第 34 卷 第 13 期 2014 年 7 月 生 态 学 报 ACTA ECOLOGICA SINICA Vol.34,No.13 Jul.,2014 DOI: 10.5846 / stxb201211221654 卢 红 芳, 王 晨 阳, 郭 天 财, 尹 云 星. 灌 浆 前 期 高 温 和 干 旱 胁 迫 对 小 麦 籽 粒 蛋 白 质 含 量 和 氮 代 谢 关 键 酶 活 性 的 影 响. 生 态 学 报,2014,34(13):3612 鄄 3619. Lu H F, Wang C Y, Guo T C,Yin Y X.Effects of high 鄄 temperature and drought stress on protein concentration and key enzyme activities in relation to nitrogen metabolism in wheat grains during the early stage of grain filling.acta Ecologica Sinica,2014,34(13):3612 鄄 3619. 灌 浆 前 期 高 温 和 干 旱 胁 迫 对 小 麦 籽 粒 蛋 白 质 含 量 和 氮 代 谢 关 键 酶 活 性 的 影 响 卢 红 芳 1, 王 晨 阳 1,2,*, 郭 天 财 1,2 1, 尹 云 星 (1. 河 南 农 业 大 学 农 学 院, 郑 州 摇 450002;2. 国 家 小 麦 工 程 技 术 研 究 中 心, 郑 州 摇 450002) 摘 要 : 为 探 讨 花 后 逆 境 胁 迫 影 响 小 麦 籽 粒 氮 代 谢 及 蛋 白 质 合 成 的 生 理 机 制, 采 用 盆 栽 和 人 工 气 候 室 模 拟 花 后 高 温 的 方 式, 研 究 了 灌 浆 前 期 短 暂 高 温 和 干 旱 胁 迫 对 两 个 不 同 品 质 类 型 小 麦 品 种 籽 粒 蛋 白 质 含 量 组 分 及 谷 氨 酰 胺 合 成 酶 ( GS) 谷 丙 转 氨 酶 (GPT) 活 性 的 影 响 结 果 表 明, 灌 浆 前 期 高 温 干 旱 及 其 复 合 胁 迫 均 显 著 提 高 两 品 种 籽 粒 蛋 白 质 及 组 分 含 量, 但 降 低 谷 / 醇 比 逆 境 胁 迫 使 蛋 白 质 积 累 量 和 粒 重 显 著 下 降, 其 中 高 温 处 理 使 两 品 种 蛋 白 质 产 量 分 别 下 降 20.7% 和 12.4%, 粒 重 下 降 23.2% 和 24 郾 0%; 干 旱 胁 迫 使 两 品 种 蛋 白 质 产 量 分 别 下 降 16.2% 和 11.9%, 粒 重 下 降 18.0% 和 16.0%; 复 合 胁 迫 使 两 品 种 蛋 白 质 产 量 分 别 下 降 26.1% 和 15.8%, 粒 重 下 降 29.9% 和 28.9% 高 温 干 旱 及 其 复 合 胁 迫 下 两 品 种 籽 粒 氮 代 谢 关 键 酶 活 性 升 高 花 后 8,17, 23,29 d 的 GS 活 性 和 花 后 11,17 d 的 GPT 活 性 与 蛋 白 质 含 量 呈 显 著 或 极 显 著 正 相 关, 花 后 23,35 d 的 GS 和 花 后 8,17,23 d 的 GPT 活 性 与 蛋 白 质 产 量 呈 显 著 或 极 显 著 负 相 关, 花 后 8,17,23,29,35 d 的 GS 和 花 后 8,11,17,23 d 的 GPT 活 性 与 籽 粒 产 量 呈 显 著 或 极 显 著 负 相 关 试 验 条 件 下, 高 温 处 理 对 籽 粒 蛋 白 质 合 成 的 影 响 大 于 干 旱 胁 迫, 二 者 具 有 叠 加 效 应, 强 筋 小 麦 品 种 郑 麦 366 受 逆 境 胁 迫 的 影 响 较 大 关 键 词 : 小 麦 ; 蛋 白 质 ; 酶 ; 高 温 ; 干 旱 Effects of high 鄄 temperature and drought stress on protein concentration and key enzyme activities in relation to nitrogen metabolism in wheat grains during the early stage of grain filling LU Hongfang 1, WANG Chenyang 1,2,*, GUO Tiancai 1,2,YIN Yunxing 1 1 College of Agriculture, Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan 450002, China 2 National Engineering Research Center for Wheat, Zhengzhou,Henan 450002, China Abstract: To explore the physiological mechanisms of stresses on nitrogen metabolism and protein accumulation in wheat grains, a pot experiment was performed at the Scientific & Educational Park of Henan Agricultural University from 2010 to 2012. Zhengmai 366 and Yunong 949, wheat cultivars with different gluten 鄄 strengths, were grown in 24 鄄 cm pots with 10 kg loam soil for the experiment, which was performed using a completely randomized design in three replicates. Plants were initially grown in the field environment and were then transferred to a climate 鄄 controlled greenhouse for the high temperature (HT) treatment. HT began from the 8 th day after anthesis (DAA) and ended at the 11 th DAA, with a high temperature of 38 毅 C for five hours from 11:00 to 16:00, after which the plants were returned to the field environment. The concentration of protein and its components, and the activities of glutamine synthetase (GS) and glutamic 鄄 pyruvic transaminase ( GPT) in the grains were measured to evaluate the effects of the stresses. The results showed that HT, drought stress (DS) and their 基 金 项 目 : 国 家 十 二 五 冶 科 技 支 撑 计 划 项 目 (2011BAD16B07, 2012BAD04B07); 公 益 性 行 业 科 研 专 项 (201203031, 201203033) 收 稿 日 期 :2012 鄄 1 鄄 22; 摇 摇 网 络 出 版 日 期 :2014 鄄 03 鄄 19 * 通 讯 作 者 Corresponding author.e 鄄 mail: xmzxwang@ 163.com
