耐低鉀基因型水稻成熟期籽粒淀粉與蛋白質(zhì)含量變化

楊 麗,劉 清,黃志剛,彭春霞,楊 毅,彭克勤

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410128)

我國(guó)是水稻生產(chǎn)大國(guó),也是稻米消費(fèi)大國(guó),約有一半以上的人口以稻米為主食。當(dāng)今我國(guó)水稻產(chǎn)量雖已達(dá)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(duì)植物的生長(zhǎng)、代謝、酶活性調(diào)節(jié)等方面起著非常重要的作用。我國(guó)耕地有1/4～1/3的土壤缺鉀或嚴(yán)重缺鉀,尤其是長(zhǎng)江以南的廣大地區(qū)[1]。劉國(guó)棟等調(diào)查發(fā)現(xiàn),我國(guó)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(shù)的不斷發(fā)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(yíng)養(yǎng)特性的研究,受到廣泛重視[4]。同時(shí),隨著人們生活水平的不斷提高,促使水稻生產(chǎn)目標(biāo)向優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的方向發(fā)展。本研究的材料由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所提供,系來自商陸DNA導(dǎo)入受體水稻篩選出來的性狀穩(wěn)定的變異后代,其幼苗期耐低鉀機(jī)理已有研究[5]。本文是在不施鉀肥的條件下,對(duì)耐低鉀基因型水稻籽粒成熟過程中鉀對(duì)籽粒物質(zhì)積累量的變化進(jìn)行分析,旨在為進(jìn)一步改良稻米品質(zhì)和選育優(yōu)質(zhì)水稻品種提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為來自于富鉀植物商陸 DNA導(dǎo)入受體水稻粳 85-5得到的耐低鉀基因型(編號(hào)為 N18,N19)和低鉀敏感型 (編號(hào)為 N27,作為對(duì)照)。

1.2 試驗(yàn)材料培養(yǎng)

采用盆播法,將各材料的種子分別播種在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物激素與生長(zhǎng)發(fā)育湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)室的盆缽內(nèi),并標(biāo)記,待長(zhǎng)成兩葉分別移栽,之后統(tǒng)一處理。整個(gè)生長(zhǎng)過程未施鉀肥。

1.3 試驗(yàn)方法

對(duì)各材料標(biāo)記開花日期,并在花后 5,10,15,20,25,30 d對(duì)各基因型水稻的穎果取樣,將樣品置于-80℃冰箱內(nèi)保存。待樣品全部取完后,統(tǒng)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?zhèn)溆谩?/p>

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

(2)直鏈淀粉含量的測(cè)定。以農(nóng)業(yè)部米質(zhì)測(cè)定方法為標(biāo)準(zhǔn)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(jì) 620 nm波長(zhǎng)下測(cè)吸光度值。

(3)可溶性蛋白質(zhì)含量的測(cè)定。采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[8]測(cè)定。稱取 0.200 g樣品,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lán)溶液,放置 5～ 20 min,在紫外分光光度計(jì) 595 nm波長(zhǎng)下測(cè)吸光度值。

(4)鉀元素測(cè)定。采用庫文珍等[5]的方法,用美國(guó)熱電公司IRIS Interpid IIXSP型全譜直讀電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜分析儀(ICP)進(jìn)行測(cè)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(fēng)櫥中過夜,然后在電爐上加熱消化,反復(fù)加混合液,至消化液剩余約 2 mL(勿干)時(shí)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(cè)定各樣品中鉀元素的含量。

2 結(jié)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(chǎn)物最初以可溶性糖的形式存在,并經(jīng)過相關(guān)酶降解、合成淀粉運(yùn)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(xì)胞物質(zhì)充實(shí)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(gè)耐低鉀基因型水稻材料在籽粒發(fā)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(guān)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(xì)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(xì)胞中有較多的淀粉粒[11]。在開花5 d以后,胚乳細(xì)胞中開始出現(xiàn)淀粉體,此后隨著籽粒的發(fā)育,淀粉積累迅速上升。從圖2可以看出,不同基因型水稻籽?？偟矸酆吭陂_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(wěn)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(zhì)的重要指標(biāo),直鏈淀粉含量越低,品質(zhì)越好[12]。經(jīng)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(shù)據(jù)可以看出,3個(gè)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(duì)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(zhì)含量的變化

