外源亚精胺对高温胁迫下生菜氮代谢的影响

2022-04-14余琦隆韩莹琰郝敬虹秦晓晓刘超杰范双喜

中国农业科学 2022年7期

余琦隆，韩莹琰，郝敬虹，秦晓晓，刘超杰，范双喜

外源亚精胺对高温胁迫下生菜氮代谢的影响

1北京农学院植物科学技术学院，北京 102206；2北京农业职业学院，北京 102442

【】在高温季节种植的生菜产量和营养品质不佳，而与生菜产量最密切的营养元素是氮。研究外源亚精胺（Spd）在生菜抗高温胁迫中的氮代谢调控机理，为降低高温对生菜产生的危害提供保护措施。试验材料为散叶生菜‘北散生3号’，试验处理设置常温对照（昼/夜温度：22℃/17℃，CK）、高温胁迫处理（昼/夜温度：35℃/30℃，H）、高温喷施Spd处理（HS）。观察3个不同处理生菜的生长形态变化，研究生菜根系离子流速、含氮化合物（总氮、氨态氮、硝态氮）含量、氮代谢关键酶活性及基因相对表达水平的变化。此外，分析CK、H和HS处理对生菜叶片游离氨基酸含量的影响。与对照CK相比，生菜生长在H处理受到抑制；与H处理相比，HS处理的生菜总鲜重、总干重、叶长、叶宽、根长、根系体积和根系表面积均有所增加，分别增加了24.00%、24.62%、14.97%、11.83%、23.24%、29.47%和36.98%。CK、H和HS处理的生菜总氮含量变化与生菜的生长趋势一致。CK、H和HS处理的生菜根系NO3-净吸收量远小于NH4+，即生菜根系主要以吸收NH4+为主；H处理使根系NO3-外排而HS处理促进根系NO3-内流。HS处理有效抑制高温导致的叶片和根系氨态氮含量的积累。同时，与H处理相比，HS处理增加了叶片和根系的硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）、谷氨酸脱氢酶（GDH）的活性及上调、、、的相对表达水平。与CK相比，H处理的总游离氨基酸（TAA）含量显著减少（＜0.05）；HS处理缓解了高温导致的TAA含量减少。处理CK、H和HS之间的鲜味氨基酸（UAA）、甜味氨基酸（SAA）和苦味氨基酸（BAA）的变化趋势与TAA一致，与其呈相反趋势的是芳香族氨基酸（AAA）。处理CK、H和HS之间的天冬氨酸（Asp）、苏氨酸（Thr）、谷氨酸（Glu）、甘氨酸（Gly）、缬氨酸（Val）、赖氨酸（Lys）、组氨酸（His）、精氨酸（Arg）和脯氨酸（Pro）这9种氨基酸与TAA的变化趋势一致。其中，检测的游离氨基酸中变异系数最大的是Arg。高温喷施Spd处理抑制了高温导致的生菜生物量积累的降低。与高温处理相比，高温喷施Spd处理缓解了高温胁迫导致的氮代谢紊乱，增加了叶片总游离氨基酸含量和呈味氨基酸中的甜味氨基酸、鲜味氨基酸、苦味氨基酸含量，有效地改善了生菜的耐高温能力，提升了高温胁迫下生菜的营养品质。

