金正勛，王 珊，王思宇，王 劍，張忠臣，李鋼夑，樸鐘澤

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030；2.韓國(guó)農(nóng)村振興廳農(nóng)業(yè)科學(xué)院，全羅北道全州 54874；3.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物育種栽培研究所，上海 201403）

水稻產(chǎn)量和品質(zhì)形成主要是淀粉和蛋白質(zhì)合成與積累過(guò)程，水稻籽粒中淀粉占糙米質(zhì)量90%，蛋白質(zhì)占8%～10%。蛋白質(zhì)含量、直鏈淀粉含量及支鏈淀粉鏈長(zhǎng)精細(xì)結(jié)構(gòu)影響水稻產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。淀粉生物合成過(guò)程中由多個(gè)關(guān)鍵酶基因擔(dān)負(fù)特殊功能，如GBSS1、AGPL2、SSSⅠ、SBEⅡb和ISA1，每個(gè)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量直接影響其對(duì)應(yīng)酶活性，造成淀粉含量和精細(xì)結(jié)構(gòu)變化，影響淀粉品質(zhì)；RSR1 轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控淀粉合成相關(guān)酶基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)，RSR1表達(dá)水平與淀粉合成關(guān)鍵酶基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平關(guān)系密切[2]。谷氨酰胺合成酶（GS）是無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮第一步，對(duì)植物組織蛋白質(zhì)含量影響較大[3]。轉(zhuǎn)錄表達(dá)是基因表達(dá)調(diào)控重要環(huán)節(jié)之一，轉(zhuǎn)錄表達(dá)量與酶活性和基因性狀表現(xiàn)線性關(guān)系密切。稻米淀粉和蛋白質(zhì)合成與積累通常是基因型、環(huán)境及其互作結(jié)果，碳氮代謝相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量易受溫度、水分脅迫及土壤養(yǎng)分等外源環(huán)境影響[4-5]。

鉀是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，在水稻中廣泛參與植株體光合作用、細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)、酶活化、蛋白質(zhì)合成、籽粒品質(zhì)及產(chǎn)量形成等過(guò)程，稱為品質(zhì)元素。關(guān)于鉀素對(duì)水稻籽粒碳氮代謝的影響，普遍認(rèn)為其直接提高籽粒蛋白質(zhì)含量，影響籽粒淀粉組分及含量，適量鉀素可降低直鏈淀粉含量及直鏈與支鏈淀粉比。目前鉀素對(duì)稻米品質(zhì)研究集中在生理生化對(duì)碳氮代謝產(chǎn)物含量的影響，尤其是水稻產(chǎn)量因素構(gòu)成及品質(zhì)分析占主體[6]，而鉀素對(duì)水稻籽粒品質(zhì)形成過(guò)程中碳氮代謝相關(guān)酶基因家族轉(zhuǎn)錄表達(dá)量影響研究較少。因此，本試驗(yàn)選用兩個(gè)不同穗型水稻品種，研究鉀素施用量對(duì)水稻籽粒灌漿過(guò)程中氮素同化關(guān)鍵酶基因GS1:3 及調(diào)控淀粉精細(xì)比例相關(guān)的GBSS1、AGPL2、SSSⅠ、SBEⅡb、ISA1 和轉(zhuǎn)錄因子RSR1基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量的影響，旨在闡明鉀素營(yíng)養(yǎng)對(duì)水稻碳氮代謝分子調(diào)控機(jī)理，為建立優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)處理

選用穗重型超級(jí)稻品種松粳9號(hào)及穗數(shù)型國(guó)標(biāo)一級(jí)優(yōu)質(zhì)米品種龍稻18號(hào)，于2018年和2019年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院盆栽場(chǎng)開(kāi)展盆栽試驗(yàn)，盆規(guī)格長(zhǎng)×寬×高為60 cm×40 cm×40 cm。大缽體盤(pán)育苗，4 月7 日播種，每個(gè)孔播2 粒催芽籽，大棚旱育秧管理，5 月18 日選長(zhǎng)勢(shì)一致且健壯秧苗插秧，行距30 cm，穴距10 cm，每盆插2行8穴，每穴插2 顆苗，每個(gè)品種各處理插3 盆，3 次重復(fù)，正常水管理。

