作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2019, 45(4): 621 627
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ISSN 0496-3490; CN 11-1809/S; CODEN TSHPA9
E-mail: zwxb301@caas
本研究由青海省科技支撑项目(2015-NK-114), 青海省农林科学院创新基金重大专项(2017-NKY-01), 国家现代农业产业技术体系建设专项(CAS-05), 西藏自治区重大科技专项(XZ201801NA01-014)和青海大学中青年科研基金项目(2017-QNY-2)资助。
The study was supported by the Qinghai Science and Technology Support Project (2015-NK-114), the Qinghai Provincial Academy of Agri-culture and Forestry Innovation Fund Major Project (2017-NKY-01), the Agriculture Research System (CAS-05), the Major Scientific and Technological Projects in the Tibet Autonomous Region (XZ201801NA01-014), and the Qinghai University Young and Middle-aged Research Fund Project (2017-QNY-2).
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通信作者(Corresponding authors): 白羿雄, E-mail: yixiongbai@163, Tel: 0971-*******; 吴昆仑, E-mail: wklqaaf@163, Tel:
0971-*******
第一作者: E-mail: 799733198@qq
Received(收稿日期): 2018-09-11; Accepted(接受日期): 2018-12-24; Published online(网络出版日期): 2019-01-17. URL: knski/kcms/detail/11.1809.S.20190115.1722.006.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2019.81064
王 凯 赵小红 姚晓华 姚有华 白羿雄* 吴昆仑*
青海大学农林科学院 / 青海省农林科学院 / 青海省青稞遗传育种重点实验室 / 国家麦类改良中心青海青稞分中心, 青海西宁810016
摘 要: 倒伏是影响青稞品质和产量的主要因子之一, 开展抗倒伏机制研究对抗倒伏品种选育意义重大。
以青稞品种昆仑14号、昆仑16号和藏2972为抗倒伏材料, 门源亮蓝、北青6号和化隆红青稞为倒伏材料, 通过茎秆特性、茎秆中纤维素和木质素含量及其合成相关酶活性的研究, 探讨茎秆特性与木质素合成同青稞抗倒性之间的关系。结果表明, 相比于倒伏品种, 抗倒伏品种的茎较短, 茎秆中酪氨酸解氨酶(TAL)、苯丙氨酸转氨酶(PAL)、肉桂醇脱氢酶(CAD)和4-香豆酸: CoA 连接酶(4CL)活性升高, 使茎秆内积累较多的木质素, 增大了茎秆抗折力, 进而增强青稞抗倒伏能力。 关键词: 青稞; 抗倒伏; 木质素; 酶活性; 茎秆强度
Relationship of stem characteristics and lignin synthesis with lodging resistance of hulless barley
全球品牌价值百强WANG Kai, ZHAO Xiao-Hong, YAO Xiao-Hua, YAO You-Hua, BAI Yi-Xiong *, and WU Kun-Lun *
Agriculture and Forestry Academy, Qinghai University / Qinghai Agriculture and Forestry Academy / Qinghai Key Laboratory of Hulless Barley Genetics and Breeding / Hulless Barley Branch of State Wheat Improvement Centre, Xining 810016, Qinghai, China
Abstract: Lodging is one of the main limiting factors affecting the quality and yield of hulless barley. It is of great significance to carry out the research on the lodging resistance mechanism and breeding lodging resistant varieties. The hulless barley varieties Kunlun 14, Kunlun 16, Zang 2972 were used
