外源GABA對堿性鹽脅迫下猴樟幼苗呼吸代謝相關酶活性的影響

任莉雯 楊力行 魏李彤 周德玥 周儀容 韓浩章

摘要 堿性鹽脅迫影響植物的正常生長發育，γ-氨基丁酸（GABA）能有效緩解鹽堿逆境對植物的傷害。本研究以猴樟幼苗為材料，共設5個處理，分別噴施0（對照）、30、50、100 和150 ?mol/L的GABA溶液，選擇琥珀酸脫氫酶（SDH）、丙酮酸脫氫酶（PDH）、蘋果酸脫氫酶（MDH）、檸檬酸合成酶（CS）和異檸檬酸合成酶（ICDH）指標，研究外源GABA處理對猴樟幼苗呼吸代謝相關酶活性的影響，為植物響應堿性鹽脅迫的機理研究提供依據。結果表明，外源噴施30～50 ?mol/L濃度的GABA處理能明顯提高堿性鹽脅迫下猴樟幼苗葉片的SDH、PDH、MDH、CS和ICDH活性；100～150 ?mol/L濃度的GABA處理對呼吸代謝相關酶活性的促進作用不明顯；隨著外源GABA處理濃度的增加，猴樟幼苗的耐堿性鹽脅迫能力綜合評價值D呈先增加后降低的趨勢，綜合評價值D在30～50 ?mol/L濃度的GABA處理條件下達最大值，而100～150 ?mol/L濃度的GABA處理條件下D值低于對照。因此，30～50 ?mol/L濃度的GABA處理能促進堿性鹽脅迫下的猴樟幼苗呼吸代謝能力。

關鍵詞 GABA；堿性鹽脅迫；呼吸代謝；猴樟；PDH活性

中圖分類號 S792.23? ?文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）08-0056-05

土壤鹽堿化影響作物正常生長發育，最終影響作物產量和產品品質提升。堿性鹽環境通常會造成滲透脅迫、氧化脅迫和離子毒害等，使植物光合作用受阻，養分吸收困難，甚至生長停止，最終導致植物組織早衰或死亡[1]。植物歷經長期進化過程，具備了較復雜的堿性鹽逆境應答系統。植物對鹽堿地的逆境響應涉及多種生物化學和生理生化機制的調控，包括調節滲透壓、積累滲透保護物質、調節離子吸收分配和轉移、調節葉綠素組成以及維持細胞內膜脂狀態等[2]。

猴樟（Cinnamomun bodinieri Levl.）為樟科樟屬常綠闊葉樹種，具有重要的藥用價值、林用價值和油料加工價值，多分布于南方地區，在生產栽培過程中易受鹽堿環境影響，可能導致其生長不良、抗性下降。秦嗣軍等[3]發現，植物在應對非生物脅迫時，能量代謝路徑會發生適應性變化，如水分脅迫使東北山櫻幼苗通過調整磷酸戊糖（PPP）途徑和交替呼吸（AP）途徑比例的方式提高抗性。堿性鹽脅迫下，猴樟組織內己糖激酶、乙醇脫氫酶、磷酸甘油酸激酶和磷酸甘油酸變位酶基因上調表達，草酰乙酸含量上升。植株呼吸代謝情況與其是否耐受堿性鹽脅迫密切相關[4]。鹽脅迫條件下，耐鹽的燕麥品種產量明顯高于鹽敏感燕麥品種，在鹽脅迫下鹽敏感燕麥品種根系呼吸速率下降明顯，抗氧化能力降低，營養供應不足，限制了根系生長及干物質的積累，最終導致產量下降[5]。

