全 文 ：外源 酌鄄氨基丁酸(GABA)对低氧胁迫下甜瓜幼苗
根系 GABA代谢及氨基酸含量的影响*
王春燕摇 李敬蕊摇 夏庆平摇 吴晓蕾摇 高洪波**
(河北农业大学园艺学院, 河北保定 071000)
摘摇 要摇 采用水培法,通过准确控制营养液溶氧浓度,研究了外源 酌鄄氨基丁酸(GABA)对低
氧胁迫 0 ~ 8 d ‘西域一号爷甜瓜幼苗根系 GABA代谢及氨基酸含量的影响.结果表明:与通气
对照相比,低氧处理的甜瓜幼苗正常生长受到严重抑制,其根系谷氨酸脱羧酶(GAD)、谷氨酸
脱氢酶(GDH)、谷氨酸合成酶(GOGAT)、谷氨酰胺合成酶(GS)、丙氨酸氨基转移酶(ALT)、
天门冬氨酸氨基转移酶(AST)活性以及 GABA、丙酮酸、丙氨酸、天冬氨酸含量均显著提高,而
谷氨酸和 琢鄄酮戊二酸含量在处理 4 ~ 8 d均显著降低.与低氧处理相比,外源 GABA处理有效
缓解了低氧胁迫对幼苗根系生长的抑制作用,同时甜瓜根系内源 GABA、谷氨酸、琢鄄酮戊二酸、
天冬氨酸含量显著提高,但 GAD、GDH、GOGAT、GS、ALT、AST 活性在整个处理过程中均显著
降低,丙酮酸和丙氨酸含量也显著降低.低氧同时添加 GABA和 酌鄄乙烯基鄄酌鄄氨基丁酸(VGB)
处理显著降低了低氧胁迫下 GABA的缓解效应.低氧胁迫下外源 GABA 被植物根系吸收后,
通过反馈抑制 GAD活性维持较高的 Glu 含量,保持植物体内碳、氮代谢平衡,维持正常生理
代谢,从而缓解低氧胁迫对甜瓜幼苗的伤害.
关键词摇 甜瓜摇 低氧胁迫摇 酌鄄氨基丁酸摇 GABA代谢摇 氨基酸
*国家自然科学基金项目(30900994)和河北省教育厅重点项目(ZH2012048)资助.
**通讯作者. E鄄mail: hongbogao@ hebau. edu. cn
2013鄄10鄄12 收稿,2014鄄04鄄30 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)07-2011-08摇 中图分类号摇 Q945. 78; S652摇 文献标识码摇 A
Influence of exogenous 酌鄄aminobutyric acid (GABA) on GABA metabolism and amino acid
contents in roots of melon seedling under hypoxia stress. WANG Chun鄄yan, LI Jing鄄rui, XIA
Qing鄄ping, WU Xiao鄄lei, GAO Hong鄄bo (College of Horticulture, Agricultural University of Hebei,
Baoding 071000, Hebei, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(7): 2011-2018.
Abstract: This paper investigated the influence of 酌鄄aminobutyric acid (GABA) on GABA metabo鄄
lism and amino acid content under hypoxia stress by accurately controlling the level of dissolved
oxygen in hydroponics, using the roots of melon ‘Xiyu 1爷 seedlings as the test material. The results
showed that compared with the control, the growth of roots was inhibited seriously under hypoxia
stress. Meanwhile, the hypoxia鄄treated roots had significantly higher activities of glutamate decar鄄
boxylase (GAD), glutamate dehydrogenase (GDH), glutamate synthase ( GOGAT), glutamine
synthetase (GS), alanine aminotransferase (ALT), aspartate aminotransferase (AST) as well as
the contents of GABA, pyruvic acid, alanine (Ala) and aspartic acid (Asp). But the contents of
glutamic acid (Glu) and 琢鄄keto glutaric acid in roots under hypoxia stress was obviously lower than
those of the control. Exogenous treatment with GABA alleviated the inhibition effect of hypoxia
stress on root growth, which was accompanied by an increase in the contents of endogenous GABA,
Glu, 琢鄄keto glutaric acid and Asp. Furthermore, under hypoxia stress, the activities of GAD,
GDH, GOGAT, GS, ALT, AST as well as the contents of pyruvic acid and Ala significantly de鄄
creased in roots treated with GABA. However, adding GABA and viny鄄酌鄄aminobutyric acid (VGB)
reduced the alleviation effect of GABA on melon seedlings under hypoxia stress. The results sugges鄄
ted that absorption of GABA by roots could alleviate the injury of hypoxia stress to melon seedlings.
This meant that GABA treatment allows the normal physiological metabolism under hypoxia by in鄄
hibiting the GAD activity through feedback and maintaining higher Glu content as well as the bal鄄
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 7 月摇 第 25 卷摇 第 7 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2014, 25(7): 2011-2018
ance of carbon and nitrogen.
Key words: melon; hypoxia stress; 酌鄄aminobutyric acid; GABA metabolism; amino acid.
摇 摇 甜瓜(Cucumis melo)作为我国设施无土栽培的
主要作物之一,具有营养价值高、市场需求量大、经
济效益好等优点,但甜瓜属低氧敏感植物,常由于生
长介质氧气不足,严重影响其果实产量和品质[1] .
