外源色氨酸通过增强盐碱胁迫下R6期大豆叶片和种子中蔗糖-淀粉代谢提高产量

本研究针对盐碱胁迫严重抑制大豆生长和产量的问题，开展了外源色氨酸(Trp)调控大豆R6期(籽粒灌浆期)蔗糖-淀粉代谢机制的研究。研究人员发现外源Trp处理通过提高光合色素含量、净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)，增强盐碱胁迫下大豆的光合能力；通过调节蔗糖代谢关键酶(SPS、SuSy、A-INV、N-INV)活性和相关基因表达，促进蔗糖从源到库的运输(GmSUC2、GmSWEET6、GmSWEET15)，最终增加单株荚数、粒数和百粒重，显著提高大豆产量。该研究为作物耐盐碱育种提供了新的理论依据。

　　

土壤盐碱化已成为限制大豆生产的主要因素，特别是在全球气候变化背景下，盐碱土壤面积不断扩大，严重威胁粮食安全。盐碱胁迫不仅引起植物生理生化代谢紊乱，导致活性氧(ROS)过度积累，造成质膜和叶绿体膜系统氧化损伤，还会破坏光合电子传递链，导致光抑制现象。更为重要的是，盐碱胁迫会增加根区盐分浓度，引起水分失衡和离子毒害，抑制植物生长，导致根长缩短、植株矮化，叶片黄化甚至脱落，生物量积累急剧下降，最终影响作物产量。

在大豆生长发育过程中，R6阶段(籽粒灌浆期)是决定大豆产量和品质的最关键时期，也是碳代谢最为旺盛和复杂的阶段。盐碱胁迫会限制R6期大豆的生长，影响碳同化作用，改变碳积累、分配和转运规律。因此，了解盐碱胁迫对大豆产量的影响机制，对提高种子产量和保障粮食安全具有重要意义。

色氨酸(Trp)作为蛋白质合成的必需氨基酸，同时也是植物中的重要信号分子，在维持植物渗透调节和抵抗不良外界环境中发挥着重要作用。研究表明，外源Trp应用能够通过促进K⁺、IAA、Trp等防御物质的产生，维持植物渗透调节，抵抗不良环境的伤害。然而，Trp在盐碱胁迫下如何调节R6期大豆叶片和种子中蔗糖-淀粉代谢的机制尚不清楚。

为了解决这一问题，Wang等人在《BMC Plant Biology》上发表的研究，以耐盐碱品种黑河49(HH49)和盐碱敏感品种鹤农95(HN95)为试验材料，研究了不同浓度Trp(100mg·L^-1、200mg·L^-1和300mg·L^-1)对盐碱胁迫(NaCl:Na₂SO₄:Na₂CO₃:NaHCO₃=1:9:1:9)下R6期大豆蔗糖-淀粉代谢的影响。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：使用桶栽方法在大庆市黑龙江八一农垦大学盆栽种植场进行试验；通过测定光合气体交换参数(使用LI-6400光合测定仪)和叶绿素荧光参数(使用Multispe Q便携式植物测量仪)评估光合能力；采用分光光度法测定光合色素含量和糖含量(可溶性糖、蔗糖、果糖和淀粉)；通过酶活性测定试剂盒分析蔗糖代谢酶(SPS、SuSy、A-INV、N-INV)和淀粉代谢酶(AMY、BAM)活性；利用qRT-PCR技术检测蔗糖代谢和转运相关基因的表达水平。

外源Trp对盐碱胁迫下大豆生长和产量的影响

研究发现，盐碱胁迫显著抑制了R6期HH49和HN95的株高、茎粗、叶片干重和茎干重。外源Trp能够增加盐碱胁迫下两个大豆品种的株高、茎粗、叶片干重和茎干重，且效果与Trp浓度呈正相关。与盐碱处理相比，T3处理(300mg·L^-1 Trp)使HH49和HN95的株高、茎粗、叶片干重和茎干重分别提高了59.02%、47.26%、119.01%、98.06%和35.00%、54.61%、76.07%、79.43%。

