植物功能葉片淀粉積累量及酸性轉(zhuǎn)化酶活性的變化

植物功能葉片淀粉積累量及酸性轉(zhuǎn)化酶活性的變化

高產(chǎn)不僅需要功能葉片的強(qiáng)大的光合生產(chǎn)力，還需要通過光合作用器官形成的光合產(chǎn)物的合理有效分配和運輸。正常條件下,葉片光合固定的CO2主要以淀粉、蔗糖的形式分別貯藏于葉綠體和細(xì)胞質(zhì)中。研究表明,不同植物葉片淀粉與蔗糖的積累能力存在顯著差異。但造成這種差異的原因迄今仍有待闡明。Heldt等研究發(fā)現(xiàn):葉片光合產(chǎn)物的合成與降解是同時進(jìn)行的。葉片淀粉、蔗糖的實際積累量是由合成與降解共同控制的。這意味著光合產(chǎn)物的降解過程可能參與對葉片光合產(chǎn)物積累的調(diào)控。但涉及這方面的研究報道不多。本文在廣泛分析不同植物葉片淀粉、蔗糖積累量與相應(yīng)降解酶活性關(guān)系的基礎(chǔ)上,對水稻、玉米、大豆三類典型植物葉片發(fā)育過程中,光合產(chǎn)物積累與降解酶活性關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)探討。1取樣與測定時間實驗材料選自校作物標(biāo)本區(qū)及附近農(nóng)田。在晴天,上午10:00—11:00選取植株健康的功能葉片,立即液氮固定取回待測。葉片不同發(fā)育時期取樣是分別在水稻孕穗期,玉米吐絲期,大豆結(jié)莢期各選取約100株植株,對葉位相同,大小、色澤相似的初生葉,在其下部掛牌標(biāo)記,以此作為零天。以后間隔不同天數(shù),分早、中、晚3個時間取樣,每次5株。葉片蔗糖、淀粉含量分別依Cardini和McCready方法測定;酸性轉(zhuǎn)化酶和淀粉酶活性測定分別依Huber和Hammond,以麥芽糖作為標(biāo)樣。2結(jié)果與分析2.1中間類型葉片的蔗糖代謝活性結(jié)果匯于表1。由表1可看出:(1)不同植物功能葉片蔗糖、淀粉積累量差異極為顯著。例如:淀粉積累量最高的為蠶豆葉片,達(dá)78mg/dm2,積累量最低的是蠟燭草,達(dá)11.0mg/dm2。同樣地,蔗糖積累量最多(水稻)與最少(芝麻草)也可相差10倍之多。(2)在葉片積累的光合產(chǎn)物中,蔗糖與淀粉所占相對比例的差異,也十分顯著。依據(jù)葉片蔗糖與淀粉比值,可大致將供測的28種植物劃分為3種類型(圖1),即糖葉植物(Suc./Starch大于2.5);如小麥、水稻等;粉葉植物(Suc./Starch小于0.5)如大豆、蠶豆等,中間類型植物(Suc,/Starch介于0.5—2.5之間)如玉米、黃麻等。葉片淀粉降解主要通過水解(amylolysis)和磷酸化(phosphorolysis)兩條途徑。而兩者最初的步驟均由淀粉酶(amylases)催化。蔗糖降解則由蔗糖合成酶和酸性轉(zhuǎn)化酶加以催化。已有研究表明:不同植物葉片蔗糖合成酶活性無明顯差異,一般均在5—8μmol/gFW/h范圍。據(jù)此,本文主要分析葉片淀粉酶及酸性轉(zhuǎn)化酶活性與光合產(chǎn)物積累量之間的關(guān)系。由表1可見:不同植物功能葉片淀粉酶及酸性轉(zhuǎn)化酶活性存在顯著差異。酸性轉(zhuǎn)化酶活性最高可達(dá)185.0μmol/gFW/h(大豆),最低僅8.2μmol/gFW/h(茄子)。淀粉酶活性高低也相差6倍多。分析葉片蔗糖、淀粉積累量與相應(yīng)降解酶活性關(guān)系發(fā)現(xiàn):糖葉與粉葉植物功能葉片蔗糖積累量與酸性轉(zhuǎn)化酶活性間呈明顯負(fù)相關(guān)(圖2B),而與淀粉積累量以及與葉片淀粉酶活性無明顯相關(guān)(圖2A、圖3B)。葉片淀粉積累量與淀粉酶活性(圖4B)及酸性轉(zhuǎn)化酶活性均無明顯相關(guān)。一些中間類型植物功能葉片蔗糖積累并不表現(xiàn)出與葉片酸性轉(zhuǎn)化酶活性間負(fù)相關(guān),這反映出植物葉片光合產(chǎn)物代謝的復(fù)雜性。不同類型植物葉片的蔗糖、淀粉積累可能具有不同的調(diào)控機(jī)理。2.2玉米葉綠素積累與碳積累量相關(guān)分析為探明光合產(chǎn)物降解酶對葉片蔗糖、淀粉積累的可能調(diào)控作用,我們進(jìn)一步分析了水稻、大豆、玉米三種典型作物葉片不同發(fā)育時期,早、中、晚葉片光合產(chǎn)物積累量及酸性轉(zhuǎn)化酶,淀粉酶活性變化。