实践证明,栽培方式的改进和物理学增氧途径缓解
低氧逆境的成本较高且效果有限,而利用外源物质
对栽培作物进行处理,是目前提高作物耐低氧逆境
最简单、有效、可行的方法之一[2] .
酌鄄氨基丁酸( 酌鄄aminobutyric acid,GABA)作为
一种自由态四碳非蛋白氨基酸,已被确定为是一种
对植物的生长和发育有重要影响的信号物质. 逆境
胁迫下植物体内 GABA 含量可增加几至几十倍,对
调节植物细胞对逆境胁迫的反应和增强植物对逆境
的适应性发挥重要的作用[3] . 逆境胁迫下,植物体
内有 2 条合成 GABA的途径:一条由谷氨酸脱羧酶
(GAD)催化合成,另一条由多胺降解而来,因此
GABA代谢联系着碳素和氮素两大代谢途径 (图
1 ) .无机氮被植物吸收后,多数是通过谷氨酰胺合
图 1摇 GABA支路代谢相关途径[6]
Fig. 1摇 GABA鄄shunt related ways[6] .
ALT: 丙氨酸氨基转移酶 Alanine aminotransferase; AST: 天门冬氨酸
氨基转移酶 Aspartate transaminase; GABA鄄TK:以 琢鄄酮戊二酸为氨基
受体的 GABA转氨酶 琢鄄ketogurutarate dependent GABA transaminase;
GABA鄄TP: 以丙酮酸为氨基受体的 GABA 转氨酶 Pyruvate dependent
GABA transaminase; GAD: 谷氨酸脱羧酶 Glutamate decarboxylase;
GDH: 谷氨酸脱氢酶 Glutamate dehydrogenase; GOGAT: 谷氨酸合成
酶 Glutamate synthase; GS: 谷氨酰胺合成酶 Glutamine synthetase.
GABA代谢支路 GABA鄄shunt; 丙酮酸 Pyruvic acid; 丙氨酸 Alanine;
草酰乙酸 Oxaloacetic acid; 多胺分解 Polyamine degradation; 多胺合
成 Polyamine biosynthesis;谷氨酰胺 Glutamine;谷氨酸 Glutamic acid;
琥珀酸 Succinic acid; 琥珀酸半醛 Succinic semialdehyde; TCA 循环
TCA cycle; 天冬氨酸 Aspartic acid; 琢鄄酮戊二酸 琢鄄keto glutaric acid.
成酶 /谷氨酸合成酶(GS / GOGAT)途径合成谷氨酸,
此途径也是绝大多数氨基酸(包括 GABA)合成的起
点[4];但是,当 GS / GOGAT途径受到抑制、蛋白质合
成降低或蛋白质降解加速时,谷氨酸向 GABA 的转
化加快,表明 GABA 可作为临时的氮储存库[3] .
琢鄄酮戊二酸作为碳、氮平衡的一种信号分子,是植物
体氨同化主要途径 GS / GOGAT循环的底物,为氨同
化提供碳骨架,而且谷氨酸的碳以 琢鄄酮戊二酸的形
式进入 TCA循环;GABA代谢支路作为 TCA的一个
组成部分,对逆境胁迫下维持细胞生理活性发挥重
要的作用[5] .
摇 摇 近年来,对外源 GABA 与植物逆境胁迫作用的
研究证明,低温胁迫下高浓度 GABA (15 ~ 200
mmol·L-1)能够清除叶绿体羟自由基,稳定和保护
拟南芥离体叶绿体的类囊体膜[7];在低氮胁迫下
GABA可作为氮源参与氮的代谢、储存和转运,维持
植物正常生长[8] . 我们的研究也表明,外源 GABA
可被植物根系直接吸收,通过参与植物体内活性氧
代谢、增强光合特性、促进多胺的合成和转化[9-10]等
生理过程,缓解低氧胁迫对甜瓜幼苗的伤害.