盐碱胁迫还显著降低了HH49和HN95的主茎节数、主茎每节荚数和主茎总荚数。外源Trp显著促进了盐碱胁迫下两个大豆品种主茎和荚的形成。T3处理使HH49和HN95的主茎节数、主茎每节荚数和主茎总荚数分别提高了30.30%、16.26%、51.39%和24.39%、44.76%、83.87%。

此外，外源Trp还显著提高了R8期(成熟期)盐碱胁迫下HH49和HN95的产量和产量构成因素，其中T3浓度Trp对产量的促进作用更为显著。

外源Trp对盐碱胁迫下大豆光合能力的影响

盐碱胁迫显著降低了HH49和HN95的叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)、类胡萝卜素(Car)和总叶绿素含量。外源Trp能够增加盐碱胁迫下两个大豆品种的光合色素含量，效果与Trp浓度呈正相关。T3处理使HH49和HN95的Chl a、Chl b、Car和总Chl含量分别提高了31.57%、83.41%、88.14%、56.08%和44.72%、111.45%、144.45%、75.48%。

盐碱胁迫还显著降低了HH49和HN95的气体交换参数(P_n、G_s、C_i和T_r)。外源Trp能够增加盐碱胁迫下两个大豆品种的P_n、G_s、C_i和T_r，效果与Trp浓度呈正相关。与盐碱处理相比，T3处理下HH49的P_n、G_s、C_i和T_r分别提高了37.00%、121.90%、45.67%、71.42%，HN95提高了35.22%、118.75%、76.87%、119.24%。

盐碱胁迫显著抑制了HH49和HN95的叶绿素荧光参数(F_v/F_m、F_v/F_o、ΦPSII和ETR)。外源Trp显著增加了盐碱胁迫下两个大豆品种的F_v/F_m、F_v/F_o、ΦPSII和ETR，效果与Trp浓度呈正相关。T3处理使HH49和HN95的F_v/F_m、F_v/F_o、ΦPSII和ETR分别提高了21.95%、24.15%、121.22%、21.87%和42.63%、22.09%、105.61%、42.23%。

外源Trp对盐碱胁迫下大豆碳积累的影响

Trp显著降低了盐碱胁迫下HH49和HN95叶片、种子和荚皮中的果糖含量以及叶片和种子中的淀粉含量，但显著增加了蔗糖含量。外源Trp能够增加盐碱胁迫下两个大豆品种叶片、种子和荚皮中的可溶性糖、蔗糖和淀粉含量，效果与Trp浓度呈正相关。

T3处理使HH49叶片、种子和荚皮中的可溶性糖、蔗糖、果糖和淀粉含量分别提高了32.02%、38.00%、54.68%、33.80%、33.12%、18.69%、23.50%、25.39%和40.23%、74.06%、29.57%、27.39%。HN95提高了26.62%、48.18%、53.95%、29.96%、31.96%、16.85%、33.89%、22.99%和37.36%、70.12%、45.72%、33.03%。

外源Trp对盐碱胁迫下大豆R6期蔗糖-淀粉代谢相关酶活性的影响

Trp显著增加了盐碱胁迫下HH49和HN95叶片、种子和荚皮中的SPS和SuSy-S酶活性，但显著降低了SuSy-C、A-INV和N-INV酶活性。盐碱处理使HH49和HN95叶片、种子和荚皮中的SPS活性提高了4.07%-22.10%，SuSy-S活性提高了10.72%-30.53%，但降低了SuSy-C活性61.84%-313.58%，AI活性109.75%-239.25%，NI活性235.57%-454.96%。

外源Trp能够增加盐碱胁迫下两个大豆品种叶片、种子和荚皮中蔗糖代谢酶的活性，效果与Trp浓度呈正相关。T3处理使叶片、种子和荚皮中的蔗糖代谢酶活性分别提高了34.50%-323.56%、33.03%-296.93%和41.18%-410.35%。

