全 文 ：园 艺 学 报 2004，31(3)：321—326
Acta Horticulturae Sinica
5一氨基乙酰丙酸对弱光下甜瓜幼苗光合作用和抗
冷性的促进效应
汪良驹 姜卫兵 黄保健
(南京农业大学园艺学院，南京 210095)
摘 要：5一氨基乙酰丙酸 (ALA)10 mg·L 处理能够明显提高弱光下生长的甜瓜幼苗叶片净光合速
率 (Pn)，而低温胁迫明显降低甜瓜幼苗叶片光合能力。经ALA处理过的甜瓜幼苗光合表观量子效率、羧
化效率、气孔开度、叶片叶绿素 (特别是叶绿素b)和可溶性糖含量均显著增加。在ALA处理3 d之后，
将幼苗转移到8℃低温条件下4 h，对照叶片光合能力基本丧失，而ALA处理叶片仍能维持一定的光合能
力，并在20 h内基本恢复至对照水平。若幼苗在低温下处理6 h，对照植株完全死亡，而ALA预处理植株
仅出现少量伤害症状。本研究结果表明，ALA处理可以提高植物耐弱光性和抗冷性。
关键词：5一氨基乙酰丙酸；低温胁迫；弱光胁迫；甜瓜；光合作用；抗逆性
中图分类号：S 652 文献标识码：A 文章编号：0513．353X(2004)03-0321-06
Promotion of Photosynthesis by 5-Aminolevulinic Acid(ALA)during and
after Chilling Stress in Melon Seedlings Grown under Low Light Condition
Wang Liangju，Jiang Weibing，and Huang Baojian
(Colege ofHorticulture，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China)
Abstract：Irigation with exogenous 5-aminolevulinic acid (ALA) signifcantly promoted leaf net
photosynthetic rate(Pn)of melon(Cucumis melo L．‘Ximiya 1’)seedlings grown under low light irradia—
tion．as wel as the plants treated by 8℃ chilling stress． The leaves of the plants treated with 10 mg·L
ALA solutions showed hi gher apparent quantum yield(AQY)，carboxylation eficiency(CE)，chlorophyl
(especialy chlorophyl b)content，dark respiration and bigger stomata aperture but lower respiration under
light．Furthermore．after seedlings were transferred to 8℃ chilling for 4 hours and then recovered at 25—
30~C for 2 hours，the photosynthesis of the control leaves was only 12％ 一18％ of that before chiling
． while
that in the ALA-pretreated leaf was 22％ 一38％ ．which would further recovered in 20 hours to 76％ 一101％
of the control before chilling treatment． If the seedlings were chiled for 6 hours．the control plants al died
while the ALA—pretreated ones only showed a few injury symptoms in the leaf margin．The analysis also
showed that the soluble sugar content of leaves in ALA—pretreated plants Was very significantly higher than that