虽然 GABA 代谢支路与氨基酸代谢存在密切
联系,但外源 GABA如何参与植物体内 GABA 支路
以及相关氨基酸的代谢途径仍不清楚,特别是外源
GABA对植物体内 GABA代谢与耐低氧性之间的作
用机理尚未见报道.本试验以水培甜瓜幼苗为材料,
外源添加 GABA和 GABA 转氨酶抑制剂 酌鄄乙烯基鄄
酌鄄氨基丁酸(VGB)后,同步研究外源 GABA 处理对
根际低氧胁迫下根系中 GABA 代谢支路及其相关
氨基酸的影响,探讨 GABA 增强甜瓜耐低氧性的生
理调节机制,为外源 GABA 增强植物耐低氧理论提
供依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验材料与试验设计
试验于 2011 年 3 月—2012 年 5 月在河北农业
大学智能温室中进行. 以耐低氧性较弱的甜瓜品种
‘西域一号爷为试材,种子发芽后播于装有石英砂的
塑料盆中温室育苗,温室昼温 27 ~ 30 益,夜温 16 ~
18 益 .待子叶展开后浇灌 1 / 2 Hoagland 营养液,pH
(6. 3依0. 1),EC值 1. 0 ~ 1. 2 mS·cm-1 .待幼苗长至
三叶一心时,选取整齐一致的植株定植于装有 1 倍
2102 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
Hoagland营养液的水培槽中,用气泵维持正常通气,
培养至四叶一心时,定植于装有 18 L Hoagland 营养
液的塑料盆中,进行以下 5 组处理(每组 24 株):
1)对照(Control):用气泵正常通气(30 min·h-1),
维持营养液溶氧(DO)浓度为(8. 0依0. 2) mg·L-1;
2)通气+GABA 处理(Control+GABA),在正常通气
的营养液中添加 5 mmol·L-1 GABA;3)低氧处理
(Hypoxia),向营养液中通入纯净的 N2,用在线溶氧
分析仪(Pisco DO500 型,德国)控制营养液 DO值为
(2. 0依0. 2) mg·L-1;4)低氧+GABA处理(Hypoxia+
GABA),在低氧胁迫的营养液中添加 5 mmol·L-1
GABA;5)低氧+GABA+VGB 处理(Hypoxia+GABA+
VGB), 在低氧胁迫 的 营 养 液 中 同 时 添 加 5
mmol·L-1 GABA 和 0. 1 mmol·L-1 VGB. 其中,采
用的GABA和 VGB浓度是在预备试验基础上筛选出
的最佳浓度.处理后 8 d,测量幼苗的根系长度及生
物量,并分别于处理后 0、2、4、6、8 d 选取幼苗根系
进行氨基酸、丙酮酸、琢鄄酮戊二酸含量和氮代谢相关
酶(GAD、GDH、GOGAT、GS、ALT、AST)活性的测定,
各指标测定均重复 3 次.
1郾 2摇 测定项目与方法
1郾 2郾 1 幼苗根系长度及生物量的测定摇 处理 8 d后,
每处理选取 10 株生长一致的甜瓜幼苗,测量根系长
度(以整株最长根系为准),然后用蒸馏水将根系冲
洗干净,用吸水纸擦干表面水分,分别称取整株和根
系鲜质量,于 115 益烘箱中杀青 15 min,然后转至
75 益烘箱烘干,称取整株和根系干质量.
1郾 2郾 2 GABA和氨基酸含量的测定 摇 GABA 含量参
照孟祥勇等[11]的方法,略有改动,以 2,4鄄二硝基氟
苯(FDNB)作为衍生试剂对根系进行处理,采用柱
前衍生 HPLC法进行测定,按外标法计算 GABA 含
量.参照 Gao等[2]的方法测定谷氨酸、丙氨酸、天冬
氨酸含量.
1郾 2郾 3 丙酮酸和 琢鄄酮戊二酸含量的测定摇 每处理选
取 3 株生长一致的甜瓜幼苗,分别称取 1. 0 g 中部
根系,加入 8%三氯乙酸后研磨成匀浆,定容至 25
mL,静置 30 min后离心 10 min(4000伊g).分别按照
Mustroph和 Albrecht[12]、Hodges[13]的方法测定丙酮
酸和 琢鄄酮戊二酸的含量.
1郾 2郾 4 GAD活性的测定摇 每处理选取 3 株生长一致
的甜瓜植株,分别称取 0. 5 g 中部根系,加入 4 mL
Macllvaine缓冲液(pH 4. 8,含 1 mmol·L-1巯基乙醇
和 0. 1 mmol·L-1磷酸吡哆醛),冰浴研磨后 8000伊g
离心,提取上清液后,参照沈黎明等[14]的方法测定
3 min内 640 nm处的吸收光值变化,以每分钟生成
GABA的摩尔数来表示.
1郾 2郾 5 GDH、GOGAT、GS、ALT、AST 活性的测定摇 每
处理选取 5 株生长一致的甜瓜植株,剪取中部根系
后,分成 3 份. 分别称取 0. 5 g,加入 10 mmol·L-1
Tris鄄HCl缓冲液(pH 7. 6,内含 1 mmol·L-1 MgCl2,1
mmol·L-1 EDTA和 1 mmol·L-1 2鄄巯基乙醇),冰浴
研磨后,1500伊g 离心 30 min,上清液用于酶活力的
测定. GDH和 GOGAT 活性参照 Balestrasse 等[15]的
方法,测定在 3 min内 340 nm波长下吸收光值的变
化,以每分钟下降 1 OD340为 1 个活力单位;GS 活性
采用 Wang等[16]的方法,测定在 1 min 内 540 nm波
长下吸光值的变化,以每分钟生成 1 滋mol·L-1 酌鄄谷
氨酰异羟肟酸为 1 个活力单位. ALT 和 AST 活性参
照 Murray[17]的方法,测定 340 nm 波长下吸收光值
的变化.
1郾 3摇 数据处理
采用 Microsoft Excel 软件处理数据和作图,采
用 SAS 8. 1 软件(SAS Institute,Cary,NC)Duncan 多
重比较法(琢=0. 05)进行方差分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 外源 GABA对低氧胁迫下甜瓜幼苗根系长度
及生物量的影响
由图 2 可知,低氧处理下幼苗根系生长纤弱,根
系长度、鲜质量、干质量明显低于对照;外源添加
GABA促进了对照和低氧胁迫下根系的生长. 与低
氧处理相比,外源 GABA 处理的根系鲜、干质量分
别比低氧处理提高 28. 9% 、38. 5% ;幼苗鲜、干质量
较低氧处理提高 38. 2% ,41. 8% ,差异均达显著水
平,有效缓解了低氧胁迫对幼苗生长的抑制作用;但
低氧 + GABA + VGB 处理的幼苗鲜、干质量显著
低于低氧+GABA处理(表1) .表明GABA在一定程度
图 2摇 外源 GABA对低氧胁迫下甜瓜根系生长的影响
Fig. 2 摇 Effects of exogenous GABA on root growth of melon
seedlings under hypoxia stress.
