李春艷,張潤琪,付凱勇,李 超,朱長安,李 誠
(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室,新疆石河子 832000;2.新疆盛源種業(yè)有限責(zé)任公司,新疆五家渠 831300)
小麥?zhǔn)侵袊饕募Z食作物之一,其產(chǎn)量和品質(zhì)對國家糧食和食品安全有舉足輕重的戰(zhàn)略意義。磷素是小麥生長過程中重要的大量元素之一,對小麥產(chǎn)量和淀粉品質(zhì)形成有重要作用。深入細化研究磷素在小麥淀粉產(chǎn)量和品質(zhì)形成中的作用,可有效緩解磷礦資源日益匱乏及過量施用磷肥造成的環(huán)境和經(jīng)濟問題,為小麥生產(chǎn)“減肥、增效、提質(zhì)”提供理論依據(jù)。
普通小麥籽粒中淀粉約占干重的60%~70%。淀粉的生物合成是一個復(fù)雜的過程,涉及多種酶的共同作用。腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)是淀粉合成的關(guān)鍵酶,無機磷酸與3-PGA的比例會影響其活性,并影響淀粉的生物合成過程[1]。顆粒結(jié)合淀粉合成酶(GBSS)主導(dǎo)直鏈淀粉的延長,也可能對支鏈淀粉側(cè)鏈的延長有一定的作用[2]。GBSS I存在于造粉體中,幾乎完全是顆粒結(jié)合酶[3]。淀粉粒結(jié)合蛋白(SGPs)主要包括淀粉粒表面的和鑲嵌在淀粉顆粒內(nèi)部的蛋白[4]。目前,已在小麥中檢測到4種主要的淀粉粒結(jié)合蛋白:SGP-1、SGP-2、SGP-3和Waxy蛋白,各SGP分別對應(yīng)不同的淀粉合成相關(guān)酶[5]。通過改良蛋白提取方法,結(jié)合2D電泳、質(zhì)譜、TEM免疫雜交和突變體材料,Benmoussa等[6]從玉米淀粉粒蛋白中鑒別出結(jié)構(gòu)蛋白、膜蛋白以及與淀粉合成重要相關(guān)的酶類(GBSS、AGPase等)。Matsushima等[7-8]通過水稻突變體發(fā)現(xiàn)與淀粉粒增大和質(zhì)體發(fā)育有關(guān)的蛋白SSG4和SSG6,并將其定位于水稻胚乳質(zhì)體的被膜。除此之外,關(guān)于淀粉合成/代謝過程的重要基因和蛋白的研究正在逐步深入[9-11]。但小麥生長過程中施用不同水平的磷肥對胚乳可溶性蛋白和淀粉粒結(jié)合蛋白有何影響尚未見報道。因此,本研究從小麥籽粒灌漿進程、關(guān)鍵酶基因表達、酶活性、蛋白含量和譜帶特征以及胚乳微觀特性等角度入手,研究不同施磷量對小麥籽粒發(fā)育的影響,以期為小麥生產(chǎn)中磷肥的合理施用以及深入研究小麥淀粉的生物合成機理提供理論依據(jù)。
供試材料為新疆主栽冬小麥品種新冬20號,種子由石河子大學(xué)麥類作物研究所提供。新冬20號具有廣泛的適應(yīng)性,產(chǎn)量潛力較高(7 500~8 250 kg·hm-2),抗逆性較強。試驗于2014 年10 月至2015 年6 月在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗站進行。試驗地0~20 cm土壤有機質(zhì)15.4 g·kg-1,堿解氮63 mg·kg-1,速效磷15 mg·kg-1,速效鉀208 mg·kg-1。試驗地前茬為小麥,收獲后種植向日葵,并將向日葵作為綠肥壓青,壓青時施入75 kg·hm-2尿素作為基肥。試驗設(shè)3個磷素(以P2O5計)水平:0 kg·hm-2(對照,記作CK)、105 kg·hm-2(常規(guī)施磷,低磷,記作LP)和210 kg·hm-2(過量施磷,高磷,記作HP),隨機區(qū)組設(shè)計,每處理3次重復(fù)。所用磷肥為過磷酸鈣,含P2O515.57%,于小麥返青期一次性開溝條施。小麥行距20 cm,在兩行中間開溝,溝深5~10 cm。對照開溝,但不施肥。冬前滴灌水3次,返青期至成熟期滴灌水6次,每隔10~12 d滴灌1次,拔節(jié)期和揚花期各追施尿素75 kg·hm-2。尿素為市售產(chǎn)品,N含量46%。6月28日種子成熟后收獲。
