外源亞精胺對高溫脅迫下生菜氮代謝的影響

余琦隆，韓瑩琰，郝敬虹，秦曉曉，劉超杰，范雙喜

外源亞精胺對高溫脅迫下生菜氮代謝的影響

1北京農(nóng)學院植物科學技術學院，北京 102206；2北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學院，北京 102442

【】在高溫季節(jié)種植的生菜產(chǎn)量和營養(yǎng)品質不佳，而與生菜產(chǎn)量最密切的營養(yǎng)元素是氮。研究外源亞精胺（Spd）在生菜抗高溫脅迫中的氮代謝調控機理，為降低高溫對生菜產(chǎn)生的危害提供保護措施。試驗材料為散葉生菜‘北散生3號’，試驗處理設置常溫對照（晝/夜溫度：22℃/17℃，CK）、高溫脅迫處理（晝/夜溫度：35℃/30℃，H）、高溫噴施Spd處理（HS）。觀察3個不同處理生菜的生長形態(tài)變化，研究生菜根系離子流速、含氮化合物（總氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮）含量、氮代謝關鍵酶活性及基因相對表達水平的變化。此外，分析CK、H和HS處理對生菜葉片游離氨基酸含量的影響。與對照CK相比，生菜生長在H處理受到抑制；與H處理相比，HS處理的生菜總鮮重、總干重、葉長、葉寬、根長、根系體積和根系表面積均有所增加，分別增加了24.00%、24.62%、14.97%、11.83%、23.24%、29.47%和36.98%。CK、H和HS處理的生菜總氮含量變化與生菜的生長趨勢一致。CK、H和HS處理的生菜根系NO3-凈吸收量遠小于NH4+，即生菜根系主要以吸收NH4+為主；H處理使根系NO3-外排而HS處理促進根系NO3-內流。HS處理有效抑制高溫導致的葉片和根系氨態(tài)氮含量的積累。同時，與H處理相比，HS處理增加了葉片和根系的硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）、谷氨酸脫氫酶（GDH）的活性及上調、、、的相對表達水平。與CK相比，H處理的總游離氨基酸（TAA）含量顯著減少（＜0.05）；HS處理緩解了高溫導致的TAA含量減少。處理CK、H和HS之間的鮮味氨基酸（UAA）、甜味氨基酸（SAA）和苦味氨基酸（BAA）的變化趨勢與TAA一致，與其呈相反趨勢的是芳香族氨基酸（AAA）。處理CK、H和HS之間的天冬氨酸（Asp）、蘇氨酸（Thr）、谷氨酸（Glu）、甘氨酸（Gly）、纈氨酸（Val）、賴氨酸（Lys）、組氨酸（His）、精氨酸（Arg）和脯氨酸（Pro）這9種氨基酸與TAA的變化趨勢一致。其中，檢測的游離氨基酸中變異系數(shù)最大的是Arg。高溫噴施Spd處理抑制了高溫導致的生菜生物量積累的降低。與高溫處理相比，高溫噴施Spd處理緩解了高溫脅迫導致的氮代謝紊亂，增加了葉片總游離氨基酸含量和呈味氨基酸中的甜味氨基酸、鮮味氨基酸、苦味氨基酸含量，有效地改善了生菜的耐高溫能力，提升了高溫脅迫下生菜的營養(yǎng)品質。