玉: 对照 Control;域:对照+GABA Control+GABA;芋:低氧Hypoxia; 郁:
低氧+GABA Hypoxia+GABA; 吁: 低氧+GABA+VGB Hypoxia+GABA+
VGB. 下同 The same below.
31027 期摇 摇 摇 摇 王春燕等: 外源 酌鄄氨基丁酸(GABA)对低氧胁迫下甜瓜幼苗根系 GABA代谢及氨基酸含量的影响摇
表 1摇 外源 GABA对低氧胁迫下甜瓜根系长度及生物量的影响
Table 1摇 Effects of exogenous GABA on root length and biomass of melon seedlings under hypoxia stress (mean依SE)
处理
Treatment
根长
Root length
(cm)
根系鲜质量
Fresh mass of root
(g·plant-1)
根系干质量
Dry mass of root
(g·plant-1)
幼苗鲜质量
Fresh mass of whole
plant (g·plant-1)
幼苗干质量
Dry mass of whole
plant (g·plant-1)
玉 35. 32依0. 91b 4. 02依0. 22b 0. 21依0. 03a 15. 67依1. 01ab 1. 02依0. 11a
域 40. 00依1. 96a 4. 59依0. 11a 0. 21依0. 04a 17. 06依0. 69a 1. 05依0. 10a
芋 24. 25依0. 94d 2. 91依0. 16d 0. 13依0. 06c 9. 20依0. 63c 0. 55依0. 06cd
郁 31. 81依1. 42bc 3. 75依0. 35bc 0. 18依0. 02bc 12. 71依1. 04b 0. 78依0. 04b
吁 30. 76依0. 72c 3. 30依0. 16c 0. 15依0. 02c 10. 15依0. 75c 0. 64依0. 05c
玉: 对照 Control; 域:对照+GABA Control+GABA; 芋:低氧 Hypoxia; 郁:低氧+GABA Hypoxia+GABA; 吁:低氧+GABA+VGB Hypoxia+GABA+
VGB. 下同 The same below. 同列不同字母表示处理间差异显著(P<0. 05)Different letters the same column meant significant difference among treat鄄
ments at 0. 05 level.
上可以缓解低氧胁迫对甜瓜幼苗生长的抑制,这种
缓解作用与 GABA代谢密切相关.
2郾 2摇 外源 GABA 对低氧胁迫下甜瓜根系内源
GABA含量的影响
由图 3 可知,在整个处理过程中,对照的根系内
源 GABA含量变化不大,而对照+GABA处理的根系
内源 GABA含量在处理 4 ~ 8 d显著提高.在整个处
理过程中,低氧处理的根系内源 GABA 含量显著高
于对照,低氧+GABA处理的根系内源 GABA含量在
处理 4 ~ 8 d显著高于低氧处理,在胁迫 8 d 后提高
了 35. 2% .低氧+GABA+VGB 处理降低了根系内源
GABA含量,在整个处理过程中根系内源 GABA 含
量均显著低于低氧和低氧+GABA处理.
2郾 3摇 外源 GABA对低氧胁迫下甜瓜根系谷氨酸含
量和 GAD活性的影响
由图 4 可知,与对照相比,在处理 0 ~ 8 d,对照+
GABA处理的根系谷氨酸含量显著高于对照;低氧
处理根系 GAD 活性在整个处理过程中均显著高于
对照,而谷氨酸含量在处理 4 ~ 8 d 显著低于对照;
低氧+GABA处理的根系GAD活性显著降低,而谷
图 3摇 外源 GABA 对低氧胁迫下甜瓜根系内源 GABA 含量
的影响
Fig. 3摇 Effects of exogenous GABA on GABA contents in roots
of melon seedlings under hypoxia stress.
氨酸含量显著高于低氧处理;低氧+GABA+VGB 处
理的根系 GAD 活性在整个处理过程中显著高于低
氧+GABA 处理,而谷氨酸含量在处理 6 ~ 8 d 显著
低于低氧 + GABA 处理. 表明根系通过直接吸收
GABA,抑制 GAD 活性,维持体内较高的谷氨酸
含量.
2郾 4摇 外源 GABA对低氧胁迫下甜瓜根系 琢鄄酮戊二
酸含量和 GDH活性的影响
对照+GABA 处理的根系 GDH 活性在处理 4 ~
8 d显著低于对照,处理 8 d 比对照降低 25. 8% ;低
氧处理的根系 GDH 活性在整个处理过程中均显著
高于对照,低氧+GABA 处理显著降低了幼苗根系
GDH活性,而低氧+GABA+VGB 处理的幼苗根系
GDH活性始终维持最低水平.
