周曉明,張志勇,王小純,熊淑萍,韓錦峰,馬新明*(.河南省許昌市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,河南 許昌 4607； .河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/小麥玉米作物學(xué)國家重點實驗室,河南 鄭州 45000； 3.河南省糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 45000；4.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河南 鄭州 45000)

不同氮效率小麥的氮代謝特征及GS酶活性與氮代謝指標(biāo)的相關(guān)性研究

周曉明1,張志勇2,3,王小純3,4,熊淑萍2,韓錦峰2,馬新明2*
(1.河南省許昌市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,河南 許昌 461107； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/小麥玉米作物學(xué)國家重點實驗室,河南 鄭州 450002； 3.河南省糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450002；4.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河南 鄭州 450002)

以豫麥49-198、漯麥18 (低氮高效型,LH)和西農(nóng)509、矮抗58(低氮低效型,LL)4個品種為材料,采用盆栽試驗研究3個不同施氮水平(0、120、225 kg/hm2N)下小麥不同生育時期的氮素轉(zhuǎn)運特征,并分析谷氨酰胺合成酶(GS)活性、氮代謝指標(biāo)(游離氨基酸、可溶性蛋白含量)及兩者的相關(guān)性。結(jié)果表明,LH型品種的籽粒氮素分配比例均高于LL型品種,且氮素分配比例隨著施氮量的增大而減??；LL型品種的營養(yǎng)器官氮素分配比例較LH型品種高,且氮素分配比例總體隨施氮量的增大而增大；總體上功能葉和穗下節(jié)中GS活性表現(xiàn)為LH型>LL型,且隨施氮量的增加而增加；總體上不同施氮量處理功能葉和穗下節(jié)中游離氨基酸、可溶性蛋白含量均隨施氮量的增加而增大,不同氮效率品種的功能葉和穗下節(jié)中游離氨基酸、可溶性蛋白含量均表現(xiàn)為LH型>LL型；功能葉和穗下節(jié)中GS活性與可溶性蛋白、游離氨基酸含量的相關(guān)性均達到顯著或極顯著水平,且在開花后7 d時相關(guān)性達到最高?；ê? d時的GS活性可作為小麥營養(yǎng)診斷的一個參考指標(biāo)。

小麥； 氮代謝； 氮素利用效率； 供氮水平； 谷氨酰胺合成酶

1 材料和方法

1.1 試驗地點

試驗于2014—2015年在河南省鄭州市河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)試驗田(113°35′10.19″E、34°51′54.02″N)進行。土壤質(zhì)地為砂壤土,取0～30 cm耕層土壤過0.8 cm孔篩后裝盆(盆高35 cm,直徑38 cm),每盆裝風(fēng)干土20 kg,土壤含全氮0.79 g/kg、速效氮68.5 mg/kg、速效磷14.35 mg/kg、速效鉀143.89 mg/kg、有機質(zhì)11.31 g/kg,土壤容重1.12 g/cm3,pH值7.90。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)供氮水平與小麥品種2個因素,采用裂區(qū)設(shè)計,其中主區(qū)為施氮(純氮)水平,設(shè)0 kg/hm2(N0)、120 kg/hm2(N120)、225 kg/hm2(N225)3個水平；副區(qū)為小麥品種,分別為低氮高效型(LH型)品種豫麥49-198、漯麥18和低氮低效型(LL型)品種西農(nóng)509、矮抗58等4個品種。于2014年10月12日統(tǒng)一播種,每盆播15株,重復(fù)3次。所用底肥為尿素(含N 46%),N0處理為0 g/盆,N120處理為1.61 g/盆,N225處理為3.02 g/盆；過磷酸鈣(含P2O514%),所有處理均為2.86 g/盆；硫酸鉀(含K2O 34%),所有處理均為2.75 g/盆。拔節(jié)前期追肥,各處理追施尿素用量同基肥量,其他栽培措施同一般高產(chǎn)田管理。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 GS活性 分別于小麥越冬期(WS)、拔節(jié)期(JS)、開花期(FS)及花后7 d(F7)、14 d(F14)、21 d(F21)取小麥新鮮葉片(越冬期、拔節(jié)期為植株上部第一片完全展開葉,開花期至花后21 d 為旗葉),于開花期及花后7 d、14 d、21 d 取小麥主莖穗下節(jié),在冰浴條件下研磨,并于13 000 r/min離心得到粗酶提取液,測定GS活性。1個GS活性單位為25 ℃下每分鐘催化產(chǎn)生1 μmo1γ-谷氨酰異羥肟酸所需酶量,本研究GS 活性以1 h 內(nèi)生成的產(chǎn)物γ-谷氨?；蹼克嵩?40 nm 處的吸光值表示。

