMRANI A, et al.TheArabidopsispop2-1 mutant reveals the involvement of GABA transaminase in salt stress tolerance [J].BMC Plant Biology, 2010, 10(1): 20.

[4]SONG S L, LI J R, GAO H B, et al.Effects of exogenous γ-aminobutyric acid on inorganic nitrogen metabolism and mineral elements contents of melon seedling under hypoxia stress [J].Acta Horticulturae Sinica, 2012, 39(4):695-704.

[5]BOUCHÉ N, FROMM H.GABA in plants: just a metabolite?[J].Trends in Plant Science, 2004, 9(3): 110-115.

[6]STREETER J G, THOMPSON J F.Anaerobic accumulation of γ-aminobutyric acid in radish levaes(RaphanussativusL.) [J].Physical Plant, 1972, 49(4): 572-578.

[7]WANG H J, WU L H, TAO Q N.Effects of nitrogen forms on plant growth and quality[J].Bulletin of Science & Technology, 2005, 21(1):50-55.

[8]SARROPOULOU V, DIMASSI-THERIOU K, THERIOS I.Effects of exogenous l-arginine on in vitro rooting, chlorophyll, carbohydrate, and proline concentrations in the sweet cherry rootstock M M 14 (PrunusaviumL.PrunusmahalebL.) [J].Plant Biotechnology Reports, 2013, 7(4): 457-465.

[9]ARNON D I.Copper enzymes in isolated chloroplasts.Polyphenoloxidase in beta vulgaris [J].Plant Physiology, 1949, 24(1): 1-15.

[10]KHAN A A, MCNEILLY T, COLLINS C.Accumulation of amino acids, proline, and carbohydrates in response to aluminum and manganese stress in maize [J].Plant Nutr, 2000, 23(9):1303-1431.

[11]MOUSTAKAS M, SPERDOULI I, KOUNA T, et al.Exogenous proline induces soluble sugar accumulation and alleviates drought stress effects on photosystem II functioning ofArabidopsisthalianaleaves [J].Plant Growth Regulation, 2011, 65(2): 315-325.

[12]BRADFORD M M.A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding [J].Analytical Biochemistry, 1976, 72(1-2): 248-254.

[13]王学奎.植物生理生化实验原理和技术 [M].北京:高等教育出版社, 2006: 124-126.

[14]SERRAJ R, SHELP B J, SINCLAIR T R.Accumulation of γ-aminobutyric acid in nodulated soybean in response to drought stress [J].Physiol Plant, 1998, 102(1): 79-86.

[15]AKAMA K, TAKAIWA F.C-terminal extension of rice glutamate decarboxylase (Os GAD2) functions as an autoinhibitory domain and overexpression of a truncated mutant results in the accumulation of extremely high levels of GABA in plant cells [J].J Exp Bot, 2007, 58(10): 2699-2707.

[16]ASHRAFUZZAMAN M, ISMAIL M R, ABDULLAH IBNA FAZAL K M, et al.Effect of GABA application on the growth and yield of bitter gourd (Momordicacharantia) [J].International Journal of Agriculture and Biology, 2010,12: 129-132.

[17]KATHIRESAN A, MIRANDA J, CHINNAPPA C C, et al.γ-aminobutyric acid promotesstem elongation inStellarialongipes: the role of ethylene [J].Plant Growth Regulation, 1998, 26(2): 131-137.

[18]KUMUDINI S, HUME D J, CHU G.Genetic improvement in short season soybeans [J].Crop Science, 2001, 41(2): 391-398.

[19]SHEN W B.Nitrate reductase is also a nitric oxide-synthesis enzyme in plants [J].Plant Physiology Communications, 2003, 39(2):168-170.

[20]STITT M, QUICK W P.Photosynthetic carbon partitioning: its regulation and possibilities for manipulation [J].Physiologia Plantarum, 1989, 77(4): 633-641.

[21]燕 飞.外源5-氨基乙酰丙酸(ALA)对盐胁迫下黄瓜幼苗生理调控效应研究 [D].杨凌:西北农林科技大学, 2014.

[22]BEUVE N, RISPAIL N, LAINE P, et al.Putative role of gamma-aminobutyric acid (GABA) as a long distance signal in up-regulation of nitrate uptake inBrassicanapusL [J].Plant Cell and Environment, 2004, 27(8): 1035-1046.

[23]BREITKREUZ K E, SHELP B J, FISCHER W N, et al.Identification and characterization of GABA, proline and quaternary ammonium compound transporters fromArabidopsisthaliana[J].FEBS Letters, 1999, 450(3): 280-284.

[24]SOLOMON P S, OLIVER R P.Evidence thatγ-aminobutyric acid is a major nitrogen source duringCladosporiumfulvuminfection of tomato [J].Planta, 2002, 214(3): 414-420.

[25]宁慧峰.氮素对稻米品质的影响及其理化基础研究[D].南京:南京农业大学,2011.

[26]Epstein E.The anomaly of silicon in plant biology [J].Proc Natl Acad Sci USA, 1994, 91(1): 11-17.

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