抗感銹病小麥品系碳氮代謝特性的比較

摘要：采用田間常規栽培及自然感病方法，對兩個抗銹病能力具有明顯差異的小麥品系不同生育時期碳氮代謝的多項生理生化指標進行了比較研究。結果表明，銹病的侵染明顯降低了兩個小麥品系旗葉中硝酸還原酶（ＮＲ）和谷氨酰胺合成酶（ＧＳ）等氮素同化關鍵酶的活性，減少了蛋白質的積累量，造成氮素代謝失調；兩個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；導致兩個小麥品系旗葉中相對電導率和丙二醛（ＭＤＡ）含量增加，膜脂過氧化加劇，加速了功能葉的早衰。抗性不同的兩個小麥品系在銹病脅迫下多項相關指標均存在較大的差異。

關鍵詞：小麥銹病；抗性；碳氮代謝特性

中圖分類號：S512.101 文獻標識碼：Ａ 文章編號：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上的重要病害之一，因其分布廣泛、流行成災率高、危害極其嚴重而受到國內外廣大科技工作者的高度關注［１］。長期以來，許多學者在小麥銹病的菌物學［２］、組織病理學［３］、分子生物學［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展；在小麥銹病的抗性生理生化機制方面，前人也分別從呼吸、光合、水分，礦質營養［８－１０］等代謝角度進行過不少卓有成效的探索。此次研究以兩個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期碳氮代謝等多項相關生理生化指標的差異，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小麥產量和品質不良影響的內在原因，為抗銹病小麥優良品種的選育及栽培提供一定的參考依據。

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小麥研究所提供，已在隨機區組栽培的條件下經過6代自然分離純化。試驗材料為從中篩選出的抗、感銹病性狀分離較明顯的兩個品系，分別命名為西科Ⅰ號（抗病性較弱）和西科Ⅱ號（抗病性較強）。

１．２ 試驗方法

試驗在西南科技大學生命科學與工程學院龍門小麥育種試驗基地進行，隨機區組設計，３次重復，行長２．０ ｍ，行距１０ ｃｍ，株距２ ｃｍ，四周設保護行。各供試小麥品系均在相同的肥水管理條件下進行田間常規栽培，采用自然感病方法。參照商鴻生等［１１］的分級標準，以１３ ｄ為１個周期，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）隨機采集中度感病（以下簡稱感病）及未感病的旗葉為材料，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定各項指標。

１．３ 生理指標測定

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

２ 結果與分析

２．１ 抗、感銹病小麥品系碳素代謝相關指標的變化

２．１．１ 葉綠素含量變化 葉綠素是光合作用的物質基礎， 其含量高低直接影響光合作用的強弱和物質合成速率的高低［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，但兩個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號感病后葉綠素含量減少了40．00％，而抗病性較強的西科Ⅱ號葉綠素含量僅減少27．78％，降幅比西科Ⅰ號低12.22個百分點。從子粒形成期至灌漿期，兩個小麥品系旗葉中葉綠素含量均隨生育進程的推進而降低，但感病后旗葉葉綠素含量西科Ⅱ號比西科Ⅰ號的降幅低１８．２６個百分點。無論是子粒形成期還是灌漿期，抗病性較強的西科Ⅱ號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的西科Ⅱ號旗葉中可溶性糖含量均高于抗病性較弱的西科Ⅰ號，分別高２６．８１％及２８．０４％。兩個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，其相關系數西科Ⅰ號和西科Ⅱ號分別為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號比抗病性較強的西科Ⅱ號凈光合速率分別低３２．８０％和３７．９１％，并隨生育進程的推進而進一步降低。在不同生育時期中，無論感病葉片還是未感病葉片抗病性較強小麥品系的凈光合速率均高于抗病性較弱的小麥品系。

統計分析表明，兩個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。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，也減弱了葉片對光能的吸收，由此都可能導致光合作用受抑制。

２．２ 抗、感銹病小麥品系氮素同化相關指標的變化

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，抗病性較強的西科Ⅱ號旗葉中ＮＲ活性比抗病性較弱的西科Ⅰ號分別高２０．５１％及２１．４３％；不同生育時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。這對于在銹病脅迫下維持小麥較強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 對供試小麥品系子粒形成期和灌漿期旗葉中ＧＳ活性的動態變化分析（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號旗葉中ＧＳ活性比抗病性較強的西科Ⅱ號分別下降２６．７８％和２５．２９％。兩個小麥品系旗葉中ＧＳ與ＮＲ活性同子粒中蛋白質含量之間均呈顯著正相關。