由圖5可見:三類作物葉片發(fā)育過程中,葉片蔗糖、淀粉積累量的變化明顯不同。典型糖葉作物水稻葉片發(fā)育過程中,隨光合能力不斷增強(qiáng),葉片主要表現(xiàn)為蔗糖積累量的增加,尤以午間表現(xiàn)最為突出。中間類型作物玉米,葉片發(fā)育過程中,蔗糖和淀粉積累量均有所增加。由圖5,還可見:玉米葉片午間蔗糖積累最多,傍晚則明顯回落,說明白天玉米功能葉片就有相當(dāng)數(shù)量的光合產(chǎn)物輸出。典型粉葉作物大豆葉片主要表現(xiàn)為淀粉積累量的不斷增加。傍晚與午間相比,淀粉積累量未見減少。并且,不同發(fā)育階段的葉片,清晨淀粉含量差異不甚明顯。顯然,大豆葉片淀粉降解主要是在傍晚后夜間進(jìn)行的。三類作物葉片發(fā)育過程中,早、中、晚葉片酸性轉(zhuǎn)化酶和淀粉酶活性變化見圖6和圖8。由圖6可見:葉片發(fā)育過程中,玉米葉片淀粉酶活性始終高于水稻。隨葉片發(fā)育,兩者表現(xiàn)出相似的迅速下降變化趨勢,且早、中、晚葉片淀粉酶活性無明顯差異。大豆葉片淀粉酶活性變化較為復(fù)雜。清晨與午間,淀粉酶活性隨葉片發(fā)育而迅速降低。但傍晚葉片淀粉酶活性卻表現(xiàn)出與葉片淀粉積累相似的變化趨勢,兩者表現(xiàn)出顯著正相關(guān)(圖7)。水稻葉片酸性轉(zhuǎn)化酶活性出葉后3天左右有一短暫的迅速上升,但很快回落至較低水平。后期又有所回升(圖8),這可能與水稻灌漿期間,葉片光合產(chǎn)物強(qiáng)烈的動員轉(zhuǎn)化有關(guān)。Schaffer等,也曾觀察到Citrussinensis葉片酸性轉(zhuǎn)化酶活性相似的變化趨勢。玉米出葉初期,葉片酸性轉(zhuǎn)化酶活性由高向低,下降較為平緩。以后有所加速,后期又趨于平緩(圖8)。大豆葉一生轉(zhuǎn)化酶活性變化先上升,再下降。但功能葉仍具較強(qiáng)活性(圖8)。這可能正是粉葉植物葉片蔗糖積累量較少的原因之一。3酸性轉(zhuǎn)化酶活性與淀粉積累葉片光合產(chǎn)物的積累與降解直接涉及光合固定碳素的運輸與合理分配。這一領(lǐng)域的研究近來較為活躍。但以往研究多偏重于光合產(chǎn)物合成途徑中有關(guān)酶促反應(yīng)的調(diào)控以及降解途徑的生化論證。較少注重降解過程對光合產(chǎn)物積累的可能影響。本文對涉及10多個科的28種農(nóng)作物的分析表明:不同植物葉片蔗糖、淀粉積累量及相應(yīng)的降解酶活性均存在顯著差異。糖葉與粉葉植物功能葉片蔗糖積累量與酸性轉(zhuǎn)化酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)。即葉片較高的蔗糖積累量是與葉片較低的酸性轉(zhuǎn)化酶活性相聯(lián)系的,如小麥、水稻等;反之亦然,如大豆等。由此可見:至少對這兩類作物,葉片的蔗糖積累在相當(dāng)程度上可能是受酸性轉(zhuǎn)化酶活性控制。Huber曾提出葉片中可能存在一條由酸性轉(zhuǎn)化酶催化的涉及胞質(zhì)—液泡—胞質(zhì)的蔗糖“無效循環(huán)”。最近,Stitt等人的工作證明,此循環(huán)可能參與對葉綠體淀粉合成的調(diào)節(jié)。植物葉片發(fā)育初期,光合功能尚未健全。葉片自身生長發(fā)育需要從功能葉片獲取光合產(chǎn)物(主要是蔗糖),這清楚地體現(xiàn)在水稻、玉米、大豆幼葉中相對較強(qiáng)的酸性轉(zhuǎn)化酶活性。隨著葉片的發(fā)育,光合能力逐漸形成并日趨完善,開始光合產(chǎn)物的積累。此時,水稻等糖葉作物葉片蔗糖的高積累顯然與葉片較低的酸性轉(zhuǎn)化酶活性有關(guān)。因為蔗糖積累量較少的粉葉作物功能葉中酸性轉(zhuǎn)化酶活性仍維持較高水平。已有的研究工作初步表明:不同植物葉片淀粉降解的催化酶系,代謝途徑及作用時間等均各不相同。葉片淀粉積累與淀粉酶活性無關(guān)(圖4B)正是從一個側(cè)面反映了不同植物葉片淀粉降解的復(fù)雜性。分析粉葉作物大豆葉片不同發(fā)育時期,早、中、晚淀粉積累與淀粉酶活性關(guān)系,發(fā)現(xiàn)傍晚葉片淀粉積累量與淀粉酶活性呈顯著正相關(guān)。這表明:對于