寒地粳稻不同雜種優勢組合碳氮代謝關鍵酶活性比較分析

金正勛，張海彬，沈 鵬，劉海英，張忠臣，趙書宇，王露露

（東北農業大學農學院，哈爾濱 150030）

水稻產量形成實質是淀粉與蛋白質的合成與積累過程[1]。在這一過程中，碳氮代謝關鍵酶發揮重要作用。酶活性高低影響到淀粉和蛋白質合成與積累的速率[2]。可溶性淀粉合成酶和ADPG焦磷酸化酶是主要的碳代謝關鍵酶，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鍵酶[3-5]。已有關于碳氮代謝關鍵酶活性與水稻產量性狀關系的報道[6-11]，但關于粳稻碳氮代謝關鍵酶活性與雜種優勢關系的報道尚少。試驗選用產量性狀雜種優勢有顯著差異的4個粳稻雜交組合，分析分蘗期氮代謝關鍵酶活性以及籽粒灌漿過程中碳氮代謝關鍵酶活性變化及其與產量性狀的雜種優勢關系，旨在闡明雜種優勢強弱的代謝機理，為寒地粳稻雜種優勢利用及超高產育種提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

根據東北農業大學農學院稻作研究室的前期研究結果，選用產量性狀差異明顯的4個粳稻品種東農7180（P1）、吉粳88號（P2）、松粳172（P3）、墾鑒稻8號（P4），配制雜種優勢強弱差異明顯的4個雜交組合P1×P3、P2×P4、P1×P4、P3×P4作為試材。

1.2 田間試驗設計

于2010年在東北農業大學香坊實驗實習基地進行田間試驗。4月17日播種，大棚旱育苗，5月28日插秧，隨機區組設計，3次重復，1.5 m行長，單行區，行距30 cm，穴距15 cm，每穴插1株，常規大田管理。生育期間以小區為單位調查抽穗期。

以小區為單位，采用軟件Excel 2003和DPS 7.55統計試驗數據。

1.3 酶活性測定

1.3.1 取樣

自水稻分蘗旺盛的7月3日開始，各小區每隔5 d取1次樣，每次于9:00～9:30取植株上的6片葉（插秧時標記的生長整齊一致的葉），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定。

在抽穗期，于各小區選取生長整齊一致且同日抽穗的稻穗，掛牌標記，自抽穗后第10天起，每隔7 d取樣，每次于9:00～9:30取標記的4個穗和葉片，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定，葉片用于蛋白水解酶活性測定。

1.3.2 酶活性測定

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

2 結果與分析

2.1 親本間產量性狀比較

由表1方差分析可知，供試親本產量性狀的F值均達到了極顯著水平，說明不同親本產量性狀間有極顯著的遺傳差異。由多重比較結果可知，松粳172的單株產量和結實率極顯著高于其他品種；東農7180的千粒重和吉粳88的每穗總粒數以及墾鑒稻8號的單株穗數均極顯著大于其他品種，表明供試親本在產量性狀上各有明顯的遺傳特點，而且單株產量最高的親本，其他產量性狀不一定最高，其他產量性狀表現優異的親本，其單株產量不一定最高，單株產量高的親本，其產量性狀整體表現較好。

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

2.2 不同雜交組合產量性狀高親優勢值比較

不同雜交組合產量性狀高親優勢值比較結果列于表2。

由表2可知，就單株產量、千粒重、結實率的高親優勢值而言，P1×P3和P2×P4組合的均為正值，P1×P4和P3×P4組合的均為負值；就每穗總粒數的高親優勢值而言，P1×P4和P1×P5組合的為正值，P2×P4和P3×P4組合的為負值；就單株穗數的高親優勢值而言，P1×P3、P2×P4和P3×P4組合的為正值，P1×P4組合的為負值。這表明其他產量性狀高親優勢強的組合，其單株產量的高親優勢不一定強；單株產量高親優勢強的組合，其他產量性狀的高親優勢值多為正值，單株產量高親優勢弱的組合，其他產量性狀的高親優勢多為負值。依據表2結果，可將 P1×P3和P2×P4組合劃為強優勢組合，將P1×P4和P3×P4組合劃為弱優勢組合。