高溫；生菜；氮代謝；亞精胺；離子流速；氨基酸

0 引言

【研究意義】葉用萵苣（L.）屬于菊科萵苣屬喜冷涼環(huán)境的一年生草本植物[1]，俗名生菜。生菜是北京地區(qū)播種面積最大的葉類蔬菜。每年高溫季節(jié)（5月底至9月初），生菜的營養(yǎng)品質和產(chǎn)量降低[2-3]，導致經(jīng)濟損失。與生菜產(chǎn)量最密切相關的營養(yǎng)元素是氮[4-5]。高溫通常會造成植物氮代謝失衡[6]。研究噴施外源物質以調控高溫脅迫下生菜的氮代謝穩(wěn)態(tài)，對提高生菜的耐高溫能力具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】亞精胺（Spd）是具有生物活性的低分子量脂肪族含氮堿，廣泛分布于生物體內[7-8]。Spd不僅是逆境脅迫下的重要保護物質，而且是參與植物抗逆機制的信號分子。研究發(fā)現(xiàn)，Spd能通過調控氮代謝水平來提高番茄幼苗葉片的耐高溫能力[9]。植物氮元素來源于根系在營養(yǎng)液或土壤中的NH4+和NO3-的吸收[10-11]。研究發(fā)現(xiàn)，根系吸收的NH4+和NO3-凈離子流速影響植物對氮元素的獲取[12-14]。植物吸收獲取的NH4+和NO3-進入氮代謝途徑，即NO3-的代謝還原和NH4+的同化等[15]。NO3-的代謝還原包括NO3-在細胞內通過NR進行一系列反應還原為NH4+。氮的同化是植物吸收NH4+的氨通過GS/GOGAT循環(huán)途徑和/或GDH途徑合成谷氨酸和/或谷氨酰胺，谷氨酸和谷氨酰胺再進一步形成其他氨基酸或酰胺以供植物體利用[15-16]。田婧等[17]研究Spd對高溫脅迫下黃瓜幼苗氮素代謝的影響發(fā)現(xiàn)，短期高溫脅迫下噴施Spd預處理，幼苗體內硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量升高且NR活性增強；較長期高溫脅迫噴施Spd處理，Spd促進根系吸收硝態(tài)氮且向地上部運輸，增強根系和葉片NR活性，抑制銨態(tài)氮過度積累。Shan等[9]研究發(fā)現(xiàn)，外源Spd顯著增加了高溫脅迫下番茄葉片中NR和GDH的活性；與此同時，高溫脅迫下施用Spd顯著上調、、和的轉錄水平?？梢?，外源Spd可能通過調節(jié)含氮化合物、氮代謝關鍵酶的活性及其基因表達來改善氮代謝，從而賦予蔬菜作物（黃瓜和番茄）的耐高溫能力。氮同化代謝過程合成的游離氨基酸不僅是衡量蔬菜作物營養(yǎng)價值的重要指標，還能直接或間接對逆境脅迫做出響應[18-19]。Du等[20]研究發(fā)現(xiàn)，外源Spd能調控黃瓜葉片中游離氨基酸含量的變化，這有助于減輕脅迫的傷害。因此，高溫脅迫下施用Spd可能也引起蔬菜作物中游離氨基酸含量的變化?！颈狙芯壳腥朦c】生菜作為喜積累NO3-的葉類蔬菜，易因處理的變化而影響生菜對氮營養(yǎng)元素的吸收、轉化和代謝[4]。雖然已有關于外源Spd能調控高溫脅迫下黃瓜[17]和番茄[9]氮代謝的研究，也有研究證實高溫脅迫下生菜體內較高水平的Spd含量能增強其耐高溫能力[21-22]，但是外源Spd是如何調控生菜氮元素的吸收、轉化和代謝途徑來影響生菜耐高溫能力和營養(yǎng)品質的變化還未可知?！緮M解決的關鍵問題】本試驗以散葉生菜‘北散生3號’為試材，研究外源Spd對高溫脅迫下生菜幼苗的生長、NH4+和NO3-離子流速、氮代謝和游離氨基酸含量的影響，探明Spd在生菜抗高溫逆境中的氮代謝調控機理。