摇 13 期 摇 摇 摇 卢 红 芳 摇 等 : 灌 浆 前 期 高 温 和 干 旱 胁 迫 对 小 麦 籽 粒 蛋 白 质 含 量 和 氮 代 谢 关 键 酶 活 性 的 影 响 摇 3613 combination significantly increased protein and its components 忆 concentrations, yet decreased the ratio of glutenin to gliadin. The protein accumulation was also reduced by stresses. For example, for Zhengmai 366, the protein yield significantly decreased by 20.7% under HT, by 16.2% under DS, and by 26.1% under a combination of HT and DS. In Yunong 949, the protein yield decreased by 12.4% under HT, by 11.9% under DS and by 15.8% under a combination of HT and DS. The grain weight significantly declined by 23.2% under HT, by 18.0% under DS and by 29.9% under a combination of HT and DS, in Zhengmai 366, and decreased by 24.0% under HT, by 16.0% under DS, and by 29.9% under a combination of HT and DS, in Yunong 949. However, the activities of GS and GPT were promoted under HT, DS and their combination. A correlation analysis showed that the activity of GS was positively correlated with the protein concentration in mature wheat grains at significant or extremely significant levels at 8, 17, 23, and 29 DAA. However, GS activity was negatively correlated with protein yield at extremely significant levels at 23 and 35 DAA, and it was negatively correlated with grain yield at significant or extremely significant levels at 8, 17, 23, 29 and 35 DAA. The activity of GPT was positively correlated with protein concentration at extremely significant levels at 11 and 17 DAA. However, GPT activity was negatively correlated with protein yield at extremely significant levels at 8, 17 and 23 DAA and negatively correlated with grain yield at significant or extremely significant levels at 8, 11, 17 and 23 DAA. The results also indicated that, under the present experimental conditions, the influence of the HT treatment was greater than that of the DS, and an overlap effect existed between HT and DS. In addition, Zhengmai 366, a high 鄄 gluten cultivar, showed more sensitivity to stresses than Yunong 949, a mid 鄄 gluten cultivar. These results may aid in understanding how HT and DS influence protein accumulation and may be useful in improving wheat quality. Key Words: wheat grains; protein; enzymes; high temperature; drought stress 摇 摇 蛋 白 质 含 量 是 决 定 小 麦 品 质 的 重 要 指 标 之 一 除 了 受 小 麦 遗 传 特 性 控 制 外, 还 受 温 度 和 水 分 等 环 境 条 件 的 调 控 和 影 响 [1] 研 究 表 明, 土 壤 干 旱 和 渍 水 会 提 高 小 麦 籽 粒 中 蛋 白 质 含 量, 但 降 低 蛋 白 质 产 [2 鄄 量, 影 响 籽 粒 品 质 4] 35 益 以 上 短 暂 高 温 可 以 提 高 籽 粒 蛋 白 质 含 量, 但 会 降 低 面 团 强 度 [5] 蛋 白 质 生 物 合 成 过 程 是 在 一 系 列 酶 的 催 化 协 同 作 用 下 共 同 完 成 的, 最 终 决 定 蛋 白 质 品 质 其 中, 谷 氨 酰 胺 合 成 酶 (glutamine synthetase, GS) 和 谷 丙 转 氨 酶 (glutamic pyruvic transaminase, GPT) 是 调 控 小 麦 籽 粒 蛋 白 质 形 成 的 两 个 关 键 酶 [6] GS 是 处 于 氮 代 谢 中 心 的 多 功 能 酶, 参 与 多 种 氮 代 谢 调 节, 对 氨 基 酸 初 步 合 成 及 [6 鄄 氮 的 再 同 化 有 重 要 作 用 8] GPT 是 一 种 重 要 的 转 氨 酶, 调 控 N 从 其 主 要 载 体 谷 氨 酸 向 组 成 蛋 白 质 的 其 它 氨 基 酸 转 移, 是 催 化 生 成 丙 氨 酸 的 关 键 酶 [6] GS 和 GPT 活 性 显 著 受 温 度 和 