of control，which might be partly responsible for the higher chiling tolerance．The evidence presented here
sugested that ALA treatment might promote low light tolerance and chilling tolerance of plants．
Key words：5-Aminolevulinic acid( A)；Chiling；Low light；Melon；Photosynthesis；Stress tolerance
5一氨基乙酰丙酸 (ALA)是生物体内卟啉化合物生物合成的关键前体，以前对其作为叶绿素或
亚铁血红素生物合成的一部分开展了大量的研究工作 ¨。近年来发现其在高浓度条件下可以作为农
田除莠剂 ，低浓度时能够调节植物生长发育，促进作物增产 ，提高抗冷性 引、耐盐性 ，并被
认为是一种新的具有多种生理功能的内源生长调节物质 引。但是 ALA能否提高植物耐弱光性迄今在
收稿日期：2003-05—19；修回日期：2003—07—18
基金项目：国家教育部出国留学人员基金资助项目 (G200214)
维普资讯 http://www.cqvip.com
322 园 艺 学 报 31卷
国际上尚未见报道 ，AL 提高植物抗逆性的生理机制也未得到阐述。本文首次报道了低浓度 AL
处理可以增强弱光条件下甜瓜叶片的光合作用，降低光下呼吸，促进营养生长，同时还证实外源
ALA能极显著提高植物耐低温胁迫能力。这一结果可以为抗低温耐弱光农业生产提供新的理论依据。
1 材料与方法
1．1 材料
甜瓜 (Cucumis melo L．)品种 ‘西蜜亚一号’，将种子平铺于加有两张滤纸的培养皿中，加入一
定量的水，于30℃暗培养，3 d后黄化苗长至3 cm左右。选择大小一致的幼苗移植于填有干净河砂
的纸杯中，每杯 3株，培养于光强为 150 I~mol·Il～·S 的生态培养箱内，昼夜温度为30~C／25℃，
光照时间为 12 h，每天用1／2 Hoagland营养液浇灌。待幼苗第4片叶完全展开以后开始进行试验处
理。
1．2 处理
1．2．1 AL 处理 在种有幼苗的纸杯中分别加入 10 mg·L ALA溶液 (预先用 0．01 mol·L
NaOH溶液调至中性pH)，每杯 10 mL，重复5次。对照纸杯加入同样量的蒸馏水，2 h后再浇 1／2
Hoagland营养液，以后每天均浇灌营养液，3 d后测定光合速率并进行低温处理。
1．2．2 低温处理 在AL 处理后的第4天光培养结束以后，将幼苗转移到8℃冰箱 (黑暗)中，然
后分别于2 h、4 h和6 h后取出，重新回到培养箱中。其中，低温处理2 h的植株因对照与AL 处理
间没有明显差异而未做进一步分析；低温处理6 h的6株对照幼苗因叶片已完全呈水渍状，而AL 处
理植株则几乎完好无损， 故而直接拍照；只有低温处理4 h的植株分别在常温条件下恢复2 h和20 h
后测定光合速率，以探讨低温胁迫对光合速率的影响以及低温后光合性能的恢复能力。
1．2．3 生理指标测定 光合参数测定 所用仪器为英国产CIRAS-1便携式光合仪。利用该仪器可以
在测定Pn值的同时得到大气CO 浓度 (ca)、细胞间隙CO 浓度 (Ci)、叶片蒸腾速率 (Tr)、气孔
导度 (Gs)等参数，还能人为调节入射光强 (PFD)或定量供应CO ，测定出表观量子效率 (AQY)
与羧化效率 (CE)。在低光强且CO 浓度稳定时，Pn与PFD存在以下直线关系：Pn=AQY×PFD—
Rd，其中Rd代表光强为零时的呼吸速率；在低CO 浓度且入射光强稳定时，Pn与Ci浓度存在以下
直线关系：Pn=CE×Ci—R1，其中 代表光下呼吸速率 (即光下光合作用理论值为零时的呼吸速
率)。本试验测定中，叶室温度均控制在25℃。在测定Pn-PFD相关性时，ca为稳定的大气CO (约
370 trL·L )，入射光强分别为0、25、50、75、100、125、150和200 I~mol·m～·s～，求出Pn—
PFD直线的斜率与截距，分别表示叶片的 AQY和 Rd。在测定 Pn-ci相关性时，入射光强为 1000
mol·m～·S。。，ci分别为25、50、75、100、125、150和200 trL·L～，求出Pn-ci直线的斜率与
