瓜尔豆种子萌发氮代谢关键酶分析­

王海杰,魏盛传,黄家权*

瓜尔豆种子萌发氮代谢关键酶分析­

王海杰1,2,魏盛传1,黄家权1*

1. 海南大学, 海南 海口 570228 2. 海南省农业科学院, 海南 海口 571100

本文首次测定了瓜尔豆种子萌发三个不同时期硝酸还原酶(NR)活性、亚硝酸还原酶(NIR)活性、谷氨酰胺合成酶（GS）活性、谷氨酸合成酶（GOGAT）活性和蛋白质含量及瓜尔豆种子萌发后根、茎部位酶活性和蛋白质含量，以期解析瓜尔豆种子萌发时氮代谢过程中关键酶活性、蛋白质含量的变化规律和差异。

瓜尔豆; 氮代谢; 关键酶

瓜尔豆(L.) Taub.，作为豆科植物中的一个栽培中，由于瓜尔豆胶在石油、天然气以及食品饮料、医药、造纸、纺织等行业的广泛应用，近几年在世界各地的种植面积不断扩大。瓜尔豆胶是由瓜尔豆种子去皮去胚芽后的胚乳提纯后得到混合物，除了主要含有半乳甘露聚糖外，还含有水分、蛋白质、酸不溶物、灰分等[1]。近年来，对瓜尔豆的研究报道渐渐增多，本研究主要从种子萌发氮代谢关键酶活性角度研究和分析瓜尔豆氮代谢过程。目前，国内外对植物氮代谢的研究主要在烟草和水稻上较多，国内目前还没有对瓜尔豆氮代谢的研究。本研究通过研究瓜尔豆酶活性来分析瓜尔豆氮代谢过程，以期揭示瓜儿豆种子萌发期间贮藏物质代谢的基本规律，为瓜儿豆种子品质评定及瓜儿豆种子生理研究提供理论依据，并解析氮代谢的调控与蛋白合成的关系，提高氮素利用率。

1 材料与方法

1.1 供试材料

瓜儿豆种植于海南省乐东黎族自治县海南省腰果研究中心院内，2016年3月4日种植，成熟后采收瓜尔豆种子。

1.2 试验方法

选取相同地块上生长，栽培管理措施一致的瓜儿豆种子，作4个生物学重复，每个重复10粒种子，要求所选种子大小均匀，外表无差异。分别测定整个萌发过程3个不同时期（吸胀种子、露白种子、萌发第3 d种子）硝酸还原酶活力[2]、亚硝酸还原酶活力、谷氨酰胺合成酶活力、谷氨酸合成酶活力[3]、可溶性蛋白含量[4]变化，并测定萌发第3 d种子的根、茎酶活力和可溶性蛋白含量的变化。

1.3 数据统计与分析方法

数据采用Excel处理，再用SPSS数据处理系统中的单因素方差分析和多重比较对试验数据进行方差分析，最后用origin软件以柱状图的形式将结果展示。

2 结果与分析

2.1 硝酸还原酶活性的动态分析

硝酸还原酶(Nitrate reductase, NR)是还原无机氮的首个酶。由图1可看出，在种子萌发的过程中，吸胀种子、露白种子和萌发第3 d种子两两之间差异性显著。在种子萌发过程中活性逐渐升高，萌发第3 d种子的活性增加最为显著。由图2看出，茎部位的硝酸还原酶活性高于根部位。

图 1 种子萌发关键过程中NR活性变化

图 2 种子萌发第3 d种子茎、根NR活性对比

2.2 亚硝酸还原酶活性的动态分析

亚硝酸还原酶(Nitrite reductase, NIR)作为硝酸根还原的关键酶，正常情况下很少在植物细胞内积累。由图3看出，在种子萌发的过程中，吸胀种子、露白种子和萌发第3 d种子两两之间差异性显著。在种子萌发过程中活性逐渐升高，萌发第3 d种子的活性增加最为显著。由图4可知，茎部位的亚硝酸还原酶活性明显高于根部位。

图3 种子萌发关键过程中NIR活性变化

图4 种子萌发第3 d种子茎、根NIR活性对比

2.3 谷氨酰胺合成酶活性的动态分析

由图5知，不同种子的萌发时期的谷氨酸合成酶（Glutamine Synthetase, GS）的活性，在萌芽第3 d种子时期活性达到最高值，吸胀种子、露白种子和萌发第3 d种子两两之间差异性显著，即种子萌发过程中活性逐渐增加。由图6知，茎与根部位谷氨酸合成酶的活性水平基本一致。

图5 种子萌发关键过程中GS活性变化

图6 种子萌发第3 d种子茎、根GS活性对比

2.4 谷氨酸合成酶活性的动态分析

由图7知，随着种子的萌发谷氨酸合成酶(GOGAT)的活性逐渐升高，吸胀种子、露白种子和萌发第3 d种子两两之间差异性显著。萌发第3 d种子的酶活性显著高于吸胀种子时期和露白种子时期。由图8可知，茎部位的谷氨酸合成酶活性显著高于根部位的。

