采用耐热性弱的多年生黑麦草品种‘ 顶峰’ (L. perenne cv. Pinnacle)为材料^[18]于2017年9-11月进行试验。

黑麦草品种‘ 顶峰’ 种子经发芽试验确定发芽率, 然后将种子播种于装有栽培基质的塑料花盆中(上口径15 cm× 下口径10 cm× 高15 cm), 培养基质为泥炭土和河砂(1∶ 1, 体积比), 然后置于湖南农业大学教学科研试验温室中培养。幼苗长至高约8 cm时进行修剪, 修剪高度保持约6 cm, 每周每盆浇一次1/2浓度的Hoagland营养液, 每次浇200 mL。

将在温室中培养至冠层和根系基本建成(约45 d)的各盆栽材料转移至光照培养箱中进行预培养, 培养条件设为昼/夜温度为25 ℃/20 ℃, 65%~75%的相对湿度, 12 h光照时间和400 μ mol· m^-2· s^-1的光照强度。前期预试验结果发现5 mmol· L^-1 GABA对黑麦草缓解高温胁迫具有最好的效果。盆栽材料在生长箱预培养3 d后, 用5 mmol· L^-1的GABA溶液每盆喷施100 mL并同时浇灌150 mL, 2 d后开始进行高温处理。对照昼夜温度设为25 ℃/20 ℃, 高温处理昼夜温度设为35 ℃/30 ℃, 其余培养条件跟预培养相同。试验完全随机设计, 每个处理设4次重复(4盆)。隔天浇水一次以保持土壤湿润。在高温胁迫处理后的第4、12、24 h和第5、15天取倒数第3~5片功能叶片, 液氮速冻后保存于-80 ℃冰箱用于基因表达分析; 在高温处理后的第5 和15天进行冠层高度、叶片电导率、叶绿素荧光和光合作用测定, 同时取倒数第3~5片功能叶片, 液氮速冻后保存于-80 ℃冰箱用于丙二醛和碳水化合物测定分析。

1)冠层高度:在高温处理前和高温处理的第5和15天用直尺测定各盆栽材料的冠层高度(cm)。

2)细胞膜稳定性:用电导率表示, 根据Hu等^[19]的方法进行测定。

3)丙二醛含量(MDA):采用pH 7.8的磷酸缓冲液提取, 然后根据Hu等^[19]的方法用分光光度计(UV7500, 上海)进行测定。

4)叶绿素含量:叶片经二甲基亚砜在室温避光条件下浸提后采用分光光度计法进行测定^[20]。

5)叶绿素荧光:叶片经暗适应30 min后, 采用德国WALZ公司生产的PAM 2500叶绿素仪进行最大光化学效率(F_v /F_m)、光化学猝灭系数(qP)、非光化学淬灭系数(NPQ)、光合电子传递速率(ETR)、PSⅡ 实际光化学效率(Φ _PSⅡ )等叶绿素荧光参数的测定。

6)光合作用:参考Hu 等^[21]的方法, 在上午9: 00-11: 00, 采用Li-6400光合仪直接测定叶片净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、胞间CO₂浓度(C_i)、蒸腾速率(T_r)和CO₂响应曲线(P_n-CO₂); 测定光合作用时设定光强为600 μ mol· m^-2· s^-1, CO₂浓度为400 μ mol· mol^-1, 温度为25 ℃; 用直线回归法求得P_n-CO₂响应曲线的初始斜率, 即为CO₂羧化效率(CE), 根据P_n-C_i曲线计算气孔限制度(L_s):L_s=100%× (A_ca- A_ci)/A_ca(ca 为大气CO₂浓度), 同时用Photosynthesis Assistant软件计算最大光合速率(A_max)、CO₂补偿点(CP)、Rubisco最大羧化速率(V_cmax)和RuBP再生速率(J_max)。