截距，分别表示叶片的cE和 。以上光合参数测定至少重复3次。
叶片叶绿素含量用 Arnon法提取测定 J，可溶性糖含量用蒽酮法测定 引¨。所有测定均重复3次
以上，并进行方差分析与Duncan氏显著性测验。
1．2．d 气孔开度观察 参照 Reynolds法¨¨ 进行。当幼苗经 10 mg·L ALA处理3 d后，用锋利的
小刀片切下植株顶端第一张叶片，并将主脉两侧的叶肉切成5 mm×5 mm左右的组织块，迅速投入到
4％戊二醛溶液中固定12 h，经0．1 mmol·L 磷酸缓冲液清洗后，转入 1％锇酸中后固定4 h，经乙
醇系列脱水和醋酸异戊酯置换后喷金，在 SEM-505 Philips扫描电镜上观察拍照。
2 结果与分析
2．1 甜瓜幼苗不同叶位叶片净光合速率以及外源ALA的处理效应
图1列出的是甜瓜幼苗由基部数第 1～4片叶净光合速率 (Pn)对入射光强 (PFD)的响应曲线
以及ALA的处理效应。从图1，A可以看出，Pn随着PFD的提高而迅速提高，大约在PFD达到4O0
维普资讯 http://www.cqvip.com
3期 汪良驹等：5一氨基乙酰丙酸对弱光下甜瓜幼苗光合作用和抗冷性的促进效应 323
m0l·m～·s 后Pn趋于饱和，约为8 m0l·m～·s～。第3、2、1片叶均依次低于第4片叶。该
组数据揭示，甜瓜是一种喜光性相当强的植物，当其生长在光照较弱的环境条件下，叶片光合性能随
着光强的下降而显著下降。
ALA处理极显著提高甜瓜幼苗不同叶位叶片的Pn(图1，B)。当光强为 1000 m0l·m～·s
时，ALA处理植株第 1—4叶片的Pn分别为对照叶片的243％、209％、198％和 126％，表明ALA处
理明显提高甜瓜叶片的光合性能，而且随着叶位的降低，提高的幅度增加。在外源ALA处理后 15 d
取样调查结果显示，ALA处理植株干质量比对照高17．38％，说明ALA处理明显促进了弱光下甜瓜
幼苗营养生长和干物质积累。
二．、
。
争
百
里
一
一 ：、 阜百里
一
． ：篆 ndleaf B ●第3叶3reaf
4
．
1] "
— ◆．一 二—I|_—H ，
／ 一-
一
200 400 600 800 100012001400 16
I
光量子通量密度 PFD f gmol·m 2．s
图1 ALA 10 mg／L处理对甜瓜幼苗不同叶位叶片净光合速率 (Pn J的影响
A：对照，B：10 mg·L．1 ALA处理
Fig．1 Efect of10 mg·L ALA treatment on net photosynthetic rates(Ph)in diferent leaves ofmelon seedlin~
A：Control，B：10 mg·L一 ALA treatment
2．2 ALA处理对甜瓜幼苗表观量子效率及羧化
效率的影响
从表1中看出，生长于弱光条件下的甜瓜叶
片表观量子效率和羧化效率均随着叶位的上升而
上升，说明处于弱光下的叶片捕获光子以及固定
CO 的能力随着叶龄增加而逐渐退化。ALA处理
显著提高这两项光合指标，说明缓解了叶片光能
利用率和CO：固定能力的退化。从不同叶位AQY
和CE值差异分析结果看，ALA处理提高AQY值
的效应只有第3叶和第4叶达到了显著水平，而显
著提高CE值的效应在所有叶片都观察到。因而，
ALA处理促进叶片CO：固定的效应更具普遍性。
2．3 ALA处理对甜瓜幼苗叶片暗呼吸以及光下
呼吸速率的影响
表2结果表明，ALA处理显著提高叶片暗呼
吸速率，同时降低了光下呼吸速率，其中，ALA
促进暗呼吸的效应主要表现在第 1叶和第2叶上，
而ALA抑制光下呼吸的效应几乎存在于所有叶片
中。由于CO 的固定和光呼吸放氧均由RuBP羧
化加氧酶催化，甜瓜叶片光下呼吸速率下降与羧
化效率提高 (表1)是一致的。
表1 AIA处理对甜瓜叶片光合作用表观量子效率
与羧化效率的影响
Table 1 The efect ofALA treatment on apparent quantmn
eficiency and carboxylaflon eficiency of melon leaves
表2 ALA处理对甜瓜幼苗叶片暗呼吸及光下呼吸速率的影响
Table 2 The efectof ALA treatments onthe dark r~piration
