油菜角果SPS活性变化对其碳氮代谢及油分形成的影响

李旭霞 宋海星 杨志长 胡宇倩 熊庭浩

摘要：【目的】探明油菜角果蔗糖磷酸合成酶（Sucrose phosphate synthase，SPS）活性變化对其碳氮代谢产物及油分含量的影响，为进一步研究油菜SPS表达调控机理、改良油菜品质和产量的矛盾提供理论依据。【方法】以氮低效和氮高效油菜品种为试验材料，在正常供氮和氮胁迫条件下进行土培试验。角果发育中期涂抹SPS抑制剂，以涂抹蒸馏水为对照，处理后第3 d上午测定角果皮及籽粒的SPS活性、可溶性糖和游离氨基酸含量，成熟期测定籽粒油分含量。【结果】角果涂抹SPS抑制剂后，不同氮水平条件下不同氮效率油菜品种的SPS活性均明显下降，其差异达显著水平（P<0.05）。氮胁迫条件下，氮低效品种的SPS活性受抑制较明显，而在常氮条件下，氮高效品种的SPS活性受抑制较明显；角果发育期的SPS活性表现为正常供氮处理高于氮胁迫处理，氮高效品种高于氮低效品种；可溶性糖含量的变化规律与SPS活性一致；游离氨基酸含量在不同氮水平间和品种间的差异与SPS活性一致，而对SPS抑制剂的反应与SPS活性和可溶性糖含量不同，即在SPS活性受抑制条件下呈升高趋势。籽粒油分产量也与SPS活性的变化趋势相同，在SPS抑制剂处理下明显下降，氮胁迫和常氮水平下氮低效和氮高效品种的籽粒油分含量分别降低5.00%、13.13%、17.57%和21.88%，表现出氮高效品种的籽粒油分产量高于氮低效品种、常氮处理高于氮胁迫处理。【结论】无论氮水平如何，氮低效和氮高效油菜品种油菜角果的SPS活性受抑制时，角果皮和籽粒的碳代谢减弱、氮代谢增强，最终导致油分产量降低。

关键词： 油菜角果；SPS抑制；可溶性糖；游离氨基酸；籽粒油分产量

中图分类号： S565.4 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2018）02-0234-05

Abstract：【Objective】Effects of sucrose phosphate synthase（SPS） activity variation in rape silique on carbon and nitrogen metabolite and rapeseed oil content were studied to provide reference for revealing the expression regulation mechanism of SPS， and contradiction between quality and yield of improved rape varieties. 【Method】Rape varieties with low nitrogen use efficiency and high nitrogen use efficiency were used in this experiment， and soil culture test under normal nitrogen supply and nitrogen stress was carried out. During silique development period，rape siliques were smeared with SPS inhibitor， and those smeared with distilled water were set as control. SPS activity，soluble sugar content and free amino acid content in husk and grain were determined in the morning on day 3 after treatment，and grain oil yield at maturity stage was measured. 【Result】After smearing SPS inhibitor on silique， under different nitrogen supply conditions，SPS activity of rape varieties with different nitrogen use efficiencies decreased greatly，and the differences were significant（P<0.05）.Under nitrogen stress，SPS activity of varieties with low nitrogen use efficiency was greatly inhibited，but under constant nitrogen condition，SPS activity of varieties with high nitrogen use efficiency was greatly inhibited.As for SPS activity of silique during development period， those in constant nitrogen condition were higher than those in nitrogen stress， and those of varieties with high nitrogen use efficiency were higher than those of varieties with low nitrogen use efficiency. The change of soluble sugar content was consistent with that of SPS activity. The difference of free amino acid content between different nitrogen levels and varieties was consistent with SPS activity，but its reaction to SPS inhibitor was diffe-rent from SPS activity and soluble sugar content. That is，it increased when SPS activity was inhibited. Grain oil yield had the same variation trend with SPS activity. Under SPS inhibitor treatment， grain oil yield decreased greatly. Under nitrogen stress， grain oil content of varieties with low nitrogen use efficiency and high nitrogen use efficiency reduced by 5.00% and 13.13%； under constant nitrogen condition， grain oil content of varieties with low nitrogen use efficiency and high nitrogen use efficiency reduced by 17.57% and 21.88%. Grain oil yield of rape varieties with high nitrogen use efficiency was larger than those with low nitrogen use efficiency， and grain oil yield under constant nitrogen condition was larger than that under nitrogen stress. 【Conclusions】Regardless of nitrogen level， when silique SPS activity of rape varie-ties with low and high nitrogen use efficiencies is inhibited， carbon metabolism of silique and grain weaken， nitrogen metabolism strengthens， and eventually grain oil yield reduces.