高温；生菜；氮代谢；亚精胺；离子流速；氨基酸

0 引言

【研究意义】叶用莴苣（L.）属于菊科莴苣属喜冷凉环境的一年生草本植物[1]，俗名生菜。生菜是北京地区播种面积最大的叶类蔬菜。每年高温季节（5月底至9月初），生菜的营养品质和产量降低[2-3]，导致经济损失。与生菜产量最密切相关的营养元素是氮[4-5]。高温通常会造成植物氮代谢失衡[6]。研究喷施外源物质以调控高温胁迫下生菜的氮代谢稳态，对提高生菜的耐高温能力具有重要意义。【前人研究进展】亚精胺（Spd）是具有生物活性的低分子量脂肪族含氮碱，广泛分布于生物体内[7-8]。Spd不仅是逆境胁迫下的重要保护物质，而且是参与植物抗逆机制的信号分子。研究发现，Spd能通过调控氮代谢水平来提高番茄幼苗叶片的耐高温能力[9]。植物氮元素来源于根系在营养液或土壤中的NH4+和NO3-的吸收[10-11]。研究发现，根系吸收的NH4+和NO3-净离子流速影响植物对氮元素的获取[12-14]。植物吸收获取的NH4+和NO3-进入氮代谢途径，即NO3-的代谢还原和NH4+的同化等[15]。NO3-的代谢还原包括NO3-在细胞内通过NR进行一系列反应还原为NH4+。氮的同化是植物吸收NH4+的氨通过GS/GOGAT循环途径和/或GDH途径合成谷氨酸和/或谷氨酰胺，谷氨酸和谷氨酰胺再进一步形成其他氨基酸或酰胺以供植物体利用[15-16]。田婧等[17]研究Spd对高温胁迫下黄瓜幼苗氮素代谢的影响发现，短期高温胁迫下喷施Spd预处理，幼苗体内硝态氮和铵态氮含量升高且NR活性增强；较长期高温胁迫喷施Spd处理，Spd促进根系吸收硝态氮且向地上部运输，增强根系和叶片NR活性，抑制铵态氮过度积累。Shan等[9]研究发现，外源Spd显著增加了高温胁迫下番茄叶片中NR和GDH的活性；与此同时，高温胁迫下施用Spd显著上调、、和的转录水平。可见，外源Spd可能通过调节含氮化合物、氮代谢关键酶的活性及其基因表达来改善氮代谢，从而赋予蔬菜作物（黄瓜和番茄）的耐高温能力。氮同化代谢过程合成的游离氨基酸不仅是衡量蔬菜作物营养价值的重要指标，还能直接或间接对逆境胁迫做出响应[18-19]。Du等[20]研究发现，外源Spd能调控黄瓜叶片中游离氨基酸含量的变化，这有助于减轻胁迫的伤害。因此，高温胁迫下施用Spd可能也引起蔬菜作物中游离氨基酸含量的变化。【本研究切入点】生菜作为喜积累NO3-的叶类蔬菜，易因处理的变化而影响生菜对氮营养元素的吸收、转化和代谢[4]。虽然已有关于外源Spd能调控高温胁迫下黄瓜[17]和番茄[9]氮代谢的研究，也有研究证实高温胁迫下生菜体内较高水平的Spd含量能增强其耐高温能力[21-22]，但是外源Spd是如何调控生菜氮元素的吸收、转化和代谢途径来影响生菜耐高温能力和营养品质的变化还未可知。【拟解决的关键问题】本试验以散叶生菜‘北散生3号’为试材，研究外源Spd对高温胁迫下生菜幼苗的生长、NH4+和NO3-离子流速、氮代谢和游离氨基酸含量的影响，探明Spd在生菜抗高温逆境中的氮代谢调控机理。

1 材料与方法

试验于2020年8月至2021年4月在北京农学院蔬菜重点实验室进行。

1.1 植物材料和处理方法

试验采用的生菜品种由北京农学院生菜研究组提供，为‘北散生3号’。选取颗粒饱满的生菜种子放于铺有湿润滤纸的培养皿中催芽48 h后，播于1/2—2/3霍格兰配方的营养液[23]水培育苗托盘中，放于人工气候箱（GXZ型光照培养箱，中国）中培养，光周期为14 h/10 h，昼夜温度为22℃/17℃，相对湿度在70%—75%，光照强度为（350±10）μmol·m-2·s-1。待幼苗长至一叶一心时，挑选长势一致的幼苗移栽至含有霍格兰营养液的规格为10 L的水培箱中。移栽适应一周后开始处理，挑选1/3生长状况相同的生菜幼苗留在人工气候培养箱中，作为常温对照。剩下2/3转移至光周期为14 h/10 h，昼夜温度为35℃/30℃，相对湿度为70%—75%，光照强度为（350±10）μmol·m-2·s-1的人工气候培养箱中。后续处理再将剩下2/3的生菜均分为高温处理和高温喷施Spd处理。