在整个处理过程中,与对照相比,对照+GABA
图 4摇 外源 GABA 对低氧胁迫下甜瓜根系谷氨酸含量和
GAD活性的影响
Fig. 4 摇 Effects of exogenous GABA on Glu content and GAD
activity in roots of melon seedlings under hypoxia stress.
4102 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
图 5摇 外源 GABA对低氧胁迫下甜瓜根系 琢鄄酮戊二酸含量
和 GDH活性的影响
Fig. 5摇 Effects of exogenous GABA on 琢鄄ketoglutaric acid con鄄
tent and GDH activity in roots of melon seedlings under hypoxia
stress.
处理的根系 琢鄄酮戊二酸含量显著提高,且处理 8 d
提高幅度为 49. 1% ,而低氧处理的根系 琢鄄酮戊二酸
含量显著降低;低氧+GABA 处理提高了根系 琢鄄酮
戊二酸含量,在 6、8 d 分别比低氧处理提高 44. 1%
和 38. 9% ;低氧+GABA+VGB处理的根系 琢鄄酮戊二
酸含量始终高于低氧+GABA处理(图 5).
2郾 5摇 外源 GABA 对低氧胁迫下甜瓜根系 GOGAT
和 GS活性的影响
由图 6 可知,低氧处理的根系 GOGAT 活性在
4 ~ 8 d显著高于对照;低氧胁迫下,添加外源 GABA
的甜瓜根系 GOGAT 活性在处理 4 ~ 8 d 显著降低,
但对照条件下外源 GABA 对 GOGAT 活性的影响不
明显;低氧+GABA+VGB 处理的根系 GOGAT 活性
在处理 0 ~ 8 d均显著高于低氧+GABA处理.
在整个处理过程中,低氧处理的根系 GS 活性
显著高于对照,处理 8 d后比对照提高 57. 7% ;低氧
+GABA处理的甜瓜根系 GS 活性在培养 4 ~ 8 d 显
著低于低氧处理;低氧+GABA+VGB 处理的根系 GS
活性在整个处理过程中均低于低氧处理,但均高于
低氧+GABA 处理,且在处理 4 ~ 8 d 提高幅度达显
著水平.
2郾 6摇 外源 GABA对低氧胁迫下甜瓜根系丙酮酸、丙
氨酸含量和 ALT活性的影响
外源GABA处理的幼苗根系丙酮酸含量与
图 6摇 外源 GABA对低氧胁迫下甜瓜根系 GOGAT 和 GS 活
性的影响
Fig. 6摇 Effects of exogenous GABA on GOGAT and GS activi鄄
ties in roots of melon seedlings under hypoxia stress.
对照无显著差异,但 ALT活性和丙氨酸含量在处理
4 ~ 6 d高于对照. 低氧处理的幼苗根系丙酮酸、丙
氨酸含量和 ALT活性在 2 ~ 6 d均显著升高;与低氧
处理相比,低氧+GABA 处理的幼苗根系丙氨酸、丙
酮酸含量和 ALT活性在处理 2 ~ 8 d均显著降低.低
氧+GABA+VGB处理的幼苗根系丙酮酸含量高于低
氧和低氧+GABA 处理,而 ALT 活性介于两者之间,
但根系丙氨酸含量维持较低水平,并低于其他 4 种
处理(图 7).
2郾 7摇 外源 GABA对低氧胁迫下甜瓜根系 AST 活性
和天冬氨酸含量的影响
由图 8 可知,与对照相比,对照+GABA 处理的
根系 AST活性在 2 ~ 4 d显著降低;低氧处理的 AST
活性呈先上升后下降的变化趋势,并在整个处理过
程中显著高于对照;低氧+GABA 处理的幼苗根系
AST活性在处理 2 ~ 6 d 显著低于低氧处理;低氧+
GABA+VGB 处理变化较大,在处理 2 d 低于低氧+
GABA处理,但在 4 ~ 8 d则高于低氧+GABA处理.
低氧处理的幼苗根系天冬氨酸含量在处理 4 ~
8 d显著高于对照;低氧+GABA 处理的根系天冬氨
酸含量呈持续上升趋势,且在整个处理过程中显著
高于低氧处理;低氧+GABA+VGB 处理抑制了幼苗
根系天冬氨酸含量,在处理 4 ~ 8 d 显著低于低氧+
GABA处理.
51027 期摇 摇 摇 摇 王春燕等: 外源 酌鄄氨基丁酸(GABA)对低氧胁迫下甜瓜幼苗根系 GABA代谢及氨基酸含量的影响摇
图 7摇 外源 GABA对低氧胁迫下甜瓜根系丙酮酸、丙氨酸含
量和 ALT活性的影响
Fig. 7摇 Effects of exogenous GABA on pyruvic acid, Ala con鄄
tents and ALT activity in roots of melon seedlings under hypoxia
stress.
图 8摇 外源 GABA对低氧胁迫下甜瓜根系 AST 活性和天冬
氨酸含量的影响
Fig. 8 摇 Effects of exogenous GABA on AST activity and Asp
content in roots of melon seedlings under hypoxia stress.
