不同染色体倍性小麦分蘖期氮同位素组成的研究

不同染色体倍性小麦分蘖期氮同位素组成的研究 不同染色体倍性小麦分蘖期氮同位素组成 的研究 安徽农业科学,JournalofAnhuiAgn.Sci.2011,39(6):3200—3203责任编辑杨莹莹责任校对卢瑶 不同染色体倍性小麦分蘖期氮同位素组成的研究 王周锋,刘卫国,王政,邓西平(1.长安大学环境科学与工程学院,陕西西安71o054;2.中国科学院地球环境研究所黄 土与第四纪地质国家重点实验室,陕西两安710075;3.中国科学院水土保持研究所,陕西杨陵712100) 摘要[目的]研究不同染色体倍性小麦分蘖期氮同位素组成(8N)的变化.[方法]以不同染色体倍性小麦及不同抗旱性小麦为试 验材料,采用EA—Deltapluse质谱仪测定并研究了小麦叶片,根系和整株氮含量,6N的变化.[结果]随着染色体倍性的增加(2n一 6n),小麦整株8”N呈增加趋势,整株8I5N更能代小麦生长过程中氮的分馏情况;现代小麦整株8N与其收获性状有关,即高产小麦 的6N较低.[结论]该研究可为选择高氮利用效率小麦提供理论依据. 关键词小麦;分蘖期;氮同位素;染色体倍性 中图分类号s512.1文献标识码A文章编号0517—6611(2011)06—03200—04 StudyontheNitrogenIsotopicCompositionofWheatwithDifferentChromo somePloidyatTilleringStage WANGZhou?fh曙 etal(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054) Abstract[Objective],r}Ievariationofnitrogenisotopiccomposition(8N)ofwheatwithdifferentchromosomeploidyattilleringstagewas studiedinourpaper. 【MethodlUsingwheatwithdifferentehronlosomeploidyanddrou曲 tresistanceastestmaterial,thenitrogencontentand8 Nofwheatleaf,rootandwholeplantweredeterminedandstudiedbymeansofEA—Dehaplusemassspectrometer.『Resuh]Withtheincreaseof chromosomeploidy(2n—n),the8”Nofwholeplantshowedincreasetrendandcouldmorereflectthefractionationofnitrogeninthegrowthof wheat:the8Nofwholeplantinmodernwheatwasrelatedtoyieldcharacter,namelyhigh—yieldwheathadlower8N.IConclusionIOurstudy couldprovidetheoreticalbasisforchoosingwheatwithhighnitrogenuseefficiency. KeywordsWheat;Tilleringstage:Nitrogenisotopic:Chromosomeploidy 小麦是世界上最重要的粮食作物之一,多种植于半干旱 和半湿润地区,提高小麦的生产潜力一直是小麦育种和栽培 学家所关注的热点话.国内学者已对不同进化类型, 不同抗旱性的小麦进行了研究,以期获得高产,高水分利用 效率(WUE)的小麦品种.张荣铣等的研究表明,随染色 体倍性增大,小麦旗叶面积增大,但是光合速率降低.而对 小麦进化过程中旗叶WUE的研究表明’”,旗叶WUE随 染色体倍性(2n—4n—n)的增加而增加,小麦A染色体组上 载有控制小麦旗叶WUE的基因.张岁岐等的研究表明, 无论是干旱还是供水条件下,根系生长(根干重,根长)和根 冠比随染色体倍性增加而降低,根系生长存在对WUE不利 的冗余,但是随染色体倍性增加,这种冗余逐渐降低.Zhao 等的研究表明,随染色体倍性的增加,小麦根系水力学导 度(Lpr)呈增加趋势.