植株处理方式是每天上午8：00—9：00对叶片均匀喷施，以叶面和叶背全部湿润且不下滴为准。经过前期试验发现，Spd浓度在1 mmol∙L-1时，生菜抗高温胁迫的效果最佳，因此，后续试验Spd浓度设置为1 mmol∙L-1[24]。Spd于SIGMA公司购买，配置成1 mol∙L-1的母液后储存在4℃冰箱，使用时稀释成1 mmol∙L-1。本试验共设置3个处理：常温对照（CK）：昼夜温度22℃/17℃，喷施纯水；高温胁迫（H）：昼夜温度35℃/30℃，喷施纯水；高温胁迫喷施Spd（HS）：昼夜温度35℃/30℃，喷施1 mmol∙L-1Spd。每个处理30株，3次重复。

1.2 生长指标测定

处理第8天时，在各个处理中均随机选取6株生菜，用直尺测定每株生菜的叶长、叶宽和根长。采用根系扫描仪（Expression 12000XL，中国）捕获根形态，随后将捕获的图像加载到Imege（WinRHIZO，加拿大）中，进行每株生菜根系形态的测定（根系体积和根系表面积）。用电子秤称量每株生菜的总鲜重。之后再将其放置在电热鼓风干燥箱（BGZ-140型，中国）中，105℃杀青30 min后，75℃烘干至恒重以测定每株生菜的总干重。

1.3 硝态氮、氨态氮和总氮含量的测定

硝态氮含量的测定采用水杨酸法[25]，氨态氮含量的测定采用靛酚蓝比色法[25]。试验处理第0、2、4、6、8天时，在CK、H和HS处理中均随机选择生长一致的生菜，称取同部位的鲜样保存于-80℃。用于测定生菜叶片和根系的硝态氮及氨态氮含量。

总氮含量的测定采用凯氏定氮法[25]。第0、2、4、6、8天时，在CK、H和HS处理中均各随机选择生长一致的生菜，烘干后粉碎至粉状样品保存。称取0.5 g干样放于消化管，加入1.5 g催化剂（CuSO4·5H2O﹕K2SO4=1﹕9）和10 mL浓硫酸消煮过夜后，用FOSS凯氏定氮仪（Kjeltec 2300型，中国）测量叶片和根系的总氮含量。

1.4 NH4+、NO3-离子流速的测定

利用旭月（北京）科技有限公司的“非损伤微测技术（NMT）”系统（Younger USA LLC，美国）监测处理第3天时根表面的净NH4+和NO3-通量。

从每个处理的植物根系中随机抽取8根白色细根（直径约1.0 mm）。将白色细根浸入含有10—20 mL测量溶液（1.0 mmol∙L-1NaNO3、1.0 mmol∙L-1Ca(NO3)2、1.0 mmol∙L-1NH4H2PO4、pH（6.9±0.1））的培养皿中，将其平衡20—30 min，然后转移到另一个含有测量溶液的培养皿中。以对照中的生菜根系不同位置进行初步试验以确定出现NH4+和NO3-最大净通量的位置。在距根尖0.3、0.8、1.5、2.5、3.0和15 mm的区域内进行初始测量。初步试验结果确定为距根尖2.5 mm处为净通量最大的位置，之后进一步测量H和HS处理中根系的NH4+和NO3-净通量。离子通量的记录速率为每4 s一次，每个测量点持续监测3 min。去除前期不稳定的数据，得到稳定的NH4+和NO3-流速曲线[14,26]。

1.5 游离氨基酸含量的测定

游离氨基酸含量的测定参考Aurisano等[27]的方法。试验处理第8天时，在CK、H和HS处理中均随机选择生长一致的生菜。称取新鲜叶片2.50 g，匀浆后加入8 mL 0.1 mol∙L-1HCL，定容至10 mL，超声震荡30 min，离心（10 000×、4℃、15 min）。取2 mL上清液与2 mL 5%磺基水杨酸暗反应30 min，离心（10 000×、4℃、15 min）。取上清液过0.22 μm微孔滤膜后进L-8800ASM氨基酸分析仪（Hitachi，日本），测定游离氨基酸含量。

