抗感銹病小麥品系碳氮代謝特性的比較

王雙明 陶詩順

摘要：采用田間常規(guī)栽培及自然感病方法，對(duì)兩個(gè)抗銹病能力具有明顯差異的小麥品系不同生育時(shí)期碳氮代謝的多項(xiàng)生理生化指標(biāo)進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明，銹病的侵染明顯降低了兩個(gè)小麥品系旗葉中硝酸還原酶（ＮＲ）和谷氨酰胺合成酶（ＧＳ）等氮素同化關(guān)鍵酶的活性，減少了蛋白質(zhì)的積累量，造成氮素代謝失調(diào)；兩個(gè)小麥品系使旗葉中葉綠素含量降低、光合作用受抑制、可溶性糖含量減少，限制了小麥的碳素代謝能力；導(dǎo)致兩個(gè)小麥品系旗葉中相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛（ＭＤＡ）含量增加，膜脂過氧化加劇，加速了功能葉的早衰?？剐圆煌膬蓚€(gè)小麥品系在銹病脅迫下多項(xiàng)相關(guān)指標(biāo)均存在較大的差異。

關(guān)鍵詞：小麥銹病；抗性；碳氮代謝特性

中圖分類號(hào)：S512.101文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：0439－８114（２０12）16－3427-04

Comparison of Carbon and Nitrogen Metabolism Characteristic between Wheat Varieties

Resistant and Susceptible to Rust Disease

ＷＡＮＧ Ｓｈｕａｎｇ－ｍｉｎｇ，ＴＡＯ Ｓｈｉ－ｓｈｕｎ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１０１０， Ｓｉｃｈｕａｎ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｎｄｅｘｅｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｅｒｉｏｄｓ ｏｆ ｔｗｏ ｗｈｅａｔ ｖａｒｉｅｔｉｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ ｒｕｓｔ ｄｉｓｅａｓｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｄｏｐｔｉｎｇ ＴＣＭ ａｎｄ ｎａｔｕｒａｌ ｉｎｆｅｃｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｖａｓｉｏｎ ｏｆ ｒｕｓｔ ｄｉｓｅａｓｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｋｅｙ ｅｎｚｙｍｅｓ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ ｓｕｃｈ ａｓ ＮＲ ａｎｄ ＧＳ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌａｇ ｌｅａｆ， ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｔｅｉｎ， ｔｈｅｎ ｂｒｏｕｇｈｔ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｌａｃｋ ｏｆ ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ． Ｂｅｓｉｄｅｓ， ｔｈｅ ｉｎｖａｓｉｏｎ ａｌｓｏ ｌｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ， ｓｏｌｕｂｌｅ ｓｕｇａｒ ａｎｄ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ， ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， ｔｈｅ ｉｎｖａｓｉｏｎ ａｌｓｏ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ＭＤＡ， ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｐｉｄ ｐｅｒ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌａｇ ｌｅａｆ， ｔｈｕｓ ｓｐｅｅｄｉｎｇ ｕｐ ｔｈｅ ｐｒｅｍａｔｕｒｅ ｓｅｎｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ－ｌｅａｆ． Ｓｏ ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｓｏｍｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ ｓｅｖｅｒａｌ indexes ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ under ｒｕｓｔ stress．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｗｈｅａｔ ｒｕｓｔ； ｒｅｓｉｓｔａｎｔ； ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ

銹病是世界小麥生產(chǎn)上的重要病害之一，因其分布廣泛、流行成災(zāi)率高、危害極其嚴(yán)重而受到國(guó)內(nèi)外廣大科技工作者的高度關(guān)注［１］。長(zhǎng)期以來，許多學(xué)者在小麥銹病的菌物學(xué)［２］、組織病理學(xué)［３］、分子生物學(xué)［４，５］、品種抗性鑒定方法［６，７］等方面的研究已取得了很大進(jìn)展；在小麥銹病的抗性生理生化機(jī)制方面，前人也分別從呼吸、光合、水分，礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)［８－１０］等代謝角度進(jìn)行過不少卓有成效的探索。此次研究以兩個(gè)抗銹病能力具有明顯差異的小麥品系為材料，通過分析比較其不同生育時(shí)期碳氮代謝等多項(xiàng)相關(guān)生理生化指標(biāo)的差異，以期探明銹病脅迫下不同抗性小麥品系的碳氮代謝特性及銹病對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)不良影響的內(nèi)在原因，為抗銹病小麥優(yōu)良品種的選育及栽培提供一定的參考依據(jù)。