全生育期總施氮量為純氮105 kg·hm-2，N:P為1:0.5，以盆表面積折算成每盆施肥量。在此施氮肥基礎(chǔ)上根據(jù)寒地水稻栽培施鉀水平設(shè)4個(gè)施鉀肥處理，以T1不施鉀肥為對(duì)照，T2、T3和T4的N:K分別為1:0.5、1:1 和1:1.5，施用肥料為分析純尿素、磷酸二銨和硫酸鉀。施肥方法為全部磷肥、50%總氮肥量和50%總鉀肥量作為基肥，20%總氮肥量作為分蘗肥，30%總氮肥量和50%總鉀肥量作為穗肥。分蘗肥在第5片葉完全展開(kāi)后施入，穗肥倒2葉展開(kāi)約50%時(shí)施入。

1.2 取樣方法

植株取樣方法：施入穗肥后分別于第0、15、30 天取樣，每次各處理選取兩穴代表性植株地上部分，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，用粉樣機(jī)粉碎，過(guò)60 目篩，制成干粉樣品，用于測(cè)定植株全鉀含量。

籽粒取樣方法：供試松粳9 號(hào)和龍稻18 號(hào)集中抽穗日期分別為7 月27 日和7 月20 日，各處理選取長(zhǎng)勢(shì)一致且同日穗部抽出葉鞘3 cm 穗掛牌標(biāo)記，分別在抽穗后10、20 和30 d 取掛牌標(biāo)記穗，每個(gè)重復(fù)每次取3個(gè)穗，迅速用液氮處理后選取穗中部灌漿程度基本一致籽粒30 粒，低溫去穎殼后將其混合放入密封凍存管中，置于-80 ℃冰柜中保存用于后續(xù)試驗(yàn)。

1.3 植株全鉀含量測(cè)定

采用火焰光度計(jì)法測(cè)定植株全鉀含量[7]，每個(gè)樣品重復(fù)3次。

1.4 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量測(cè)定方法

取-80 ℃冰柜中保存籽粒，采用Trizol 法提取總RNA，用脫氧核糖核酸酶DNaseⅠ消除基因組DNA 污染后，采用反轉(zhuǎn)錄試劑盒（NOVA，購(gòu)自江蘇愚公生命科技有限公司）合成cDNA。使用NCBI（http://www.ncbi.nlm.nih.gov）已公布基因DNA 序列，Premier 5.0 軟件設(shè)計(jì)qRT-PCR 引物（見(jiàn)表1）。以cDNA 為模板，Actin1為內(nèi)參基因，參照TaqSYBR?Green qPCR 試劑盒作qRT-PCR，每個(gè)樣品重復(fù)3次。采用實(shí)時(shí)熒光定量法測(cè)定基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量，參照Delte- DelteCt 法分析基因相對(duì)轉(zhuǎn)錄表達(dá)量[8]，①ΔCt=Ct（目的基因）-Ct（內(nèi)參基因）；②ΔΔCt=ΔCt（試驗(yàn)組）-ΔCt（對(duì)照組）；③基因表達(dá)量=2-ΔΔCt。

表1 qRT-PCR反應(yīng)引物設(shè)計(jì)Table 1 Desgin of qRT-PCR reaction primer

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

2018 年與2019 年試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，本文選用2019 年試驗(yàn)數(shù)據(jù)作分析，數(shù)據(jù)處理采用Excel 2007和SPSS 23.0軟件，LSD法作顯著性測(cè)驗(yàn)。

基因下調(diào)率（%）=（對(duì)照基因表達(dá)量-處理基因表達(dá)量）/對(duì)照基因表達(dá)量×100%；

基因上調(diào)率（%）=（處理基因表達(dá)量-對(duì)照基因表達(dá)量）/對(duì)照基因表達(dá)量×100%；

基因衰減率（%）=（抽穗后20 d 基因表達(dá)量-抽穗后30 d 基因表達(dá)量）/抽穗后20 d 基因表達(dá)量×100%；

基因上升率（%）=（抽穗后30 d 基因表達(dá)量-抽穗后20 d 基因表達(dá)量）/抽穗后20 d 基因表達(dá)量×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鉀肥處理對(duì)植株全鉀含量的影響