GABA為四碳非蛋白質類氨基酸，是植物體內重要的信號傳導分子，參與種子萌發、氨基酸代謝、滲透調節、光合作用和活性氧調節等多種生理生化過程[6]。鹽脅迫會抑制植物生長發育，呼吸代謝能為植物適應鹽堿脅迫提供能量和小分子代謝物質，多種外源物質處理均能影響逆境脅迫下植物的呼吸代謝[5，7-8]，堿低溫馴化使高山植物綿頭雪蓮呼吸速率和糖酵解速率先降低后升高，抗氰呼吸途徑加強，與糖代謝相關的關鍵酶基因表達量提高[9]。研究表明，外源GABA能夠提高鹽脅迫下菘藍幼苗活性氧清除能力和抗氧化酶的活性[10]，為植物幼苗生長發育提供氮素營養，促進葉綠素的合成，誘導產生細胞內多種氨基酸[11]。外源GABA也能夠提高鹽脅迫下西伯利亞白刺的光合能力[12]，提高植物的抗逆能力，緩解非生物脅迫對植物的損害[13]。外源水楊酸（SA）處理可有效調控冬小麥糖酵解（EMP）代謝，促進果糖與丙酮酸積累與分解，提高植物的抗寒性[14]。赤霉素（GA3）處理提高了低溫脅迫條件下玉米種胚中可溶性糖和可溶性蛋白含量，提高了淀粉酶和呼吸途徑關鍵酶活性，提高了MDH、丙酮酸激酶（PK）、聯合酶（G-6-PDH和6-PGDH）的活性，提高了EMP、三羥酸循環（TCA）、PPP途徑的運轉效率，提高了種子對低溫的抵抗能力，實現在低溫脅迫條件下種子的萌發[12]。植物體內的GABA由多胺代謝途徑或谷氨酸脫羧途徑合成，經由GABA轉氨酶催化后，最終進入TCA代謝[15]。

糖是植物光合作用的主要產物，也是呼吸作用的底物，為植物細胞的構建和耗能提供碳骨架和能源，同時具有調節滲透、抵抗環境脅迫和影響生長發育等重要作用。在鹽堿、低溫和干旱等非生物脅迫下，植物體內的可溶性糖的含量會提高，而可溶性糖含量是植物抵抗非生物脅迫能力的重要體現。EMP、TCA、SDH、PDH、MDH、CS和ICDH是植物呼吸代謝過程中的關鍵酶。目前，關于GABA對植物堿性鹽脅迫下呼吸代謝影響的研究較少，本研究基于前期研究結果，探索外源GABA處理對猴樟幼苗呼吸代謝相關酶活性的影響，為植物耐堿性鹽脅迫的分子機理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選自宿遷學院樟屬植物資源圃生長的1年生盆栽猴樟幼苗，2022年9月從同一母樹上采種，低溫層積后于2023年2月播種，2023年5月移栽至盆中，試驗材料共60盆，每盆1株。栽培盆高22 cm，栽培基質比例為基地田園土∶草炭土=3∶1，土壤pH值為7，在玻璃溫室中進行培養，進行正常水肥管理。

1.2 試驗設計

試驗共分5個處理，每處理有12盆猴樟幼苗。以前期研究為基礎，2023年10月12日9：00用200 mmol/L Na2CO3溶液進行澆灌處理，用量為800 mL/盆；當日15：00，外源噴施濃度分別為0（對照）、30、50、100和150 ?mol/L的GABA溶液，用量為100 mL/盆，噴至葉面滴水為止，剩余溶液澆施于盆內，1 h后再噴施1次，用量為100 mL/盆。正常培養48 h后，檢測猴樟幼苗葉片的SDH、PDH、MDH、CS和ICDH活性，進行3次生物學重復。

1.3 試驗方法

采用SDH活性檢測試劑盒（BC0955）測定SDH活性，每1 g植物組織在反應體系中每1 min消耗1 nmol 2，6-二氯酚靛酚定義為1個酶活力單位U；采用分光光度計法檢測PDH活性，以每1 min吸光度值升高0.01為1個酶活力單位U；采用分光光度計法檢測MDH活性，以每1 min吸光度值升高0.01為1個酶活力單位U；采用分光光度計法檢測CS活性，以每1 min吸光度值升高0.01為1個酶活力單位U；采用分光光度計法檢測ICDH活性，以每1 min吸光度值升高0.01為1個酶活力單位U[7]。外源GABA處理對堿性鹽脅迫下猴樟幼苗呼吸代謝影響效果的綜合評價采用隸屬函數法[16]，在所有測定指標中，SDH、PDH、MDH、CS和ICDH活性均與抗堿性鹽脅迫能力成正相關，采用隸屬函數公式（1）進行計算。

