γ-氨基丁酸和脲素對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的影響

李裕芳, 朱昌華, 甘立軍

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，南京 210095)

γ-氨基丁酸是一種四碳非蛋白的氨基酸，作為動(dòng)物體內(nèi)的一種神經(jīng)遞質(zhì)，對(duì)人體大腦血液循環(huán)、血壓調(diào)節(jié)、癲癇和痛風(fēng)疾病的治療有很好的功效[1-2]。一直以來(lái)，GABA在植物上僅僅被認(rèn)為是一種代謝產(chǎn)物，主要可以調(diào)節(jié)各種脅迫，比如鹽脅迫[3]、低氧脅迫[4]。直到利用擬南芥基因組學(xué)作為媒介工具研究發(fā)現(xiàn)，GABA可能作為一種信號(hào)分子響應(yīng)各種逆境，此外，GABA還與C、N代謝有關(guān)[5]。GABA還可以作為植物的一種氮素來(lái)源，植物可以通過(guò)吸收轉(zhuǎn)化GABA來(lái)合成自身所需的氨基酸和蛋白質(zhì)[6]。

脲素是實(shí)際生產(chǎn)中最常用的氮肥。甘氨酸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為NH2CH2COOH，它為人體非必需氨基酸，同GABA結(jié)構(gòu)相似，在分子中同時(shí)具有堿性官能團(tuán)氨基和酸性官能團(tuán)羧基，并且在水中可電離，具有很強(qiáng)的親水性，也極易溶于水難溶于乙醇。甲硫氨酸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CH3SCH2CH2CNH2COOH，研究表明Met能替代部分氨基酸態(tài)氮源[7]。

前人的研究表明GABA以信號(hào)分子的形式對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)碳氮代謝，可以作為氮的臨時(shí)儲(chǔ)存?zhèn)}庫(kù)，那么GABA是否單純作為一種氨基酸形式的氮素為植物提供營(yíng)養(yǎng)達(dá)到促進(jìn)作物生長(zhǎng)的作用，硝酸還原酶作為無(wú)機(jī)氮代謝關(guān)鍵酶在此過(guò)程中是否有變化？GABA與氨基酸Gly、Met、脲素比較又有什么不同之處？玉米作為中國(guó)主栽糧食作物之一，其生產(chǎn)過(guò)程一直以來(lái)頗受關(guān)注。本實(shí)驗(yàn)以玉米作為材料來(lái)比較GABA、Gly、Met和脲素的作用，對(duì)它們的聯(lián)系進(jìn)行初步探索，也對(duì)玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)進(jìn)行一定的探索。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

玉米品種為“農(nóng)大108”，來(lái)源于壽光欣欣然園藝有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米二葉一心時(shí)，挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的健康植株，采用不同處理液灌根，每個(gè)花盆均勻加入100 mL 處理液，保證溶液剛好不流出花盆為準(zhǔn)，以清水為對(duì)照。每個(gè)處理6個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)3株玉米苗。所用處理液均用Hoagland營(yíng)養(yǎng)液配置。GABA的濃度梯度為0、0.5、1、2和3 mmol/L，Gly、Met、脲素分別配置為氮含量為1 mmol/L的處理液(預(yù)實(shí)驗(yàn)處理選取的濃度)，濃度分別為：0.97、0.97和0.49 mmol/L。此后，每3 d只添加相對(duì)應(yīng)的清水和營(yíng)養(yǎng)液。

1.3 測(cè)定內(nèi)容與方法

1.3.1 形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定

葉片長(zhǎng)度(直尺測(cè)量)；鮮重(天平直接稱(chēng)重)和干重(烘干法)

1.3.2 生理指標(biāo)的測(cè)定

葉綠素的含量根據(jù)Arnon[9]的方法計(jì)算；可溶性糖采用蒽酮硫酸法[10-11]；蛋白質(zhì)的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[12]；硝酸還原酶活性的測(cè)定采用離體法[13]；元素的測(cè)定采用ICP。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用 Microsoft Excel 2010 和 SPSS 20.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。具有顯著差異(P<0.05)的用不同小寫(xiě)字母標(biāo)識(shí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 GABA對(duì)不同培養(yǎng)條件下玉米生長(zhǎng)的影響

通過(guò)對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)條件下玉米幼苗葉發(fā)育進(jìn)程的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)不同的培養(yǎng)條件下，GABA均能促進(jìn)葉片的伸長(zhǎng)。在第5葉期，與對(duì)照相比，不同處理方式均出現(xiàn)顯著性差異(圖1)。其中，水培幼苗為處理第15天時(shí)的葉片長(zhǎng)度，1/8和1/4 Hoagland分別為處理第10天和第8天時(shí)測(cè)定的長(zhǎng)度。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，水培和1/8 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液條件下，葉片長(zhǎng)度與GABA濃度成正相關(guān)。在1/4 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)條件下，1 mmol/L和2 mmol/L GABA促進(jìn)效果最佳，高濃度3 mmol/L作用減緩。