因此,不同染色体倍性小麦的研究可 以帮助我们更好地了解小麦进化过程中形态和生理特性的 变化,为提高作物产量和品质提供理论依据. 植物氮同位素组成可以反映植物中氮的吸收,同化和转 移以及外源氮的变化情况….由于不同的水分,养分利用方 式及外界环境的差异,导致植物整株,植物不同部位间氮同 位素分馏的差异.对不同基因型大麦的研究表明,在干旱 和氮营养亏缺的情况下,抗旱性强的品种8N较低….而 野生大麦即使生长在相同氮源的基质中,不同品种问仍存在 2.4‰的差异.较强抗旱性的品种具有较负的8N_4J,也 许是由于抗旱性强的品种能够保存更多的氮,而较低的6I5N 与植物体内富N化合物的流失有关J.同时,不同植物体 基金项目 作者简介 收稿日期 国家自然科学基金(40673012,40523002和40121303);中国 科学院方向性项目(KZCX3一SW—l39);黄土与第四纪地质国 家重点实验室开放基金(SKIIQG06】3) 王周锋(1979一),男,陕西岐山人,博士,讲师,从事同位素 地球化学研究,E,mail:Wangzf@chd.edu.?1通讯作者, E—mail:liuwg@loess.1lqg.ac.cn. 2010一i21 内及同一植物体内不同部位硝酸还原酶分布的差异也会影 响氮同位素组成.可见,对植物氮同位素变化的研究可 以示踪植物生长对水分的需求,氮的利用和流失状况等,尤 其是为优良农作物的培养和筛选提供参考.但是,目前对不 同染色体倍性,不同抗旱性小麦品种间氮同位素的研究较 少.因此,笔者对分蘖期不同基因型小麦氮同位素进行了研 究,并探讨小麦进化过程中氮同位素的变化,以期为更加深 入的研究氮营养x~/J,麦生长的作用提供理论依据. 1材料与方法 1.1供试材料供试小麦为不同染色体倍性的小麦(2n一 4n—n)(图1)以及不同抗旱性小麦品种(陕253,普通小麦, 小偃6号和长武134)(表1);供试土壤氮含量和8N分别为 0.II%,0.13%,3.51%v,4.92%c,不同小麦土壤氮含量和 6N差异不大. 野生一粒Triticum拟斯卑尔脱山羊草Aegilops boeotjc?(2n二14:AA)speltoidesTausch(2n-14;BB) 1【\.1I 栽培—粒野生二粒 Ztronococcm)(2n=14;AA)djc?出s(22&从BB】 l }粗山羊草Ae.tauschii教培二柱 Coss(2~145DD】Zdicoccun(2n-28:AAt~) \/ 现代小麦7:aestivum(2n=42;XAI~,D0) (普通小麦,,J匿6号) 图1小麦进化路线图’川 Fig.1Evolutionprocessofwheat 1.2试验试验在中围科学院水土保持与生态环境研 究中心试验田进行,设置3次重复.小麦于2005年10月l3 39卷6期王周锋等不同染色体倍性小麦分蘖期氮同位素组成的研究3201 表1供试小麦 Table1Testedwheat 日播种,小区面积为6.6m,播种量为114kg/hm,尿素和磷 酸二铵施用量均为91kg/hm. 1.3样品处理与在小麦分蘖期(2005年11月中旬) 采集小麦整株样品(叶和根),先用去离子水洗去植物样品表 面的土壤,烘干后用玛瑙研钵研磨,土壤样品用玛瑙研钵研 磨并过200目筛.采用Finngan公司生产的EA—Deltapluse 质谱仪测定土壤和植物的8N和氮含量,其中8N的计算 公式为: 8.]N(%)=(R样品/一1)X1000 式中,为所测样品或国际标准样品中N/N,氮的标准为 大气氮,偏差为0.3%0. 植物总氮同位素组成根据Robison提出的同位素平衡 方程和根冠比计算得到,其中,陕253和长武154的根冠 比为6倍体小麦的平均值. 2结果与分析 2.1小麦进化过程中氮含量和6lN的变化由图2A可 见,不同染色体倍性小麦叶片氮含量明显高于根系.随着染 色体倍性的增加(2n—4n),栽培种小麦叶片氮含量高于野生 种,而根系氮含量低于野生种,这也许受人类选择的影响,导 致不同基因型小麦氮的分配不同.