1.6 氮代谢相关酶活性的测定

NR活性的测定方法参考Högberg等[28]的方法；GS活性的测定方法参考Wang等[29]的方法；GOGAT活性的测定方法参考Lin等[30]的方法；GDH活性的测定参考Singh等[31]的方法。试验处理第0、2、4、6和8天时，在各个处理（CK、H和HS）中均选择生长一致的生菜，称取同部位的生菜各0.5 g于-80℃保存，之后用于测定生菜叶片和根系的NR、GS、GOGAT和GDH活性。

1.7 总RNA提取和qRT-PCR分析

处理第8天时，采用qRT-PCR方法分析生菜叶片和根系中、、、和的相对mRNA表达水平。生菜叶片和根的总RNA提取使用华越洋试剂盒（中国）。使用天根反转录试剂盒（中国）合成cDNA第一链。从NCBI的GenBank库中分别下载相关基因引物序列。引物设计见表1，以反转录的产物cDNA作为模板，进行qRT-PCR分析，作为内参基因。qRT-PCR使用TB Green Premix Ex Taq II (2×) (Tli RNaseH Plus)试剂盒（TaKaRa，日本），在CFX96 Real-Time PCR Detection System仪器（Bio-Rad Laboratories，美国）进行试验。基因表达变化倍数分析使用2-△△CT进行计算，相对mRNA表达水平用进行标准化。所有处理设定3次生物学重复。

1.8 数据处理与分析

数据分析采用SPSS（version 26，美国）和WPS 2019（中国）进行方差和显著性分析（＜0.05）。

2 结果

2.1 外源Spd对高温胁迫下生菜生长的影响

如表2所示，与CK对照相比，高温胁迫显著降低生菜的总鲜重、叶宽、根长、根系体积和根系表面积。与H处理相比，HS处理的生菜的总鲜重、总干重、叶长、叶宽、根长、根系体积和根系表面积均有所增加，分别增加了24.00%、24.62%、14.97%、11.83%、23.24%、29.47%和36.98%。以上结果表明，高温胁迫会抑制生菜的生长，Spd能促进生菜在高温胁迫下生物量的积累。

表1 用于qPCR分析的相关基因的引物序列信息

表2 外源Spd对高温胁迫下生菜形态指标的影响

不同小写字母表示不同处理间根据Duncan多极差检验在（＜0.05）存在显著差异。下同

The different letters indicate significant differences at＜0.05 according to Duncan’s multiple range test. The same as below

2.2 外源Spd对高温胁迫下生菜根系NH4+、NO3-离子流速的影响

如图1所示，生菜根系NO3-的净吸收量远远小于NH4+。表明生菜根系主要以吸收NH4+为主。如图1-A所示，3个处理的生菜根系NH4+离子流速均表现为内流状态，但是NH4+流速在不同处理间差异不显著。如图1-B所示，3个处理的生菜根系NO3-离子流速有内流和外排两种状态。其中H处理的NO3-离子为外排状态，为2.23 pmol·cm-2·s-1。CK和HS处理的NO3-离子均为内流状态，HS处理的根系NO3-内流流速显著高于CK，为51.43 pmol·cm-2·s-1。说明NO3-离子流速对于处理的反应比NH4+灵敏，H处理导致根系NO3-外排，HS处理促进根系NO3-内流。

离子流速值为距根尖顶点的距离2.5 mm处，正值代表外排，负值代表内流。不同小写字母表示差异显著（P＜0.05）。下同

2.3 外源Spd对高温胁迫下生菜总氮、硝态氮和氨态氮的影响

随着处理时间的增加，外源Spd的喷施缓解了高温胁迫下根系总氮含量的下降（图2-A、B）。如图2-C所示，叶片中硝态氮含量随着H处理时间的增加而逐渐低于对照，并且在H处理的第8天硝态氮含量最低；在处理的第8天，HS处理的叶片中硝态氮含量显著高于H处理（＜0.05）。但H和HS处理的根系中硝态氮含量均高于对照，H和HS处理之间的硝态氮含量差异不显著（图2-D）。高温胁迫下，叶片和根系的氨态氮含量均高于对照和HS处理（图2-E、F）。表明外源Spd的喷施抑制高温下生菜叶片和根系氨态氮含量的积累。