1 材料與方法

試驗于2020年8月至2021年4月在北京農(nóng)學院蔬菜重點實驗室進行。

1.1 植物材料和處理方法

試驗采用的生菜品種由北京農(nóng)學院生菜研究組提供，為‘北散生3號’。選取顆粒飽滿的生菜種子放于鋪有濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中催芽48 h后，播于1/2—2/3霍格蘭配方的營養(yǎng)液[23]水培育苗托盤中，放于人工氣候箱（GXZ型光照培養(yǎng)箱，中國）中培養(yǎng)，光周期為14 h/10 h，晝夜溫度為22℃/17℃，相對濕度在70%—75%，光照強度為（350±10）μmol·m-2·s-1。待幼苗長至一葉一心時，挑選長勢一致的幼苗移栽至含有霍格蘭營養(yǎng)液的規(guī)格為10 L的水培箱中。移栽適應一周后開始處理，挑選1/3生長狀況相同的生菜幼苗留在人工氣候培養(yǎng)箱中，作為常溫對照。剩下2/3轉移至光周期為14 h/10 h，晝夜溫度為35℃/30℃，相對濕度為70%—75%，光照強度為（350±10）μmol·m-2·s-1的人工氣候培養(yǎng)箱中。后續(xù)處理再將剩下2/3的生菜均分為高溫處理和高溫噴施Spd處理。

植株處理方式是每天上午8：00—9：00對葉片均勻噴施，以葉面和葉背全部濕潤且不下滴為準。經(jīng)過前期試驗發(fā)現(xiàn)，Spd濃度在1 mmol?L-1時，生菜抗高溫脅迫的效果最佳，因此，后續(xù)試驗Spd濃度設置為1 mmol?L-1[24]。Spd于SIGMA公司購買，配置成1 mol?L-1的母液后儲存在4℃冰箱，使用時稀釋成1 mmol?L-1。本試驗共設置3個處理：常溫對照（CK）：晝夜溫度22℃/17℃，噴施純水；高溫脅迫（H）：晝夜溫度35℃/30℃，噴施純水；高溫脅迫噴施Spd（HS）：晝夜溫度35℃/30℃，噴施1 mmol?L-1Spd。每個處理30株，3次重復。

1.2 生長指標測定

處理第8天時，在各個處理中均隨機選取6株生菜，用直尺測定每株生菜的葉長、葉寬和根長。采用根系掃描儀（Expression 12000XL，中國）捕獲根形態(tài)，隨后將捕獲的圖像加載到Imege（WinRHIZO，加拿大）中，進行每株生菜根系形態(tài)的測定（根系體積和根系表面積）。用電子秤稱量每株生菜的總鮮重。之后再將其放置在電熱鼓風干燥箱（BGZ-140型，中國）中，105℃殺青30 min后，75℃烘干至恒重以測定每株生菜的總干重。

1.3 硝態(tài)氮、氨態(tài)氮和總氮含量的測定

硝態(tài)氮含量的測定采用水楊酸法[25]，氨態(tài)氮含量的測定采用靛酚藍比色法[25]。試驗處理第0、2、4、6、8天時，在CK、H和HS處理中均隨機選擇生長一致的生菜，稱取同部位的鮮樣保存于-80℃。用于測定生菜葉片和根系的硝態(tài)氮及氨態(tài)氮含量。

總氮含量的測定采用凱氏定氮法[25]。第0、2、4、6、8天時，在CK、H和HS處理中均各隨機選擇生長一致的生菜，烘干后粉碎至粉狀樣品保存。稱取0.5 g干樣放于消化管，加入1.5 g催化劑（CuSO4·5H2O﹕K2SO4=1﹕9）和10 mL濃硫酸消煮過夜后，用FOSS凱氏定氮儀（Kjeltec 2300型，中國）測量葉片和根系的總氮含量。

1.4 NH4+、NO3-離子流速的測定

利用旭月（北京）科技有限公司的“非損傷微測技術（NMT）”系統(tǒng)（Younger USA LLC，美國）監(jiān)測處理第3天時根表面的凈NH4+和NO3-通量。

