寒地粳稻不同杂种优势组合碳氮代谢关键酶活性比较分析

金正勋，张海彬，沈 鹏，刘海英，张忠臣，赵书宇，王露露

（东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

水稻产量形成实质是淀粉与蛋白质的合成与积累过程[1]。在这一过程中，碳氮代谢关键酶发挥重要作用。酶活性高低影响到淀粉和蛋白质合成与积累的速率[2]。可溶性淀粉合成酶和ADPG焦磷酸化酶是主要的碳代谢关键酶，硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、蛋白水解酶是主要的氮代谢关键酶[3-5]。已有关于碳氮代谢关键酶活性与水稻产量性状关系的报道[6-11]，但关于粳稻碳氮代谢关键酶活性与杂种优势关系的报道尚少。试验选用产量性状杂种优势有显著差异的4个粳稻杂交组合，分析分蘖期氮代谢关键酶活性以及籽粒灌浆过程中碳氮代谢关键酶活性变化及其与产量性状的杂种优势关系，旨在阐明杂种优势强弱的代谢机理，为寒地粳稻杂种优势利用及超高产育种提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

根据东北农业大学农学院稻作研究室的前期研究结果，选用产量性状差异明显的4个粳稻品种东农7180（P1）、吉粳88号（P2）、松粳172（P3）、垦鉴稻8号（P4），配制杂种优势强弱差异明显的4个杂交组合P1×P3、P2×P4、P1×P4、P3×P4作为试材。

1.2 田间试验设计

于2010年在东北农业大学香坊实验实习基地进行田间试验。4月17日播种，大棚旱育苗，5月28日插秧，随机区组设计，3次重复，1.5 m行长，单行区，行距30 cm，穴距15 cm，每穴插1株，常规大田管理。生育期间以小区为单位调查抽穗期。

以小区为单位，采用软件Excel 2003和DPS 7.55统计试验数据。

1.3 酶活性测定

1.3.1 取样

自水稻分蘖旺盛的7月3日开始，各小区每隔5 d取1次样，每次于9:00～9:30取植株上的6片叶（插秧时标记的生长整齐一致的叶），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还原酶活性测定；将另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测定。

在抽穗期，于各小区选取生长整齐一致且同日抽穗的稻穗，挂牌标记，自抽穗后第10天起，每隔7 d取样，每次于9:00～9:30取标记的4个穗和叶片，共取3次，迅速用液氮冷冻处理后保存于-30℃冰箱中，然后每穗取中部灌浆一致的籽粒，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测定，叶片用于蛋白水解酶活性测定。

1.3.2 酶活性测定

硝酸还原酶活性测定参照文献[12]；谷氨酰胺合成酶活性测定参照文献[13]；蛋白水解酶活性测定参照文献[14]；可溶性淀粉合成酶酶活性及ADPG焦磷酸化酶活性测定参照文献[15]方法。上述各种酶活性均以OD值表示。

2 结果与分析

2.1 亲本间产量性状比较

由表1方差分析可知，供试亲本产量性状的F值均达到了极显著水平，说明不同亲本产量性状间有极显著的遗传差异。由多重比较结果可知，松粳172的单株产量和结实率极显著高于其他品种；东农7180的千粒重和吉粳88的每穗总粒数以及垦鉴稻8号的单株穗数均极显著大于其他品种，表明供试亲本在产量性状上各有明显的遗传特点，而且单株产量最高的亲本，其他产量性状不一定最高，其他产量性状表现优异的亲本，其单株产量不一定最高，单株产量高的亲本，其产量性状整体表现较好。

表1 亲本产量性状比较Table1 Comparison of yield traits among different parents

2.2 不同杂交组合产量性状高亲优势值比较

不同杂交组合产量性状高亲优势值比较结果列于表2。

由表2可知，就单株产量、千粒重、结实率的高亲优势值而言，P1×P3和P2×P4组合的均为正值，P1×P4和P3×P4组合的均为负值；就每穗总粒数的高亲优势值而言，P1×P4和P1×P5组合的为正值，P2×P4和P3×P4组合的为负值；就单株穗数的高亲优势值而言，P1×P3、P2×P4和P3×P4组合的为正值，P1×P4组合的为负值。这表明其他产量性状高亲优势强的组合，其单株产量的高亲优势不一定强；单株产量高亲优势强的组合，其他产量性状的高亲优势值多为正值，单株产量高亲优势弱的组合，其他产量性状的高亲优势多为负值。依据表2结果，可将 P1×P3和P2×P4组合划为强优势组合，将P1×P4和P3×P4组合划为弱优势组合。

表2 不同杂交组合产量性状高亲优势值比较Table2 Comparison of high kiss advantage value of yield traits among different hybrid combinations (%)

2.3 分蘖期不同杂种优势组合叶片氮代谢酶活性比较

分蘖期不同杂种优势组合叶片氮代谢酶活性比较结果见表3。

由表3可知，随着植株的生长，各组合叶片硝酸还原酶和蛋白水解酶活性逐渐升高，分蘖盛期达到峰值，之后又降低，呈单峰曲线变化。谷氨酰胺合成酶活性随生育进程逐渐提高，呈单向变化趋势。各分蘖时期叶片的硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和蛋白水解酶活性，除个别测定时期外，强优势组合P1×P3和P2×P4均显著高于弱优势组合P3×P4和P1×P4，表明产量杂种优势强的组合在分蘖期具有旺盛的氮代谢，分蘖期氮代谢强弱与产量杂种优势大小密切相关，氮代谢关键酶活性高的组合，其产量优势也高，反之氮代谢关键酶活性低的组合，其产量优势也低。