and respiration under light of melon leaves
处理
． 1k Itment
position
暗呼吸速率 光下呼吸速率
Respiration rate Respiration under light
(O ·m ·s )(0O Il ·m～·s )
维普资讯 http://www.cqvip.com
324 3I卷
2．4 ALA处理对甜瓜叶片叶绿素含量、气孔导 表3
度及蒸腾速率的影响 ‘
外源ALA处理明显提高甜瓜叶片叶绿素含量
(表3) 无论其叶位如何，经ALA处理后的甜瓜
叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量以及叶绿索
b与叶绿素a的比值均高于对照，尽管其中有些
达到显著水平，有的未达到，但是这一趋势是相
当明显的 其中值得注意的是，ALA处理导致
Chl b／a比值增大，因而有利于植株叶片在弱光条
件下捕获光能，促进光合速率的提高：
另一方面，AL^ 处理对光合作用的促进效应
与其促使气孔导度增加有关÷表4结果表明，_Al_A
处理过的甜瓜幼苗叶片气孔导度极显著高于对照，
外源A1．^处理对甜瓜幼苗叶片叶绿素含量的影响
The efect 0f exogenous ALA on chlorophyn 『Chl-
content ofmelon leaves t E·E‘ FM
因而细胞间隙CO 浓度以及叶片蒸腾速率也极显
著高于对照 从扫描电镜照片上可以直接看出，ALA处理叶片气孔开度约比对照大一倍 (图2)
表4 ALA处理对甜瓜叶片气 L导度、细胞间隙CO 浓度、蒸腾速率和可藩性糖含量的影响
Table 4 2*be efects of AI A tre~atment lIⅡthe s~omatal conductance-intereelar 00z~noenZration and
transpiration rate and~)luble sugar content of melon leaves
围2 ALA 10 mg·L 处理 【右l与对照 (左}叶片气孔开度比较 (x3700】
Fig．2 Comparison 0f stomata aperture of melon leaves between L^A treatment c rtght】and control f left
2．5 低温处理对甜瓜叶片光合性能的伤害以及ALA预处理的保护效应
甜瓜幼苗在低温中胁迫4 h，在常温和高光 c 10430 m ·i]3～·s PFD)条件下恢复2 h．对不
同叶位叶片Pn的测定结果表明，低温胁迫显著降低了叶片的Pn，而ALA预处理可以减轻低温的抑
制效应 (图3，A)。如果以未经低温处理的对照叶片Pn为100％计算，则低温处理后叶片Pn降低至
12％～18％，而经ALA预处理植株叶片Pn为22％～38％。
维普资讯 http://www.cqvip.com
3湖 汪良 普：5一氰基￡酰fq醣对鲥光 F川％幼苗光音怍用和} 冷性的促进效懂 j
j
。
f i e po l0n
目3 经8 c低 4 h的 Ⅲ 苗在 中院复2“cA】 20 h I B)后叶片净光 遵$差
Yig 3 The I ⋯ r nel pl圳I “I’ sin r 帅 I v r 80 ehilli~ r 4 h a_1d r∞0 H) r 2 h fA) ∞h fB
兰j低温处理过的甜瓜 J曲转移刮f1．忠培养箱 (30~：／25 t：)中2()h唇．对照Il片 渣只回升至
初始值的37％～47％．而经AI A施处 埴株叶片lJ¨已经恢复巧对照的76％一1o0％ ( 3B)，表叫
4 h骶} 酏迫对于 ^砸处理谊铢来说是 种 I逆性伤 而对 植侏m观r不司逆性伤害
直¨ 甜瓜幼茼任8 每件下世 6 I1．对照谴
株叶片完 失水旱水渍状，而经 AI A⋯ -¨E·f
预处理的植株从外观上看仅有少数⋯片出现1缘
失水眷曲症状 (围4)．硅 ALA能明显提高植
物机冷性
2．6 ALA处理植株叶片可溶性糖含量
出去4可见 甜瓜幼苗靠近整部的u 片可倍
惟牯 世较岛，而顶部【_I片棚 I『较低 A1^ 10
mg·i 处理槠株叶片可溶 槠 量撅显瞢高于
对照叶片 推测羟 ALA预处理甜瓜植株耐冷 显
著提高可能与其Pn以及细胞渗透溶质显 噌加仃
关
3 讨论