Key words：rape silique； SPS inhibition； soluble sugar； free amino acids； grain oil yield

0 引言

【研究意义】油菜是我国食用植物油的主要来源之一，提高油菜籽总产量及籽粒油分含量对国民生活十分必要（周振亚，2012）。蔗糖磷酸合成酶（Sucrose phosphate synthase，SPS）是调控植物蔗糖合成的重要限速酶，对光合产物的转运及积累有重要影响作用。研究证明，SPS对作物后期糖类物质和干物质积累起关键作用（Babb and Haigler，2001），其在控制蔗糖合成速率的同时，可平衡光合作用物质合成、蔗糖运输及淀粉形成等生理过程（陈兰平，2015），对作物产量有显著影响，也与作物品质的形成密切相关。因此，研究油菜角果SPS活性变化对其碳氮代谢及油分形成的影响，对提高油菜籽粒产量、改善油菜品质具有重要意义。【前人研究进展】路海博等（2014）通过SPS基因克隆与表达规律研究，从分子水平揭示了蔗糖代谢的基础，并综述了近年来SPS基因克隆和表达的研究进展。牛俊奇等（2015）以工艺成熟期甘蔗不同品种不同节间为材料，分析SPS活性与节间糖分累积的相关性，结果表明，成熟期甘蔗节间SPS合成方向酶活性提高有利于蔗糖的累积。余佳玲等（2016）对比了两个油菜品种的SPS和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）活性，并分析各生育期油菜叶与角果中两种酶的活性关系，结果表明，氮高效品种向碳代谢和氮代谢输送的碳骨架在全生育期均多于氮低效品种；张莉等（2017）通过对甘蓝型油菜SPS基因家族成员进行鉴定及表达分析，证明SPS基因与油菜的生物产量密切相关。此外，施用有机肥、高温胁迫、硝普钠对烤烟、玉米和圣女果等的SPS基因表达量及SPS活性均有明显影响（连文力等，2016；于康珂等，2017；张永福等，2017）。【本研究切入点】本课题组前期研究发现，与氮低效率油菜品种相比，氮高效率油菜品种虽然生长后期氮素再利用能力强、籽粒氮素累积量高，但籽粒油分含量并没有下降反而升高。其原因除了因氮高效油菜品种角果发育期具有更强的光合能力外，是否还存在更好的碳氮代谢协调机理尚不清楚，且目前国内外有关油菜角果SPS活性对其碳氮代谢及油分形成影响的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以氮素利用效率较低的油菜品种814和氮素利用效率较高的品种湘油15为试验材料，设正常供氮和氮胁迫2个水平，研究油菜SPS活性与可溶性糖和氨基酸含量及籽粒油分产量间的关系，为进一步研究油菜SPS表达调控机理、改良油菜品质和产量的矛盾提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试土壤为河潮泥水稻田表层20 cm土壤，含有机质26.28 g/kg、全氮2.08 g/kg、全磷1.59 g/kg、全钾8.58 g/kg、碱解氮188.03 mg/kg、速效磷13.09 mg/kg、速效钾78.42 mg/kg，土壤pH 6.96。

供试油菜品种为本课题组经过大田试验筛选出的籽粒油分含量与氮素利用效率较低的油菜品种814和较高品种湘油15，试验中用代号6和27表示。供试肥料氮肥用尿素（含N 46%），磷肥用过磷酸钙（含P2O5 12%），钾肥用氯化钾（含K2O 60%），硼肥用硼砂（含P 11%）。

1. 2 试验方法

试验于2016年9月～2017年7月在湖南农业大学农业资源与环境试验基地进行。采用盆栽土培试验，选用30 cm×20 cm的白瓷钵，内装土7 kg，于2016年9月25日育苗，10月31日移栽，每盆栽植1株，按完全随机区组排列，共80钵，将其分成2组，分别用于酶活性测定和测产，每组40钵，共8个处理，每处理10个重复。

设正常供氮和氮胁迫2个水平，分别为：氮高效品种常氮（27-N）、氮高效品种氮胁迫（27）、氮低效品种常氮（6-N）和氮低效品种氮胁迫（6），正常供氮與氮胁迫处理的施氮量分别为纯N 0.2和0 g/kg。

抑制剂处理方法：角果发育中期时涂抹SPS抑制剂，对照涂抹蒸馏水，均为每天上午同一时间进行涂抹，共2次。SPS抑制剂浓度为星形孢菌素（Staurosporine，PKC）200 μmol/L、那他霉素264 μg/mL、虫草素（Cordycepin）400 μg/mL和冈田酸（Okadaic acid）20 μmol/L。

