周晓明,张志勇,王小纯,熊淑萍,韩锦峰,马新明*(.河南省许昌市农业科学研究所,河南 许昌 4607； .河南农业大学 农学院/小麦玉米作物学国家重点实验室,河南 郑州 45000； 3.河南省粮食作物协同创新中心，河南 郑州 45000；4.河南农业大学 生命科学学院,河南 郑州 45000)

不同氮效率小麦的氮代谢特征及GS酶活性与氮代谢指标的相关性研究

周晓明1,张志勇2,3,王小纯3,4,熊淑萍2,韩锦峰2,马新明2*
(1.河南省许昌市农业科学研究所,河南 许昌 461107； 2.河南农业大学 农学院/小麦玉米作物学国家重点实验室,河南 郑州 450002； 3.河南省粮食作物协同创新中心，河南 郑州 450002；4.河南农业大学 生命科学学院,河南 郑州 450002)

以豫麦49-198、漯麦18 (低氮高效型,LH)和西农509、矮抗58(低氮低效型,LL)4个品种为材料,采用盆栽试验研究3个不同施氮水平(0、120、225 kg/hm2N)下小麦不同生育时期的氮素转运特征,并分析谷氨酰胺合成酶(GS)活性、氮代谢指标(游离氨基酸、可溶性蛋白含量)及两者的相关性。结果表明,LH型品种的籽粒氮素分配比例均高于LL型品种,且氮素分配比例随着施氮量的增大而减小；LL型品种的营养器官氮素分配比例较LH型品种高,且氮素分配比例总体随施氮量的增大而增大；总体上功能叶和穗下节中GS活性表现为LH型>LL型,且随施氮量的增加而增加；总体上不同施氮量处理功能叶和穗下节中游离氨基酸、可溶性蛋白含量均随施氮量的增加而增大,不同氮效率品种的功能叶和穗下节中游离氨基酸、可溶性蛋白含量均表现为LH型>LL型；功能叶和穗下节中GS活性与可溶性蛋白、游离氨基酸含量的相关性均达到显著或极显著水平,且在开花后7 d时相关性达到最高。花后7 d时的GS活性可作为小麦营养诊断的一个参考指标。

小麦； 氮代谢； 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 试验地点

试验于2014—2015年在河南省郑州市河南农业大学科教园区试验田(113°35′10.19″E、34°51′54.02″N)进行。土壤质地为砂壤土,取0～30 cm耕层土壤过0.8 cm孔筛后装盆(盆高35 cm,直径38 cm),每盆装风干土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、速效钾143.89 mg/kg、有机质11.31 g/kg,土壤容重1.12 g/cm3,pH值7.90。

1.2 试验设计

试验设供氮水平与小麦品种2个因素,采用裂区设计,其中主区为施氮(纯氮)水平,设0 kg/hm2(N0)、120 kg/hm2(N120)、225 kg/hm2(N225)3个水平；副区为小麦品种,分别为低氮高效型(LH型)品种豫麦49-198、漯麦18和低氮低效型(LL型)品种西农509、矮抗58等4个品种。于2014年10月12日统一播种,每盆播15株,重复3次。所用底肥为尿素(含N 46%),N0处理为0 g/盆,N120处理为1.61 g/盆,N225处理为3.02 g/盆；过磷酸钙(含P2O514%),所有处理均为2.86 g/盆；硫酸钾(含K2O 34%),所有处理均为2.75 g/盆。拔节前期追肥,各处理追施尿素用量同基肥量,其他栽培措施同一般高产田管理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 GS活性 分别于小麦越冬期(WS)、拔节期(JS)、开花期(FS)及花后7 d(F7)、14 d(F14)、21 d(F21)取小麦新鲜叶片(越冬期、拔节期为植株上部第一片完全展开叶,开花期至花后21 d 为旗叶),于开花期及花后7 d、14 d、21 d 取小麦主茎穗下节,在冰浴条件下研磨,并于13 000 r/min离心得到粗酶提取液,测定GS活性。1个GS活性单位为25 ℃下每分钟催化产生1 μmo1γ-谷氨酰异羟肟酸所需酶量,本研究GS 活性以1 h 内生成的产物γ-谷氨酰基氧肟酸在540 nm 处的吸光值表示。

1.3.2 氮代谢指标 对1.3.1取得的样品,采用考马斯亮蓝G-250法测定可溶性蛋白含量[10]；采用水合茚三酮比色法测定游离氨基酸含量[11]；分别于小麦越冬期、拔节期、开花期及花后7 d、14 d、21 d 取长势均匀的10株小麦,分为根系、叶片、茎、穗(无籽粒)、籽粒5部分,在105 ℃下杀青20 min,并于80 ℃下烘干,称质量,分部位粉碎后在380 ℃下进行消煮，然后用连续流动分析仪SEAL-AA3 测定氮积累量。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 进行数据处理,用SPSS 22进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮水平下不同氮效率小麦各器官氮素分配情况

