科研前線丨2-氨基-3甲基己酸保護茶樹生理活性免受高溫損害

[科研前線│Handy PEA] 天然植物誘導劑2-氨基-3-甲基己酸保護茶樹的生理活性免受高溫損害

　　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，極端天氣發生次數逐漸增加，對植物生長和農業生產造成不可逆損害。中國茶葉栽培歷史悠久，但夏季極端高溫發生頻率的增加已成為影響我國茶葉生產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劑。南京農業大學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。研究結果“Natural plant inducer 2-Amino-3-Methylhexanoic acid protects physiological activity against high-temperature damage to tea (Camellia sinensis)”發表在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到45.1℃（圖1A）。在持續暴露于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出嚴重的頭部新枝下垂，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曲線的熒光產額均高于對照處理的茶樹?？梢钥闯?，外源AMHA的施用緩解了高溫對茶樹熒光上升動力學的負面影響。為了獲得比原始熒光動力學更詳細的信息，將OJIP曲線進行雙重歸一化，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負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)線性時間標尺中的差異動力學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）。

　　為了進一步量化O-K階段，將OJIP曲線在F_O和F_K進行雙重標準化，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）進行進一步定量。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內各結構之間的連接性，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)線性時間標尺中的差異動力學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）之間進行的雙重歸一化結果。在AMHA處理中，茶樹均出現了明顯的ΔW_OJ負K峰。AMHA對K峰的影響從第3天到第14天逐漸減弱。參數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放氧復合體OEC的破壞。

　　圖5 AMHA施用對大田茶樹選定的JIP test參數的影響AMHA處理中，每個激發葉片橫截面的現象學能量通量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也導致RC/CS_M顯著增加（圖5C）。從圖5D中的數據可以看出，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電子傳遞的量子產率（φ_Eo）（圖5 E）。如圖5F所示，AMHA導致Q_A^-降低中心的值顯著升高。AMHA增加了活性OEC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K峰的結果（圖4）并結合圖5的熒光參數比較，可以看出外源AMHA的施用明顯減輕了大田茶樹活性OEC中心的高溫傷害。

　　圖6 PI_ABS與ΔW_L、ΔW_K和φ_Eo的線性相關性分析

　　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測試參數的關系。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之間觀察到高度負相關，PI_ABS與φ_Eo之間觀察到顯著正相關。這表明高溫下AMHA處理PSII整體活性的上調主要是由于PSII和OEC狀態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誘導茶樹對HT抗性的生理機制模型。

　　研究人員將本試驗的發現整合為AMHA誘導茶樹對高溫抗性的生理機制模型（圖7），并作出如下總結：高溫破壞光合機構，產生過量的活性氧，引起氧化膜損傷，導致滲透壓失衡，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。這些發現將有助于AMHA作為新型植物誘抗劑的開發與應用。