Wx基因对灌浆期小麦旗叶呼吸特性的影响

刘猛道+孔治有+张玉荣+等

摘要：呼吸作用对植物生长发育有重要影响，可降低植物干物质的积累。以8个Wx小麦近等基因系为材料，研究Wx基因对小麦呼吸特性的影响，结果表明，Wx-A1、Wx-B1基因缺失会增大小麦叶片的呼吸作用，作用效果Wx-A1>Wx-B1，Wx-D1基因作用相反；气孔导度在呼吸作用中无限制或促进作用，Wx基因缺失引起呼吸作用增大，致使CO2充斥导致胞间CO2浓度增大。

关键词：小麦；呼吸特性；Wx近等基因系；旗叶；灌浆期

中图分类号： S512.101文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0027-03

收稿日期：2014-01-29

基金项目：国家自然科学基金（编号：31000712）。

作者简介：刘猛道（1969—），男，云南腾冲人，研究员，主要从事麦类遗传育种工作。E-mail： bslmd0501@126.com。

通信作者：覃鹏，博士，讲师，主要从事小麦遗传育种与品质改良研究。E-mail：qinpeng77@163.com。叶片光合碳同化和碳还原直接表现为光合速率和呼吸速率，受光合有效辐射、土壤水分状况、植物营养状况等诸多因素的影响[1-7]。邹冬生等发现大豆暗呼吸速率在叶片伸展初期表现出最大值，之后随叶伸展和衰老而逐渐下降[8]；吴朝海等研究东方百合叶片呼吸强度在第12周前表现为迅速增加并达到顶峰，第12～16周间又呈现迅速下降，第16周后呈现缓慢下降趋势[9]；梁晶等通过提高乙醇酸氧化酶（Go）、多酚氧化酶（PPO）和抗坏血酸氧化酶（AAO）3种酶的活力而增强水稻的呼吸作用，起到耗散过剩光能并保护光合器官作用，从而缓解臭氧对光合器官损害而使水稻叶片造成的伤害[10]。

六倍体小麦中的Waxy蛋白受3个不同的Wx基因编码，分别位于染色体臂7AS（Wx-A1）、4AL（Wx-B1）、7DS（Wx-D1）上，Wx基因的缺失、突变或遗传表达障碍会使胚乳中直链淀粉含量减少和支链淀粉含量增加[11-14]。不同Wx基因缺失在很大程度上会影响小麦的淀粉合成，但是对于小麦呼吸特性、尤其是不同Wx等位基因对呼吸特性的影响尚未见报道。如果将Wx基因转入非糯小麦品种中培育出相应的近等基因系，并以其研究Wx基因对小麦呼吸特性的影响，可以排除遗传背景差异对研究结果所造成的影响，真实反映Wx基因对小麦呼吸作用中的作用。本研究以小麦Wx近等基因系（宁麦14背景）为材料，研究了各个Wx基因对小麦呼吸特性的影响，对进一步研究Wx基因对小麦淀粉品质和农艺性状的影响具有重要意义。

1材料与方法

1.1材料

8个小麦Wx近等基因系（宁麦14背景）种植于云南农业大学校内基地，于花后每隔10 d用LI-6400便携式

表18个小麦Wx近等基因系

基因型Wx基因Wx-A1Wx-B1Wx-D1Wild type+++WxA-++WxB+-+WxD++-WxAB--+WxAD-+-WxBD+--WxABD---注：+表示显性，-表示隐性。

光合作用测定仪测定旗叶呼吸特性。

1.2方法

于小麦花后每隔10 d的09：00—11：00测定旗叶的呼吸特性，光量子密度分别设为0 [μmol/（m2·s）]，每次测定先稳定3 min。此外参比室CO2 浓度设为400 μmol/mol，CO2 流量设为500 μmol/s，样本室温度设为25 ℃。

1.3统计分析

每个基因型重复5次，以SAS9.0进行统计分析。

2结果与分析

2.1近等基因系小麦呼吸特性比较

在不同基因型、花后时间2个处理因素内测定光合特性，呼吸速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率差异均达到极显著或显著水平。

8个基因型中，Wild type的气孔导度和蒸腾速率都最高，WxABD呼吸速率最大，两者之间除WxABD气孔导度略小外，其余指标均无显著差异；WxA、WxAD和WxABD的胞间CO2浓度均最大。

花后灌浆时间的呼吸速率、气孔导度、蒸腾速率均存在显著差异，各指标随灌浆时间的延长逐渐降低。胞间CO2浓度随灌浆时间的延长先增加，至20 d时达到最大，此后逐渐降低。表2不同因素间方差分析结果