1.3.2 氮代謝指標(biāo) 對1.3.1取得的樣品,采用考馬斯亮藍G-250法測定可溶性蛋白含量[10]；采用水合茚三酮比色法測定游離氨基酸含量[11]；分別于小麥越冬期、拔節(jié)期、開花期及花后7 d、14 d、21 d 取長勢均勻的10株小麥,分為根系、葉片、莖、穗(無籽粒)、籽粒5部分,在105 ℃下殺青20 min,并于80 ℃下烘干,稱質(zhì)量,分部位粉碎后在380 ℃下進行消煮，然后用連續(xù)流動分析儀SEAL-AA3 測定氮積累量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 進行數(shù)據(jù)處理,用SPSS 22進行方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮水平下不同氮效率小麥各器官氮素分配情況

從表1可以看出,不同氮效率類型小麥品種各器官氮素積累量和分配比例差異明顯。小麥不同器官間氮素分配比例表現(xiàn)為：籽粒分配比例最高,占52.11%～75.74%；根系、葉片、莖和穗4個器官分配比例相近,約占10%。不同施氮量處理小麥籽粒氮素積累量和分配比例均表現(xiàn)為N0>N120>N225,即隨施氮水平的升高而逐漸降低；根系、葉片、莖和穗的氮素積累量和分配比例總體上隨施氮水平的提高而逐漸升高；植株氮素積累量隨著施氮水平的提高逐漸升高。不同氮素利用效率類型小麥品種間籽粒氮素積累量和分配比例均表現(xiàn)為LH型>LL型,N0、N120、N225處理LH型小麥品種籽粒氮素分配比例分別較LL型高30.79%、22.86%、21.85%；根系、葉片、莖和穗的氮素積累量和分配比例總體均表現(xiàn)為LH型LL型,N0、N120、N225處理LH型小麥品種植株氮素積累量分別較LL型高9.43%、9.73%、6.11%。

表1 不同氮水平下不同氮效率小麥各部位的氮素分配量與分配比例

注：LM18代表漯麥18，YM49-198代表豫麥49-198，XN509代表西農(nóng)509，AK58代表矮抗58。

2.2 不同氮水平下不同氮效率小麥功能葉與穗下節(jié)GS活性

功能葉和穗下節(jié)分別作為氮同化和轉(zhuǎn)運的主要器官,在氮素積累和分配中起重要的作用。從圖1可以看出,同時期的小麥GS活性均表現(xiàn)為功能葉>穗下節(jié),且隨著生育期的推進,功能葉和穗下節(jié)的GS活性均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,在開花后7 d達到最大值；總體上，不同施氮量處理間小麥功能葉和穗下節(jié)GS活性均表現(xiàn)為N225>N120>N0,即提高供氮量能提高不同氮效率類型小麥品種的GS活性；在各供氮水平下,LH型品種的GS活性總體上均較LL型高,在開花后7 d時,功能葉和穗下節(jié)LH型小麥GS活性分別較LL型高20.28%和17.05%。

圖1 不同氮水平下不同氮效率小麥功能葉與穗下節(jié)GS活性

2.3 不同氮水平下不同氮效率小麥功能葉與穗下節(jié)游離氨基酸含量

游離氨基酸在植物細胞中以游離態(tài)存在,可被用于合成氨基酸和蛋白質(zhì),是植物氮運輸?shù)闹饕问絒8]。由圖2可知,隨著生育期的推進,不同氮水平下小麥功能葉和穗下節(jié)中的游離氨基酸含量總體均表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢；不同施氮量處理的游離氨基酸含量總體表現(xiàn)為N225>N120>N0；不同氮效率品種間功能葉和穗下節(jié)游離氨基酸含量總體表現(xiàn)為LH型>LL型, LH型較LL型分別提高9.24%和14.44%。游離氨基酸含量峰值出現(xiàn)時間功能葉較穗下節(jié)早,分別出現(xiàn)在花后7 d和14 d,這是由于同化器官中游離氨基酸積累到一定量后,由穗下節(jié)向穗部轉(zhuǎn)運,造成穗下節(jié)游離氨基酸含量峰值出現(xiàn)較晚。