as lodging resistant materials, and Menyuanlianglan, Beiqing 6, Hualonghongqingke as lodging materials, to measure the characteristics of stems, contents of cellulose and lignin in stems and activities of their related enzymes. Compared with the lodging varieties, the lodging resistant varieties had shorter stem, and stronger stem break-ing-resistant strength. Four enzyme activities related to lignin synthesis were higher and more lignin was accumulated in the stems of lodging resistant varieties. The activities of tyrosine ammonia-lyase (TAL), phenylalanine ammonia-lyase (PAL), cinnamyl
alcohol dehydrogenase (CAD), and 4-coumarate: CoA ligase (4CL) in the stems increased, which caused more lignin to accumulate in stems, increasing stem breaking-resistant strength and enhancing lodging resistance of hulless barley. Keywords: barley; lodging resistance; lignin; enzyme activity; stem strength
青稞(Hordeum vulgare L. var. nudum Hook. f.)属于禾本科大麦属, 因其内外稃与颖果分离, 籽粒裸露, 故称裸大麦, 属大麦变种。青稞是青藏高原最具
特的农作物, 是青藏高原极端环境条件下植物适应性进化的典型代表[1-2]。在青稞的生长繁育中, 倒伏是不可避免的现象。倒伏不仅会使产量降低, 而
耐热钢焊接
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且会对其品质产生不利影响。茎秆特性是决定作物抗倒伏性的一个最重要性状, 茎秆的形态结构和生理特征与抗倒伏性密切相关, 提高茎秆的机械强度, 可以显著提高作物的抗倒伏能力。这在小麦[3]、水稻[4]和大豆[5]中都得到证实。有研究表明, 小麦抗倒伏能力不仅与茎秆的机械强度, 而且和株高有密切关系, 所以适当地降低株高可以提高作物的抗倒伏能力[6-7]。但肖世和等[8]、李金才等[9]和卢昆丽等[10]的研究发现, 植株生物量是作物高产的物质基础, 如果只是单纯地降低株高, 难以同步实现作物高产和抗倒伏。增加木质素含量, 增强茎秆的机械强度是实现作物抗倒伏能力提高的有效途径[11]。茎秆特性是作物抗倒伏性研究的一个重要的方向, 专家学者通过对作物茎秆生理生化成分的研究, 初步揭示了作物抗倒伏的形态学和生理学机制。近些年来, 从分子生物学和遗传学角度, 专家学者们已经开启了对作物茎秆抗倒伏的研究, 对于作物茎秆中木质素的分析和研究越来越受到专家学者的关注。
木质素是一种次生代谢产物, 它可以决定细胞壁强度和茎秆的抗倒伏性[12-13], 作为细胞壁的主要组成成分, 对于维持茎秆的机械强度有关键效应[14-15]。燕麦[16]、小麦[17]、油菜[18]和水稻[19]的相关研究表明, 木质素含量高的茎秆, 其机械强度也高, 抗倒伏性强。但是在青稞中, 围绕木质素和抗倒伏关系的研究, 尚未有相关报道。本试验选用不同抗倒性的青稞品种, 通过茎秆特性等生理指标，以及木质素合酶等生化指标的研究，旨在探讨青稞茎秆中木质素代谢与抗倒伏能力的关系, 为青稞抗倒伏品种的选育提供依据。
1材料与方法
1.1试验地点
青海省农林科学院作物所试验田(101°74′E, 36°56′N), 土壤为沙壤土, 容重为1.5 g cm–3 , 土壤含有机质22.49 g kg–1、全氮1.78 g kg–1、速效磷37.48 mg kg–1和速效钾286 mg kg–1。
1.2试验设计
抗倒伏试验材料为青稞品种昆仑14号、昆仑16号和藏2972, 倒伏试验材料为青稞品种门源亮蓝、北青6号和化隆红青稞。
采用随机区组设计, 小区面积为9 m2 (3 m × 3 m), 3次重复, 人工点播种植, 行距20 cm, 株距5 cm, 2017年4月6日播种, 2017年7月26日收获, 田间管理同大田。1.3研究方法
于灌浆期取样, 每个品种10株, 用于后续茎秆特性、纤维素、木质素及木质素合酶的测定。于冰上快速剪取第3茎节, 置液氮中极速冷冻, 存–80°C 超低温冰箱备用。
在7月22日收获材料前, 参照邱丽娟等[20]的方法调查青稞的倒伏率(lodging rate, LR), 观察并记录单个材料的倒伏植株(主茎秆和地面的倾斜角小于等于30度为倒伏)占该材料全部植株的百分比。倒伏程度标准如下。
1级: 无倒伏, LR = 0;
2级: 轻度倒伏, 0<LR≤25%;
3级: 中度倒伏, 25%<LR≤50%;
4级: 重度倒伏, 50%<LR≤75%;
5级: 严重倒伏, LR>75%。