在圖2中分別比較了不同營(yíng)養(yǎng)條件下干鮮重的變化，發(fā)現(xiàn)水培條件下，GABA可以顯著增加地上和地下部的干鮮重，1/4和1/8 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)條件下,GABA對(duì)地上部也是促進(jìn)作用，但對(duì)地下部差異不顯著。

圖 1 不同培養(yǎng)條件下GABA對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的影響Fig 1 Effects of GABA on the growth of maize seedlings under different conditions

A:水培養(yǎng)；B:1/8 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)；C:1/4 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)。圖中柱上不同的小寫(xiě)字母表示差異達(dá)到顯著性(P<0.05)；下同。Control：對(duì)應(yīng)不同濃度的營(yíng)養(yǎng)液；0.5、1、2和3 mmol/L：不同濃度的GABA

圖2 不同培養(yǎng)條件下GABA對(duì)玉米幼苗干鮮重的影響Fig 2 Effects of GABA on the weight of shoot and root of maize seedlings under different conditions

A、B，C、D，E、F分別代表水培、1/8 Hoagland培養(yǎng)、1/4 Hoagland培養(yǎng)。圖中柱上不同的小寫(xiě)字母表示差異達(dá)到顯著性(P<0.05)，顯著性差異分析對(duì)象為同一顏色柱子間的單向分析；下同

綜合圖1和圖2可知，水培和1/8 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液條件下，GABA作用強(qiáng)度與濃度成正相關(guān)。在1/4 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)條件下，1 mmol/L和2 mmol/L GABA促進(jìn)效果最佳。后續(xù)實(shí)驗(yàn)選取1/4 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)條件。

2.2 GABA和脲素對(duì)玉米發(fā)育進(jìn)程和干鮮重的影響

2.2.1 GABA和脲素對(duì)玉米幼苗的發(fā)育進(jìn)程的影響

GABA和脲素都可以促進(jìn)玉米幼苗發(fā)育進(jìn)程，表現(xiàn)為植株形態(tài)變大(圖 3-A)，第5葉期葉片長(zhǎng)度出現(xiàn)顯著性差異(圖 3-B)。但GABA和脲素二者并無(wú)顯著差異。GABA和脲素都可以為玉米幼苗生長(zhǎng)發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，都可促進(jìn)玉米幼苗發(fā)育進(jìn)程，但兩者差異不大。

圖3 GABA和脲素對(duì)玉米幼苗發(fā)育進(jìn)程的影響Fig 3 Effects of GABA and urea on the development process of maize seedlings

2.2.2 GABA和脲素對(duì)玉米幼苗干鮮重的影響

GABA和脲素都能顯著提高玉米幼苗地上物質(zhì)的積累(圖4)。對(duì)照組玉米幼苗地上部鮮重為3.77 g，地下部鮮重為2.20 g。脲素處理組地上部鮮重為4.39 g，較對(duì)照組增加16%，地下部鮮重為2.46 g，較對(duì)照組增加10%。GABA處理時(shí)地上部鮮重為4.45 g，較對(duì)照組增長(zhǎng)18%；地下部鮮重為2.38 g，較對(duì)照組增長(zhǎng)8%。灌根處理后GABA和脲素處理組都提高了玉米幼苗地上部分物質(zhì)的積累，二者無(wú)顯著差異；另外添加GABA和脲素后，地下部干鮮重變化不大，但也都有小幅度的上升。甘氨酸和蛋氨酸處理組與對(duì)照比較也無(wú)差異，而且地上部差異較地下部顯著。可見(jiàn)，GABA灌根處理，其效果與含等量氮素的脲素處理結(jié)果類(lèi)似，可以提高玉米苗期的物質(zhì)積累，促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)。

李云燕等[16]用半楓荷散組以半楓荷散(由半楓荷根、荊芥、防風(fēng)、乳香、胡椒根各等份組成，將諸藥制成散劑，加白酒和陳醋浸泡7 d后備用)治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎，其治療的愈顯率為68%，且總有效率達(dá)到90%。認(rèn)為半楓荷散治療膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎，作用迅速，療效顯著，而且價(jià)格低廉，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖4 GABA和脲素對(duì)玉米幼苗鮮重(A)和干重(B)的影響Fig 4 Effect of GABA and urea on the fresh weight (A) and dry weight(B)of shoot and root of maize seedlings