水 分 等 外 界 条 件 的 影 响 研 究 表 明, 土 壤 渍 水 和 干 旱 导 致 小 麦 旗 叶 GS 活 性 和 籽 粒 GPT 活 性 降 低, 籽 粒 蛋 白 质 产 量 下 降, 品 质 变 劣 [4] 但 也 有 研 究 发 现 干 旱 提 高 小 麦 籽 粒 GPT 活 性, 促 进 籽 粒 蛋 白 质 形 成 [9] 小 麦 灌 浆 期 是 植 株 生 长 发 育 最 易 受 不 良 环 境 条 件 影 响 的 时 期 在 黄 淮 广 大 麦 区, 小 麦 灌 浆 期 常 出 现 38 益 的 极 端 高 温 天 气 [10], 且 高 温 常 与 干 旱 相 伴 发 生, 或 形 成 典 型 的 干 热 风, 造 成 小 麦 减 产 10% 20% [11], 并 严 重 影 响 籽 粒 品 质 形 成 以 往 结 合 高 温 干 旱 单 一 胁 迫 的 研 究 多 集 中 在 植 株 叶 片 GS GPT 活 性 等 方 面, 围 绕 籽 粒 氮 代 谢 关 键 酶 及 蛋 白 质 合 成 酶 学 机 制 的 研 究 相 对 较 少, 更 缺 乏 复 合 胁 迫 影 响 的 研 究 基 于 此, 本 文 采 用 盆 栽 与 典 型 模 拟 相 结 合 的 方 式, 研 究 了 花 后 高 温 干 旱 及 其 复 合 胁 迫 对 小 麦 籽 粒 GS GPT 活 性 及 蛋 白 质 组 分 的 影 响, 以 期 为 抗 逆 高 产 栽 培 及 品 质 调 优 提 供 理 论 依 据 1 摇 材 料 与 方 法 1.1 摇 试 验 设 计 盆 栽 试 验 于 2010 2012 年 在 河 南 农 业 大 学 郑 州 科 教 示 范 园 区 采 用 完 全 随 机 设 计 进 行 选 用 强 筋 小 麦 品 种 郑 麦 366 ( 根 据 近 红 外 谷 物 分 析 仪 对 2009 2010 年 度 试 验 点 大 田 试 验 测 定 结 果, 蛋 白 质 含 量 16.4%, 湿 面 筋 含 量 32.9%) 和 中 筋 小 麦 品 种 豫 农 949( 蛋 白 质 含 量 15.4%, 湿 面 筋 含 量 29.7%) 作 为 试 验 材 料 盆 栽 用 土 取 自 大 田 0 20 cm 耕 层, 土 壤
3614 摇 生 摇 态 摇 学 摇 报 摇 摇 摇 34 卷 摇 有 机 质 含 量 18 g / kg, 碱 解 氮 57 mg / kg, 速 效 磷 67 mg / kg, 速 效 钾 204 mg / kg 试 验 用 盆 采 用 底 部 带 小 孔 的 塑 料 盆 钵, 盆 高 27 cm 盆 口 直 径 24 cm, 每 盆 装 土 10 kg 10 月 18 日 播 种, 播 种 前 N P K 施 用 量 分 别 按 每 盆 施 1.1 g N, 1.3 g P 2 O 5 and 1.1 g K 2 O 作 基 肥 ( 拔 节 期 结 合 浇 水 按 每 盆 1.1 g 追 施 N 肥 ), 每 盆 定 苗 12 株 开 花 期 选 取 长 势 均 匀 一 致 的 麦 穗 进 行 标 记 供 取 样 穗 挂 牌 标 记 高 温 处 理 前 和 结 束 后 分 别 取 样, 之 后 每 隔 6 d 取 样 至 成 熟 每 次 取 样 的 新 鲜 籽 粒 一 部 分 在 液 氮 中 速 冻 并 保 存 在 -40 益 冰 箱 中, 供 测 定 GS 和 GPT 酶 活 性, 一 部 分 烘 干 供 测 定 蛋 白 质 及 其 组 分 含 量 称 取 新 鲜 籽 粒 0.5 g, 加 5 ml Tris 鄄 HCl 缓 冲 提 取 液 ( 含 1 mmol / L MgCl 2 1 mmol / L EDTA 和 2 mmol / L DTT,pH 值 = 7.6) 研 磨 成 匀 浆, 匀 浆 液 于 13000 r / min 离 心 25 min, 取 上 清 液, 用 于 GS 活 性 测 定 测 定 方 法 参 照 植 物 生 理 学 实 验 指 导 [12] GPT 活 性 测 定 [13] 参 照 吴 良 欢 等 的 方 法 蛋 白 质 及 其 组 分 含 量 测 定 采 用 全 自 动 凯 氏 定 氮 法 蛋 白 质 含 量 与 全 氮 含 量 之 间 的 换 算 系 数 为 5.7 1.3 摇 数 据 分 析 用 SPSS(Statistical Package for the Social Science) 软 件 对 试 验 数 据 进 行 方 差 分 析 相 关 分 析 和 显 著 性 测 验 2 摇 结 果 与 分 析 摇 图 1 摇 2010 2011 和 2011 2012 年 度 高 温 处 理 期 间 大 田 环 境 正 常 温 度 Fig.1 摇 Air temperature of field environment for the periods of the high temperature applied during the 2010 2011 and 2011 2012 growing seasons 高 温 处 理 采 用 人 工 气 候 室 模 拟 方 式 进 行 于 花 后 7 d 将 长 势 均 匀 一 致 的 供 试 盆 栽 转 移 至 人 工 气 候 室 用 100 W 高 压 钠 灯 模 拟 自 然 光, 光 照 强 度 约 1400 滋 E / m 2 以 38 益 高 温 处 理 4 d, 处 理 时 间 为 每 天 11:00 16:00, 共 5 h 每 天 处 理 结 束 后, 把 盆 栽 转 移 至 大 田 环 境 条 件 下 所 有 处 理 结 束 后, 全 部 处 理 均 移 至 大 田 环 境 条 件 下 生 长 至 成 熟 干 旱 及 复 合 胁 迫 处 理 自 高 温 处 理 前 一 周 左 右 开 始 控 制 浇 水, 遮 棚 排 除 自 然 降 水 影 响, 采 用 称 重 法 和 TDR300( 水 分 测 定 仪 ) 相 结 合 的 方 法 测 定 盆 栽 土 壤 含 水 量, 确 保 高 温 处 理 时 达 到 目 标 含 水 量 ( 轻 度 干 旱, 土 壤 相 对 含 水 量 为 50%) 以 田 间 正 常 温 度 和 正 常 供 水 条 件 下 生 长 的 小 麦 为 对 照 ( CK, 土 壤 相 对 含 水 量 为 75% 左 右 ) 图 1 为 2010 2012 生 育 期 内 高 温 处 理 期 间 大 田 生 长 环 境 的 平 均 温 度 ( x 1 = 27.6 益,2010 2011; x 2 = 27.4 益,2011 2012) 1.2 摇 测 定 项 目 与 方 法 于 开 花 期 选 择 同 一 天 开 花 生 长 均 匀 一 致 的 麦 2.1 摇 高 温 干 旱 及 其 复 合 胁 迫 对 小 麦 籽 粒 蛋 白 质 含 量 及 其 组 分 的 影 响 从 表 1 可 以 看 出, 高 温 处 理 显 著 提 高 了 两 品 种 小 麦 籽 粒 总 蛋 白 质 含 量 及 清 蛋 白 球 蛋 白 和 醇 溶 蛋 白 含 量, 但 对 谷 蛋 白 含 量 影 响 相 对 较 小, 使 谷 / 醇 比 显 著 下 降 ; 两 品 种 比 较, 高 温 处 理 对 郑 麦 366 的 影 响 大 于 豫 农 949 干 旱 胁 迫 显 著 提 高 了 两 品 种 籽 粒 醇 溶 蛋 白 含 量, 但 对 清 蛋 