测定每个青稞品种10株样品的茎长、壁厚、茎粗和茎重[21]。利用茎秆强度测定仪(YYD-1, 浙江托普)测定茎秆的抗折力, 将茎秆置仪器支撑架凹槽内部, 两支撑点的间距为5 cm, 记录茎秆折断时峰值。
参照池宁琳[22]的方法用72%硫酸溶解全部纤维, 滤渣干燥后得到木质素含量, 单位为百分比。
参照Grant等[23]的方法测定酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维的含量。遵循VDLUFA的标准程序和标准曲线。采用近红外反射光谱法, 并经过湿化学实验认证。所测值为干物质的百分比。
采用北京索莱宝公司生产的试剂盒及紫外分光光度法, 测定苯丙氨酸转氨酶(PAL)的活性。采用上海酶联生物公司生产的试剂盒及酶标仪测定酪氨酸解氨酶(TAL)、肉桂醇脱氢酶(CAD)和4-香豆酸: CoA 连接酶(4CL)的活性。
1.4 数据处理及分析
采用Microsoft Excel进行数据整理分析以及作图, 用SPSS 20.0软件和SAS V8进行统计分析和方差分析。
2结果与分析
2.1青稞茎秆倒伏发生情况与茎秆抗折力的关系
抗倒伏品种昆仑14号、昆仑16号和藏2972的倒伏率均为0, 植株不倒伏; 倒伏品种门源亮蓝、北青6号和化隆红青稞于灌浆后期开始倒伏, 成熟期倒伏率高达92%、81%、85%, 倒伏级别均为5级(表1)。
相比于倒伏材料, 抗倒伏材料的茎较短, 降幅为21.5%~34.4%, 差异显著, 而壁厚和茎粗差异不显著。相比于倒伏材料, 抗倒伏材料抗折力较大, 增幅为34.7%~259.7%, 差异显著。
第4期
王凯等: 茎秆特性和木质素合成与青稞抗倒伏关系 623
表1 青稞茎秆指标与抗折力和倒伏率
Table 1 Stem index and bending strength and lodging rate of hulless barley
品种 Variety 茎长 Stem length
(cm) 壁厚 Wall thickness
(mm) 茎粗 Stem diameter
(mm) 茎重 Stem weight
(g) 抗折力 Stem resistance
(N) 倒伏率 Lodging rate (%) 倒伏级别Lodging grade 昆仑14号 Kunlun 14 13.938±0.085 c 0.785±0.022 b 5.643±0.211 b 0.337±0.012 b 11.447±0.192 a 0 1 昆仑16号 Kunlun 16 12.341±0.230 d 0.543±0.012 d 4.657±0.168 c 0.248±0.007 c 10.419±0.185 c 0 1 藏2972 Zang 2972 14.534±0.130 b 0.926±0.012 a 4.334±0.098 d 0.364±0.007 a 10.912±0.060 b 0 1 门源亮蓝 Menyuanlianglan 18.503±0.230 a 0.461±0.024 e 3.633±0.055 e 0.139±0.011 d 4.433±0.064 e 92 5 北青6号 Beiqing 6 18.525±0.170 a 0.712±0.024 c 5.935±0.166 a 0.328±0.019 b 7.735±0.214 d 81 5 化隆红青稞 Hualonghongqingke
18.821±0.350 a
0.324±0.009 f
3.712±0.124 e
甲烷燃料电池
0.236±0.021 c
3.182±0.089 f
85
5
数据为4次重复的平均值±标准差同列.数字后不同字母表示差异达0.05显著水平.
Data are the mean of four replicates ± SD (n = 4). Values followed by different letters within the same column are significantly different at the 0.05 probability level.
2.2 茎秆中木质素、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤
维的含量
抗倒伏品种的木质素含量高于倒伏品种, 且差异显著, 增幅为9.2%~27.6% (图1); 在纤维含量测定结果中得出, 同一品种的中性洗涤纤维(NDF)含量显著高于酸性洗涤纤维(ADF), 但是抗倒伏品种和倒伏品种间差异不显著(图2)。说明木质素是影响倒伏的重要指标, 而中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维对青稞倒伏影响不大。
图1 参试青稞品种茎秆中的木质素含量
Fig. 1 Lignin content of hulless barley stalks in varieties
柱顶端不同字母表示差异达0.05显著水平。 KD-1: 昆仑14号; KD-2: 昆仑16号; KD-3: 藏2972; DF-1: 门源亮蓝; DF-2: 北青6号; DF-3: 化隆红青稞。
Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level. KD-1: Kunlun 14; KD-2: Kunlun 16; KD-3: Zang 2972; DF-1: Menyuanlianglan; DF-2: Beiqing 6; DF-3: Hualonghongqingke.