3摇 讨摇 摇 论
根际低氧导致细胞缺乏电子传递的最终受体
O2,植物体内碳、氮代谢平衡受到破坏,保护性物质
含量降低,有毒末端产物积累,造成植株的生长发育
受到抑制[18] . GABA是游离氨基酸库中一种重要的
组成成分,在调节植物细胞对逆境胁迫的反应中以
及增强植物对逆境的适应性过程中发挥着重要的作
用[19] .研究表明,逆境胁迫下植物体内 GABA 的主
要合成途径是由谷氨酸在 GAD 催化下合成的,
GABA在转氨酶催化下与丙酮酸、琢鄄酮戊二酸发生
转氨作用生成琥珀酸半醛,最后生成琥珀酸参与代
谢途径,构成了三羧酸循环的支路[20] . GABA 代谢
支路参与植物许多生理代谢过程,可促进植物
DNA、RNA 和蛋白质的合成,增强植物对逆境的抗
性[19] .研究证明,低氧胁迫下,植物通过谷氨酸含量
的增加,激活 GAD活性,催化细胞内 GABA的合成,
此过程可以消耗 H+,降低了细胞的 pH 值,从而降
低了细胞的酸化程度,此过程可缓解低氧胁迫对植
物造成的伤害[21] . 本研究表明,低氧胁迫处理的甜
瓜幼苗正常生长受到抑制,其根系 GAD活性在处理
0 ~ 8 d均显著提高,催化谷氨酸形成 GABA,造成谷
氨酸含量在处理 4 ~ 8 d显著降低,这与在低氧胁迫
下甜瓜[22]、黄瓜[23]的研究结果一致. 但是,外源
GABA处理后,根系内源 GABA 和 Glu 含量显著提
高,而 GAD 活性显著降低,这可能是由于 GABA 的
反馈抑制作用,降低了 GAD 的活性,维持体内较高
的 Glu含量,缓解了低氧胁迫对幼苗生长的抑制.低
氧胁迫下同时添加 GABA和 VGB,降低了 GABA 处
理的效果,表现为体内 GABA和 Glu含量降低,GAD
活性升高,这可能是由于 VGB抑制了 GABA支路代
谢,同时抑制了外源 GABA 的吸收所致,这与 VGB
降低甜瓜光合作用的研究结果相吻合[9] .
植物可直接吸收利用无机氮素,还原成 NH4 + 鄄N
后进一步参与氨基酸和蛋白质等物质的合成.其中,
GS与 GOGAT构成的循环是高等植物氨同化的主
要途径; 琢鄄酮戊二酸是植物体氨同化主要途径
GS / GOGAT循环的底物,为氨的同化提供碳骨
架[24];GDH具有双重功能,对过量有机氮源进行氨
同化(NADH鄄GDH),同时分解谷氨酸补充有机碳源
为 TCA循环提供碳骨架(NAD鄄GDH),而且 GDH可
能对解除植物在逆境胁迫过程中产生的大量铵方面
发挥着独特的生理作用[25] . 低氧胁迫下,植物根系
NR被激活,促进植物 NO3 -吸收和还原,最终生成
6102 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
NH4 +和各种含氮化合物[26] .然而根系 NH4 +增加,能
诱导 GDH活性的增加,为氮代谢提供主要中间产物
来维持氮代谢的平衡,作为 GS 在逆境下活性降低
的一种补偿,减轻低氧对作物的危害[27] . 外源 GA鄄
BA对植物体内碳、氮代谢的调节也是增强植物抗逆
性的重要途径[5] .外源 GABA 处理能诱导低氧胁迫
下 NR活性,促进硝酸盐的吸收和转化,提高植物体
内氨基酸含量,增强植物耐低氧的能力[22];外源
GABA处理可以显著提高幼苗体内 GABA 的积累,
促进幼苗呼吸效率,提高植物体内代谢水平,缓解低
氧胁迫对甜瓜幼苗的伤害[9] . 本研究表明,低氧胁
迫下,甜瓜幼苗根系中 GDH、GOGAT、GS 活性显著
提高;外源 GABA处理后,根系 GDH、GOGAT、GS 活
性降低,琢鄄酮戊二酸含量有所提高;同时添加 GABA
和 VGB处理的根系虽然 GDH 活性降低、琢鄄酮戊二
酸含量提高,但是 GOGAT 和 GS 活性显著提高. 这
表明低氧胁迫下,由于甜瓜幼苗根系 琢鄄酮戊二酸含
量显著降低,使 GS / GOGAT 循环水平降低,有机氮
源氨同化能力下降,导致碳、氮代谢失去平衡,影响
了植物的生长,而外源 GABA 对调节体内碳氮平衡
发挥重要作用.