7)碳水化合物测定:样品烘干后研磨过0.425 mm筛, 用92%的乙醇提取后按王正文^[22]的方法用HPLC测定果糖、葡萄糖、蔗糖和淀粉的含量。

8)基因表达分析:总RNA采用Trizol试剂盒参考说明书进行提取, 经Nanodrop 2000检测浓度和纯度以及用1%琼脂糖凝胶电泳检测完整性后, 根据Fermentas cDNA synthesis 试剂盒说明书进行反转录合成cDNA。参考TaKara 公司的SYBR System操作手册, 采用ABI7500实时荧光定量PCR仪进行PCR扩增。每个处理设3个重复。基因特异性引物序列参考表1进行合成^[23], 以YT521-B基因为内参。根据得到的Ct值, 利用2^{-Δ Δ CT}法, 分别计算目标基因在不同处理下的相对表达量。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 试验中所用基因及其引物序列 Table 1 Genes and primers used in the experiment 基因名称Gene name 基因ID Gene ID 因子Factor 引物序列(5'-3') Primer sequence SPS AB232784.1 F GGCACGAGGCTCTCTGTG R CCGACTCCATGAACGATG SS AB232656.1 F CCGTTCATTCTGTTTTTACTAC R CAGGAATGGTGGTCAGGAAC INV GO924787.1 F CCTATTTTACCAGTACAATCCC R CCAACCAAG CAAAATCCTC YT521-B EZ421977 F TGT AGC TTG ATC GCA TAC CC R ACT CCC TGG TAG CCA CCT T SPS: 蔗糖磷酸合成酶Sucrose phosphate synthase; SS: 蔗糖合成酶Sucrose synthetase; INV: 转化酶Invertase; invertin; YT521-B: 看家基因House-keeping gene; F: 正面Forward; R: 反向Reverse.

表1 试验中所用基因及其引物序列 Table 1 Genes and primers used in the experiment

采用SAS 软件进行数据统计分析, 然后采用Duncan’ s多重比较检测处理间的差异显著性(P< 0.05), 采用Sigmaplot 12.0作图。

由图1可以看出, 高温胁迫下黑麦草生长显著受到抑制, 冠层高度在高温处理的第5 和15天时比对照低, 分别为27%和38%。但是外源施用GABA显著缓解了高温胁迫对黑麦草生长的抑制, 在高温处理第5 和15天时施用GABA的处理冠层高度比未施GABA的处理分别了提高了16%和20%。

图1

Fig.1

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	图1 外源GABA对高温胁迫下黑麦草冠层高度的影响 图中竖线表示平均值± 标准误, 不同小写字母表示在同一处理时间内不同处理间差异显著(P< 0.05), 下同。Fig.1 Effect of exogenous GABA on the canopy height in perennial ryegrass under heat stress Vertical bars indicate means± standard error (SE). Different lowercase letters indicate significant difference among treatment at a given day of treatment, the same below.

由图2可知, 在高温胁迫下黑麦草叶片的相对电导率显著升高, 在胁迫的第5和15天时电导率分别提高了31%和78%; 但是高温胁迫下外源施用GABA后, 黑麦草叶片电导率显著降低, 与高温胁迫下未施用GABA的处理相比, 在高温处理的第5和15 天分别下降了30%和28%。

图2

Fig.2

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	图2 外源GABA对高温胁迫下黑麦草叶片电导率的影响Fig.2 Effect of exogenous GABA on the leaf electrolyte leakage in perennial ryegrass under heat stress

从图3可以看出, 高温胁迫下黑麦草叶片的叶绿素含量显著下降, 与对照相比, 在胁迫处理的第5和15天时的含量分别下降了9%和37%; 外源施用GABA后则显著缓解了因高温而造成的叶绿素含量的下降, 在高温处理后的第5和15天, 施用外源GABA的处理比未施GABA的处理叶绿素含量则分别提高了9%和23%。

图3

Fig.3

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	图3 外源GABA对高温胁迫下黑麦草叶绿素含量的影响Fig.3 Effect of exogenous GABA on the leaf chlorophyll content in perennial ryegrass under heat stress