圖2 不同氮水平下不同氮效率小麥功能葉與穗下節(jié)游離氨基酸含量

2.4 不同氮水平下不同氮效率小麥功能葉與穗下節(jié)可溶性蛋白含量

可溶性蛋白是小麥氮素同化物累積的主要形式和最終產(chǎn)物,在同化物代謝過程中起著重要作用,也是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[12]。從圖3可以看出,隨著生育期的推進,不同氮水平下小麥功能葉和穗下節(jié)可溶性蛋白含量均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢,且均在開花后7 d達到最大值；穗下節(jié)中的可溶性蛋白含量在開花期較低,到花后7 d迅速增加,而后緩慢下降；不同施氮量處理間可溶性蛋白含量總體表現(xiàn)為N225>N120>N0；同時期不同氮效率類型品種間可溶性蛋白含量總體均表現(xiàn)為LH型>LL型；器官間可溶性蛋白含量表現(xiàn)為功能葉>穗下節(jié),在N120條件下,開花后7 d,LH型品種功能葉、穗下節(jié)中可溶性蛋白含量分別較LL型品種高21.45%、13.53%。

圖3 不同氮水平下不同氮效率小麥功能葉與穗下節(jié)可溶性蛋白含量

2.5 小麥不同器官GS活性與氮代謝指標(biāo)相關(guān)性分析

從表2可知,不同氮效率類型小麥功能葉和穗下節(jié)的GS活性與可溶性蛋白、游離氨基酸含量均達到極顯著正相關(guān),相關(guān)性介于0.630～0.947,不同氮代謝指標(biāo)間相關(guān)性表現(xiàn)為游離氨基酸含量>可溶性蛋白含量,不同類型間相關(guān)性表現(xiàn)為LL型>LH型。

表2 不同氮效率小麥GS活性與氮代謝指標(biāo)的相關(guān)性

注：**表示相關(guān)性極顯著(P<0.01),*表示相關(guān)性顯著(P<0.05),下同。

從表3可以看到,不同施氮量處理小麥功能葉的GS活性與可溶性蛋白、游離氨基酸含量均呈極顯著正相關(guān),且相關(guān)性表現(xiàn)為N225>N120>N0。穗下節(jié)GS活性與游離氨基酸含量呈極顯著正相關(guān),但相關(guān)性隨施氮量變化不明顯,N0條件下相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)達到0.965；穗下節(jié)GS活性與可溶性蛋白含量呈顯著、極顯著正相關(guān),且相關(guān)性表現(xiàn)為N225>N120>N0。

表3 不同氮水平下小麥GS活性與氮代謝指標(biāo)的相關(guān)性分析

從表4可知,小麥功能葉GS活性與可溶性蛋白、游離氨基酸含量的相關(guān)性隨著生育期的推進先升高后降低,在開花后7 d相關(guān)性最高，且均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)；在開花后14 d也均呈極顯著正相關(guān)；在開花后21 d與可溶性蛋白含量呈顯著正相關(guān),但與游離氨基酸含量無相關(guān)性；另外,在開花期,與游離氨基酸含量呈極顯著正相關(guān)。穗下節(jié)GS活性和可溶性蛋白、游離氨基酸含量的相關(guān)性隨著生育期的推進也呈先升高后降低的趨勢,在開花后7 d相關(guān)性最高,呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別達到0.795、0.833；在開花后14 d,GS活性與可溶性蛋白、游離氨基酸含量分別呈顯著、極顯著正相關(guān)；在花后21 d,GS活性與游離氨基酸含量和可溶性蛋白含量均無顯著相關(guān)性。

表4 不同生育時期小麥GS活性與氮代謝指標(biāo)的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

GS作為氮同化與轉(zhuǎn)移利用的關(guān)鍵酶,其活性和作用因作物生長發(fā)育時期、環(huán)境條件、組織器官和細胞氮代謝情況的不同而異[13]。小麥的氮代謝過程主要包括吸收、同化、轉(zhuǎn)運和再利用。Moll等[14]研究表明,低氮條件下氮素利用和分配對植物氮效率造成更大影響,而高氮條件下氮素吸收對氮效率影響更顯著。本研究結(jié)果表明,LH型小麥品種的GS活性和氮代謝指標(biāo)與LL型品種有明顯差異,穗下節(jié)作為源器官向庫器官轉(zhuǎn)運的唯一通道,在籽粒灌漿階段氮素代謝物向籽粒轉(zhuǎn)運的過程中起到關(guān)鍵作用,同時相關(guān)性分析也表明GS活性可能在不同時期的不同器官分別參與調(diào)控了氮素的同化和轉(zhuǎn)運過程,不同氮效率類型品種間的調(diào)控差異可能是造成2種類型小麥品種氮素利用效率差異的主要原因,這與孫永健等[15]在水稻中的研究結(jié)果相類似。不同氮效率類型小麥品種GS活性和氮代謝指標(biāo)差異主要表現(xiàn)在小麥拔節(jié)期到開花后7 d,也是小麥同化轉(zhuǎn)運氮代謝產(chǎn)物最旺盛的時期,為籽粒灌漿前的關(guān)鍵期,GS活性的提高可以有效提高氮素的同化和轉(zhuǎn)運能力,促進氮同化物由源器官向庫器官的轉(zhuǎn)運,是造成2類品種氮素利用效率差異的主要內(nèi)在因素。

