抗感锈病小麦品系碳氮代谢特性的比较

王双明 陶诗顺

摘要：采用田间常规栽培及自然感病方法，对两个抗锈病能力具有明显差异的小麦品系不同生育时期碳氮代谢的多项生理生化指标进行了比较研究。结果表明，锈病的侵染明显降低了两个小麦品系旗叶中硝酸还原酶（ＮＲ）和谷氨酰胺合成酶（ＧＳ）等氮素同化关键酶的活性，减少了蛋白质的积累量，造成氮素代谢失调；两个小麦品系使旗叶中叶绿素含量降低、光合作用受抑制、可溶性糖含量减少，限制了小麦的碳素代谢能力；导致两个小麦品系旗叶中相对电导率和丙二醛（ＭＤＡ）含量增加，膜脂过氧化加剧，加速了功能叶的早衰。抗性不同的两个小麦品系在锈病胁迫下多项相关指标均存在较大的差异。

关键词：小麦锈病；抗性；碳氮代谢特性

中图分类号：S512.101文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）16－3427-04

Comparison of Carbon and Nitrogen Metabolism Characteristic between Wheat Varieties

Resistant and Susceptible to Rust Disease

ＷＡＮＧ Ｓｈｕａｎｇ－ｍｉｎｇ，ＴＡＯ Ｓｈｉ－ｓｈｕｎ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１０１０， Ｓｉｃｈｕａｎ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｎｄｅｘｅｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｅｒｉｏｄｓ ｏｆ ｔｗｏ ｗｈｅａｔ ｖａｒｉｅｔｉｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ ｒｕｓｔ ｄｉｓｅａｓｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｄｏｐｔｉｎｇ ＴＣＭ ａｎｄ ｎａｔｕｒａｌ ｉｎｆｅｃｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｖａｓｉｏｎ ｏｆ ｒｕｓｔ ｄｉｓｅａｓｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｋｅｙ ｅｎｚｙｍｅｓ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ ｓｕｃｈ ａｓ ＮＲ ａｎｄ ＧＳ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌａｇ ｌｅａｆ， ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｔｅｉｎ， ｔｈｅｎ ｂｒｏｕｇｈｔ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｌａｃｋ ｏｆ ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ． Ｂｅｓｉｄｅｓ， ｔｈｅ ｉｎｖａｓｉｏｎ ａｌｓｏ ｌｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ， ｓｏｌｕｂｌｅ ｓｕｇａｒ ａｎｄ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ， ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， ｔｈｅ ｉｎｖａｓｉｏｎ ａｌｓｏ ｒｅｓｕｌｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ＭＤＡ， ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｐｉｄ ｐｅｒ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌａｇ ｌｅａｆ， ｔｈｕｓ ｓｐｅｅｄｉｎｇ ｕｐ ｔｈｅ ｐｒｅｍａｔｕｒｅ ｓｅｎｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ－ｌｅａｆ． Ｓｏ ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｓｏｍｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｉｎ ｓｅｖｅｒａｌ indexes ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ under ｒｕｓｔ stress．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｗｈｅａｔ ｒｕｓｔ； ｒｅｓｉｓｔａｎｔ； ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ

锈病是世界小麦生产上的重要病害之一，因其分布广泛、流行成灾率高、危害极其严重而受到国内外广大科技工作者的高度关注［１］。长期以来，许多学者在小麦锈病的菌物学［２］、组织病理学［３］、分子生物学［４，５］、品种抗性鉴定方法［６，７］等方面的研究已取得了很大进展；在小麦锈病的抗性生理生化机制方面，前人也分别从呼吸、光合、水分，矿质营养［８－１０］等代谢角度进行过不少卓有成效的探索。此次研究以两个抗锈病能力具有明显差异的小麦品系为材料，通过分析比较其不同生育时期碳氮代谢等多项相关生理生化指标的差异，以期探明锈病胁迫下不同抗性小麦品系的碳氮代谢特性及锈病对小麦产量和品质不良影响的内在原因，为抗锈病小麦优良品种的选育及栽培提供一定的参考依据。

１材料与方法

１．１供试材料

供试小麦（Ｔｒｉｔｉｃｕｍ ａｅｓｔｉｖｕｍ Ｌ．）品系由西南科技大学小麦研究所提供，已在随机区组栽培的条件下经过6代自然分离纯化。试验材料为从中筛选出的抗、感锈病性状分离较明显的两个品系，分别命名为西科Ⅰ号（抗病性较弱）和西科Ⅱ号（抗病性较强）。

