全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 10 期摇 摇 2012 年 5 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
基于系统动力学的城市住区形态变迁对城市代谢效率的影响 李旋旗,花利忠 (2965)…………………………
居住鄄就业距离对交通碳排放的影响 童抗抗,马克明 (2975)……………………………………………………
经济学视角下的流域生态补偿制度———基于一个污染赔偿的算例 刘摇 涛,吴摇 钢,付摇 晓 (2985)…………
旅游开发对上海滨海湿地植被的影响 刘世栋,高摇 峻 (2992)……………………………………………………
汶川地震对大熊猫主食竹———拐棍竹竹笋生长发育的影响 廖丽欢,徐摇 雨,冉江洪,等 (3001)………………
江西省森林碳蓄积过程及碳源 /汇的时空格局 黄摇 麟,邵全琴,刘纪远 (3010)…………………………………
伊洛河流域草本植物群落物种多样性 陈摇 杰,郭屹立,卢训令,等 (3021)………………………………………
新疆绿洲农田不同连作年限棉花根际土壤微生物群落多样性 顾美英,徐万里,茆摇 军,等 (3031)……………
荒漠柠条锦鸡儿 AM真菌多样性 贺学礼,陈摇 烝,郭辉娟,等 (3041)……………………………………………
彰武松、樟子松光合生产与蒸腾耗水特性 孟摇 鹏,李玉灵,尤国春,等 (3050)…………………………………
中亚热带常绿阔叶林粗木质残体呼吸季节动态及影响因素 刘摇 强,杨智杰,贺旭东,等 (3061)………………
盐土和沙土对新疆常见一年生盐生植物生长和体内矿质组成的影响 张摇 科,田长彦,李春俭 (3069)………
长白山北坡林线灌木草本植物与岳桦的动态关系 王晓东,刘惠清 (3077)………………………………………
不同生态条件对烤烟形态及相关生理指标的影响 颜摇 侃,陈宗瑜 (3087)………………………………………
基于因子分析的苜蓿叶片叶绿素高光谱反演研究 肖艳芳,宫辉力,周德民 (3098)……………………………
三峡库区消落带水淹初期土壤种子库月份动态 王晓荣,程瑞梅,唐万鹏,等 (3107)……………………………
三种利用方式对羊草草原土壤氨氧化细菌群落结构的影响 邹雨坤,张静妮,陈秀蓉,等 (3118)………………
西洋参根残体对自身生长的双重作用 焦晓林,杜摇 静,高微微 (3128)…………………………………………
不同程度南方菟丝子寄生对入侵植物三叶鬼针草生长的影响 张摇 静,闫摇 明,李钧敏 (3136)………………
山东省部分水岸带土壤重金属含量及污染评价 张摇 菊,陈诗越,邓焕广,等 (3144)……………………………
太湖蓝藻死亡腐烂产物对狐尾藻和水质的影响 刘丽贞,秦伯强,朱广伟,等 (3154)……………………………
不同生态恢复阶段无瓣海桑人工林湿地中大型底栖动物群落的演替 唐以杰,方展强,钟燕婷,等 (3160)……
江西鄱阳湖流域中华秋沙鸭越冬期间的集群特征 邵明勤,曾宾宾,尚小龙,等 (3170)…………………………
秦岭森林鼠类对华山松种子捕食及其扩散的影响 常摇 罡,王开锋,王摇 智 (3177)……………………………
内蒙古草原小毛足鼠的活动性、代谢特征和体温的似昼夜节律 王鲁平, 周摇 顺, 孙国强 (3182)……………
温度和紫外辐射胁迫对西藏飞蝗抗氧化系统的影响 李摇 庆,吴摇 蕾,杨摇 刚,等 (3189)………………………
“双季稻鄄鸭冶共生生态系统 C循环 张摇 帆,高旺盛,隋摇 鹏,等 (3198)…………………………………………
水稻籽粒灌浆过程中蛋白质表达特性及其对氮肥运筹的响应 张志兴,陈摇 军,李摇 忠,等 (3209)……………
专论与综述
海水富营养化对海洋细菌影响的研究进展 张瑜斌,章洁香,孙省利 (3225)……………………………………
海洋酸化效应对海水鱼类的综合影响评述 刘洪军,张振东,官曙光,等 (3233)…………………………………
入侵种薇甘菊防治措施及策略评估 李鸣光,鲁尔贝,郭摇 强,等 (3240)…………………………………………
研究简报
渭干河鄄库车河三角洲绿洲土地利用 /覆被时空变化遥感研究
孙摇 倩,塔西甫拉提·特依拜, 张摇 飞,等 (3252)
……………………………………………………
……………………………………………………………
2009 年冬季东海浮游植物群集 郭术津,孙摇 军,戴民汉,等 (3266)……………………………………………
新疆野生多伞阿魏生境土壤理化性质和土壤微生物 付摇 勇,庄摇 丽,王仲科,等 (3279)………………………
塔里木盆地塔里木沙拐枣群落特征 古丽努尔·沙比尔哈孜,潘伯荣, 段士民 (3288)…………………………
矿区生态产业共生系统的稳定性 孙摇 博,王广成 (3296)…………………………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*338*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*36*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄05
封面图说: 哈巴雪山和金沙江———“三江并流冶自然景观位于青藏高原南延部分的横断山脉纵谷地区,由怒江、澜沧江、金沙江
及其流域内的山脉组成。 它地处东亚、南亚和青藏高原三大地理区域的交汇处,是世界上罕见的高山地貌及其演化
的代表地区,也是世界上生物物种最丰富的地区之一。 哈巴雪山在金沙江左岸,与玉龙雪山隔江相望。 图片反映的
是金沙江的云南香格里拉段,远处为哈巴雪山。 哈巴雪山主峰海拔 5396 m,而最低江面海拔仅为 1550 m,山脚与山
顶的气温差达 22. 8益,巨大的海拔差异形成了明显的高山垂直性气候。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 10 期
2012 年 5 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 10
May,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金(30871494); 教育部博士点基金(200803890006); 福建省自然科学基金(2007J0304, 2008J0042, 2009J01060); 福
建省教育厅科技计划项目(JK2011014)
收稿日期:2011鄄04鄄12; 摇 摇 修订日期:2011鄄11鄄15
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: wenxiong181@ 163. com
DOI: 10. 5846 / stxb201104120483
张志兴,陈军,李忠,李兆伟,黄锦文,陈婷, 方长旬, 陈鸿飞,林文雄. 水稻籽粒灌浆过程中蛋白质表达特性及其对氮肥运筹的响应. 生态学报,
2012,32(10):3209鄄3224.