小麥開花后,選擇穗形一致的主莖標(biāo)記開花期,分別于開花后7、14、21、28、35 d取樣。從標(biāo)記穗子中隨機摘取150穗,剝出穗中部籽粒,一部分烘干至恒重,備用;一部分用鋁箔紙包裹,立即置于液氮速凍5 min,并在-80 ℃超低溫冰箱保存,備用。
以開花后天數(shù)為自變量,每次取樣所得平均單粒重(由千粒重折合)為因變量,用Logistic方程y=K/(1+ae-bt)對灌漿過程進行擬合[12],式中,K為最大單粒重,t為開花后天數(shù),a和b為常數(shù)。由Logistic方程推導(dǎo)出一系列灌漿參數(shù)包括籽粒灌漿速率最大值Vmax和籽粒灌漿速率最大值出現(xiàn)時間Tmax。
AGPase活性測定參照Nakamura等[13]的方法;GBSS活性測定參照Schaffer等[14]的方法。
1.5.1 引物設(shè)計
根據(jù)NCBI公布的小麥 agp1、 agp2、 gbss1和 gbss2基因序列設(shè)計引物,引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。以小麥actin基因(NCBI:DN551593)作為內(nèi)參基因。通過梯度PCR驗證引物特異性并優(yōu)化PCR條件。PCR反應(yīng)體系:cDNA模板0.5 μL,10×PCR反應(yīng)緩沖液2 μL,dNTPs 1.25 μL,上游引物和下游引物各0.5 μL,TaqDNA聚合酶0.75 μL,雙蒸水4.5 μL。反應(yīng)條件:94 ℃ 5 min,94 ℃ 35 s,退火30 s,72 ℃ 30 s,35個循環(huán),72 ℃10 min。具體引物序列見表1。
1.5.2 RNA提取和cDNA合成
RNA提取采用Fruit-mate(TaKaRa,9192,Japan)和RNAiso plus(TaAaRa,9108,Japan)試劑盒提取,按說明書操作。瓊脂糖凝膠電泳檢驗總RNA質(zhì)量。使用TIANScript cDNA第一鏈合成試劑盒(Tiangen,KR104-02,China)合成cDNA,用合成的cDNA作為模板擴增actin基因以檢驗其質(zhì)量。
表1實時熒光定量PCR引物序列
Table1PrimersusedtodetectdifferentialgeneexpressionbyusingQuantitativePCR
基因Gene上游引物序列(5′-3′)Forwardprimersequence下游引物序列(5′-3′)Reverseprimersequence退火溫度/℃Annealingtemperatureagp1AGAAGCGGCAAGGGAGACCCTAATACATCAAGGGAGAAAA60agp2TCAAACAAGGAGGGAGTGGCAGAGGTTGTCGCAGA60gbss1GACACTATCGTGGAAGGCAAGTTGACCATCTCATGGTACGC60gbss2CACAGAATGCCAGAGGCATAGGAACAGATGGGAATCACTCCA60actinGGAAAAGTGCAGAGAGACACGTACAGTGTCTGGATCGGTGGT60
1.5.3 實時熒光定量PCR
使用SYBR Premix ExTaq試劑盒(TaKaKa,RR420A,Japan)和實時熒光定量PCR儀(Roche LightCycler 480 Ⅱ)檢測各基因的擴增情況,具體操作按說明書進行。
胚乳可溶性蛋白和淀粉粒結(jié)合蛋白的提取參照Peng等[15]的方法;蛋白質(zhì)含量測定參考劉子凡[16]的考馬斯亮藍G-250法,用牛血清白蛋白繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線;SDS-PAGE聚丙烯酰胺凝膠電泳參照高正等[17]的考馬斯亮藍R-250染色法進行。