2.4 外源Spd对高温胁迫下生菜的氮代谢关键酶活性的影响

如图3-A和图3-B所示，随着处理时间的增加，H处理的生菜叶片和根系中NR活性低于对照。与H处理相比，HS处理的叶片和根系NR活性增强，其中叶片NR活性显著高于对照（＜0.05）。H处理下，叶片中GS的活性显著高于对照；而HS处理的GS活性又显著高于H处理（图3-C）。H处理的根系GS活性先上升后下降，最终在处理第8天时显著低于对照和HS处理（图3-D）。在处理的第6、8天，H处理的叶片和根系GOGAT活性显著低于对照，HS处理显著抑制高温胁迫下的GOGAT活性降低（图3-E、F）。不同处理的叶片和根系GDH（图3-G、H）与GOGAT活性的变化趋势相似。上述结果表明，与H处理相比，HS处理的叶片和根系氮代谢关键酶（NR、GS、GOGAT、GDH）活性均呈增加的趋势。

2.5 外源Spd对高温胁迫下生菜氮代谢关键酶基因表达的影响

从图4-A和图4-B可知，H处理的叶片和根系中相对表达水平显著低于对照和HS处理，说明外源喷施Spd抑制了高温胁迫对相对表达水平的下调，HS处理的根系相对表达水平显著高于对照（＜0.05）。不同处理间，叶片和根系相对表达水平与相对表达水平的趋势类似（图4-C、D，图4-I、J）。与CK相比，H和HS处理的叶片中几乎不表达（图4-E）。叶片中GOGAT酶的另外一个相关基因与的变化趋势一致（图4-G）。在根系中，与CK相比，和相对表达水平在高温胁迫下均显著上调；与H处理相比，HS处理进一步上调相关基因的相对表达水平（图4-F、H）。上述结果表明，与H处理相比，HS处理上调了叶片（、、和）和根系（、、、和）的氮代谢关键酶基因的相对表达水平。

图2 外源Spd对高温胁迫下生菜总氮、硝态氮和氨态氮的影响

2.6 外源Spd对高温胁迫下生菜叶片氨基酸含量的影响

外源Spd对高温胁迫下生菜叶片游离氨基酸含量的影响见表3。与CK相比，H处理的生菜TAA含量显著减少；HS处理能抑制高温胁迫导致的TAA含量减少。其中，Asp、Thr、Glu、Gly、Val、Lys、His、Arg和Pro这9种氨基酸与TAA的变化趋势一致；Tyr与TAA的变化趋势相反。3个处理中含量无差异的氨基酸包括Cys和Met。各个处理间，检测的17种游离氨基酸中变异系数最大的是Arg，说明生菜叶片中Arg的含量在不同处理间的变化差异最大。外源Spd对高温胁迫下生菜叶片呈味氨基酸含量的影响见表4。17种游离氨基酸按照呈味特征分为UAA（Asp、Glu、Gly、Ala、Lys）、SAA（Ser、Thr、His、Pro）、AAA（Cys、Tyr、Phe）和BAA（Arg、Val、Met、Ile、Leu）。UAA、SAA和BAA的变化趋势与TAA一致，与之相反的是AAA。根据表4发现SAA的均值最高，其次是UAA；BAA的变异系数最大，其次是SAA。

图3 外源Spd对高温胁迫下生菜氮代谢关键酶活性的影响

3 讨论

3.1 外源Spd影响高温胁迫下生菜的生长与氮代谢

ALCáZAR等[32]认为，Spd在植物非生物胁迫抗逆中发挥重要作用。本研究也表明，Spd能促进生菜在高温胁迫下的生物量积累。氮素营养是多种氨基酸、次生代谢物和生长激素等物质的重要组成部分，因此为植物生长和发育所必需[33-34]。本研究中，随着处理时间的增加，高温喷施Spd缓解高温胁迫导致的叶片和根系总氮含量的降低。这一变化趋势与生菜生长变化趋势相一致。