变异来源自由度呼吸速率气孔导度胞间CO2浓度蒸腾速率基因型73.645 9**5.667 3**4.617 8**2.418 2*花后时间4154.927 6**143.870 9 **5.370 4**153.706 1**注：*和**分别表示0.05和0.01显著水平。

表3小麦不同基因型间呼吸特性差异显著性比较

基因型净光合速率

[μmol/（m2·s）]气孔导度

[mol/（m2·s）]胞间CO2浓度

（μmol/mol）蒸腾速率

[mmol/（m2·s）]Wild type1.709 9ABcd0.130 0Aa258.951 2Cd3.108 8AaWxA2.068 2Aa0.100 6Bbc472.745 0Aab2.505 5ABbcWxB2.028 1Aabc0.088 5Bbcd367.604 6ABCcd2.513 4ABbcWxD1.504 6Bd0.090 4Bbcd367.604 6ABCbcd2.558 6ABabcWxAB2.049 1Aab0.082 7Bcd309.134 5BCd2.075 8BcWxAD1.740 4Abbcd0.088 4Bbcd482.659 3Aa2.347 6BbcWxBD1.955 6Aabc0.107 0ABb449.848 7ABabc2.307 7BbcWxABD2.068 1Aa0.080 2Bd471.374 4Aab2.668 5ABab注：同列数据后小写、大写字母不同者分别表示差异显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）。表4同。

表4不同灌浆时间的呼吸特性差异显著性比较

花后时间

（d）净光合速率

[μmol /（m2·s）]气孔导度

[mol/（m2·s）]胞间CO2浓度

（μmol/mol）蒸腾速率

[mmol/（m2·s）]02.969 2Aa0.178 8Aa302.739 3Bc5.158 0Aa102.799 7Aa0.132 6Bb415.563 9Abab3.391 3Bb202.097 5Bb0.096 1Cc502.625 0Aa2.591 3Cc301.208 8Cc0.064 0Dd386.125 0ABbc1.076 3Dd400.377 3Dd0.008 3Ee372.515 8Bbc0.336 9Ee

在测定的4个呼吸指标中，呼吸速率与蒸腾速率、胞间CO2浓度呈极显著正相关，胞间CO2浓度和蒸腾速率呈显著正相关，而气孔导度与其他指标间均无相关关系（表5）。

表5小麦旗叶呼吸作用各指标间相关分析

指标相关系数气孔导度胞间CO2浓度蒸腾速率呼吸速率-0.170.94**0.87**气孔导度-0.180.04胞间CO2浓度0.87**

逐步回归分析结果（Y=-0.160 9+6.789 5X1+0.001 6X2+0.301 6X3，R2=0.818 5，F=54.115 5，P=0.000 1。式中：Y为呼吸速率、X1为气孔导度、X2为胞间CO2浓度；X3为蒸腾速率）表明，呼吸速率与气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率呈线性关系，呼吸速率随气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率的增大而升高。

2.2小麦近等基因系呼吸速率比较

小麦8个Wx近等基因系的呼吸速率在灌浆期变化一致，均呈逐渐降低趋势（图1）。WxA在所有基因型中除刚开花时较低外，其余时间均最大；WxD则基本处于最低状态。

2.3小麦近等基因系气孔导度比较

各Wx基因型小麦的气孔导度在灌浆期变化一致，均呈逐渐降低趋势（图2）。Wild type的气孔导度在整个灌浆期间均高于同时期其他基因型，而WxAB除刚开花时相对较高外，其余时间的气孔导度均低于其他基因型。

2.4小麦近等基因系胞间CO2浓度比较

灌浆期胞间CO2浓度在8个小麦Wx近等基因系间表现明显差异（图3）。WxA、WxBD和WxABD刚开花时胞间CO2浓度相对较大、花后10 d仍保持相对平稳，并逐渐增加至花后20 d达最大值，此后逐渐下降；大多数基因型小麦自开花起至花后20 d均处于增加趋势，此后逐渐降低，但降低幅度不完全一致，最终胞间CO2浓度分别以WxAD>WxABD>WxBD最高，而Wild type下降幅度最大。

2.5小麦近等基因系蒸腾速率比较

各Wx基因型小麦的蒸腾速率在灌浆期变化一致，均呈逐渐降低趋势（图4）。Wild type的蒸腾速率在整个灌浆期间大部分时间均高于同时期其他基因型，而WxAB除刚开花时外均低于其他基因型。