白 球 蛋 白 和 谷 蛋 白 的 影 响 均 较 小, 导 致 谷 / 醇 比 降 低 ; 豫 农 949 籽 粒 总 蛋 白 质 含 量 在 干 旱 胁 迫 下 显 著 升 高 ( 两 年 结 果 一 致 ), 而 郑 麦 366 在 2010 2011 年 度 下 降,2011 2012 年 度 显 著 升 高 从 表 1 还 可 以 看 出, 高 温 处 理 对 籽 粒 蛋 白 质 合 成 的 影 响 大 于 干 旱 胁 迫 复 合 胁 迫 显 著 提 高 了 籽 粒 总 蛋 白 质 含 量 清 蛋 白 和 球 蛋 白 含 量, 但 显 著 降 低 了 谷 蛋 白 含 量 ( 两 品 种 表 现 一 致 ), 但 对 醇 溶 蛋 白 含 量 的 影 响 在 品 种 间 存 在 差 异 : 复 合 胁 迫 显 著 提 高 了 郑 麦 366 醇 溶 蛋 白 含 量, 使 谷 / 醇 比 显 著 下 降, 但 对 豫 农 949 醇 溶 蛋 白 含 量 影 响 较 小 2.2 摇 高 温 干 旱 及 其 复 合 胁 迫 对 小 麦 粒 重 及 蛋 白 质 产 量 的 影 响 图 2 所 示, 高 温 处 理 使 郑 麦 366 豫 农 949 籽 粒 蛋 白 质 产 量 分 别 下 降 20.9%(2010 2011) 20.7%
摇 13 期 摇 摇 摇 卢红芳摇 等:灌浆前期高温和干旱胁迫对小麦籽粒蛋白质含量和氮代谢关键酶活性的影响 摇 3615 表 1摇 高温 干旱及其互作对小麦籽粒蛋白质含量及其组分的影响 Table 1摇 Effects of heat, drought and their combination on the concentrations of total protein and protein components in wheat grains 品种 Cultivar 郑麦 366 年份 Growing seasons 2010 2011 处理 Treatments CK 总蛋白质含量 Total Protein concentration / % 清蛋白 Albumin / % 球蛋白 Globulin / % 醇溶蛋白 Gliadin / % 谷蛋白 Glutenin / % 谷 / 醇比 Glu / Gli 18.67c 18.47c 2.58hi 5.78fg 6.70b 1.16a 19.07b 2.57hi 1.15f 3.11ab 1.55b 6.78a 6.87a 1.01c WD HT 2011 2012 HT伊WD 19.57a CK 18.47c WD 18.87b HT伊WD 19.47a HT 豫农 949 2010 2011 2011 2012 19.07b CK 15.47h HT 18.07d CK 15.67g WD 16.87e HT伊WD 18.47c WD 16.47f HT 18.07d HT伊WD 18.57c 3.09b 2.53i 2.54i 2.99c 2.94d 2.64g 2.63gh 3.15a 2.84e 2.71f 2.61gh 3.03bc 2.80e 1.32cd 1.92a 1.30cde 1.34c 1.52b 1.62b 1.20ef 1.21def 1.56b 1.97a 1.22def 1.23def 1.59b 1.94a 6.77a 6.05e 5.84f 6.79a 6.45bc 6.01e 5.71g 6.44bc 6.54b 5.85f 5.83fg 6.29d 6.38cd 5.81fg 6.60c 5.87de 6.68b 6.56c 6.86a 5.90d 5.82efg 5.72hi 0.97d 0.97d 1.14a 0.97d 1.06b 0.98d 1.02c 0.89fg 5.79fg 0.89fg 5.76gh 0.99d 5.08j 5.67i 5.85def 5.04j 0.89g 0.90ef 0.92e 0.87g 摇 摇 CK: 对 照 Control, WD: 干 旱 胁 迫 处 理 Drought鄄stressed treatment, HT: 高 温 胁 迫 处 理 Heat鄄stressed treatment, HT 伊 WD: 复 合 胁 迫 处 理 Combination鄄stressed treatment;每栏中数据后不同字母表示 0.05 水平显著性差异 图 2摇 高温 干旱及其互作对小麦蛋白质产量和粒重的影响 Fig.2摇 Effects of heat, drought and its combination on the yield of wheat grain protein and dry grain weight 不同字母表示 0.05 水平显著性差异
3616 摇 生 摇 态 摇 学 摇 报 摇 摇 摇 34 卷 摇 ( 2011 2012 ) 和 11. 3% ( 2010 2011 ) 12 郾 4% (2011 2012 ); 粒 重 分 别 下 降 22. 5% 23. 2% 和 24 郾 1% 24.0% 干 旱 胁 迫 下, 郑 麦 366 豫 农 949 籽 粒 蛋 白 质 产 量 分 别 下 降 19.7%(2010 2011) 16.2% ( 2011 2012 ) 和 9. 4% ( 2010 2011 ) 11. 9% (2011 2012 ); 粒 重 分 别 下 降 18. 8% 18. 0% 和 16 郾 9% 16.0% 复 合 胁 迫 使 郑 麦 366 豫 农 949 籽 粒 蛋 白 质 产 量 分 别 下 降 27. 0% ( 2010 2011) 26 郾 1% ( 2011 2012 ) 和 16. 2% ( 2010 2011 ) 15. 8% (2010 2011 ); 粒 重 分 别 下 降 30 郾 3% 29. 9% 和 29 郾 8% 28.9% 可 见,2a 试 验 结 果 基 本 一 致 在 试 验 条 件 下, 高 温 处 理 的 影 响 大 于 干 旱 胁 迫, 复 合 胁 迫 具 有 明 显 的 叠 加 效 应 两 品 种 比 较, 强 筋 小 麦 郑 麦 366 受 逆 境 胁 迫 的 影 响 较 大 2.3 摇 高 温 干 旱 及 其 复 合 胁 迫 对 籽 粒 GS 活 性 的 影 响 随 小 麦 灌 浆 进 程 的 推 进, 两 品 种 籽 粒 GS 活 性 均 呈 逐 渐 下 降 趋 势 ( 图 3) 与 对 照 比 较, 高 温 胁 迫 使 灌 浆 期 两 品 种 籽 粒 GS 活 性 平 均 分 别 提 高 12.0% 和 16.2%, 复 合 胁 迫 下 两 品 种 GS 活 性 分 别 提 高 10.8% 和 14.7% 干 旱 胁 迫 则 使 花 后 11 d 和 23 d 的 GS 活 性 有 不 同 程 度 下 降, 其 它 时 期 升 高 复 合 胁 迫 加 快 了 两 品 种 籽 粒 灌 浆 进 程, 使 灌 浆 持 续 期 缩 短 6 d 从 对 籽 粒 GS 活 性 的 影 响 看, 高 温 与 干 旱 胁 迫 具 有 叠 加 效 应 两 品 种 比 较, 豫 农 949 籽 粒 GS 活 性 对 逆 境 胁 迫 更 为 敏 感 ( 图 3) Fig.3 摇 图 3 摇 花 后 小 麦 籽 粒 GS 活 性 的 积 累 动 态 (2011 2012) Dynamic changes of GS activities