王海杰,魏盛傳,黃家權(quán)*

瓜爾豆種子萌發(fā)氮代謝關(guān)鍵酶分析-

王海杰1,2,魏盛傳1,黃家權(quán)1*

1. 海南大學(xué), 海南 海口 570228 2. 海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 海南 ?？?571100

本文首次測定了瓜爾豆種子萌發(fā)三個(gè)不同時(shí)期硝酸還原酶(NR)活性、亞硝酸還原酶(NIR)活性、谷氨酰胺合成酶（GS）活性、谷氨酸合成酶（GOGAT）活性和蛋白質(zhì)含量及瓜爾豆種子萌發(fā)后根、莖部位酶活性和蛋白質(zhì)含量，以期解析瓜爾豆種子萌發(fā)時(shí)氮代謝過程中關(guān)鍵酶活性、蛋白質(zhì)含量的變化規(guī)律和差異。

瓜爾豆; 氮代謝; 關(guān)鍵酶

瓜爾豆(L.) Taub.，作為豆科植物中的一個(gè)栽培中，由于瓜爾豆膠在石油、天然氣以及食品飲料、醫(yī)藥、造紙、紡織等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，近幾年在世界各地的種植面積不斷擴(kuò)大。瓜爾豆膠是由瓜爾豆種子去皮去胚芽后的胚乳提純后得到混合物，除了主要含有半乳甘露聚糖外，還含有水分、蛋白質(zhì)、酸不溶物、灰分等[1]。近年來，對瓜爾豆的研究報(bào)道漸漸增多，本研究主要從種子萌發(fā)氮代謝關(guān)鍵酶活性角度研究和分析瓜爾豆氮代謝過程。目前，國內(nèi)外對植物氮代謝的研究主要在煙草和水稻上較多，國內(nèi)目前還沒有對瓜爾豆氮代謝的研究。本研究通過研究瓜爾豆酶活性來分析瓜爾豆氮代謝過程，以期揭示瓜兒豆種子萌發(fā)期間貯藏物質(zhì)代謝的基本規(guī)律，為瓜兒豆種子品質(zhì)評定及瓜兒豆種子生理研究提供理論依據(jù)，并解析氮代謝的調(diào)控與蛋白合成的關(guān)系，提高氮素利用率。

1 材料與方法

1.1 供試材料

瓜兒豆種植于海南省樂東黎族自治縣海南省腰果研究中心院內(nèi)，2016年3月4日種植，成熟后采收瓜爾豆種子。

1.2 試驗(yàn)方法

選取相同地塊上生長，栽培管理措施一致的瓜兒豆種子，作4個(gè)生物學(xué)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)10粒種子，要求所選種子大小均勻，外表無差異。分別測定整個(gè)萌發(fā)過程3個(gè)不同時(shí)期（吸脹種子、露白種子、萌發(fā)第3 d種子）硝酸還原酶活力[2]、亞硝酸還原酶活力、谷氨酰胺合成酶活力、谷氨酸合成酶活力[3]、可溶性蛋白含量[4]變化，并測定萌發(fā)第3 d種子的根、莖酶活力和可溶性蛋白含量的變化。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法

數(shù)據(jù)采用Excel處理，再用SPSS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的單因素方差分析和多重比較對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，最后用origin軟件以柱狀圖的形式將結(jié)果展示。

2 結(jié)果與分析

2.1 硝酸還原酶活性的動(dòng)態(tài)分析

硝酸還原酶(Nitrate reductase, NR)是還原無機(jī)氮的首個(gè)酶。由圖1可看出，在種子萌發(fā)的過程中，吸脹種子、露白種子和萌發(fā)第3 d種子兩兩之間差異性顯著。在種子萌發(fā)過程中活性逐漸升高，萌發(fā)第3 d種子的活性增加最為顯著。由圖2看出，莖部位的硝酸還原酶活性高于根部位。