而普通小麦和小偃6号 根系氮含量相差不大,叶片氮含量以普通小麦较高. 图2B表明,不同染色体倍性小麦8N存在明显的差 异,叶片8N的大小顺序为6n>2n>4n,根系8N的大小顺 序为6n>dn>2n(普通小麦除外),即随染色体倍性的增加, 氮同位素降低,但是现代小麦的差异较大.随染色体倍性的 增加(2n—n—n),整株小麦8N呈增加趋势(图3),且栽 培种的8N较野生种低,而6倍体小麦间差异不大. 2.2不同抗旱性小麦氮含量和6N的变化由图4A可 知,叶片氮含量明显高于根系氮含量,中等抗旱程度的小偃6 号和普通小麦叶片氮含量差异较大,而喜水品种陕253和旱 地品种长武134差异不大.在正常的水分条件下,具有较强 抗旱能力的长武134根系氮含量最高,且随小麦抗旱性的降 低,根系氮含量呈降低趋势. 由图4B可见,在正常的水分供应条件下,无论是根系还 是叶片,有较强抗旱能力的长武134的8N最小,而中等抗 旱能力的普通小麦和小偃6号叶片和根系的8N最大,6N 大小顺序为小偃6号>普通小麦>陕253>长武134,这也许 说明在正常的水分供应的条件下,长武15g和陕253的高产 与氮的利用方式有关.另外,在正常的水分条件下,整株8 N的变化规律与叶片,根系的一致,与植物的抗旱性关系不 大.由于陕253和长武134是高产品种,而普通小麦和小偃 6号为中产小麦,说明整株小麦8”N变化与其高产特性 有关. 2.3小麦根,叶氦含量与8lN的相关性相关分析表明, 根,叶氮含量和6J5N不存在相关性,叶片6N和根系6N 有弱的相关性(=0.33),即随着叶片8N的增加,根系8 N呈增加趋势. 3结论与讨论 对于不同基因型间氮利用差异研究,其目的是了解立地 条件下植物良好生长的潜力以及非正常环境下其生产潜力 及对营养的有效利用性….作为黄土高原主要的粮食作物, 提高小麦养分利用效率对于提高产量和品质具有重要的 意义. 硝态氮和铵态氮具有不同的吸收途径,铵态氮的吸收通 过谷氨酰氨合成途径(GS—GOGAT),为了避免过多的铵态氮 对植物造成毒害,铵态氮的同化一般在根系附近.硝态氮的 同化主要通过硝酸一亚硝酸还原酶合成途径,可以在植物的 叶片和根系内同时进行,产物为铵态氮,最终进入(GS— GOGAT)途径.同化硝态氮的分馏一般在0,一24%o之 间,而同化铵态氮的分馏在0,一20%0之间.由于不同植物 根系中谷氨酰氨合成酶活性,根系和叶片中硝酸.亚硝酸还 原酶分布及活性不同,使得植物叶片和根系氮同位素组成变 化不一致,因此,用单独的叶片或者根系代表植物8”N并不 一 定准确.该研究表明,不同小麦品种根系和叶片8N 变化并不相同,这也许说明了不同小麦品种对氮的吸收模式 及硝态氮的依赖程度不同.但是,随着染色体倍性的 增加,不同基因型小麦整株氮同位素组成呈增加趋势,与 WUE’”,地上部干重及根系性状的变化趋势一致, 因此,整株8N更能代表小麦生长过程中氮的分馏情况. Handley对不同大麦的研究表明,盐胁迫导致大麦 N降低,不同基因型大麦的氮同位素组成差异显着(P< 0.001).Peuke191的研究也表明,8N更易受植物品种的影 响,植物氮同位素组成与植物的起源地有关,与抗旱能力没 有关系.而Robinson[1l的研究表明,高产品种中具有较强抗 胁迫能力的大麦品种(干旱或者N胁迫)具有较低的8N. 试验表明,氮同位素可以反映不同植物基因型间的差异”, 在现代品种中,高产小麦(陕253和长武134)的整株8N较 低,尤其是抗旱高产的长武134,在正常水分条件下,氮同位 素组成的变化和抗旱性关系不大,而与收获性状有关,即高 产小麦品种具有较低的8N,这种氮同位系组成的差异也许 和不同小麦氮利用效率(NUE)有关.同时,根系的密集度, 形状,扎根深度都会影响植物的氮同位素值.氮同位素 丰度所表现的基因型差异说明植物体同位素的比率受基因 型控制,这种效应不但和基因型的生物化学过程差异有关, 同时也是植物形态和解剖差异的结果.氮同位素丰度和 植物农艺以及生理性状之间的相关性可以提高我们对生理 基础上的氮同位素组成基因型差异的认识. 