从表2可以看出, 正常温度下施用外源GABA短期内(5 d)提高了黑麦草的ETR, 但对F_v/F_m、Φ _PSⅡ 、qP和NPQ无显著影响, 但较长时间(15 d)后对ETR、F_v/F_m、Φ _PSⅡ 、qP和NPQ均无显著影响。短时间高温(5 d)对黑麦草叶片的F_v/F_m无显著影响, 较长时间高温(15 d)下黑麦草F_v/F_m显著下降; 高温胁迫下黑麦草叶片的ETR、qP和Φ _PSⅡ 显著降低, 而NPQ显著升高; 但高温胁迫下施用外源GABA不论是在短期(5 d)还是较长时间(15 d)内均显著提高了黑麦草叶片的F_v/F_m、ETR、qP和Φ _PSⅡ , 而降低了NPQ; 与高温下未施用GABA相比, 在处理5 d时, ETR、qP和Φ _PSⅡ 分别提高了26%, 9%和13%, 而NPQ则降低了25%; 但到高温处理15 d, F_v/F_m、ETR、qP和Φ _PSⅡ 则分别提高了17%, 50%, 21%和18%, 而NPQ则降低了32%。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 外源GABA对高温胁迫下黑麦草叶片叶绿素荧光参数的影响 Table 2 Effect of exogenous GABA on leaf chlorophyll fluorescence parameters in perennial ryegrass under heat stress 取样时间 Sampling time (d) 处理 Treatment 最大光化学效率 Maximum photochemical efficiency (Fv/Fm) 光合电子传递 效率Electron transport rate (ETR) PSⅡ 实际量子效率 Actual photochemical efficiency of PSⅡ (Φ PSⅡ ) 光化学猝灭系数 Photochemical quench (qP) 非光化学猝灭系数 None photochemical quench (NPQ) 5 0 mmol· L-1 GABA 0.812± 0.065a 45.621± 1.52b 0.498± 0.012a 0.585± 0.023a 0.256± 0.011b 5 mmol· L-1 GABA 0.822± 0.047a 49.165± 2.13a 0.512± 0.018a 0.612± 0.021a 0.265± 0.009b 热处理Heat 0.792± 0.055a 32.354± 1.98d 0.416± 0.019c 0.527± 0.019b 0.375± 0.008a Heat+5 mmol· L-1 GABA 0.808± 0.049a 40.698± 2.14c 0.469± 0.016b 0.576± 0.017a 0.283± 0.012b 15 0 mmol· L-1 GABA 0.806± 0.059a 43.621± 1.65a 0.467± 0.021a 0.568± 0.022a 0.249± 0.013c 5 mmol· L-1 GABA 0.817± 0.063a 47.412± 1.98a 0.498± 0.019a 0.597± 0.021a 0.256± 0.012c 热处理Heat 0.625± 0.047c 16.345± 2.01c 0.311± 0.017c 0.412± 0.019c 0.535± 0.010a Heat+5 mmol· L-1 GABA 0.723± 0.062b 24.542± 1.75b 0.368± 0.016b 0.498± 0.018b 0.364± 0.014b 注:同列中不同小写字母表示同一处理时间不同处理间在P< 0.05水平上差异显著, 下同。 Note: Means in a column marked with different lower-case letters indicate significant difference among treatment at a given day of treatment at P< 0.05 level, the same below.

表2 外源GABA对高温胁迫下黑麦草叶片叶绿素荧光参数的影响 Table 2 Effect of exogenous GABA on leaf chlorophyll fluorescence parameters in perennial ryegrass under heat stress