3讨论与结论

光合作用是植物干物质产生的重要途径，呼吸作用对植物生长发育有重要影响，呼吸作用是在细胞与环境相互作用下进行的，可消耗减少植物干物质的积累。作物光合作用在遗传育种上的研究已日益引起人们的关注，选配呼吸速率低而总光合量大的品种是光合生理育种的重要途径之一。

本研究中WxABD呼吸速率以及WxA、WxAD、WxABD的胞间CO2浓度均最大，表明Wx-A1和Wx-B1基因缺失会增大小麦叶片的呼吸作用，作用效果Wx-A1>Wx-B1，而Wx-D1基因作用相反；随灌浆时间延长，呼吸速率、气孔导度和蒸腾速率均逐渐降低，胞间CO2浓度则先增加后降低，表明呼吸作用在整个灌浆期间呈逐渐减弱趋势。呼吸速率与气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率呈线性关系，呼吸速率与蒸腾速率、胞间CO2浓度之间关系相对紧密，而气孔导度在呼吸作用中无限制或促进作用。气孔导度作为气孔通畅程度的指标，任何Wx基因的缺失均会导致降低。Wx基因缺失均会导致胞间CO2浓度在花后同时期增加，可能是Wx基因缺失引起呼吸作用增大导致的CO2充斥；而灌浆后期胞间CO2浓度逐渐降低，由于在此阶段呼吸作用逐渐减弱，放出CO2也相应减少。Wild type的蒸腾速率在整个灌浆期间大部分时间均高于同时期其他基因型，灌浆期间因蒸腾丧失的水分也相对偏多，可能抗旱性较其他基因型相对更弱。

Wx-A1和Wx-B1基因缺失会增大小麦叶片的呼吸作用，其中作用效果Wx-A1>Wx-B1，而Wx-D1基因作用相反。气孔导度在呼吸作用中无限制或促进作用。Wx基因缺失引起呼吸作用增大导致CO2充斥而使胞间CO2浓度增大。

参考文献：

[1]张绪成，上官周平.施氮对不同抗旱性冬小麦叶片光合与呼吸的调控[J]. 应用生态学报，2006，17（11）：2064-2069.

[2]Loggini B，Scartazza A，Brugnoli E，et al. Antioxidative defense system，pigment composition，and photosynthetic efficiency in two wheat cultivars subjected to drought[J]. Plant Physiology，1999，119（3）：1091-1099.

[3]Chen C T，Su Y S，Kao C H. Changes in soluble sugar content and respiration rate in methy1iasmonate-treated rice 1eaves[J]. Botanical Bulletion Academia Sinica，2004，45：197-202.

[4]陈屏昭，王磊，代勋，等. 缺磷强光下脐橙的过剩能量耗散机制[J]. 应用生态学报，2005，16（6）：1061-1066.

[5]Lawson T，Oxborough K，Morison J I，et al. Responses of photosynthetic electron transport in stomatal guard cells and mesophyll cells in intact leaves to light，CO2，and humidity[J]. Plant Physiology，2002，128（1）：52-62.

[6]任红旭，陈雄，孙国钧，等. 幼苗对水分和NaCl胁迫的反应[J]. 应用生态学报，2000，11（5）：718-722.

[7]林植芳，彭长连，孙梓健，等. 4种木本植物叶片的光合电子传递和吸收光能分配特性对光强的适应[J]. 植物生理学报，2000，26（5）：387-392.

[8]邹冬生，郑丕尧. 大豆生育过程中主茎叶片光合、蒸腾、呼吸及水导性的动态研究[J]. 作物学报，1993，19（4）：342-351.

[9]吴朝海，唐道城. 东方百合生长期间形态及叶片呼吸强度变化规律研究[J]. 北方园艺，2010（16）：103-104.

[10]梁晶，曾青，朱建国，等. 开放式臭氧浓度升高对水稻叶片呼吸作用相关酶的影响[J]. 中国农学通报，2010，26（6）：260-264.

[11]Ainsworth C，Tarvis M，Clark J. Isolation and analysis of a cDNA clone encoding the small subunit of ADP-glucose pyrophosphorylase from wheat[J]. Plant Molecular Biology，1993，23（1）：23-33.

[12]Nakamura T，Yamamori M，Hirano H，et al. Identification of three waxy proteins in wheat（Triticum aestivum L.）[J]. Biochemical Genetics，1993，31（1/2）：75-86.

[13]Yamamori M，Endo T R. Variation of starch granule proteins and chromosome mapping of their coding genes in common wheat[J]. Theoretical and Applied Genetics，1996，93：275-281.