3202安徽农业科学2011生 4 WZY_yEZExY 2n一4n一6n 3.0 2.6 2.2 1.8 1.4 l_O 誊 , Z 注:YY.野生一粒;zY.栽培一粒;YE.野生二粒;ZE.栽培二粒;Pl’.普通小麦;XY.小偃6号 Notes:YY.boeoticum:ZY.DIOrTOCOCCIIITI;Y.dicoccoides;ZEdicoau m;PTTriticumaestivum;XYXiam. anNo6 图2不同基因型小麦叶片,根系中氦含量(A)和8IsN(B) Fig.2Nitrogencontent(A)and6N(B)inleavesandrootsofdifferentgenotype sofwheat 注:YY.野生一粒;ZY.栽培一粒;YE.野生二粒;ZE.栽培二粒 . 普通小麦;XY.小偃6号 Notes:YY.boeoticum;ZY.rnOnOCOCCUD2;YEdicoccoides ZE.dicoccum:Prr.Triticumaestivura:XY.XiaoyanNo6 图3不同基因型小麦整株81sN Fig.36lSNinthewholeplantofdifferentgenotypesofwheat 4.9 4.7 萎吾4.5 篓4- 莒q Z 7 xYPT$253 注:XY小偃6号;.普通小麦;$253.陕253;CW Note:XY.XiaoyanNo.6;PT.Triticmnaestivum; 图4 3.O 试验表明,植物氮同位素组成和氮含量之间没有相关 性,这主要与植物氮含量和8N对外界氮源浓度变化和酶 需求变化的敏感性不同有关,与Koba等的研究结果一 致.地上部分氮含量均大于根系氮含量,不同小麦氮含量的 变化不具有规律性,说明氮含量不是一个很好的衡量植物氮 利用的指标. 可见,不同基因型小麦叶片,根系8N不同,植物8N 的变化与基型有关,与抗旱性关系不大,整株氮同位素组 成随着染色体倍性的增加而增加,作为研究对象更合适.因 此,控制试验条件时,氮同位素组成可以指示植物基因型间 的差异,为选择高氮利用效率的栽培种提供了依据,也为 遗传研究提供了新的:E具: 誊 ? Z 0 长武134 $253ShanNo.253:CWChangwuNo134. 不同抗旱性小麦叶片,根系氮含量(A)和6N(B) Fig.4Nitrogencontent(A)and81sN(B)inleavesandrootsofwheatwithdiffer entdroughtresistance 注:xY.小偃6号;.普通小麦;$253.陕253;CW长武134 Note:XY.XiaoyanNo.6:Prr.Triticumaestivum;$253.ShanNo 253;CW.Chang~No134. 图5不同抗旱性小麦整株8N Fig.58Ninthewholeplantofwheatwithdifferentdrought resistance 参考文献 『1]ROBISOND,HANDLEYLL,SCRIMGEOuRcM,eta1.Usingstableiso— topenaturalabundaneesf8Nand8C)tointegratethestressresponses ofwildbarle)(HordeumspontaneumC.Koch.)genotypes[J].Journalof ExperimentalBotan,,.2OOO.5l:4l一50. 『2]ROBINSOND,HANDLEYL1,SCRIMGEOURCM.Atheoryfor15N/ 14Nfracti0nationinnitrate.grownvascu]arplantslJIPlanta,l998,205: 397—4O6 f3]HANDLEYLL.ROBISOND.FOISTERBP,eta1.Shoot8Ncorrelates withgenotypeall(Isaltstressinbarle)lJ.Planta,1997,201:10o一102. 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