不同產量水平下檳榔葉片碳氮代謝特征的差異比較

李 佳， 劉立云， 周煥起

(中國熱帶農業科學院椰子研究所，海南文昌 571339)

檳榔(ArecacatechuL.)為檳榔科檳榔屬多年生植物，因其具有助消化、抗氧化和抗菌等重要的藥用價值而被稱為“四大南藥”之首[1]。近年來，檳榔產業帶來的經濟效益已是海南東部、中部和南部山區200多萬農民的主要收入來源。然而，海南多數農戶對檳榔種植管理粗放，單位面積產量仍處于較低水平。據報道和筆者調查，海南高產檳榔產量可達 40 kg/株，而低產卻不足1 kg/株，甚至無產量。碳、氮代謝是植物體內重要的代謝過程，與植物的生長發育、產量、品質密切相關[2]。作物體內的碳氮代謝是緊密相連的，氮代謝須要依賴碳代謝提供的碳源和能量，而碳代謝又須要氮代謝提供酶和光合色素，二者須要共同的還原力、腺嘌呤核苷三磷酸和碳骨架[3]。有關作物葉片碳氮代謝規律在水稻、玉米、大豆、花生和煙草等作物上研究報道較多[4-8]。前人對檳榔的研究大多集中在產量和氮、磷、鉀等營養元素關系的研究[9]，而對于檳榔碳氮代謝規律的研究尚少見報道。因此，本研究從產量水平入手，研究不同產量水平檳榔葉片碳氮代謝物質及其相關酶活性的變化規律，重點探討高產水平下檳榔碳、氮代謝規律，以期為高產栽培技術研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

研究區位于海南省文昌、瓊中、萬寧、保亭、三亞、陵水、白沙、樂東等檳榔主產區，該地區雨量充沛，年降水量為2 200～4 000 mm，年蒸發量為2 400 mm，相對濕度為80%～90%，年平均氣溫為22.4～24.3 ℃，屬熱帶濕潤季風性氣候。土壤類型主要有磚紅壤、赤紅壤、黃壤、濱海沙土。種植檳榔的土壤養分狀況見表1。

1.2 試驗設計

設為3個產量水平：高產為20～25 kg/株、中產為7～10 kg/株、低產為0～2 kg/株。檳榔為常規栽培，2017年9月1—10日采樣，9月份采樣能更準確地反映全年的營養代謝水平[10]。

表1 檳榔土壤養分狀況

植物樣品的采集：每個檳榔產量水平組選取5個不同區域的檳榔園，每個檳榔園取樣5株，每株樹選擇第5張葉復葉的中部小葉[11]，去掉中脈，剪去基部和末端，保留20 cm長的中段葉片，擦凈后一部分于80 ℃烘干，用于測定全氮含量；另一部分于液氮中速凍保存，用于測定酶活和糖類含量等。

1.3 測定指標與方法

葉綠素含量采用SPAD502葉綠素儀測定，對每張葉片的5個部位進行測定，取平均值作為此張葉片的最終SPAD值；總糖和淀粉含量測定采用高俊鳳的方法[12]；蔗糖含量測定采用劉以前的方法[13]；采用南京建成生物工程研究所生產的試劑盒測定蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase，簡稱SPS)和蔗糖合成酶(sucrose synthase，簡稱SS)的活性，以生成1 μmol/(mg·min)蔗糖為1個酶活力單位(U)。全氮和可溶性蛋白質含量測定參照鮑士旦的方法[14]；游離氨基酸含量的測定采用茚三酮比色法[15]。采用北京索萊寶科技有限公司生產的試劑盒測定硝酸還原酶(nitrate reductase，簡稱NR)、谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，簡稱GS)和谷氨酸合成酶(glutamate synthase，簡稱GOGAT)的活性。

1.4 數據處理

采用Excel 2010、SPSS 19.0軟件對數據進行統計和分析。

2 結果與分析

2.1 不同產量水平檳榔葉片碳代謝的差異

葉綠素是植物進行光合作用的重要色素，其含量與植物光合速率和同化物的形成具有直接關系[16]。由表1可以看出，高產檳榔葉片的SPAD值顯著高于低產檳榔，比低產檳榔高10.89%，與中產檳榔差異不顯著。