Zhang X, Cheng J, Li Z, Li Z W, Huang J W, Chen T, Fang C X, Lin W X. Protein expression characteristics and their response to nitrogen application
during grain鄄filling stage of rice (Oryza Sativa. L). Acta Ecologica Sinica,2012,32(10):3209鄄3224.
水稻籽粒灌浆过程中蛋白质表达特性
及其对氮肥运筹的响应
张志兴1,2,陈摇 军1,李摇 忠1,李兆伟2,黄锦文2,陈摇 婷1,2,
方长旬1,2, 陈鸿飞1,2,林文雄1,2,*
(1. 福建农林大学生命科学学院农业生态研究所, 福州摇 350002;
2. 福建农林大学作物遗传育种与综合利用教育部重点实验室, 福州摇 350002 )
摘要:采用大田栽培的方式,研究了大穗型水稻金辉 809 籽粒灌浆过程中蛋白质的差异表达变化模式以及同一施氮量下不同的
氮肥施用比例(总施氮量 225 kg / hm2,基蘖肥:穗粒肥分别为 7颐3 和 6颐4)对强弱势粒灌浆影响的分子机制。 获得了水稻不同灌
浆时段籽粒总蛋白的表达图谱,共发现 32 个在灌浆过程中发生显著差异表达的蛋白点,涉及籽粒的淀粉合成,能量代谢,激素
信号转导,基因表达调节和抗逆响应等。 在此基础上,进一步构建了不同灌浆发育时段水稻强弱势籽粒响应不同氮肥比例调控
的蛋白表达图谱,结果发现强势籽粒响应氮肥调控出现差异表达的蛋白点有 8 个,而弱势籽粒有 26 个,可见强势籽粒灌浆具有
更强的环境稳定性,相对地,弱势籽粒灌浆则易被环境所调节。 在总施氮量不变的情况下,适当增加生育后期氮肥的施用量,有
利于增强弱势籽粒中信号转导,促进相关基因的表达,提高物质调运与能量代谢速率,增强抗逆性,增强弱势籽粒的代谢水平,
延长其灌浆时期,提升弱势籽粒活性和灌浆强度,增加结实率和千粒重,最终实现高产高效。 研究结果对于进一步明确氮素调
控水稻强弱势粒灌浆的分子生态特性具有重要的理论与实际意义。
关键词:水稻;强弱势籽粒;灌浆;蛋白组学;氮肥
Protein expression characteristics and their response to nitrogen application
during grain鄄filling stage of rice (Oryza Sativa. L)
ZHANG Zhixing1,2, CHENG Jun1, LI Zhong1, LI Zhaowei2, HUANG Jinwen2, CHEN Ting1, 2, FANG Changxun1,
CHEN Hongfei1,2,LIN Wenxiong1,2,*
1 Institute of Agricultural Ecology, School of Life Sciences, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China
2 Key Laboratory of Ministry of Education for Genetics, Breeding and Multiple Utilization of Crops, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou
350002, China
Abstract: Grain鄄filling directly relates to the productivity and quality of rice, and the degree and rate of rice grain鄄filling
differ considerably according to the position to the grain忆 s position on a panicle. In general, the earlier flowering and
superior grains, which are located on the apical primary branches, are filled faster and formed larger and heavier grains,
while the inferior grains are set on the proximal secondary branches with sterile or poor quality. To meet a high productivity
requirement for the modern rice variety, the following issues have to be answered: (a) what is the molecular ecological
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process of grain鄄filling, (b) how can the grain鄄filling of inferior grains be enhanced, and (c) how can the yield of the large
panicle rice, in particular, be increased. Previous studies have shown that nitrogen ( N) fertilization has significantly
positive effect on rice忆s grain鄄filling. However, whether N fertilization in the post鄄growth stage of rice is appropriate largely
depending on the dynamic transport of N in rice leaves, which plays an important role in the physiological activity and hence
affects the grain鄄filling of rice. Furthermore, the underlying molecular ecological effect of N fertilization on the grain鄄filling
is less investigated particularly in large鄄panicle rice in the field.
The present study investigated the characteristics of protein expression and their response to different N fertilizations
during the grain鄄filling stage of an indica large鄄panicle rice cultivar ( Jinhui 809 ), by the 2D technique. The field
experiments were carried out at the Experimentation Station of Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou
(119郾 280E, 26. 080 N), Fujian, China during the rice growing season ( June鄄November) in 2006 and 2007. Field
management was the same, except the N application ratios between the 2006 and 2007 experiments. In 2006, the 225 kg /
hm2 N were applied with the regular fertilization. In 2007, the constant of the total N supply, but the N fertilizer was given
in two early to late growth stage application ratios. i. e. , 7颐3 and 6颐4, as the treatments. The grain samples were collected
in 2006 and the superior and inferior grains samples under the different N application ratios were collected separately in
2007 were used for the protein extraction. Then, the extracted grain proteins were separated with the two鄄dimensional gel
electrophoresis(2DE) with the Isoelectric focusing ( IEF) tube gels for the first dimension, and sodium dodecyl sulfate
polyacrylamide gel electrophoresis ( SDS鄄PAGE) for the second dimension (2D) separation. A total of 32 differentially
expressed proteins at different grain鄄filling phases were detected by the 2D maps of grain proteome. Among them, 27
proteins were successfully identified by Mass Spectrometry (MS). And, these identified proteins in different grain鄄filling
phases were grouped into five expression patterns according to their functions in starch synthesis, energy metabolism, signal
transduction and gene expression, as well as their regulation in the defense response to stresses, etc. . The differential
expression patterns of proteins in superior and inferior grains at different phases responding to different N application ratios
were then analyzed. The results showed that 22 out of 26 differentially expressed proteins were identified in inferior grains,
while 7 out of 8 proteins with differential expressions were identified in superior grains. Our results indicated that the grain鄄
filling of the superior grains, especially in the large鄄panicle rice, had a higher environmental stability, while the reverse
was true in the case of inferior grains. The present study also showed that the increases in N supply at grain鄄filling phases of
rice favored in the up鄄regulation of the genes involved in physiological activities of inferior grain filling, including the
signals transduction, gene expression, energy accumulation for the material metabolism, and hormone production etc. in
inferior grains of rice, in turn, leading to increased yield. This study adds new significant insights to our current
understanding of the regulation of rice grain filling by N application.
