全 文 ：第 36 卷第 1 期
2016年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.36,No.1
Jan.,2016
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(31170475, 31471445, 30700483)
收稿日期:2014鄄08鄄26; 摇 摇 修订日期:2015鄄05鄄22
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: qinzhou@ njau.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201408261692
孙其松,黄洁,吴晓静,江海东,周琴.不同酸度酸雨对小麦花后氮硫代谢和籽粒蛋白组分的影响.生态学报,2016,36(1):190鄄199.
Sun Q S, Huang J, Wu X J, Jiang H D, Zhou Q.Effect of different acidities of acid rain on nitrogen and sulfur metabolism and grain protein levels in wheat
after anthesis.Acta Ecologica Sinica,2016,36(1):190鄄199.
不同酸度酸雨对小麦花后氮硫代谢和籽粒蛋白组分的
影响
孙其松,黄摇 洁,吴晓静,江海东,周摇 琴*
南京农业大学农业部南方作物生理生态重点开放实验室,江苏省信息农业高技术研究重点实验室,南京摇 210095
摘要:酸雨是中国重要的环境问题,为研究酸雨对小麦籽粒品质的可能影响,以小麦品种扬麦 15和汶农 17为材料开展盆栽试
验,研究了不同酸度(pH2.5、pH4.0和 pH5.6)酸雨对小麦花后氮硫代谢关键酶活性和籽粒蛋白质含量及组分的影响。 结果显
示:酸雨处理抑制叶片硝酸还原酶(NR)活性,提高了扬麦 15 整个灌浆期及汶农 17 灌浆中后期叶片谷氨酰胺合成酶(GS)活
性,促进了叶片蛋白的降解,降低了叶片可溶性蛋白含量。 不同酸度酸雨提高了成熟期籽粒中蛋白质含量,酸度越强,增加幅度
越大,籽粒中各蛋白组分含量和大部分氨基酸含量也有明显提高。 酸雨提高了扬麦 15叶片丝氨酸乙酰转移酶(SAT)和 O鄄乙酰
丝氨酸硫裂解酶(OAS鄄TL)活性,但对汶农 17硫代谢关键酶活性影响较小,酸雨处理还提高了籽粒中二硫键和含硫氨基酸含
量。 可见酸雨对小麦氮硫代谢有不同程度影响,进而影响了小麦籽粒蛋白质含量和组成,酸度越强影响越大,但不同品种对酸
雨响应有一定差异。
关键词:酸雨;花后;小麦;氮硫代谢;蛋白质组分
Effect of different acidities of acid rain on nitrogen and sulfur metabolism and
grain protein levels in wheat after anthesis
SUN Qisong, HUANG Jie, WU Xiaojing, JIANG Haidong, ZHOU Qin*
Ministry of Agriculture Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology in Southern China / Jiangsu Province Hi鄄Tech Key Laboratory of Information
Agriculture, Nanjing 210095, China
Abstract: Recently, acid rain has become a serious environmental problem in China. Acid precipitation has occurred in
about 40% of the entire area, especially in the rapidly developing industrial regions, such as the many areas around the
Yangtze River. Acid rain is formed when sulfur dioxide ( SO2 ) and nitrogen oxides ( NOx ) react with water in the
atmosphere to produce H2SO4 and HNO3 and deposit as acid precipitation. Most studies have focused on the effect of acid
rain on seed germination, plant morphology, plant carbon metabolism, and grain yield. However, the impacts of acid rain
on plant nitrogen and sulfur metabolisms and grain quality have rarely been investigated, although SO2-4 and NO
-
3 are known
to be the main components of acid rain. Wheat (Triticum aestivum L.) is a staple food and plays an important role in food
security. It is sensitive to biotic and abiotic stresses from flowering to maturity. In this study, a pot experiment was
performed to determine the effects of spraying of acid rain with varying acidities (pH, 2.5, 4.0, and 5.6) after anthesis on
the activities of key enzymes related to nitrogen and sulfur metabolisms and amino acid and protein contents in wheat grains.
