CO2浓度升高对大豆糖代谢和脂肪代谢影响的研究

张小琴，郝兴宇，宗毓铮，张东升，史鑫蕊，李 萍

（山西农业大学农学院，太谷 030801）

大豆是重要的油料作物，也是国家粮食安全体系中的重要作物，在中国居民食物结构中占有重要地位［1］。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）报告指出，大气中CO2浓度在21世纪末可能升高到936 μmol/mol左右［2］。CO2是光合作用的底物，其浓度的变化会直接影响植物的生长发育。有研究表明，CO2浓度升高会影响大豆的光合特性、生物量积累以及产量与营养品质的形成［3］。高CO2浓度条件下大豆叶片的光合作用和水分利用效率提高，有利于大豆生物量的增加［4］。

作为整个生物代谢的中心，糖代谢连接着蛋白质代谢、脂类代谢、核酸代谢及次生物质代谢。蔗糖是植物体内光合产物运输和储存的主要形式。蔗糖合成酶（sucrose synthase，SS）和蔗糖磷酸合成酶（sucrose phosphate synthase，SPS）参与叶片中蔗糖合成［5］。三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TAC）是糖、脂肪、氨基酸等物质有氧分解代谢释放能量的共同途径，为植物生命活动提供主要能量，而异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase，ICDH）和琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase，SDH）是该途径的关键酶。三羧酸循环支路可以保障TAC的碳架补给，异柠檬酸裂解酶（isocitrate lyase，ICL）是三羧酸循环支路的关键酶［6］。戊糖磷酸途径（hexose monophophate pathway，HMP）是植物体中糖代谢的重要途径，在代谢过程中会产生大量的NADPH和ATP，6-磷酸葡萄糖脱氢酶（6-phosphate glucose dehydrogenase，G6PDH）是该途径的关键酶［7］。大豆油脂的化学成分为三酰甘油（triacylglycerol，TAG），由甘油和3分子长链脂肪酸在多种酶的催化下形成。脂肪酸的合成主要在质体中进行，乙酰辅酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACCase）可以催化乙酰CoA形成脂肪酸链的直接供体——丙二酸单酰CoA。二酰甘油脂酰转移酶（diacylglycerol acyltransferase，DGAT）是三酰甘油合成的限速酶［8］。酶活性强弱能反映代谢途径的变化［6］。TAC为蛋白质合成提供碳架，HMP为脂肪合成提供氢供体，脂肪代谢关系着脂肪合成，这些代谢途径的变化关系着大豆品质的变化［6］。

目前，大气CO2浓度升高在小麦、水稻和大豆中的相关研究有很多［9-11］，但大多都集中在光合生理、氮素营养等方面［12-14］，也有对大豆品质方面的研究报道［15-16］，但对其物质和能量代谢方面却鲜有报道。本研究开展了大气CO2浓度升高对大豆鼓粒期光合作用、蔗糖代谢、TAC及脂肪代谢关键酶活性影响的研究，拟明确CO2浓度升高对大豆糖代谢及脂肪代谢的影响机制，为大豆育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计与供试材料

供试大豆品种为“晋大70”（油脂含量为22.06%，蛋白含量为41.18%）。试验地点位于山西省晋中市太谷区山西农业大学试验基地（37.42°N，112.58°E）。试验CO2浓度设两个水平：对照（CK，400 μmol/mol）和高CO2浓度（EC，600 μmol/mol）。在控制气室（铝合金框架玻璃结构，每个气室长8.0 m、宽3.0 m、高3.2 m）内，通过CO2传感器测定气室内的CO2浓度，主控电脑根据所测浓度来对气室内的CO2浓度进行调控，使其在目标范围内。

采用盆栽试验（直径37 cm，高34 cm，底部打孔），于2019年6月20日播种大豆。每个处理10个重复，共20盆，在出苗后进行间苗，每个重复保留6株大豆。在大豆鼓粒期（2019年9月7日）进行光合指标测定，随机选取4盆，每盆选取一株功能叶片（倒2叶）测定，其余倒2叶和豆荚放置于-80℃低温保存，用于测定其他生理指标。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 叶片光合参数测定

利用便携式气体交换系统LI-6400在鼓粒期于9:00—11:00测定光合参数。光照强度设为1 400 μmol/（m2·s），温度稳定在（26±0.5）℃，对照气室CO2浓度设定为400 μmol/mol，高CO2浓度气室CO2浓度设定为600 μmol/mol。选择形状相似的倒2叶，测定净光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、气孔导度（stomatal conductance，gs）、蒸腾速率（transpiration rate，Tr）和叶片水分利用效率（water use effi-ciency，WUE），WUE=Pn/Tr［17］。采用直接浸提法测定叶绿素含量［18］。