Key Words: grain filling; nitrogen fertilization; proteomics; rice; superior and inferior grains
水稻籽粒灌浆充实过程对水稻产量形成具有重要作用。 在水稻的生产实际上,灌浆期栽培管理措施的不
恰当会导致籽粒的灌浆差,结实率低,限制了水稻高产潜力的发挥。 因此,明确水稻籽粒灌浆过程的动态变化
及其对栽培调控的响应机制对促进水稻高产的形成具有重要的意义。 水稻尤其是大穗型水稻在正常栽培条
件下,存在着两个灌浆高峰期和两个环境敏感期,这是由于籽粒的异步灌浆造成的。 一般来说位于稻穗上部
的强势籽粒优先启动灌浆,灌浆速率快,充实度高;而位于穗下部的弱势籽粒灌浆启动慢,灌浆速率慢,充实度
差[1鄄3], 弱势籽粒灌浆结实差被认为是限制水稻高产潜力发挥的主要原因。 前人就弱势籽粒灌浆差的机理已
经作了大量的工作,提出了许多观点,认为弱势籽粒灌浆期间光合同化物供应不足[4鄄5],弱势籽粒库容较
小[6],光合同化物向弱势籽粒的运输不流畅[7]、弱势粒中内源激素间的不平衡[8]、弱势粒灌浆要求的能量水
平高[9]等。 最近研究表明, 灌浆始期籽粒库生理活性低和活跃灌浆期蔗糖转化为淀粉的生化效率低是弱势
0123 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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粒灌浆差的重要原因[10鄄12]。
进一步的研究表明,外界环境及栽培措施的变化对强势籽粒的灌浆作用不显著,而主要对弱势籽粒的灌
浆产生影响,说明弱势籽粒灌浆易被环境所调节,暗示着可以通过有效的栽培调控措施促进弱势籽粒的灌浆。
例如,通过调整肥料的施用时期及施用量提高水稻抽穗期茎鞘中非结构性碳水化物与颖花数之比[13],采用干
湿交替的水分管理措施提高活跃灌浆期籽粒 ABA与乙烯的比值[14鄄15],进而促进籽粒灌浆。 氮肥运筹方式是
稻田栽培调控中关键的一种措施。 彭显龙等人研究发现,通过前氮后移的实地氮肥管理可合理调控水稻的碳
氮代谢,从而保证水稻具有适宜穗数,促进提早抽穗,利于形成大穗;同时能控制水稻抽穗前期干物质的积累,
增加抽穗后期干物质和养分积累量[16鄄17]。 杨建昌等人认为适当的前氮后移能够促进弱势籽粒的充实[13]。 本
人在前期的研究也发现适当提高生育后期氮肥的施用量能够促进籽粒灌浆期叶片相关蛋白的表达,进而影响
了籽粒灌浆的进程[18]。
综上可知,氮素对水稻籽粒的灌浆具有重要的调节作用。 然而,籽粒的灌浆是个复杂的生态学过程,要明
确氮素对籽粒灌浆的调控机制,就需要借助系统生物学方法,如蛋白质组学,深入揭示氮素调控籽粒灌浆的生
理生化过程与分子作用网络。 本研究以大穗型水稻“金恢 809冶(每穗平均不少于 300 粒)为供试材料,通过 2
年的试验,构建水稻籽粒灌浆不同时段的蛋白质表达图谱,并对籽粒发育过程中发生差异表达的蛋白质及其
功能进行鉴定分析,探讨氮素调控水稻强、弱势粒灌浆响应的蛋白质差异表达模式与分子作用网络,以期为深
入揭示大穗型水稻强、弱势粒灌浆差异的分子生态机理,制定合理的栽培调控措施和科学的分子改良策略提
供理论依据。
1摇 材料与方法
1. 1摇 试验材料
试验于 2006 年 6 月在福建农林大学教学农田进行。 以本所选育的大穗型水稻(Oryza sativa L. ssp.