1. 3 取样与测定方法

酶抑制处理后第3 d上午，对酶活测定部分进行取样（角果皮与籽粒分开，剪碎放入液氮），每处理取5株，同时测定SPS活性、可溶性糖和游离氨基酸含量等，测产部分继续培养到收获期后测定籽粒产量和籽粒油分含量，并计算籽粒油分产量。籽粒油分含量采用索氏提取法测定，籽粒油分产量（g/株）=籽粒油分含量（%）×籽粒产量（g/株）。

1. 4 统计分析

试验数据采用DPS v14.10进行显著性分析，并以WPS 2016制图。

2 结果与分析

2. 1 不同供氮水平下不同氮效率油菜品种的SPS活性差异

由表1可看出，油菜角果涂抹SPS抑制剂后，不同供氮水平下不同氮效率油菜品种的SPS活性均较对照显著下降，油菜角果皮的SPS活性表现为氮高效品种高于氮低效品种，在氮胁迫条件下尤为明显；同样，油菜籽粒的SPS活性也表现为氮高效品种高于氮低效品种，氮高效品种涂抹抑制剂后下降更明显。氮胁迫条件下，氮低效和氮高效油菜品种角果皮的SPS活性表现为SPS抑制处理分别较对照处理低30.55%和17.87%，其差异达显著水平（P<0.05，下同）；常氮条件下，氮低效和氮高效油菜品种角果皮的SPS活性表现为SPS抑制处理分别较对照处理低24.07%和29.83%，差异显著。由此看出，氮胁迫时涂抹SPS抑制剂对氮低效品种的影响较明显，但常氮条件下与之相反。

氮胁迫和常氮条件下，氮低效品种籽粒的SPS活性表现为SPS抑制处理分别低于同条件对照处理16.14%和9.85%，氮高效品种籽粒的SPS活性表现为SPS抑制处理分别低于同条件对照处理19.32%和24.13%，其差异均达显著水平。说明无论氮水平如何，涂抹SPS抑制剂对氮高效品种的影响较明显，而氮低效品种在涂抹SPS抑制剂后氮胁迫条件比常氮条件影响明显，氮高效品种规律则与此相反。

不同氮效率品种角果皮或籽粒的SPS活性以常氮水平高于氮胁迫处理。氮胁迫条件下，氮低效品种角果皮和籽粒的平均SPS活性分别低于氮高效品种21.98%和3.82%；常氮水平下，氮低效品种角果皮和籽粒的平均SPS活性分别低于氮高效品种4.26%和5.64%。

2. 2 油菜角果SPS活性变化对其可溶性糖含量的影响

由表2可看出，在氮胁迫和常氮水平条件下，氮高效品种对照处理角果皮的可溶性糖含量为12.84%和13.84%，高于同条件氮低效品种20.79%和20.14%，差异达显著水平；籽粒的可溶性糖含量高出氮低效品种23.33%和6.90%。相同条件下，SPS抑制处理角果皮和籽粒可溶性糖含量的变化规律与对照一致。

氮胁迫水平下，氮低效和高效品种角果皮对照处理的可溶性糖含量分别高于其抑制处理6.51%和13.83%，籽粒中对照处理分别高于其抑制处理6.06%和9.66%。可见，此条件下涂抹SPS抑制剂对氮高效品种可溶性糖含量的影响更明显。而常氮水平下，氮低效和高效品种角果皮对照处理的可溶性糖含量分别高于其抑制处理11.20%和30.81%；且同条件下，氮低效和氮高效品种籽粒对照处理的可溶性糖含量分别高于其抑制处理6.03%和12.41%，差异达显著水平。

由对照和SPS抑制处理可溶性糖含量的平均值可看出，无论是角果皮还是籽粒，氮高效品种均高于氮低效品种；涂抹SPS抑制剂会降低油菜角果皮和籽粒的可溶性糖含量，且对籽粒的可溶性糖含量影响更明显。

2. 3 油菜角果SPS活性变化对其游离氨基酸含量的影响

在SPS抑制和对照处理下，不同氮水平不同氮效率的油菜品种，其角果期发育中期的游离氨基酸含量测定结果（表3）表明，两种供氮水平下对照处理的籽粒游离氨基酸含量均表现为氮低效品种高于氮高效品种，角果皮的游离氨基酸含量则相反；同一品种在不同氮水平条件下，对照和SPS抑制处理的角果皮和籽粒游离氨基酸含量均表现为正常供氮处理大于氮胁迫处理，差异均达显著水平。

