施用外源物質調控植物生長發育是農業生產中的一項重要措施。生物活性寡糖作為外源激發子對植物生長及防御反應具有一定的調節功能,但目前研究多關注表觀生物效應,對其在植物中信號傳導過程及引發的系列生物學效應機制并不十分清楚。另外,不同種類寡糖的化學結構和生理功能也存在有差異,目前作為植物生長調節劑應用開發的并不是很多。

鑒于此,本課題采用我國豐富的海藻酸鈉及其寡糖、寡聚半乳糖醛酸和殼寡糖為材料,利用現代生物學和化學技術,篩選出高活性寡糖,確定其最佳施用方式;并采用水培試驗,研究該寡糖對菜心光合作用、碳氮代謝、養分吸收和信號傳導的影響,從而探討其對植物的促生長生理機制。

主要獲得以下結論：

1.采用土培和水培試驗,研究了4種寡糖類物質在菜心上的生物學效應

1.1產量和品質：4種寡糖葉片噴施均能定程度促進菜心增產,改善其品質,其中殼寡糖20 mg/L和海藻酸鈉寡糖40 mg/L濃度施用效果最好。海藻酸鈉及其寡糖根部處理能提高菜心產量,改善其品質,且在一定濃度范圍內(0-50 mg/L), 產量和施用濃度間呈二次多項式變化規律;寡聚半乳糖醛酸和殼寡糖根部處理對菜心增產作用不大,高濃度時還有明顯的抑制作用。

1.2養分吸收：在本試驗濃度范圍內(0-100 mg/L),海藻酸鈉及其寡糖和寡聚半乳糖醛酸低濃度處理均能顯著促進菜心對N、P、Ca、Mg、B、Mn、Zn的吸收; 低濃度時寡聚半乳糖醛酸對K的吸收也有一定的促進作用;殼寡糖低濃度處理能促進菜心對N、 Mg、B、Cu、Zn的吸收,高濃度引起Cu的大量吸收,同時抑制N、P、K、Mg、Mn的吸收及Ca向地上部的轉運。

1.3根系特性：海藻酸鈉及其寡糖處理對菜心根系形態及生理特性均有顯著的改善效果;寡聚半乳糖醛酸10 mg/L處理對菜心根系生長也有一定的促進作用;殼寡糖10-200 mg/L處理對菜心根系形態及生理特性則有明顯的抑制作用。

1.4綜合而言,4種寡糖類物質中,海藻酸鈉寡糖對菜心生長發育具有相對最佳的促進作用,且以根部施用效果較好。

2.采用水培試驗,研究了海藻酸鈉寡糖對植物光合碳代謝的調節及其作用機制

2.1光合特性：海藻酸鈉寡糖可提高菜心葉片的Pn、WUE和CE;并可通過增加LSP,降低LCP,擴大其光強可利用范圍,從而促進光能的捕獲和轉化以及CO2的同化。

2.2類囊體膜組成：海藻酸鈉寡糖可增加菜心葉片類囊體膜色素及其蛋白復合體含量,并提高類囊體膜不飽和脂肪酸所占的比例,以維持膜的穩定性和流動性。同時誘 PSⅡ相關蛋白的表達;還可顯著提高菜心葉綠體Mg2+-ATPase與Ca2+-ATPase活性,從而加快光合磷酸化進程。

2.3類囊體膜功能：海藻酸鈉寡糖處理前期促進類囊體膜對紅光的吸收,后期降低對藍光的吸收;PSⅡ熒光發射強度和希爾反應活力也有提高;海藻酸鈉寡糖還可提高菜心葉片Fo、Fm、 Fv、ETR和NPQ,從而促進光能的吸收和光合電子傳遞。

2.4碳代謝：海藻酸鈉寡糖可通過提高SS和SPS 活性,促進菜心碳水化合物積累;并可通過誘導AI和NI活性,改變內部糖組成,從而提高其甜度。

3.采用水培試驗,研究了海藻酸鈉寡糖對植物氮代謝的調節及其作用機制

3.1正常鈣水平下,海藻酸鈉寡糖處理可顯著提高菜心NR活性,使NH4+-N含量增加,N03--N含量降低;同時對GS、GDH和EP活性也有顯的促進作用。未施鈣或低鈣水平下,海藻酸鈉寡糖對NR和GS的誘導作用均顯著降低。說明海藻酸鈉寡糖可加快植物氮代謝進程,且該效應與鈣水平有關。

3.2在培養液中添加鈣代謝抑制劑EGTA、Vp、 R和CPZ后,海藻酸鈉寡糖對菜心氨代謝的正相調節作用受到明顯抑制,NR和GS活性及全氮和蛋白氮含量均有不同程度的降低,產量也有下降,表明Ca2+/CaM信號系統參與海藻酸鈉寡糖對植物氮代謝的調節。

3.3海藻酸鈉寡糖主要通過誘導胞外Ca2+的進入,使[Ca2+]cyt濃度增加,激活植物生長相關的反應,同時胞內Ca2+庫的釋放也有一定的貢獻;且其與鈣形成的糖-鈣復合物可能由于分子量過大的原因而不能通過質膜,最終在細胞壁間累積。

4.采用水培試驗,研究了海藻酸鈉寡糖對植物內源激素代謝的影響

海藻酸鈉寡糖可促進菜心體內GA3的合成和運輸,并能促進IAA向地下部和zR向地上部的運輸, 對ABA合成及其運輸無顯著影響,這導致葉片中ZR/ABA、ZR/GA、ZR/IAA和GA3/IAA比值的增加,從而有利于加快細胞的分裂或伸長,促進菜心植株生長。

綜上所述,海藻酸鈉寡糖促進植物生長的可能生理機制為：被植物吸收后,在質外體空間內與Ca2+結合,形成糖-鈣復合物,打破植物體內的鈣穩態平衡, 使[Ca2+]cyt增加,從而激活與生長發育相關的酶類,促進葉綠體對光能的吸收和轉化,加快碳氮代謝進程;此外,還通過調控內源激素的水平及其平衡來加快植物細胞的分裂和伸長,促進根系的生長和養分吸收,最終表現為產量的增加和品質的改善。

稀少糖類奇特功能

阿洛酮糖處理水稻。左邊處理，右邊不處理。

阿洛酮糖在草坪寫字。處理的變成清晰的字體。