糖在碳運輸、轉化、代謝過程中起到非常重要的作用，而淀粉是碳代謝的最終產物，因此，糖與淀粉的含量可分別作為碳轉化和碳積累的重要指標[17]。由表1可以看出，不同產量水平檳榔葉片中總糖含量、蔗糖含量及淀粉含量存在明顯差異，高產檳榔葉片的總糖含量和淀粉含量顯著高于中產和低產檳榔，總糖含量分別比中產和低產檳榔高16.84%、38.02%，淀粉含量分別比中產和低產檳榔提高43.16%、60.43%；蔗糖含量則相反，高產檳榔葉片蔗糖含量分別比中產與低產檳榔降低 19.43%、29.86%。

表1 不同產量水平檳榔葉片SPAD值、總糖含量、蔗糖含量及淀粉含量的差異

注：同列數據后不同小寫字母表示差異達顯著水平(P<0.05)。表2同。

2.2 不同產量水平檳榔葉片蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的差異

SS和SPS是蔗糖代謝過程中的2種關鍵酶，SPS是控制葉片中蔗糖合成的關鍵酶，調節葉片中光合產物在淀粉和蔗糖之間的分配。SS分解蔗糖生成腺苷二磷酸葡萄糖和果糖，用來合成淀粉等碳水化合物[18]。由圖1可知，高產檳榔葉片SS活性顯著高于低產檳榔，較低產檳榔提高 34.93%，而與中產檳榔差異不顯著；不同產量水平的檳榔葉片SPS活性差異不明顯。

2.3 不同產量水平檳榔葉片全氮含量、可溶性蛋白含量及游離氨基酸含量的差異

由表2可知，高產檳榔葉片的全氮含量比低產檳榔提高22.43%，與中產檳榔差異不顯著。可見，高產與中產檳榔對氮素的吸收效率比低產檳榔高。蛋白質是氮代謝的終產物，氨基酸是合成蛋白質的主要原料，也是蛋白質降解的主要產物。從表2可以看出，高產檳榔葉片的游離氨基酸含量比低產檳榔提高32.94%，與中產檳榔差異不顯著；高產檳榔葉片的可溶性蛋白含量較低產檳榔提高40.85%，中產與低產檳榔葉片中的可溶性蛋白含量差異不顯著。

表2 不同產量水平檳榔葉片全氮含量、可溶性蛋白含量及游離氨基酸含量的差異

2.4 不同產量水平檳榔葉片硝酸還原酶活性、谷氨酰胺合成酶活性和谷氨酸合成酶活性的差異

3 結論與討論

植物碳代謝是植物體內最基本的代謝之一，包括3個階段：無機碳通過光合作用轉化為有機碳；磷酸丙酮糖合成蔗糖并進一步轉化為單糖的碳水化合物的運輸與轉化；以淀粉等碳水化合物積累為主要標志碳的積累代謝[17]。作物高產不僅要求功能葉片有較強的光合生產能力，而且要求光合器官中形成的光合產物能夠合理地分配與運輸。蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶是碳代謝的2種關鍵酶，與光合產物的積累和轉化密切相關[21-22]。本試驗結果表明，高產檳榔葉片的SPAD值、SS活性顯著高于低產檳榔，間接反映出高產檳榔葉片對無機碳的同化能力較強，而高活性的SS分解蔗糖形成尿苷二磷酸葡萄糖， 并進一步轉化為合成淀粉的底物腺苷二磷酸葡萄糖，從而促進淀粉的合成，因此，高產檳榔葉片的總糖與淀粉含量顯著高于低產檳榔。研究發現，高產檳榔葉片中的蔗糖含量顯著低于中產和低產檳榔，并不是高產檳榔蔗糖的合成能力較低所致，而是高產檳榔的蔗糖轉化成其他碳水化合物，如淀粉等。

氮代謝是植物體內合成氨基酸和蛋白質的主要途徑[18]，其生物合成主要是在硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶等一系列酶催化下完成的，其活性的高低直接影響檳榔對無機氮的利用[2]。本試驗結果表明，高產檳榔葉片具有較高的NR活性，說明高產檳榔對硝態氮的同化能力較強。GS/GOGAT偶聯形成的循環反應是高等植物氮代謝的主要途徑，在氨態氮轉化為氨基酸和蛋白質的過程中發揮著關鍵作用[24]。本研究高產檳榔葉片中可溶性蛋白和游離氨基酸含量顯著高于低產檳榔，可能與GS、GOGAT活性較高有關。

綜上所述，在高產農田生態條件下，高產檳榔葉片的SS、NR、GS和GOGAT活性均得到了顯著提高，并在這些酶的共同作用下，使葉片的光合能力和干物質的積累增加，無機氮的同化能力、氨基酸和蛋白質的合成能力增強，從而促進了檳榔有效花的形成，為果實的形成和產量的提高奠定了基礎。