由表2可見(jiàn)，供試兩個(gè)不同穗型品種施鉀肥處理各時(shí)期植株全鉀含量均極顯著高于未施鉀肥處理（T1），且隨施鉀肥量增加植株全鉀含量也逐漸升高，其升高幅度超級(jí)稻品種松粳9 號(hào)為14.30%～25.79%，優(yōu)質(zhì)品種龍稻18號(hào)為8.07%～20.98%，升高幅度因品種穗型不同而異，說(shuō)明增加土壤鉀素含量極顯著提高不同穗型水稻品種生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中植株全鉀含量。隨生長(zhǎng)進(jìn)程植株鉀素含量逐漸下降，下降幅度高達(dá)48.73%～52.37%，但兩個(gè)不同穗型品種增施鉀肥各處理植株全鉀含量仍極顯著高于未施鉀肥處理（T1），說(shuō)明增施鉀肥可維持植株較高鉀含量。

2.2 鉀素對(duì)灌漿不同時(shí)期籽粒GBSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量的影響

3 個(gè)不同灌漿時(shí)期籽粒GBSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量方差分析結(jié)果表明，兩個(gè)不同穗型品種在不同鉀素施入量下均存在極顯著差異，說(shuō)明不同灌漿時(shí)期籽粒GBSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素調(diào)控響應(yīng)有極顯著差異，受鉀素調(diào)控影響基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量發(fā)生極顯著變異。

多重比較可知（見(jiàn)表3），供試兩個(gè)不同穗型品種灌漿不同時(shí)期籽粒GBSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)各處理響應(yīng)值較不施鉀素對(duì)照T1降低，表明GBSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素調(diào)控有明顯響應(yīng)。兩個(gè)不同穗型水稻品種灌漿期間GBSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素調(diào)控響應(yīng)一致，均為T(mén)1>T2>T3>T4。從基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量下調(diào)率比較可知，隨鉀素施入量提高其下調(diào)率逐漸升高，T4 處理下調(diào)率最高。兩個(gè)不同穗型水稻品種平均下調(diào)率分別為10.02%和9.78%。說(shuō)明鉀素對(duì)籽粒GBSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量具有調(diào)控作用，基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量響應(yīng)值因品種穗型及灌漿時(shí)期不同，差異較大。

由表3可見(jiàn)，在灌漿過(guò)程中供試兩個(gè)不同穗型水稻品種在鉀素調(diào)控下籽粒GBSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量呈單峰曲線變化，抽穗后20 d 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量達(dá)峰值，后開(kāi)始下降，但鉀素施入量不同下降速率和程度差異較大。從基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量衰減率比較可知，隨鉀素施入量增加，兩個(gè)不同穗型水稻品種衰減率變化不顯著，說(shuō)明鉀素施入量提高對(duì)各時(shí)期基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量有顯著抑制作用，但對(duì)衰減率無(wú)顯著影響。

表2 鉀素施入量對(duì)植株全鉀含量的影響Table 2 Effect of potassium application rate on the total potassium content of plants

表3 水稻灌漿不同時(shí)期GBSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素的響應(yīng)Table 3 Response of the transcriptional expression of GBSSⅠgene to potassium in different stages of rice grain filling

2.3 鉀素對(duì)灌漿不同時(shí)期籽粒AGPL2 和SSSⅠ及SBEПb和ISA1基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量的影響

3 個(gè)不同灌漿時(shí)期籽粒AGPL2 和SSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量方差分析結(jié)果表明，兩個(gè)不同穗型品種在不同鉀素施入量下均存在極顯著差異，說(shuō)明灌漿不同時(shí)期籽粒AGPL2和SSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素調(diào)控響應(yīng)有極顯著差異，受鉀素調(diào)控影響基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量發(fā)生極顯著變異。進(jìn)一步多重比較可知（見(jiàn)表4），供試兩個(gè)不同穗型品種灌漿不同時(shí)期籽粒AGPL2和SSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)各處理響應(yīng)值均較不施鉀素對(duì)照T1升高，T4處理最高，表明AGPL2和SSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素調(diào)控有明顯響應(yīng)。兩個(gè)不同穗型水稻品種灌漿期間AGPL2和SSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素調(diào)控響應(yīng)接近，均為T(mén)4>T3>T2>T1。從基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量上調(diào)率比較可知，隨鉀素施入量增加其上調(diào)率逐漸升高，兩個(gè)不同穗型水稻品種AGPL2 平均上調(diào)率分別為20.89%和16.80%，SSS Ⅰ平均上調(diào)率分別為20.58%和21.95%，說(shuō)明鉀素對(duì)籽粒AGPL2 和SSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量均具有調(diào)控作用，且基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量響應(yīng)值因品種穗型及灌漿時(shí)期不同而差異較大。