indica)“金恢 809冶(据考种每穗平均 305 粒,千粒重 27. 45 g)为材料。 6 月 25 日播种,7 月 21 日插秧,单本插,
田间插植规格为 18 cm伊15 cm. 试验地土壤理化性状为:沙壤土,pH 值 5. 7,全氮 2. 20 g / kg、速效氮 190. 6
mg / kg、全磷 1. 25 g / kg、速效磷 126. 6 mg / kg、全钾 1. 05 g / kg、速效钾 201. 6 mg / kg。 田间栽培按照常规高产栽
培技术管理,按施纯氮 225 kg / hm2 折算每区用量,N 颐P 颐K = 1颐0. 5颐0. 8。 于抽穗期进行田间挂牌标记,分别在
抽穗后的 7、14、21、和 28d随机选取主穗脱粒,保存于超低温冰箱,用于蛋白质的提取与分析。 2007 年同季同
地点重复了上述试验,并在相同的施氮量及其三要素比例下设置两个前后期施氮肥比例: 6 颐4 即施氮量的
30%作基肥,30%作追肥, 30%作穗肥, 10%粒肥; 7 颐3 即施氮量的 40%作基肥,30%作追肥, 20%作穗肥,
10%作粒肥。 试验设置 4 次重复, 共 8 个小区, 每个小区面积 25m2, 于抽穗期进行田间挂牌标记,并根据前
人研究提出的强弱势粒灌浆特性[1,12],分别在涉及强势粒灌浆全过程即抽穗后的第 7、14 和 21 天以及涉及弱
势粒灌浆全过程即抽穗后的第 7、14、21、28 和 35 天不同时段,在标记的水稻主穗中按前人设定的水稻强、弱
势粒[12]进行随机取样并超低温保存,用于蛋白质的提取。 2006 和 2007 年试验期间的气候属于福州正常气候
年份,籽粒灌浆期(9 月,10 月)的平均气温为 25—32益。
1. 2摇 籽粒蛋白质样品的制备
取 1g水稻籽粒样品,液氮研磨成粉,加入预冷的 10%的三氯乙酸(TCA)抽提液(10% TCA,90%丙酮,
0郾 07%巯基乙醇),重悬沉淀,-20益沉淀过夜。 4益下 14000r / min离心 30min,弃上清,沉淀用预冷的丙酮(含
0郾 07%巯基乙醇)重悬,于-20益静置 2h;重复该步骤 2—3 次,直至上清液澄清。 4益下 14000r / min 离心
30min,弃上清,真空干燥,所得的个处理蛋白干粉分别于-20益保存待用[19]。 取 50mg 蛋白干粉加入 500滋L
蛋白裂解液(含 7mol / L 尿素, 2mol / L硫脲, 5% CHAPS, 2%巯基乙醇, 5% pH 3. 5—10 电解质),于超声波
清洗器中 25益超声处理 30min。 4益下 14000r / min离心 30min,取上清,用于蛋白定量以及后续的双向电泳实
验。 蛋白定量采用 Bradford方法进行。
1. 3摇 双向电泳(2鄄DE)
双向电泳采取自制的管胶技术进行[19]。 一向聚焦采用 18 cm 自制管状胶条,蛋白上样总量为 150 滋g。
1123摇 10 期 摇 摇 摇 张志兴摇 等:水稻籽粒灌浆过程中蛋白质表达特性及其对氮肥运筹的响应 摇
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聚焦程序如下: 200、300、400、500、600、800 V各 30 min,1000 V 16 h,1100 V 6h。 聚焦温度 28益。 一向聚焦
完成后,取出胶条加入平衡液(60mmol / L Tris鄄HCL pH 6. 8, 2% SDS, 5%巯基乙醇, 10%甘油,0. 05%溴酚
蓝)平衡 30min,立即进行第二向 SDS鄄PAGE。 凝胶规格为 180 mm伊180 mm伊1. 5 mm,分离胶浓度为 10% ,浓
缩胶浓度为 5% 。 采用 20mA /每板胶恒流电泳,温度 15益,待溴酚蓝距底部 1cm 即可停止电泳。 凝胶染色采
用硝酸银染色法。
1. 4摇 蛋白质图谱分析及差异点的确定
胶片扫描采用 Microtek Scan Marker 8700 扫描仪,构建蛋白表达图谱。 图谱分析采用 ImageMaster5. 0 软
件进行,人工去除杂点后进行蛋白点的匹配分析,当蛋白质点间表达丰度值差异大于 1. 5 倍时,认为该蛋白点
具有显著性差异。
1. 5摇 蛋白质点胶内酶解
蛋白点的酶解参照 Lin 等[20]的方法略作修改进行。 挖取差异蛋白点,放入 0. 5ml 离心管。 每个蛋白点
用双蒸水清洗 2 遍;在 1颐1 的 0. 03 mol / L铁氰化钾和 0. 1 mol / L 硫代硫酸钠混合液中脱色;57益条件下 0. 01
mol / L DTT溶液中还原 1 h,0. 055 mol / L 碘乙酰胺溶液烷基化 1 h;乙腈脱水并真空干燥后放入酶解液中
(12郾 5滋g / mL胰岛素酶,0. 05 mol / L碳酸氢铵)37益下酶切过夜;上清液转移至 200 滋L离心管中,加入萃取液
(含 5% TFA的 50%乙氰)萃取酶切产物,真空干燥。
1. 6摇 MALDI鄄TOF / MS(基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱)分析
采用用德国 BRUKER公司的 ReFlexTM仃 MALDI鄄TOF质谱仪。 基质为 HCCA(a鄄cyano鄄4鄄hydroxy鄄cinnamic
acid), 用含有 0. 1%的 TFA的 40%乙氰配成饱和液体。 取 3滋L 基质和样品混合液放入点样钢靶上,采用反
射模式,离子源加速电压 1 为 20 kV,加速电压 2 为 23 kV,N2 激光波长 337 nm,脉冲宽度为 3 ns,离子延迟提
取 2000 ns,真空度 1. 9伊10-5 Pa,质谱信号单次扫描累加 50 次,并用标准 Mark 峰作为外标校正质谱峰,正离
子谱检测。
1. 7摇 数据库检索
质谱分析所得数据去除杂峰后,通过 Mascot 数据库进行肽质量指纹谱检索。 数据库选用 NCBI;物种选
Oryza sativa ( rice );酶解所用的酶,选择 Trypsin;最大未水解酶切位点数,选择 1;固定修饰,选择
Carbamidomethyl(C);可变修饰,选择 Oxidation(M);可接受的肽段分子量误差为 0. 6Da。
2摇 结果
2. 1摇 水稻灌浆过程中籽粒蛋白质差异表达特性分析
2. 1. 1摇 不同灌浆时段籽粒蛋白差异表达及其功能鉴定
运用双向电泳技术对水稻抽穗后的第 7、14、21、和 28 天的籽粒总蛋白质进行分离,通过严格一致的操作
程序,得到分散度较好,重复性较高的籽粒 2鄄DE 图谱(图 1),通过软件分析,共鉴定到 4 个不同灌浆时段的
32 个显著差异表达的蛋白质点,部分蛋白点在籽粒灌浆 4 个时段的表达变化图谱见图 2。 质谱分析及数据库
检索后,除 22 号蛋白外,共有 31 个蛋白在蛋白数据库中得到明显的同源匹配,其中 4 个蛋白即 spot 3、6、23
和 25 为网上公布的假定蛋白,其余 27 个差异蛋白得到功能描述,依据蛋白功能可以归纳成 6 大功能类群
(表 1)。
2. 1. 2摇 不同灌浆时段籽粒差异表达蛋白的丰度变化分析
上述 32 个差异表达蛋白质的相对表达水平见图 3。 从中可以可以看出,整个灌浆期间蛋白质表达变化模
