近期，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院汪良駒教授團(tuán)隊(duì)研究論文《Exogenous 5-Aminolevulinic Acid Promotes Osmotic Stress Tolerance of Walnuts by Modulating Photosynthesis, Osmotic Adjustment and Antioxidant Systems》在國 際期刊《forests》上在線發(fā)表。該研究從滲透脅迫下核桃葉片的光合作用、光化學(xué)活性；葉片和根系的相對(duì)含水量、滲調(diào)物質(zhì)含量、抗氧化酶活性、相關(guān)基因表達(dá)等角度探討了外源ALA提升核桃抗?jié)B透脅迫能力的可能機(jī)制。

核桃（Juglans regia L.）是一種世界性的經(jīng)濟(jì)樹種，具有重要的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。核桃用途廣泛，其種仁營養(yǎng)豐富，安心補(bǔ)腦益智的醫(yī)療保健作用家喻戶曉。核桃仁還可以制成核桃油，是一種重要的木本油料植物。核桃木的應(yīng)用價(jià)值也很高，可用來制作家具用品，在交通工具以及軍事武器上也有重要應(yīng)用價(jià)值。但是，核桃通常種植于干旱和半干旱地區(qū)，經(jīng)常受到缺水脅迫襲擾，提高植株抗旱性對(duì)核桃生長、生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)收益具有重要意義。

5-ALA能夠促進(jìn)葉綠素生物合成、碳同化和植物生長，并且提高果實(shí)品質(zhì)。此外，ALA能通過誘導(dǎo)干旱、澇漬、鹽度、極端溫度、重金屬和紫外線脅迫下的一系列生理生化和分子防御機(jī)制，在緩解逆境脅迫對(duì)植物損傷中發(fā)揮重要作用。目前，已有眾多研究表明，ALA可以提高楊樹、黃瓜、香蕉等多種植物耐旱性，但它是否可以應(yīng)用于提高核桃耐旱性則迄今未見報(bào)道。本試驗(yàn)以新疆主栽核桃品種‘溫185’為材料，研究ALA對(duì)PEG6000脅迫下核桃植株的影響，并且分析了ALA提高核桃耐旱性的生理機(jī)制。主要結(jié)果如下。

1.     ALA對(duì)滲透脅迫下核桃葉片和培養(yǎng)基質(zhì)相對(duì)含水量（RWC）的影響

圖1結(jié)果表明，PEG脅迫損害了核桃葉片的水分平衡，RWC最 低，而ALA處理則顯著緩解了葉片RWC的降低。另外，ALA處理能夠提高植株根系吸水能力，使得植物能夠從高滲基質(zhì)中吸收水分，從而維持水分平衡。這一特性是對(duì)照植株所不具備的。由于根系吸水能力增強(qiáng)，栽種核桃的土壤基質(zhì)RWC明顯下降。

圖1.不同處理后核桃葉片(A)和基質(zhì)(B)的相對(duì)含水量（RWC）

2.     ALA對(duì)滲透脅迫下核桃葉片光合氣體交換參數(shù)的影響

PEG脅迫顯著抑制核桃葉片光合作用，而ALA處理則緩解核桃葉片光合能力下降。PEG脅迫處理下，核桃葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、羧化效率（Pn/Ci）以及水分利用效率（WUE）均下降，而ALA預(yù)處理與之相比顯著升高。另外，ALA誘導(dǎo)的Ci的減少和Ls的增加可能是ALA促進(jìn)CO2在葉片中固定的結(jié)果。ALA處理使葉面溫度下降2度，說明其在一定程度上通過保持蒸騰作用和葉片散熱來降低葉片溫度。

圖2. 不同處理10d后核桃葉片氣體交換參數(shù)的比較。(A)凈光合速率，(B)氣孔導(dǎo)度，(C)蒸騰速率，(D)羧化效率，(E)水分利用效率，(F)胞間CO2濃度，(G)氣孔限度，(H)葉面溫度

3.     ALA對(duì)滲透脅迫下核桃葉片光系統(tǒng)反應(yīng)中心光化學(xué)活性的影響
    PEG脅迫會(huì)降低核桃葉片PSI反應(yīng)中心自身被氧化以及PSII反應(yīng)中心傳遞電子還原PSI反應(yīng)中心的能力，影響植株葉片的光合系統(tǒng)的效率，而ALA處理能緩解這種傷害。

圖3. 不同處理15 d后核桃葉片葉綠素快速熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)（OKJIP）曲線(A)和820 nm反射熒光（MR820）曲線(B)