Two winter wheat cultivars (Yangmai 15 and Wennong 17) were used in this study. The results showed that acid rain
inhibited nitrate reductase activity and decreased the soluble protein content of leaves. At 10 days after anthesis, the soluble
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protein content in Wennong 17 and Yangmai 15 subjected to acid rain (pH 2.5) decreased by 26.58% (P<0.05) and
21.31% (P< 0. 05), respectively, compared with that in the control. Glutamine synthetase activity in the leaves was
increased in Yangmai 15 during the entire grain filling stage and in Wennong 17 only during the late grain filling stage. Acid
rain gradually decreased the free amino acid content from the beginning of grain filling stage up to the later stages. The
contents of protein and most essential amino acids in mature gains were increased by acid rain and were the highest after
treatment with acid rain of higher pH. Acid rain increased the activities of serine acetyltransferase and O鄄acetylserine(thiol)
lyase in Yangmai 15, but had little effect on the activity of key enzymes related to sulfur metabolism in Wennong 17. Acid
rain treatment also increased the contents of disulfide bonds and amino acids containing sulfur in the wheat grains of both
the cultivars. Thus, acid rain had different influences on wheat sulfur and nitrogen metabolisms, thereby affecting the
protein content and composition of wheat grains, and thus its nutritional quality.
Key Words: acid rain; days after anthesis; wheat; nitrogen and sulfur metabolism; protein composition
由于经济的快速发展,酸雨污染已成为中国重要的环境问题[1]。 2012年《中国环境状况公报》显示,全国
各酸雨监测点中,出现酸雨的市(县)占 46.1%,酸雨频率在 75%以上的地区占 12.0%[2],可见中国的酸雨污染
程度比较严重,尤其是在经济快速发展地区如长江流域[3]。 前人研究表明酸雨会伤害植物叶片,降低叶绿素
含量,抑制作物的光合作用及物质合成[4鄄6]。 但同时也有研究显示酸雨对植物生长或某些代谢过程有一定促
进作用,梁晓琴[7]研究显示,pH2.5 酸雨处理的蒙古栎幼苗的生物量、株高、叶片数较对照显著增加。 郑有
