不同產(chǎn)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(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)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(jià)值而被稱(chēng)為“四大南藥”之首[1]。近年來(lái)，檳榔產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益已是海南東部、中部和南部山區(qū)200多萬(wàn)農(nóng)民的主要收入來(lái)源。然而，海南多數(shù)農(nóng)戶(hù)對(duì)檳榔種植管理粗放，單位面積產(chǎn)量仍處于較低水平。據(jù)報(bào)道和筆者調(diào)查，海南高產(chǎn)檳榔產(chǎn)量可達(dá) 40 kg/株，而低產(chǎn)卻不足1 kg/株，甚至無(wú)產(chǎn)量。碳、氮代謝是植物體內(nèi)重要的代謝過(guò)程，與植物的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)密切相關(guān)[2]。作物體內(nèi)的碳氮代謝是緊密相連的，氮代謝須要依賴(lài)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(guān)作物葉片碳氮代謝規(guī)律在水稻、玉米、大豆、花生和煙草等作物上研究報(bào)道較多[4-8]。前人對(duì)檳榔的研究大多集中在產(chǎn)量和氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素關(guān)系的研究[9]，而對(duì)于檳榔碳氮代謝規(guī)律的研究尚少見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究從產(chǎn)量水平入手，研究不同產(chǎn)量水平檳榔葉片碳氮代謝物質(zhì)及其相關(guān)酶活性的變化規(guī)律，重點(diǎn)探討高產(chǎn)水平下檳榔碳、氮代謝規(guī)律，以期為高產(chǎn)栽培技術(shù)研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究區(qū)位于海南省文昌、瓊中、萬(wàn)寧、保亭、三亞、陵水、白沙、樂(lè)東等檳榔主產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)雨量充沛，年降水量為2 200～4 000 mm，年蒸發(fā)量為2 400 mm，相對(duì)濕度為80%～90%，年平均氣溫為22.4～24.3 ℃，屬熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候。土壤類(lèi)型主要有磚紅壤、赤紅壤、黃壤、濱海沙土。種植檳榔的土壤養(yǎng)分狀況見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)為3個(gè)產(chǎn)量水平：高產(chǎn)為20～25 kg/株、中產(chǎn)為7～10 kg/株、低產(chǎn)為0～2 kg/株。檳榔為常規(guī)栽培，2017年9月1—10日采樣，9月份采樣能更準(zhǔn)確地反映全年的營(yíng)養(yǎng)代謝水平[10]。

表1 檳榔土壤養(yǎng)分狀況

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

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

葉綠素含量采用SPAD502葉綠素儀測(cè)定，對(duì)每張葉片的5個(gè)部位進(jìn)行測(cè)定，取平均值作為此張葉片的最終SPAD值；總糖和淀粉含量測(cè)定采用高俊鳳的方法[12]；蔗糖含量測(cè)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(chǎn)的試劑盒測(cè)定蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase，簡(jiǎn)稱(chēng)SPS)和蔗糖合成酶(sucrose synthase，簡(jiǎn)稱(chēng)SS)的活性，以生成1 μmol/(mg·min)蔗糖為1個(gè)酶活力單位(U)。全氮和可溶性蛋白質(zhì)含量測(cè)定參照鮑士旦的方法[14]；游離氨基酸含量的測(cè)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(chǎn)的試劑盒測(cè)定硝酸還原酶(nitrate reductase，簡(jiǎn)稱(chēng)NR)、谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，簡(jiǎn)稱(chēng)GS)和谷氨酸合成酶(glutamate synthase，簡(jiǎn)稱(chēng)GOGAT)的活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010、SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同產(chǎn)量水平檳榔葉片碳代謝的差異

葉綠素是植物進(jìn)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(guān)系[16]。由表1可以看出，高產(chǎn)檳榔葉片的SPAD值顯著高于低產(chǎn)檳榔，比低產(chǎn)檳榔高10.89%，與中產(chǎn)檳榔差異不顯著。

糖在碳運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化、代謝過(guò)程中起到非常重要的作用，而淀粉是碳代謝的最終產(chǎn)物，因此，糖與淀粉的含量可分別作為碳轉(zhuǎn)化和碳積累的重要指標(biāo)[17]。由表1可以看出，不同產(chǎn)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(chǎn)檳榔葉片的總糖含量和淀粉含量顯著高于中產(chǎn)和低產(chǎn)檳榔，總糖含量分別比中產(chǎn)和低產(chǎn)檳榔高16.84%、38.02%，淀粉含量分別比中產(chǎn)和低產(chǎn)檳榔提高43.16%、60.43%；蔗糖含量則相反，高產(chǎn)檳榔葉片蔗糖含量分別比中產(chǎn)與低產(chǎn)檳榔降低 19.43%、29.86%。

表1 不同產(chǎn)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(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。表2同。

2.2 不同產(chǎn)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(guò)程中的2種關(guān)鍵酶，SPS是控制葉片中蔗糖合成的關(guān)鍵酶，調(diào)節(jié)葉片中光合產(chǎn)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(lái)合成淀粉等碳水化合物[18]。由圖1可知，高產(chǎn)檳榔葉片SS活性顯著高于低產(chǎn)檳榔，較低產(chǎn)檳榔提高 34.93%，而與中產(chǎn)檳榔差異不顯著；不同產(chǎn)量水平的檳榔葉片SPS活性差異不明顯。

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

表2 不同產(chǎn)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(chǎn)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(jié)論與討論

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

氮代謝是植物體內(nèi)合成氨基酸和蛋白質(zhì)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(duì)無(wú)機(jī)氮的利用[2]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，高產(chǎn)檳榔葉片具有較高的NR活性，說(shuō)明高產(chǎn)檳榔對(duì)硝態(tài)氮的同化能力較強(qiáng)。GS/GOGAT偶聯(lián)形成的循環(huán)反應(yīng)是高等植物氮代謝的主要途徑，在氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨基酸和蛋白質(zhì)的過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[24]。本研究高產(chǎn)檳榔葉片中可溶性蛋白和游離氨基酸含量顯著高于低產(chǎn)檳榔，可能與GS、GOGAT活性較高有關(guān)。

綜上所述，在高產(chǎn)農(nóng)田生態(tài)條件下，高產(chǎn)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(zhì)的積累增加，無(wú)機(jī)氮的同化能力、氨基酸和蛋白質(zhì)的合成能力增強(qiáng)，從而促進(jìn)了檳榔有效花的形成，為果實(shí)的形成和產(chǎn)量的提高奠定了基礎(chǔ)。