NO3-被根系细胞吸收后，NR在细胞胞浆中将NO3-经过一系列步骤转化为NH4+[15]。本研究结果表明，与CK相比，高温胁迫导致叶片硝态氮含量和NR活性降低，根系硝态氮含量增加而NR活性降低；高温喷施Spd能缓解高温胁迫导致的生菜叶片和根系NR活性的降低。这可能是高温引起根系中硝态氮含量升高但向地上部运输受阻，因而NR活性钝化[17]；而Spd可能是通过调节14-3-3蛋白与H+-ATPase的结合途径[35]，帮助缓解高温导致的NR活性降低。田真等[36]研究发现，生菜表达与NR活性呈正相关，与本研究结果一致。

图4 外源亚精胺对高温胁迫下生菜氮代谢关键酶基因表达的影响

NH4+通过GS/GOGAT循环途径和/或GDH途径合成谷氨酸和/或谷氨酰胺，谷氨酸和谷氨酰胺再进一步形成其他氨基酸或酰胺以供植物体利用[15-16]。本研究中，高温喷施Spd缓解了高温胁迫导致的生菜叶片和根系氨态氮含量的增加；与H处理相比，HS处理增加了叶片和根系的GS、GOGAT、GDH活性及上调了叶片、、和根系、、、表达水平。通常，避免植物组织中积累过量的NH4+被认为是抵抗胁迫的重要能力[37]。HS处理后显著抑制了氨态氮含量的积累，这意味着Spd通过上调氨同化酶活性及相关基因表达来提高NH4+同化，从而减轻高温处理下NH4+对生菜幼苗的毒害作用。这与田婧等[17]的研究结果相似。

表3 外源Spd对高温胁迫下生菜叶片游离氨基酸含量的影响

表4 外源Spd对高温胁迫下生菜叶片呈味氨基酸含量的影响

3.2 外源Spd影响高温胁迫下生菜的离子流速

植物中的氮元素通常通过根系以NO3-和NH4+的形式作为无机离子获取[10-11]。前人研究发现，小麦根系中NH4+的净吸收量大于NO3-的净吸收量[38]。本研究也发现生菜根系主要以吸收NH4+为主的现象，原因可能是根系吸收的NH4+转化为氨基酸需要较少的能量和同化等价物[39-40]。本研究结果表明HS处理后的生菜根系对NH4+吸收的同时抑制其对氨态氮的积累，原因可能是Spd通过加强了高温胁迫下生菜根系氨同化酶的活性，促进了NH4+的同化作用。

另外，本研究中根系NO3-离子流速对不同处理的反应更为灵敏。与CK相比，H处理后根系的NO3-外排；与H处理相比，HS处理会促进根系NO3-内流，并且HS处理的根系NO3-净吸收量显著高于CK。这可能是因为H处理后根系吸收的NH4+不能及时同化代谢而导致细胞膜受损，造成NH4+毒害后抑制NO3-的吸收；HS处理能增加氨同化酶的活性，加速NH4+同化后促进吸收更多的NO3-，从而缓解高温胁迫导致的生菜生长受抑制现象。

3.3 外源Spd影响高温胁迫下生菜叶片氨基酸含量

植物积累的氮元素经过一系列同化代谢合成氨基酸，氨基酸再进一步参与次生代谢物的合成。一些研究表明，在胁迫条件下，植物体内游离氨基酸会过度积累[19]。本研究结果表明，H处理的叶片中TAA含量均较对照减少；高温喷施Spd缓解高温胁迫导致的生菜叶片TAA降低。原因可能是高温导致生菜叶片的细胞膜结构损伤和代谢进程破坏，游离氨基酸出现渗漏，或是高温导致氨基酸消耗速率快于合成速率；而Spd在高温胁迫下能有效防止膜系统变性[41]，促进游离氨基酸的积累来增加细胞液浓度和提高原生质体的持水能力，从而提高植物耐热性。本研究的3个处理中，与H处理相比，HS处理后SAA、UAA和BAA均增加，这或许能赋予生菜甘甜爽口的特点，缓解高温导致的不良口感。其中，BAA变异系数最大，可能是受到Arg的影响。HS处理的生菜叶片中Arg含量不仅比H处理增加了140.96%，还比对照增加了68.56%。KALAC̆等[42]认为Arg不仅能贮藏氮营养元素，还是多胺的前体物质，说明Spd处理可能通过调控Arg代谢通路途径来抵抗高温胁迫，具体有待进一步探究。