2.3 GABA和脲素對(duì)玉米幼苗葉綠素含量的影響

除脲素組，各處理組對(duì)葉綠素含量的影響不大(圖5)。Gly和Met組與對(duì)照無(wú)差異，添加脲素后，葉綠素含量有顯著提升，此時(shí)葉綠素含量為2.36 mg/g，對(duì)照組為1.97 mg/g，葉綠素含量提高了20%，差異顯著，而GABA對(duì)葉綠素?zé)o顯著影響，但也有小幅度提高，較對(duì)照提高11.8%。

圖5 GABA和脲素對(duì)玉米幼苗葉片葉綠素含量的影響Fig 5 Effect of GABA and urea on the chloraphly content in the leaves of maize seedlings

2.4 GABA和脲素對(duì)玉米幼苗可溶性糖含量的影響

GABA和脲素灌根處理，無(wú)論地上部分(圖6-A)還是地下部分(圖6-B)可溶性糖都出現(xiàn)一定含量的下降。對(duì)照組可溶性糖含量為0.09%，甘氨酸、蛋氨酸、脲素和GABA處理組分別為0.093%、0.086%、0.073%和0.075%，脲素和GABA較對(duì)照組降低18.5%、16.7%和26.3%，而且兩者下降差異顯著(P<0.05)，兩者之間差異不大。對(duì)于玉米幼苗地下部分，脲素與GABA處理組比對(duì)照糖含量也顯著降低，兩者降低量相差不多。由此可見(jiàn)，脲素與GABA灌根處理組顯著降低了玉米幼苗可溶性糖的水平。消耗更多的碳水化合物供應(yīng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育。

圖6 GABA和脲素對(duì)玉米幼苗地上(A)及地下(B)可溶性糖含量的影響Fig 6 Effect of GABA and urea on soluble sugar content in shoot(A) and root(B) of maize seedlings

2.5 GABA和脲素對(duì)玉米幼苗可溶性蛋白含量的影響

GABA和脲素處理在一定程度上降低了可溶性糖含量，對(duì)可溶性蛋白起到提升作用(圖7)。其中，地上部分對(duì)照組蛋白質(zhì)含量為9.45 mg/g，Gly、Met、脲素和GABA組蛋白質(zhì)含量分別為：9.62、11.49、14.71和14.21 mg/g，通過(guò)計(jì)算得知4個(gè)處理組都較對(duì)照蛋白含量有所上升，分別提高1.8%、21%、56%和50.1%，其中Gly和蛋氨酸與對(duì)照組無(wú)顯著性差異，脲素和GABA顯著增加了地上部分蛋白質(zhì)的合成。但兩個(gè)處理組之間無(wú)顯著性差異(P>0.05)。地下部分蛋白質(zhì)的變化同地上一致。甘氨酸與蛋氨酸處理組與對(duì)照組地下蛋白含量無(wú)顯著變化，脲素與GABA都明顯提高了根部可溶性蛋白的含量,分別比對(duì)照增加了12.8%、9.8%。經(jīng)過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，GABA和脲素對(duì)地上部蛋白質(zhì)的提升作用大于地下部。

圖7 GABA和脲素對(duì)玉米幼苗地上(A)及地下(B)可溶性蛋白含量的影響Fig 7 Effects of GABA and urea on soluble protein of shoot(A) and root(B) of maize seedlings

圖8 GABA和脲素對(duì)玉米幼苗地上(A)及地下(B)硝酸還原酶活性的影響Fig 8 Effects of GABA and urea on the nitrate reductase activity in shoot(A) and root(B) of maize seedlings

2.6 GABA和脲素對(duì)玉米幼苗硝酸還原酶活性的影響

硝酸還原酶(NR)作為氮代謝過(guò)程中的關(guān)鍵酶，其活性的高低直接反應(yīng)氮代謝的旺盛程度。NR以NADPH為電子供體催化硝酸鹽還原成亞硝酸鹽，同時(shí)也可以進(jìn)一步將亞硝酸鹽還原為一氧化氮,在高等植物根、葉的細(xì)胞質(zhì)中普遍都有NR的存在。而有研究報(bào)道GABA也可以作為一種氮素供植物生長(zhǎng)需要。本實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)GABA和脲素處理后都可以提高硝酸還原酶的活力，從而促進(jìn)玉米幼苗的發(fā)育進(jìn)程。從圖8可以得出：由于處理時(shí)玉米幼苗本身營(yíng)養(yǎng)消耗殆盡，添加含有不同試劑的營(yíng)養(yǎng)液后，在處理后第2天，玉米葉片中檢測(cè)到較高的硝酸還原酶，此后營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)充足，硝酸還原酶活性水平增長(zhǎng)變化不大。在實(shí)驗(yàn)期間，脲素和GABA處理組酶活始終高于清水對(duì)照組以及另外兩個(gè)氨基酸處理組。GABA處理組以1和2 mmol/L 處理效果最佳，但與脲素?zé)o顯著差異。在處理第6天，酶活相對(duì)最高時(shí)，對(duì)照組為18.5 μg/h·g，脲素和GABA處理組為25.35和24.96 μg/g·h，分別比對(duì)照增加了1.37倍和1.35倍。處理期間，根中酶活也有同樣的變化趨勢(shì)。脲素和GABA也提高了根中硝酸還原酶活性，促進(jìn)根中氮代謝。