甜瓜是喜光性很掘的植物 住光照 足条什
l ．其下 叶片将逐渐失绿黄化．部分枯萎北I ’
术研究结累丧叫．生长 。光照不足条什 F的甜瓜
幼苗叶片光合能 随着叶他的下降而-B谴下降
(图1) 进一步，}析表叫．这 现象 蕻丧舰量
目4 ＆ST低 处理6 h甜m 的伤害症#
t： 10 r qg L AI^ 踬址理． 量”『牛 f境*水
： “ ， ± 水
Fig 4 c叫I||lE s3nmptm of唧 IoD plma~ n s ℃
l fo 6 h
h,fl ⋯ I’ I Hl hyIO 1 AI、 andlh r
~Ol[rol w ~(mlph：lely‘| ⋯I rated 《righl⋯ )
子效率．援化效率 (曩1) 叶绿采 量 f丧3) 硬气孔导度 ( 4)等逐渐降低和光下 手¨啦建率
卜升 (表2)有监 j外．试验适观察到叶片暗呼吸速率 ( 21电随着n 伸的下降 下降，嶙， 着
口 片新陈代谢活性F降
外滞A 处理促进植物 台 J=}】的散也是明 的 已有报道皿示． L^A处理能促进螺旋藻
(却indina platefuls)藻青蛋白 叶绿寨台成 导致 l与I Ⅱ活性与细胞放氧活性的提高．促进细
咆生K 巾于ALA屉叶绿豢 物合成的关键前体 ‘ 敞外源ALA处理会促进植物叶绿索台成
Hotu等 提出．ALA f}仃垌节Ⅱ}_绿索合成的作用 Tmmk~等 提出．A1．A处习i司诱导产生充足
的叶绿素n，因而有利于转『七成叶绿素I1．后者与J IIC I脱辅基蛋向结合．可以避开水解酶的影响而
起 I稳定蛋[』结悔的作嗣 本研究观察到 L^^ 处理提商甜l~+tl 片叶绿素舍蜒，并增加叶绿隶
T自||j a| 重
～血 艘 辫一
． 一
L
～ 撼血L
维普资讯 http://www.cqvip.com
326 园 艺 学 报 31卷
b／a的比值 (表3)。这对于弱光条件下提高植物捕获光能能力有重要意义。
全光照条件下，低浓度ALA处理可以明显提高萝 卜、菜豆、大麦、马铃薯和大蒜等作物产量，
其中萝 卜产量提高可能与 ALA促进光合作用、降低暗呼吸有关 引¨。本文结果表明，在弱光条件下
ALA不仅可以提高甜瓜叶片的净光合速率 (图1)，而且还提高了表观量子效率、羧化效率 (表1)，
增加气孔开度 (表4、图2)和细胞间隙cO 浓度 (表4)。然而，对暗呼吸的测定结果与Hota等 ¨
相反，而与白菜种子萌发试验结果相似。至于ALA促进甜瓜叶片气孔导度增加 (表4、图2)和降低
光下呼吸速率 (表2)的原因还需进一步研究。
有研究表明，低温胁迫抑制玉米和松树叶片内源 ALA生物合成 ¨ ，而外源ALA处理可以提高
水稻幼苗抗冷性 j。本文中，ALA处理不仅可以避免低温胁迫对甜瓜幼苗光合性能的不可逆性伤害
(图3)，提高植株的抗冷性 (图4)，而且可能与其促进叶片中可溶性糖积累有关 (表4)。当然，植
物抗冷性的提高是相当复杂的生理过程，可溶性糖含量增加只是其中一部分。令人感兴趣是，不知
ALA是否能够象 ABA等植物激素那样通过诱导植物抗冷基因表达 ¨。尽管如此，由于ALA能够明
显促进弱光下甜瓜叶片光合作用，并增强植株抗冷性，目前我国设施栽培甜瓜面积已达7万hm 以
上，多数都受到低温弱光等环境胁迫，因而这项研究工作对于今后设施园艺生产实践可能具有重要的
现实意义。
参考文献：
1 yon Wettstein D，Cough S，Kananagara C G． Chlorophyll biosynthesis．Plant Cell，1995，7：1039～1057
2 Kumar A M．Chaturvedi S，S6l D．Selective inhibition of HEMA gene expression by photooxidation in Arabidopsis thaliana．Phytochem．，
l999．51：847～851
3 Hota Y，Tanaka T，Takaoka H，et a1．New physiological efects of5-aminolevulinic acid in plants：the increase ofphotosynthesis，chloro~
phyl content，and plant growth．Biosci．Biotech．Biochem．，1997，61：2025～2028