胚乳橫切面的甲苯胺藍染色方法參照余靜等[18]的文獻。用于掃描電鏡觀察的樣品處理程序:取不同處理的籽粒約3 mm厚的橫切片置于帶蓋小瓶,加入5 mL磷酸鈉緩沖液配制的4%(v/v)戊二醇溶液,4 ℃固定24 h,室溫靜置 1 h,再用磷酸鈉緩沖液漂洗3次,每次10 min,用系列濃度(35%、50%、70%、85%、95%)酒精脫水,每次10 min,再用100%酒精脫水3次,每次10 min,經(jīng)E3100 CO2臨界點干燥儀(Quorum Technologies-Ringmer,East Sussex,UK)干燥及離子濺射儀(Denton Vacuum-Moorestown,NJ,USA)鍍金膜后,用掃描電鏡(Hitachi S570,Hitachi High Technologies,Tokyo,Japan)觀察拍照,加速電壓10 kV。
采用Microsoft Office Excel 2013和SPSS 17.0統(tǒng)計軟件整理分析數(shù)據(jù),采用Microsoft Office Excel 2013和Adobe Photoshop軟件繪制圖表。每項指標(biāo)重復(fù)測定3次。采用獨立t檢驗法比較2個樣本平均數(shù),采用Duncan新復(fù)極差法進行多重比較,顯著水平為0.05。
由表2可知,3種施磷水平下,小麥品種新春20號在相同取樣時期的粒重差異顯著?;ê? d 和14 d,低磷處理下的粒重顯著低于對照;花后7、21和35 d,高磷處理小麥粒重顯著高于低磷和對照;花后28 d和35 d,低磷處理的粒重顯著高于對照。說明籽粒灌漿后期磷肥對粒重的促進作用逐漸增強。
由表3可知,不同施磷處理對籽粒灌漿速率最大值出現(xiàn)時間無明顯影響,均為花后16 d。低磷處理下,小麥籽粒灌漿最大積累速率顯著高于對照和高磷處理。
表2不同磷素水平下小麥籽粒的單粒重
Table2Singlegrainweightofwheatunderdifferentphosphorustreatmentsmg
處理 Treatment7DAA14DAA21DAA28DAA35DAACK6.94±0.12b16.01±0.06a31.4±0.07c38.02±0.01b40.8±0.02cLP6.74±0.013c14.74±0.01c32.01±0.02b38.20±0.05a41.0±0.03bHP7.34±0.09a15.6±0.02b32.21±0.01a37.8±0.05c41.4±0.08a
表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”,同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在5%水平差異顯著。DAA:開花后天數(shù)。表4同。
Values are “mean±standard error” of three replications.Values followed by different letters within columns are significantly different atP<0.05.DAA:Days after anthesis.The same in table 4.
表3不同磷素水平下小麥籽粒灌漿速率特征參數(shù)
Table3Parametersofgrainfillingrateofwheatunderdifferentphosphorustreatments
處理Treatment回歸方程RegressionequationR2Vmax/(mg·d-1)Tmax/dCKy=41.673/(1+21.604e-0.196t)0.998??2.042b15.678aLPy=41.730/(1+25.313e-0.205t)0.994??2.137a15.778aHPy=42.248/(1+21.151e-0.194t)0.991??2.048b15.739a
Vmax:籽粒灌漿速率最大值;Tmax:籽粒灌漿速率最大值出現(xiàn)時間。
Vmax:The maximum grain-filling rate;Tmax:The time reaching the maximum grain-filling rate.
