寒地粳稻不同雜種優(yōu)勢(shì)組合碳氮代謝關(guān)鍵酶活性比較分析

金正勛，張海彬，沈 鵬，劉海英，張忠臣，趙書(shū)宇，王露露

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030）

水稻產(chǎn)量形成實(shí)質(zhì)是淀粉與蛋白質(zhì)的合成與積累過(guò)程[1]。在這一過(guò)程中，碳氮代謝關(guān)鍵酶發(fā)揮重要作用。酶活性高低影響到淀粉和蛋白質(zhì)合成與積累的速率[2]?？扇苄缘矸酆铣擅负虯DPG焦磷酸化酶是主要的碳代謝關(guān)鍵酶，硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、蛋白水解酶是主要的氮代謝關(guān)鍵酶[3-5]。已有關(guān)于碳氮代謝關(guān)鍵酶活性與水稻產(chǎn)量性狀關(guān)系的報(bào)道[6-11]，但關(guān)于粳稻碳氮代謝關(guān)鍵酶活性與雜種優(yōu)勢(shì)關(guān)系的報(bào)道尚少。試驗(yàn)選用產(chǎn)量性狀雜種優(yōu)勢(shì)有顯著差異的4個(gè)粳稻雜交組合，分析分蘗期氮代謝關(guān)鍵酶活性以及籽粒灌漿過(guò)程中碳氮代謝關(guān)鍵酶活性變化及其與產(chǎn)量性狀的雜種優(yōu)勢(shì)關(guān)系，旨在闡明雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)弱的代謝機(jī)理，為寒地粳稻雜種優(yōu)勢(shì)利用及超高產(chǎn)育種提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

根據(jù)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院稻作研究室的前期研究結(jié)果，選用產(chǎn)量性狀差異明顯的4個(gè)粳稻品種東農(nóng)7180（P1）、吉粳88號(hào)（P2）、松粳172（P3）、墾鑒稻8號(hào)（P4），配制雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)弱差異明顯的4個(gè)雜交組合P1×P3、P2×P4、P1×P4、P3×P4作為試材。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2010年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地進(jìn)行田間試驗(yàn)。4月17日播種，大棚旱育苗，5月28日插秧，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，1.5 m行長(zhǎng)，單行區(qū)，行距30 cm，穴距15 cm，每穴插1株，常規(guī)大田管理。生育期間以小區(qū)為單位調(diào)查抽穗期。

以小區(qū)為單位，采用軟件Excel 2003和DPS 7.55統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3 酶活性測(cè)定

1.3.1 取樣

自水稻分蘗旺盛的7月3日開(kāi)始，各小區(qū)每隔5 d取1次樣，每次于9:00～9:30取植株上的6片葉（插秧時(shí)標(biāo)記的生長(zhǎng)整齊一致的葉），共取3次，其中2片放在冰水混合物中，取回后立即用于硝酸還原酶活性測(cè)定；將另4片置于液氮中，取回后置于-30℃冰箱中，用于谷氨酰胺合成酶和蛋白水解酶活性測(cè)定。

在抽穗期，于各小區(qū)選取生長(zhǎng)整齊一致且同日抽穗的稻穗，掛牌標(biāo)記，自抽穗后第10天起，每隔7 d取樣，每次于9:00～9:30取標(biāo)記的4個(gè)穗和葉片，共取3次，迅速用液氮冷凍處理后保存于-30℃冰箱中，然后每穗取中部灌漿一致的籽粒，用于可溶性淀粉合成酶、ADPG焦磷酸化酶、谷氨酰胺合成酶活性測(cè)定，葉片用于蛋白水解酶活性測(cè)定。

1.3.2 酶活性測(cè)定

硝酸還原酶活性測(cè)定參照文獻(xiàn)[12]；谷氨酰胺合成酶活性測(cè)定參照文獻(xiàn)[13]；蛋白水解酶活性測(cè)定參照文獻(xiàn)[14]；可溶性淀粉合成酶酶活性及ADPG焦磷酸化酶活性測(cè)定參照文獻(xiàn)[15]方法。上述各種酶活性均以O(shè)D值表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本間產(chǎn)量性狀比較

由表1方差分析可知，供試親本產(chǎn)量性狀的F值均達(dá)到了極顯著水平，說(shuō)明不同親本產(chǎn)量性狀間有極顯著的遺傳差異。由多重比較結(jié)果可知，松粳172的單株產(chǎn)量和結(jié)實(shí)率極顯著高于其他品種；東農(nóng)7180的千粒重和吉粳88的每穗總粒數(shù)以及墾鑒稻8號(hào)的單株穗數(shù)均極顯著大于其他品種，表明供試親本在產(chǎn)量性狀上各有明顯的遺傳特點(diǎn)，而且單株產(chǎn)量最高的親本，其他產(chǎn)量性狀不一定最高，其他產(chǎn)量性狀表現(xiàn)優(yōu)異的親本，其單株產(chǎn)量不一定最高，單株產(chǎn)量高的親本，其產(chǎn)量性狀整體表現(xiàn)較好。