[14]Sun C，Sathish P，Ahlandsberg S，et al. The two genes encoding starch-branching enzymes Ⅱa and Ⅱb are differentially expressed in barley[J]. Plant Physiology，1998，118（1）：37-49.

[4]陈屏昭，王磊，代勋，等. 缺磷强光下脐橙的过剩能量耗散机制[J]. 应用生态学报，2005，16（6）：1061-1066.

[5]Lawson T，Oxborough K，Morison J I，et al. Responses of photosynthetic electron transport in stomatal guard cells and mesophyll cells in intact leaves to light，CO2，and humidity[J]. Plant Physiology，2002，128（1）：52-62.

[6]任红旭，陈雄，孙国钧，等. 幼苗对水分和NaCl胁迫的反应[J]. 应用生态学报，2000，11（5）：718-722.

[7]林植芳，彭长连，孙梓健，等. 4种木本植物叶片的光合电子传递和吸收光能分配特性对光强的适应[J]. 植物生理学报，2000，26（5）：387-392.

[8]邹冬生，郑丕尧. 大豆生育过程中主茎叶片光合、蒸腾、呼吸及水导性的动态研究[J]. 作物学报，1993，19（4）：342-351.

[9]吴朝海，唐道城. 东方百合生长期间形态及叶片呼吸强度变化规律研究[J]. 北方园艺，2010（16）：103-104.

[10]梁晶，曾青，朱建国，等. 开放式臭氧浓度升高对水稻叶片呼吸作用相关酶的影响[J]. 中国农学通报，2010，26（6）：260-264.

[11]Ainsworth C，Tarvis M，Clark J. Isolation and analysis of a cDNA clone encoding the small subunit of ADP-glucose pyrophosphorylase from wheat[J]. Plant Molecular Biology，1993，23（1）：23-33.

[12]Nakamura T，Yamamori M，Hirano H，et al. Identification of three waxy proteins in wheat（Triticum aestivum L.）[J]. Biochemical Genetics，1993，31（1/2）：75-86.

[13]Yamamori M，Endo T R. Variation of starch granule proteins and chromosome mapping of their coding genes in common wheat[J]. Theoretical and Applied Genetics，1996，93：275-281.

[14]Sun C，Sathish P，Ahlandsberg S，et al. The two genes encoding starch-branching enzymes Ⅱa and Ⅱb are differentially expressed in barley[J]. Plant Physiology，1998，118（1）：37-49.

[4]陈屏昭，王磊，代勋，等. 缺磷强光下脐橙的过剩能量耗散机制[J]. 应用生态学报，2005，16（6）：1061-1066.

[5]Lawson T，Oxborough K，Morison J I，et al. Responses of photosynthetic electron transport in stomatal guard cells and mesophyll cells in intact leaves to light，CO2，and humidity[J]. Plant Physiology，2002，128（1）：52-62.

[6]任红旭，陈雄，孙国钧，等. 幼苗对水分和NaCl胁迫的反应[J]. 应用生态学报，2000，11（5）：718-722.

[7]林植芳，彭长连，孙梓健，等. 4种木本植物叶片的光合电子传递和吸收光能分配特性对光强的适应[J]. 植物生理学报，2000，26（5）：387-392.

[8]邹冬生，郑丕尧. 大豆生育过程中主茎叶片光合、蒸腾、呼吸及水导性的动态研究[J]. 作物学报，1993，19（4）：342-351.

[9]吴朝海，唐道城. 东方百合生长期间形态及叶片呼吸强度变化规律研究[J]. 北方园艺，2010（16）：103-104.

[10]梁晶，曾青，朱建国，等. 开放式臭氧浓度升高对水稻叶片呼吸作用相关酶的影响[J]. 中国农学通报，2010，26（6）：260-264.

[11]Ainsworth C，Tarvis M，Clark J. Isolation and analysis of a cDNA clone encoding the small subunit of ADP-glucose pyrophosphorylase from wheat[J]. Plant Molecular Biology，1993，23（1）：23-33.

[12]Nakamura T，Yamamori M，Hirano H，et al. Identification of three waxy proteins in wheat（Triticum aestivum L.）[J]. Biochemical Genetics，1993，31（1/2）：75-86.

[13]Yamamori M，Endo T R. Variation of starch granule proteins and chromosome mapping of their coding genes in common wheat[J]. Theoretical and Applied Genetics，1996，93：275-281.

[14]Sun C，Sathish P，Ahlandsberg S，et al. The two genes encoding starch-branching enzymes Ⅱa and Ⅱb are differentially expressed in barley[J]. Plant Physiology，1998，118（1）：37-49.