表4 水稻灌漿不同時(shí)期AGPL2及SSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素的響應(yīng)Table 4 Response of AGPL2 and SSSⅠgene transcription expression levels to potassium in different stages of rice grain filling

由表4可知，在灌漿過(guò)程中供試兩個(gè)不同穗型水稻品種在鉀素調(diào)控下籽粒AGPL2和SSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量呈單峰曲線變化，抽穗后20 d 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量達(dá)峰值，后開(kāi)始下降，但不同鉀素施入量下下降速率和程度差異較大。由基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量衰減率比較可知，隨鉀素濃度增加，兩個(gè)不同穗型水稻品種AGPL2 衰減率先升后降，衰減率依次為T(mén)3>T4>T2>T1，兩個(gè)不同穗型水稻品種平均衰減率分別29.73%和39.81%；SSSⅠ衰減率逐漸降低，衰減率依次為T(mén)4>T3>T2>T1，兩個(gè)不同穗型水稻品種平均衰減率分別為34.36%和35.19%。說(shuō)明適當(dāng)提高鉀素施入量可使籽粒AGPL2和SSSⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)上調(diào)，衰減率則不同。

3個(gè)不同灌漿時(shí)期籽粒SBEⅡb和ISAⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量方差分析結(jié)果表明，兩個(gè)不同穗型品種在不同鉀素施入量下均存在極顯著差異，說(shuō)明灌漿不同時(shí)期籽粒SBEⅡb和ISAⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素調(diào)控響應(yīng)有極顯著差異，受鉀素調(diào)控影響基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量發(fā)生極顯著變異。多重比較可知（見(jiàn)表5），供試兩個(gè)不同穗型品種灌漿不同時(shí)期籽粒SBEⅡb和ISAⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)各處理響應(yīng)值均較不施鉀素對(duì)照T1升高，表明SBEⅡb和ISA1基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素調(diào)控有明顯響應(yīng)。兩個(gè)不同穗型水稻品種灌漿期間SBEⅡb和ISAⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素調(diào)控響應(yīng)接近，均為T(mén)4>T3>T2>T1。從基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量上調(diào)率比較可知，隨鉀素施入量增加其上調(diào)率逐漸升高，兩個(gè)不同穗型水稻品種SBEⅡb平均上調(diào)率分別為15.87%和16.82%，ISA1平均上調(diào)率分別為9.95%和4.17%，說(shuō)明鉀素對(duì)籽粒SBEⅡb和ISA1 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量均具有調(diào)控作用，基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量響應(yīng)值因品種穗型及灌漿時(shí)期不同而差異較大。

表5 水稻灌漿不同時(shí)期SBEⅡb和ISAⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素的響應(yīng)Table 5 Response of the transcriptional expression of SBEⅡb and ISAⅠgenes to potassium in different stages of rice grain filling

由表5可知，在灌漿過(guò)程中供試兩個(gè)不同穗型水稻品種在鉀素調(diào)控下籽粒SBEⅡb和ISAⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量呈單峰曲線變化，抽穗后20 d 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量達(dá)峰值，后開(kāi)始下降，但不同鉀素施入量下其下降速率和程度差異較大。由基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量衰減率比較可知，隨鉀素施入量增加，兩個(gè)不同穗型水稻品種SBEⅡb衰減率逐漸升高，衰減率依次為T(mén)4>T3>T2>T1。說(shuō)明灌漿中后期籽粒SBEⅡb基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量下降速率和幅度與鉀素關(guān)系密切，因水稻品種不同衰減率不同。ISA1 衰減率受鉀素影響弱。

2.4 鉀素對(duì)灌漿不同時(shí)期籽粒RSR1基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量的影響