由表3可知, 施用外源GABA对正常温度下黑麦草的P_n、G_s、C_i和T_r均无显著影响。高温胁迫下除了较长时间(15 d)处理下C_i外, 黑麦草叶片的P_n、G_s和T_r显著降低, 在处理5 d时, 分别降至对照的64%, 52%和67%, 到处理15 d时, 则分别仅为对照的35%, 37%和55%; 高温下黑麦草叶片的C_i在短期内(5 d)显著降低, 而较长时间(15 d)处理下则与对照没有显著性差异。高温胁迫下施用外源GABA显著提高了黑麦草叶片的P_n、G_s和T_r, 与未施GABA的处理相比, 在5 d时分别提高了31%, 45%和18%, 在处理15 d时则分别提高了73%, 45%和34%; 与高温胁迫下未施GABA的处理相比, 施用外源GABA在5 d时显著提高了黑麦草叶片的C_i, 而在处理15 d时则显著降低了叶片C_i。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 外源GABA对高温胁迫下黑麦草叶片光合作用的影响 Table 3 Effect of exogenous GABA on leaf photosynthesis in perennial ryegrass under heat stress 取样时间 Sampling time (d) 处理 Treatment 净光合速率 Net photosynthetic rate (Pn, μ mol· m-2· s-1) 气孔导度 Stomatal conductance (Gs, mol· m-2· s-1) 胞间CO2浓度 Intercellular CO2 concentration (Ci, μ mol· mol-1) 蒸腾速率 Transpiration rate (Tr, mmol· m-2· s-1) 5 0 mmol· L-1 GABA 13.5± 1.01a 0.244± 0.016a 273± 15.6a 5.6± 0.35a 5 mmol· L-1 GABA 13.8± 1.09a 0.251± 0.021a 282± 12.3a 5.8± 0.29a 热处理Heat 8.6± 0.92c 0.128± 0.014c 186± 10.8c 3.8± 0.26c Heat+5 mmol· L-1 GABA 11.3± 0.87b 0.186± 0.013b 231± 13.4b 4.5± 0.34b 15 0 mmol· L-1 GABA 12.9± 1.12a 0.234± 0.019a 271± 13.5a 5.3± 0.37a 5 mmol· L-1 GABA 13.4± 1.20a 0.241± 0.017a 281± 12.9a 5.5± 0.29a 热处理Heat 4.5± 0.68c 0.086± 0.005c 292± 11.8a 2.9± 0.26c Heat+5 mmol· L-1 GABA 7.8± 0.89b 0.125± 0.010b 198± 10.4b 3.9± 0.31b

表3 外源GABA对高温胁迫下黑麦草叶片光合作用的影响 Table 3 Effect of exogenous GABA on leaf photosynthesis in perennial ryegrass under heat stress

由表4可知, 在短期(5 d)处理条件下, 高温胁迫和施用外源GABA对黑麦草叶片的CE、V_cmax和J_max均无显著影响; 处理较长时间(15 d)时, 高温胁迫显著降低了黑麦草叶片的CE、V_cmax和J_max, 但是施用外源GABA则显著缓解了高温条件下CE、V_cmax和J_max的下降, 比未施用GABA的处理分别提高了70%, 31%和23%。高温胁迫显著提高了黑麦草叶片的L_s和CP, 降低了A_max, 但是施用外源GABA则显著缓解了因高温胁迫而造成A_max的下降以及L_s和CP的升高。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 外源GABA对高温胁迫下黑麦草叶片光合特性的影响 Table 4 Effect of exogenous GABA on leaf photosynthetic traits in perennial ryegrass under heat stress 取样时间 Sampling time (d) 处理 Treatment 最大光合速率 Maximum assimilation (Amax, μ mol· m-2· s-1) 气孔限制值 Stomatal limitation (Ls, %) 羧化效率 Carboxylation efficiency (CE) CO2补偿点 Compensation point (CP, μ mol· mol-1) Rubisco最大羧化速率 Maximum velocity of carboxylation rate (Vcmax, μ mol· m-2· s-1) RuBP再生速率 Maximum electron transfer rate (Jmax, μ mol· m-2· s-1) 5 0 mmol· L-1 GABA 17.4± 1.35a 15.3± 1.24c 0.0275± 0.0015a 52.3± 4.38c 62.8± 4.38a 89.6± 6.58a 5 mmol· L-1 GABA 18.2± 1.28a 14.9± 1.39c 0.0281± 0.0021a 51.8± 5.12c 63.4± 5.13a 92.1± 7.12a 热处理Heat 11.5± 1.02c 28.3± 1.89a 0.0245± 0.0019a 75.6± 4.06a 58.9± 4.68a 84.3± 6.08a Heat+5 mmol· L-1 GABA 15.1± 1.17b 20.1± 1.92b 0.0268± 0.0022a 61.4± 4.15b 62.3± 5.09a 86.8± 6.27a 15 0 mmol· L-1 GABA 17.8± 1.56a 15.6± 1.16c 0.0273± 0.0022a 53.7± 4.09c 63.4± 5.01a 87.8± 6.06a 5 mmol· L-1 GABA 18.2± 1.71a 15.2± 1.35c 0.0279± 0.0028a 52.9± 4.16c 64.2± 4.69a 88.6± 6.71a 热处理Heat 7.2± 1.38c 38.6± 2.12a 0.0115± 0.0021c 98.5± 4.38a 38.3± 4.02c 60.5± 5.98c Heat+5 mmol· L-1 GABA 11.6± 1.49b 30.1± 2.38b 0.0196± 0.0019b 74.3± 4.25b 50.1± 4.22b 74.2± 6.34b