２．２．３ 可溶性蛋白質含量變化 由圖５可見，隨著生育進程的推進，抗病性不同的小麥品系子粒中蛋白質含量雖然在一定程度上均呈逐漸增長趨勢，但不同抗性小麥品系之間子粒蛋白質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號比抗病性較強的西科Ⅱ號子粒蛋白質含量低３０．３８％，而到乳熟期降幅則達到５０．７１％。同抗病性較強的西科Ⅱ號相比較，在銹病的脅迫下抗病性較弱的西科Ⅰ號子粒中蛋白質含量始終處于最低水平。表明銹病的侵染對小麥的氮素同化過程產生了較強的抑制作用，并導致小麥品質下降。

２．３ 抗、感銹病小麥品系細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期各小麥品系旗葉細胞膜結構均受到不同程度的損傷，并隨著生育進程的推進而加劇。與感病后西科Ⅱ號相比，抗病性較弱的西科Ⅰ號細胞膜損傷程度更為嚴重。表明銹病脅迫下抗病性較強小麥品系旗葉的細胞膜結構具有較強的穩定性，因而對逆境的抗御能力更強。

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）含量均隨生育進程的推進明顯增加，表明到生育后期葉片逐漸出現衰老是必然的趨勢。由于銹病的脅迫加速了膜脂過氧化，使ＭＤＡ大量積累，促進了功能葉片的早衰。在不同生育時期，感病后抗病性較強的西科Ⅱ號旗葉中ＭＤＡ含量均低于抗病性較弱的西科Ⅰ號。

３ 討論

小麥產量的９０％～９５％來自光合作用，尤其是生育后期功能葉片光合產物對子粒的貢獻率可達８０％。旗葉是小麥生育后期冠層的主要構成者，其光合作用的變化基本上代表了冠層光合作用的趨勢［１５］。據李玥仁等［９］的研究，由于條銹菌產孢后葉片表皮破損，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行光合作用的能力顯著下降；中度和重度病葉進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，而且與葉綠素光合活性的下降有著密切的關系［１６］。對兩個抗病性具有明顯差異的小麥品系不同生育時期與碳素同化密切相關的幾項指標動態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號旗葉中葉綠素含量比抗病性較強的西科Ⅱ號下降幅度更大，旗葉中可溶性糖含量、凈光合速率降低，使光合產物積累減少，嚴重地限制了其碳素同化能力。抗病性較強的西科Ⅱ號品系在不同生育時期中都始終保持了較高的葉綠素含量和凈光合速率。可見，在小麥感病后除采取藥物防治外，通過加強肥水管理、化學調控等多種措施延緩功能葉片的早衰對減少損失、提高產量是行之有效的。

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鍵酶，其活性強弱直接影響著氮素同化速率的高低［１７－１９］，但有關銹病脅迫對小麥氮素同化及相關酶活性影響的研究卻較少。試驗結果表明，在銹病脅迫下小麥旗葉中的ＮＲ和ＧＳ活性都較大幅度降低，子粒可溶性蛋白質的積累量相應減少，子粒品質下降，氮素代謝嚴重失調，旗葉中ＧＳ與ＮＲ活性同子粒可溶性蛋白質含量之間均呈顯著正相關。抗銹病能力不同的兩個小麥品系的與氮素同化相關的多項指標都存在較明顯差異，抗病性較強的小麥品系在不同生育時期旗葉的ＮＲ和ＧＳ活性、子粒可溶性蛋白質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。

細胞膜對于維持細胞的微環境和正常的代謝起著非常重要的作用。當植物受到逆境傷害時，膜脂過氧化作用加劇，ＭＤＡ積累導致細胞膜結構破壞從而透性增大，ＭＤＡ含量和細胞膜透性是檢測植物抗逆性的常用指標［１２，２０］。研究也證實了旗葉中ＭＤＡ含量和細胞膜透性的變化與小麥抗銹病能力密切相關。在銹病脅迫下各供試小麥旗葉膜脂過氧化增強，ＭＤＡ含量提高，細胞膜損傷程度增大。而在同樣生態條件下，抗病性較強的西科Ⅱ號旗葉中ＭＤＡ含量和細胞膜結構的損傷程度始終較抗病性弱的西科Ⅰ號低，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行。