4 结论

外源喷施亚精胺增加了高温胁迫下的生菜NO3-净流入量、总氮含量、氮代谢关键酶活性及氮代谢关键酶基因的相对表达水平，缓解了高温胁迫导致的NH4+毒害积累、氮代谢紊乱和生长抑制现象，有效地改善了生菜的耐高温能力。外源喷施亚精胺缓解了高温导致的总游离氨基酸含量（TAA）和呈味氨基酸中甜味氨基酸（SAA）、鲜味氨基酸（UAA）和苦味氨基酸（BAA）含量的降低，有效地提升了高温胁迫下生菜的营养品质。

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Effect of Exogenous Spermidine on Nitrogen Metabolism of Lettuce Under High-Temperature Stress

1College of Plant Science and Technology, Beijing University of Agriculture, Beijing 102206;2Beijing Vocational College of Agriculture, Beijing 102442

【】The lettuce yield and nutritional quality planted in high-temperature seasons are not good. Nitrogen is the most closely related nutrient element to lettuce yield. In this study, the regulation mechanism of exogenous spermidine (Spd) on nitrogen metabolism of lettuce under high-temperature stress was studied, and the changes of amino acid nutritional quality were observed, so as to provide some protective measures to reduce the harm of high temperature on lettuce. 【】The test material was leaf lettuce Beisansheng 3. The test treatments were set as normal temperature (day/night: 22℃/17℃) control (CK), high-temperature stress (day/night: 35℃/30℃) treatment (H), and high temperature spraying Spd treatment (HS). The changes of lettuce morphology were observed, and the changes of the lettuce root ion flow rate, nitrogen compounds contents (total nitrogen, ammonia nitrogen, and nitrate nitrogen), and the activities of key enzymes in nitrogen metabolism as well as their relative expression levels were analyzed. In addition, the effects of the CK, H, and HS treatments on the lettuce leaf free amino acids content were studied. 【】Compared with the CK, the lettuce growth of the H treatment was inhibited. Compared with the H treatment, the HS treatment increased total fresh weight, total dry weight, leaf length, leaf width, root length, root volume, and root surface area of lettuce by 24.00%, 24.62%, 14.97%, 11.83%, 23.24%, 29.47%, and 36.98%, respectively. The changes in the total nitrogen content of lettuce treated by CK, H, and HS were consistent with the growing trend of lettuce. The net absorption amount of NO3-in lettuce roots treated with CK, H and HS were much smaller than that of NH4+, indicating that lettuce roots mainly absorbed NH4+. The H treatment resulted in the outflow of NO3-from roots, while the HS treatment promoted the influx of NO3-from roots. The accumulation of ammonia nitrogen content in leaves under the HS treatment was effectively inhibited. Meanwhile, the activities of nitrate reductase (NR), glutamine synthase (GS), glutamate synthase (GOGAT), and glutamate dehydrogenase (GDH) under the HS treatment were increased and the relative gene expression levels of,,, andin leaves and roots were up-regulated. Compared with the CK treatment, the H treatment reduced the total free amino acid (TAA) content (＜0.05); the HS treatment alleviated the reduction in TAA content caused by high temperature. The changes of umami amino acids (UAA), sweet amino acids (SAA), and bitter amino acids (BAA) among the CK, H, and HS treatment were consistent with those of TAA, while aromatic amino acids (AAA) were the opposite. The changes of aspartic acid (Asp), threonine (Thr), glutamic acid (Glu), glycine (Gly), valine (Val), lysine (Lys), histidine (His), arginine (Arg), and proline (Pro) among the CK, H, and HS treatment were consistent with those of TAA. Among the free amino acids tested, Arg had the largest coefficient of variation. 【】Spraying Spd treatment inhibited the decrease of lettuce biomass accumulation under high temperature. For spraying Spd treatment, the nitrogen metabolism disorders under high-temperature stress was alleviated, and the leaf total free amino acid content, flavor amino acids of umami amino acids, sweet amino acids, and bitter amino acids were increased, while the high-temperature resistant capacity of lettuce was effectively enhanced and the nutritional quality of lettuce was improved.

high temperature;L.; nitrogen metabolism; spermidine; ion flow rate; amino acid