氨基酸是植物体内重要的化合物之一,是组成
蛋白质的主要成分,其中谷氨酸是大多数氨基酸
(包括 GABA)合成的起点[4] . 植物可以通过氮代谢
作用、增强氮素利用率,提高把糖酵解的中间产物转
换为谷氨酸、丙氨酸等生理代谢的适应性变化来适
应低氧逆境,从而减轻低氧对植株的伤害[2] . 黄瓜
在低氧胁迫下体内氨基酸代谢旺盛,氨基酸大量积
累,游离氨基酸的形成有利于提高植株的耐低氧能
力[23] .进一步研究证明,低氧胁迫下细胞质酸化和
较低 ATP水平加速了蛋白质的降解,诱导细胞内游
离氨基酸含量提高,对提高低氧胁迫逆境发挥重要
的作用[28] . ALT催化的可逆反应促使谷氨酸和丙酮
酸氨基转移形成 琢鄄酮戊二酸和丙氨酸,可维持低氧
胁迫下的碳、氮平衡[29] . 本研究表明,低氧胁迫下
ALT、ASP活性在整个处理过程中均显著提高,同时
丙酮酸、Ala和 Asp含量均显著增加;外源 GABA 处
理降低了根系 ALT、ASP活性和 Ala、Asp 含量,尤其
是丙酮酸含量显著低于对照;而同时添加 VGB 处理
可维持较高的 ALT、ASP 活性和丙酮酸含量,但是
Ala含量较低. 表明低氧胁迫下氨基酸的提高主要
来源于蛋白质的降解,而外源添加 GABA 处理降低
了体内可溶性蛋白的降解,主要通过促进谷氨酸向
其他氨基酸的合成和转化,进而调节体内游离氨基
酸的含量;低氧胁迫下同时添加 GABA和 VGB处理
后,通过抑制 GABA 转氨酶活性,抑制了丙酮酸向
丙氨酸的转化,证明 GABA 缓解低氧胁迫对甜瓜的
伤害与体内氨基酸代谢有密切联系.
综上所述,低氧胁迫下外源 GABA 处理后,根
系内源 GABA和 Glu含量显著提高,而 GAD、GDH、
GOGAT、GS、ALT、ASP 活性和丙酮酸、Ala 含量降
低,琢鄄酮戊二酸和 Asp 含量有所提高,表明外源
GABA处理可诱导植物体内 GABA 含量的提高,通
过反馈抑制 GAD活性维持较高的 Glu 含量,通过降
低根系 琢鄄酮戊二酸含量以及 GS / GOGAT循环水平,
维持碳、氮代谢平衡,并通过促进谷氨酸向其他氨基
酸的合成和转化,进而调节体内游离氨基酸的含量,
最终缓解低氧胁迫对甜瓜幼苗的伤害.
参考文献
[1] 摇 Guo S鄄R (郭世荣). Soilless Culture. Beijing: China
Agriculture Press, 2003 (in Chinese)
[2]摇 Gao HB, Jia YX, Guo SH, et al. Exogenous calcium
affects nitrogen metabolism in root鄄zone hypoxia鄄stressed
muskmelon roots and enhances short鄄term hypoxia toler鄄
ance. Journal of Plant Physiology, 2011, 168: 1217-
1225
[3]摇 Bouche N, Fromm H. GABA in plants: Just a metabo鄄
lite. Trends in Plant Science, 2004, 9: 110-115
[4]摇 Song H鄄M (宋红苗), Tao Y鄄Z (陶跃之), Wang H鄄Z
(王慧中), et al. Synthetic metabolism of GABA and
biological functions in plants. Journal of Zhejiang Agri鄄
cultural Sciences (浙江农业科学), 2010 (2): 225 -
229 (in Chinese)
[5]摇 Fait A, Fromm H, Walter D, et al. Highway or byway:
The metabolic role of the GABA shunt in plants. Trends
in Plant Science, 2008, 13: 14-19
[6]摇 Deleua C, Faes P, Niogret MF, et al. Effects of the
inhibitor of the 酌鄄aminobutyrate鄄transaminase, vinyl鄄酌鄄
aminobutyrate, on development and nitrogen metabolism
in Brassica napus seedlings. Plant Physiology and Bio鄄
chemistry, 2013, 64: 60-69
[7]摇 Mazzucotelli E, Tertari A, Cattivelli L, et al. Metabo鄄
lism of gamma鄄aminobutyric acid during cold acclima鄄
tion and freezing and its relationship to frost tolerance in
barley and wheat. Journal of Experimental Botany,
2006, 57: 3755-3766
[8]摇 Palanivelu R, Brass L, Edlund AF, et al. Pollen tube
growth and guidance is regulated by POP2, an Arabidop鄄
sis gene that controls GABA levels. Cell, 2003, 114:
47-59
[9]摇 Xia Q鄄P (夏庆平), Gao H鄄B (高洪波), Li J鄄R (李
敬蕊). Effects of 酌鄄aminobutyric acid on the photosyn鄄
thesis and chlorophyll fluorescence parameters of musk鄄
melon seedlings under hypoxia stress. Chinese Journal
of Applied Ecology (应用生态学报), 2011, 22(4):
71027 期摇 摇 摇 摇 王春燕等: 外源 酌鄄氨基丁酸(GABA)对低氧胁迫下甜瓜幼苗根系 GABA代谢及氨基酸含量的影响摇
999-1006 (in Chinese)
[10]摇 Fan L鄄Q (范龙泉), Yang L鄄W (杨丽文), Gao H鄄B
(高洪波), et al. Effects of exogenous 酌鄄aminobutyric
acid on polyamine metabolism of melon seedlings under
hypoxia stress. Chinese Journal of Applied Ecology (应
用生态学报), 2012, 23 (6): 1599 - 1606 ( in Chi鄄
nese)
[11]摇 Meng X鄄Y (孟祥勇), Zhang H (张 摇 晖), Tao G鄄J
(陶冠军), et al. Determination of 酌鄄aminobutyric acid
in germinated brown rice by RP鄄HPLC. Cereal and Feed
Industry (粮食与饲料工业), 2008(12): 41-42 ( in
Chinese)
[12]摇 Mustroph A, Albrecht G. Tolerance of crop plants to oxy鄄
gen deficiency stress: Fermentative activity and photosyn鄄
thetic capacity of entire seedlings under hypoxia and an鄄
oxia. Physiologia Plantarum, 2003, 117: 508-520
[13] 摇 Hodges M. Enzyme redundancy and the importance of
2鄄oxoglutarate in plant ammonium assimilation. Journal
of Experimental Botany, 2002, 53: 905-916
[14]摇 Shen L鄄M (沈黎明), Huo C鄄H (霍长河), Mu X鄄M
(穆小民). Determination of alpine mountain black
beans in the activity of glutamic acid decarboxylase
membrane chromatography fluorescence analysis. Plant
Physiology Communications (植物生理学通讯 ),
1996, 32(2): 135-137 (in Chinese)
[15]摇 Balestrasse KB, Benavides MP, Gallego SM, et al.