從每個處理的植物根系中隨機抽取8根白色細根（直徑約1.0 mm）。將白色細根浸入含有10—20 mL測量溶液（1.0 mmol?L-1NaNO3、1.0 mmol?L-1Ca(NO3)2、1.0 mmol?L-1NH4H2PO4、pH（6.9±0.1））的培養(yǎng)皿中，將其平衡20—30 min，然后轉移到另一個含有測量溶液的培養(yǎng)皿中。以對照中的生菜根系不同位置進行初步試驗以確定出現(xiàn)NH4+和NO3-最大凈通量的位置。在距根尖0.3、0.8、1.5、2.5、3.0和15 mm的區(qū)域內進行初始測量。初步試驗結果確定為距根尖2.5 mm處為凈通量最大的位置，之后進一步測量H和HS處理中根系的NH4+和NO3-凈通量。離子通量的記錄速率為每4 s一次，每個測量點持續(xù)監(jiān)測3 min。去除前期不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，得到穩(wěn)定的NH4+和NO3-流速曲線[14,26]。

1.5 游離氨基酸含量的測定

游離氨基酸含量的測定參考Aurisano等[27]的方法。試驗處理第8天時，在CK、H和HS處理中均隨機選擇生長一致的生菜。稱取新鮮葉片2.50 g，勻漿后加入8 mL 0.1 mol?L-1HCL，定容至10 mL，超聲震蕩30 min，離心（10 000×、4℃、15 min）。取2 mL上清液與2 mL 5%磺基水楊酸暗反應30 min，離心（10 000×、4℃、15 min）。取上清液過0.22 μm微孔濾膜后進L-8800ASM氨基酸分析儀（Hitachi，日本），測定游離氨基酸含量。

1.6 氮代謝相關酶活性的測定

NR活性的測定方法參考H?gberg等[28]的方法；GS活性的測定方法參考Wang等[29]的方法；GOGAT活性的測定方法參考Lin等[30]的方法；GDH活性的測定參考Singh等[31]的方法。試驗處理第0、2、4、6和8天時，在各個處理（CK、H和HS）中均選擇生長一致的生菜，稱取同部位的生菜各0.5 g于-80℃保存，之后用于測定生菜葉片和根系的NR、GS、GOGAT和GDH活性。

1.7 總RNA提取和qRT-PCR分析

處理第8天時，采用qRT-PCR方法分析生菜葉片和根系中、、、和的相對mRNA表達水平。生菜葉片和根的總RNA提取使用華越洋試劑盒（中國）。使用天根反轉錄試劑盒（中國）合成cDNA第一鏈。從NCBI的GenBank庫中分別下載相關基因引物序列。引物設計見表1，以反轉錄的產(chǎn)物cDNA作為模板，進行qRT-PCR分析，作為內參基因。qRT-PCR使用TB Green Premix Ex Taq II (2×) (Tli RNaseH Plus)試劑盒（TaKaRa，日本），在CFX96 Real-Time PCR Detection System儀器（Bio-Rad Laboratories，美國）進行試驗。基因表達變化倍數(shù)分析使用2-△△CT進行計算，相對mRNA表達水平用進行標準化。所有處理設定3次生物學重復。

1.8 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS（version 26，美國）和WPS 2019（中國）進行方差和顯著性分析（＜0.05）。

2 結果

2.1 外源Spd對高溫脅迫下生菜生長的影響

如表2所示，與CK對照相比，高溫脅迫顯著降低生菜的總鮮重、葉寬、根長、根系體積和根系表面積。與H處理相比，HS處理的生菜的總鮮重、總干重、葉長、葉寬、根長、根系體積和根系表面積均有所增加，分別增加了24.00%、24.62%、14.97%、11.83%、23.24%、29.47%和36.98%。以上結果表明，高溫脅迫會抑制生菜的生長，Spd能促進生菜在高溫脅迫下生物量的積累。

表1 用于qPCR分析的相關基因的引物序列信息

表2 外源Spd對高溫脅迫下生菜形態(tài)指標的影響

不同小寫字母表示不同處理間根據(jù)Duncan多極差檢驗在（＜0.05）存在顯著差異。下同

The different letters indicate significant differences at＜0.05 according to Duncan’s multiple range test. The same as below