不同氮效率類型小麥品種GS活性與氮代謝相關(guān)指標(biāo)有極顯著的正相關(guān)性,LH型、LL型小麥功能葉和穗下節(jié)GS活性與可溶性蛋白含量的相關(guān)系數(shù)分別達到0.828、0.857和0.643、0.630,與游離氨基酸含量的相關(guān)系數(shù)分別達到0.900、0.911和0.920、0.947,這與Kichey等[4]運用N15同位素標(biāo)記法得到的研究結(jié)果相類似。隨著施氮量的增加,功能葉和穗下節(jié)中的GS活性總體呈現(xiàn)增高趨勢,且與氮代謝物含量的相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢,從側(cè)面表明了GS活性的高低可以直接作用于氮代謝物的合成和轉(zhuǎn)運,這與熊淑萍等[16]的研究結(jié)果相類似。

影響植株氮素利用效率的因素很多,本研究從不同氮效率品種的氮代謝特征出發(fā),研究不同氮水平下小麥氮代謝特征發(fā)現(xiàn),LH型品種的籽粒氮素分配比例均高于LL型品種,且氮素分配比例隨著施氮量的增大而減小；LL型品種的營養(yǎng)器官氮素分配比例較LH型品種高,且氮素分配比例總體隨著施氮量的增大而增大；LH型品種的GS活性總體上高于LL型品種,且GS活性與可溶性蛋白、游離氨基酸含量有極顯著的相關(guān)性,功能葉和穗下節(jié)均在開花后7 d時相關(guān)性最高,可將此時的GS活性作為小麥營養(yǎng)診斷的一個參考指標(biāo)。

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Studies on Nitrogen Metabolism Characteristics of Wheat Varieties with Different Nitrogen Use Efficiency and Correlation between GS Activity and Nitrogen Metabolism Markers

ZHOU Xiaoming1,ZHANG Zhiyong2,3,WANG Xiaochun3,4,XIONG Shuping2,HAN Jinfeng2,MA Xinming2*
(1.Institute of Xuchang Agricultural Sciences,Xuchang 461107,China; 2.College of Agronomy,Henan Agricultural University/Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops/National Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science,Zhengzhou 450002,China; 3.Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops,Zhengzhou 450002,China; 4.College of Life Science,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China)

Yumai 49-198 and Luomai 18 with high nitrogen use efficiency(NUE) under low nitrogen level(LH type),Xinong 509 and Aikang 58 with low NUE under low nitrogen level(LL type) were chosen as materials to study the nitrogen metabolism characteristics of wheat varieties with different NUE and the correlation between GS activity and nitrogen metabolism markers (free amino acid content,soluble protein content) under nitrogen levels of N0 (0 kg/ha),N120 (120 kg/ha) and N225 (225 kg/ha) in the field by pot experiment.The results showed that grain nitrogen distribution proportion of LH type was higher than that of LL type,and decreased with the increase of fertilizer supply;vegetative organs nitrogen distribution proportion of LL type was higher than that of LH type,and increased with the increase of fertilizer supply;on the whole,GS activity of function leaf and peduncle of LH type was significantly higher than that of LL type,and increased with the increase of fertilizer supply;on the whole,the free amino acid and soluble protein contents showed LH type>LL type in function leaf and peduncle,and increased with the increase of fertilizer supply;there were significant relationships between GS activity and free amino acid,soluble protein contents in function leaf and peduncle,the correlation coefficient reached the highest value at 7 d after anthesis.GS activity could be a reference index to diagnose the nutritional status of wheat at 7 d after anthesis.

wheat; nitrogen metabolism; nitrogen use efficiency; nitrogen supply levels; glutamine synthetase

2016-02-25

國家自然科學(xué)基金項目(31271650)

周曉明(1962-)，男，河南許昌人，高級農(nóng)藝師，碩士，主要從事小麥生產(chǎn)與科研管理工作。 E-mail：zhouxm1962@126.com

*通訊作者：馬新明(1962-)，男，河南許昌人，教授，主要從事小麥栽培及農(nóng)業(yè)信息化研究。E-mail：xinmingma@126.com

S512.1

A

1004-3268(2016)09-0015-07