１材料與方法

１．１供試材料

供試小麥（Ｔｒｉｔｉｃｕｍ ａｅｓｔｉｖｕｍ Ｌ．）品系由西南科技大學(xué)小麥研究所提供，已在隨機(jī)區(qū)組栽培的條件下經(jīng)過6代自然分離純化。試驗(yàn)材料為從中篩選出的抗、感銹病性狀分離較明顯的兩個(gè)品系，分別命名為西科Ⅰ號(hào)（抗病性較弱）和西科Ⅱ號(hào)（抗病性較強(qiáng)）。

１．２試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院龍門小麥育種試驗(yàn)基地進(jìn)行，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，３次重復(fù)，行長(zhǎng)２．０ ｍ，行距１０ ｃｍ，株距２ ｃｍ，四周設(shè)保護(hù)行。各供試小麥品系均在相同的肥水管理?xiàng)l件下進(jìn)行田間常規(guī)栽培，采用自然感病方法。參照商鴻生等［１１］的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以１３ ｄ為１個(gè)周期，分別于小麥子粒形成期（４月１３日）、灌漿期（４月２６日）和乳熟期（５月１０日）隨機(jī)采集中度感?。ㄒ韵潞?jiǎn)稱感?。┘拔锤胁〉钠烊~為材料，取樣后用去離子水清除葉片表面的銹病病原菌孢子和灰塵后測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。

１．３生理指標(biāo)測(cè)定

按王學(xué)奎［１２］的方法，采用分光光度法測(cè)定葉綠素含量、采用蒽酮－硫酸比色法測(cè)定可溶性糖含量、采用考馬斯亮藍(lán)Ｇ－２５０法測(cè)定可溶性蛋白質(zhì)含量、采用硫代巴比妥酸法（ＴＢＡ）測(cè)定丙二醛（ＭＤＡ）含量、采用電導(dǎo)法測(cè)定細(xì)胞膜傷害程度；參照鄒琦［１３］的方法，采用活體法測(cè)定硝酸還原酶（ＮＲ）活性、采用比色法測(cè)定谷氨酰胺合成酶（ＧＳ）活性、采用改良半葉法測(cè)定凈光合速率。

２結(jié)果與分析

２．１抗、感銹病小麥品系碳素代謝相關(guān)指標(biāo)的變化

２．１．１葉綠素含量變化葉綠素是光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)， 其含量高低直接影響光合作用的強(qiáng)弱和物質(zhì)合成速率的高低［１４］。從表１可以看出，受銹病病原菌的侵染各供試小麥品系旗葉中的葉綠素含量均呈下降趨勢(shì)，但兩個(gè)抗銹病能力不同小麥品系的葉綠素含量存在較明顯的差異。在子粒形成期，抗病性較弱的西科Ⅰ號(hào)感病后葉綠素含量減少了40．00％，而抗病性較強(qiáng)的西科Ⅱ號(hào)葉綠素含量?jī)H減少27．78％，降幅比西科Ⅰ號(hào)低12.22個(gè)百分點(diǎn)。從子粒形成期至灌漿期，兩個(gè)小麥品系旗葉中葉綠素含量均隨生育進(jìn)程的推進(jìn)而降低，但感病后旗葉葉綠素含量西科Ⅱ號(hào)比西科Ⅰ號(hào)的降幅低１８．２６個(gè)百分點(diǎn)。無論是子粒形成期還是灌漿期，抗病性較強(qiáng)的西科Ⅱ號(hào)始終保持了較高的葉綠素含量。

２．1．２可溶性糖含量變化圖1表明，受銹病病原菌侵染后子粒形成期和灌漿期抗病性較強(qiáng)的西科Ⅱ號(hào)旗葉中可溶性糖含量均高于抗病性較弱的西科Ⅰ號(hào)，分別高２６．８１％及２８．０４％。兩個(gè)供試小麥品系旗葉中可溶性糖含量與凈光合速率之間均呈顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)西科Ⅰ號(hào)和西科Ⅱ號(hào)分別為０．８６０*和０．８２７*。