2.2 外源Spd對高溫脅迫下生菜根系NH4+、NO3-離子流速的影響

如圖1所示，生菜根系NO3-的凈吸收量遠遠小于NH4+。表明生菜根系主要以吸收NH4+為主。如圖1-A所示，3個處理的生菜根系NH4+離子流速均表現(xiàn)為內流狀態(tài)，但是NH4+流速在不同處理間差異不顯著。如圖1-B所示，3個處理的生菜根系NO3-離子流速有內流和外排兩種狀態(tài)。其中H處理的NO3-離子為外排狀態(tài)，為2.23 pmol·cm-2·s-1。CK和HS處理的NO3-離子均為內流狀態(tài)，HS處理的根系NO3-內流流速顯著高于CK，為51.43 pmol·cm-2·s-1。說明NO3-離子流速對于處理的反應比NH4+靈敏，H處理導致根系NO3-外排，HS處理促進根系NO3-內流。

離子流速值為距根尖頂點的距離2.5 mm處，正值代表外排，負值代表內流。不同小寫字母表示差異顯著（P＜0.05）。下同

2.3 外源Spd對高溫脅迫下生菜總氮、硝態(tài)氮和氨態(tài)氮的影響

隨著處理時間的增加，外源Spd的噴施緩解了高溫脅迫下根系總氮含量的下降（圖2-A、B）。如圖2-C所示，葉片中硝態(tài)氮含量隨著H處理時間的增加而逐漸低于對照，并且在H處理的第8天硝態(tài)氮含量最低；在處理的第8天，HS處理的葉片中硝態(tài)氮含量顯著高于H處理（＜0.05）。但H和HS處理的根系中硝態(tài)氮含量均高于對照，H和HS處理之間的硝態(tài)氮含量差異不顯著（圖2-D）。高溫脅迫下，葉片和根系的氨態(tài)氮含量均高于對照和HS處理（圖2-E、F）。表明外源Spd的噴施抑制高溫下生菜葉片和根系氨態(tài)氮含量的積累。

2.4 外源Spd對高溫脅迫下生菜的氮代謝關鍵酶活性的影響

如圖3-A和圖3-B所示，隨著處理時間的增加，H處理的生菜葉片和根系中NR活性低于對照。與H處理相比，HS處理的葉片和根系NR活性增強，其中葉片NR活性顯著高于對照（＜0.05）。H處理下，葉片中GS的活性顯著高于對照；而HS處理的GS活性又顯著高于H處理（圖3-C）。H處理的根系GS活性先上升后下降，最終在處理第8天時顯著低于對照和HS處理（圖3-D）。在處理的第6、8天，H處理的葉片和根系GOGAT活性顯著低于對照，HS處理顯著抑制高溫脅迫下的GOGAT活性降低（圖3-E、F）。不同處理的葉片和根系GDH（圖3-G、H）與GOGAT活性的變化趨勢相似。上述結果表明，與H處理相比，HS處理的葉片和根系氮代謝關鍵酶（NR、GS、GOGAT、GDH）活性均呈增加的趨勢。

2.5 外源Spd對高溫脅迫下生菜氮代謝關鍵酶基因表達的影響

從圖4-A和圖4-B可知，H處理的葉片和根系中相對表達水平顯著低于對照和HS處理，說明外源噴施Spd抑制了高溫脅迫對相對表達水平的下調，HS處理的根系相對表達水平顯著高于對照（＜0.05）。不同處理間，葉片和根系相對表達水平與相對表達水平的趨勢類似（圖4-C、D，圖4-I、J）。與CK相比，H和HS處理的葉片中幾乎不表達（圖4-E）。葉片中GOGAT酶的另外一個相關基因與的變化趨勢一致（圖4-G）。在根系中，與CK相比，和相對表達水平在高溫脅迫下均顯著上調；與H處理相比，HS處理進一步上調相關基因的相對表達水平（圖4-F、H）。上述結果表明，與H處理相比，HS處理上調了葉片（、、和）和根系（、、、和）的氮代謝關鍵酶基因的相對表達水平。