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

2.3 分蘗期不同雜種優勢組合葉片氮代謝酶活性比較

分蘗期不同雜種優勢組合葉片氮代謝酶活性比較結果見表3。

由表3可知，隨著植株的生長，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程逐漸提高，呈單向變化趨勢。各分蘗時期葉片的硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和蛋白水解酶活性，除個別測定時期外，強優勢組合P1×P3和P2×P4均顯著高于弱優勢組合P3×P4和P1×P4，表明產量雜種優勢強的組合在分蘗期具有旺盛的氮代謝，分蘗期氮代謝強弱與產量雜種優勢大小密切相關，氮代謝關鍵酶活性高的組合，其產量優勢也高，反之氮代謝關鍵酶活性低的組合，其產量優勢也低。

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 灌漿過程中不同雜種優勢組合籽粒碳氮代謝酶活性比較

灌漿過程中不同雜種優勢組合籽粒可溶性淀粉合成酶和ADPG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果列于表4。

由圖1、2可知，籽粒可溶性淀粉合成酶和ADPG焦磷酸化酶活性隨籽粒灌漿進程的推進而逐漸升高，達到峰值后又逐漸下降，呈單峰曲線變化。在整個籽粒灌漿過程中，強優勢組合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勢組合P3×P4和P1×P4，表明在籽粒灌漿過程中，與弱優勢組合相比，強優勢組合籽粒淀粉合成和積累的能力較強。

由表4可知，隨灌漿進程氮代謝關鍵酶活性逐漸升高，達到峰值后又逐漸降低，呈單峰曲線變化。就酶活性大小而言，強優勢組合P1×P3、P2×P4籽粒谷氨酰胺合成酶活性極顯著高于弱優勢組合P3×P4、P1×P4。強優勢組合葉片蛋白水解酶活性顯著或極顯著高于弱優勢組合。說明在籽粒灌漿過程中，與弱優勢組合相比，強優勢組合具有較強的籽粒蛋白質合成和積累能力。

圖1 灌漿過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 碳氮代謝關鍵酶活性與產量性狀的相關分析

為進一步了解灌漿過程中碳氮代謝關鍵酶活性與產量性狀的關系，根據親本和組合的酶活性測定結果估算灌漿不同時期碳氮代謝關鍵酶活性與產量性狀的相關系數，結果見表5。由表5可知，籽粒灌漿不同時期的碳氮代謝關鍵酶活性大小與千粒重和單株產量均呈正相關，其中有些時期的相關程度達到顯著或極顯著水平。說明灌漿過程中籽粒或葉片的碳氮代謝關鍵酶活性大小與千粒重和單株產量高低密切相關，酶活性大有利于提高千粒重和單株產量。

表5 籽粒灌漿過程中碳氮代謝關鍵酶活性與產量性狀相關系數Table5 Correlation coefficients of key enzyme activities in nitrogen mechanism and yield traits during grain filling

3 討論與結論

關于碳氮代謝關鍵酶活性對產量影響，前人已進行大量研究。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量有較高的正相關，保持水稻生育中后期較高的葉片硝酸還原酶活性對提高產量很重要[16]。孫國榮等表明，在生殖生長期谷氨酰胺合成酶活性均與產量性狀有密切關系，谷氨酰胺合成酶活性可通過調控營養生長期稻株氨代謝而影響生殖生長，最終影響產量[17]。Buchanan等研究表明，葉片蛋白水解酶活性的提高可帶動氮代謝運轉增強，促進氨基酸的合成和轉化，蛋白質水解酶活性的高低直接影響到水稻籽粒蛋白質含量[18]。梁建生等研究結果表明，ADPG焦磷酸化酶和可溶態淀粉合成酶對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轉率、籽粒吸氮量和產量均呈顯著的正相關[20]。