表4 外源GABA对高温胁迫下黑麦草叶片光合特性的影响 Table 4 Effect of exogenous GABA on leaf photosynthetic traits in perennial ryegrass under heat stress

从表5可以看出, 在短期(5 d)处理条件下, 高温胁迫和施用外源GABA对黑麦草叶片的果糖含量无显著影响; 处理较长时间(15 d)时, 高温胁迫显著降低了黑麦草叶片的果糖含量, 但是施用外源GABA则显著缓解了高温条件下果糖含量的下降。高温胁迫处理显著降低了黑麦草叶片的葡萄糖、蔗糖和淀粉含量, 在高温处理5 d时, 分别降低至对照的76%, 79%和73%, 在处理15 d时则分别降低至对照的66%, 64%和53%; 高温处理下施用外源GABA显著提高了黑麦草叶片葡萄糖、蔗糖和淀粉的含量, 与未施GABA处理相比, 在处理5 d时, 分别提高了17%, 18%和19%, 在处理15 d时, 则分别提高了24%, 22%和40%。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 外源GABA对高温胁迫下黑麦草叶片碳水化合物含量的影响 Table 5 Effect of exogenous GABA on leaf carbohydrates content in perennial ryegrass under heat stress (mg· g-1 DW) 取样时间Sampling time (d) 处理Treatment 葡萄糖Glucose 果糖Fructose 蔗糖Sucrose 淀粉Starch 5 0 mmol· L-1 GABA 25.3± 1.25a 8.5± 0.68a 22.8± 1.02a 55.2± 3.65a 5 mmol· L-1 GABA 26.7± 1.39a 8.4± 0.75a 23.4± 1.18a 56.8± 3.95a 热处理Heat 19.3± 2.01c 7.2± 0.91a 18.1± 1.21b 40.3± 2.79c Heat+5 mmol· L-1 GABA 22.5± 1.19b 8.1± 0.65a 21.5± 1.16a 47.9± 2.68b 15 0 mmol· L-1 GABA 26.3± 1.65a 8.8± 0.68a 23.7± 1.69a 53.8± 3.25a 5 mmol· L-1 GABA 27.4± 1.49a 8.9± 0.71a 24.2± 1.73a 54.9± 3.19a 热处理Heat 17.5± 1.38c 5.6± 0.59c 15.2± 1.51c 28.3± 2.49c Heat+5 mmol· L-1 GABA 21.6± 1.19b 6.8± 0.58b 18.6± 1.38b 39.6± 2.98b

表5 外源GABA对高温胁迫下黑麦草叶片碳水化合物含量的影响 Table 5 Effect of exogenous GABA on leaf carbohydrates content in perennial ryegrass under heat stress (mg· g-1 DW)