飞[8]研究结果显示中低强度酸雨处理下,油菜的株高、叶面积和籽粒产量增加,其原因是因为酸雨的硫素供
给对植株叶片面积有促进作用,从而增加了光合作用面积,促进了油菜籽生产。 酸雨是由大气中 SO2和 NOx
水解后行形成[9],来自于化石燃料燃烧和汽车尾气产生的 SO2和 NOx,会通过复杂的光化学反应进一步形成
H2SO4和 HNO3 [4,9]。 酸雨中含有一定的 SO2
-
4 和 NO
-
3,会产生一定的肥效。 和对照相比,pH3.2 的酸雨处理后
糖枫叶片中氮和硫的浓度明显比对照高[10]。 小麦是江苏省第二大农作物,开花期至成熟期是小麦对环境逆
境敏感时期,而此期也是江苏地区酸雨发生的概率和强度较大的时期[11]。 酸雨胁迫对作物氮素营养的影响
有一定报道,但研究结果不尽一致,而酸雨对硫素营养影响研究则较少。 深入研究酸雨对植物氮硫代谢和主
要营养成分的影响,对于科学评价酸雨对小麦品质的影响以及制定相应对策具有重要意义。 本研究以两个品
种小麦为试验材料,在不同酸度酸雨水平下研究了花后喷施酸雨对小麦氮硫代谢和籽粒营养品质的影响,以
期为小麦抗酸雨栽培和品种的选育提供参考依据和技术支持。
1摇 材料与方法
1.1摇 供试材料
供试小麦品种为汶农 17和扬麦 15。 汶农 17,强筋、偏冬性、中晚熟品种,由泰安市汶农种业有限责任公
司培育;扬麦 15,弱筋、春性、中熟小麦品种,由江苏里下河地区农科所培育。
1.2摇 试验设计
盆栽试验于 2012年 11月至 2013年 6月在南京农业大学牌楼试验站进行,供试土壤为黄棕壤。 土壤自
然风干后装入高 20cm,直径 25cm的塑料花盆中,每盆装土 8kg。 每盆土施用尿素 2.6 g,KH2PO4 1.4 g,K2SO4
3.5 g,播种前肥料和土壤充分混匀,氮肥基追比为 6颐4,追肥于拔节期施用。 每盆播种 10粒,三叶期定苗,每盆
留苗 6株。 酸雨参照卞雅娇的方法配制[12],以 SO2-4 与 NO
-
3 摩尔比 5颐1配成母液,加入 CaC12、NH4Cl等药品,
使各自浓度为 CaC12 3.1 g / L,NH4Cl 2.8 g / L,NaCl 0.91 g / L和 KCl 0.75 g / L,稀释母液 1000倍并调节 pH值。
试验共设 3个酸雨处理:对照(pH5.6)、pH4.0酸雨和 pH2.5酸雨。 开花期进行酸雨处理,每 5d 喷施 1 次直至
成熟,每次酸雨的喷施量相当于 5mm降雨量。 试验为随机区组设计,3次重复,管理措施同大田高产栽培。
191摇 1期 摇 摇 摇 孙其松摇 等:不同酸度酸雨对小麦花后氮硫代谢和籽粒蛋白组分的影响 摇
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开花期选择同一天开花且生长一致麦穗挂牌标记。 分别于开花后 0、5、10、15、25 和 30 d 取旗叶,花后
10、15、20、25、30 d和 35 d 取麦穗,用液氮固定后-40益保存,旗叶去除基部和叶尖,留中间部分,穗子剥取从
基部数起第 5—12个小穗的第 1、2位籽粒,用于各项生理指标的测定。 同时取干样,分器官后于 105益杀青
30min后,70益烘至恒重,干燥贮藏备用。
1.3摇 测定项目与方法
游离氨基酸含量测定采用茚三酮比色法[13],可溶性蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝 G鄄250 法[13]。 硝酸
还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性测定参照现代植物生理学实验指南[14]。 小麦籽粒中各氨基酸组分
含量用氨基酸自动分析仪(GB 7649—87)测定,蛋白质含量测定采用半微量凯氏定氮法[14],以全氮量乘以 5.7
即为籽粒蛋白质含量,蛋白质组分采用连续提取法[15]。
丝氨酸乙酰转移酶和 O鄄乙酰丝氨酸硫裂解酶活性测定参照 Hartmann 方法测定[16],具体步骤如下:称取
旗叶叶片鲜重 1. 0g 左右置于预先冷冻过的研钵中,加入少量预冷的经酸洗过的石英砂和 3mL 提取液
(30mmol / LTris鄄HCl,内含 10 mmol / L 的 DTT),冰浴下研磨至匀浆,倒入离心管,4益下 14000r / min 离心