in wheat grains after anthesis 2.4 摇 高 温 干 旱 及 其 复 合 胁 迫 对 籽 粒 GPT 活 性 的 影 响 小 麦 籽 粒 GPT 活 性 先 上 升, 于 花 后 23 d 达 最 大 值, 之 后 迅 速 下 降 ( 图 4) 花 后 8 23 d, 高 温 干 旱 及 复 合 胁 迫 明 显 提 高 了 籽 粒 GPT 活 性, 之 后 影 响 迅 速 减 小, 使 不 同 处 理 间 籽 粒 GPT 活 性 差 异 不 大 高 温 处 理 显 著 提 高 了 郑 麦 366 花 后 8,17 和 23 d 籽 粒 GPT 活 性 和 豫 农 949 花 后 11, 17 和 23 d GPT 活 性 ) 干 旱 胁 迫 显 著 提 高 了 郑 麦 366 花 后 17 d 籽 粒 GPT 活 性 和 豫 农 949 花 后 11 和 17 d GPT 活 性 复 合 胁 迫 使 郑 麦 366 花 后 8,17 和 23 d 籽 粒 GPT 活 性 显 著 升 高, 豫 农 949 花 后 17 和 23 d 籽 粒 GPT 活 性 显 著 升 高 花 后 29 d, 单 一 胁 迫 使 两 品 种 籽 粒 GPT 活 性 不 同 程 度 升 高, 而 复 合 胁 迫 对 两 品 种 的 影 响 存 在 差 异 : 郑 麦 366 籽 粒 GPT 活 性 下 降, 而 豫 农 949 籽 粒 GPT 活 性 升 高 花 后 35 d, 高 温 和 干 旱 胁 迫 均 使 郑 麦 366 籽 粒 GPT 活 性 下 降, 而 使 豫 农 949 籽 粒 GPT 活 性 升 高 2.5 摇 籽 粒 GS 和 GPT 活 性 与 成 熟 期 籽 粒 蛋 白 质 含 量 及 产 量 的 关 系 表 2 所 示, 不 同 时 期 籽 粒 GS 活 性 与 蛋 白 质 含 量 蛋 白 质 产 量 和 粒 重 的 相 关 性 存 在 有 差 异 : 花 后 8, 17,23 和 29 d 籽 粒 GS 活 性 与 蛋 白 质 含 量 呈 显 著 或 极 显 著 正 相 关 ; 花 后 8,17,23,29 和 35 d 籽 粒 GS 活 性 与 籽 粒 产 量 呈 显 著 或 极 显 著 负 相 关 ; 花 后 23 和 35 d 籽 粒 GS 活 性 与 籽 粒 蛋 白 质 产 量 呈 极 显 著 负 相 关 从 表 3 可 以 看 出, 花 后 11 和 17 d 籽 粒 GPT 活 性 与 籽 粒 蛋 白 质 含 量 呈 极 显 著 正 相 关 ; 花 后 8 17 和 23 d 籽 粒 GPT 活 性 与 籽 粒 蛋 白 质 产 量 呈 极 显 著 负 相 关 ; 花 后 8 11 17 和 23 d 籽 粒 GPT 活 性 与 籽 粒 产 量 呈 显 著 或 极 显 著 负 相 关 可 见, 籽 粒 GPT 主 要 在 灌 浆 前 期 起 作 用
摇 13 期 摇 摇 摇 卢 红 芳 摇 等 : 灌 浆 前 期 高 温 和 干 旱 胁 迫 对 小 麦 籽 粒 蛋 白 质 含 量 和 氮 代 谢 关 键 酶 活 性 的 影 响 摇 3617 图 4 摇 花 后 小 麦 籽 粒 GPT 活 性 的 积 累 动 态 (2011 2012) Fig.4 摇 Dynamic changes of GPT activities in wheat grains after anthesis Table 2 摇 2010 2011 2011 2012 表 2 摇 小 麦 籽 粒 GS 活 性 与 成 熟 期 蛋 白 质 含 量 及 蛋 白 质 产 量 和 籽 粒 产 量 的 相 关 系 数 Correlations of GS activity in wheat grains with the total protein concentration at mature as well as the protein yield and grain yield 蛋 白 质 含 量 Total protein concentration / % 蛋 白 质 产 量 Protein yield / (mg / 粒 ) 籽 粒 产 量 Grain yield / (mg / 粒 ) 蛋 白 质 含 量 Total protein concentration / % 蛋 白 质 产 量 Protein yield / (mg / 粒 ) 籽 粒 产 量 Grain yield / (mg / 粒 ) 摇 摇 表 中 * 表 示 在 0.05 水 平 相 关,** 表 示 0.01 水 平 相 关 花 后 天 数 Days after anthesis / d 8 11 17 23 29 35 0.730 ** 0.139 0.703 ** 0.458 * 0.706 ** 0.464-0.100-0.216-0.220-0.542 ** -0.144-0.648 ** -0.479 * -0.251-0.567 ** -0.716 ** -0.478 * -0.914 ** 0.746 ** 0.159 0.720 ** 0.413 * 0.706 ** 0.414-0.066-0.141-0.159-0.536 ** -0.082-0.649 ** -0.464 * -0.203-0.532 ** -0.698 ** -0.436 * -0.905 ** Table 3 摇 2010 2011 2011 2012 表 3 摇 小 麦 籽 粒 GPT 活 性 与 成 熟 期 蛋 白 质 含 量 及 蛋 白 质 产 量 和 籽 粒 产 量 的 相 关 系 数 Correlations of GPT activity in wheat grains with the total protein concentration at mature as well as the protein yield and grain yield 蛋 白 质 含 量 Total protein concentration / % 蛋 白 质 产 量 Protein yield / (mg / 粒 ) 籽 粒 产 量 Grain yield / (mg / 粒 ) 蛋 白 质 含 量 Total protein concentration / % 蛋 白 质 产 量 Protein yield / (mg / 粒 ) 籽 粒 产 量 Grain yield / (mg / 粒 ) 摇 摇 表 中 * 表 示 在 0.05 水 平 相 关,** 表 示 0.01 水 平 相 关 花 后 天 数 Days after anthesis / d 8 11 17 23 29 35 0.065 0.519 ** 0.554 ** 0.208 0.103 0.009-0.527 ** -0.256-0.554 ** -0.710 ** 0.003 0.262-0.486 * -0.516 ** -0.777 ** -0.709 ** -0.069 0.198 0.111 0.469 * 0.567 ** 0.184 0.163-0.134-0.487 * -0.282-0.499 * -0.713 ** 0.146 0.122-0.487 * -0.518 ** -0.750 ** -0.714 ** 0.021 0.161
