高粱苗期氮高效种质资源的筛选

李 丹朱振兴马殿荣

(1.沈阳农业大学农学院,辽宁 沈阳 110161; 2.辽宁省农业科学院作物分子改良实验室,辽宁 沈阳 110161)

高粱[Sorghumbicolor(L.) Moench]是世界上重要的粮食作物,广泛应用于饲料、酿造、生物质能源以及食品加工等领域[1～2]。高粱具有耐瘠薄特性,一般种植在土壤瘠薄、干旱缺水的土壤中[3]。目前,育种家虽然在提高高粱产量方面已取得一定进展,但是干旱和瘠薄会严重影响高粱对氮素的吸收,导致高粱的生长及产量受到了极大的影响[4]。硝酸盐是植物吸收氮素的主要形式,硝酸还原酶(NR)是硝酸盐同化过程中的第一个关键酶,对NR及氮代谢性状之间的关系研究发现,硝酸还原酶活性(NRA)是育种程序中改良氮素吸收、利用效率的指标[5]。目前,过量施用氮肥不仅降低氮素的利用效率,而且造成巨大浪费[6]。随着环境保护意识的增强,氮高效品种的选育已受到广泛关注。因此,筛选具有高效吸收和利用氮素能力的高粱资源材料,利用高粱固有的生物学特性,挖掘高粱自身高效吸收利用氮素的潜力对实现高粱高产、氮素资源高效利用具有重要意义[7]。本研究选取的100份高粱供试材料涉及中国及全球不同地区(非洲、北美、欧洲、印度、中国、欧美、南美)、不同类型(甜高粱、栽培种、农家种、野生种)。采用植物硝酸还原酶(NR)ELISA检测试剂盒对100份高粱材料进行硝酸还原酶活性测定,从中筛选出氮高效高粱材料,以期为氮高效新品的选育集累基础素材。

1 材料与方法

1.1 供试材料

随机选取来自中国及全球不同地区的100份材料进行氮高效特性筛选。材料种子由辽宁省农业科学院高粱研究所提供。将材料分成4类:农家种、甜高粱、栽培种及野生种。材料编号见表1。

表1 材料编号及来源Table 1 Number and source of materials

1.2 实验设计

挑选颗粒饱满、形状一致的高粱种子放到铺有滤纸的平皿内,在35 ℃左右用自来水浸种约12 h,萌发后转入不含铵态氮的改良Hoagland配方培养液处理,发芽后进行营养液水培 10 d。使用木村氏培养液,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),调节 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值为5.8左右,光照培养14 d,取整株地上部分,用液氮速冻后立刻保存至-80 ℃冰箱待用。

1.3 硝酸还原酶活性的测定

采用植物硝酸还原酶(NR)ELISA检测试剂盒对离体叶片进行硝酸还原酶活性测定,每个样品3次重复。

2 结果与分析

2.1 不同高粱品种硝酸还原酶活性值(N RA)

农家种、甜高粱、栽培种及野生种四类高粱材料的硝酸还原酶活性值(NRA)见表2。其中NRA最高的是86号,该高粱品种来自野生种,NRA为86.20 U/L。NRA最低的是来自农家种的14号,NRA为13.80 U/L。说明100份高粱资源中野生种86号的地上部分硝酸还原酶活性最强,推断该品种对氮素的利用效率高于其他资源。

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

2.2 不同高粱品种硝酸还原酶活性分析

如图1所示,野生种的NRA极显著高于农家种、甜高粱及栽培种,甜高粱与栽培种的NRA无显著差异,甜高粱和栽培种的NRA均极显著高于农家种。推断主要从野生种资源中选取氮素高效利用品种,避免在农家种中进行筛选。

图1 不同高粱品种的NR活性Figure 1 NR activity of different sorghum varieties

3 讨论

植物根系吸收的硝态氮首先在细胞质中由硝酸还原酶和亚硝酸还原酶还原成铵,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质用于植物生长发育[8]。硝酸还原酶(nitrate reductase,NR)作为氮素吸收、转运的诱导酶,也是限速酶,在氮素代谢过程中起关键作用。不同氮素形态会引起氮代谢酶活性的变化[9],而硝酸还原酶的活性决定了硝酸盐(无机氮)同化成有机氮化合物的速度,因此它与植物吸收利用氮素存在密切关系[10],可作为作物的营养素利用指标之一[11]。研究高粱氮高效典型材料必须从大量不同类型高粱资源中进行筛选,因此,合理的筛选方法和直观、简便可靠的鉴定指标是准确快速获得氮高效品种的关键[12]。本研究对选取的100份高粱供试材料进行硝酸还原酶活动鉴定,将这100份材料分为4个类型:农家种25份材料,甜高粱24份材料,栽培种35份材料,野生种16份材料,其中野生种86号表现出极高的硝酸还原酶活性,而农家种14号硝酸还原酶活性最低,并且野生种的硝酸还原酶活性NRA极显著高于农家种、甜高粱及栽培种,因此判断可在野生种中选取氮高效品种作为氮高效利用的研究对象,为进一步快速获得耐低氮基因型以及氮高效特性转育的亲本材料奠定基础。