由圖1可知,花后7、14和28 d,低磷處理下 agp1基因的相對表達量顯著高于對照,同時顯著或極顯著高于高磷處理;而高磷處理下 agp1基因的相對表達量在花后14、21 和28 d 顯著或極顯著低于對照(圖1A)。低磷處理下, agp2基因的相對表達量在花后7 d和14 d均極顯著高于對照和高磷處理?;ê?1 d和35 d,高磷處理下 agp2基因相對表達量極顯著高于對照(圖1B)。低磷處理下, gbss1基因相對表達量在花后7~35 d 均顯著或極顯著高于對照(圖1C),除花后14 d外,均顯著或極顯著高于高磷處理;花后14 d 和21 d該基因的相對表達量在對照和高磷處理間差異不顯著。除花后21 d外,低磷處理下 gbss2基因的相對表達量均顯著或極顯著高于對照和高磷處理;高磷處理下,花后7 d和14 d該基因相對表達量極顯著低于對照(圖1D)。
AGPase是小麥合成、貯存多糖過程的限速酶。由圖2可知,不同施磷處理下,小麥籽粒中AGPase活性均呈“M”型變化趨勢,花后7、21和28 d,各處理AGPase活性無顯著差異;花后14 d,低磷處理下AGPase活性極顯著高于高磷處理;花后35 d,高磷處理下AGPase活性顯著低于對照和低磷處理。GBSS主要負責(zé)直鏈淀粉合成?;ê? d,不同處理間GBSS活性差異不顯著;花后14 d,低磷處理下GBSS活性分別顯著或極顯著高于對照和高磷處理;花后21 d,施磷處理下GBSS活性均極顯著高于對照?;ê?8 d和35 d,低磷和高磷處理下GBSS活性差異顯著,與對照無顯著差異(圖2)。
由表4可知,花后14 d,高磷處理淀粉粒結(jié)合蛋白含量顯著高于對照和低磷處理;花后21 d,低磷處理淀粉粒結(jié)合蛋白含量顯著高于對照和高磷處理;花后28 d,對照處理淀粉粒結(jié)合蛋白含量顯著高于施磷處理;花后35 d高磷處理淀粉粒結(jié)合蛋白含量最高。
*和**分別代表0.05和0.01水平上對照和施磷處理間差異顯著;以小麥actin基因CNCBI編號:DN551593)作為內(nèi)參基因。下圖同。
* and ** represent the significance of probability at 0.05 and 0.01 levels between CK and P treatment,respectively;Wheat actin gene CNCBI Accession No. DN551593) was used as the reference control. The same in Fig.2.
圖1不同磷處理下小麥胚乳agp和gbss基因相對表達量的變化
Fig.1Relativeexpressionofagpandgbssgenesinwheatendospermunderdifferentphosphorustreatments
圖2 不同磷處理下小麥籽粒AGPase和GBSS活性
小麥籽粒AGPase主要存在于胚乳可溶性部分,該酶是由2個大亞基和2個小亞基組成的異源四聚體。2個大亞基分子質(zhì)量為55~60 kD,2個小亞基分子質(zhì)量為50~55 kD,大亞基是酶活性的調(diào)節(jié)中心,而小亞基是酶活性的催化中心[19]。本研究通過聚丙烯酰氨凝膠電泳分析,經(jīng)濃縮分離的胚乳可溶性蛋白條帶分子質(zhì)量均小于72 kD,其中2條分子質(zhì)量在60 kD左右,另外3條清晰的條帶分別出現(xiàn)在26~43、34~26和17 kD左右。推測分子質(zhì)量在72~55 kD的蛋白可能與AGPase有關(guān)(圖3)。施磷處理下,花后7 d 胚乳可溶性蛋白條帶的表達量均明顯弱于對照;花后35 d,3種處理下分子質(zhì)量為26~34 kD的條帶(黑色箭頭)均較其他取樣時期明顯。
表4不同磷水平下小麥淀粉粒結(jié)合蛋白含量
Table4Contentofstarchgranule-boundproteinunderdifferentphosphorustreatments