１．２试验方法

试验在西南科技大学生命科学与工程学院龙门小麦育种试验基地进行，随机区组设计，３次重复，行长２．０ ｍ，行距１０ ｃｍ，株距２ ｃｍ，四周设保护行。各供试小麦品系均在相同的肥水管理条件下进行田间常规栽培，采用自然感病方法。参照商鸿生等［１１］的分级标准，以１３ ｄ为１个周期，分别于小麦子粒形成期（４月１３日）、灌浆期（４月２６日）和乳熟期（５月１０日）随机采集中度感病（以下简称感病）及未感病的旗叶为材料，取样后用去离子水清除叶片表面的锈病病原菌孢子和灰尘后测定各项指标。

１．３生理指标测定

按王学奎［１２］的方法，采用分光光度法测定叶绿素含量、采用蒽酮－硫酸比色法测定可溶性糖含量、采用考马斯亮蓝Ｇ－２５０法测定可溶性蛋白质含量、采用硫代巴比妥酸法（ＴＢＡ）测定丙二醛（ＭＤＡ）含量、采用电导法测定细胞膜伤害程度；参照邹琦［１３］的方法，采用活体法测定硝酸还原酶（ＮＲ）活性、采用比色法测定谷氨酰胺合成酶（ＧＳ）活性、采用改良半叶法测定净光合速率。

２结果与分析

２．１抗、感锈病小麦品系碳素代谢相关指标的变化

２．１．１叶绿素含量变化叶绿素是光合作用的物质基础， 其含量高低直接影响光合作用的强弱和物质合成速率的高低［１４］。从表１可以看出，受锈病病原菌的侵染各供试小麦品系旗叶中的叶绿素含量均呈下降趋势，但两个抗锈病能力不同小麦品系的叶绿素含量存在较明显的差异。在子粒形成期，抗病性较弱的西科Ⅰ号感病后叶绿素含量减少了40．00％，而抗病性较强的西科Ⅱ号叶绿素含量仅减少27．78％，降幅比西科Ⅰ号低12.22个百分点。从子粒形成期至灌浆期，两个小麦品系旗叶中叶绿素含量均随生育进程的推进而降低，但感病后旗叶叶绿素含量西科Ⅱ号比西科Ⅰ号的降幅低１８．２６个百分点。无论是子粒形成期还是灌浆期，抗病性较强的西科Ⅱ号始终保持了较高的叶绿素含量。

２．1．２可溶性糖含量变化图1表明，受锈病病原菌侵染后子粒形成期和灌浆期抗病性较强的西科Ⅱ号旗叶中可溶性糖含量均高于抗病性较弱的西科Ⅰ号，分别高２６．８１％及２８．０４％。两个供试小麦品系旗叶中可溶性糖含量与净光合速率之间均呈显著正相关，其相关系数西科Ⅰ号和西科Ⅱ号分别为０．８６０*和０．８２７*。

２．1．３净光合速率变化由图２可见，子粒形成期、灌浆期两个小麦品系在锈病胁迫下旗叶的净光合速率均存在较明显的差异，抗病性较弱的西科Ⅰ号比抗病性较强的西科Ⅱ号净光合速率分别低３２．８０％和３７．９１％，并随生育进程的推进而进一步降低。在不同生育时期中，无论感病叶片还是未感病叶片抗病性较强小麦品系的净光合速率均高于抗病性较弱的小麦品系。

统计分析表明，两个小麦品系旗叶中叶绿素含量与其净光合速率之间均呈极显著正相关。叶绿素含量的降低，在一定程度上减少了植株的有效光合面积、限制了碳素同化能力；叶片表面大量锈病病原菌孢子的堆积，也减弱了叶片对光能的吸收，由此都可能导致光合作用受抑制。

２．２抗、感锈病小麦品系氮素同化相关指标的变化

２．２．１硝酸还原酶（ＮＲ）活性变化由图３可见，受锈病病原菌侵染后，在子粒形成期及灌浆期，抗病性较强的西科Ⅱ号旗叶中ＮＲ活性比抗病性较弱的西科Ⅰ号分别高２０．５１％及２１．４３％；不同生育时期感病和未感病旗叶的ＮＲ活性抗病小麦品系均高于感病小麦品系。这对于在锈病胁迫下维持小麦较强的氮素同化能力具有重要的意义。

２．２．２谷氨酰胺合成酶（ＧＳ）活性变化对供试小麦品系子粒形成期和灌浆期旗叶中ＧＳ活性的动态变化分析（图４）表明，感病后子粒形成期和灌浆期抗病性较弱的西科Ⅰ号旗叶中ＧＳ活性比抗病性较强的西科Ⅱ号分别下降２６．７８％和２５．２９％。两个小麦品系旗叶中ＧＳ与ＮＲ活性同子粒中蛋白质含量之间均呈显著正相关。

２．２．３可溶性蛋白质含量变化由图５可见，随着生育进程的推进，抗病性不同的小麦品系子粒中蛋白质含量虽然在一定程度上均呈逐渐增长趋势，但不同抗性小麦品系之间子粒蛋白质含量的差异也逐渐增大。感病后在灌浆期抗病性较弱的西科Ⅰ号比抗病性较强的西科Ⅱ号子粒蛋白质含量低３０．３８％，而到乳熟期降幅则达到５０．７１％。同抗病性较强的西科Ⅱ号相比较，在锈病的胁迫下抗病性较弱的西科Ⅰ号子粒中蛋白质含量始终处于最低水平。表明锈病的侵染对小麦的氮素同化过程产生了较强的抑制作用，并导致小麦品质下降。