从表1可以看出,不同氮效率类型小麦品种各器官氮素积累量和分配比例差异明显。小麦不同器官间氮素分配比例表现为：籽粒分配比例最高,占52.11%～75.74%；根系、叶片、茎和穗4个器官分配比例相近,约占10%。不同施氮量处理小麦籽粒氮素积累量和分配比例均表现为N0>N120>N225,即随施氮水平的升高而逐渐降低；根系、叶片、茎和穗的氮素积累量和分配比例总体上随施氮水平的提高而逐渐升高；植株氮素积累量随着施氮水平的提高逐渐升高。不同氮素利用效率类型小麦品种间籽粒氮素积累量和分配比例均表现为LH型>LL型,N0、N120、N225处理LH型小麦品种籽粒氮素分配比例分别较LL型高30.79%、22.86%、21.85%；根系、叶片、茎和穗的氮素积累量和分配比例总体均表现为LH型LL型,N0、N120、N225处理LH型小麦品种植株氮素积累量分别较LL型高9.43%、9.73%、6.11%。

表1 不同氮水平下不同氮效率小麦各部位的氮素分配量与分配比例

注：LM18代表漯麦18，YM49-198代表豫麦49-198，XN509代表西农509，AK58代表矮抗58。

2.2 不同氮水平下不同氮效率小麦功能叶与穗下节GS活性

功能叶和穗下节分别作为氮同化和转运的主要器官,在氮素积累和分配中起重要的作用。从图1可以看出,同时期的小麦GS活性均表现为功能叶>穗下节,且随着生育期的推进,功能叶和穗下节的GS活性均表现出先升高后降低的趋势,在开花后7 d达到最大值；总体上，不同施氮量处理间小麦功能叶和穗下节GS活性均表现为N225>N120>N0,即提高供氮量能提高不同氮效率类型小麦品种的GS活性；在各供氮水平下,LH型品种的GS活性总体上均较LL型高,在开花后7 d时,功能叶和穗下节LH型小麦GS活性分别较LL型高20.28%和17.05%。

图1 不同氮水平下不同氮效率小麦功能叶与穗下节GS活性

2.3 不同氮水平下不同氮效率小麦功能叶与穗下节游离氨基酸含量

游离氨基酸在植物细胞中以游离态存在,可被用于合成氨基酸和蛋白质,是植物氮运输的主要形式[8]。由图2可知,随着生育期的推进,不同氮水平下小麦功能叶和穗下节中的游离氨基酸含量总体均表现为先上升后下降的趋势；不同施氮量处理的游离氨基酸含量总体表现为N225>N120>N0；不同氮效率品种间功能叶和穗下节游离氨基酸含量总体表现为LH型>LL型, LH型较LL型分别提高9.24%和14.44%。游离氨基酸含量峰值出现时间功能叶较穗下节早,分别出现在花后7 d和14 d,这是由于同化器官中游离氨基酸积累到一定量后,由穗下节向穗部转运,造成穗下节游离氨基酸含量峰值出现较晚。

图2 不同氮水平下不同氮效率小麦功能叶与穗下节游离氨基酸含量

2.4 不同氮水平下不同氮效率小麦功能叶与穗下节可溶性蛋白含量

可溶性蛋白是小麦氮素同化物累积的主要形式和最终产物,在同化物代谢过程中起着重要作用,也是重要的渗透调节物质[12]。从图3可以看出,随着生育期的推进,不同氮水平下小麦功能叶和穗下节可溶性蛋白含量均呈现出先升后降的趋势,且均在开花后7 d达到最大值；穗下节中的可溶性蛋白含量在开花期较低,到花后7 d迅速增加,而后缓慢下降；不同施氮量处理间可溶性蛋白含量总体表现为N225>N120>N0；同时期不同氮效率类型品种间可溶性蛋白含量总体均表现为LH型>LL型；器官间可溶性蛋白含量表现为功能叶>穗下节,在N120条件下,开花后7 d,LH型品种功能叶、穗下节中可溶性蛋白含量分别较LL型品种高21.45%、13.53%。

图3 不同氮水平下不同氮效率小麦功能叶与穗下节可溶性蛋白含量

2.5 小麦不同器官GS活性与氮代谢指标相关性分析

从表2可知,不同氮效率类型小麦功能叶和穗下节的GS活性与可溶性蛋白、游离氨基酸含量均达到极显著正相关,相关性介于0.630～0.947,不同氮代谢指标间相关性表现为游离氨基酸含量>可溶性蛋白含量,不同类型间相关性表现为LL型>LH型。