2.3 茎秆木质素合成相关酶活性
抗倒伏品种与木质素合成密切相关的4种酶的酶活性均高于倒伏品种, 且差异显著。TAL 、PAL 、CAD 和4CL 的酶活性增幅分别为19.3%~71.9%、86.4%~204.8%、7.2%~22.0%和6.0%~46.1% (图3)。这4种酶活性较高使木质素代谢通路中的代谢产物含量增高, 进而使抗倒伏材料茎秆中含有较高的木质素。
图2 青稞茎秆中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量
Fig. 2 Neutral detergent fiber and the acid detergent fiber content of hulless barley stalks
柱顶端不同字母表示差异达0.05显著水平。KD-1: 昆仑14号; KD-2: 昆仑16号; KD-3: 藏2972; DF-1: 门源亮蓝; DF-2: 北青6号; DF-3: 化隆红青稞。NDF: 中性洗涤纤维; ADF: 酸性洗涤纤维。
Bars superscripted by different letters are significantly different at 0.05 probability level. KD-1: Kunlun 14; KD-2: Kunlun 16; KD-3: Zang 2972; DF-1: Menyuanlianglan; DF-2: Beiqing 6; DF-3: Hualonghongqingke. NDF: neutral detergent fiber; ADF: acid de-tergent fiber.
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作 物 学 报 第45卷
图3 TAL 、PAL 、CAD 、和4CL 活性 Fig. 3 TAL, PAL, CAD, and 4CL activities
TAL: 酪氨酸解氨酶; PAL: 苯丙氨酸转氨酶; CAD: 肉桂醇脱氢酶; 4CL: 4-香豆酸: CoA 连接酶。KD-1: 昆仑14号; KD-2: 昆仑16号; KD-3：藏2972; DF-1: 门源亮蓝; DF-2: 北青6号; DF-3: 化隆红青稞。柱顶端不同字母表示差异达0.05显著水平。
TAL: tyrosine ammonia-lyase; PAL: phenylalanine ammonia-lyase; CAD: cinnamyl alcohol dehydrogenase; 4CL: 4-coumarate: CoA ligase. KD-1: Kunlun 14; KD-2: Kunlun 16; KD-3: Zang 2972; DF-1: Menyuanlianglan; DF-2: Beiqing 6; DF-3: Hualonghongqingke. Bars super-scripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.
2.4 青稞茎秆木质素含量及合成相关酶活性与
抗倒伏能力的相关性
青稞茎秆木质素含量与茎秆抗折力呈显著正相关, 而与倒伏率呈显著负相关(表2)。表明青稞茎秆的木质素含量与抗倒伏能力密切相关, 木质素含量高, 青稞抗倒伏能力强。同时, 茎长与倒伏率呈显著正相关, 表明株高会影响青稞抗倒伏性。木质素含
量与TAL 、PAL 、CAD 和4CL 活性呈显著正相关(相关系数分别为0.967、0.814、0.981和0.856), 表
明TAL 、PAL 、CAD 和4CL 活性提高是木质素含量增加的酶学基础。茎秆抗折力与TAL 、PAL 和4CL 活性呈显著正相关(相关系数分别为0.817、0.827和0.985), 表明TAL 、PAL 和4CL 活性的提高有利于增强茎秆的抗折力。
表2 木质素含量及相关酶活性与抗倒伏能力的相关系数
Table 2 Correlation coefficients of lignin content and related enzyme activity with lodging resistance
指标 index
木质素含量 Lignin content
倒伏率 Lodging rate
茎长 Stem length
TAL 活性TAL activity
PAL 活性 PAL activity
CAD 活性 CAD activity
