硝普鈉添加對堿脅迫下萌發(fā)期水稻碳氮代謝的影響

摘要： 【目的】施加外源硝普納 （sodium nitroprusside， SNP） 可有效緩解水稻堿脅迫傷害。本研究通過比較不同堿敏感性水稻品種萌發(fā)及碳氮代謝相關(guān)指標(biāo)的差異，探討堿脅迫下外源SNP 添加對萌發(fā)期水稻碳氮代謝的影響，為鹽堿地水稻種植提供參考?！痉椒ā恳詨A敏感品種中花11 （ZH11） 和耐堿品種寧粳52 （NG52） 為試驗材料，在混合堿脅迫 [alkali stress （AS）， 即20 mmol/L CO32?和HCO3?等比例混合液， pH 10.50] 下，設(shè)置不同SNP 濃度 （0、10、30、50、70、100 μmol/L） 浸種處理，通過測定萌發(fā)期關(guān)鍵生長指標(biāo)，以篩選SNP 最適濃度。結(jié)果顯示堿脅迫下不同濃度外源SNP 影響了水稻萌發(fā)，其中，30 μmol/L SNP 處理顯著增加了水稻的發(fā)芽指數(shù)，促進(jìn)了水稻萌發(fā)。進(jìn)一步設(shè)置CK （control）、SNP （30 μmol/L）、AS （20 mmol/L）、AS+SNP （20 mmol/L AS + 30 μmol/L SNP）4 個處理，分析它們對萌發(fā)期堿敏感差異水稻碳氮代謝的影響。【結(jié)果】1） 在碳代謝方面，與AS 處理相比，AS+SNP 處理下ZH11 和NG52 中蔗糖含量顯著降低。其中，NG52 中蔗糖含量顯著低于ZH11，而其蔗糖合成基因 （OsNIN1） 和葡萄糖合成基因 （OsSPS1、OsSPS11） 的表達(dá)量顯著高于ZH11。2） 在氮代謝方面，與AS 處理相比，AS+SNP 處理顯著增加了2 個品種中蘋果酸、檸檬酸、一氧化氮含量，硝酸還原酶、S-亞硝基谷胱甘肽還原酶活性以及OsNR2、OsGSNOR1 基因表達(dá)，降低了NO3?和氧化型谷胱甘肽含量，提高了脯氨酸水平。其中，NG52 中蘋果酸、檸檬酸、一氧化氮、脯氨酸、氧化型谷胱甘肽含量，S-亞硝基谷胱甘肽還原酶活性以及OsNR1.2、OsGSNOR1 的表達(dá)量均顯著高于ZH11。3） 相關(guān)分析和主成分分析結(jié)果顯示，葡萄糖和蔗糖合成酶基因 （OsNIN1） 分別與蘋果酸、檸檬酸、脯氨酸和一氧化氮呈顯著正相關(guān)，葡萄糖、果糖、一氧化氮、亞硝基谷胱甘肽和氧化型谷胱甘肽可能是影響碳氮代謝相互協(xié)調(diào)的關(guān)鍵指標(biāo)?！窘Y(jié)論】施加30 μmol/L SNP 可促進(jìn)堿脅迫下水稻體內(nèi)蔗糖分解和有機酸的積累，增強硝酸還原酶和S-亞硝基谷胱甘肽還原酶活性，提高有機氮含量，促進(jìn)碳代謝向氮代謝轉(zhuǎn)化，維持堿脅迫下萌發(fā)期水稻碳氮代謝的正常進(jìn)行。

