[科研前線│Handy PEA] 天然植物誘導(dǎo)劑2-氨基-3-甲基己酸保護(hù)茶樹的生理活性免受高溫?fù)p害

　　眾所周知，高溫（HT）是影響植物生理過程的最重要的限制因素之一。近年來隨著全球氣候變暖，極端天氣發(fā)生次數(shù)逐漸增加，對植物生長和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不可逆損害。中國茶葉栽培歷史悠久，但夏季極端高溫發(fā)生頻率的增加已成為影響我國茶葉生產(chǎn)的重要限制因素之一。

　　2-氨基-3-甲基己酸（AMHA）是一種獨特的天然植物抗高溫脅迫誘導(dǎo)劑。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生科院陳世國團隊以溫敏型茶樹品種“龍井43”為材料，利用英國Hansatech公司生產(chǎn)的Handy PEA植物效率分析儀等儀器，研究了AMHA提高茶樹夏季高溫抗性的田間藥效及其生理機制。研究結(jié)果“Natural plant inducer 2-Amino-3-Methylhexanoic acid protects physiological activity against high-temperature damage to tea (Camellia sinensis)”發(fā)表在Scientia Horticulturae（IF=4.342）雜志上。

圖1 (A)AMHA對大田茶樹表型的影響。(B)在第三次施用不同濃度（10、100和1000nM）的AMHA模擬處理（0.02%Tween-20）10天后，田間茶樹的表型照片。

　　由圖1A可以看出，試驗期間田間平均最高氣溫和實際最高氣溫分別在34℃和40℃以上。在第三次噴霧處理后7天，田間實際最高溫度達(dá)到45.1℃（圖1A）。在持續(xù)暴露于40℃以上的溫度，特別是在8月21日遭受45.1℃的極端高溫后，對照處理實驗田中的許多茶樹表現(xiàn)出嚴(yán)重的頭部新枝下垂，甚至新芽和新葉萎蔫（圖1B）。然而，在10nM AMHA處理的實驗田的一些茶樹中僅觀察到新葉的輕微下垂。用100nM和1000nM AMHA處理的茶樹具有直立的莖和正常的葉（圖1B）。顯然，外源施用極低劑量AMHA可以顯著增強大田茶樹對夏季高溫的抗性。

圖2大田茶樹施用AMHA后葉片OJIP曲線及振幅變化

　　為了研究AMHA在高溫脅迫下提高光合速率的機制，在用不同濃度的誘導(dǎo)物處理后3d、5d、7d、14d測量茶樹的熒光上升OJIP曲線（圖2A）。AHMA處理的茶樹的每條OJIP曲線的熒光產(chǎn)額均高于對照處理的茶樹。可以看出，外源AMHA的施用緩解了高溫對茶樹熒光上升動力學(xué)的負(fù)面影響。為了獲得比原始熒光動力學(xué)更詳細(xì)的信息，將OJIP曲線進(jìn)行雙重歸一化，ΔVt = Vt（處理）- Vt（對照）（圖2B）。AMHA和對照處理之間ΔVt曲線的主要差異是出現(xiàn)負(fù)K峰。在100 nM AMHA下，與其他處理相比，還觀察到較低的J峰（圖2B）。有趣的是，100 nM AMHA比最高濃度的1000 nM AMHA對HT具有更好的保護(hù)作用（圖2B）。

圖3(A)AMHA施用對大田茶樹OJIP曲線L階的影響(A)線性時間標(biāo)尺中的差異動力學(xué)ΔW_OK= W_OK（處理）?W_OK（對照）表示為在OJIP曲線通過F_O和F_K雙重歸一化后顯示L峰，W_OK=（F_t-F_O）/（F_K-F_O）。(B)L階躍處的相對變量熒光與振幅F_J-F_O的比值為W_L=（F_L-F_O）/（F_J-F_O）。(C)W_L的差異為ΔW_L=W_L（處理）- W_L（對照）。

　　為了進(jìn)一步量化O-K階段，將OJIP曲線在F_O和F_K進(jìn)行雙重標(biāo)準(zhǔn)化，使L峰可視化（圖3A）。與對照相比，AMHA在3d、5d、7d時明顯降低了L峰（圖3A）。然而，其對L峰的影響在14d時消失（圖3A），這意味著AMHA對PSII的保護(hù)作用消失。L峰變化的幅度使用W_L=（F_L-F_O）/（F_J-F_O）（圖3B）和差值ΔW_L=W_L（處理）- W_L（對照）（圖3C）進(jìn)行進(jìn)一步定量。AMHA處理的茶樹在3d、5d、7d時的W_L和ΔW_L值顯著低于對照。W_L和ΔW_L值在3d時下降幅度最大，說明外源AMHA可以提高PSII內(nèi)各結(jié)構(gòu)之間的連接性，從而提高大田茶樹對高溫的抗性。