1.2.2 糖代谢指标测定

蔗糖含量及SS、SPS活性采用郭茜茜［19］的方法进行测定。采用北京索莱宝科技有限公司的试剂盒测定G6PDH、SDH、ICDH和ICL的活性。准确称取0.1 g叶片和籽粒，加入1 mL提取液研钵匀浆充分研磨，8 000×g4℃离心10 min，取上清置于冰上待测，按加样表依次加入试剂，在340 nm波长下进行比色，按样本质量计算G6PDH活性。SDH和ICDH按上述步骤分别在11 000×g和10 000×g4℃的条件下离心10 min，ICL在15 000×g4℃的条件下离心20 min，在600、505和340 nm波长下比色。采用蒽酮硫酸比色法测定可溶性糖和淀粉含量［18］。

1.2.3 脂肪代谢指标测定

ACCase活性采用北京索莱宝科技有限公司的试剂盒进行测定。ACCase活性按照G6PDH活性测定的方法在660 nm波长下进行。DGAT活性采用上海纪宁实业生物有限公司的试剂盒测定，采用双抗体夹心法在450 nm处测定，操作步骤严格按照试剂盒说明书进行。采用索氏提取法测定脂肪含量［18］。

1.2.4 大豆产量性状调查

收获前调查每个重复有效株数，2019年10月14日收获后进行考种，测定单株荚数、单荚粒数及百粒重，计算单株产量。

1.3 数据处理与分析

所有试验数据的分析和图表的绘制均采用Excel 2016进行。利用SPSS 25软件分析数据，进行方差的单变量分析（P=0.05）。图表中数据均为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 CO2浓度升高对大豆产量和产量构成因素的影响

CO2浓度升高使大豆单株粒重、单株荚数和百粒重显著增加25.6%、23.4%和21.1%，单荚粒数虽增加但未达显著水平（表1）。

表1 CO2浓度升高对大豆产量构成因素的影响Tab. 1 Effects of elevated CO2 concentration on yield component of soybean

2.2 CO2浓度升高对大豆叶片光合参数的影响

CO2浓度升高使大豆叶片的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量分别显著增加45.7%、54.2%和46.1%，对叶绿素a/b无显著影响（表2）。在高CO2浓度下，叶片的Pn和WUE显著增加59.7%和63.2%，gs和Tr无显著变化（图1）。

图1 CO2浓度升高对大豆鼓粒期叶片光合参数的影响Fig. 1 Effects of elevated CO2 concentration on photosynthetic parameters of soybean leaves at seed filling stage

表2 CO2浓度升高对大豆鼓粒期叶片光合色素含量的影响Tab. 2 Effects of elevated CO2 concentration on photosynthetic pigment content of soybean leaves at seed filling stage

2.3 CO2浓度升高对大豆叶片和籽粒TAC及HMP的影响

CO2浓度升高对大豆叶片的可溶性糖和淀粉含量无显著影响，但使籽粒的可溶性糖含量显著下降20.6%，对淀粉含量无显著影响（图2）。CO2浓度升高使叶片的SDH活性显著下降38.5%，ICDH活性显著升高215.0%，对ICL和G6PDH活性无显著影响。在高CO2浓度下，籽粒的SDH、ICL和G6PDH活性显著升高75.0%、248.2%和1 119.3%，ICDH活性显著下降36.1%（图3）。

图2 CO2浓度升高对大豆鼓粒期叶片和籽粒的可溶性糖和淀粉含量的影响Fig. 2 Effects of elevated CO2 concentration on the contents of soluble sugar and starch in leaves and seeds of soybean at seed filling stage

图3 CO2浓度升高对大豆鼓粒期叶片和籽粒的6-磷酸葡萄糖脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶和异柠檬酸裂解酶活性的影响Fig. 3 Effects of elevated CO2 concentration on the activities of 6-phosphate glucose dehydrogenase, succinate dehydrogenase, isocitrate lyase and isocitrate dehydrogenase in leaves and seeds of soybean at seed filling stage

2.4 CO2浓度升高对大豆叶片和籽粒蔗糖代谢的影响

蔗糖是光合产物在植物体内运输的主要形式，是籽粒中淀粉合成的主要碳前体［20-21］。CO2浓度升高对大豆叶片的蔗糖含量和SS活性无显著影响，SPS活性显著升高28.8%。在CO2浓度升高条件下，籽粒的蔗糖含量和SS活性显著下降25.0%和32.3%，SPS活性无显著变化（图4）。

图4 CO2浓度升高对大豆鼓粒期叶片和籽粒的蔗糖、蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性的影响Fig. 4 Effects of elevated CO2 concentration on the content of sucrose, the activities of sucrose synthase and sucrose phosphate synthase in leaves and seeds of soybean at seed filling stage

2.5 CO2浓度升高对大豆叶片和籽粒脂肪代谢的影响

大豆油脂的化学成分为TAG，由甘油和脂肪酸在多种酶的催化下脱水缩合形成。CO2浓度升高使大豆脂肪含量升高但未达显著水平（图5）。在CO2浓度升高条件下，叶片的ACCase和DGAT活性显著下降14.4%和76.8%，籽粒的ACCase活性显著升高15.8%，DGAT活性无显著变化（图6）。