由表3还可看出，除氮胁迫水平下氮低效品种角果皮和籽粒对照处理的游离氨基酸含量高于SPS抑制处理（籽粒差异达显著水平）外，其余处理均为SPS抑制处理高于对照处理；而相对于角果皮中的游离氨基酸含量，籽粒的抑制效果更明显。氮胁迫水平下，氮高效品种角果皮和籽粒中的游离氨基酸含量表现为两种处理的差异不显著；常氮水平下，SPS抑制处理高于对照处理10.29%和13.07%，差异均达显著水平。由游离氨基酸含量平均值可知，不同氮水平下两品种角果皮游离氨基酸含量的平均值以常氮水平下的氮高效品种最高（2.70%），高于常氮水平的氮低效品种11.57%，且显著高于氮胁迫水平下氮高效品种，差异均达显著水平；籽粒中游离氨基酸含量也有类似变化规律。

2. 4 油菜角果SPS活性变化对其油分产量的影响

由图1可看出，氮胁迫条件下，氮低效品种对照处理的籽粒油分产量高于SPS抑制处理，但差异不显著（P>0.05）；氮高效品种对照处理的籽粒油分产量高出SPS抑制处理13.13%，差异达显著水平。说明在氮胁迫条件下，抑制SPS活性对氮高效品种籽粒油分产量的影响大于氮低效品种。在常氮水平下，氮低效和氮高效品种对照处理的籽粒油分产量分别高出SPS抑制处理17.57%和21.88%，差异均达显著水平。表明常氮条件下，SPS抑制的作用相对明显，使籽粒油分产量下降较多，可能与常氮条件能提供更多的氮素相关。

抑制SPS活性对不同品种不同氮水平下的籽粒油分产量均有影响。氮低效和氮高效品种在氮胁迫和常氮水平下，对照处理的籽粒油分产量分别为2.60、3.35、4.04和4.89 g/株，氮高效品种的籽粒油分产量均高于氮低效品种、常氮高于氮胁迫；SPS抑制处理油菜籽粒油分产量规律与对照处理一致，常氮下降趋势高于氮胁迫，可能与氮高效品种能为籽粒油分形成提供更好的碳物质基础相关。

3 讨论

氮高效油菜品种全生育期可提供更多的碳骨架，为协调油菜籽粒油分与蛋白含量的矛盾做出贡献。高产品种的果壳SPS活性高，籽粒灌浆成熟期有利于油菜籽粒油分的积累，但SPS活性与籽粒蛋白质积累呈显著负相关；氮胁迫时SPS活性和油分含量升高，而籽粒产量降低（唐湘如和管春云，2001；郭茜茜，2010）。作物在高氮水平下，有利用于提高籽粒产量，但易造成贪青晚熟，综合考虑物质和能量代谢两个方面，以SPS活性高作为高含油量品系选择的生化指标更合适。

可溶性糖是碳水化合物代谢和暂时贮藏的主要形式，也是高等植物的主要光合产物；游离氨基酸是蛋白质等含氮化合物合成与分解过程的中介物质，二者共同反映了植物體内的碳氮代谢变化及其吸收、运输、同化等状况，因此油菜生殖生长期生殖器官中可溶性糖和游离氨基酸的合成和累积对籽粒产量的形成有重要影响作用。本研究在油菜角果发育期对角果涂抹SPS抑制剂，通过测试角果皮和籽粒中可溶性糖和游离氨基酸含量的变化，直观表现出角果涂抹SPS抑制剂对碳氮代谢方向相关产物的影响。油菜角果发育期，角果遮光对籽粒千粒重、产量和含油量有显著影响（王春丽等，2014），由此可见，光合作用对油菜品质和产量的重要性。本研究在油菜角果中期涂抹SPS抑制剂，籽粒油分产量随SPS活性的降低而显著下降，氮高效油菜品种角果皮和籽粒中的可溶性糖含量均大于氮低效品种，且不同供氮水平氮高效品种籽粒中的游离氨基酸含量均大于氮低效品种，SPS抑制后游离氨基酸含量呈上升趋势，相对于游离氨基酸，SPS抑制对可溶性糖含量的影响更明显。本研究利用籽粒油分与碳氮累积双赢的高效优质品种，深入揭示其碳氮代谢方向协调和再利用的生理机制，可为高产优质栽培油菜提供理论参考。

4 结论

油菜角果SPS活性对其碳氮代谢和油分产量有明显影响，无论氮水平如何，不同氮效率油菜品种均表现为SPS活性受抑制时，角果皮和籽粒的碳代谢减弱、氮代谢增强，最终导致油分产量降低。

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（責任编辑 王 晖）