本研究結果表明，在分蘗期，強優勢組合氮代謝關鍵酶活性顯著高于弱優勢組合，表明強優勢組合分蘗期具有旺盛的氮代謝。在籽粒灌漿過程中，與弱優勢組合相比，強優勢組合可溶性淀粉合成酶，ADPG焦磷酸化酶活性始終高于弱優勢組合，籽粒谷氨酰胺合成酶、葉片蛋白水解酶極顯著高于弱優勢組合，因此，水稻生長發育及灌漿過程中保持旺盛的碳氮代謝關鍵酶活性，以促進碳氮代謝，進而促進淀粉和蛋白質的合成與積累是寒地雜交粳稻產生強優勢的生化基礎。一切促進碳氮代謝關鍵酶活性的栽培措施有利于發揮寒地粳稻的雜種優勢。

[1]金正勛,錢春榮,楊靜.水稻灌漿成熟期籽粒谷氨酰胺合成酶活性變化及其與稻米品質關系的初步研究[J].中國水稻科學,2007,21(1):103-106.

[2]劉鑫.水稻不同庫類型品種的栽培對策研究[J].江蘇農學院學報,1988,9(3):11-15.

[3]Nakamura Y,Yuki K,Park S.Carbohydrate metabolism in the developing endosperm of rice grain[J].Plant Cell Physiol,1989,30(6):833-839.

[4]溫尚斌,石連旋,王丹生,等.大豆葉片光合與呼吸、硝酸還原酶活性及可溶性蛋白含量相互關系的探討[J].東北師范大學學報:自然科學版,1999,10(1):67-70.

[5]李彩鳳,馬鳳嗚,趙越,等.氮素形態對甜菜氮糖代謝關鍵酶活性及相關產物的影響[J].東北農業大學學報,2003,34(1):128-132.

[6]林振武.硝酸還原酶的研究動態[J].植物生理學通訊,1987,8(6):8-13.

[7]彭信松,鄭志仁,劉滌,等.淀粉的生物合成及其關鍵酶[J].植物生理學通訊,1997,33(4):297-303.

[8]沈鵬,金正勛,羅秋香,等.氮肥對水稻籽粒淀粉合成關鍵酶活性及蒸煮食味品質的影響[J].東北農業大學學報,2005,36(5):561-566.

[9]李曉光,劉海英,金正勛,等.水稻雜交后代灌漿成熟期籽粒淀粉合成關鍵酶和谷氨酰胺合成酶活性變化的初步研究[J].中國水稻科學,2009,23(4):443-446.

[10]金正勛.水稻籽粒淀粉合成關鍵酶活性與味度及RVA譜特性相關分析[J].西南農業學報,2005,16(4):569-574.

[11]張忠臣,張豐轉,劉海英,等.插秧密度對寒地粳稻碳氮代謝關鍵酶活性及產量的影響[J].東北農業大學學報,2010,41(10):5-9.

[12]中國科學院上海植物生理研究所,上海植物生理學會.現代植物生理學實驗指南[M].北京:北京科學出版社,1999.

[13]Miflin B J,Lea P J.Ammonia assimilation[M]//Miflin B J.The biochemistry of plants,New York:Academic Press,1990:169-202.

[14]韓亞珊.食品化學實驗指導[M].北京:中國農業出版社,1992.

[15]沈鵬,金正勛,羅秋香,等.水稻灌漿過程中籽粒淀粉合成關鍵酶活性與蒸煮食味品質的關系[J].中國水稻科學,2006,20(1):58-64.

[16]葉全寶,張洪程,戴其根,等.施氮水平和栽插密度對水稻生育中后期硝酸還原酶活性的影響[J].植物生理學通訊,2005,41(1):41-44.

[17]孫國榮,朱鵬,劉文芳,等.谷氨酰胺合成酶活性與水稻雜種優勢預測[J].武漢植物學研究,1994,12(2):149-153.

[18]Buchanan B,Gruissem W,Jones R L.Biochemistry&molecular biology of plants[J].American Society of Plant Physiologists,2000,29:1367-1368.

[19]梁建生,曹顯祖,徐生.水稻籽粒庫強與其淀粉積累間關系的研究[J].作物學報,1994(20):685-691.

[20]董明輝,桑大志,王朋.不同施氮水平下水稻穗上不同部位籽粒的蒸煮與營養品質變化[J].中國水稻科學,2006,20(4):389-395.