4CL 活性4CL activity
木质素含量Lignin content 1
–0.872* –0.945 0.967** 0.814* 0.981** 0.856*
抗折力Snapping resistance 0.878* –0.918** –0.845 0.817* 0.827* 0.803 0.985** 倒伏率Lodging rate
–0.872* 1
0.964** –0.901* –0.975** –0.870* –0.844*
3 讨论
3.1 青稞茎秆特性与抗倒性间的关系
办公室工作存在问题乐益民作物的抗倒伏性与株高、壁厚、茎粗、茎重、茎秆的抗折力以及生物量等因素密切相关[24]。本研究结果表明, 抗倒伏种质在生长发育过程中将更多的养分用于植株的横向生长, 使其株高变矮、细胞壁中填充了较多的木质素, 使茎秆抗折力变大, 茎秆弹性及其机械支撑作用变强, 进而使青稞植株表现出较强的抗倒伏性。
木质素是细胞壁的主要成分, 它与半纤维素以共价键结合, 可以加固细胞壁的机械强度, 同时增强植株的抗倒伏能力[25]。木质素含量增加, 可显著提高茎秆的机械强度, 增加茎秆的抗压和抗倒伏能力[26]。
木质素含量高的品种, 抗倒伏能力强, 不容易发生倒伏[27-28]。
本研究表明, 与倒伏材料相比, 抗倒伏材料茎秆抗折力大, 品种抗倒伏能力较强。相关分析表明, 茎秆木质素含量和茎秆的抗折力呈显著正相关(r = 0.878, P < 0.05), 与倒伏率呈显著负相关 (r = –0.872, P < 0.05)。表明青稞茎秆中木质素含量
第4期王凯等: 茎秆特性和木质素合成与青稞抗倒伏关系625
的降低是青稞茎秆抗折力下降的重要因子, 同青稞的抗倒伏能力密切相关。茎秆木质素含量高, 抗折力大, 茎秆强度高, 抗倒伏能力即强[29]。由此得出, 茎秆木质素含量可以作为青稞抗倒伏能力的一个重要的评价指标。
3.2木质素合成相关酶活性与抗倒伏性的关系
TAL、PAL、CAD、4CL为禾本科植物木质素合成过程中的5个关键酶, 在植株的抗倒伏中起重要作用[30]。PAL是莽草酸代谢途径中的限速酶, 它催化L-苯丙氨酸脱氢酶转化为反式肉桂酸。CAD可以将肉桂醇类物质还原成对应的木质素单体。4CL催化肉桂酸反应, 生成相应的CoA酯类[31]。TAL催化酪氨
酸生成香豆酸, 为禾本科植物中所特有 [32]。本研究结果表明, 青稞茎秆TAL活性与木质素含量呈极显著正相关, 相关系数为0.967 (P<0.01), TAL活性高, 青稞茎秆木质素含量增加。与倒伏材料相比, 抗倒伏材料茎秆中的TAL活性显著提高, 表明TAL活性与青稞抗倒伏性密切相关。研究发现, 当PAL酶活性下降时, 作物植株的木质素含量也会降低; 当PAL 活性升高时, 作物植株木质素含量会明显增加[33]。本研究中, 青稞茎秆的PAL活性也与木质素含量呈显著正相关, 相关系数为0.814 (P < 0.05), 与TAL的变化规律基本一致, 2个抗倒伏品种的PAL活性高于2个倒伏品种。青稞茎秆的TAL和PAL活性可以在一定程度上反映茎秆的抗倒伏能力。研究发现, CAD参与木质素合成的最后一步还原反应[34]。相关分析表明, 青稞茎秆CAD活性和木质素含量呈极显著正相关, 相关系数为0.981 (P < 0.01), 说明茎秆CAD活性增加, 木质素含量也会升高, 从而增强茎秆的抗倒伏能力。有研究发现, 4CL参与羟基肉桂酸及其衍生物的活动, 与辅酶A酯化合物的形成有关系[35]。相关分析表明, 青稞茎秆的4CL活性和木质素含量呈显著正相关, 相关系数为0.856 (P < 0.05), 说明4CL也是影响木质素合成的一种关键酶, 4CL活性的提高可以增强茎秆的抗倒伏能力。研究发现, 抗折力是决定茎秆特性的最重要因素, 茎秆特性是决定茎秆是否倒伏的一个最重要的因素，茎秆的形态结构和生理特征与抗倒性密切相关, 提高茎秆的机械强度, 就能显著提高作物的抗倒伏能力[36]。相关分析表明, 青稞茎秆中的TAL、PAL和4CL活性均和茎秆抗折力呈显著正相关, 证明3种关键酶可以通过提升茎秆抗折力来提高青稞茎秆的抗倒伏能力。4结论
青稞茎秆的长度、重量、抗折力、木质素含量同抗倒伏性密切相关。木质素合酶TAL、PAL、CAD 和4CL活性的提高, 均使青稞茎秆的抗折力增大, 促使植株抗倒伏能力增强。
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