20 min。
O鄄乙酰丝氨酸硫裂解酶活性测定:取上清液 0.1 mL,加入 0.1 mL 反应液(50 mmol / L的 K2HPO4鄄KH2PO4
(pH7.5),5 mmol / L DTT,10 mmol / L O鄄乙酰丝氨酸,2 mmol / L Na2S)。 25益条件下培养 10min,50滋L 20%(重
量体积比)TCA(三氯乙酸)终止反应,4益下 14000r / min 离心 20min,蛋白质被沉淀出来。 上清液转移到试管
中,加入 100滋L浓缩的醋酸和 200滋L水合茚三酮试剂(250mg水合茚三酮溶解在 10 mL的浓缩醋酸与浓盐酸
(体积比 6颐4)中。 试管放在煮沸水中煮沸 10min,加入 550滋L 95%(体积比)乙醇,然后迅速冷却。 以半胱氨
酸做标准曲线,560nm下测吸光度,然后计算 O鄄乙酰丝氨酸硫裂解酶的活性。
丝氨酸乙酰转移酶活性测定:取上清液 0.1mL,加入 0.1mL 反应液(4 mmol / L丝氨酸,2 mmol / L乙酰辅酶
A,50 mmol / L的 K2HPO4鄄KH2 PO4(PH7.5),0.5 mmol / LDTT 和 1 mmol / L Na2 S)。 25益条件下培养 30min,
50滋L 20% (w / v)TCA(三氯乙酸)终止反应,4益下 14000r / min 离心 20min,蛋白质被沉淀出来。 上清液转移
到试管中,加入 100滋L浓缩的醋酸和 200滋L水合茚三酮试剂(250mg水合茚三酮溶解 10 mL的浓缩醋酸与浓
盐酸(体积比 6颐4)中。 试管放在煮沸水中煮沸 10min,加入 550滋L 95%乙醇,然后迅速冷却。 以半胱氨酸做标
准曲线,560nm下测吸光度,然后计算丝氨酸乙酰转移酶的活性。
二硫键、硫氢键含量测定采用 Ellman忆S 试剂比色法测定[17]。 具体步骤如下:称取 100 mg 面粉,用 1 mL
Tris鄄Gly缓冲液溶解混匀后加入 4.7 g盐酸胍,并用此缓冲液定容至 10mL。
—SH含量测定:取该溶液 1 mL,加 4 mL脲鄄盐酸胍溶液和 0.05 mL Ellman忆S 试剂,于 412 nm 处比色(以
不含蛋白的 Tris鄄Gly 缓冲液作对照)。
—S—S—的测定:取该溶液 1 mL,加 0.05 mL 巯基乙醇和 4 mL 脲鄄盐酸胍溶液,25益保温 1h,加 10mL
12%TCA,继续 25益保温 1h,4000r / min离心 10 min,用 5 mL 12%TCA清洗沉淀物两次,将沉淀物溶于 10 mL
10 mol / L脲溶液中,加 0.05 mL Ellman忆S试剂,412 nm处比色测总—SH含量。
—SH含量计算公式:
—SH(滋mol / g)= 73.53伊A412伊D / C
—S—S—含量的计算方法:
—S—S—(滋mol / g)= 1 / 2(N2-N1)
式中,A412为 412 nm 处的吸光值;D为稀释因子;C为样品浓度。 N1 为原有—SH 含量;N2 为还原后的总—SH
含量。
1.4摇 数据处理
采用 Excel 2007软件处理试验数据,并用 SPSS18.0软件对试验数据进行两因素的方差分析,处理间均值
的多重比较用 Duncan 新复极差法,试验结果是 3次重复的平均值。
291 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 36卷摇
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2摇 结果与分析
2.1摇 酸雨对小麦氮代谢过程的影响
2.1.1摇 酸雨对小麦叶片游离氨基酸含量的影响
摇 摇 两个品种小麦叶片游离氨基酸含量总体均呈现先上升再下降的趋势,在花后 10d 达到最大值,随后均迅
速降低(图 1)。 灌浆初期酸雨显著提高了汶农 17 叶片中游离氨基酸含量,随后低于对照,花后 30d 后,下降
幅度小于对照。 扬麦 15在整个灌浆期酸雨处理游离氨基酸含量高于对照,酸度越高游离氨基酸含量越高。
图 1摇 不同酸度酸雨对小麦叶片游离氨基酸含量的影响
Fig.1摇 Effect of different acidity acid rain on free amino acid content in leaf of wheat
