耐低钾基因型水稻成熟期籽粒淀粉与蛋白质含量变化

杨 丽,刘 清,黄志刚,彭春霞,杨 毅,彭克勤

(湖南农业大学生物科学技术学院,长沙 410128)

我国是水稻生产大国,也是稻米消费大国,约有一半以上的人口以稻米为主食。当今我国水稻产量虽已达到较高水平,但还是受一些因素的限制。钾是植物必需的大量元素之一,对植物的生长、代谢、酶活性调节等方面起着非常重要的作用。我国耕地有1/4～1/3的土壤缺钾或严重缺钾,尤其是长江以南的广大地区[1]。刘国栋等调查发现,我国大约 90%的水稻都有不同程度的缺钾症状[2,3]。随着基因工程技术的不断发展,从分子水平上改善缺钾状况的研究不断深入,特别是耐低钾水稻基因型的筛选、利用及其营养特性的研究,受到广泛重视[4]。同时,随着人们生活水平的不断提高,促使水稻生产目标向优质、高产的方向发展。本研究的材料由湖南农业大学水稻研究所提供,系来自商陆DNA导入受体水稻筛选出来的性状稳定的变异后代,其幼苗期耐低钾机理已有研究[5]。本文是在不施钾肥的条件下,对耐低钾基因型水稻籽粒成熟过程中钾对籽粒物质积累量的变化进行分析,旨在为进一步改良稻米品质和选育优质水稻品种提供理论基础。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验材料为来自于富钾植物商陆 DNA导入受体水稻粳 85-5得到的耐低钾基因型(编号为 N18,N19)和低钾敏感型 (编号为 N27,作为对照)。

1.2 试验材料培养

采用盆播法,将各材料的种子分别播种在湖南农业大学植物激素与生长发育湖南省重点实验室网室的盆钵内,并标记,待长成两叶分别移栽,之后统一处理。整个生长过程未施钾肥。

1.3 试验方法

对各材料标记开花日期,并在花后 5,10,15,20,25,30 d对各基因型水稻的颖果取样,将样品置于-80℃冰箱内保存。待样品全部取完后,统一在105℃下杀青 15 min,75℃烘干至恒重,脱壳后磨成粉样,过 60目筛,置 1.5 mL离心管密封保存备用。

(1)可溶性糖和总淀粉含量的测定。取上述样品各50 mg,倒入 10 mL刻度试管内。采用萧浪涛等[6]的蒽酮比色法,用紫外分光光度计测625 nm波长下的吸光度值,测定可溶性糖和总淀粉含量。

(2)直链淀粉含量的测定。以农业部米质测定方法为标准方法[7]。称取 50 mg样品,置于 50 m L容量瓶中,加 0.5 mL无水乙醇使其分散,再加 1 mol/L的NaOH4.5 mL,沸水浴 20 min,待冷却定容至 50 mL即得到样液。吸取5 mL样液加入到约盛50 mL蒸馏水的100 mL容量瓶中,再加 1 mL 1 mol/L的乙酸,使样品酸化,加入 1 mL碘液,充分摇匀,定容后静置 20 min,在紫外分光光度计 620 nm波长下测吸光度值。

(3)可溶性蛋白质含量的测定。采用考马斯亮蓝G-250法[8]测定。称取 0.200 g样品,转移至 10 mL离心管,加入蒸馏水静置30 min,4 200 rpm离心20 min,上清液转入10 mL容量瓶,定容至刻度,即为提取液。吸取 0.1 mL提取液至一有刻度试管中,加0.9 mL蒸馏水,加 5 mL考马斯亮蓝溶液,放置 5～ 20 min,在紫外分光光度计 595 nm波长下测吸光度值。

(4)钾元素测定。采用库文珍等[5]的方法,用美国热电公司IRIS Interpid IIXSP型全谱直读电感耦合等离子体原子发射光谱分析仪(ICP)进行测定。将各材料的烘干样品称取 0.300 g于 50 mL三角瓶中,加人HNO3-HClO4(4∶1)混合液 12 mL,盖住瓶口置通风橱中过夜,然后在电炉上加热消化,反复加混合液,至消化液剩余约 2 mL(勿干)时取下,冷却后用 2%的硝酸溶解,过滤后定容至 50 m L,采用 ICP仪测定各样品中钾元素的含量。

2 结果与分析

2.1 籽粒成熟过程中可溶性糖含量的变化

水稻籽粒灌浆过程中,光合产物最初以可溶性糖的形式存在,并经过相关酶降解、合成淀粉运输并贮藏到籽粒中。因此,籽粒中可溶性糖含量高有利于淀粉的积累。从图1可以看出,籽粒的可溶性糖含量在籽粒灌浆过程中不断下降,并最终维持在较低水平。特别是在花后的前10 d,其可溶性糖含量下降最快。此阶段正好是胚乳细胞物质充实期,蔗糖等可溶性糖作为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]。在不施钾肥的条件下,两个耐低钾基因型水稻材料在籽粒发育后期,即成熟籽粒中可溶性糖含量都较低钾敏感基因型要低。

