5-氨基乙酰丙酸对绿豆碳代谢及产量的影响

靳 丹 冯乃杰 郑殿峰 王诗雅

（1黑龙江八一农垦大学农学院，163319，黑龙江大庆；2广东海洋大学滨海农业学院，524088，广东湛江；3广东海洋大学深圳研究院，518108，广东深圳）

绿豆（Vigna radiata L.）是传统的豆科作物之一，具有生育期短、抗逆性强和营养价值高等优点，在农业种植结构调整中发挥着重要作用[1-2]。近年来，植物生长调节剂在豆科作物的理论研究和生产应用中越来越受重视，其具有成本低和见效快等优点，目前已成为我国豆类作物高产、优质和高效栽培中的一项重要栽培技术措施[3]。研究[4]发现，喷施新型植物生长调节剂能有效提高大豆光合生理，显著提高大豆始花期净光合速率（Pn）。叶面喷施一定浓度的细胞分裂素（6-BA）能调控大豆叶片糖含量和转化酶活性，改善大豆叶片中碳代谢相关指标[5]。

5-氨基乙酰丙酸（ALA）是一种新型植物生长调节剂，以非蛋白类五碳氨基酸广泛存在于微生物、植物和动物细胞中[6]。ALA作为生物体合成叶绿素的关键前体，与植物光合作用和呼吸作用等密切相关[7]。研究[8]表明，叶面喷施ALA能够促进植物叶绿素的合成与稳定，促进光合作用，增加作物产量并改善作物品质。光合作用的中心色素分子叶绿素是光合反应的主要色素分子[9]。外源喷施ALA能促进番茄叶光合色素的形成过程，既促进光合作用，又积累了光合物质，进而促进番茄果实的生长[10]。此外，蒸腾作用和光合作用是植物生长的基础过程[11]。有研究[12]指出，小麦拔节期喷施一定浓度的ALA可改善小麦灌浆期叶片光合特性，提高产量。目前，关于ALA对绿豆大田种植的研究报道相对较少，始花期（R1期）作为绿豆从营养生长进入生殖生长的分界时期，各种代谢活动相对比较旺盛。因此，研究新型植物生长调节剂ALA对绿豆R1期碳代谢及产量的影响，进而为化控技术在绿豆生产上的应用推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试品种 以绿豆品种绿丰2号和绿丰5号为试验材料，2个品种均由国家杂粮工程技术研究中心提供。

1.1.2 供试植物生长调节剂 供试植物生长调节剂选用40mg/kg ALA，由黑龙江八一农垦大学植物生长调节剂工程技术研究中心提供。

1.2 试验设计

试验于2018-2019年在黑龙江省大庆市林甸县宏伟乡吉祥村试验基地进行。选取大小一致、籽粒饱满的绿豆种子，利用 10% NaClO消毒3min，蒸馏水冲洗3～5次，待种子表面干燥后，用ALA拌种，根据前期浓度筛选试验结果，拌种浓度设为40mg/kg，拌种用量为种子质量的1.2%，以未用 ALA拌种为对照。试验采用单因素随机区组设计，共设4个处理，分别为绿丰2号对照、绿丰2号ALA处理、绿丰5号对照和绿丰 5号ALA处理，每个处理4次重复，共计16个小区。小区面积为19.5m2，6行区，行长5m，行距0.65m，区间过道1m。播种前施磷酸二铵161.4kg/hm2、硫酸钾97.5kg/hm2和尿素71.1kg/hm2，播种深度5cm，保苗数21万株/hm2。在生育期间，适时除草和防治病虫害。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶绿素含量 于绿豆R1期以第1片完全展开的复叶为研究对象，参照乙醇浸提法[13]测定叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）和总叶绿素（Chl a+b）含量，并分析叶绿素a与叶绿素b比值（Chl a/b）。用直径0.613cm的打孔器打孔，混合取样，分别取10片叶放置在盛有 20mL 95%乙醇提取液的试管中，封口后于黑暗中浸提26h，直至叶片变为白色，然后用分光光度计在665、649和470nm波长下比色，计算各组分含量，每个处理重复3次。

1.3.2 光合参数 于绿豆R1期，利用便携式光合仪Li-6400（美国LI-COR公司）测定绿豆功能叶片（倒3叶）的Pn、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci）和外界CO2浓度（Ca）等光合气体交换参数，测定时间为晴天 9:00-11:30，测量时流速500μmol/s、叶室温度 30℃、光强 1000μmol/(m2·s），每处理重复4次。气孔限制值（Ls）=1-（Ca/Ci）；水分利用率（WUE）=Pn/Ci。