圖4 AMHA對大田茶樹OJIP曲線K階躍的影響(A)線性時間標(biāo)尺中的差異動力學(xué)ΔW_OJ= W_OJ（處理）?W_OJ（對照）表示為在OJIP曲線通過F_O和F_J雙重歸一化后顯示K峰，W_OJ=（F_t-F_O）/（F_J-F_O）。(B)K階躍處相對變量熒光與振幅F_J-F_O的比值，W_K=（F_K-F_O）/（F_J-F_O）。(C)W_K差異為ΔW_K= W_K（處理）-W_K（對照）。

　　圖4A是對茶樹OJIP曲線在O-J（20 μs-2 ms）之間進(jìn)行的雙重歸一化結(jié)果。在AMHA處理中，茶樹均出現(xiàn)了明顯的ΔW_OJ負(fù)K峰。AMHA對K峰的影響從第3天到第14天逐漸減弱。參數(shù)W_K表示K階的相對可變熒光（圖4 B），ΔW_K反映AMHA處理和對照茶樹之間的W_K差異（ΔW_K=W_K（處理）- W_K（對照））（圖4C），用于量化K峰。AMHA處理的茶樹在3d、5d、7d時的W_K和ΔW_K值均顯著低于對照，且隨處理時間的延長而逐漸降低。W_L和ΔW_L值的最大降幅也出現(xiàn)在3d時，W_K和ΔW_K值的顯著下降表明AMHA在施藥后的前7 d能有效緩解高溫對PSII放氧復(fù)合體OEC的破壞。

　　圖5 AMHA施用對大田茶樹選定的JIP test參數(shù)的影響AMHA處理中，每個激發(fā)葉片橫截面的現(xiàn)象學(xué)能量通量ABS/CS_M和TR₀/CS_M相對于模擬值顯示出顯著增加（圖5A-5B）。此外，在整個試驗期間，100 nM AMHA對ABS/CS_M和TR₀/CS_M具有最積極的影響。同樣，AMHA也導(dǎo)致RC/CS_M顯著增加（圖5C）。從圖5D中的數(shù)據(jù)可以看出，AMHA處理和模擬處理的茶樹之間的φ_Po無顯著差異。然而，AMHA能顯著增加高溫下茶樹PSII電子傳遞的量子產(chǎn)率（φ_Eo）（圖5 E）。如圖5F所示，AMHA導(dǎo)致Q_A^-降低中心的值顯著升高。AMHA增加了活性O(shè)EC中心的比例（圖5G）。在3d時，與對照相比，分別增加了9%（10 nM）、15%（100 nM）和11%（1000 nM）?？紤]到負(fù)K峰的結(jié)果（圖4）并結(jié)合圖5的熒光參數(shù)比較，可以看出外源AMHA的施用明顯減輕了大田茶樹活性O(shè)EC中心的高溫傷害。

　　圖6 PI_ABS與ΔW_L、ΔW_K和φ_Eo的線性相關(guān)性分析

　　為闡明AMHA處理提高大田茶樹光合作用的機理，分析了PI_ABS與其他JIP測試參數(shù)的關(guān)系。如圖6所示，在不同濃度AMHA處理的茶樹中，在3d時，PI_ABS與ΔW_L或ΔW_K之間觀察到高度負(fù)相關(guān)，PI_ABS與φ_Eo之間觀察到顯著正相關(guān)。這表明高溫下AMHA處理PSII整體活性的上調(diào)主要是由于PSII和OEC狀態(tài)的能量連接性改善以及PSII電子傳遞效率提高。顯然，AMHA通過提高光合能力幫助大田茶樹抵抗高溫脅迫。

圖7 AMHA誘導(dǎo)茶樹對HT抗性的生理機制模型。

　　研究人員將本試驗的發(fā)現(xiàn)整合為AMHA誘導(dǎo)茶樹對高溫抗性的生理機制模型（圖7），并作出如下總結(jié)：高溫破壞光合機構(gòu)，產(chǎn)生過量的活性氧，引起氧化膜損傷，導(dǎo)致滲透壓失衡，降低光合作用。外源AMHA主要通過提高茶樹光合能力、增強抗氧化酶（POD、CAT和SOD）活性降低MDA含量、增加總氨基酸和可溶性糖含量從而維持滲透平衡、改善光合作用等途徑緩解高溫脅迫對茶樹的生理傷害，最終提高茶樹對高溫脅迫的抗性水平。這些發(fā)現(xiàn)將有助于AMHA作為新型植物誘抗劑的開發(fā)與應(yīng)用。