李 丹朱振興馬殿榮

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,遼寧 沈陽 110161; 2.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物分子改良實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110161)

高粱[Sorghumbicolor(L.) Moench]是世界上重要的糧食作物,廣泛應(yīng)用于飼料、釀造、生物質(zhì)能源以及食品加工等領(lǐng)域[1～2]。高粱具有耐瘠薄特性,一般種植在土壤瘠薄、干旱缺水的土壤中[3]。目前,育種家雖然在提高高粱產(chǎn)量方面已取得一定進(jìn)展,但是干旱和瘠薄會(huì)嚴(yán)重影響高粱對(duì)氮素的吸收,導(dǎo)致高粱的生長(zhǎng)及產(chǎn)量受到了極大的影響[4]。硝酸鹽是植物吸收氮素的主要形式,硝酸還原酶(NR)是硝酸鹽同化過程中的第一個(gè)關(guān)鍵酶,對(duì)NR及氮代謝性狀之間的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn),硝酸還原酶活性(NRA)是育種程序中改良氮素吸收、利用效率的指標(biāo)[5]。目前,過量施用氮肥不僅降低氮素的利用效率,而且造成巨大浪費(fèi)[6]。隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng),氮高效品種的選育已受到廣泛關(guān)注。因此,篩選具有高效吸收和利用氮素能力的高粱資源材料,利用高粱固有的生物學(xué)特性,挖掘高粱自身高效吸收利用氮素的潛力對(duì)實(shí)現(xiàn)高粱高產(chǎn)、氮素資源高效利用具有重要意義[7]。本研究選取的100份高粱供試材料涉及中國(guó)及全球不同地區(qū)(非洲、北美、歐洲、印度、中國(guó)、歐美、南美)、不同類型(甜高粱、栽培種、農(nóng)家種、野生種)。采用植物硝酸還原酶(NR)ELISA檢測(cè)試劑盒對(duì)100份高粱材料進(jìn)行硝酸還原酶活性測(cè)定,從中篩選出氮高效高粱材料,以期為氮高效新品的選育集累基礎(chǔ)素材。

1 材料與方法

1.1 供試材料

隨機(jī)選取來自中國(guó)及全球不同地區(qū)的100份材料進(jìn)行氮高效特性篩選。材料種子由遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所提供。將材料分成4類:農(nóng)家種、甜高粱、栽培種及野生種。材料編號(hào)見表1。

表1 材料編號(hào)及來源Table 1 Number and source of materials

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

挑選顆粒飽滿、形狀一致的高粱種子放到鋪有濾紙的平皿內(nèi),在35 ℃左右用自來水浸種約12 h,萌發(fā)后轉(zhuǎn)入不含銨態(tài)氮的改良Hoagland配方培養(yǎng)液處理,發(fā)芽后進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液水培 10 d。使用木村氏培養(yǎng)液,大 量 元 素 Mg-SO4·7H2O (0.5470 mM);(NH4)2SO4(0.3650 mM); KH2PO4(0.1820 mM);KNO3(0.1830 mM);Ca ( NO3)2·4H2O (0.3660 mM);微 量 元 素 MnCl2· 4H2O (0.0005 mM);H3BO3(0.0030 mM);(NH4)6Mo7O24·4H2O (0.0001 mM);ZnSO4·7H2O(0.0004 mM);CuSO4·5H2O (0.0002 mM); NaFe-EDTA·3H2O (0. 0400 mM),調(diào)節(jié) pH值到 5.5。其中NO3-由Ca(NO3)2、KNO3提供,不含NH4+,(NH4)2SO4由MgSO4代替,pH值為5.8左右,光照培養(yǎng)14 d,取整株地上部分,用液氮速凍后立刻保存至-80 ℃冰箱待用。

1.3 硝酸還原酶活性的測(cè)定

采用植物硝酸還原酶(NR)ELISA檢測(cè)試劑盒對(duì)離體葉片進(jìn)行硝酸還原酶活性測(cè)定,每個(gè)樣品3次重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同高粱品種硝酸還原酶活性值(N RA)

農(nóng)家種、甜高粱、栽培種及野生種四類高粱材料的硝酸還原酶活性值(NRA)見表2。其中NRA最高的是86號(hào),該高粱品種來自野生種,NRA為86.20 U/L。NRA最低的是來自農(nóng)家種的14號(hào),NRA為13.80 U/L。說明100份高粱資源中野生種86號(hào)的地上部分硝酸還原酶活性最強(qiáng),推斷該品種對(duì)氮素的利用效率高于其他資源。

表2 各材料的NRATable 2 NRA value of materials (U/L)

2.2 不同高粱品種硝酸還原酶活性分析

如圖1所示,野生種的NRA極顯著高于農(nóng)家種、甜高粱及栽培種,甜高粱與栽培種的NRA無顯著差異,甜高粱和栽培種的NRA均極顯著高于農(nóng)家種。推斷主要從野生種資源中選取氮素高效利用品種,避免在農(nóng)家種中進(jìn)行篩選。

圖1 不同高粱品種的NR活性Figure 1 NR activity of different sorghum varieties

3 討論

植物根系吸收的硝態(tài)氮首先在細(xì)胞質(zhì)中由硝酸還原酶和亞硝酸還原酶還原成銨,然后由谷氨酸合成酶和谷氨酞胺合成酶同化成谷氨酸和谷氨酞胺,形成天冬氨酸和天冬酞胺,最后形成氨基酸和蛋白質(zhì)用于植物生長(zhǎng)發(fā)育[8]。硝酸還原酶(nitrate reductase,NR)作為氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)的誘導(dǎo)酶,也是限速酶,在氮素代謝過程中起關(guān)鍵作用。不同氮素形態(tài)會(huì)引起氮代謝酶活性的變化[9],而硝酸還原酶的活性決定了硝酸鹽(無機(jī)氮)同化成有機(jī)氮化合物的速度,因此它與植物吸收利用氮素存在密切關(guān)系[10],可作為作物的營(yíng)養(yǎng)素利用指標(biāo)之一[11]。研究高粱氮高效典型材料必須從大量不同類型高粱資源中進(jìn)行篩選,因此,合理的篩選方法和直觀、簡(jiǎn)便可靠的鑒定指標(biāo)是準(zhǔn)確快速獲得氮高效品種的關(guān)鍵[12]。本研究對(duì)選取的100份高粱供試材料進(jìn)行硝酸還原酶活動(dòng)鑒定,將這100份材料分為4個(gè)類型:農(nóng)家種25份材料,甜高粱24份材料,栽培種35份材料,野生種16份材料,其中野生種86號(hào)表現(xiàn)出極高的硝酸還原酶活性,而農(nóng)家種14號(hào)硝酸還原酶活性最低,并且野生種的硝酸還原酶活性NRA極顯著高于農(nóng)家種、甜高粱及栽培種,因此判斷可在野生種中選取氮高效品種作為氮高效利用的研究對(duì)象,為進(jìn)一步快速獲得耐低氮基因型以及氮高效特性轉(zhuǎn)育的親本材料奠定基礎(chǔ)。