豫谷18 功能叶碳氮代谢关键酶活性研究

王淑君 刘金荣 王素英 刘海萍 闫宏山 宋中强

（河南省安阳市农业科学院，安阳 455000）

豫谷18 是安阳市农业科学院选育的谷子品种，该品种优质、高产、适应性广，适宜在华北、西北、东北三大主产区种植，被业界誉为谷子中的“郑单958”[1]。碳氮代谢是作物的基本代谢[2]，其协调性影响作物光合产物的形成和转化、矿质营养的吸收以及蛋白质合成等[3]，进而影响植株生长发育[4]，决定作物产量的高低[5]。碳氮代谢包括无机碳的同化、转运和积累，无机氮的还原、同化及有机含氮化合物的转化、合成等[5]，在这一系列过程中碳氮代谢关键酶起着决定性作用。本文通过研究豫谷18 籽粒灌浆期功能叶中碳氮代谢关键酶活性变化，以期为高产谷子育种、栽培调控及提高谷子产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料供试品种为安阳市农业科学院选育的谷子品种豫谷18，对照为河北省农林科学院选育的谷子品种冀谷19（CK）。

1.2 试验设计试验于2017 年在安阳市农业科学院试验基地（36°6′N、114°2′E）进行。土壤为壤土，水浇地，肥力均匀，前茬作物为小麦。试验采取完全随机区组排列，4 次重复，小区面积20m2，6 行区，行距0.4m；6 月23 日播种，留苗密度60 万株/hm2。第1 个重复为取样区，另外3 个重复为测产区，田间管理同常规大田管理。

谷穗完全抽出旗叶后，挂牌标记生长一致、同时抽穗开花的植株。开花后7d、14d、21d、28d、35d 各处理取挂牌标记植株旗叶和倒2 叶，液氮速冻。

1.3 测定方法标准样品的稀释与加样 在酶标包被板上设标样孔10 个，在第1、2 孔分别加标样100μL、标样稀释液50μL，混匀；从第1、2 孔中各取100μL 分别加到第3 孔和第4 孔，再加标样稀释液50μL，混匀；第3、4 孔中先各取50μL 弃掉，再各取50μL 分别加到第5、6 孔中，加标样稀释液50μL，混匀；重复上述操作直至各孔加样量都为50μL。

酶活性测定 在酶标包被板上待测样品孔中先加样品稀释液40μL，然后再加待测样品10μL。用封板膜封板后置于37℃温育30min。将30 倍浓缩洗涤液用蒸馏水30 倍稀释后备用。揭掉封板膜，弃去液体，甩干，每孔加满洗涤液，静置30s 后弃去，如此重复5 次，拍干。每孔加入酶标试剂50μL，空白孔除外，继续温育洗涤。加入显色剂轻轻震荡混匀，37℃避光显色15min，加终止液50μL，终止反应。以空白孔调零，450nm 波长依序测量各孔的吸光度（OD 值）。通过标准曲线计算样品中硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）、谷氨酸脱氢酶（GDH）的活性浓度。

2 结果与分析

2.1 硝酸还原酶硝酸还原酶（NR）是植物将硝态氮转化为氨态氮的关键酶和限速酶[6]，其活性高低不仅体现了植物体内硝酸盐的吸收、积累水平，氮素的同化利用水平[7]，还可反映植物光合、呼吸作用以及蛋白质的合成能力[8]。

由图1、图2 可知，整个灌浆过程中，2 个品种功能叶NR 活性均呈单峰曲线变化。豫谷18 功能叶NR 活性在开花后14d 达到峰值，冀谷19 旗叶和倒2 叶NR 活性分别在开花后14d 和21d 达到最大值，说明豫谷18 在开花后14d 左右为叶片氮同化的关键时期，随着生育期推迟，NR 活性下降。2 个品种旗叶和倒2 叶NR 活性分别在开花21d 和28d 后下降幅度趋于平缓。整个灌浆过程中，豫谷18 功能叶的NR 活性高于冀谷19，说明豫谷18 的氮素利用水平、光合作用及蛋白质合成能力等高于冀谷19。

图1 豫谷18 旗叶NR 活性

图2 豫谷18 倒2 叶NR 活性

2.2 谷氨酰胺合成酶谷氨酰胺合成酶（GS）参与多种氮代谢调节，是氨同化和谷氨酰胺形成的关键酶[9]，其活性降低可使细胞内多种氮代谢酶和部分糖代谢受到严重影响[10]。