×10-3 μg·mg-1
圖3 不同施磷水平下小麥胚乳可溶性蛋白凝膠電泳
由圖4可知,花后21 d,甲苯胺藍染色顯示對照和高磷處理下胚乳中被染色的細胞核(圖中紅色箭頭所示)數(shù)量多于低磷處理。低磷和高磷處理下甲苯胺藍著色較深低。低磷處理下小麥胚乳中可以觀察到明顯的顆粒狀淀粉粒,而相同放大倍數(shù)下,對照和高磷處理下的淀粉粒則不明顯。對照籽粒斷面細胞排列緊密,胚乳外層?xùn)艡跔罴毎c內(nèi)層胚乳細胞結(jié)合緊密,兩者分層不明顯(圖4A);低磷和高磷處理下胚乳外部柵欄狀細胞形態(tài)明顯,細胞排列較松散,與內(nèi)胚乳細胞結(jié)合不緊密,兩者分層明顯(圖4B和圖4C),而低磷處理此現(xiàn)象較高磷處理更明顯。
掃描電鏡結(jié)果顯示,不同磷處理下胚乳淀粉粒形態(tài)未發(fā)生明顯變化,均由透鏡狀的A型淀粉粒(直徑大于10 μm)和球形的B型淀粉粒(直徑小于10 μm)組成。淀粉粒均鑲嵌于蛋白基質(zhì)中。低磷處理下蛋白基質(zhì)較少,主要存在于淀粉粒間,部分附著在淀粉粒表面,淀粉粒與蛋白質(zhì)結(jié)合較疏松(圖4E);而對照和高磷處理的蛋白質(zhì)基質(zhì)很多,形成完整的蛋白質(zhì)包被鞘,淀粉粒深陷在包被中,淀粉粒和蛋白質(zhì)結(jié)合較緊密(圖4D和圖4F),其中高磷處理下的此現(xiàn)象更明顯。
淀粉是小麥籽粒中含量最多的物質(zhì),與小麥的產(chǎn)量與品質(zhì)有直接關(guān)系[20-21]。本研究發(fā)現(xiàn)新冬20號籽粒灌漿不同時期磷素對粒重的影響存在處理間差異;花后7 d和14 d,低磷處理粒重顯著低于對照。前期研究亦表明,花后7 d低磷處理下淀粉粒的形態(tài)與對照差異明顯,且平均粒徑顯著低于對照[22],可能是該施磷水平促進了小麥灌漿前期的營養(yǎng)生長,并為灌漿后期籽粒的營養(yǎng)積累儲備了能量。在籽粒灌漿后期(花后28~35 d),相同取樣時期高磷和低磷處理下小麥籽粒的成熟度高于對照,且施磷后總淀粉、支鏈淀粉和直鏈淀粉含量顯著高于對照,并以低磷處理下最高[23]。此結(jié)果與籽粒灌漿關(guān)鍵時期淀粉合成相關(guān)酶AGPase和GBSS的活性和酶基因表達量的趨勢一致。淀粉合成的第一步是由G-1-P和ATP在AGPase作用下生成腺苷二磷酸葡萄糖(ADPG),ADPG是淀粉合成的直接前體,因此,AGPase是淀粉合成的限速酶[1]。GBSS則主導(dǎo)直鏈淀粉的延長[2]。AGPase和GBSS活性和酶基因表達量的提高對淀粉的合成與積累有重要作用。小麥籽粒灌漿過程中胚乳細胞的分裂、增殖以及充實對磷素的需求可能存在一個臨界范圍,準(zhǔn)確把握不同小麥品種籽粒灌漿過程中對磷素需求的適宜范圍可以增加磷肥的有效利用率并提高小麥產(chǎn)量。
A、B、C:胚乳橫切面甲苯胺藍染色(×130);D、E、F:胚乳橫切面掃描電鏡圖片(×1 000);A、D:CK處理;B、E:LP 處理; C、F:HP 處理。電鏡掃描圖D、E、F中A指示為A型淀粉粒,B指示B型淀粉粒;P指示蛋白基質(zhì)。
A,B and C:Cross sections stained by toluidine(×130); D,E and F:Cross sections observed by scanning electron microscopy(×1 000); A and D were samples from CK treatment; B and E were samples from LP treatment; C and F were samples from HP treatment.Within the SEM figures D,E,and F,‘A’ indicates the A type starch granules; ‘B’ indicates the B type starch granules; ‘P’ indicates the protein matrix.