式有 5 种: 玉随灌浆进程而下降的有 15 个(编号为 spot 12,14,15,16,18,19,20,23,24,26,27,28,30,31,和
32);域随灌浆进程而上升的有 6 个(编号为 spot 2,3,6,7,9 和 17);芋随灌浆进程呈高鄄低鄄高变化的有 6 个
(编号为 spot 1,5, 8, 13,21 和 22);郁随灌浆进程呈低鄄高鄄低变化的有 4 个(编号为 spot 4,10,11,和 29);吁
呈不规则变化的有 1 个(编号为 spot25)。 从差异蛋白质的表达方式看,整个灌浆期间籽粒蛋白表达丰度随灌
浆进程而上升的是一类与储藏蛋白合成与累积等相关的蛋白,如推定的豆球蛋白、肌动蛋白解聚因子10、谷
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图 1摇 水稻籽粒在灌浆不同时期的蛋白双向电泳图谱
Fig. 1摇 The proteins two鄄dimensional electrophoresis patterns of grains during different filling stages
A: 抽穗后 7d; B:抽穗后 14d; C:抽穗后 21d; D:抽穗后 28d
表 1摇 水稻籽粒在不同灌浆时段发生的差异表达蛋白MALDI鄄TOF / MS质谱鉴定
Table 1摇 Identification of MALDI鄄TOF / MS mass spectrum for differentially expressed protein spots in rice grains at different time courses of
grain鄄filling
蛋白序号
Spots No.
登录号
Accession No.
匹配的蛋白质名称
Matched protein name
分子量
MW
等电点
pI
覆盖率
Coverage
分值
Score
淀粉合成与能量代谢 Starch synthesis and energy metabolism
07 Q0DEV5 糖原(淀粉)合成酶 glycogen(starch) synthase 66. 348 8. 36 22% 43
19 P0C2Z7 ATP 合酶 茁亚基 ATP synthase subunit beta 53. 921 5. 38 23% 36
蛋白质合成 Protein synthesis
02 Q6YNY7 天冬氨酸蛋白酶Aspartic proteinase 44. 694 7. 51 21% 42
08 P14614 谷蛋白 B型 4 / 5 前体 Glutelin type鄄B 4 / 5 precursor 56. 783 9. 00 32% 42
12 P56724 60S酸性核糖体蛋白 P360S acidic ribosomal protein P3 11. 887 4. 40 41% 45
13 Q2R2Z0 天冬氨酰 /谷氨酰鄄tRNA氨基转移酶 B亚基Aspartyl / glutamyl鄄tRNA amidotransferase subunit B 60. 059 5. 97 28% 48
3123摇 10 期 摇 摇 摇 张志兴摇 等:水稻籽粒灌浆过程中蛋白质表达特性及其对氮肥运筹的响应 摇
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摇 摇 续表
蛋白序号
Spots No.
登录号
Accession No.
匹配的蛋白质名称
Matched protein name
分子量
MW
等电点
pI
覆盖率
Coverage
分值
Score
18 Q6ZI52 翻译延伸因子 Tu蛋白Translational elongation factor Tu鄄like protein 21. 665 5. 16 55% 63
信号转导 Signal transduction
05 Q8LQ74 生长素响应蛋白 IAA6Auxin鄄responsive protein IAA6 36. 684 7. 64 33% 38
14 Q5KS50 胚芽鞘向光性蛋白 1Coleoptile phototropism protein 1 80. 554 7. 58 23% 52
20 Q336V9 蛋白激酶相似蛋白Protein kinase鄄like protein 43. 736 5. 34 21% 48
24 Q8GVE1 几丁质诱导型赤霉素响应蛋白 2Chitin鄄inducible gibberellin鄄responsive protein 2 60. 070 6. 00 15% 30
抗逆响应 Anti鄄adversity response
04 Q60EJ3 推定的 1,4 苯醌还原酶putative 1,4鄄benzoquinone reductase 21. 616 6. 30 50% 60
15 Q9FR35 硫氧还蛋白还原酶鄄2CThioredoxin reductase 2C 17. 280 5. 58 56% 58
16 P93407 Cu鄄Zn超氧化物歧化酶Superoxide dismutase [Cu鄄Zn] 21. 288 5. 79 41% 48
17 Q69YA4 硫氧还蛋白还原酶 QThioredoxin reductase 23. 722 9. 92 43% 40
26 Q9FE01 L鄄抗坏血酸过氧化物酶 2L鄄ascorbate peroxidase 2, cytosolic 27. 101 5. 21 47% 40
28 Q5JLS9 铜结合蛋白Random sequence, was copper鄄binding protein鄄like 17. 229 9. 41 48% 56
30 Q6ER94 巯基特异性抗氧化蛋白Thiol鄄specific antioxidant protein 28. 079 5. 67 30% 47
基因表达调节 Gene expression regulation
09 Q5VMV0 剪接辅助激活因子亚基蛋白Splicing coactivator subunit鄄like protein 12. 458 11. 84 55% 62
11 Q0D5B9
锌指 AN1 / C2H2 结构域胁迫相关蛋白 16
Zinc finger AN1 / C2H2 domain鄄containing stress鄄
associated protein 16
31. 872 8. 61 28% 38
27 Q7XEUS 转位因子蛋白Transposable element protein 143. 995 5. 70 20% 72
31 P35681 IgE依赖性组胺释放因子同源物质IgE鄄dependent histamine鄄releasing factor homolog 18. 934 4. 51 74% 67
32 Q6H595
锌指 AN1 结构域胁迫相关蛋白 17
Zinc finger AN1 domain鄄containing stress鄄associated
protein 17
19. 878 8. 90 28% 37
籽粒发育 Grain development
10 Q337A5 肌动蛋白解聚因子 10Actin鄄depolymerizing factor 10 (ADF鄄10) 17. 375 5. 66 47% 35