[U（Xab）=（Xab-Xamin）/（Xamax-Xamin）] （1）

式（1）中，[U（Xab）]為測定指標的隸屬函數值，Xab為各處理的指標測定值，Xamin為各處理指標測定的最小值，Xamax為各處理指標測定的最大值。

1.4 數據統計與分析

采用Microsoft Excel 2019制表，用SPSS 21.0進行數據統計，用最小顯著差數法（LSD）分析數據之間的差異性。

2 結果與分析

2.1 外源GABA處理對堿性鹽脅迫下猴樟幼苗PDH活性的影響

PDH是分布在線粒體基質中由3個酶組合而成的復合體，負責催化丙酮酸脫羧，可生成乙酰輔酶A。使用不同濃度的外源GABA處理影響堿性鹽脅迫下猴樟幼苗PDH活性（圖1），其中30、50 ?mol/L濃度的外源GABA處理下堿性鹽脅迫下PDH活性與對照組的差異有統計學意義（P<0.05），分別較對照提高了32.12%和77.58%；100、150 ?mol/L的外源GABA處理對PDH活性影響與對照組的差異無統計學意義（P>0.05）。因此，30～50 ?mol/L濃度的外源GABA處理對PDH活性的影響效果較好。

2.2 外源GABA處理對堿性鹽脅迫下猴樟幼苗CS活性的影響

在三羧酸循環第一步反應中，CS能催化乙酰輔酶A的乙基與草酰乙酸的酮基結合，生成檸檬酰輔酶A。適宜濃度的外源GABA處理影響了堿性鹽脅迫下猴樟幼苗CS活性（圖2），隨著GABA處理濃度的提高，CS活性呈先升高后下降的趨勢；在30 ?mol/L時CS活性達最高值，與對照組差異有統計學意義（P<0.05），比對照組提高了94%，隨后CS活性明顯下降，其中50 ?mol/L外源GABA處理較對照提高了36.8%，但二者間差異無統計學意義（P>0.05），而100和150 ?mol/L外源GABA處理對CS活性影響低于對照，與對照組差異無統計學意義（P>0.05）。因此，30～50 ?mol/L的外源GABA濃度處理對CS活性的影響效果較好。

2.3 外源GABA處理對堿性鹽脅迫下猴樟幼苗ICDH活性的影響

ICDH催化異檸檬酸轉化成α-酮戊二酸，實現了TCA循環中第一次脫羧過程。適宜濃度的外源GABA處理影響了堿性鹽脅迫下猴樟幼苗ICDH活性（圖3），其中30 ?mol/L的外源GABA處理明顯提高堿性鹽脅迫下ICDH活性，與對照組差異有統計學意義（P<0.05），較對照提高了163.55%；隨著GABA處理濃度的提高，ICDH活性迅速下降，其中50、100 ?mol/L濃度的GABA處理下ICDH活性低于對照，但二者間差異無統計學意義（P>0.05），150 ?mol/L外源GABA濃度處理時的ICDH活性較對照提高了15.89%，但二者間差異無統計學意義（P>0.05）。因此，30 ?mol/L濃度的外源GABA處理對ICDH活性的影響效果較好。

2.4 外源GABA處理對堿性鹽脅迫下猴樟幼苗SDH活性的影響

SDH是TCA循環和線粒體電子傳遞鏈的關鍵酶，在細胞能量代謝中起重要作用，可以根據其活性來推測TCA循環的活躍程度。適宜濃度的外源GABA處理影響了堿性鹽脅迫下猴樟幼苗SDH活性（圖4），隨著外源GABA處理濃度的提高，SDH活性呈先升高再下降趨勢，其中50 ?mol/L外源GABA處理明顯提高堿性鹽脅迫下SDH活性，與對照組差異有統計學意義（P<0.05），比對照提高了61.79%，而100和150 ?mol/L外源GABA濃度處理下的SDH活性低于對照，但二者間差異無統計學意義（P>0.05）。因此，50 ?mol/L濃度的外源GABA處理對SDH活性的影響效果較好。