3 個(gè)不同灌漿時(shí)期籽粒RSR1 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量方差分析結(jié)果表明，兩個(gè)不同穗型品種在不同鉀素施入量下均存在極顯著差異，說(shuō)明灌漿不同時(shí)期籽粒RSR1基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素調(diào)控響應(yīng)有極顯著差異，受鉀素調(diào)控影響基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量發(fā)生極顯著變異。進(jìn)一步多重比較可知（見(jiàn)表6），供試兩個(gè)不同穗型品種灌漿時(shí)期隨土壤鉀素濃度升高籽粒RSR1 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量逐漸降低，T4 處理最低，表明RSR1基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素調(diào)控有明顯響應(yīng)。兩個(gè)不同穗型水稻品種灌漿期間RSR1 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素調(diào)控響應(yīng)接近，均為T(mén)1>T2>T3>T4。從基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量下調(diào)率比較可知，隨鉀素施入量增加其下調(diào)率逐漸升高，兩個(gè)不同穗型水稻品種平均下調(diào)率分別為21.15%和16.11%。說(shuō)明鉀素對(duì)籽粒RSR1基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量具有顯著下調(diào)作用，且基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量響應(yīng)值因品種穗型及灌漿時(shí)期不同而差異較大。在灌漿過(guò)程中供試兩個(gè)不同穗型水稻品種在鉀素調(diào)控下籽粒RSR1 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量為先降后升的“V”字型單峰曲線，抽穗后20 d基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量均達(dá)最低，后開(kāi)始升高，但不同鉀素施入量下其升降速率和程度差異較大。從基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量上升率比較可知，隨鉀素施入量增加，兩個(gè)不同穗型水稻品種上升率逐漸升高，上升率依次為T(mén)4>T3>T2>T1，兩個(gè)不同穗型水稻品種上升率平均值分別為17.53%和5.69%，說(shuō)明適當(dāng)提高鉀素施入量可增加籽粒RSR1基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量上升率。灌漿中期籽粒RSR1基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量下降速率和幅度與鉀素關(guān)系密切，且灌漿后期因水稻品種不同鉀素條件下上升率也不同。

表6 水稻灌漿不同時(shí)期RSR1基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素的響應(yīng)Table 6 Responses of the transcriptional expression of RSR1 gene to potassium in different stages of rice grain filling

2.5 鉀素對(duì)灌漿不同時(shí)期籽粒GS1:3 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量的影響

3 個(gè)不同灌漿時(shí)期籽粒GS1:3 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量方差分析結(jié)果表明，兩個(gè)不同穗型品種在不同鉀素施入量下均存在極顯著差異，說(shuō)明灌漿不同時(shí)期籽粒GS1:3基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素調(diào)控響應(yīng)有極顯著差異，受鉀素調(diào)控影響基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量發(fā)生極顯著變異。

由多重比較可知（見(jiàn)表7），供試兩個(gè)不同穗型品種灌漿不同時(shí)期籽粒GS1:3基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)各處理響應(yīng)值均較不施鉀素對(duì)照T1升高，并在T3處理下達(dá)峰值，表明GS1:3基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素調(diào)控有明顯響應(yīng)。兩個(gè)不同穗型水稻品種灌漿期間GS1:3基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)鉀素調(diào)控響應(yīng)接近，均為T(mén)3>T4>T2>T1。從基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量上調(diào)率比較可知，隨鉀素施入量增加其上調(diào)率逐漸升高，兩個(gè)不同穗型水稻品種平均上調(diào)率分別為17.54%和17.43%。說(shuō)明鉀素對(duì)籽粒GS1:3基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量具有調(diào)控作用，基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量響應(yīng)值因品種穗型及灌漿時(shí)期不同而差異較大。

表7 水稻灌漿不同時(shí)期GS1:3基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量品種間比較及對(duì)鉀素的響應(yīng)Table7 Comparison of GS1:3 gene transcript expression levels at different stages of rice grain filling and response to potassium

在灌漿過(guò)程中供試兩個(gè)不同穗型水稻品種在鉀素調(diào)控下籽粒GS1:3基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量呈單峰曲線變化，抽穗后20 d 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量達(dá)峰值，開(kāi)始下降，但不同鉀素濃度調(diào)控下降速率和程度差異較大。由基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量衰減率比較可知，隨鉀素施入量增加，兩個(gè)不同穗型水稻品種衰減率先升后降，衰減率依次為T(mén)3>T4>T2>T1，兩個(gè)不同穗型水稻品種平均衰減率分別為62.69%和58.24%，說(shuō)明適當(dāng)提高鉀素施入量可增加籽粒GS1:3基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量衰減率，當(dāng)土壤鉀素濃度過(guò)高時(shí)則無(wú)法繼續(xù)提升其衰減率。說(shuō)明灌漿中后期籽粒GS1:3基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量下降速率和幅度與鉀素關(guān)系密切，因水稻品種不同鉀素衰減率也不同。