21 Q8LID2 推定的花序种子性别决定蛋白 2Putative sex determination protein tasselseed 2 29. 321 5. 96 31% 44
29 Q8S3Q3 推定的无孢子生殖相关蛋白 CPutative apospory鄄associated protein C 37. 926 5. 10 22% 35
蛋白 B型 4 / 5 前体和糖原(淀粉)合成酶等,而籽粒蛋白表达丰度随灌浆进程而下降的是一类与逆境和衰老
等相关的蛋白,如硫氧还蛋白还原酶鄄2C、Cu鄄Zn超氧化物歧化酶,L鄄抗坏血酸过氧化物酶 2、巯基特异性抗氧
化蛋白和几丁质诱导型赤霉素响应蛋白 2 等。
2. 2摇 水稻灌浆过程中强弱势粒响应氮肥调节的蛋白质差异表达特性分析
2. 2. 1摇 不同灌浆时段强弱势粒响应氮肥调节的差异表达蛋白及其功能鉴定
摇 摇 根据水稻强弱势粒灌浆特性,选取施氮比例为 7颐3 和 6颐4 两个处理下的涉及强势粒灌浆全过程的 3 个时
4123 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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图 2摇 籽粒灌浆过程中部分差异表达蛋白质点的放大图
Fig. 2摇 Examples of the differentially expressed proteins during the grain filling stage
图 3摇 籽粒灌浆过程差异蛋白质点的表达丰度变化趋势
Fig. 3摇 Changing tendency of differential protein expressions in abundance of rice grain during the grain鄄filling stage
5123摇 10 期 摇 摇 摇 张志兴摇 等:水稻籽粒灌浆过程中蛋白质表达特性及其对氮肥运筹的响应 摇
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段,即水稻抽穗后的第 7 、14、和 21 天,涉及弱势粒灌浆全过程的 5 个时段,即第 7、14、21、28、和 35 天的水稻
强弱势籽粒样品做进一步的比较蛋白组学分析。 结果在不同灌浆时段的弱势籽粒中共检测到 26 个在不同氮
肥比例下出现差异表达的蛋白点,分别标号 1 到 26(图 4),其中 22 个蛋白点得到质谱鉴定,依据功能可以分
为五大类,见表 2,其余 4 点 spot(8,14,22,23)为未知蛋白。 强势粒灌浆过程中共检测到 8 个差异表达的蛋白
点,分别标号 27 到 34(图 5),共有 7 个蛋白点得到鉴定,依据功能可以分为三大类见表(3),其余 1 点 spot
(29)为未知蛋白。 部分氮素调控下强弱势籽粒差异表达蛋白点的表达变化图谱见图 6。 由此可见,在不同施
氮比例处理下,弱势粒灌浆中共检测到 26 个差异表达的蛋白质点,比在强势籽粒中出现差异表达的蛋白数
量多。
表 2摇 不同氮肥比例下水稻弱势籽粒差异蛋白MALDI鄄TOF / MS质谱分析结果
Table 2摇 Identification of differentially expressed proteins in inferior grains of rice under different N proportion treatments by MALDI-TOF /
MS and database searching
蛋白序号
Spot No.
登录号
Accession No.
鉴定的蛋白质名称
Protein identification
分子量
Mr. (D)
等电点
pI
序列覆盖率
Sequence
coverage
分值
Score
碳水化合物的合成与转运 Carbohydrate synthesis and transport
3 Q6K1Q5 糖脂转运蛋白Glycolipid transfer protein鄄like 22687 6. 1 44% 75
19 Q1AMT7 淀粉合成酶激酶Putativ glycogen synthase kinase 47246 8. 58 16% 61
18 Q6ZBH2 NAD依赖的山梨醇脱氢酶NAD鄄dependent sorbitol dehydrogenase 39990 6. 03 42% 91
能量代谢 Energy metabolism
6 Q8GSY5 琢鄄酮戊二酸氧化酶Putative 2鄄oxoglutarate鄄dependent oxygenase 41607 5. 91 21% 58
20 Q0H377 NADH脱氢酶 F亚基NADH dehydrogenase subunit F 36582 9. 16 17% 62
25 Q0JJQ7 苹果酸氧化还原酶家族蛋白Malic oxidoreductase family protein 65639 8. 59 22% 80
激素及信号转导 Hormone and signal transduction
5 Q8SB85 富含亮氨酸重复结构蛋白Putative leucine鄄rich repeats containing protein 32122 5. 69 20% 59
7 Q5JKL3 F鄄box 蛋白F鄄box domain containing protein 41802 7. 99 32% 62
13 Q9LWU9 赤霉素反应调节蛋白Putative gibberellin response modulator
65806 6. 02 16% 69
15 Q6H5M8 多胺氧化酶Putative polyamine oxidase 54960 5. 45 15% 56
26 Q7Y1H8 生长素响应蛋白 IAA22Auxin鄄responsive protein IAA22 28623 6. 61 13% 63
蛋白以及氨基酸代谢 Protein and amino metabolism
9 Q6ENY9 锚蛋白Ankyrin鄄like protein 26400 7. 11 24% 57
11 Q69QD5 分子伴侣 21Putative chaperonin 21 25479 5. 97 29% 59
17 Q9XEA8 半胱氨酸合酶Cysteine synthase
30635 6. 86 52% 48
21 Q2QLY5 乙烯响应的甲硫氨酸合酶Ethylene鄄responsive methionine synthase 84874 5. 93 32% 169
24 Q6ERL4 半胱氨酸脱硫酶Cysteine desulfurase, mitochondrial precursor 50336 6. 85 37% 85
6123 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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摇 摇 续表
蛋白序号
Spot No.
登录号
Accession No.