图 1 水稻籽粒成熟过程中可溶性糖含量的变化

2.2 籽粒成熟过程中淀粉含量的变化

有关研究表明,钾能激活淀粉合成酶的活性,从而提高籽粒的淀粉含量[10]。水稻胚乳细胞开始分裂的前几天,胚囊中一般没有淀粉积累,而在子房壁的中层细胞中有较多的淀粉粒[11]。在开花5 d以后,胚乳细胞中开始出现淀粉体,此后随着籽粒的发育,淀粉积累迅速上升。从图2可以看出,不同基因型水稻籽粒总淀粉含量在开花后的几天里都上升较快,之后随着种子的成熟,淀粉的含量趋于稳定。而N19的淀粉含量略比N18及N27的高。直链淀粉含量是衡量稻米品质的重要指标,直链淀粉含量越低,品质越好[12]。经分析得知,N27,N18和 N19基因型水稻成熟籽粒中直链淀粉含量占总淀粉含量分别为36.00%,34.46%,30.34%。从该数据可以看出,3个基因型水稻成熟籽粒直链淀粉含量占总淀粉的含量都比较高,但是 N19基因型较N18和 N27基因型的都要低,且两耐低钾基因型都略比低钾敏感型的要低,说明钾对直链淀粉的合成也有一定的影响。

2.3 籽粒成熟过程中可溶性蛋白质含量的变化

稻米蛋白质分布不均匀,但主要储存在水稻种子的胚乳部分。根据其溶解性的不同可分为:(1)水溶性蛋白;(2)碱溶性蛋白;(3)盐溶性蛋白;(4)醇溶蛋白四种类型[13]。有关研究表明,施钾可以提高蛋白质含量。钾能提高氨基酰-tRNA合成酶、多肽合成酶、硝酸还原酶的活性,从而促进蛋白质和氨基酸的合成。高钾植株籽粒中可溶性氨基酸含量比低钾植株要高[10]。本研究仅对其可溶性蛋白进行了分析。以单位干重量籽粒的可溶性蛋白质含量计算,在籽粒发育过程中,不同基因型各籽粒中可溶性蛋白质含量先升高而后下降,到后期基本达到平衡(图3)。颖果中蛋白质含量在灌浆初期最高,主要是由于这时期颖果中贮藏物质刚开始积累,淀粉含量还较少,蛋白质占籽粒干物质的比重最大[9]。以后随着籽粒灌浆时间的延长,淀粉大量积累,蛋白质占籽粒干物质的比重逐渐降低,最后趋于稳定。从图 3可以看出,耐低钾基因型水稻籽粒中可溶性蛋白含量较低钾敏感型的要高,说明钾对籽粒蛋白质含量有影响,这与前人的结果一致。

图2 水稻籽粒成熟过程中总淀粉含量的变化

图 3 水稻籽粒成熟过程中可溶性蛋白质含量的变化

2.4 籽粒成熟过程中钾元素含量的变化

水稻中影响其品质的因素除了蛋白质和淀粉含量外,矿质元素的含量也很重要。本研究的试验材料主要是研究对钾的敏感程度,因此,对这 3种不同基因型水稻籽粒成熟过程中钾元素的含量进行了分析。从图 4可以看出,在灌浆初期,钾元素含量较高,随着籽粒的成熟,淀粉和蛋白质的合成,钾元素的含量相对降低,之后趋于平衡,但 3种基因型水稻成熟籽粒中钾元素含量并没有明显区别。

图4 水稻籽粒成熟过程中钾元素含量的变化

3 讨 论

我国是栽培水稻最早的国家之一,拥有非常丰富的遗传资源。我国耕地土壤普遍缺钾,选育耐低钾的水稻基因型品种具有重要的意义。耐低钾基因型水稻材料的筛选,为高产、优质水稻新品种的选育,提供了重要的遗传(中间)材料。淀粉生物合成的原料来自于光合产物,这些光合产物以可溶性糖的形式输入胚乳细胞中,供淀粉的生物合成。随着籽粒中的可溶性糖转变成淀粉,可溶性糖含量逐渐下降,淀粉含量不断增加,而且可溶性糖的下降过程和淀粉的积累过程大体是一致的。适量施钾肥可以提高蛋白质含量以及降低直链淀粉含量,从而改善稻米品质[14]。王为木等[15]研究了低钾胁迫对耐钾能力不同水稻品种的影响,认为低钾与正常施钾对耐低钾品种影响不大,而低钾条件下不耐低钾品种的生长及钾素积累都受到抑制。

本研究表明,在不施钾肥的条件下,水稻籽粒成熟过程中,淀粉含量总体趋势一致,两个耐低钾基因型水稻籽粒直链淀粉含量占总淀粉含量比低钾敏感型的低,说明耐低钾基因型的钾素利用效率较低钾敏感型高。成熟籽粒中耐低钾基因型水稻籽粒可溶性蛋白质含量比低钾敏感型的要高,但总体趋势是先升高后降低并趋于稳定,很可能是随着淀粉的合成增加并积累,可溶性蛋白质含量相对就下降,成熟籽粒中蛋白质含量就相对低。根据本研究可知,耐低钾基因型水稻材料比低钾敏感型水稻材料籽粒中淀粉含量和可溶性蛋白质含量都高,且直链淀粉含量相对降低,这可为稻米品质的改良提供参考。

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