由图3 可知，籽粒灌浆过程中，2 个品种旗叶GS 活性呈下降趋势。开花后7d，豫谷18 和冀谷19旗叶GS 活性相当；随着生育期推进，豫谷18 的GS活性缓慢下降，冀谷19 则下降幅度较大。由图4 可知，开花后7～28d，2 个品种倒2 叶GS 活性均表现为先升高后降低的变化趋势；开花后35d，GS 活性豫谷18 略有上升，冀谷19 保持平稳。整个过程中豫谷18 的GS 活性高于冀谷19，说明豫谷18 功能叶氮代谢能力较强，有利于氮素的吸收和运转，进而形成较高的蛋白质含量，促进籽粒产量的提高。

图3 豫谷18 旗叶GS 活性

图4 豫谷18 倒2 叶GS 活性

2.3 蔗糖磷酸合成酶蔗糖磷酸合成酶（SPS）是碳源向可逆碳水化合物分配的关键酶[11]，在碳代谢中起着重要作用，其活力大小直接影响光合产物在淀粉和蔗糖之间的分配[12]，调控着叶源中可溶性糖含量及对库端的供应能力。SPS 活力越高，合成蔗糖的能力越强[13]。

由图5、图6 可知，豫谷18 功能叶SPS 活性在开花后随生育期推进呈下降趋势；冀谷19 功能叶SPS 活性呈先升高后降低的趋势，旗叶和倒2 叶分别在开花后21d 和14d SPS 活性最高。灌浆过程中，豫谷18 功能叶SPS 活性高于冀谷19。开花后0～35d 是籽粒形成的关键时期，豫谷18 的SPS 活性较高，蔗糖合成旺盛，为籽粒形成提供充足的碳源，促进籽粒发育，减少败育。

图5 豫谷18 旗叶SPS 活性

图6 豫谷18 倒2 叶SPS 活性

2.4 谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶（GDH）是碳氮代谢转化过程中的一个关键酶，调节细胞内碳氮平衡。在逆境及碳骨架受限时，GDH 催化谷氨酸脱氨作用为三羧酸循环提供充足的碳骨架，保障碳代谢的正常进行[11]，尤其是植物生长发育后期对催化合成谷氨酸具有重要作用[14]。因此，GDH 活性高低直接影响到作物籽粒蛋白质的合成[15]。

由图7 可知，2 个品种旗叶GDH 活性变化表现一致，均是先升高后降低，在开花后14d GDH 活性最大，越接近成熟，GDH 活性越小；酶活性下降过程中，豫谷18 下降幅度较平缓。整个过程豫谷18 GDH 活性高于冀谷19，说明豫谷18 功能叶碳代谢能力相对较强。由图8 可知，豫谷18 倒2 叶GDH活性在开花后7～14d 变化不大；14d 后迅速下降，21d 后GDH 活性下降幅度较小，基本维持在一定水平；冀谷19 GDH 活性在开花后7～21d 下降较快，21d 后趋于稳定。说明豫谷18 倒2 叶在开花后14d仍能维持较高的GDH 活性，有利于催化合成谷氨酸，促进籽粒蛋白质的合成。

图7 豫谷18 旗叶GDH 活性

图8 豫谷18 倒2 叶GDH 活性

3 结论与讨论

作物产量形成的实质是源-库互作的过程，源、库数量及其协调性对作物产量具有重要意义；碳氮代谢关键酶活性高低影响着作物源库数量与平衡，进而影响产量[16]。王文静等[17]研究认为SPS 调节叶片中的可溶性糖含量和对库端的供应能力，SPS活性高显示出源端较强的同化物持续供应能力。申丽霞等[18]研究认为较高的GDH 活性有利于催化和加速合成谷氨酸，特别是在产量形成的重要时期，维持叶片较强的碳代谢是制造较多光合产物以满足籽粒产量形成的基础。

试验结果表明，在产量形成关键期，豫谷18 功能叶NR、GS、SPS、GDH 活性均高于对照品种冀谷19。在几种酶的共同作用下，有利于豫谷18 维持和延长叶片功能期，增加CO2同化和干物质积累，增强光合作用及蛋白质合成等方面能力，叶片光合产物能够向库端有效地运输和分配，从而为籽粒产量的提高奠定了重要基础。