圖2 外源Spd對高溫脅迫下生菜總氮、硝態(tài)氮和氨態(tài)氮的影響

2.6 外源Spd對高溫脅迫下生菜葉片氨基酸含量的影響

外源Spd對高溫脅迫下生菜葉片游離氨基酸含量的影響見表3。與CK相比，H處理的生菜TAA含量顯著減少；HS處理能抑制高溫脅迫導致的TAA含量減少。其中，Asp、Thr、Glu、Gly、Val、Lys、His、Arg和Pro這9種氨基酸與TAA的變化趨勢一致；Tyr與TAA的變化趨勢相反。3個處理中含量無差異的氨基酸包括Cys和Met。各個處理間，檢測的17種游離氨基酸中變異系數(shù)最大的是Arg，說明生菜葉片中Arg的含量在不同處理間的變化差異最大。外源Spd對高溫脅迫下生菜葉片呈味氨基酸含量的影響見表4。17種游離氨基酸按照呈味特征分為UAA（Asp、Glu、Gly、Ala、Lys）、SAA（Ser、Thr、His、Pro）、AAA（Cys、Tyr、Phe）和BAA（Arg、Val、Met、Ile、Leu）。UAA、SAA和BAA的變化趨勢與TAA一致，與之相反的是AAA。根據(jù)表4發(fā)現(xiàn)SAA的均值最高，其次是UAA；BAA的變異系數(shù)最大，其次是SAA。

圖3 外源Spd對高溫脅迫下生菜氮代謝關鍵酶活性的影響

3 討論

3.1 外源Spd影響高溫脅迫下生菜的生長與氮代謝

ALCáZAR等[32]認為，Spd在植物非生物脅迫抗逆中發(fā)揮重要作用。本研究也表明，Spd能促進生菜在高溫脅迫下的生物量積累。氮素營養(yǎng)是多種氨基酸、次生代謝物和生長激素等物質的重要組成部分，因此為植物生長和發(fā)育所必需[33-34]。本研究中，隨著處理時間的增加，高溫噴施Spd緩解高溫脅迫導致的葉片和根系總氮含量的降低。這一變化趨勢與生菜生長變化趨勢相一致。

NO3-被根系細胞吸收后，NR在細胞胞漿中將NO3-經(jīng)過一系列步驟轉化為NH4+[15]。本研究結果表明，與CK相比，高溫脅迫導致葉片硝態(tài)氮含量和NR活性降低，根系硝態(tài)氮含量增加而NR活性降低；高溫噴施Spd能緩解高溫脅迫導致的生菜葉片和根系NR活性的降低。這可能是高溫引起根系中硝態(tài)氮含量升高但向地上部運輸受阻，因而NR活性鈍化[17]；而Spd可能是通過調節(jié)14-3-3蛋白與H+-ATPase的結合途徑[35]，幫助緩解高溫導致的NR活性降低。田真等[36]研究發(fā)現(xiàn)，生菜表達與NR活性呈正相關，與本研究結果一致。

圖4 外源亞精胺對高溫脅迫下生菜氮代謝關鍵酶基因表達的影響

NH4+通過GS/GOGAT循環(huán)途徑和/或GDH途徑合成谷氨酸和/或谷氨酰胺，谷氨酸和谷氨酰胺再進一步形成其他氨基酸或酰胺以供植物體利用[15-16]。本研究中，高溫噴施Spd緩解了高溫脅迫導致的生菜葉片和根系氨態(tài)氮含量的增加；與H處理相比，HS處理增加了葉片和根系的GS、GOGAT、GDH活性及上調了葉片、、和根系、、、表達水平。通常，避免植物組織中積累過量的NH4+被認為是抵抗脅迫的重要能力[37]。HS處理后顯著抑制了氨態(tài)氮含量的積累，這意味著Spd通過上調氨同化酶活性及相關基因表達來提高NH4+同化，從而減輕高溫處理下NH4+對生菜幼苗的毒害作用。這與田婧等[17]的研究結果相似。