參考文獻：

［１］ 李振岐，曾士邁．中國小麥銹病［Ｍ］．北京：中國農業出版社，２００２．

［２］ 徐建強，曹遠銀，侯 穎．小麥－小麥銹菌互作中相互識別的研究進展［Ｊ］．麥類作物學報，２００５，２５（４）：１３８－１４２．

［３］ 康振生，王 瑤，黃麗麗，等．小麥品種對條銹病低反應型抗性的組織學和超微結構研究［Ｊ］．中國農業科學，２００３，３６（９）：１０２６－１０３１．

［４］ 孔凡娜，徐智斌，姚秋燕，等．小偃６號抗條銹基因遺傳分析及分子標記［Ｊ］．西北植物學報，２００６，２６（１）：２３－２７．

［５］ 余 宇，王曉杰，韓青梅，等．條銹菌誘導下的小麥葉片總ＲＮＡ提取方法的比較及ＬＤ－ＰＣＲ擴增［Ｊ］．麥類作物學報，２００７，２７（３）：４７１－４７４．

［６］ 王保通，袁文煥，李高寶，等．小麥品種慢條銹性的相關分析和聚類劃分［Ｊ］．植物保護學報，２０００，２７（１）：５３－５８．

［７］ 馬 青，王美楠，商鴻生，等．小麥慢銹性和高溫抗銹性組分分析［Ｊ］．西北農林科技大學學報（自然科學版），２００２，３０（４）：５１－５４．

［８］ 吳 強，馮漢青，李紅玉，等．條銹病侵染對小麥抗氰呼吸和活性氧代謝的影響［Ｊ］．植物病理學報，２００６，３６（１）：４９－５６．

［９］ 李玥仁，商鴻生． 條銹菌浸染對小麥光合作用和蒸騰作用的影響［Ｊ］．麥類作物學報，２００１，２１（２）：５１－５６．

［１０］ 肖靖秀，鄭 毅，湯 利，等．小麥蠶豆間作系統中的氮鉀營養對小麥銹病發生的影響［Ｊ］． 云南農業大學學報，２００５，２０（５）：６４０－６４５

［１１］ 商鴻生，姜瑞中，楊之為．小麥條銹病測報調查規范 ［Ｍ］．北京：中國標準出版社，１９９６．

［１２］ 王學奎．植物生理生化實驗原理和技術［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６．

［１３］ 鄒 琦．植物生理學實驗指導［Ｍ］．北京：中國農業出版社，２０００．

［１４］ 吳成龍，尹金來，徐陽春，等． 堿脅迫對菊芋幼苗生長及其光合作用和抗氧化作用的影響［Ｊ］． 西北植物學報，２００６，２６（３）：４４７－４５４．

［１５］ 郭天財，馮 偉，趙會杰．兩種穗型冬小麥品種旗葉光合特性及氮素調控效應［Ｊ］．作物學報，２００４，３０（２）：１１５－１２１．

［１６］ 王北洪，黃木易，馬智宏，等． 條銹病對冬小麥葉綠素熒光、光合及蒸騰作用的影響［Ｊ］．華北農學報，２００４，１９（２）：９２－９４．

［１７］ 王小燕，于振文．不同小麥品種主要品質性狀及相關酶活性研究［Ｊ］．中國農業科學，２００５，３８（１０）：１９８０－１９８８．

［１８］ 王月福，于振文，李尚霞，等．小麥開花后不同器官中硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶的活性比較［Ｊ］．植物生理學通訊，２００３，３９（３）：２０９－２１０．

［１９］ 趙 春，焦念元，寧堂原，等．不同環境條件下小麥氮代謝關鍵酶活性及子粒品質［Ｊ］．應用生態學報，２００６，１７（１０）：１８６６－１８７０．

［２０］ 王月福，于振文，潘慶民．不同水分處理對耐旱性不同小麥品種旗葉衰老的影響［Ｊ］．西北植物學報，２００２，２２（２）：３０３－３０８．