圖 1 種子萌發(fā)關(guān)鍵過程中NR活性變化

圖 2 種子萌發(fā)第3 d種子莖、根NR活性對比

2.2 亞硝酸還原酶活性的動(dòng)態(tài)分析

亞硝酸還原酶(Nitrite reductase, NIR)作為硝酸根還原的關(guān)鍵酶，正常情況下很少在植物細(xì)胞內(nèi)積累。由圖3看出，在種子萌發(fā)的過程中，吸脹種子、露白種子和萌發(fā)第3 d種子兩兩之間差異性顯著。在種子萌發(fā)過程中活性逐漸升高，萌發(fā)第3 d種子的活性增加最為顯著。由圖4可知，莖部位的亞硝酸還原酶活性明顯高于根部位。

圖3 種子萌發(fā)關(guān)鍵過程中NIR活性變化

圖4 種子萌發(fā)第3 d種子莖、根NIR活性對比

2.3 谷氨酰胺合成酶活性的動(dòng)態(tài)分析

由圖5知，不同種子的萌發(fā)時(shí)期的谷氨酸合成酶（Glutamine Synthetase, GS）的活性，在萌芽第3 d種子時(shí)期活性達(dá)到最高值，吸脹種子、露白種子和萌發(fā)第3 d種子兩兩之間差異性顯著，即種子萌發(fā)過程中活性逐漸增加。由圖6知，莖與根部位谷氨酸合成酶的活性水平基本一致。

圖5 種子萌發(fā)關(guān)鍵過程中GS活性變化

圖6 種子萌發(fā)第3 d種子莖、根GS活性對比

2.4 谷氨酸合成酶活性的動(dòng)態(tài)分析

由圖7知，隨著種子的萌發(fā)谷氨酸合成酶(GOGAT)的活性逐漸升高，吸脹種子、露白種子和萌發(fā)第3 d種子兩兩之間差異性顯著。萌發(fā)第3 d種子的酶活性顯著高于吸脹種子時(shí)期和露白種子時(shí)期。由圖8可知，莖部位的谷氨酸合成酶活性顯著高于根部位的。

圖7 種子萌發(fā)關(guān)鍵過程中GOGAT活性變化

圖8 種子萌發(fā)第3 d種子莖、根GOGAT活性對比

2.5 蛋白質(zhì)含量的動(dòng)態(tài)分析

由圖9可知，隨著種子的萌發(fā)，蛋白質(zhì)含量在吸脹種子、露白種子和萌發(fā)第3 d種子兩兩之間差異性顯著。種子萌發(fā)過程中，氮代謝產(chǎn)物蛋白含量逐漸增加，萌發(fā)第3 d種子達(dá)到最高。圖10表明，種子萌發(fā)后莖部位的蛋白質(zhì)含量明顯高于根部。

圖9 種子萌發(fā)關(guān)鍵過程中蛋白質(zhì)含量變化

圖10 種子萌發(fā)第3 d種子莖、根蛋白質(zhì)含量活性對比

3 討論與結(jié)論

種子萌發(fā)是蛋白質(zhì)、淀粉和脂肪等貯藏物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程，萌發(fā)時(shí)貯藏物質(zhì)從貯藏部位運(yùn)到利用部位等代謝過程中酶起著關(guān)鍵的作用[5]。蛋白質(zhì)是種子內(nèi)貯藏物質(zhì)的重要組分之一，它為種子萌發(fā)和幼苗早期生長提供營養(yǎng)物質(zhì)和能量[6]。本研究測定了瓜爾豆種子萌發(fā)3個(gè)不同時(shí)期，無機(jī)硝態(tài)氮逐漸還原為氨最終形成蛋白質(zhì)的過程，結(jié)果表明，不同的種子發(fā)育時(shí)期其酶活呈逐漸增加的趨勢。這點(diǎn)與前人的研究的結(jié)果相符，F(xiàn)rancisc等的研究表明，NR與NIR對種子硝酸鹽的同化起了重要作用。布爾巴等人也提出在萌發(fā)種子中存在著GS/GOGAT途徑，莖中顯示出很高的GOGAT酶活力。