盐碱胁迫显著增加了HH49和HN95叶片、种子和荚皮中的淀粉酶活性，AMY和BAM活性分别提高了38.07%-50.50%和28.88%-37.46%。外源Trp能够降低盐碱胁迫下两个大豆品种的淀粉酶活性，效果与Trp浓度呈正相关。T3处理使HH49和HN95叶片、种子和荚皮中的AMY和BAM活性分别降低了36.46%、30.42%、40.62%、35.25%、15.53%、35.41%、37.03%、30.04%、39.41%和32.91%、18.91%、29.43%。

外源Trp对盐碱胁迫下大豆淀粉代谢相关基因表达的影响

盐碱胁迫显著降低了HH49和HN95叶片中GmAMY3和GmSS的相对表达量以及HH49荚皮中GmAMY3的相对表达量，但显著增加了HH49和HN95叶片、种子和荚皮中GmBAM1的相对表达量。外源Trp显著增加了HH49和HN95叶片和荚皮中GmSS的相对表达量以及HN95叶片中GmAMY3的相对表达量，但降低了HH49和HN95种子中GmBAM1、GmAMY3和GmSS的相对表达量，HH49荚皮中GmBAM1的相对表达量，以及HN95荚皮中GmAMY3的相对表达量。与T1和T2处理相比，T3具有更显著的调节作用。

外源Trp对盐碱胁迫下大豆蔗糖转运体表达的影响

盐碱胁迫显著降低了HH49和HN95叶片、种子和荚皮中GmC-INV的相对表达量，以及HH49叶片和荚皮中GmSuSy和GmSPS的相对表达量，HN95叶片和荚皮中GmA-INV的相对表达量。与盐碱处理相比，外源Trp显著增加了HH49和HN95叶片、种子和荚皮中GmA-INV、GmC-INV、GmSuSy和GmSPS的相对表达量，效果与Trp浓度呈正相关。T3处理使基因相对表达量提高了66.44%-655.31%，显著高于T1(0.29%-290.55%)和T2(38.29%-503.74%)。

此外，盐碱胁迫显著降低了两个大豆品种荚皮中GmSUC2和GmSWEET6的相对表达量，以及HH49和HN95种子中GmSUC2和GmSWEET6的相对表达量。与盐碱处理相比，外源Trp显著降低了HH49和HN95籽粒中GmSUC2、GmSWEET6和GmSWEET15的相对表达量，但增加了种子和荚皮中蔗糖转运相关基因的相对表达量。T3处理使叶片中基因相对表达量降低了40.93%-68.23%，显著高于T1(15.36%-56.26%)和T2(9.75%-55.59%)。

本研究得出结论，蔗糖-淀粉的分布、转运和代谢可以调节盐碱胁迫下大豆的生长。盐碱胁迫降低了大豆叶片的光合能力、光合产物和INV活性，但增加了SPS、SuSy、AMY和BAM的活性，抑制了蔗糖和淀粉代谢。外源Trp处理能够增加大豆叶片的光合色素含量，提高叶片的光合能力，促进蔗糖和淀粉的分布、转运和代谢，从而缓解盐碱胁迫对大豆生长的抑制，提高单株荚数、单株粒数和百粒重等产量相关指标。这些发现将增进我们对外源Trp缓解盐碱胁迫对大豆生长发育影响的生理机制的理解，为作物耐盐碱育种提供新的理论依据和实践指导。

该研究的重要意义在于首次系统地揭示了外源Trp通过调节蔗糖-淀粉代谢途径增强大豆耐盐碱性的分子生理机制，为开发提高作物盐碱耐受性的新型生长调节剂提供了科学依据。同时，研究结果对于指导盐碱地大豆生产、提高盐碱地利用效率和保障粮食安全具有重要的实践价值。