图5 CO2浓度升高对大豆脂肪含量的影响Fig. 5 Effects of elevated CO2 concentration on soybean fat content

图6 CO2浓度升高对大豆鼓粒期叶片和籽粒的乙酰辅酶A羧化酶和二酰基甘油酰基转移酶活性的影响Fig. 6 Effects of elevated CO2 concentration on the activities of acetyl-CoA carboxylase and diacylglycerol acyltransferase in leaves and seeds of soybean at seed filling stage

3 讨论

苏营等［22］的研究表明，CO2浓度升高有增加大

豆株高、茎粗、干重和单株籽粒重的趋势。本研究中，CO2浓度升高使大豆单株荚数和百粒重均显著增加，单株籽粒重也显著提高，表明在高CO2浓度下大豆产量的增加是因为大豆单株荚数和百粒重的增加，这与郝兴宇等［23］的研究结果一致。光合色素是植物利用光合能力的重要指标，可以通过其来判断植物光合生理能力和环境胁迫状况［24］。Pn可以反映植物光合作用的强弱［25-26］。本研究表明，CO2浓度升高条件下，叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量显著增加，但由于叶绿素b含量的增加幅度大于叶绿素a含量的增加，叶绿素a/b的值下降。这表明高CO2浓度更有利于叶绿素b含量的增加，该结果和蒋跃林等［27］的研究结果一致。Pn和WUE在高CO2浓度下显著升高，这与叶绿素含量的变化一致。大气CO2浓度升高后，作物细胞间CO2浓度的增加或叶肉细胞中Rubisco活性的提高及光呼吸的降低，可能是Pn增加的原因［23-28］。WUE的增加是由于Pn的升高引起的［29］。

TAC是碳水化合物、脂类、蛋白质氧化分解的最后共同代谢途径，具有分解代谢和合成代谢的双重作用，同时为生物体内物质的合成提供碳骨架。SDH作为TAC中唯一的膜结合酶，催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸，是TAC和呼吸链唯一的交汇点［20］。本试验中，CO2浓度升高使大豆叶片中SDH活性显著降低，可溶性糖和淀粉含量变化不显著，大豆籽粒中的HMP和TAC中关键酶活性显著提高，籽粒中可溶性糖含量显著下降，表明CO2浓度升高可以减弱叶片中的TAC代谢，但使籽粒中TAC代谢加强，有利于糖和淀粉的水解，为籽粒的生长提供能量。蔗糖及蔗糖的转运与卸载对籽粒中淀粉的积累与合成有重要的作用［30］，SPS和SS活性反映植物蔗糖合成和分解的能力［31］。本研究中，CO2浓度升高使大豆叶片中SPS活性显著增加，但SS活性和蔗糖浓度无显著变化，淀粉含量增加，表明CO2浓度升高有利于催化大豆叶片中蔗糖合成，使淀粉积累增加。有研究表明，对于高脂肪型大豆，蔗糖含量高不利于蛋白质的积累，高效的SS/SPS循环有利于蛋白质的积累［20］。本研究中，CO2浓度升高使大豆籽粒中SS活性和蔗糖浓度显著下降。这表明高浓度的CO2不利于高脂肪型大豆蛋白质的积累。

有研究表明，大豆的脂肪和蛋白质含量呈明显的负相关关系，且蛋脂总量保持不变［32-33］。在油菜种子中，G6PDH活性与脂肪含量呈极显著正相关关系，是评价脂肪品质的指标［34］。本试验中，CO2浓度升高，大豆叶片和籽粒中G6PDH活性增加，有利于HMP运转，促进籽粒中脂肪含量增加。大豆油脂的合成代谢主要分为：脂肪酸的从头合成、脂肪酸的脱饱和、三酰甘油的合成及油体形成［35］。ACCase可以在酶水平上和活力水平上控制脂肪酸的合成，是脂肪酸合成的限速酶［20］。DGAT能催化二酰甘油和脂肪酸酰基形成TAG，是TAG合成的限速酶［8］。本试验中，大豆叶片中ACCase和DGAT活性在高CO2浓度下显著降低，籽粒中ACCase活性显著升高，DGAT活性变化不显著，脂肪含量升高。这表明CO2浓度升高更有利于籽粒中脂肪酸的合成和脂肪含量的增加。

综上所述，CO2浓度升高主要通过增加大豆单株荚数和百粒重增加大豆产量。CO2浓度升高可以增加大豆光合色素含量，提高光合作用。高CO2浓度有利于大豆叶片中的蔗糖合成和磷酸戊糖途径运转。在高CO2浓度下，大豆籽粒蔗糖代谢减弱，导致蔗糖含量减少，三羧酸循环和磷酸戊糖途径代谢加强，可溶性糖含量减少，脂肪酸合成增强，从而有利于脂肪含量增加。