圖4花后21d不同磷處理下小麥籽粒橫切面的差異
Fig.4Crosssectionsofwheatgrainat21DPAunderdifferentphosphorustreatments
小麥、玉米、高粱和谷子等禾本科作物淀粉粒表面均能觀察到微孔,是淀粉粒本身的屬性特征。Han等[24]通過特異性蛋白探針(CBQCA)處理淀粉粒并用激光共聚焦顯微鏡觀察到淀粉粒通道內(nèi)存在蛋白。玉米中關(guān)于淀粉粒通道蛋白的研究已有報道,但小麥中鮮見報道。Benmoussa等[6]從玉米淀粉粒通道蛋白中鑒別出與淀粉合成相關(guān)的酶類(GBSS、AGPase等),認為玉米淀粉粒微通道可能是淀粉質(zhì)體微管的殘留物,對淀粉合成中ADPG的運輸有重要作用,便于淀粉聚合物和顆粒的合成。本研究中,不同磷處理下各時期淀粉粒結(jié)合蛋白譜無明顯差異(因無顯著差異故圖片未顯示),均呈5條主要的譜帶,且分子質(zhì)量均大于60 kD,分別對應(yīng)SGP-A1、SGP-B1、SGP-D1、SGP-2、SGP-3和Waxy蛋白[5]?;ê?5 d時淀粉粒結(jié)合蛋白的含量以高磷處理最高,胚乳可溶性蛋白也以高磷處理下花后28~35 d的表達量最高,此結(jié)果與掃描電鏡觀察籽粒橫切面的蛋白基質(zhì)狀態(tài)一致。說明施磷處理對小麥籽粒淀粉和蛋白質(zhì)的合成均有重要影響,而與淀粉合成相關(guān)的酶類(AGPase、GBSS等)又可促進淀粉的合成,其中可能包括淀粉粒通道蛋白。石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院冬小麥課題組研究發(fā)現(xiàn),低磷和高磷處理下淀粉粒微通道結(jié)構(gòu)較對照更加明顯[23],參照玉米中的研究[6],推測磷處理下淀粉粒的通道蛋白組分發(fā)生了變化,GBSS、AGPase含量增加,促進了淀粉的生物合成。該假設(shè)需進一步研究驗證。
前人研究表明,小麥淀粉粒甲苯胺藍染色結(jié)果的深淺與支鏈淀粉的精細結(jié)構(gòu)和淀粉粒的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。支鏈淀粉分支鏈較短[25],分支化程度高[25-26],淀粉粒結(jié)構(gòu)片層密度較低[27],可能使甲苯胺藍分子容易進入淀粉粒內(nèi)部結(jié)合蛋白質(zhì)[28]和帶負電荷的磷酸酯[29]將小麥淀粉染成藍色。本研究中,與低磷和高磷處理比較,對照處理下甲苯胺藍染色較淺。石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院冬小麥課題組前期研究表明,花后21 d,不同磷素處理下新冬20號小麥籽粒支鏈淀粉結(jié)構(gòu)中A鏈的比例表現(xiàn)為HP>LP>CK,淀粉粒的結(jié)晶度表現(xiàn)為CK>HP>LP[21],說明施磷處理導(dǎo)致淀粉粒結(jié)構(gòu)松散。此外,石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院冬小麥課題組通過激光共聚焦顯微鏡發(fā)現(xiàn),低磷和高磷處理下的淀粉粒內(nèi)部的微通道結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化[23];再結(jié)合該課題組研究發(fā)現(xiàn),高磷和低磷處理下淀粉粒直徑顯著小于對照[22],小淀粉粒的比表面積大于大淀粉粒,可以結(jié)合更多的蛋白,因此,低磷和高磷處理下甲苯胺藍染色較CK顏色深。綜上所述,通過甲苯胺藍染色淀粉??梢栽谝欢ǔ潭壬贤茰y淀粉粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。
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