稻米蛋白質(zhì)分布不均勻,但主要儲(chǔ)存在水稻種子的胚乳部分。根據(jù)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(guān)研究表明,施鉀可以提高蛋白質(zhì)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(jìn)蛋白質(zhì)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?jī)H對(duì)其可溶性蛋白進(jìn)行了分析。以單位干重量籽粒的可溶性蛋白質(zhì)含量計(jì)算,在籽粒發(fā)育過程中,不同基因型各籽粒中可溶性蛋白質(zhì)含量先升高而后下降,到后期基本達(dá)到平衡(圖3)。穎果中蛋白質(zhì)含量在灌漿初期最高,主要是由于這時(shí)期穎果中貯藏物質(zhì)剛開始積累,淀粉含量還較少,蛋白質(zhì)占籽粒干物質(zhì)的比重最大[9]。以后隨著籽粒灌漿時(shí)間的延長(zhǎng),淀粉大量積累,蛋白質(zhì)占籽粒干物質(zhì)的比重逐漸降低,最后趨于穩(wěn)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(duì)籽粒蛋白質(zhì)含量有影響,這與前人的結(jié)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(zhì)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(zhì)的因素除了蛋白質(zhì)和淀粉含量外,礦質(zhì)元素的含量也很重要。本研究的試驗(yàn)材料主要是研究對(duì)鉀的敏感程度,因此,對(duì)這 3種不同基因型水稻籽粒成熟過程中鉀元素的含量進(jìn)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(zhì)的合成,鉀元素的含量相對(duì)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(qū)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(guó)是栽培水稻最早的國(guó)家之一,擁有非常豐富的遺傳資源。我國(guó)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(chǎn)、優(yōu)質(zhì)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(chǎn)物,這些光合產(chǎn)物以可溶性糖的形式輸入胚乳細(xì)胞中,供淀粉的生物合成。隨著籽粒中的可溶性糖轉(zhuǎn)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(zhì)含量以及降低直鏈淀粉含量,從而改善稻米品質(zhì)[14]。王為木等[15]研究了低鉀脅迫對(duì)耐鉀能力不同水稻品種的影響,認(rèn)為低鉀與正常施鉀對(duì)耐低鉀品種影響不大,而低鉀條件下不耐低鉀品種的生長(zhǎng)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(shì)一致,兩個(gè)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?？扇苄缘鞍踪|(zhì)含量比低鉀敏感型的要高,但總體趨勢(shì)是先升高后降低并趨于穩(wěn)定,很可能是隨著淀粉的合成增加并積累,可溶性蛋白質(zhì)含量相對(duì)就下降,成熟籽粒中蛋白質(zhì)含量就相對(duì)低。根據(jù)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(zhì)含量都高,且直鏈淀粉含量相對(duì)降低,這可為稻米品質(zhì)的改良提供參考。

[1]魯如坤.我國(guó)土壤氮磷鉀的基本狀況 [J].土壤學(xué)報(bào),1999,26(3):280-286.

[2]劉國(guó)棟,劉更另.論緩解我國(guó)鉀源短缺問題的新對(duì)策 [J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),1995,28(1):25-32.

[3]劉建祥,楊肖娥,楊玉愛,等.低鉀脅迫下水稻鉀高效基因型若干生長(zhǎng)特性和營(yíng)養(yǎng)特性的研究[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2003,9(2):190-195.

[4]王紅梅,陶詩順.水稻品種鉀素敏感基因型的篩選 [J].中國(guó)種業(yè),2009,(3):40-42.

[5]庫文珍,彭克勤,張雪芹,等.低鉀脅迫對(duì)水稻苗期礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)吸收和植物激素含量的影響 [J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2009,15(1):69-75.

[6]蕭浪濤,王三根.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù) [M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2005.152-156.

[7]梅淑芳,賈莉萌,高君愷,等.一種稻米直鏈淀粉含量的簡(jiǎn)易測(cè)定方法 [J].核農(nóng)學(xué)報(bào) ,2007,21(3):246-248.

[8]王學(xué)奎.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù) [M].北京:高等教育出版社,2006.

[9]陳 剛,王 忠,劉巧泉,等.轉(zhuǎn)反義 Wx基因水稻穎果的發(fā)育及物質(zhì)積累[J].中國(guó)水稻科學(xué),2006,20(3):277-282.

[10]李 偉,張 玲,謝崇華.氮、鉀對(duì)稻米品質(zhì)影響的研究進(jìn)展 [J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,35(17):5213-5214.

[11]顧蘊(yùn)潔,王 忠,陳 娟,等.水稻果皮的結(jié)構(gòu)與功能[J].作物學(xué)報(bào),2002,28(4):439-444.

[12]顧蘊(yùn)潔,陳 剛,熊 飛,等.稻米的品質(zhì)和影響因素[J].分子植物育種,2003,1(2):231-241.

[13]謝新華,肖 昕,李曉方,等.稻米蛋白質(zhì)的研究進(jìn)展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2003,(6):2-4.

[14]王強(qiáng)盛,甄若宏,丁艷鋒,等.鉀肥用量對(duì)優(yōu)質(zhì)粳稻鉀素積累利用及稻米品質(zhì)的影響 [J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2004,37(10):1444-1450.

[15]王為木,楊肖娥,李 華,等.低鉀脅迫對(duì)兩個(gè)耐低鉀能力不同水稻品種養(yǎng)分吸收和分配的影響[J].中國(guó)水稻科學(xué),2003,17(1):52-56.