2.5 外源GABA處理對堿性鹽脅迫下猴樟幼苗MDH活性的影響

MDH主要將呼吸代謝中的蘋果酸脫氫形成草酰乙酸，草酰乙酸可繼續作為受體參與TCA循環。適宜濃度的外源GABA處理影響了堿性鹽脅迫下猴樟幼苗MDH活性（圖5），隨著外源GABA處理濃度的提高，MDH活性呈先升高再下降趨勢，但與對照組的差異均有統計學意義（P<0.05），分別較對照提高了104.35%、143.04%、92.61%和70.43%。因此，30～150 ?mol/L濃度的外源GABA處理對MDH活性的影響效果均較好。

2.6 外源GABA處理對堿性鹽脅迫下猴樟幼苗呼吸代謝影響效果的綜合評價

綜合評價值D表示不同濃度外源GABA處理對堿性鹽脅迫下猴樟幼苗呼吸代謝影響的綜合效果評價，D值范圍為0～1，D值越接近1表示外源GABA處理對堿性鹽脅迫下猴樟幼苗呼吸代謝的影響效果越好，植物耐堿性鹽脅迫能力越強，反之則效果越差[17]。由圖6可以看出，不同濃度外源GABA處理對堿性鹽脅迫下猴樟幼苗呼吸代謝影響的綜合效果不一致，其中30～50 ?mol/L濃度的外源GABA處理效果較好，D值分別為0.806和0.633，分別較對照提高了285.94%和203.33%，而100～150 ?mol/L濃度的外源GABA處理效果較差，D值分別為0.142和0.102，分別較對照降低了31.98%和51.21%。

3 結論與討論

堿性鹽脅迫影響植物的正常生長發育，γ-氨基丁酸（GABA）能有效緩解鹽堿逆境對植物的傷害，本研究以猴樟幼苗為材料，研究外源GABA處理對猴樟幼苗呼吸代謝相關酶活性的影響，為植物響應堿性鹽脅迫的機理研究提供參考。

本研究結果表明，呼吸代謝在植物響應堿性鹽過程中發揮重要作用，包括供應能量、合成中間產物等多個方面，抗堿性鹽脅迫能力強的植物品種的呼吸代謝越旺盛。外源化學藥劑處理參與并促進植物呼吸代謝過程，適宜濃度的GABA處理均能促進猴樟幼苗適應堿性鹽脅迫，提高種苗抗性和生長質量，但不同濃度GABA處理的影響效果不一致。結合隸屬函數法的結果來看，30 ?g/L外源GABA和50 ?g/L外源GABA處理效果最好，D值分別為0.806和0.633，而100～150 ?mol/L外源GABA濃度處理效果較差，D值分別為0.142和0.102。因此，在猴樟幼苗期葉面噴施30～50 ?mol/L外源GABA可明顯提高猴樟幼苗的抗鹽堿能力。

在本試驗中，葉面噴施適宜濃度的GABA可明顯提高猴樟幼苗在堿性鹽脅迫下的SDH、PDH、MDH、CS和ICDH活性，提高植物在堿性鹽脅迫下的能量供應能力和草酰乙酸等小分子物質含量，提高植物抗逆性，這與吳繁琦等[18]對甘草、賈璐婷[19]對東北山櫻的研究結果一致。

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（責編：張 蓓）

基金項目 江蘇省自然科學基金項目（BK20231362）；江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目（2023XSJ144Y）；宿遷市自然科學基金項目（K202316）；宿遷學院創新團隊項目（2021td05）。

作者簡介 任莉雯（2003—），女，江蘇揚州人，從事樟屬植物逆境分子生物學研究。

通信作者 韓浩章（1978—），男，山東青島人，碩士，副教授，從事樟屬植物逆境分子生物學研究。

收稿日期 2024-02-15