表3 不同杂交组合分蘖期叶片氮代谢酶活性多重比较Table3 Multiple comparison of leaf enzyme activities in nitrogen mechanism among combinations during tillering stage

2.4 灌浆过程中不同杂种优势组合籽粒碳氮代谢酶活性比较

灌浆过程中不同杂种优势组合籽粒可溶性淀粉合成酶和ADPG焦磷酸化酶活性变化分别示于图1和图2，籽粒谷氨酰胺合成酶和叶片蛋白水解酶活性比较结果列于表4。

由图1、2可知，籽粒可溶性淀粉合成酶和ADPG焦磷酸化酶活性随籽粒灌浆进程的推进而逐渐升高，达到峰值后又逐渐下降，呈单峰曲线变化。在整个籽粒灌浆过程中，强优势组合P1×P3和P2×P4的可溶性淀粉合成酶和ADPG焦磷酸化酶活性始终高于弱优势组合P3×P4和P1×P4，表明在籽粒灌浆过程中，与弱优势组合相比，强优势组合籽粒淀粉合成和积累的能力较强。

由表4可知，随灌浆进程氮代谢关键酶活性逐渐升高，达到峰值后又逐渐降低，呈单峰曲线变化。就酶活性大小而言，强优势组合P1×P3、P2×P4籽粒谷氨酰胺合成酶活性极显著高于弱优势组合P3×P4、P1×P4。强优势组合叶片蛋白水解酶活性显著或极显著高于弱优势组合。说明在籽粒灌浆过程中，与弱优势组合相比，强优势组合具有较强的籽粒蛋白质合成和积累能力。

图1 灌浆过程中籽粒可溶性淀粉合成酶活性变化Fig.1 Changes of soluble starch synthase activity in during grain filling

图2 灌浆过程中籽粒ADPG焦磷酸化酶活性变化Fig.2 Changes of ADPG phosphorylation activity in during grain filling

表4 籽粒灌浆过程中氮代谢酶活性多重比较Table4 Multiple comparison of key enzyme activity in nitrogen mechanism during grain filling

2.5 碳氮代谢关键酶活性与产量性状的相关分析

为进一步了解灌浆过程中碳氮代谢关键酶活性与产量性状的关系，根据亲本和组合的酶活性测定结果估算灌浆不同时期碳氮代谢关键酶活性与产量性状的相关系数，结果见表5。由表5可知，籽粒灌浆不同时期的碳氮代谢关键酶活性大小与千粒重和单株产量均呈正相关，其中有些时期的相关程度达到显著或极显著水平。说明灌浆过程中籽粒或叶片的碳氮代谢关键酶活性大小与千粒重和单株产量高低密切相关，酶活性大有利于提高千粒重和单株产量。

表5 籽粒灌浆过程中碳氮代谢关键酶活性与产量性状相关系数Table5 Correlation coefficients of key enzyme activities in nitrogen mechanism and yield traits during grain filling

3 讨论与结论

关于碳氮代谢关键酶活性对产量影响，前人已进行大量研究。叶全宝等表明，水稻生育中后期的叶片硝酸还原酶活性与产量有较高的正相关，保持水稻生育中后期较高的叶片硝酸还原酶活性对提高产量很重要[16]。孙国荣等表明，在生殖生长期谷氨酰胺合成酶活性均与产量性状有密切关系，谷氨酰胺合成酶活性可通过调控营养生长期稻株氨代谢而影响生殖生长，最终影响产量[17]。Buchanan等研究表明，叶片蛋白水解酶活性的提高可带动氮代谢运转增强，促进氨基酸的合成和转化，蛋白质水解酶活性的高低直接影响到水稻籽粒蛋白质含量[18]。梁建生等研究结果表明，ADPG焦磷酸化酶和可溶态淀粉合成酶对控制淀粉合成与积累的作用最大[19]。董明辉等研究表明，籽粒中谷氨酰胺合成酶与抽穗后氮素运转率、籽粒吸氮量和产量均呈显著的正相关[20]。

本研究结果表明，在分蘖期，强优势组合氮代谢关键酶活性显著高于弱优势组合，表明强优势组合分蘖期具有旺盛的氮代谢。在籽粒灌浆过程中，与弱优势组合相比，强优势组合可溶性淀粉合成酶，ADPG焦磷酸化酶活性始终高于弱优势组合，籽粒谷氨酰胺合成酶、叶片蛋白水解酶极显著高于弱优势组合，因此，水稻生长发育及灌浆过程中保持旺盛的碳氮代谢关键酶活性，以促进碳氮代谢，进而促进淀粉和蛋白质的合成与积累是寒地杂交粳稻产生强优势的生化基础。一切促进碳氮代谢关键酶活性的栽培措施有利于发挥寒地粳稻的杂种优势。

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