表1 親本產(chǎn)量性狀比較Table1 Comparison of yield traits among different parents

2.2 不同雜交組合產(chǎn)量性狀高親優(yōu)勢(shì)值比較

不同雜交組合產(chǎn)量性狀高親優(yōu)勢(shì)值比較結(jié)果列于表2。

由表2可知，就單株產(chǎn)量、千粒重、結(jié)實(shí)率的高親優(yōu)勢(shì)值而言，P1×P3和P2×P4組合的均為正值，P1×P4和P3×P4組合的均為負(fù)值；就每穗總粒數(shù)的高親優(yōu)勢(shì)值而言，P1×P4和P1×P5組合的為正值，P2×P4和P3×P4組合的為負(fù)值；就單株穗數(shù)的高親優(yōu)勢(shì)值而言，P1×P3、P2×P4和P3×P4組合的為正值，P1×P4組合的為負(fù)值。這表明其他產(chǎn)量性狀高親優(yōu)勢(shì)強(qiáng)的組合，其單株產(chǎn)量的高親優(yōu)勢(shì)不一定強(qiáng)；單株產(chǎn)量高親優(yōu)勢(shì)強(qiáng)的組合，其他產(chǎn)量性狀的高親優(yōu)勢(shì)值多為正值，單株產(chǎn)量高親優(yōu)勢(shì)弱的組合，其他產(chǎn)量性狀的高親優(yōu)勢(shì)多為負(fù)值。依據(jù)表2結(jié)果，可將 P1×P3和P2×P4組合劃為強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合，將P1×P4和P3×P4組合劃為弱優(yōu)勢(shì)組合。

表2 不同雜交組合產(chǎn)量性狀高親優(yōu)勢(shì)值比較Table2 Comparison of high kiss advantage value of yield traits among different hybrid combinations (%)

2.3 分蘗期不同雜種優(yōu)勢(shì)組合葉片氮代謝酶活性比較

分蘗期不同雜種優(yōu)勢(shì)組合葉片氮代謝酶活性比較結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，隨著植株的生長(zhǎng)，各組合葉片硝酸還原酶和蛋白水解酶活性逐漸升高，分蘗盛期達(dá)到峰值，之后又降低，呈單峰曲線變化。谷氨酰胺合成酶活性隨生育進(jìn)程逐漸提高，呈單向變化趨勢(shì)。各分蘗時(shí)期葉片的硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和蛋白水解酶活性，除個(gè)別測(cè)定時(shí)期外，強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合P1×P3和P2×P4均顯著高于弱優(yōu)勢(shì)組合P3×P4和P1×P4，表明產(chǎn)量雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)的組合在分蘗期具有旺盛的氮代謝，分蘗期氮代謝強(qiáng)弱與產(chǎn)量雜種優(yōu)勢(shì)大小密切相關(guān)，氮代謝關(guān)鍵酶活性高的組合，其產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)也高，反之氮代謝關(guān)鍵酶活性低的組合，其產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)也低。

表3 不同雜交組合分蘗期葉片氮代謝酶活性多重比較Table3 Multiple comparison of leaf enzyme activities in nitrogen mechanism among combinations during tillering stage

2.4 灌漿過(guò)程中不同雜種優(yōu)勢(shì)組合籽粒碳氮代謝酶活性比較

灌漿過(guò)程中不同雜種優(yōu)勢(shì)組合籽?？扇苄缘矸酆铣擅负虯DPG焦磷酸化酶活性變化分別示于圖1和圖2，籽粒谷氨酰胺合成酶和葉片蛋白水解酶活性比較結(jié)果列于表4。

由圖1、2可知，籽?？扇苄缘矸酆铣擅负虯DPG焦磷酸化酶活性隨籽粒灌漿進(jìn)程的推進(jìn)而逐漸升高，達(dá)到峰值后又逐漸下降，呈單峰曲線變化。在整個(gè)籽粒灌漿過(guò)程中，強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合P1×P3和P2×P4的可溶性淀粉合成酶和ADPG焦磷酸化酶活性始終高于弱優(yōu)勢(shì)組合P3×P4和P1×P4，表明在籽粒灌漿過(guò)程中，與弱優(yōu)勢(shì)組合相比，強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合籽粒淀粉合成和積累的能力較強(qiáng)。