1.3.3 荧光参数 于绿豆 R1期，选晴天 9:00-11:30，采用OS5P＋便携脉冲调制式荧光仪（北京易科泰生态技术有限公司）测定叶绿素荧光参数，选取绿豆倒3叶中间叶片，先测定光适应下的初始荧光（Fo′）及最大荧光（Fm′），然后用荧光夹子夹住叶片使其暗反应30min后，测定绿豆叶片的荧光参数Fo、Fm和Fv，并计算 PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）、PSⅡ实际光化学量子效率（ΦPSⅡ）、PSⅡ的潜在活性（Fv/Fo）和 PSⅡ的热耗散量子比率（Fo/Fm）。

1.3.4 碳代谢相关指标 于绿豆R1期取样，每个处理取3株长势一致植株的倒3片完全展开叶，迅速冻于液氮中，再转入-40℃冰箱中保存，待样品收集完毕后，用间苯二酚法测定蔗糖含量，用蒽酮法测定淀粉含量和合成酶活性，用3,5-二硝基水杨酸法测定转化酶活性。

1.3.5 叶面积指数 分别于绿豆第 1（V1）、第 2（V2）、第3（V3）、第4（V4）和第5叶期（V5）测定叶面积指数（LAI），每个处理选取3株长势一致的植株，至子叶节处将植株分为2部分，取地上部分功能叶片，用Yaxin-1241叶面积仪测量LAI，于105℃杀青30min，80℃烘干至恒重称量干物质质量，计算LAI。LAI=S1×W1×单位土地面积上的株数/W2×S2，其中，S1代表叶面积（mm2），S2代表单位土地面积（m2），W1表示叶面积干物质量（g），W2表示单位面积土地上干物质质量（g）。

1.3.6 产量 于完熟期（R8期）取样，每个处理选取10株长势一致的植株，测定单株荚数、单株粒数、单株产量及百粒重，计算理论产量。产量（kg/hm2）=单株粒数×百粒重×每公顷株数/100000。

1.4 数据分析

采用 Microsoft Excel 2013进行数据录入及整理，用SPSS 22.0软件进行方差分析，用Origin 2018软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 ALA对绿豆叶片叶绿素含量的影响

由表1可知，R1期ALA处理对2个绿豆品种叶片叶绿素含量均有明显的增加作用。与CK处理相比，绿丰2号ALA处理的Chl a和Chl b含量分别极显著增加25.31%和37.25%，Chl a+b含量增加27.70%。绿丰5号ALA处理的Chl a、Chl b和Chl a+b含量与 CK处理相比分别显著增加 31.85%、20.75%和28.04%。表明ALA处理可延缓叶片衰老，提高光合作用时长。与CK处理相比，ALA处理的绿丰2号Chl a/b显著降低8.49%，绿丰5号Chl a/b显著提高。

表1 ALA对绿豆R1期叶片叶绿素含量的影响Table 1 Effects of ALA on chlorophyll contents of mung bean leaves at R1 stage

2.2 ALA对绿豆叶片光合特性的影响

由图1可知，在R1期，ALA处理对绿丰2号和绿丰 5号光合参数的影响效果一致。ALA处理下，绿丰2号和绿丰5号Pn分别较CK处理显著提高28.66%和23.35%；Gs也都显著提升；绿豆叶片Tr分别显著增加了32.43%和24.55%。与CK处理相比，ALA处理还提高了 2个绿豆品种叶片Ci/Ca，绿丰2号显著增加11.94%，绿丰5号无显著差异，表明该处理对于绿丰 2号 Ci的调控效果优于绿丰5号。ALA处理降低了2个品种Ls，与CK处理相比，绿丰2号显著降低18.32%，绿丰5号降低7.61%，但差异不显著，说明ALA有利于大气中 CO2进入细胞，进行光合作用。2个品种ALA处理WUE与CK处理相比略有降低，但未达显著差异水平，说明该处理对水分利用效率无明显作用。

图1 ALA对绿豆叶片R1期光合参数的影响Fig.1 Effects of ALA on photosynthetic parameters of mung bean leaves at R1 stage

2.3 ALA对绿豆叶片荧光特性的影响

由图2可知，与CK处理相比，ALA处理对绿豆光合系统 Fv/Fm无显著影响；该处理提高了绿丰2号和绿丰5号Fv/Fo，分别较CK处理增加11.98%和5.49%，其中绿丰2号达显著差异水平，绿丰5号无差异，说明ALA可促进2个品种对光能的利用，促进作物光合作用；同时该处理与CK处理相比，2个品种Fo/Fm分别降低7.61%和4.22%，ALA处理能减少绿豆叶片热能损失；该处理有效提高了2个品种的ΦPSⅡ，与CK处理相比分别提高18.87%和74.29%，且均达显著差异水平，表明ALA可显著提高绿豆在进行光合作用时电子受体开放程度，提高光合作用效率。