由图4和图5可知, 高温诱导了黑麦草叶片蔗糖磷酸合成酶基因(SPS)和蔗糖合成酶基因(SS)的上调表达, 并且随着处理时间的延长表达水平呈显著上升趋势, 在高温处理24 h时达到顶峰, 随后呈缓慢下降趋势, 在处理15 d时表达量降至对照水平; 在正常生长条件下, 外源施用GABA对SPS和SS基因的表达水平没有显著影响; 但在高温胁迫条件下, 与未施用GABA的处理相比, 外源施用GABA则显著诱导和提高了黑麦草叶片SPS和SS基因的表达水平, 在15 d的处理时间内均显著高于正常对照和高温下未施用GABA的处理。

图4

Fig.4

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	图4 外源GABA对高温胁迫下黑麦草叶片蔗糖磷酸合成酶基因表达的影响Fig.4 Effect of exogenous GABA on the expression level of SPS genes in leaves of perennial ryegrass under heat stress

图5

Fig.5

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	图5 外源GABA对高温胁迫下黑麦草叶片蔗糖合成酶基因表达的影响Fig.5 Effect of exogenous GABA on the expression level of SS genes in leaves of perennial ryegrass under heat stress

由图6可以看出, 高温胁迫诱导了黑麦草叶片转化酶基因(INV)的上调表达, 且随着处理时间的延长表达量上升, 在处理24 h到达顶峰, 随后下降, 在处理5 d以后则降至对照水平。在正常生长条件下, 外源施用GABA对INV基因的表达水平没有显著影响; 在高温胁迫条件下, 与未施用GABA的处理相比, 外源施用GABA则更显著地提高了黑麦草叶片INV基因的表达水平, 除了在处理4 h以外, 在15 d的处理时间内均显著高于正常对照和高温下未施用GABA的处理。

图6

Fig.6

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	图6 外源GABA对高温胁迫下黑麦草叶片转化酶基因表达的影响Fig.6 Effect of exogenous GABA on the expression level of INV gene in leaves of perennial ryegrass under heat stress

高温常造成冷季型草坪草生长发育受阻、草坪质量下降、细胞膜受伤害、叶片枯黄衰老等变化, 而植物的生长速率和电导率常作为衡量植物受高温胁迫损害程度和抗逆性大小的重要指标^[24]。GABA可以作为外源物质参与到植物的生长发育以及逆境调控等一系列的生理过程和抗逆能力^[25]。本试验结果显示, 高温胁迫下黑麦草的生长显著受到抑制, 叶片电导率升高, 但是施用外源GABA后黑麦草的冠层高度增加、细胞膜透性下降, 这表明外源GABA对黑麦草在高温胁迫下的生长具有促进作用, 施用外源GABA可以显著提高黑麦草的耐高温能力, 这与在冷季型草坪草匍匐剪股颖中的研究结果相一致^[17]。

光合作用是植物对外界环境因子最敏感的生理过程之一, 在一定程度上可反映植株对逆境胁迫的抗性^[3]。高温胁迫下植物叶片光合作用的降低既受气孔因素的限制, 同时也受非气孔因素的影响^[4]。根据Farquhar等^[26]观点, 气孔因素引起的P_n降低表现为G_s和C_i都降低, 而非气孔因素引起P_n降低则伴随着G_s的下降而C_i升高。本试验结果显示, 在高温胁迫5 d时, 黑麦草叶片的P_n随着G_s和C_i下降而降低, 且CE、V_cmax和J_max无显著性变化, 但在高温胁迫15 d时P_n和G_s显著下降, 而C_i则没有下降甚至升高, 并且CE、V_cmax和J_max均显著降低, 表明在短时间高温或轻度高温胁迫时, P_n的下降主要受气孔导度的下降等气孔因素的影响, 而在较长时间的高温胁迫或重度高温胁迫下光合作用的下降主要是受CE、V_cmax和J_max等非气孔因素的限制, 这与前人的研究结果基本一致^{[27, 28]}。已有研究证明外源喷施GABA能调节盐碱等逆境条件下植物叶片的光合性能^[29]。本研究结果显示, 高温胁迫下施用外源GABA后黑麦草叶片的P_n显著提高, 缓解了高温对G_s和T_r的抑制, 减少了C_i的积累, 此外还显著提高了A_max、CE、V_cmax和J_max, 表明外源GABA可通过缓解高温对叶片气孔和非气孔因素的限制, 从而改善了黑麦草叶片的光合特性, 提高了植株的耐热性, 这与黄娟等^[30]在黄瓜上的研究结果一致。