２．1．３凈光合速率變化由圖２可見，子粒形成期、灌漿期兩個(gè)小麥品系在銹病脅迫下旗葉的凈光合速率均存在較明顯的差異，抗病性較弱的西科Ⅰ號(hào)比抗病性較強(qiáng)的西科Ⅱ號(hào)凈光合速率分別低３２．８０％和３７．９１％，并隨生育進(jìn)程的推進(jìn)而進(jìn)一步降低。在不同生育時(shí)期中，無論感病葉片還是未感病葉片抗病性較強(qiáng)小麥品系的凈光合速率均高于抗病性較弱的小麥品系。

統(tǒng)計(jì)分析表明，兩個(gè)小麥品系旗葉中葉綠素含量與其凈光合速率之間均呈極顯著正相關(guān)。葉綠素含量的降低，在一定程度上減少了植株的有效光合面積、限制了碳素同化能力；葉片表面大量銹病病原菌孢子的堆積，也減弱了葉片對(duì)光能的吸收，由此都可能導(dǎo)致光合作用受抑制。

２．２抗、感銹病小麥品系氮素同化相關(guān)指標(biāo)的變化

２．２．１硝酸還原酶（ＮＲ）活性變化由圖３可見，受銹病病原菌侵染后，在子粒形成期及灌漿期，抗病性較強(qiáng)的西科Ⅱ號(hào)旗葉中ＮＲ活性比抗病性較弱的西科Ⅰ號(hào)分別高２０．５１％及２１．４３％；不同生育時(shí)期感病和未感病旗葉的ＮＲ活性抗病小麥品系均高于感病小麥品系。這對(duì)于在銹病脅迫下維持小麥較強(qiáng)的氮素同化能力具有重要的意義。

２．２．２谷氨酰胺合成酶（ＧＳ）活性變化對(duì)供試小麥品系子粒形成期和灌漿期旗葉中ＧＳ活性的動(dòng)態(tài)變化分析（圖４）表明，感病后子粒形成期和灌漿期抗病性較弱的西科Ⅰ號(hào)旗葉中ＧＳ活性比抗病性較強(qiáng)的西科Ⅱ號(hào)分別下降２６．７８％和２５．２９％。兩個(gè)小麥品系旗葉中ＧＳ與ＮＲ活性同子粒中蛋白質(zhì)含量之間均呈顯著正相關(guān)。

２．２．３可溶性蛋白質(zhì)含量變化由圖５可見，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，抗病性不同的小麥品系子粒中蛋白質(zhì)含量雖然在一定程度上均呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)，但不同抗性小麥品系之間子粒蛋白質(zhì)含量的差異也逐漸增大。感病后在灌漿期抗病性較弱的西科Ⅰ號(hào)比抗病性較強(qiáng)的西科Ⅱ號(hào)子粒蛋白質(zhì)含量低３０．３８％，而到乳熟期降幅則達(dá)到５０．７１％。同抗病性較強(qiáng)的西科Ⅱ號(hào)相比較，在銹病的脅迫下抗病性較弱的西科Ⅰ號(hào)子粒中蛋白質(zhì)含量始終處于最低水平。表明銹病的侵染對(duì)小麥的氮素同化過程產(chǎn)生了較強(qiáng)的抑制作用，并導(dǎo)致小麥品質(zhì)下降。

２．３抗、感銹病小麥品系細(xì)胞膜傷害程度的變化

從表２可以看出，銹病脅迫使不同生育時(shí)期各小麥品系旗葉細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)均受到不同程度的損傷，并隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)而加劇。與感病后西科Ⅱ號(hào)相比，抗病性較弱的西科Ⅰ號(hào)細(xì)胞膜損傷程度更為嚴(yán)重。表明銹病脅迫下抗病性較強(qiáng)小麥品系旗葉的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，因而對(duì)逆境的抗御能力更強(qiáng)。

２．４抗、感銹病小麥品系丙二醛含量的變化

從表５可見，各供試小麥品系旗葉中丙二醛（ＭＤＡ）含量均隨生育進(jìn)程的推進(jìn)明顯增加，表明到生育后期葉片逐漸出現(xiàn)衰老是必然的趨勢(shì)。由于銹病的脅迫加速了膜脂過氧化，使ＭＤＡ大量積累，促進(jìn)了功能葉片的早衰。在不同生育時(shí)期，感病后抗病性較強(qiáng)的西科Ⅱ號(hào)旗葉中ＭＤＡ含量均低于抗病性較弱的西科Ⅰ號(hào)。