图2 ALA对绿豆叶片R1期荧光参数的影响Fig.2 Effects of ALA on fluorescence parameters of mung bean leaves at R1 stage

2.4 ALA对绿豆LAI的影响

如图3所示，随着生育时期的推进，LAI不断增大，且各时期ALA处理绿豆LAI均大于CK处理。其中对于绿丰2号LAI的影响，各时期分别较CK处理增加23.75%、17.51%、28.27%、13.59%和64.59%，其中V1、V2和V5期分别较CK处理达显著差异水平；ALA处理绿丰5号LAI除V1和V3期与CK处理相比达显著差异外，其余各时期与 CK处理无显著差异；由此可知，ALA对绿豆LAI的影响效果绿丰2号优于绿丰5号。

图3 ALA对不同生育时期绿豆LAI的影响Fig.3 Effects of ALA on LAI of mung bean at different growth stages

2.5 ALA对绿豆生理特性的影响

由图4可知，ALA处理提高了2个绿豆品种蔗糖含量，与CK处理相比，绿丰2号提高17.53%，绿丰5号显著增长43.75%；绿丰2号和绿丰5号淀粉含量分别较CK处理下降5.50%和26.65%，储能物质淀粉含量的减少以及蔗糖含量的增加说明ALA能够有效调控绿豆蔗糖以及淀粉含量，促进绿豆基础代谢增强，该处理有效提高了蔗糖合成酶（SS）活性，且均达显著性差异水平；蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性受ALA调控，具体表现为，与CK处理比，绿丰2号酶活性显著提高38.47%，绿丰5号酶活性显著降低39.29%，SPS作为光合作用过程中的参与酶，可能与绿豆品种光合特性有关；与CK处理比，ALA显著降低了绿豆酸性转化酶活性（AI），降低蔗糖分解速率；与CK处理比，绿丰2号和绿丰5号中性转化酶（NI）活性分别提高4.55%和60.87%，其中，绿丰5号与CK处理相比达显著性差异水平。

图4 ALA对绿豆R1期生理特性的影响Fig.4 Effects of ALA on physiological characteristics of mung bean at R1 stage

2.6 ALA对绿豆产量及其构成因素的影响

如表2所示，就产量而言，与CK处理相比，ALA处理对2018年绿丰2号没有增产效果，其余各处理产量均有所提升，2018年绿丰 5号增产2.21%，2019年绿丰2号增产11.27%，2019年绿丰5号增产9.67%。从产量构成因素来看，2018年绿丰2号单株粒数和单株粒重高于CK处理，2019年绿丰2号百粒重、单株粒数、单株粒重以及单株荚数分别较CK处理增加4.32%、6.53%、7.68%和13.71%，由此可知，ALA处理有效提高了2个品种的产量，且对不同品种增产方式不同，其中绿丰2号通过改善百粒重（2018年无明显变化，2019年比CK处理增加4.32%）和单株荚数（2018年无明显变化，2019年比CK处理增加13.71%）提高产量，有效提高了绿丰5号百粒重、单株粒数、单株粒重以及单株荚数（2018年分别比 CK处理增加0.85%、16.35%、16.81%和13.99%，2019年分别比CK处理增加1.42%、8.04%、9.66%和29.61%）。因此，ALA通过调控绿豆百粒重、单株粒数、单株粒重以及单株荚数等产量构成因素达到增产效果，且绿丰2号增产幅度高于绿丰5号。

表2 ALA对不同品种绿豆产量及其构成因素的影响Table 2 Effects of ALA on yield and its factors of different mung bean varieties

3 讨论

3.1 ALA对绿豆叶片叶绿素及荧光参数的影响

叶绿素作为作物叶片中主要的光合色素，是表征其光合作用能力和生长状况的重要指示因子[14]。研究[15]表明，应用植物生长调节剂可提高作物叶片内叶绿素含量，延长叶绿素含量的缓降期，为作物进行光合作用提供基础，进而延缓叶片衰老。本试验研究得出与上述相似结论，ALA处理有效提高了R1期绿豆叶片Chl a、Chl b和Chl a+b含量，说明ALA对延缓绿豆叶片衰老具有促进作用。叶绿素a/b型蛋白在捕获和传递光能、光保护和过剩能量耗散、调节光能在2个光系统中的分配和维持类囊体膜的结构方面具有重要作用[16]。本试验中，ALA提高了绿丰5号Chl a/b，降低了绿丰2号Chl a/b，表现出品种差异，这与2个绿豆品种蛋白组分存在差异有关。叶绿素荧光参数作为作物光合作用的内在探针，反映了作物光合生理状况[17]。孙阳等[18]研究表明，植物生长调节剂可改善玉米ETR、ΦPSⅡ、qP和Fv/Fm等荧光参数。本试验中ALA处理对绿豆叶片叶绿素荧光参数调控效果显著，提升了绿豆光系统 Fv/Fo和ΦPSⅡ，降低了绿豆叶片 Fo/Fm。由此可得出，ALA处理可显著提高绿豆进行光合作用时电子受体开放程度，提升作物对光能的利用，进而促进作物光合作用。