叶绿素荧光参数对环境逆境胁迫反应敏感, 可反映环境因子对植物光合生理状况的影响^[31]。因此, 对叶片叶绿素荧光参数的测量成为评价逆境胁迫对植物光合器官损伤的重要指标^[32]。本试验结果显示, 高温胁迫下黑麦草叶片的F_v/F_m、qP、ETR和Φ _PSⅡ 显著下降, 而NPQ显著升高, 表明在高温胁迫下黑麦草叶片的光系统Ⅱ 活性中心受到了伤害, 光能转换效率和电子传递能力下降, 光能利用率降低, 光能过剩加剧了对叶片光合的抑制和光合器官的破坏, 从而造成了叶绿素荧光参数的下降, 这与在冷季型草坪草高羊茅(Testuca arundinacea)中的研究相一致^[27]。维持植物光合器官结构的稳定, 提高叶片光合能力对抵抗逆境胁迫至关重要。前人研究表明^[11], 施用GABA可提高低氧胁迫下甜瓜叶片和盐胁迫下番茄叶片的光合能力。在本研究中, 外源施用GABA显著提高了高温胁迫下黑麦草叶片的F_v/F_m、qP、ETR和Φ _PSⅡ , 降低了NPQ, 表明外源GABA可提高光系统Ⅱ 反应中心的光能转换效率、潜在活性和开放比例, 同时还增强了过剩光能的耗散, 有利于减轻高温胁迫对光合的抑制, 增强光合系统反应中心的稳定性, 从而减轻高温胁迫对黑麦草叶片光合器官造成的损伤, 提高了高温胁迫下黑麦草的光合能力和耐热性。

不同的植物种类对温度的敏感性和耐受性不同, 一定范围内的高温可以促进植物体内的生理生化反应, 从而促进光合和碳水化合物代谢, 而过高的温度便可降低光合作用, 增强了呼吸作用而消耗了更多的碳水化合物等能量物质使其含量显著降低^[33]。逆境条件下可溶性糖(包括蔗糖、果糖、葡萄糖等)的增加能够增加细胞汁液浓度, 有利于细胞结构的稳定, 从而能够维持逆境下细胞内正常的生理代谢而提高抗逆性^[34]。前期的研究结果表明^[18], 高温胁迫下可溶性糖和淀粉含量显著下降, 并且其含量的高低与黑麦草的耐热能力密切相关。在马铃薯(Solanum tuberosum)中发现, 高温胁迫下其叶片蔗糖含量升高, 淀粉含量减少, 而葡萄糖含量无显著变化, 这可能与蔗糖合成酶(SS)和转化酶(INV)酶活性的提高有关^{[7, 35]}, 而在甘蔗(Saccharum officinarum)中却发现, 高温胁迫下其叶片的糖代谢关键酶(SS、SPS、INV)活性都降低, 蔗糖和淀粉含量减少^[35]。本研究结果显示, 短期的高温胁迫下(5 d)黑麦草叶片的SPS、SS和INV酶基因的表达量显著升高, 而在较长时间(15 d)的高温胁迫下表达水平显著下降, 同时叶片的葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉等碳水化合物含量也显著下降, 表明高温对黑麦草的碳水化合物代谢造成了影响, 致使光合产物减少, 代谢关键酶基因表达量降低, 促进了呼吸作用使淀粉分解而含量下降。但是, 高温胁迫下施用外源GABA, 显著提高了黑麦草叶片SPS、SS和INV酶基因的表达水平和碳水化合物(蔗糖、果糖、葡萄糖、淀粉)含量, 表明外源GABA可通过缓解高温胁迫下光合作用的下降和提高碳水化合物代谢关键酶基因的表达水平和光合产物, 从而提高了碳水化合物代谢水平和增强了黑麦草的耐高温能力。