4 Hota Y，Tanaka T，Bingshan L，et a1．Improvement of cold resistance in rice seedlings by 5-aminolevulinic acid．J．Pest Sci．，1998，
23：29～33
5 Watanabe K，Tanaka T，Hota Y，et a1．Improving salt tolerance of coton seedlings with 5-aminolevulinic acid．Plant Growth ReX．，
2000，32：99～103
6 Bindu R C，Vivekanandan M．Hormonal activites of 5-aminolevulinic acid in calus induction and micmpmpagation．Plant Growth ReX．，
1998，26：15～18
7 汪良驹，姜卫兵，章 镇，等．5一氨基乙酰丙酸的生物合成和生理活性及其在农业中的潜在应用．植物生理学通讯，2003，39
(3)：185～192
8 许大全．叶片光合速率的测定．见：中国科学院上海植物生理研究所，上海市植物生理学会编．现代植物生理学实验指南．北
京：科学出版社．1999．83～95
9 Amon D I． Copper enzymes in isolated chloroplast：polyphenoloxidase in Beta vulgaris． Plant Physio1．，1949，24：1～l5
l0 西北农业大学主编．基础植物生物化学实验指导．西安：陕西科技出版社，1986．55～56
1 1 Reynolds E S．The use of lead citrate at hig}1 pH as an electron opaque stain in electron microscope．Cel Bio1．，1963，17：208～212
12 Sasaki K，Marquez F J，Nishio N，et a1．Promofive efects of5-aminolevulinic acid on the growth and photosynthesis ofSpirulinaplatensis．
J．Ferm．Bioeng．，1995，79：453～457
1 3 Tanaka Y，Tanaka A，Tsuji H．Efects of 5-aminolevulinic acid on the accumulation of chlorophyl b and apopmteins of the light—harvesting
chlorophyl a／b—protein complex of photosystem 1I．Plant Cel Physio1．，1993，34：465~472
14 Hota Y，Tanaka H，Takaoka Y，et a1．Promotive efects of 5-aminolevulinic acid on the yield of several crops．Plant Growth ReX．，
1997，22：109～114
15 Hodgins R R，van Huystee R B．Porph n metabolism in chil stressed maize(Zea rnays L．)J．Plant Physio1．，1986，125：325～336
16 Hodgins R R，Oquist G．Porphyrin metabohsm in chili—stressed seedlings of Scots pine(Pinus syl~stris)．Physio1．Plant，1989，77：
620～624
17 Anderson M D，Prasad T K，Martin B A，et a1．Diferential gene expression in chiling—acclimated maize seedlings and e~denee for the in—
volvement of abscisic acid in chiling tolerance． Plant Physio1．．1994，105：331～339
维普资讯 http://www.cqvip.com