图中数值为平均值依标准差(n= 3)
2.1.2摇 酸雨对小麦叶片可溶性蛋白含量的影响
两个品种小麦叶片可溶性蛋白含量随着灌浆进程的推进不断下降,酸雨降低了可溶性蛋白质含量,随酸
雨酸度增强可溶性蛋白质含量下降幅度增大(图 2)。 pH2.5 酸雨处理后,汶农 17 中可溶性蛋白含量自花后
10d起分别较对照降低了 26.58%、28.37%、42.08%、55.94%和 63.59%,均与对照差异显著;扬麦 15 中可溶性
蛋白含量自花后 10d起分别较对照下降了 21.31%、11.14%、22.94%、39.64%和 30.99%(P<0.05)。
图 2摇 不同酸度酸雨对小麦叶片可溶性蛋白质含量的影响
Fig.2摇 Effect of different acidity acid rain on soluble protein content in leaf of wheat
2.1.3摇 酸雨对小麦叶片硝酸还原酶(NR)活性的影响
开花后两个品种小麦叶片 NR活性不断下降,酸雨降低了 NR活性(图 3)。 pH2.5 酸雨处理后,两个品种
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小麦 NR活性下降明显,汶农 17酶活性下降的幅度远大于扬麦 15,花后 10d 汶农 17 和扬麦 15 NR 活性分别
比对照低 30.28%和 23.69%。 灌浆末期两个品种小麦 NR活性受酸雨影响相对较小。
2.1.4摇 酸雨对小麦叶片谷氨酰胺合成酶(GS)活性的影响
两个品种小麦叶片 GS活性呈先缓慢上升后快速上升趋势,峰值出现在花后 25d,随后酶活性迅速下降
(图 4)。 酸雨对 GS活性影响因品种而异,花后 0—15d 时酸雨提高了扬麦 15 GS 活性,pH2.5 酸雨处理降低
了汶农 17 GS活性。 花后 20d后,酸雨处理提高了两品种 GS 活性,均与对照差异显著,花后 25d 时 pH4.0 和
pH2.5酸雨处理使汶农 17 GS 活性分别提高了 7. 32%和 14. 48%,扬麦 15 GS 活性分别提高了 8. 44%和
20.05%。
图 3摇 不同酸度酸雨对小麦叶片硝酸还原酶活性的影响
Fig.3摇 Effect of different acidity acid rain on NR activity in leaf of wheat
图 4摇 不同酸度酸雨对小麦叶片谷氨酰胺合成酶活性的影响
Fig.4摇 Effect of different acidity acid rain on GS activity in leaf of wheat
2.2摇 酸雨对小麦硫素代谢的影响
2.2.1摇 酸雨对小麦叶片丝氨酸乙酰转移酶(SAT)活性的影响
两个品种小麦叶片 SAT活性均随着灌浆进程的推进,呈先上升后降低趋势,花后 25d 酶活性达到峰值
(图 5)。 酸雨对 SAT活性的影响因品种而异,整个灌浆期,酸雨对汶农 17 SAT活性影响较小。 花后 15d 后,
酸雨显著提高了扬麦 15 SAT 活性。 花后 15、20、25、30d 时 pH4.0 酸雨处理与对照相比 SAT 活性分别提高
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43.94%、31.69%、22.34%、17.44%,pH2.5酸雨处理与对照相比 SAT 活性分别提高 83.96%、58.47%、26.23%、
19.06%,表明随着酸雨酸度提高,扬麦 15 SAT活性升高。
2.2.2摇 酸雨对小麦叶片 O鄄乙酰丝氨酸硫裂解酶(OAS鄄TL)活性的影响
汶农 17 OAS鄄TL活性变化趋势与 SAT活性变化类似,不同酸雨处理间差异不显著(图 6),表明酸雨对汶
农 17叶片 OAS鄄TL的影响较小。 酸雨提高了扬麦 15 叶片 OAS鄄TL 活性,且随着酸度的增加酶活性升高,
pH4.0酸雨处理酶活性与对照相比差异基本不显著。 花后 15—20d,pH2.5酸雨处理酶活性显著高于其它两个
处理。
图 5摇 不同酸度酸雨对小麦叶片丝氨酸乙酰转移酶活性的影响
Fig.5摇 Effect of different acidity acid rain on SAT activity in leaf of wheat