鉴定的蛋白质名称
Protein identification
分子量
Mr. (D)
等电点
pI
序列覆盖率
Sequence
coverage
分值
Score
基因转录调节与防御相关蛋白 Gene transcription regulation and defense response
1 Q2QYK0 WRKY转录因子蛋白WRKY DNA binding domain containing protein 25061 8. 73 23% 54
2 Q2QND5 热休克 70KD同源蛋白Heat shock cognate 70 kDa protein 2, putative 24318 9. 50 34% 53
10 O22385 富含甘氨酸蛋白 Glycine鄄rich protein 16017 7. 82 36% 62
12 Q93WM2 谷胱甘肽转移酶Glutathione transferase 24226 5. 39 21% 65
16 Q5ZD09 ABC转运蛋白ATP鄄binding Cassette Transporter protein 29573 9. 22 30% 67
4 Q5WMX0 几丁质酶 putative chitinase 32757 6. 08 40% 113
图 4摇 7 颐3 氮肥比例下弱势籽粒抽穗后第 21 天的蛋白图谱
摇 Fig. 4摇 The 2D gel of inferior grains at 21day after heading with 7
颐3 nitrogen ratio applications
图 5摇 7 颐3 氮肥比例下强势籽粒抽穗后第 14 天的蛋白图谱
摇 Fig. 5摇 The 2D gel of superior grains at 14day after heading with
7颐3 nitrogen ratio applications
表 3摇 不同氮肥比例下水稻强势籽粒差异蛋白MALDI鄄TOF / MS质谱分析结果
Table 3摇 Identification of differentially expressed proteins in superior grains of rice under different N proportion treatments by MALDI鄄TOF /
MS and database searching
蛋白序号
Spot No.
登录号
Accession No.
鉴定的蛋白质名称
Protein
identification
分子量
Mr. (D)
等电点
pI
序列覆盖率
Sequence
coverage
分值
Score
抗逆响应 Defense response
28 O82451
谷胱甘肽 S鄄转移酶
Glutathione S鄄transferase, N鄄terminal domain
containing protein
21042 9. 67 48% 58
蛋白代谢 Protein metabolism
27 Q6ERU3 谷蛋白Glutelin 36038 6. 60 45% 132
30 P07728 谷蛋白Glutelin 56782 7 45% 65
31 P29835 球蛋白19 kDa globulin precursor 21492 7. 51 35% 75
7123摇 10 期 摇 摇 摇 张志兴摇 等:水稻籽粒灌浆过程中蛋白质表达特性及其对氮肥运筹的响应 摇
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蛋白序号
Spot No.
登录号
Accession No.
鉴定的蛋白质名称
Protein
identification
分子量
Mr. (D)
等电点
pI
序列覆盖率
Sequence
coverage
分值
Score
32 A2ZIZ8 PHD锌指结构域蛋白Zn鄄finger鄄like, PHD finger domain containing protein 26351 4. 81 27% 59
33 Q8HCN9 核糖体 S4 蛋白Ribosomal protein S4 42070 10. 5 21% 62
核酸代谢 Nucleotide metabolism
34 Q60EN0 拼接辅助激活因子亚基蛋白splicing coactivator subunit鄄like 36615 10. 50 37% 67
图 6摇 不同氮肥处理下部分差异表达蛋白质点的放大图
Fig. 6摇 Examples of the differentially expressed proteins during the grain filling stage
2. 2. 2摇 不同供氮条件下水稻强弱势粒差异蛋白的表达丰度分析
图 7 可知,弱势籽粒灌浆过程发生差异表达的 22 个蛋白点有 13 个(spots 1,2,3,4,7,9,11,12,16,18,19,
20,26)在籽粒灌浆的前 14d均未检测到, 其余的 9 个蛋白点(spot5,6,10,13,15,17,21,24,25)在籽粒灌浆的
前 14d虽有表达,但是表达量较低,同时还发现,在籽粒灌浆的第 21d,这 22 个蛋白点的表达丰度都有不同程
度的上调表达。 图 7 还表明水稻在其生育前后期,不同的氮肥运筹方式对弱籽粒在不同灌浆时段的蛋白表达
有着不同的影响,比如不同氮肥施用比例对弱籽粒 spots17,24,25 蛋白表达的影响在籽粒灌浆的第 14d 就出
现了,即出现明显的差异表达。 Spots 1,2,3,4,5,6,7,16,18,20,21 和 26 在籽粒灌浆的 21d也出现表达差异,
而 spots 9,10,11,12,13 和 15 在 28d才开始出现表达差异。 此外,强势籽粒中响应氮素调控发生差异表达的
蛋白的主要集中在其灌浆的 14,21d(图 7)。
3摇 讨论
3. 1摇 水稻不同灌浆时段籽粒功能蛋白差异表达的特征分析
本研究组前期研究显示,供试水稻品种的叶片在籽粒灌浆的前中期,蔗糖转运蛋白 1 ( sucrose
transporters1, SUT1) 和核糖 /半乳糖 /甲基半乳糖苷运输 ATP 结合蛋白大量表达,促进了叶片合成的同化物