3618 摇 生 摇 态 摇 学 摇 报 摇 摇 摇 34 卷 摇 3 摇 讨 论 3.1 摇 高 温 干 旱 及 其 复 合 胁 迫 对 籽 粒 产 量 及 蛋 白 质 产 量 的 影 响 温 度 和 水 分 是 影 响 作 物 生 长 发 育 的 关 键 生 态 因 子, 在 很 大 程 度 上 影 响 籽 粒 灌 浆 进 程 及 籽 粒 品 质 产 量 形 成 有 研 究 表 明, 高 温 降 低 叶 光 合 同 化 效 率, 使 叶 片 光 合 产 物 输 出 紊 乱, 抑 制 籽 粒 中 光 合 产 物 的 累 积 [14] 尽 管 高 温 在 短 时 间 内 提 高 籽 粒 胚 乳 细 胞 分 裂 速 率, 但 由 于 分 裂 期 明 显 缩 短, 最 终 胚 乳 细 胞 数 减 少, 粒 重 显 著 降 低 [15] 灌 浆 期 间 高 温 或 干 旱 胁 迫 对 蛋 白 质 积 累 产 生 负 面 影 响, 使 蛋 白 质 产 量 下 [2 鄄 降 4,16] 本 试 验 条 件 下, 高 温 (38 益 ) 分 别 降 低 了 籽 粒 蛋 白 质 产 量 20. 7% 20. 9% ( 郑 麦 366 ) 和 11 郾 3% 12. 4% ( 豫 农 949 ), 干 旱 降 低 16. 2% 19 郾 7%( 郑 麦 366) 和 9.4% 11.9%( 豫 农 949), 复 合 胁 迫 降 低 26. 1% 27. 0% ( 郑 麦 366) 和 15. 8% 16 郾 2%( 豫 农 949) 表 明 高 温 处 理 的 影 响 大 于 干 旱 胁 迫, 两 者 具 有 显 著 的 叠 加 效 应 两 品 种 比 较, 强 筋 小 麦 品 种 郑 麦 366 受 逆 境 胁 迫 的 影 响 较 大 3.2 摇 高 温 干 旱 及 其 复 合 胁 迫 对 籽 粒 蛋 白 质 含 量 组 分 的 影 响 籽 粒 蛋 白 质 含 量 易 受 温 度 等 环 境 影 响, 灌 浆 期 温 度 升 高 往 往 使 籽 粒 蛋 白 质 含 量 提 高 [16], 但 含 量 相 对 高 是 籽 粒 淀 粉 合 成 受 抑 较 大 的 缘 故 [17] ; 不 同 品 种 [14 鄄 对 高 温 胁 迫 的 敏 感 性 存 在 显 著 差 异 18] 本 研 究 结 果 表 明, 高 温 干 旱 及 其 复 合 胁 迫 均 显 著 提 高 籽 粒 蛋 白 质 含 量, 其 中 中 筋 小 麦 品 种 豫 农 949 受 影 响 较 大 ; 单 一 因 子 比 较, 高 温 胁 迫 的 影 响 大 于 干 旱 胁 迫 小 麦 籽 粒 蛋 白 组 分, 尤 其 谷 / 醇 比 在 很 大 程 度 上 决 定 了 籽 粒 品 质 的 优 劣, 高 温 处 理 显 著 降 低 了 谷 / 醇 比, 从 而 导 致 面 团 强 度 面 包 体 积 和 评 分 等 烘 烤 品 质 变 [5,19 鄄 劣 20] 本 研 究 表 明, 高 温 处 理 显 著 提 高 了 小 麦 籽 粒 总 蛋 白 质 含 量 及 清 蛋 白 球 蛋 白 和 醇 溶 蛋 白 含 量, 但 对 谷 蛋 白 含 量 的 影 响 较 小, 使 谷 / 醇 比 显 著 下 降 干 旱 显 著 提 高 了 小 麦 籽 粒 醇 溶 蛋 白 含 量, 但 对 清 蛋 白, 球 蛋 白 和 谷 蛋 白 的 影 响 较 小, 谷 / 醇 比 亦 降 低 3.3 摇 高 温 干 旱 胁 迫 下 籽 粒 GS GPT 活 性 变 化 及 其 与 蛋 白 质 含 量 的 关 系 GS 和 GPT 是 调 控 小 麦 籽 粒 蛋 白 质 合 成 的 两 个 关 键 酶, 其 活 性 显 著 受 环 境 条 件 的 影 响 有 研 究 表 明, 高 温 和 干 旱 均 导 致 小 麦 旗 叶 GS 活 性 和 籽 粒 GPT 活 性 降 低, 使 蛋 白 质 合 成 受 抑, 籽 粒 蛋 白 质 产 量 下 [4,20 鄄 降 21] 小 麦 籽 粒 GPT 活 性 与 籽 粒 蛋 白 质 产 量 显 著 正 相 关 [20], 而 籽 粒 GS 活 性 与 蛋 白 质 含 量 和 产 量 的 相 关 性 均 较 小 [4,20] 也 有 研 究 认 为 干 旱 胁 迫 提 高 籽 粒 GPT 活 性, 促 进 蛋 白 质 的 合 成 [9] 本 研 究 表 明, 高 温 干 旱 及 其 互 作 在 一 定 时 期 均 提 高 了 小 麦 籽 粒 GS 和 GPT 活 性, 其 中 豫 农 949 更 易 受 胁 迫 影 响 不 同 时 期 小 麦 籽 粒 GS 和 GPT 活 性 与 籽 粒 蛋 白 质 含 量 ( 正 相 关 ) 及 蛋 白 质 产 量 ( 负 相 关 ) 的 相 关 性 存 在 有 差 异 花 后 8,17,23 和 29 d 的 籽 粒 GS 活 性 及 花 后 11 和 17 d 的 籽 粒 GPT 活 性 与 蛋 白 质 含 量 关 系 密 切, 花 后 23 和 35 d 的 籽 粒 GS 活 性 及 花 后 8 17 和 23 d 的 籽 粒 GPT 活 性 与 籽 粒 蛋 白 质 产 量 密 切 相 关 综 上 所 述, 逆 境 胁 迫 下 籽 粒 GS 和 GPT 活 性 升 高 是 导 致 籽 粒 蛋 白 质 相 对 含 量 升 高 的 重 要 原 因, 但 不 能 提 高 粒 重 和 蛋 白 质 产 量 籽 粒 GS 活 性 对 蛋 白 质 合 成 都 有 重 要 影 响, 而 籽 粒 GPT 活 性 主 要 在 生 育 前 期 起 作 用 蛋 白 质 合 成 除 受 GS 和 GPT 活 性 的 影 响 外, 还 与 其 他 蛋 白 质 合 成 酶 和 淀 粉 合 成 酶 有 关, 这 方 面 有 待 深 入 研 究 4 摇 结 论 灌 浆 前 期 高 温 和 干 旱 胁 迫 显 著 提 高 了 两 品 种 小 麦 籽 粒 蛋 白 质 含 量, 但 导 致 谷 / 醇 比 降 低, 并 使 蛋 白 质 产 量 显 著 下 降 其 中, 高 温 使 郑 麦 366 和 豫 农 949 蛋 白 质 产 量 分 别 下 降 20. 7% 和 16. 2%, 干 旱 下 降 26 郾 1% 和 12.4%,, 复 合 胁 迫 下 降 1 1.9% 和 15.8% 同 时, 高 温 干 旱 及 其 复 合 胁 迫 均 使 两 品 种 小 麦 籽 粒 氮 代 谢 关 键 酶 活 性 升 高, 花 后 8,17,23 和 29 d 的 籽 粒 GS 活 性 及 花 后 11 和 17 d 的 籽 粒 GPT 活 性 与 蛋 白 质 含 量 呈 显 著 或 极 显 著 正 相 关 ; 花 后 23 和 35 d 的 籽 粒 GS 活 性 及 花 后 8 17 和 23 d 的 籽 粒 GPT 活 性 与 籽 粒 蛋 白 质 产 量 呈 显 著 或 极 显 著 负 相 关 两 年 试 验 结 果 一 致, 从 影 响 因 子 来 看, 高 温 胁 迫 对 小 麦 蛋 白 质 合 成 的 影 响 大 于 干 旱 胁 迫, 复 合 胁 迫 具 有 明 显 的 叠 加 效 应 两 品 种 比 较, 逆 境 胁 迫 下 强 筋 小 麦 品 种 郑 麦 366 蛋 白 质 产 量 降 幅 较 大, 而 豫 农 949 蛋 白 质 含 量 更 易 受 影 响 Referrences: [ 1 ] 摇 Daniel C, Triboy E. Changes in wheat protein aggregation during