表3 外源Spd對高溫脅迫下生菜葉片游離氨基酸含量的影響

表4 外源Spd對高溫脅迫下生菜葉片呈味氨基酸含量的影響

3.2 外源Spd影響高溫脅迫下生菜的離子流速

植物中的氮元素通常通過根系以NO3-和NH4+的形式作為無機離子獲取[10-11]。前人研究發(fā)現(xiàn)，小麥根系中NH4+的凈吸收量大于NO3-的凈吸收量[38]。本研究也發(fā)現(xiàn)生菜根系主要以吸收NH4+為主的現(xiàn)象，原因可能是根系吸收的NH4+轉化為氨基酸需要較少的能量和同化等價物[39-40]。本研究結果表明HS處理后的生菜根系對NH4+吸收的同時抑制其對氨態(tài)氮的積累，原因可能是Spd通過加強了高溫脅迫下生菜根系氨同化酶的活性，促進了NH4+的同化作用。

另外，本研究中根系NO3-離子流速對不同處理的反應更為靈敏。與CK相比，H處理后根系的NO3-外排；與H處理相比，HS處理會促進根系NO3-內流，并且HS處理的根系NO3-凈吸收量顯著高于CK。這可能是因為H處理后根系吸收的NH4+不能及時同化代謝而導致細胞膜受損，造成NH4+毒害后抑制NO3-的吸收；HS處理能增加氨同化酶的活性，加速NH4+同化后促進吸收更多的NO3-，從而緩解高溫脅迫導致的生菜生長受抑制現(xiàn)象。

3.3 外源Spd影響高溫脅迫下生菜葉片氨基酸含量

植物積累的氮元素經(jīng)過一系列同化代謝合成氨基酸，氨基酸再進一步參與次生代謝物的合成。一些研究表明，在脅迫條件下，植物體內游離氨基酸會過度積累[19]。本研究結果表明，H處理的葉片中TAA含量均較對照減少；高溫噴施Spd緩解高溫脅迫導致的生菜葉片TAA降低。原因可能是高溫導致生菜葉片的細胞膜結構損傷和代謝進程破壞，游離氨基酸出現(xiàn)滲漏，或是高溫導致氨基酸消耗速率快于合成速率；而Spd在高溫脅迫下能有效防止膜系統(tǒng)變性[41]，促進游離氨基酸的積累來增加細胞液濃度和提高原生質體的持水能力，從而提高植物耐熱性。本研究的3個處理中，與H處理相比，HS處理后SAA、UAA和BAA均增加，這或許能賦予生菜甘甜爽口的特點，緩解高溫導致的不良口感。其中，BAA變異系數(shù)最大，可能是受到Arg的影響。HS處理的生菜葉片中Arg含量不僅比H處理增加了140.96%，還比對照增加了68.56%。KALAC?等[42]認為Arg不僅能貯藏氮營養(yǎng)元素，還是多胺的前體物質，說明Spd處理可能通過調控Arg代謝通路途徑來抵抗高溫脅迫，具體有待進一步探究。

4 結論

外源噴施亞精胺增加了高溫脅迫下的生菜NO3-凈流入量、總氮含量、氮代謝關鍵酶活性及氮代謝關鍵酶基因的相對表達水平，緩解了高溫脅迫導致的NH4+毒害積累、氮代謝紊亂和生長抑制現(xiàn)象，有效地改善了生菜的耐高溫能力。外源噴施亞精胺緩解了高溫導致的總游離氨基酸含量（TAA）和呈味氨基酸中甜味氨基酸（SAA）、鮮味氨基酸（UAA）和苦味氨基酸（BAA）含量的降低，有效地提升了高溫脅迫下生菜的營養(yǎng)品質。