Effect of cadmium stress on nitrogen metabolism in nod鄄
ules and roots of soybean plants. Functional Plant Biol鄄
ogy, 2003, 30: 57-64
[16]摇 Wang L, Zhou Q, Ding L, et al. Effect of cadmium tox鄄
icity on nitrogen metabolism in leaves of Solanum nig鄄
rum L. as a newly found cadmium hyperaccumulator.
Journal of Hazardous Materials, 2008, 154: 818-825
[17]摇 Murray DR. Changes in activities of enzymes of nitrogen
metabolism in seedcoats and cotyledons during embryo
development in pea seeds. Plant Physiology, 1980, 66:
782-786
[18] 摇 Sauter M. Root responses to flooding. Current Opinion
in Plant Biology, 2013, 16: 282-286
[19]摇 Shelp BJ, Mullen RT, Waller JC. Compartmentation of
GABA metabolism raises intriguing questions. Trends in
Plant Science, 2012, 17: 57-59
[20]摇 Breitkreuz KE, Allan WL, Van Cauwenberghe OR, et
al. A novel gamma鄄hydroxybutyrate dehydrogenase:
Identification and expression of an Arabidopsis cDNA
and potential role under oxygen deficiency. Journal of
Biological Chemistry, 2003, 78: 41552-41556
[21]摇 Crawford LA, Bown AW, Breitkreuz KE, et al. The
synthesis of 酌鄄aminobutyric acid in response to treat鄄
ments reducing cytosolic pH. Plant Physiology, 1994,
104: 865-871
[22]摇 Song S鄄L (宋锁玲), Li J鄄R (李敬蕊), Gao H鄄B (高
洪波), et al. Effects of exogenous 酌鄄aminobutyric acid
on inorganic nitrogen metabolism and mineral elements
contents of melon seedling under hypoxia stress. Acta
Horticulturae Sinica (园艺学报), 2012, 39(4): 695-
704 (in Chinese)
[23]摇 Kang Y鄄Y (康云艳), Guo S鄄R (郭世荣), Duan J鄄J
(段九菊). Effects of root zone hypoxia on respiratory
metabolism of cucumber seedlings roots. Chinese Jour鄄
nal of Applied Ecology (应用生态学报), 2008, 19
(3): 583-587 (in Chinese)
[24]摇 Bao S鄄Y (鲍世颖), Yuan Y鄄Z (袁永泽), Zhao S鄄P
(赵世鹏), et al. Effects of alpha ketoglutarate on rice
root carbon and nitrogen metabolism key enzyme activi鄄
ty. Wuhan University Journal (武汉大学学报), 2006,
52(6): 763-766 (in Chinese)
[25]摇 Masclaux鄄Daubresse C, Daniel鄄Vedele F, Dechorgnat J,
et al. Nitrogen uptake, assimilation and remobilization
in plants: Challenges for sustainable and productive
agriculture. Annals of Botany, 2010, 105: 1141-1157
[26] 摇 Sauter M. Root responses to flooding. Current Opinion
in Plant Biology, 2013, 16: 282-286
[27]摇 Stoimenova M, Hnsch R, Mendel R, et al. The role of
nitrate reduction in the anoxic metabolism of roots. 玉.
Characterization of root morphology and normoxic metab鄄
olism of wild type tobacco and a transformant lacking
root nitrate reductase. Plant and Soil, 2003, 235:
145-153
[28]摇 Horchani F, Aschi鄄Smiti S. Prolonged root hypoxia
effects on enzymes involved in nitrogen assimilation
pathway in tomato plants. Plant Signal and Behavior,
2010, 5: 1583-1589
[29]摇 Rocha M, Licausi F, Araujo WL, et al. Glycolysis and
the tricarboxylic acid cycle are linked by alanine amin鄄
otransferase during hypoxia induced by waterlogging of
Lotus japonicus. Plant Physiology, 2010, 152: 1501 -
1513
作者简介摇 王春燕,女,1985 年生,硕士研究生.主要从事设
施蔬菜逆境生理生态研究. E鄄mail: wangchunyan321@ 126.
com
责任编辑摇 张凤丽
8102 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