图7 种子萌发关键过程中GOGAT活性变化

图8 种子萌发第3 d种子茎、根GOGAT活性对比

2.5 蛋白质含量的动态分析

由图9可知，随着种子的萌发，蛋白质含量在吸胀种子、露白种子和萌发第3 d种子两两之间差异性显著。种子萌发过程中，氮代谢产物蛋白含量逐渐增加，萌发第3 d种子达到最高。图10表明，种子萌发后茎部位的蛋白质含量明显高于根部。

图9 种子萌发关键过程中蛋白质含量变化

图10 种子萌发第3 d种子茎、根蛋白质含量活性对比

3 讨论与结论

种子萌发是蛋白质、淀粉和脂肪等贮藏物质的转化过程，萌发时贮藏物质从贮藏部位运到利用部位等代谢过程中酶起着关键的作用[5]。蛋白质是种子内贮藏物质的重要组分之一，它为种子萌发和幼苗早期生长提供营养物质和能量[6]。本研究测定了瓜尔豆种子萌发3个不同时期，无机硝态氮逐渐还原为氨最终形成蛋白质的过程，结果表明，不同的种子发育时期其酶活呈逐渐增加的趋势。这点与前人的研究的结果相符，Francisc等的研究表明，NR与NIR对种子硝酸盐的同化起了重要作用。布尔巴等人也提出在萌发种子中存在着GS/GOGAT途径，茎中显示出很高的GOGAT酶活力。

从种子萌发不同的时期来看，随着种子萌发，氮代谢关键酶活性也呈现增加的趋势；露白种子时期较吸胀种子时期酶活性增加的量与种子萌发3 d后与露白种子相比，活性都有显著增加。而茎部的酶活性基本都明显高于根部，只有茎部与根部GS的活性近乎一致。从蛋白质含量变化来看，种子萌发的3个时期中蛋白质含量逐渐增加，种子不断发育过程中，由氨转化为蛋白质的关键酶：谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶的活性，二者与蛋白质变化趋势也呈正相关趋势；从对比水稻与烟叶种子萌发时期的氮代谢相关指标来看，瓜尔豆与它们在种子发育期间酶活性逐渐增加的趋势并无差异，而蛋白含量则有不同，其中瓜尔豆种子露白时期蛋白质含量较吸胀时期有所增加，而烟叶与水稻种子则不同，它们露白时期略低于吸胀时期。

瓜尔豆各项生理参数均反映在种子萌发过程中，氮代谢最终产物蛋白质含量逐渐增加，说明种子萌发后氮代谢更为活跃，转化无机硝态氮的量也更多，这符合豆科种子正常萌发时的一般规律，也是健康种子正常萌发的表现。本研究的结果也表明氨同化酶活性越高，蛋白质含量越高，其确切的转化关系值得进一步探讨。

[1] 蔡为荣,徐苗之,史学颖.食品增稠剂瓜儿豆胶性质及复配性的研究[J].江苏食品与发酵,2002,1:16-19

[2] 滕祥勇.甜菜谷氨酸合成酶（GOGAT）酶学特性及氮素对其酶活性的调控[D].哈尔滨:东北农业大学,2012

[3] 侯永平,陈年来,康恩祥,等.低温弱光对西葫芦幼苗渗透调节物质的影响[J].中国瓜菜,2009(1):8-12

[4] 吴敏,何鹏,韦家少,等.钾水平对巴西橡胶树幼苗叶片叶绿素及可溶性蛋白含量的影响[J].中国农学通报,2011,27(28):58-62

[5] 杨文钰,关华.种子萌发生理研究进展[J].种子,2002(5):31-32

[6] 傅家瑞.种子生理学[M].北京:科学出版社,1985

Analysis of Key Enzymes of Nitrogen Metabolism During(L.) TaubSeeds Germination

WANG Hai-jie1,2, WEI Sheng-chuan1, HUANG Jia-quan1*

1.570228,2.571100,

The activities of nitrate reductase (NR), nitrite reductase (NIR), glutamine synthase (GS), glutamate synthase (GOGAT) and protein content of(L.) Taub. seeds at three different stages of germination were determined at a first time in this paper. Enzyme activity and protein content in root and stem ofseeds after germination were determined, too, in order to analyze the changes and differences of key enzyme activities and protein contents in process of nitrogen metabolism during seed germination of.

(L.) Taub.; nitrogen metabolism; key enzyme

S330.2

A

1000-2324(2018)06-0921-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.06.003

2018-02-20

2018-03-12

海南自然科学基金面上项目(317186)

王海杰(1982-),男,博士生,副研究员,从事作物遗传育种研究. E-mail:527931616@qq.com

Author for correspondence. E-mail:jqhuang@163.com