植物功能葉片淀粉積累量及酸性轉化酶活性的變化

植物功能葉片淀粉積累量及酸性轉化酶活性的變化

高產不僅需要功能葉片的強大的光合生產力，還需要通過光合作用器官形成的光合產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胞質中。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):葉片光合產物的合成與降解是同時進行的。葉片淀粉、蔗糖的實際積累量是由合成與降解共同控制的。這意味著光合產物的降解過程可能參與對葉片光合產物積累的調控。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、蔗糖積累量與相應降解酶活性關系的基礎上,對水稻、玉米、大豆三類典型植物葉片發(fā)育過程中,光合產物積累與降解酶活性關系進行了系統(tǒng)探討。1取樣與測定時間實驗材料選自校作物標本區(qū)及附近農田。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;酸性轉化酶和淀粉酶活性測定分別依Huber和Hammond,以麥芽糖作為標樣。2結果與分析2.1中間類型葉片的蔗糖代謝活性結果匯于表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78mg/dm2,積累量最低的是蠟燭草,達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化酶活性與光合產物積累量之間的關系。由表1可見:不同植物功能葉片淀粉酶及酸性轉化酶活性存在顯著差異。酸性轉化酶活性最高可達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、淀粉積累量與相應降解酶活性關系發(fā)現(xiàn):糖葉與粉葉植物功能葉片蔗糖積累量與酸性轉化酶活性間呈明顯負相關(圖2B),而與淀粉積累量以及與葉片淀粉酶活性無明顯相關(圖2A、圖3B)。葉片淀粉積累量與淀粉酶活性(圖4B)及酸性轉化酶活性均無明顯相關。一些中間類型植物功能葉片蔗糖積累并不表現(xiàn)出與葉片酸性轉化酶活性間負相關,這反映出植物葉片光合產物代謝的復雜性。不同類型植物葉片的蔗糖、淀粉積累可能具有不同的調控機理。2.2玉米葉綠素積累與碳積累量相關分析為探明光合產物降解酶對葉片蔗糖、淀粉積累的可能調控作用,我們進一步分析了水稻、大豆、玉米三種典型作物葉片不同發(fā)育時期,早、中、晚葉片光合產物積累量及酸性轉化酶,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,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數(shù)量的光合產物輸出。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行的。三類作物葉片發(fā)育過程中,早、中、晚葉片酸性轉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(圖7)。水稻葉片酸性轉化酶活性出葉后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,葉片光合產物強烈的動員轉化有關。Schaffer等,也曾觀察到Citrussinensis葉片酸性轉化酶活性相似的變化趨勢。玉米出葉初期,葉片酸性轉化酶活性由高向低,下降較為平緩。以后有所加速,后期又趨于平緩(圖8)。大豆葉一生轉化酶活性變化先上升,再下降。但功能葉仍具較強活性(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酸性轉化酶活性與淀粉積累葉片光合產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。這一領域的研究近來較為活躍。但以往研究多偏重于光合產物合成途徑中有關酶促反應的調控以及降解途徑的生化論證。較少注重降解過程對光合產物積累的可能影響。本文對涉及10多個科的28種農作物的分析表明:不同植物葉片蔗糖、淀粉積累量及相應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化酶活性呈顯著負相關。即葉片較高的蔗糖積累量是與葉片較低的酸性轉化酶活性相聯(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程度上可能是受酸性轉化酶活性控制。Huber曾提出葉片中可能存在一條由酸性轉化酶催化的涉及胞質—液泡—胞質的蔗糖“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的酸性轉化酶活性。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化酶活性有關。因為蔗糖積累量較少的粉葉作物功能葉中酸性轉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(圖4B)正是從一個側面反映了不同植物葉片淀粉降解的復雜性。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。這表明:對于