2.7 GABA和脲素對(duì)玉米幼苗元素的影響

由表2可知，地下部元素含量的變化與地上部相同的是，GABA處理組提高了Ca、Mg的含量，并且分別較對(duì)照提高了17.20%、15.52%，GABA和脲素也都促進(jìn)了Fe的含量，分別上升14.19%、27.12%，差異顯著(P<0.05)。脲素組也提高了Mg的含量，達(dá)10.86%。此外，Met和GABA處理組Mn含量分別為對(duì)照組的1.27倍和1.31倍，達(dá)到顯著性差異。Gly和GABA也增加了地下部Si的含量，分別比對(duì)照組上升21.46%、35.36%。

表 1 γ-氨基丁酸(GABA)處理對(duì)玉米幼苗地上礦質(zhì)元素含量的影響(mg/kg)Table 1 Effects of exogenous γ-aminobutyric acid (GABA) on elements content in shoot of maize seedlings

表中不同的小寫(xiě)字母表示差異達(dá)到顯著性(P<0.05)；下同

3 討論

內(nèi)源和外源GABA都可以對(duì)擬南芥[14]和煙草[15]根長(zhǎng)生長(zhǎng)量、莖的伸長(zhǎng)量[16]起到抑制或促進(jìn)作用，從而影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育。GABA可能有植物激素的作用，影響細(xì)胞的伸長(zhǎng)和分裂，GABA較低濃度的水平下能促進(jìn)植物莖的伸長(zhǎng)，而在高濃度的水平下抑制莖的伸長(zhǎng)[17]。我們的研究結(jié)果表明，在不同強(qiáng)度的營(yíng)養(yǎng)液中，GABA都可以促進(jìn)玉米幼苗的發(fā)育進(jìn)程，而且，營(yíng)養(yǎng)液強(qiáng)度越低促進(jìn)作用越顯著。在1/4營(yíng)養(yǎng)液中，甘氨酸與蛋氨酸處理組與對(duì)照也沒(méi)有明顯差異，GABA以1和2 mmol/L效果最佳，與含有等量氮素的脲素比較，二者差異不明顯。

表 2 γ-氨基丁酸(GABA)對(duì)玉米幼苗地下礦質(zhì)元素含量的影響(mg/kg)Table 2 Effects of exogenous γ-aminobutyric acid (GABA) on elements content in root of maize seedlings

大量元素和微量元素對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程起著舉足輕重的作用，有的是一些重要化合物的主要成分，有一些是各種酶活的輔基參與各種重要的代謝反應(yīng)，還有一些直接參與調(diào)節(jié)細(xì)胞的生命活動(dòng)。它們不因含量的多少?zèng)Q定作用的重要性。如P是形成核酸、核蛋白和磷脂的主要成分，還參與光和呼吸作用，對(duì)氮代謝也有重要作用；K 和 Na 在維持細(xì)胞滲透勢(shì)方面起重要作用；Ca 既可以作為信使分子參與到各種調(diào)解中，在維持細(xì)胞膜穩(wěn)定性方面也有重要作用；Mg、Mn、Zn、Fe 元素構(gòu)成葉綠素不可或缺的成分，F(xiàn)e、Mg 元素在光合作用和碳氮代謝中也有非常重要的作用。Fe、Mn、Cu、Si、Zn 等多種微量元素作為多種酶的輔基發(fā)揮作用[25-26]。Fe 是多種酶的輔因子,并且與其他多種酶參與植物的呼吸作用，尤其是在氧化還原方面，參與光合作用中的電子傳遞等重要過(guò)程。

4 小結(jié)

該實(shí)驗(yàn)結(jié)論證實(shí)，GABA可以提高玉米幼苗的發(fā)育進(jìn)程，提高硝酸還原酶活性，提高氮代謝水平，降低可溶性糖含量提高蛋白質(zhì)的合成，在這些方面GABA與含等量氮素的脲素水平相當(dāng)。但在元素吸收方面，GABA 較脲素顯著增加了多種元素的吸收。推測(cè)GABA以信號(hào)形式影響元素代謝途徑。

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