３討論

小麥產(chǎn)量的９０％～９５％來自光合作用，尤其是生育后期功能葉片光合產(chǎn)物對(duì)子粒的貢獻(xiàn)率可達(dá)８０％。旗葉是小麥生育后期冠層的主要構(gòu)成者，其光合作用的變化基本上代表了冠層光合作用的趨勢(shì)［１５］。據(jù)李玥仁等［９］的研究，由于條銹菌產(chǎn)孢后葉片表皮破損，病葉同化ＣＯ２的能力降低，只能維持較低的光合水平，故與健康葉片相比進(jìn)行光合作用的能力顯著下降；中度和重度病葉進(jìn)行光合作用的能力的大幅度下降不僅與葉綠素含量的明顯下降有關(guān)，而且與葉綠素光合活性的下降有著密切的關(guān)系［１６］。對(duì)兩個(gè)抗病性具有明顯差異的小麥品系不同生育時(shí)期與碳素同化密切相關(guān)的幾項(xiàng)指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化的比較分析亦表明，銹病脅迫加速了小麥功能葉片的衰老，大幅度降低了葉綠素含量和凈光合速率，抗病性較弱的西科Ⅰ號(hào)旗葉中葉綠素含量比抗病性較強(qiáng)的西科Ⅱ號(hào)下降幅度更大，旗葉中可溶性糖含量、凈光合速率降低，使光合產(chǎn)物積累減少，嚴(yán)重地限制了其碳素同化能力。抗病性較強(qiáng)的西科Ⅱ號(hào)品系在不同生育時(shí)期中都始終保持了較高的葉綠素含量和凈光合速率?？梢姡谛←湼胁『蟪扇∷幬锓乐瓮猓ㄟ^加強(qiáng)肥水管理、化學(xué)調(diào)控等多種措施延緩功能葉片的早衰對(duì)減少損失、提高產(chǎn)量是行之有效的。

前人的許多研究已證明葉片是小麥氮素同化的主要器官之一，ＮＲ和ＧＳ是影響小麥氮素代謝的關(guān)鍵酶，其活性強(qiáng)弱直接影響著氮素同化速率的高低［１７－１９］，但有關(guān)銹病脅迫對(duì)小麥氮素同化及相關(guān)酶活性影響的研究卻較少。試驗(yàn)結(jié)果表明，在銹病脅迫下小麥旗葉中的ＮＲ和ＧＳ活性都較大幅度降低，子?？扇苄缘鞍踪|(zhì)的積累量相應(yīng)減少，子粒品質(zhì)下降，氮素代謝嚴(yán)重失調(diào)，旗葉中ＧＳ與ＮＲ活性同子?？扇苄缘鞍踪|(zhì)含量之間均呈顯著正相關(guān)?？逛P病能力不同的兩個(gè)小麥品系的與氮素同化相關(guān)的多項(xiàng)指標(biāo)都存在較明顯差異，抗病性較強(qiáng)的小麥品系在不同生育時(shí)期旗葉的ＮＲ和ＧＳ活性、子?？扇苄缘鞍踪|(zhì)含量都高于抗病性較弱的小麥品系。因此，在小麥抗銹病品種的選育及抗性鑒定中，也可考慮將旗葉中ＧＳ和ＮＲ活性的變化作為參考指標(biāo)。

細(xì)胞膜對(duì)于維持細(xì)胞的微環(huán)境和正常的代謝起著非常重要的作用。當(dāng)植物受到逆境傷害時(shí)，膜脂過氧化作用加劇，ＭＤＡ積累導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破壞從而透性增大，ＭＤＡ含量和細(xì)胞膜透性是檢測(cè)植物抗逆性的常用指標(biāo)［１２，２０］。研究也證實(shí)了旗葉中ＭＤＡ含量和細(xì)胞膜透性的變化與小麥抗銹病能力密切相關(guān)。在銹病脅迫下各供試小麥旗葉膜脂過氧化增強(qiáng)，ＭＤＡ含量提高，細(xì)胞膜損傷程度增大。而在同樣生態(tài)條件下，抗病性較強(qiáng)的西科Ⅱ號(hào)旗葉中ＭＤＡ含量和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的損傷程度始終較抗病性弱的西科Ⅰ號(hào)低，這可能是其在銹病脅迫的逆境條件下能夠在一定程度上緩解冠層功能葉片的病理性早衰、維持光合碳素同化和氮素代謝正常進(jìn)行。

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