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Effect of Exogenous Spermidine on Nitrogen Metabolism of Lettuce Under High-Temperature Stress

1College of Plant Science and Technology, Beijing University of Agriculture, Beijing 102206;2Beijing Vocational College of Agriculture, Beijing 102442

【】The lettuce yield and nutritional quality planted in high-temperature seasons are not good. Nitrogen is the most closely related nutrient element to lettuce yield. In this study, the regulation mechanism of exogenous spermidine (Spd) on nitrogen metabolism of lettuce under high-temperature stress was studied, and the changes of amino acid nutritional quality were observed, so as to provide some protective measures to reduce the harm of high temperature on lettuce. 【】The test material was leaf lettuce Beisansheng 3. The test treatments were set as normal temperature (day/night: 22℃/17℃) control (CK), high-temperature stress (day/night: 35℃/30℃) treatment (H), and high temperature spraying Spd treatment (HS). The changes of lettuce morphology were observed, and the changes of the lettuce root ion flow rate, nitrogen compounds contents (total nitrogen, ammonia nitrogen, and nitrate nitrogen), and the activities of key enzymes in nitrogen metabolism as well as their relative expression levels were analyzed. In addition, the effects of the CK, H, and HS treatments on the lettuce leaf free amino acids content were studied. 【】Compared with the CK, the lettuce growth of the H treatment was inhibited. Compared with the H treatment, the HS treatment increased total fresh weight, total dry weight, leaf length, leaf width, root length, root volume, and root surface area of lettuce by 24.00%, 24.62%, 14.97%, 11.83%, 23.24%, 29.47%, and 36.98%, respectively. The changes in the total nitrogen content of lettuce treated by CK, H, and HS were consistent with the growing trend of lettuce. The net absorption amount of NO3-in lettuce roots treated with CK, H and HS were much smaller than that of NH4+, indicating that lettuce roots mainly absorbed NH4+. The H treatment resulted in the outflow of NO3-from roots, while the HS treatment promoted the influx of NO3-from roots. The accumulation of ammonia nitrogen content in leaves under the HS treatment was effectively inhibited. Meanwhile, the activities of nitrate reductase (NR), glutamine synthase (GS), glutamate synthase (GOGAT), and glutamate dehydrogenase (GDH) under the HS treatment were increased and the relative gene expression levels of,,, andin leaves and roots were up-regulated. Compared with the CK treatment, the H treatment reduced the total free amino acid (TAA) content (＜0.05); the HS treatment alleviated the reduction in TAA content caused by high temperature. The changes of umami amino acids (UAA), sweet amino acids (SAA), and bitter amino acids (BAA) among the CK, H, and HS treatment were consistent with those of TAA, while aromatic amino acids (AAA) were the opposite. The changes of aspartic acid (Asp), threonine (Thr), glutamic acid (Glu), glycine (Gly), valine (Val), lysine (Lys), histidine (His), arginine (Arg), and proline (Pro) among the CK, H, and HS treatment were consistent with those of TAA. Among the free amino acids tested, Arg had the largest coefficient of variation. 【】Spraying Spd treatment inhibited the decrease of lettuce biomass accumulation under high temperature. For spraying Spd treatment, the nitrogen metabolism disorders under high-temperature stress was alleviated, and the leaf total free amino acid content, flavor amino acids of umami amino acids, sweet amino acids, and bitter amino acids were increased, while the high-temperature resistant capacity of lettuce was effectively enhanced and the nutritional quality of lettuce was improved.

high temperature;L.; nitrogen metabolism; spermidine; ion flow rate; amino acid

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.07.011

2021-07-02；

2021-09-09

國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0201010）、北京市葉類蔬菜產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團隊（BAIC07）、北京市教育委員會科技計劃（KM2019100200012）

余琦隆，E-mail：18879853952@qq.com。通信作者劉超杰，E-mail：cliu@bua.edu.cn。通信作者范雙喜，E-mail：fsx20@163.com

（責任編輯 趙伶俐）