耐低鉀基因型水稻成熟期籽粒淀粉與蛋白質含量變化

楊 麗,劉 清,黃志剛,彭春霞,楊 毅,彭克勤

(湖南農業大學生物科學技術學院,長沙 410128)

我國是水稻生產大國,也是稻米消費大國,約有一半以上的人口以稻米為主食。當今我國水稻產量雖已達到較高水平,但還是受一些因素的限制。鉀是植物必需的大量元素之一,對植物的生長、代謝、酶活性調節等方面起著非常重要的作用。我國耕地有1/4～1/3的土壤缺鉀或嚴重缺鉀,尤其是長江以南的廣大地區[1]。劉國棟等調查發現,我國大約 90%的水稻都有不同程度的缺鉀癥狀[2,3]。隨著基因工程技術的不斷發展,從分子水平上改善缺鉀狀況的研究不斷深入,特別是耐低鉀水稻基因型的篩選、利用及其營養特性的研究,受到廣泛重視[4]。同時,隨著人們生活水平的不斷提高,促使水稻生產目標向優質、高產的方向發展。本研究的材料由湖南農業大學水稻研究所提供,系來自商陸DNA導入受體水稻篩選出來的性狀穩定的變異后代,其幼苗期耐低鉀機理已有研究[5]。本文是在不施鉀肥的條件下,對耐低鉀基因型水稻籽粒成熟過程中鉀對籽粒物質積累量的變化進行分析,旨在為進一步改良稻米品質和選育優質水稻品種提供理論基礎。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為來自于富鉀植物商陸 DNA導入受體水稻粳 85-5得到的耐低鉀基因型(編號為 N18,N19)和低鉀敏感型 (編號為 N27,作為對照)。

1.2 試驗材料培養

采用盆播法,將各材料的種子分別播種在湖南農業大學植物激素與生長發育湖南省重點實驗室網室的盆缽內,并標記,待長成兩葉分別移栽,之后統一處理。整個生長過程未施鉀肥。

1.3 試驗方法

對各材料標記開花日期,并在花后 5,10,15,20,25,30 d對各基因型水稻的穎果取樣,將樣品置于-80℃冰箱內保存。待樣品全部取完后,統一在105℃下殺青 15 min,75℃烘干至恒重,脫殼后磨成粉樣,過 60目篩,置 1.5 mL離心管密封保存備用。

(1)可溶性糖和總淀粉含量的測定。取上述樣品各50 mg,倒入 10 mL刻度試管內。采用蕭浪濤等[6]的蒽酮比色法,用紫外分光光度計測625 nm波長下的吸光度值,測定可溶性糖和總淀粉含量。

(2)直鏈淀粉含量的測定。以農業部米質測定方法為標準方法[7]。稱取 50 mg樣品,置于 50 m L容量瓶中,加 0.5 mL無水乙醇使其分散,再加 1 mol/L的NaOH4.5 mL,沸水浴 20 min,待冷卻定容至 50 mL即得到樣液。吸取5 mL樣液加入到約盛50 mL蒸餾水的100 mL容量瓶中,再加 1 mL 1 mol/L的乙酸,使樣品酸化,加入 1 mL碘液,充分搖勻,定容后靜置 20 min,在紫外分光光度計 620 nm波長下測吸光度值。

(3)可溶性蛋白質含量的測定。采用考馬斯亮藍G-250法[8]測定。稱取 0.200 g樣品,轉移至 10 mL離心管,加入蒸餾水靜置30 min,4 200 rpm離心20 min,上清液轉入10 mL容量瓶,定容至刻度,即為提取液。吸取 0.1 mL提取液至一有刻度試管中,加0.9 mL蒸餾水,加 5 mL考馬斯亮藍溶液,放置 5～ 20 min,在紫外分光光度計 595 nm波長下測吸光度值。

(4)鉀元素測定。采用庫文珍等[5]的方法,用美國熱電公司IRIS Interpid IIXSP型全譜直讀電感耦合等離子體原子發射光譜分析儀(ICP)進行測定。將各材料的烘干樣品稱取 0.300 g于 50 mL三角瓶中,加人HNO3-HClO4(4∶1)混合液 12 mL,蓋住瓶口置通風櫥中過夜,然后在電爐上加熱消化,反復加混合液,至消化液剩余約 2 mL(勿干)時取下,冷卻后用 2%的硝酸溶解,過濾后定容至 50 m L,采用 ICP儀測定各樣品中鉀元素的含量。

2 結果與分析

2.1 籽粒成熟過程中可溶性糖含量的變化

水稻籽粒灌漿過程中,光合產物最初以可溶性糖的形式存在,并經過相關酶降解、合成淀粉運輸并貯藏到籽粒中。因此,籽粒中可溶性糖含量高有利于淀粉的積累。從圖1可以看出,籽粒的可溶性糖含量在籽粒灌漿過程中不斷下降,并最終維持在較低水平。特別是在花后的前10 d,其可溶性糖含量下降最快。此階段正好是胚乳細胞物質充實期,蔗糖等可溶性糖作為淀粉合成的底物正被大量合成淀粉,使得可溶性糖含量因生成速率少于消耗速率而下降[9]。在不施鉀肥的條件下,兩個耐低鉀基因型水稻材料在籽粒發育后期,即成熟籽粒中可溶性糖含量都較低鉀敏感基因型要低。

