施氮對大穗型兩系雜交水稻弱勢粒碳氮代謝的影響

劉洪 李之林 徐振江 王維 任永浩 肖立中

摘要：以2個大穗型兩系雜交水稻品種培雜67和培雜88為材料，研究3種不同施氮水平（LN.90 kg/hm2，MN.180 kg/hm2，HN.270 kg/hm2）對大穗型兩系雜交水稻弱勢粒碳氮代謝的影響。結果表明，與正常施氮相比，過量施氮提高了子粒谷氨酰胺合成酶活性，促進了可溶性蛋白質的生成，但降低了弱勢粒中蔗糖的含量和蔗糖合成酶的活性，減少了淀粉積累量，最終降低了弱勢粒粒重；施氮量過少則降低了弱勢粒蔗糖含量、蔗糖合成酶和谷氨酰胺合成酶的活性，從而導致弱勢粒中的淀粉和可溶性蛋白質的積累量減少，弱勢粒的充實度降低；施氮量對強勢粒充實度影響不大。

關鍵詞：氮素水平；大穗型兩系雜交水稻；弱勢粒；碳氮代謝

中圖分類號：S511.062 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）08-1755-05

水稻是世界上重要的糧食作物之一，提供給世界人口近60%的糧食需要，而子粒灌漿是水稻生長的重要生理過程，直接影響到水稻的產量和品質，因此水稻子粒灌漿問題的研究已成為當今農業(yè)領域的一個研究熱點[1-4]。由于水稻在子粒發(fā)育過程中花序上穎花的分化和發(fā)育順序不一，所以強勢粒與弱勢粒在灌漿上存在差異[5]。強勢粒發(fā)育早、充實度好、粒重高，而弱勢粒發(fā)育遲、充實度差、粒重低。特別是對于大穗型的品種，由于穗型過大，弱勢粒不但受上部強勢粒的高度抑制，還受到大量中部子粒的抑制，所以充實度差和粒重低的問題更加突出[2，3]，它不僅限制了水稻產量潛力的發(fā)揮、嚴重影響稻米品質，還影響了水分和養(yǎng)分的高效利用。因此，深入系統(tǒng)地研究弱勢粒充實問題，對于實現水稻高產、穩(wěn)產和高效具有十分重要的理論和實踐意義[6]。

一般而言，子粒粒重的高低主要受品種遺傳因素的制約，但環(huán)境條件及栽培技術措施對其也有很大的影響。施氮是水稻栽培的重要技術措施，合理有效地施肥對水稻生長發(fā)育及子粒灌漿具有重要的作用[7-9]。已有研究表明，適量施氮可以提高子粒形成期葉片的葉綠素含量和光合作用，延緩葉片的衰老，增加子粒灌漿物質的供應，增加粒重，最終達到提高水稻單產的目的[10，11]。側重前期施氮有利于提高淀粉合成酶活性[12]，而側重后期施氮則不僅有利于水稻維持灌漿速率和較長的灌漿時間[13]，而且可以提高ADPG焦磷酸化酶和淀粉分支酶活性[12]。盡管前人圍繞子粒進行了大量研究，但有關氮素對水稻弱勢粒碳氮代謝影響的報道較少。為此，選取2個大穗型兩系雜交水稻品種，探索施氮水平與弱勢粒碳氮代謝之間的關系，從而為氮肥的合理施用、提高水稻產量和氮肥利用率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在華南農業(yè)大學試驗基地進行，供試的兩個大穗型兩系雜交稻品種為：培雜67（250粒/穗）和培雜88（220粒/穗）。氮肥采用尿素（含氮量46%）。試驗地前茬作物為水稻，土壤0～20 cm耕層pH 7.70，全氮1.18 g/kg，堿解氮175.40 mg/kg，速效磷105.27 mg/kg，速效鉀189.45 mg/kg。

1.2 試驗方法

試驗采用隨機區(qū)組設計，兩個品種、3個施氮水平共6個處理，每個處理3次重復，共計18個小區(qū)。小區(qū)面積20 m2，各小區(qū)均筑埂并用塑料薄膜深埋護埂，嚴防肥水漏竄。種植規(guī)格為株距23 cm，行距16 cm，每穴1苗。

3個施氮量處理為：低氮（LN）90 kg/hm2；中氮（MN）180 kg/hm2；高氮（HN）270 kg/hm2，施用肥料為尿素（含氮量為46%），其中基肥、分蘗肥、保花肥按1∶6∶3的比例施用。肥料施用方式為：基肥在移栽前3 d施入，分蘗肥在移栽后5 d施入，保花肥在幼穗分化2期和5期按照3∶2的比例施入。

各處理配施等量的磷、鉀肥，即每公頃施過磷酸鈣750 kg、氯化鉀675 kg，分別折合P2O5 90 kg/hm2、K2O 405 kg/hm2，其中磷肥全部作基肥，鉀肥在分蘗期和幼穗分化期施入，其他管理同當地大田管理一致。