關(guān)鍵詞： 水稻； 萌發(fā)期； 堿脅迫； 硝普納； 碳氮代謝

土壤鹽堿化是一個全球性問題。中國的鹽堿地面積占世界第三，主要分布在東北、華北、西北等地區(qū)，嚴(yán)重制約著我國農(nóng)業(yè)發(fā)展[1]。研究表明，種植水稻（Oryza sativa L.） 有利于淡化土壤表層鹽堿度，改善土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到改良鹽堿地的目的[2]。然而，水稻是一種鹽堿敏感作物，種子萌發(fā)階段易受鹽堿脅迫的危害，這對幼苗及后期生長會造成不利影響[3]。例如，中性鹽（NaCl、Na2SO4） 與堿性鹽的混合脅迫（Na2CO3、NaHCO3） 顯著抑制了水稻種子發(fā)芽，當(dāng)混合溶液濃度達(dá)200 mmol/L 時幾乎完全抑制了水稻種子的發(fā)芽[4]。逆境脅迫下外施外源硝普納（SNP）能夠影響植物體內(nèi)的碳氮代謝，從而使植物做出對逆境的響應(yīng)和適應(yīng)。如鹽脅迫下施加外源0.15 mmol/LSNP、0.15 mmol/L SNP+50 μmol/L 葡萄糖進(jìn)行浸種處理，增加了水稻種子萌發(fā)過程中內(nèi)源葡萄糖和果糖的積累，提高了鹽脅迫下水稻種子早期發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)，這說明糖信號分子葡萄糖通過參與調(diào)控碳代謝影響了鹽脅迫下水稻種子的萌發(fā)[5]。類似地，10 μmol/L SNP 增加了鹽脅迫下水稻葉片中的氮含量和谷氨酸脫氫酶活性（glutamate dehydrogenase， GDH），促進(jìn)蔗糖和脯氨酸的積累，為鹽脅迫下水稻氮代謝提供還原力[6]。

碳氮代謝是植物體內(nèi)最主要的兩大代謝，包括分解、轉(zhuǎn)化和積累，為植物生命活動提供能量和物質(zhì)，兩者協(xié)同調(diào)控植物生長發(fā)育過程[ 7 ? 9 ]。研究表明，ygl53 突變體具有較高的凈同化速率、電子傳遞通量效率、光呼吸速率和過氧化氫酶活性，以及較低的H2O2 含量和氮吸收效率。該突變體中較高活性的谷氨酸合成酶（GOGAT） 和谷氨酰胺合成酶（GS）有利于合成α-酮戊二酸和氨，暗示碳代謝衍生的能量和物質(zhì)可能以光呼吸的形式補充氮代謝，以維持水稻正常生長發(fā)育[10]。此外，水稻生長中后期施用氮肥不僅為生長提供充足的氮素營養(yǎng)，也能夠提高水稻葉片凈光合速率，增強碳代謝能力，促進(jìn)籽粒中碳氮代謝產(chǎn)物積累，有助于提升產(chǎn)量[11]。

堿脅迫造成碳元素和氮元素的同化和吸收障礙，影響植物養(yǎng)分的吸收和代謝，添加外源物可調(diào)控作物體內(nèi)碳氮代謝，緩解作物堿脅迫傷害。吳旭紅等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在60 mmol/L Na2CO3 堿性鹽脅迫下，添加80 μmol/L 的外源SNP 增強了光合作用、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶、硝酸還原酶活性和蛋白質(zhì)含量，降低游離氨基酸含量，維持了堿脅迫下南瓜幼苗碳氮代謝的正常進(jìn)行，進(jìn)而緩解堿脅迫對南瓜幼苗的傷害。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，不同外源物（甜菜堿、SNP 和褪黑素） 均能通過調(diào)節(jié)水稻幼苗形態(tài)、生理特性及基因表達(dá)的變化，從而緩解水稻堿脅迫傷害并增強水稻的耐堿性，其中，SNP 的緩解效應(yīng)最大[13]。然而，堿脅迫下外源SNP的添加是否影響了水稻碳氮代謝需要進(jìn)一步研究。本研究以堿敏感差異水稻品種ZH11 和NG52 為材料，研究堿脅迫下添加外源SNP 對萌發(fā)期水稻中碳氮代謝物含量、合成酶活性及相應(yīng)基因表達(dá)水平的影響，旨在探索萌發(fā)期水稻耐堿性中碳氮代謝機制，為研究SNP 調(diào)控鹽堿脅迫下水稻萌發(fā)和早期生長發(fā)育機理提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。