圖 1 水稻籽粒成熟過程中可溶性糖含量的變化

2.2 籽粒成熟過程中淀粉含量的變化

有關研究表明,鉀能激活淀粉合成酶的活性,從而提高籽粒的淀粉含量[10]。水稻胚乳細胞開始分裂的前幾天,胚囊中一般沒有淀粉積累,而在子房壁的中層細胞中有較多的淀粉粒[11]。在開花5 d以后,胚乳細胞中開始出現淀粉體,此后隨著籽粒的發育,淀粉積累迅速上升。從圖2可以看出,不同基因型水稻籽粒總淀粉含量在開花后的幾天里都上升較快,之后隨著種子的成熟,淀粉的含量趨于穩定。而N19的淀粉含量略比N18及N27的高。直鏈淀粉含量是衡量稻米品質的重要指標,直鏈淀粉含量越低,品質越好[12]。經分析得知,N27,N18和 N19基因型水稻成熟籽粒中直鏈淀粉含量占總淀粉含量分別為36.00%,34.46%,30.34%。從該數據可以看出,3個基因型水稻成熟籽粒直鏈淀粉含量占總淀粉的含量都比較高,但是 N19基因型較N18和 N27基因型的都要低,且兩耐低鉀基因型都略比低鉀敏感型的要低,說明鉀對直鏈淀粉的合成也有一定的影響。

2.3 籽粒成熟過程中可溶性蛋白質含量的變化

稻米蛋白質分布不均勻,但主要儲存在水稻種子的胚乳部分。根據其溶解性的不同可分為:(1)水溶性蛋白;(2)堿溶性蛋白;(3)鹽溶性蛋白;(4)醇溶蛋白四種類型[13]。有關研究表明,施鉀可以提高蛋白質含量。鉀能提高氨基酰-tRNA合成酶、多肽合成酶、硝酸還原酶的活性,從而促進蛋白質和氨基酸的合成。高鉀植株籽粒中可溶性氨基酸含量比低鉀植株要高[10]。本研究僅對其可溶性蛋白進行了分析。以單位干重量籽粒的可溶性蛋白質含量計算,在籽粒發育過程中,不同基因型各籽粒中可溶性蛋白質含量先升高而后下降,到后期基本達到平衡(圖3)。穎果中蛋白質含量在灌漿初期最高,主要是由于這時期穎果中貯藏物質剛開始積累,淀粉含量還較少,蛋白質占籽粒干物質的比重最大[9]。以后隨著籽粒灌漿時間的延長,淀粉大量積累,蛋白質占籽粒干物質的比重逐漸降低,最后趨于穩定。從圖 3可以看出,耐低鉀基因型水稻籽粒中可溶性蛋白含量較低鉀敏感型的要高,說明鉀對籽粒蛋白質含量有影響,這與前人的結果一致。

圖2 水稻籽粒成熟過程中總淀粉含量的變化

圖 3 水稻籽粒成熟過程中可溶性蛋白質含量的變化

2.4 籽粒成熟過程中鉀元素含量的變化

水稻中影響其品質的因素除了蛋白質和淀粉含量外,礦質元素的含量也很重要。本研究的試驗材料主要是研究對鉀的敏感程度,因此,對這 3種不同基因型水稻籽粒成熟過程中鉀元素的含量進行了分析。從圖 4可以看出,在灌漿初期,鉀元素含量較高,隨著籽粒的成熟,淀粉和蛋白質的合成,鉀元素的含量相對降低,之后趨于平衡,但 3種基因型水稻成熟籽粒中鉀元素含量并沒有明顯區別。

圖4 水稻籽粒成熟過程中鉀元素含量的變化

3 討 論

我國是栽培水稻最早的國家之一,擁有非常豐富的遺傳資源。我國耕地土壤普遍缺鉀,選育耐低鉀的水稻基因型品種具有重要的意義。耐低鉀基因型水稻材料的篩選,為高產、優質水稻新品種的選育,提供了重要的遺傳(中間)材料。淀粉生物合成的原料來自于光合產物,這些光合產物以可溶性糖的形式輸入胚乳細胞中,供淀粉的生物合成。隨著籽粒中的可溶性糖轉變成淀粉,可溶性糖含量逐漸下降,淀粉含量不斷增加,而且可溶性糖的下降過程和淀粉的積累過程大體是一致的。適量施鉀肥可以提高蛋白質含量以及降低直鏈淀粉含量,從而改善稻米品質[14]。王為木等[15]研究了低鉀脅迫對耐鉀能力不同水稻品種的影響,認為低鉀與正常施鉀對耐低鉀品種影響不大,而低鉀條件下不耐低鉀品種的生長及鉀素積累都受到抑制。

本研究表明,在不施鉀肥的條件下,水稻籽粒成熟過程中,淀粉含量總體趨勢一致,兩個耐低鉀基因型水稻籽粒直鏈淀粉含量占總淀粉含量比低鉀敏感型的低,說明耐低鉀基因型的鉀素利用效率較低鉀敏感型高。成熟籽粒中耐低鉀基因型水稻籽粒可溶性蛋白質含量比低鉀敏感型的要高,但總體趨勢是先升高后降低并趨于穩定,很可能是隨著淀粉的合成增加并積累,可溶性蛋白質含量相對就下降,成熟籽粒中蛋白質含量就相對低。根據本研究可知,耐低鉀基因型水稻材料比低鉀敏感型水稻材料籽粒中淀粉含量和可溶性蛋白質含量都高,且直鏈淀粉含量相對降低,這可為稻米品質的改良提供參考。

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