4.     ALA對(duì)滲透脅迫下核桃葉片葉綠素含量的影響

在PEG處理下，核桃植株在脅迫5~15 d，葉片葉綠素含量顯著降低，而ALA預(yù)處理則顯著緩解了包括葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素以及葉綠素a/b的下降。這表明PEG脅迫會(huì)導(dǎo)致光合色素減少，而ALA可以減輕這種傷害。測(cè)定參與葉綠素代謝相關(guān)的5個(gè)基因HEMG1、HEMA1、PORB、CHLG和CAO的相對(duì)表達(dá)量，發(fā)現(xiàn)ALA在PEG脅迫下可以促進(jìn)葉綠素的生物合成，抑制其分解。

5.     ALA對(duì)滲透脅迫下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)和脯氨酸含量在葉片中的水平顯著高于根中。PEG脅迫增加了葉片和根中這些物質(zhì)的含量，ALA處理使其進(jìn)一步提高，以抵御滲透脅迫。

圖4. 不同處理核桃葉和根中可溶性糖（A、B）、可溶性蛋白（C、D）和游離脯氨酸（E、F）的含量

6.     ALA對(duì)滲透脅迫下抗氧化酶活性的影響

  在PEG脅迫下，核桃葉片和根系SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性上升，以抵御植物氧化損傷，而ALA處理的植株SOD、POD和CAT酶活性進(jìn)一步升高，說明ALA能增強(qiáng)核桃植株抗氧化酶能力。

圖5. 不同處理后核桃葉和根中SOD（A、B）、POD（C、D）和CAT（E、F）的活性比較

7.     ALA對(duì)滲透脅迫下核桃ROS含量的影響

PEG誘導(dǎo)的干旱脅迫對(duì)核桃造成了損傷，因此，核桃葉片和根系活性氧含量上升，但ALA處理顯著抑制滲透脅迫下O₂⁻、H₂O₂和MDA含量上升，其中對(duì)O₂⁻的抑制作用在核桃根系中更為明顯。

圖6. 不同處理后核桃葉片和根系超氧陰離子(O₂⁻）的產(chǎn)生速率（A、B）以及H₂O₂（C、D）和MDA（E、F）的含量

8.     ALA調(diào)控滲透脅迫下核桃植株DREB2A基因表達(dá)

本研究檢測(cè)到的核桃葉和根中DREB2A基因的表達(dá)均對(duì)PEG脅迫有響應(yīng)，但不同的基因表現(xiàn)出不同的表達(dá)模式。在葉片中，PEG脅迫上調(diào)4個(gè)DREB2A基因（包括DREB2A1/3/4/9）表達(dá)，其中ALA進(jìn)一步上調(diào)DREB2A1/3的表達(dá)；同時(shí)，PEG脅迫下調(diào)DREB2A2/5/6/7/8基因表達(dá)，而ALA處理則減少其下調(diào)幅度。說明這些基因可能對(duì)滲透脅迫敏感，ALA對(duì)它們有保護(hù)作用。在根中，PEG脅迫顯著上調(diào)DREB2A1/3/4/5/6/7/8/9的表達(dá)，而ALA抑制了PEG誘導(dǎo)的基因表達(dá)。說明這些基因可能與脅迫傷害有關(guān)，而ALA對(duì)它們也具有保護(hù)效應(yīng)。

圖7.不同處理10天后干旱響應(yīng)元件結(jié)合蛋白2A（DREB2A）亞家族基因在核桃葉片(A)和根(B)中的相對(duì)表達(dá)量

9.     ALA調(diào)控滲透脅迫下核桃植株PIP和TIP基因表達(dá)

  在PEG脅迫下，核桃葉片中PIP和TIP基因表達(dá)均下調(diào)，但ALA處理后只有少數(shù)基因（PIP1；4和TIP1；1）表達(dá)上調(diào)。根中PIP1；4、TIP1；1和TIP1；2的表達(dá)顯著上調(diào)，而ALA處理抑制其表達(dá)的增加。其他基因，包括PIP1;1、PIP1;3、PIP1;5和TIP120均被PEG脅迫下調(diào)，但ALA預(yù)處理能抑制其下調(diào)，說明這些基因與干旱下核桃吸水能力提高有關(guān)。

圖8. 不同處理10 d后水通道蛋白基因質(zhì)膜內(nèi)在蛋白（TIP）基因和液泡膜內(nèi)在蛋白（PIP）基因在核桃葉(A)和根(B)中的相對(duì)表達(dá)量

╱ 作者簡(jiǎn)介 ╱

第一作者為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)果樹學(xué)仲巖副教授

通訊作者為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)果樹學(xué)汪良駒教授和陜西師范大學(xué)植物生理學(xué)安玉艷副教授

╱ 資助資金 ╱

● 江蘇省農(nóng)業(yè)自主創(chuàng)新資金重大項(xiàng)目CX(20)2023

● 國家自然科學(xué)基金32172512，32272641

● 江蘇省碳達(dá)峰碳中和前沿基礎(chǔ)項(xiàng)目BK20220005

● 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)基金項(xiàng)目KYYJ202004