摇 13 期 摇 摇 摇 卢 红 芳 摇 等 : 灌 浆 前 期 高 温 和 干 旱 胁 迫 对 小 麦 籽 粒 蛋 白 质 含 量 和 氮 代 谢 关 键 酶 活 性 的 影 响 摇 3619 grain development: effects of temperatures and water stress. European Journal of Agronomy, 2002, 16(1): 1 鄄 12. [ 2 ] 摇 Zhang B J, Fan H L. Progress on the study of effects of environment conditions on wheat protein. Research of Soil and Water Conservation, 2002, 9(2): 61 鄄 63. [ 3 ] 摇 Xu Z Z, Yu Z W, Wang D, Zhang Y L. Effect of irrigation conditions on protein composition accumulation of grain and its quality in winter wheat. Acta Agronomica Sinica, 2003, 29( 5): 682 鄄 687. [ 4 ] 摇 Xie Z J, Jiang D, Cao W X, Dai T B, Jing Q. Effects of post 鄄 anthesis soil water status on the activities of key regulatory enzymes of starch and protein accumulation in wheat grains. Journal of Plant Physiology and Molecular Biology, 2003, 29(4): 309 鄄 316. [ 5 ] 摇 Randall P J, Moss H J. Some effects of temperature regime during grain filling on wheat quality. Australia Journal of Agricultural Research, 1990, 41(4): 602 鄄 617. [ 6 ] 摇 Lea D J, Robinson S A, Stewart G R. The enzymology and metabolism of glutamine, glutamate, and asporagine / / Miflin B J, Lea P J, eds. The Biochemistry of Plants. New York: Academic Press, 1990, 16: 121 鄄 159. [ 7 ] 摇 Chai X Q, Yin L P, Liu X L, Yu B X, Han Q E, Hong J M, Qiu Z S. Influence of different concentrations of NO - 3 and NH + 4 on the activity of glutamine synthetase and other relevant enzymes of nitrogen metabolism in wheat roots. Acta Botanica Sinica, 1996, 38(10): 803 鄄 808. [ 8 ] 摇 Huang Q N, Yin L P, Chai X Q, Liu X L, Hong J M, Zhao W P. Influence of nitrogen sources on glutamine synthetase in wheat seeding. Acta Botanica Sinica, 1995, 37(11): 856 鄄 862. [ 9 ] 摇 Fan X M, Jiang D, Dai T B, Jing Q, Cao W X. Effects of nitrogen rates on activities of key regulatory enzymes for grain starch and protein accumulation in wheat grown under drought and waterlogging from anthesis to maturity. Scientia Agricultura Sinica, 2005, 38(6): 1132 鄄 1141. [10] 摇 Wang C Y, Guo T C, Yan Y L, Zhu Y J, Xia G J, Wang H C, Zhou J Z. Effects of short post 鄄 anthesis high temperature stress on leaf photosynthetic potential in winter wheat ( Triticum aestivum L.). Acta Agronomica Sinica, 2004, 30(1): 88 鄄 91. [11] 摇 Miao J L, Wang C Y, Guo T C, Ma D Y, Hu J B, Feng H. Effects of post 鄄 anthesis interactions of high temperature and drought stresses on content and composition of grain starch in two wheat cultivars with different gluten strength. Journal of Triticeae Crops, 2008, 28(2): 254 鄄 259. [12] 摇 Zou Q. The guidance of Plant Physiology Experiments. Beijing: China Agricultural University Press, 2000. [13] 摇 Wu L H, Jiang S H, Tao Q M. The photocolorimetric method determining the transaminase ( GOT and GPT) activities in plant and its application. Chinese Journal of Soil Science, 1998, 29 (3): 136 鄄 138. [14] 摇 Guo W S, Shi J S, Peng Y X, Feng C N, Ge C L, Zhu X K. Effect of high temperature on transportation of assimilate from wheat flag leaf during grain filling stage. Acta Agriculturae Nucleatae Sinica, 1998, 12(1): 21 鄄 27. [15] 摇 Feng C N, Guo W S, Shi J S, Peng Y X, Zhu X K. Effect of high temperature after anthesis on