由表4可知，隨灌漿進(jìn)程氮代謝關(guān)鍵酶活性逐漸升高，達(dá)到峰值后又逐漸降低，呈單峰曲線變化。就酶活性大小而言，強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合P1×P3、P2×P4籽粒谷氨酰胺合成酶活性極顯著高于弱優(yōu)勢(shì)組合P3×P4、P1×P4。強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合葉片蛋白水解酶活性顯著或極顯著高于弱優(yōu)勢(shì)組合。說(shuō)明在籽粒灌漿過(guò)程中，與弱優(yōu)勢(shì)組合相比，強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合具有較強(qiáng)的籽粒蛋白質(zhì)合成和積累能力。

圖1 灌漿過(guò)程中籽粒可溶性淀粉合成酶活性變化Fig.1 Changes of soluble starch synthase activity in during grain filling

圖2 灌漿過(guò)程中籽粒ADPG焦磷酸化酶活性變化Fig.2 Changes of ADPG phosphorylation activity in during grain filling

表4 籽粒灌漿過(guò)程中氮代謝酶活性多重比較Table4 Multiple comparison of key enzyme activity in nitrogen mechanism during grain filling

2.5 碳氮代謝關(guān)鍵酶活性與產(chǎn)量性狀的相關(guān)分析

為進(jìn)一步了解灌漿過(guò)程中碳氮代謝關(guān)鍵酶活性與產(chǎn)量性狀的關(guān)系，根據(jù)親本和組合的酶活性測(cè)定結(jié)果估算灌漿不同時(shí)期碳氮代謝關(guān)鍵酶活性與產(chǎn)量性狀的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，籽粒灌漿不同時(shí)期的碳氮代謝關(guān)鍵酶活性大小與千粒重和單株產(chǎn)量均呈正相關(guān)，其中有些時(shí)期的相關(guān)程度達(dá)到顯著或極顯著水平。說(shuō)明灌漿過(guò)程中籽?；蛉~片的碳氮代謝關(guān)鍵酶活性大小與千粒重和單株產(chǎn)量高低密切相關(guān)，酶活性大有利于提高千粒重和單株產(chǎn)量。

表5 籽粒灌漿過(guò)程中碳氮代謝關(guān)鍵酶活性與產(chǎn)量性狀相關(guān)系數(shù)Table5 Correlation coefficients of key enzyme activities in nitrogen mechanism and yield traits during grain filling

3 討論與結(jié)論

關(guān)于碳氮代謝關(guān)鍵酶活性對(duì)產(chǎn)量影響，前人已進(jìn)行大量研究。葉全寶等表明，水稻生育中后期的葉片硝酸還原酶活性與產(chǎn)量有較高的正相關(guān)，保持水稻生育中后期較高的葉片硝酸還原酶活性對(duì)提高產(chǎn)量很重要[16]。孫國(guó)榮等表明，在生殖生長(zhǎng)期谷氨酰胺合成酶活性均與產(chǎn)量性狀有密切關(guān)系，谷氨酰胺合成酶活性可通過(guò)調(diào)控營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期稻株氨代謝而影響生殖生長(zhǎng)，最終影響產(chǎn)量[17]。Buchanan等研究表明，葉片蛋白水解酶活性的提高可帶動(dòng)氮代謝運(yùn)轉(zhuǎn)增強(qiáng)，促進(jìn)氨基酸的合成和轉(zhuǎn)化，蛋白質(zhì)水解酶活性的高低直接影響到水稻籽粒蛋白質(zhì)含量[18]。梁建生等研究結(jié)果表明，ADPG焦磷酸化酶和可溶態(tài)淀粉合成酶對(duì)控制淀粉合成與積累的作用最大[19]。董明輝等研究表明，籽粒中谷氨酰胺合成酶與抽穗后氮素運(yùn)轉(zhuǎn)率、籽粒吸氮量和產(chǎn)量均呈顯著的正相關(guān)[20]。

本研究結(jié)果表明，在分蘗期，強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合氮代謝關(guān)鍵酶活性顯著高于弱優(yōu)勢(shì)組合，表明強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合分蘗期具有旺盛的氮代謝。在籽粒灌漿過(guò)程中，與弱優(yōu)勢(shì)組合相比，強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合可溶性淀粉合成酶，ADPG焦磷酸化酶活性始終高于弱優(yōu)勢(shì)組合，籽粒谷氨酰胺合成酶、葉片蛋白水解酶極顯著高于弱優(yōu)勢(shì)組合，因此，水稻生長(zhǎng)發(fā)育及灌漿過(guò)程中保持旺盛的碳氮代謝關(guān)鍵酶活性，以促進(jìn)碳氮代謝，進(jìn)而促進(jìn)淀粉和蛋白質(zhì)的合成與積累是寒地雜交粳稻產(chǎn)生強(qiáng)優(yōu)勢(shì)的生化基礎(chǔ)。一切促進(jìn)碳氮代謝關(guān)鍵酶活性的栽培措施有利于發(fā)揮寒地粳稻的雜種優(yōu)勢(shì)。

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