表2 不同氮效率小麦GS活性与氮代谢指标的相关性

注：**表示相关性极显著(P<0.01),*表示相关性显著(P<0.05),下同。

从表3可以看到,不同施氮量处理小麦功能叶的GS活性与可溶性蛋白、游离氨基酸含量均呈极显著正相关,且相关性表现为N225>N120>N0。穗下节GS活性与游离氨基酸含量呈极显著正相关,但相关性随施氮量变化不明显,N0条件下相关性最高,相关系数达到0.965；穗下节GS活性与可溶性蛋白含量呈显著、极显著正相关,且相关性表现为N225>N120>N0。

表3 不同氮水平下小麦GS活性与氮代谢指标的相关性分析

从表4可知,小麦功能叶GS活性与可溶性蛋白、游离氨基酸含量的相关性随着生育期的推进先升高后降低,在开花后7 d相关性最高，且均呈现极显著正相关；在开花后14 d也均呈极显著正相关；在开花后21 d与可溶性蛋白含量呈显著正相关,但与游离氨基酸含量无相关性；另外,在开花期,与游离氨基酸含量呈极显著正相关。穗下节GS活性和可溶性蛋白、游离氨基酸含量的相关性随着生育期的推进也呈先升高后降低的趋势,在开花后7 d相关性最高,呈极显著正相关,相关系数分别达到0.795、0.833；在开花后14 d,GS活性与可溶性蛋白、游离氨基酸含量分别呈显著、极显著正相关；在花后21 d,GS活性与游离氨基酸含量和可溶性蛋白含量均无显著相关性。

表4 不同生育时期小麦GS活性与氮代谢指标的相关性分析

3 结论与讨论

GS作为氮同化与转移利用的关键酶,其活性和作用因作物生长发育时期、环境条件、组织器官和细胞氮代谢情况的不同而异[13]。小麦的氮代谢过程主要包括吸收、同化、转运和再利用。Moll等[14]研究表明,低氮条件下氮素利用和分配对植物氮效率造成更大影响,而高氮条件下氮素吸收对氮效率影响更显著。本研究结果表明,LH型小麦品种的GS活性和氮代谢指标与LL型品种有明显差异,穗下节作为源器官向库器官转运的唯一通道,在籽粒灌浆阶段氮素代谢物向籽粒转运的过程中起到关键作用,同时相关性分析也表明GS活性可能在不同时期的不同器官分别参与调控了氮素的同化和转运过程,不同氮效率类型品种间的调控差异可能是造成2种类型小麦品种氮素利用效率差异的主要原因,这与孙永健等[15]在水稻中的研究结果相类似。不同氮效率类型小麦品种GS活性和氮代谢指标差异主要表现在小麦拔节期到开花后7 d,也是小麦同化转运氮代谢产物最旺盛的时期,为籽粒灌浆前的关键期,GS活性的提高可以有效提高氮素的同化和转运能力,促进氮同化物由源器官向库器官的转运,是造成2类品种氮素利用效率差异的主要内在因素。

不同氮效率类型小麦品种GS活性与氮代谢相关指标有极显著的正相关性,LH型、LL型小麦功能叶和穗下节GS活性与可溶性蛋白含量的相关系数分别达到0.828、0.857和0.643、0.630,与游离氨基酸含量的相关系数分别达到0.900、0.911和0.920、0.947,这与Kichey等[4]运用N15同位素标记法得到的研究结果相类似。随着施氮量的增加,功能叶和穗下节中的GS活性总体呈现增高趋势,且与氮代谢物含量的相关系数呈现增大的趋势,从侧面表明了GS活性的高低可以直接作用于氮代谢物的合成和转运,这与熊淑萍等[16]的研究结果相类似。

影响植株氮素利用效率的因素很多,本研究从不同氮效率品种的氮代谢特征出发,研究不同氮水平下小麦氮代谢特征发现,LH型品种的籽粒氮素分配比例均高于LL型品种,且氮素分配比例随着施氮量的增大而减小；LL型品种的营养器官氮素分配比例较LH型品种高,且氮素分配比例总体随着施氮量的增大而增大；LH型品种的GS活性总体上高于LL型品种,且GS活性与可溶性蛋白、游离氨基酸含量有极显著的相关性,功能叶和穗下节均在开花后7 d时相关性最高,可将此时的GS活性作为小麦营养诊断的一个参考指标。

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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

国家自然科学基金项目(31271650)

周晓明(1962-)，男，河南许昌人，高级农艺师，硕士，主要从事小麦生产与科研管理工作。 E-mail：zhouxm1962@126.com

*通讯作者：马新明(1962-)，男，河南许昌人，教授，主要从事小麦栽培及农业信息化研究。E-mail：xinmingma@126.com

S512.1

A

1004-3268(2016)09-0015-07