２．３抗、感锈病小麦品系细胞膜伤害程度的变化

从表２可以看出，锈病胁迫使不同生育时期各小麦品系旗叶细胞膜结构均受到不同程度的损伤，并随着生育进程的推进而加剧。与感病后西科Ⅱ号相比，抗病性较弱的西科Ⅰ号细胞膜损伤程度更为严重。表明锈病胁迫下抗病性较强小麦品系旗叶的细胞膜结构具有较强的稳定性，因而对逆境的抗御能力更强。

２．４抗、感锈病小麦品系丙二醛含量的变化

从表５可见，各供试小麦品系旗叶中丙二醛（ＭＤＡ）含量均随生育进程的推进明显增加，表明到生育后期叶片逐渐出现衰老是必然的趋势。由于锈病的胁迫加速了膜脂过氧化，使ＭＤＡ大量积累，促进了功能叶片的早衰。在不同生育时期，感病后抗病性较强的西科Ⅱ号旗叶中ＭＤＡ含量均低于抗病性较弱的西科Ⅰ号。

３讨论

小麦产量的９０％～９５％来自光合作用，尤其是生育后期功能叶片光合产物对子粒的贡献率可达８０％。旗叶是小麦生育后期冠层的主要构成者，其光合作用的变化基本上代表了冠层光合作用的趋势［１５］。据李玥仁等［９］的研究，由于条锈菌产孢后叶片表皮破损，病叶同化ＣＯ２的能力降低，只能维持较低的光合水平，故与健康叶片相比进行光合作用的能力显著下降；中度和重度病叶进行光合作用的能力的大幅度下降不仅与叶绿素含量的明显下降有关，而且与叶绿素光合活性的下降有着密切的关系［１６］。对两个抗病性具有明显差异的小麦品系不同生育时期与碳素同化密切相关的几项指标动态变化的比较分析亦表明，锈病胁迫加速了小麦功能叶片的衰老，大幅度降低了叶绿素含量和净光合速率，抗病性较弱的西科Ⅰ号旗叶中叶绿素含量比抗病性较强的西科Ⅱ号下降幅度更大，旗叶中可溶性糖含量、净光合速率降低，使光合产物积累减少，严重地限制了其碳素同化能力。抗病性较强的西科Ⅱ号品系在不同生育时期中都始终保持了较高的叶绿素含量和净光合速率。可见，在小麦感病后除采取药物防治外，通过加强肥水管理、化学调控等多种措施延缓功能叶片的早衰对减少损失、提高产量是行之有效的。

前人的许多研究已证明叶片是小麦氮素同化的主要器官之一，ＮＲ和ＧＳ是影响小麦氮素代谢的关键酶，其活性强弱直接影响着氮素同化速率的高低［１７－１９］，但有关锈病胁迫对小麦氮素同化及相关酶活性影响的研究却较少。试验结果表明，在锈病胁迫下小麦旗叶中的ＮＲ和ＧＳ活性都较大幅度降低，子粒可溶性蛋白质的积累量相应减少，子粒品质下降，氮素代谢严重失调，旗叶中ＧＳ与ＮＲ活性同子粒可溶性蛋白质含量之间均呈显著正相关。抗锈病能力不同的两个小麦品系的与氮素同化相关的多项指标都存在较明显差异，抗病性较强的小麦品系在不同生育时期旗叶的ＮＲ和ＧＳ活性、子粒可溶性蛋白质含量都高于抗病性较弱的小麦品系。因此，在小麦抗锈病品种的选育及抗性鉴定中，也可考虑将旗叶中ＧＳ和ＮＲ活性的变化作为参考指标。

细胞膜对于维持细胞的微环境和正常的代谢起着非常重要的作用。当植物受到逆境伤害时，膜脂过氧化作用加剧，ＭＤＡ积累导致细胞膜结构破坏从而透性增大，ＭＤＡ含量和细胞膜透性是检测植物抗逆性的常用指标［１２，２０］。研究也证实了旗叶中ＭＤＡ含量和细胞膜透性的变化与小麦抗锈病能力密切相关。在锈病胁迫下各供试小麦旗叶膜脂过氧化增强，ＭＤＡ含量提高，细胞膜损伤程度增大。而在同样生态条件下，抗病性较强的西科Ⅱ号旗叶中ＭＤＡ含量和细胞膜结构的损伤程度始终较抗病性弱的西科Ⅰ号低，这可能是其在锈病胁迫的逆境条件下能够在一定程度上缓解冠层功能叶片的病理性早衰、维持光合碳素同化和氮素代谢正常进行。

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