3 討論與結(jié)論

基因轉(zhuǎn)錄為基因表達(dá)調(diào)控重要環(huán)節(jié)之一，其表達(dá)量不僅受遺傳因素控制，受氮磷鉀營(yíng)養(yǎng)、溫度、水分等外源環(huán)境因素影響。RSR1 基因編碼的蛋白是在水稻眾多轉(zhuǎn)錄因子中的一個(gè)，對(duì)淀粉合成至關(guān)重要，RSR1 不僅負(fù)調(diào)控淀粉合成酶基因AGPL2、SSSⅠ和ISA1 轉(zhuǎn)錄表達(dá)量，且受低溫、干旱、ABA、ACC抑制，受NaCl誘導(dǎo)表達(dá)[9]。研究表明，適當(dāng)增加氮肥濃度處理對(duì)水稻GBSS1、ISAs、AGPL2 和GS基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量起正向調(diào)控作用[10-11]。鉀素有利于高等植物光合作用關(guān)鍵酶Rubisco 同工型基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)[12]，利于光合產(chǎn)物積累；可參與馬鈴薯鉀轉(zhuǎn)運(yùn)體KUP6 和KUP7 基因表達(dá)量調(diào)節(jié)[13]。王金明研究結(jié)果表明，AGPase 小亞基基因GBSSⅠ、SSSⅢ和SBE可能主要通過(guò)轉(zhuǎn)錄水平控制塊莖淀粉合成[14]。在鉀素對(duì)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控研究中，趙帥通過(guò)酵母雙雜交法闡述擬南芥轉(zhuǎn)錄因子ARF2對(duì)鉀素響應(yīng)機(jī)制[15]。

本試驗(yàn)研究可知，隨鉀素施入量增加不僅不同穗型品種植株全鉀含量逐漸極顯著升高，且籽粒AGPL2、SSSⅠ、SBEⅡb和ISAⅠ及GS1:3轉(zhuǎn)錄表達(dá)量也逐漸上調(diào)，但籽粒GBSSⅠ和RSR1基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量反而逐漸下調(diào)，基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量均顯著上調(diào)和下調(diào)，其中鉀素施入量超過(guò)某一臨界值時(shí)籽粒GS1:3基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量反而降低，表現(xiàn)高濃度鉀素抑制該基因表達(dá)。說(shuō)明灌漿過(guò)程中籽粒碳氮代謝相關(guān)酶基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量受外源鉀素調(diào)控。從基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量衰減率比較可知，各基因衰減率存在顯著差異，AGPL2 衰減率先升后降，在T3 處理下最大，SSSⅠ衰減率保持不變，SBEⅡb衰減率逐漸降低，ISA1 衰減率變化不明顯，不同基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量對(duì)不同鉀素施入量響應(yīng)程度不同，但維持基因高轉(zhuǎn)錄表達(dá)量需施入一定量鉀素。鑒于基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量與酶活性強(qiáng)弱線性關(guān)系密切，基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量高，酶活性強(qiáng)，反之酶活性低。酶活性直接影響性狀表現(xiàn)程度，酶活性高性狀表現(xiàn)強(qiáng)，反之表現(xiàn)弱?？芍?，基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量調(diào)控是外源鉀素營(yíng)養(yǎng)等對(duì)生物性狀調(diào)控作用的分子基礎(chǔ)，如何調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量有待深入研究。