3.2 ALA对绿豆叶片光合参数的影响

植物光合作用是有机物的主要来源，因此，提高作物光合利用效率是作物增产的关键因素[19]。前人研究[20]表明，应用植物生长调节剂可通过调节作物叶片的光合作用和生理代谢来提高作物产量。本试验结果表明，ALA处理后，叶片Pn、Tr和Gs与CK处理相比显著增加，这与前人的研究[12-13,21]结果一致。光合气孔分析理论认为，气孔限制的一个重要判断依据是Ci的变化方向，而不是Ci的降低幅度，目前，一般把Ci增加和Ls降低作为影响植物叶片光合能力的主要原因和非气孔限制的判断准则[22]。本研究中，ALA处理促进了绿丰2号和绿丰5号叶片Ci的提高，同时降低了Ls，说明ALA通过改善光合作用的非气孔限制因素影响绿豆光合作用。另有研究[23]发现，外源生长物质可以有效改善作物叶面积以及LAI，本试验也得出相似的结论，随着生育期的推进，施用ALA使LAI增加，为绿豆高效地进行光合作用提供了物质基础。

3.3 ALA对绿豆叶片生理特性的影响

淀粉和蔗糖是植物生理代谢的主要化合物。淀粉作为光合作用的产物，是植物细胞消耗的主要能量来源[24]。蔗糖是碳水化合物代谢的中心枢纽，在运输营养物质过程中，蔗糖为主要表现形式[25]。SS和SPS是植物调控蔗糖含量的关键酶，它们的活性直接影响蔗糖的积累和光合产物的分配[26]。本试验中，ALA处理显著提高了SS活性，促进蔗糖合成。植物生长调节剂协调了源库系统碳水化合物代谢的动态平衡[27]。研究[28]表明，ALA+ETH（乙烯利）复配剂能够增强东北春玉米生育期内源强和库活性，进而促进籽粒灌浆。本研究表明，ALA提高了蔗糖含量，降低了淀粉含量，推测ALA促进淀粉分解为蔗糖，这可能与R1期作物主要将‘库’的积累‘流’向作物各个器官有关[29]，有效进行光合产物地分配。同时ALA降低了绿豆转化酶活性，说明ALA降低了蔗糖分解速率，有利于光合同化物的积累。由此可见，ALA促进了绿豆R1期碳代谢相关酶活性，提高了绿豆光合产物的分配，这可能是绿豆产量增加的重要原因之一。ALA作为新型植物生长调节剂，本身具有与激素相类似的作用，今后还应从如何影响内源激素表达等方面进一步分析其调控机理。

3.4 ALA对绿豆产量及其构成因素的影响

产量是产量构成因素共同作用的结果。单株荚数、单株粒数和百粒重等是影响绿豆产量的重要因素[30]。Vahid等[31]研究表明，外源喷施一定浓度的ALA可促进马齿苋地上生物量积累，促进其生长发育。另有研究表明，ALA可促进小麦籽粒灌浆速率[12]，改善番茄光合物质积累[10]，提高产量。本研究也得出相似结论，施用ALA对于2个绿豆品种的增产率分别达11.27%和9.67%；从产量构成因素来看，ALA处理对 2个绿豆品种调控效果存在差异，绿丰5号增产效果大于绿丰2号，可能是由于绿丰2号粒小，植株匍匐，生长后期植株透气和透光性较差。2018年绿丰2号百粒重和单株荚数的降低导致产量提升不明显，2019年百粒重、单株粒数、单株粒重以及单株荚数均有所提升，因此ALA处理通过调控产量构成因素来提高产量。

4 结论

ALA可促进绿豆叶绿素含量积累，增加 Gs，降低Ls，提升绿豆Pn、Fv/Fo和ФPSⅡ，降低Fo/Fm。同时增加R1期转化酶活力，提高蔗糖含量，改善产量构成因素，进而提高绿豆产量。总体来说，ALA对绿丰2号的光合效率、碳代谢及产量的促进效果更佳；特别是对绿丰2号单株荚数和百粒重的促进效果最为显著。