1.3 樣本標記及取樣

于開花期標記長相一致、同一日開花的弱勢粒小花[14]。以群體盛花期后3 d記為取樣日期，在花后0～24 d內每6 d取樣一次。用于測定可溶性蛋白質含量、谷氨酰胺合成酶（GS）活性、蔗糖合成酶（SS）活性、蔗糖和淀粉含量。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 子粒充實度測定 成熟期每小區(qū)選取10株稻穗，分別收集每穗的強、弱勢粒[14]，參照朱慶森等[15]的方法測定谷粒充實度。谷粒充實度=（受精子粒的平均子粒質量/密度大于1的飽滿子粒的平均子粒質量）×100%，計算強、弱勢粒充實度。

1.4.2 蔗糖、淀粉和可溶性蛋白質含量的測定 蔗糖含量采用間苯二酚法測定[16，17]。淀粉含量采用蒽酮硫酸法測定[16，17]?？扇苄缘鞍踪|含量采用考馬斯亮藍法測定[17]。

1.4.3 蔗糖合成酶（SS）活性測定 取凍存的去殼子?；蛉~片0.2～0.5 g，加入液氮，再加入5 mL提取介質（50mmol/L Hepes、5 mmol/L EDTA、1 mmol/L DTT、2 mmol/L KCl、1%PVP、pH 7.5）研磨成勻漿，在10 000 r/min、4 ℃下離心10 min，上清液即為酶液。在總體積0.15 mL反應混合液中（50 mmol/L Hepes、pH 7.0、10 mmol/L MgCl2、10 mmol/L果糖、3 mmol/L UDPG）加入一定量酶液，30 ℃水浴反應10 min后，加入0.05 mL 2 mol/L NaOH，沸水中煮10 min，流水冷卻，再加入0.7 mL 30%HCl及0.2 mL用95%乙醇配制成0.1%的間苯二酚，搖勻后置于80 ℃水浴保溫10 min，冷卻后于480 nm下比色測定蔗糖的生成量，然后用蔗糖生成量（mg）/[鮮重（g）×時間（h）]表示SS活性[17]。

1.4.4 谷氨酰胺合成酶（GS）活性測定 取凍存的去殼子?；蛉~片0.2～0.5 g，加入液氮，然后加入5 mL提取介質（0.05 mmol/L Tris-HCl、pH 8.0、2 mmol/L MgSO4、2 mmol/L DTT、0.4 mol/L蔗糖）研磨成勻漿，在15 000 r/min、4 ℃下離心20 min，上清液即為酶液。在1.6mL反應混合液B（80 mmol/L MgSO4、20 mmol/L谷氨酸鈉鹽、2 mmol/L EGTA、pH 7.4）中，加入0.7 mL酶液和0.7 mL ATP，混勻，于37 ℃下保溫30 min，加入顯色劑（0.2 mol/L TCA、0.37 mol/L FeCl3、0.6 mol/L HCl）1 mL，搖勻并放置片刻后于5 000 r/min 下離心10 min，取上清液測定540 nm下的吸光度，并以加入1.6 mL反應液A（80 mmol/L MgSO4、20 mmol/L谷氨酸鈉鹽、2 mmol/L EGTA、80mmol/L鹽酸羥胺、pH 7.4）為對照。GS活性=△A/（P·V·t），式中△A為540 nm處酶液與對照吸光度之差，P為粗酶液中可溶性蛋白含量（mg/mL），V為反應體系中加入的粗酶液體積（mL），t為反應時間（h）[17]。

1.5 數據分析

采用SPSS 10.0軟件進行方差分析和多重比較，用Originpro 7.5作圖。

2 結果與分析

2.1 施氮量對水稻子粒充實度的影響

兩個品種不同處理間強勢粒充實度差異不大，但弱勢粒充實度則表現出相當大的差異（表1），其中以中氮處理（MN）最高，高氮處理（HN）最低。從強、弱勢粒充實度差值來看，以中氮處理最小（平均38.53個百分點），高氮處理最大（48.18個百分點）。結果表明，適度施氮縮小強、弱勢粒充實度的差距，促進了同化物向弱勢粒輸入，最終提高了子粒的充實度，而施氮量過高或過低均不利于提高弱勢粒充實度。

2.2 施氮量對水稻弱勢粒碳代謝的影響

2.2.1 施氮量對水稻弱勢粒蔗糖含量的影響 由圖1a、圖1b可知，水稻弱勢粒蔗糖含量隨著時間的推移呈現下降的趨勢，其中在花后12～18 d下降幅度最大，兩個品種不同處理表現一致。施氮量對弱勢粒蔗糖含量有較大影響，不同施氮水平間比較，在花后6～12 d，MN處理的蔗糖含量顯著高于HN和LN處理，高、低氮肥處理之間的差異不顯著，兩個品種表現一致，說明MN處理明顯增加了源器官對水稻弱勢粒光合同化物的供應。