endosperm cell development and grain weight in wheat. Acta Agronomica Sinica, 2000, 26 ( 4): 399 鄄 405. [16] 摇 Sofield I, Evans L T, Cook M G, Wardlaw I F. Factors influencing the rate and duration of grain filling in wheat. Australia Journal of Plant Physiology, 1977, 4(5): 785 鄄 797. [17] 摇 Jenner C F, Ugalde T D, Aspinall D. The physiology of starch and protein deposition in the endosperm of wheat. Australia Journal of Plant Physiology, 1991, 18(3): 211 鄄 226. [18] 摇 Stone P J, Nicolas M E. Effect of timing of heat stress during grain filling on two w heat varieties differing in heat tolerance. II. Fractional protein accumulation. Australia Journal of Plant Physiology, 1996, 23(6): 739 鄄 749. [19] 摇 Stone P J, Nicolas M E. Comparison of sudden heat stress with gradual exposure to high temperature during grain filling in two wheat varieties differing in heat tolerance. II. Fractional protein accumulation. Australia Journal of Plant Physiology, 1998, 25 (1): 1 鄄 11. [20] 摇 Zhao H, Jing Q, Dai T B, Jiang D, Cao W X. Effects of post 鄄 anthesis high temperature and water stress on activities of key regulatory enzymes involved in protein formation in two wheat cultivars. Acta Agronomica Sinica, 2007, 33(12): 2021 鄄 2027. [21] 摇 Liu P, Guo W S, Pu H C, Feng C N, Zhu X K, Peng Y X. 参 考 文 献 : Effects of transient high temperature after anthesis on grain protein content and physiological mechanism in wheat ( Triticum aestivum L.). Acta Agronomica Sinica, 2007, 33(9): 1516 鄄 1522. [ 2 ] 摇 张 保 军, 樊 虎 玲. 环 境 条 件 对 小 麦 蛋 白 质 的 影 响 研 究 进 展. 水 土 保 持 研 究, 2002, 9(2): 61 鄄 63. [ 3 ] 摇 许 振 柱, 于 振 文, 王 东, 张 永 丽. 灌 溉 条 件 对 小 麦 籽 粒 蛋 白 质 组 分 积 累 及 其 品 质 的 影 响. 作 物 学 报, 2003, 29(5): 682 鄄 687. [ 4 ] 摇 谢 祝 捷, 姜 东, 曹 卫 星, 戴 廷 波, 荆 奇. 花 后 土 壤 水 分 状 况 对 小 麦 籽 粒 淀 粉 和 蛋 白 质 积 累 关 键 调 控 酶 活 性 的 影 响. 植 物 生 理 与 分 子 生 物 学 报, 2003, 29(4): 309 鄄 316. [ 7 ] 摇 柴 小 清, 印 莉 萍, 刘 祥 林, 于 宝 霞, 韩 秋 娥, 洪 剑 明, 邱 泽 生. 和 + 不 同 浓 度 的 NO 3 NH 4 对 小 麦 根 谷 氨 酰 胺 合 成 酶 及 其 相 关 酶 的 影 响. 植 物 学 报, 1996, 38(10): 803 鄄 808. [ 8 ] 摇 黄 勤 妮, 印 莉 萍, 柴 晓 清, 刘 祥 林, 洪 剑 明, 赵 微 平. 不 同 氮 源 对 小 麦 幼 苗 谷 氨 酰 胺 合 成 酶 的 影 响. 植 物 学 报, 1995, 37 (11): 856 鄄 862. [ 9 ] 摇 范 雪 梅, 姜 东, 戴 廷 波, 荆 奇, 曹 卫 星. 花 后 干 旱 和 渍 水 下 氮 素 供 应 对 小 麦 籽 粒 蛋 白 质 和 淀 粉 积 聚 关 键 调 控 酶 活 性 的 影 响. 中 国 农 业 科 学, 2005, 38(6): 1132 鄄 1141. [10] 摇 王 晨 阳, 郭 天 财, 阎 耀 礼, 朱 云 集, 夏 国 军, 王 化 岑, 周 继 泽. 花 后 短 期 高 温 胁 迫 对 小 麦 叶 片 光 合 性 能 的 影 响. 作 物 学 报, 2004, 30(1): 88 鄄 91. [11] 摇 苗 建 利, 王 晨 阳, 郭 天 财, 马 冬 云, 胡 吉 帮, 冯 辉. 高 温 与 干 旱 互 作 对 两 种 筋 力 小 麦 品 种 籽 粒 淀 粉 及 其 组 分 含 量 的 影 响. 麦 类 作 物 学 报, 2008, 28(2): 254 鄄 259. [12] 摇 邹 奇. 植 物 生 理 学 实 验 指 导. 北 京 : 中 国 农 业 出 版 社, 2000. [13] 摇 吴 良 欢, 蒋 式 洪, 陶 勤 南. 植 物 转 氨 酶 ( GOT 和 GPT) 活 度 比 色 测 定 方 法 及 其 应 用. 土 壤 通 报, 1998, 29((3): 136 鄄 138. [14] 摇 郭 文 善, 施 劲 松, 彭 永 欣, 封 超 年, 葛 才 林, 朱 新 开. 灌 浆 期 高 温 对 小 麦 光 合 产 物 运 转 的 影 响. 核 农 学 报, 1998, 12(1): 21 鄄 27. [15] 摇 封 超 年, 郭 文 善, 施 劲 松, 彭 永 欣, 朱 新 开. 小 麦 花 后 高 温 对 籽 粒 胚 乳 细 胞 发 育 及 粒 重 的 影 响. 作 物 学 报, 2000, 26(4): 399 鄄 405. [20] 摇 赵 辉, 荆 奇, 戴 廷 波, 姜 东, 曹 卫 星. 花 后 高 温 和 水 分 逆 境 对 小 麦 籽 粒 蛋 白 质 形 成 及 其 关 键 酶 活 性 的 影 响. 作 物 学 报, 2007, 33(12): 2021 鄄 2027. [21] 摇 刘 萍, 郭 文 善, 浦 汉 春, 封 超 年, 朱 新 开, 彭 永 欣. 花 后 短 暂 高 温 对 小 麦 籽 粒 蛋 白 质 含 量 的 影 响 及 其 生 理 机 制. 2007, 33 (9): 1516 鄄 1522.