图 6摇 不同酸度酸雨对小麦叶片 O-乙酰丝氨酸硫裂解酶活性的影响
Fig.6摇 Effect of different acidity acid rain on OAS鄄TL activity in leaf of wheat
2.3摇 酸雨对小麦籽粒蛋白质及氨基酸含量的影响
2.3.1摇 酸雨对小麦籽粒总游离氨基酸含量的影响
小麦籽粒游离氨基酸含量随着灌浆进程推进不断下降(图 7)。 灌浆前期 pH2.5 酸雨处理降低了籽粒氨
基酸含量,花后 10d时,汶农 17和扬麦 15 pH2.5 酸雨处理游离氨基酸含量分别比对照低 24.92%和 17.44%
(P<0.05)。 灌浆中后期对照游离氨基酸含量下降速度高于酸雨处理。 花后 35d,汶农 17 pH4.0 和 pH2.5 酸
雨处理游离氨基酸含量与对照相比分别高 66.61%和 134.28%,扬麦 15 pH4.0 和 pH2.5 酸雨处理游离氨基酸
含量与对照相比分别高 25.4%和 47.01%。
591摇 1期 摇 摇 摇 孙其松摇 等:不同酸度酸雨对小麦花后氮硫代谢和籽粒蛋白组分的影响 摇
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2.3.2摇 酸雨对小麦籽粒蛋白质含量及其组分的影响
从表 1中可以看出,酸雨能显著降低两个品种小麦籽粒产量,pH4.0、pH2.5 酸雨处理使汶农 17 籽粒产量
较对照依次下降了 3.48%、13.73%,扬麦 15籽粒产量依次下降了 2.17%、8.16%。 说明两个品种小麦籽粒产量
随酸度升高而降低,酸雨对汶农 17籽粒产量影响更大。 酸雨显著提高了两个品种小麦籽粒蛋白质含量,但对
蛋白质产量影响因品种而异,酸雨显著升高了扬麦 15蛋白质产量,pH2.5 酸雨处理降低汶农 17 蛋白质产量。
酸雨提高了清蛋白、球蛋白含量、醇溶蛋白、谷蛋白含量,且随着 pH值的降低,4种蛋白组分升高的幅度增大。
图 7摇 不同酸度酸雨对小麦籽粒游离氨基酸含量的影响
Fig.7摇 Effect of different acidity acid rain on free amino acid content in grains of wheat
表 1摇 不同酸度酸雨对小麦籽粒产量、蛋白质含量及其组分的影响
Table 1 摇 Effects of different acidity acid rain on yield, crude protein content and component in wheat grain
品种
Cultivar
处理
Treatment
产量
Yield /
(g /株)
蛋白质产量
Protein yield /
(g /株)
总蛋白质
Protein / %
清蛋白
Albumin / %
球蛋白
Globulin / %
醇溶蛋白
Gliadin / %
谷蛋白
Glutenin / %
pH5.6 2.26c 0.30c 13.26c 2.38b 1.02c 4.68c 3.03c
汶农 17 pH4.0 2.18d 0.31c 13.91b 2.53b 1.34a 4.85b 3.44b
PH2.5 1.95e 0.28d 14.48a 2.85a 1.37a 5.02a 3.74a
pH5.6 3.05a 0.35b 12.50d 1.92c 0.88d 3.52e 2.83d
扬麦 15 pH4.0 2.99a 0.40a 13.32c 2.23b 1.05c 3.67e 3.05c
pH2.5 2.80b 0.39a 13.98b 2.44b 1.22b 3.90d 3.66a
摇 摇 表中数值为平均值(n= 3),相同字母表示差异不显著,小写字母表示 P﹤ 0.05
2.3.3摇 酸雨对小麦籽粒蛋白质含硫氨基酸和二硫键含量的影响
小麦籽粒含硫氨基酸主要是半胱氨酸和甲硫氨酸,从表 2中可以看出,酸雨显著提高了扬麦 15含硫氨基
酸含量,酸度越高含硫氨基酸含量越高,汶农 17不同处理间含硫氨基酸含量差异不显著。 两个品种小麦籽粒
中的硫氢键和二硫键含量随着酸雨酸度升高而上升,pH4.0 和 pH2.5 酸雨处理使汶农 17 硫氢键含量与对照