環(huán)境因素對(duì)稻米蒸煮食味品質(zhì)的影響國(guó)內(nèi)外從生理生化及分子水平上已開(kāi)展大量研究，但基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)調(diào)控層面上的研究報(bào)道較少。在水稻籽粒灌漿過(guò)程中不斷發(fā)生淀粉合成相關(guān)的碳代謝和蛋白質(zhì)合成相關(guān)的氮代謝，稻米淀粉及蛋白質(zhì)含量既受遺傳主效應(yīng)控制，又受基因型與環(huán)境互作效應(yīng)影響。朱方旭等在氮素對(duì)水稻碳氮代謝相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，氮素營(yíng)養(yǎng)可影響蛋白質(zhì)合成相關(guān)氮代謝和淀粉合成相關(guān)碳代謝，改變蛋白質(zhì)含量及淀粉組分含量，灌漿成熟期氮素可通過(guò)提高GS1:3 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量從而提高蛋白質(zhì)含量[16]。灌漿過(guò)程中增加氮素營(yíng)養(yǎng)可改變GBSS1、ISA1和AG?PL2 基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量，提高GBSS、ISA 和Su Sy 等淀粉合成關(guān)鍵酶活性，而基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量與酶活性、淀粉合成量呈線性關(guān)系，而RSR1 則負(fù)調(diào)控淀粉合成酶基因AGPL2、SSSⅠ和ISA1轉(zhuǎn)錄表達(dá)量。

鉀素可調(diào)控作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中多種相關(guān)基因表達(dá)量。提高鉀素施入量可提高其千粒重[17]，這是因?yàn)樽蚜Ｖ饕煞譃榈矸酆偷鞍踪|(zhì)，鉀素可促進(jìn)淀粉和蛋白質(zhì)合成[18-19]，淀粉和蛋白質(zhì)又是影響稻米蒸煮食味品質(zhì)重要因素。GBSSⅠ、AGPL2、SSSⅠ、SBEⅡb、ISA1和GS1:3基因在水稻籽粒中特異性表達(dá)，是參與籽粒淀粉和蛋白質(zhì)合成關(guān)鍵酶基因。水稻GBSSⅠ表達(dá)受阻，致使胚乳中幾乎不含直鏈淀粉[20]，GBSSⅠ基因mRNA 表達(dá)量與直鏈淀粉含量同步變化；SBE酶催化支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)，高溫致使水稻胚乳中SBE 酶活性顯著下降，稻米支鏈淀粉長(zhǎng)B鏈比例也降低[21]。鄒鐵祥等指出，施用鉀素可明顯提高小麥和玉米灌漿期間籽粒ADPGPPase、SBE、GBSS 和SSS 活性，使淀粉積累量增加[22]；張玲等表示，適當(dāng)鉀素可通過(guò)提高GBSS 和SSS兩種酶活性，影響直鏈淀粉含量，影響稻米品質(zhì)[23]。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，淀粉及蛋白質(zhì)合成相關(guān)酶基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)受外源鉀素營(yíng)養(yǎng)調(diào)控影響較大，而基因轉(zhuǎn)錄為基因表達(dá)調(diào)控重要環(huán)節(jié)，表達(dá)量直接影響酶活性強(qiáng)弱，影響表觀性狀或碳氮化合物合成積累。鉀素促進(jìn)籽粒GS1:3基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量，提高籽粒蛋白質(zhì)含量，淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)，鉀素促進(jìn)淀粉生物合成第一個(gè)關(guān)鍵限速酶基因AGPL2 轉(zhuǎn)錄表達(dá)，提高其總淀粉含量；抑制直鏈淀粉含量主效基因GBSSⅠ轉(zhuǎn)錄表達(dá)，促進(jìn)編碼合成支鏈淀粉較短支鏈的SSSⅠ、決定支鏈淀粉結(jié)構(gòu)的SBEⅡb和移除不當(dāng)分支的ISAⅠ基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量，影響稻米蒸煮食味品質(zhì)。本試驗(yàn)選擇碳氮代謝相關(guān)酶基因是眾多酶基因中一部分，但卻是參與淀粉和蛋白質(zhì)合成代謝的關(guān)鍵酶基因，酶活性變化影響淀粉和蛋白質(zhì)含量及分子結(jié)構(gòu)，影響稻米蒸煮食味品質(zhì)。因此，外源鉀素營(yíng)養(yǎng)對(duì)稻米蒸煮食味品質(zhì)的影響通過(guò)籽粒碳氮代謝相關(guān)酶基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)量調(diào)控實(shí)現(xiàn)。淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)影響稻米蒸煮食味品質(zhì)，深入研究外源鉀素與各基因表達(dá)調(diào)控及淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)間關(guān)系，對(duì)提高稻米蒸煮食味品質(zhì)及建立環(huán)保型高效優(yōu)質(zhì)水稻栽培技術(shù)具有重要實(shí)踐意義。