從種子萌發(fā)不同的時(shí)期來看，隨著種子萌發(fā)，氮代謝關(guān)鍵酶活性也呈現(xiàn)增加的趨勢；露白種子時(shí)期較吸脹種子時(shí)期酶活性增加的量與種子萌發(fā)3 d后與露白種子相比，活性都有顯著增加。而莖部的酶活性基本都明顯高于根部，只有莖部與根部GS的活性近乎一致。從蛋白質(zhì)含量變化來看，種子萌發(fā)的3個(gè)時(shí)期中蛋白質(zhì)含量逐漸增加，種子不斷發(fā)育過程中，由氨轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的關(guān)鍵酶：谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶的活性，二者與蛋白質(zhì)變化趨勢也呈正相關(guān)趨勢；從對比水稻與煙葉種子萌發(fā)時(shí)期的氮代謝相關(guān)指標(biāo)來看，瓜爾豆與它們在種子發(fā)育期間酶活性逐漸增加的趨勢并無差異，而蛋白含量則有不同，其中瓜爾豆種子露白時(shí)期蛋白質(zhì)含量較吸脹時(shí)期有所增加，而煙葉與水稻種子則不同，它們露白時(shí)期略低于吸脹時(shí)期。

瓜爾豆各項(xiàng)生理參數(shù)均反映在種子萌發(fā)過程中，氮代謝最終產(chǎn)物蛋白質(zhì)含量逐漸增加，說明種子萌發(fā)后氮代謝更為活躍，轉(zhuǎn)化無機(jī)硝態(tài)氮的量也更多，這符合豆科種子正常萌發(fā)時(shí)的一般規(guī)律，也是健康種子正常萌發(fā)的表現(xiàn)。本研究的結(jié)果也表明氨同化酶活性越高，蛋白質(zhì)含量越高，其確切的轉(zhuǎn)化關(guān)系值得進(jìn)一步探討。

[1] 蔡為榮,徐苗之,史學(xué)穎.食品增稠劑瓜兒豆膠性質(zhì)及復(fù)配性的研究[J].江蘇食品與發(fā)酵,2002,1:16-19

[2] 滕祥勇.甜菜谷氨酸合成酶（GOGAT）酶學(xué)特性及氮素對其酶活性的調(diào)控[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2012

[3] 侯永平,陳年來,康恩祥,等.低溫弱光對西葫蘆幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響[J].中國瓜菜,2009(1):8-12

[4] 吳敏,何鵬,韋家少,等.鉀水平對巴西橡膠樹幼苗葉片葉綠素及可溶性蛋白含量的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2011,27(28):58-62

[5] 楊文鈺,關(guān)華.種子萌發(fā)生理研究進(jìn)展[J].種子,2002(5):31-32

[6] 傅家瑞.種子生理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1985

Analysis of Key Enzymes of Nitrogen Metabolism During(L.) TaubSeeds Germination

WANG Hai-jie1,2, WEI Sheng-chuan1, HUANG Jia-quan1*

1.570228,2.571100,

The activities of nitrate reductase (NR), nitrite reductase (NIR), glutamine synthase (GS), glutamate synthase (GOGAT) and protein content of(L.) Taub. seeds at three different stages of germination were determined at a first time in this paper. Enzyme activity and protein content in root and stem ofseeds after germination were determined, too, in order to analyze the changes and differences of key enzyme activities and protein contents in process of nitrogen metabolism during seed germination of.

(L.) Taub.; nitrogen metabolism; key enzyme

S330.2

A

1000-2324(2018)06-0921-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.003

2018-02-20

2018-03-12

海南自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(317186)

王海杰(1982-),男,博士生,副研究員,從事作物遺傳育種研究. E-mail:527931616@qq.com

Author for correspondence. E-mail:jqhuang@163.com