相比增加了 5.97%和 7.93%,扬麦 15增加了 4.84%和 7.63%。 pH4.0和 pH2.5酸雨处理使汶农 17二硫键含量
比对照增加了 3.47%和 6.16%,扬麦 15增加了 2.93%和 4.61%。 表明和扬麦 15 相比,酸雨更能提高汶农 17
硫氢键和二硫键含量。
2.3.4摇 酸雨对小麦籽粒组成蛋白质氨基酸组分含量的影响
从表 3中可以看出,酸雨对小麦籽粒中组成蛋白质其余氨基酸含量有较大影响。 在 pH4.0和 pH2.5酸雨
处理下,汶农 17籽粒组成蛋白质其余氨基酸含量较对照依次增加了 4.83%和 8.57%,扬麦 15 较对照依次增
加了 14.52%和 22.14%,说明酸雨使扬麦 15组成蛋白质其余氨基酸含量增加的幅度大于汶农 17,且籽粒中组
691 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 36卷摇
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成蛋白质其余氨基酸含量随着酸度升高而升高。
表 2摇 不同酸度酸雨对小麦含硫氨基酸和二硫键含量的影响
Table 2摇 Effects of different acidity acid rain on sulfur amino acid content and —S—S in wheat grain
品种
Cultivar
处理
Treatment
半胱氨酸含量
Cys / %
甲硫氨酸
Met / %
硫氢键
—SH / (滋mol / g)
二硫键
—S—S—/ (滋mol / g)
汶农 17 pH5.6 0.254a 0.203ab 3.532d 7.367d
pH4.0 0.253a 0.213a 3.743c 7.623c
PH2.5 0.258a 0.203ab 3.812c 7.821b
扬麦 15 pH5.6 0.221c 0.165d 3.969b 7.878b
pH4.0 0.239b 0.176c 4.161ab 8.109a
pH2.5 0.265a 0.193b 4.272a 8.241a
摇 摇 表中数值为平均值(n= 3),相同字母表示差异不显著,小写字母表示 P﹤ 0.05
表 3摇 不同酸度酸雨对品种小麦籽粒其余氨基酸含量的影响
Table 3摇 Effects of different acidity acid rain on the rest amino acid content in wheat grains
氨基酸组分
Amino acid composition
汶农 17
pH5.6 pH4.0 pH2.5
扬麦 15
pH5.6 pH4.0 pH2.5
天冬氨酸 Asp 0.650 0.676 0.706 0.565 0.618 0.640
丝氨酸 Ser 0.637 0.672 0.696 0.585 0.667 0.701
谷氨酸 Glu 4.281 4.555 4.728 3.824 4.540 4.829
甘氨酸 Gly 0.558 0.572 0.597 0.507 0.569 0.605
组氨酸 His 0.326 0.335 0.351 0.269 0.305 0.328
精氨酸 Arg 0.614 0.628 0.644 0.525 0.570 0.624
脯氨酸 Pro 1.295 1.356 1.420 1.099 1.304 1.427
酪氨酸 Tyr 0.371 0.391 0.349 0.343 0.345 0.388
丙氨酸 Ala 0.496 0.511 0.544 0.425 0.465 0.483
苏氨酸 Thr 0.397 0.415 0.427 0.357 0.398 0.415
缬氨酸 Val 0.596 0.617 0.640 0.517 0.576 0.607
异亮氨酸 Ile 0.441 0.461 0.480 0.386 0.439 0.471
亮氨酸 Leu 0.936 0.972 1.006 0.797 0.905 0.964
苯丙氨酸 Phe 0.629 0.657 0.680 0.550 0.633 0.683
赖氨酸 Lys 0.389 0.407 0.429 0.351 0.378 0.392
总计 Total / % 12.616 13.225 13.697 11.1 12.712 13.557