2.2.2 施氮量對水稻弱勢粒淀粉含量的影響 由圖2a、圖2b可知，水稻弱勢粒淀粉的快速積累期出現在花后12～18 d，在此之前和之后，淀粉積累緩慢。方差分析表明，在花后6～12 d，不同施氮水平之間弱勢粒的淀粉含量無顯著差異，而花后12 d以后，MN處理的弱勢粒淀粉含量顯著高于HN和LN處理，導致這種情況的原因可能是高氮處理延長了灌漿過程的緩增期，低氮處理容易造成葉片早衰，導致源不足，致使灌漿過程的淀粉積累和子粒充實度受到明顯的影響。

2.2.3 施氮量對水稻弱勢粒蔗糖合成酶活性的影響 蔗糖合成酶是直接參與蔗糖代謝的調節(jié)酶，其活性高低直接影響子粒蔗糖的輸入。由圖3a、圖3b可知，水稻弱勢粒蔗糖合成酶活性的快速上升期出現在花后12～18 d，在此之前和之后，酶活性變化趨勢較為平緩。不同施氮水平比較， MN處理的弱勢粒蔗糖合成酶活性在花后12～24 d顯著高于LN和HN處理，LN和HN處理間的差異不顯著。表明過高或過低的氮肥施用抑制了蔗糖合成酶的活性，并且在果聚糖降解、蔗糖快速合成運轉期，其沒有起到積極的調節(jié)作用。子粒蔗糖合成酶活性變化趨勢與淀粉含量的變化趨勢是相符的，即酶活性越高，淀粉含量增加也快。

2.3 施氮量對水稻弱勢粒氮代謝的影響

2.3.1 施氮量對水稻弱勢?？扇苄缘鞍踪|含量的影響 水稻弱勢粒可溶性蛋白質含量變化與淀粉含量變化趨勢基本上是一致的，在子粒灌漿初期，可溶性蛋白質含量的增加較慢，于花后12～18 d快速上升，而后增幅趨緩（圖4a、圖4b）。不同施氮水平比較，花后6～12 d，3種施氮水平可溶性蛋白質差異不顯著，花后12 d以后，LN處理的可溶性蛋白質積累明顯低于HN和MN處理。HN處理略高于MN處理，但二者之間差異不顯著。兩個品種表現一致?？梢娮恿？扇苄缘鞍踪|的積累與淀粉的積累有相似的特征，而這兩種物質是子粒儲存物質的主要成分，因此它們在子粒中的積累過程反映了子粒的灌漿特征。

2.3.2 施氮量對水稻弱勢粒谷氨酰胺合成酶活性的影響 水稻弱勢粒灌漿過程中，兩個品種子粒谷氨酰胺合成酶活性變化趨勢基本一致（圖5a、圖5b），表現為在灌漿初期活性上升緩慢（花后6～12 d），然后快速提高（花后12～18 d），最后趨緩（花后18～24 d）。不同施氮水平比較，花后6～12 d，施氮水平之間的差異不顯著。在花后12～24 d，谷氨酰胺合成酶活性表現為HN>MN>LN，LN處理的谷氨酰胺合成酶活性明顯低于HN和MN處理，HN和MN處理間的差異不顯著，兩個品種表現一致。說明谷氨酰胺合成酶活性變化趨勢與弱勢?？扇苄缘鞍踪|含量的變化趨勢是相符的，即谷氨酰胺合成酶活性上升，可溶性蛋白質含量增加，與LN處理相比，HN處理和MN處理有利于促進弱勢粒灌漿中后期可溶性蛋白質的積累。

3 結論與討論

弱勢粒灌漿慢、結實率低、充實度差，是限制水稻產量和品質的一個重要因素[18]。研究發(fā)現，與正常施氮相比，過量施用氮肥提高了水稻弱勢粒谷氨酰胺合成酶活性，促進了可溶性蛋白質的合成，但降低了弱勢粒中蔗糖的含量和蔗糖合成酶的活性，減少了淀粉積累量，最終降低了弱勢粒粒重；施氮量過少則降低了弱勢粒蔗糖含量、蔗糖合成酶和谷氨酰胺合成酶的活性，從而導致弱勢粒中的淀粉和可溶性蛋白質的積累量減少，弱勢粒的充實度降低。施氮量對強勢粒充實度影響不大。

碳、氮代謝是植物體內最基本的兩大代謝過程，它與作物的產量、品質有密切聯系[19]；施氮對水稻灌漿的影響實質上是通過氮素影響碳、氮化合物的合成、運轉、轉化及合成關鍵酶活性等來實現的。前人研究[20-22]表明，氮肥對水稻子粒的增重過程和最終粒重影響較大，合理增施氮肥和增加穗粒肥比例可以促進根系氮素代謝，延長葉片的功能期，提高葉片和子粒的全氮、蛋白氮和非蛋白氮含量以及谷氨酰胺合成酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性，延緩葉片的衰老，增強莖鞘儲存及運轉能力，增加灌漿物質的供應，提高灌漿速率，并最終提高產量，但氮肥施用過量，會抑制葉片蔗糖磷酸合成酶活性和蔗糖合成酶及ADPG焦磷酸化酶活性，不利于葉片的蔗糖合成和子粒的淀粉合成，從而導致產量下降。

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