苏氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸是必需氨基酸,酸雨提高两个品种小麦必
需氨基酸含量,说明酸雨一定程度上可以提高小麦的营养品质。
3摇 讨论
酸雨改变了植物生长的环境,打破了其内部的酸碱平衡,造成植物形态和生理机能的损伤[8],引起植株
生物量或产量的下降。 本研究结果显示在酸雨胁迫下,小麦产量呈下降趋势,尤其是 pH2.5 酸雨处理产量显
著下降,与前人研究结论一致[5,12]。 不同品种对酸雨响应程度不同,本研究中酸雨对汶农 17 产量影响大于扬
麦 15。
酸雨对植物除了具有酸度胁迫效应,也具有氮、硫元素的营养效应,在一定程度上影响植物的氮硫代谢。
酸雨对植物氮代谢影响比较复杂,有研究显示,酸雨处理抑制了杜仲硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶
(GS)等氮代谢关键酶活性[18鄄19],降低了小麦叶片氨基酸、可溶性蛋白含量[5]和叶片的含氮量[6,19]。 但也有研
究显示酸雨对氮的累积没有影响[18]或能提高了小麦根系和地上部的含 N 量[20]及小麦籽粒蛋白质含量[12]。
本研究结果显示强酸雨(pH2.5)处理降低了小麦叶片 NR活性和可溶性蛋白含量,表明酸雨可能抑制了叶片
791摇 1期 摇 摇 摇 孙其松摇 等:不同酸度酸雨对小麦花后氮硫代谢和籽粒蛋白组分的影响 摇
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蛋白的合成,与前人研究结果基本一致[21]。 叶片可溶性蛋白含量的下降也有可能由于酸胁迫下蛋白质的水
解加剧所致。 本研究结果显示酸雨处理提高了扬麦 15 整个灌浆期和汶农 17 灌浆中后期旗叶 GS 活性。 GS
是一种多功能酶,它与氮高效利用、作物耐逆特性密切相关[22]。 GS 活性提高可促进叶片蛋白降解形成谷氨
酰胺,进而运输到籽粒为蛋白质合成提供底物,这也可能是酸雨处理后叶片游离氨基酸含量不同程度升高及
籽粒蛋白质含量升高的原因。
我国酸雨以硫酸型为主,SO2-4 是酸雨中最主要的阴离子,喷施酸雨在一定程度上增强了对植株的硫营养
供应。 本研究结果显示酸雨处理提高了两个品种小麦籽粒中含硫氨基酸和二硫键的含量。 植物吸收的 SO2-4
经过植物一系列还原与同化反应后进入有机骨架,生成半胱氨酸(Cys),植物以 Cys为前体,再合成众多具有
重要生物学功能的代谢产物,其中 SAT 和 OAS鄄TL 是 Cys 合成的关键酶[23]。 本研究结果显示酸雨处理明显
提高了扬麦 15硫代谢关键酶活性,但对汶农 17硫代谢关键酶活性影响很小,表明酸雨提高了扬麦 15 硫素同
化能力,这也可能是扬麦 15对酸雨抗性较汶农 17强及籽粒含硫氨基酸含量变化大于汶农 17的原因。
蛋白质是小麦籽粒的重要成分,清蛋白、球蛋白及必需氨基酸的含量影响营养品质,而谷蛋白和醇溶蛋白
决定面团的黏弹性,对面粉加工品质产生重要影响[24]。 本研究结果显示随着酸雨酸度增大,籽粒中总蛋白及
各蛋白组分含量逐渐升高。 这可能是由于酸度越强,酸雨中的 NO-3、SO2
-
4 越多,起到了增施氮、硫肥的效
果[25]。 氮和硫均是蛋白质分子不可缺少的组成部分,充足的硫含量提高了含硫氨基酸含量,有利于富含 Cys
和 Met的蛋白质的合成[26],含硫蛋白 Cys 中的二硫键(—S—S—)有助于提高面筋的弹力,进而影响小麦的加
工品质。 可见酸雨提高了两品种籽粒氨基酸组分及蛋白组分含量,可能有助于强筋小麦汶农 17 加工品质的
改善,但不利于弱筋小麦扬麦 15加工品质的改善。 小麦籽粒蛋白质和氨基酸组分含量的提高也可能和籽粒
产量下降形成的浓缩效应有关。
综上所述,花后不同酸度酸雨降低了小麦籽粒产量,对小麦氮硫代谢也产生了一定影响。 酸雨处理抑制
了叶片 NR活性,在灌浆中后期提高了叶片 GS活性,促进氮素的分解转移,为籽粒蛋白质合成提供底物,总体
提高了籽粒氨基酸组分、籽粒蛋白质含量及组分的含量、含硫氨基酸和二硫键的含量,有利于两品种小麦的营
养品质提高,但对两品种小麦加工品质有不同影响。
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