质向籽粒转运[21]。 本研究发现在籽粒灌浆的中期(即水稻抽穗后的第 14—21 天)和后期(即抽穗后的第 28
天)检测到淀粉合成酶的大量表达,这说明灌浆的中后期籽粒中淀粉的合成代谢旺盛。 潘晓华等[22]的研究认
为淀粉合成酶活性在强势粒花后的前 14d 较高,而在弱势粒中的最高值出现在花后 28d,这与本研究的结果
相似。 由此推测,在灌浆前期和中期,叶片(源)合成的同化物大量运输到籽粒(库)中,为中期和后期籽粒中
8123 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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图 7摇 不同氮肥比例下强势粒差异蛋白质点的丰度变化
Fig. 7摇 Changes in expression abundance of differential protein spots in superior grains under different N proportion treatments
淀粉的合成提供物质来源。 可见水稻籽粒灌浆中期和后期是籽粒从叶片以及叶鞘接纳转运物质,并在籽粒中
合成和积累淀粉的重要时期,因此在这一阶段维持较高的淀粉合成酶活性是促进籽粒淀粉积累,提高灌浆结
实的关键。
本研究中 ATP 酶 茁亚基在灌浆前期表达量较高,随着灌浆的进程,略有降低,这种表达方式与籽粒中
ATP 酶的含量相关。 前人研究结果表明籽粒 ATP 酶促进外源营养物质经质外体和共质体的协同作用向淀粉
胚乳的运输, 同时 ATP 酶还为胚乳细胞吸收并积累蛋白质,进一步发育成蛋白体提供动力[23鄄24]。 已如上述,
在灌浆前期以强势籽粒接纳从叶鞘转运来的物质并合成和积累淀粉,使籽粒尽快灌浆结实为主,中期以籽粒
物质调运,促进叶片(源)物质向籽粒(库)淀粉体和蛋白体的运输为主,这两个时期均需要大量的能量,这与
ATP 酶 茁亚基在这两个时期有较大的蛋白表达量是密切相关的。 灌浆后期主要是物质在弱势籽粒中的调
9123摇 10 期 摇 摇 摇 张志兴摇 等:水稻籽粒灌浆过程中蛋白质表达特性及其对氮肥运筹的响应 摇
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运、合成和积累,而 ATP 酶 茁亚基在这个时期呈下调表达趋势,暗示着在籽粒灌浆后期如何采取有效的调控
措施提高 ATP 酶的合成,对促进弱势籽粒的灌浆具有重要的作用。
激素是谷类作物主要的信号物质,籽粒中内源激素的含量以及平衡对其灌浆速率和最终粒重有重要的作
用[8,25鄄26]。 本研究中,赤霉素响应蛋白 2 在灌浆初期(7d)大量表达,随着灌浆的进程略有降低,说明赤霉素
(GA)在籽粒灌浆前期的含量较高,这可能是与籽粒灌浆前期活跃的胚乳细胞分化活动相关。 杨建昌等[27]研
究也认为 GA含量与籽粒胚乳细胞的增殖密切相关,外源 GA 处理能够延长籽粒的活跃期。 此外,生长素响
应蛋白 IAA6 呈现出与赤霉素响应蛋白 2 相似的表达趋势。 生长素响应蛋白属于 Aux / IAA家族,其表达可被
生长素诱导[28]。 黄升谋等研究认为,GA通过促进色氨酸或抑制过氧化物酶和吲哚乙酸氧化酶的活性,促进
生长素(IAA)的合成,提高 IAA的含量[29]。 由此可见,籽粒灌浆过程中,生长素和赤霉素各自正向调节对方
的生物合成和水平,从而促进籽粒灌浆前中期细胞的增殖,为接下来的灌浆物质的输入提供足够的库容。 另
外,在本研究中,生长素响应蛋白 IAA6 与前述的 ATP 合酶 茁亚基具有相似的表达趋势,生长素可以通过调节
ATPase活性和有机养料的分配而影响籽粒充实[30]。 生长素响应蛋白 IAA6 和 ATP 合酶在灌浆前期大量表
达,表明大穗型水稻籽粒在灌浆前期拥有较强的物质转运能力和较快的灌浆速率。
本研究在籽粒灌浆不同时段,检测到 7 个出现差异表达的抗氧化反应相关蛋白,分别在抗氧化系统以及
解毒系统中起到关键的作用,这 7 个蛋白各自的蛋白丰度表达模式都不同,说明在灌浆的不同时段,籽粒对外
界的抗逆响应的机制是不同的,这是由于籽粒灌浆过程中外界环境的变化所引起的。 水稻籽粒灌浆过程中常
遭遇水分、温度以及病害胁迫,导致灌浆不能够顺利的完成,限制了水稻高产潜力的发挥[31鄄33]。 本研究中,
Cu鄄Zn超氧化物歧化酶在水稻籽粒灌浆初期表达量较高,随后逐渐降低,该酶主要保护籽粒胚和糊粉层的正
常生理代谢,使其免受活性氧离子和自由基的损害[34]。 L鄄抗坏血酸过氧化物酶 2 参与抵御活性氧伤害物质
抗坏血酸的生物合成,解除过氧化氢对细胞的损伤[35]。 本研究结果显示,L鄄抗坏血酸过氧化物酶 2 仅在水稻
籽粒灌浆第 7 天表达,这与 Christine 等的大麦籽粒灌浆研究结果相似,即该酶也仅在大麦籽粒灌浆早期表
达[36]。 此外,鉴定到的 1,4 苯醌还原酶、硫氧还蛋白还原酶鄄2C和硫氧还蛋白还原酶 Q,共同组成籽粒细胞的
解毒系统,缓解种子成熟过程产生的活性氧对细胞造成的伤害。 在蛋白表达水平分析籽粒灌浆过程中相关抗
逆基因的变化情况,加深了对籽粒灌浆抗逆响应机制的认识。
3. 2摇 不同氮肥比例对水稻强弱势粒灌浆影响的差异蛋白组学分析
上述分析初步揭示了籽粒灌浆过程中蛋白的表达特性,可知籽粒灌浆过程伴随着信号转导、物质合成与
运转、储藏与再利用,逆境响应与调控等复杂的生理生化特性,这种特性与基因表达的行为有关,左右着籽粒
灌浆从启动到结束的全过程。 然而,水稻籽粒依据其着生的部位分为强势籽粒与弱势籽粒,并且强弱势籽粒
的灌浆受外界环境变化的调控是不同的,本研究进一步探讨了氮素对水稻强弱势籽粒灌浆的影响。
本研究发现,水稻生育后期适当增加氮肥的施用比例能够提高弱势籽粒中糖脂转运蛋白以及淀粉合成酶
激酶在 21d和 28d的表达量。 淀粉合成酶激酶能够激发淀粉合成酶的活性,该蛋白在弱势籽粒灌浆的前期
(7d和 14d)都未有表达,说明在这个时期弱势籽粒中淀粉合成酶未出现表达,这与 Ishimaru 等人在转录水平
上的研究结果是一致的[12 ]。 前人的研究报道认为,在水稻灌浆的前中期弱势籽粒中可溶性糖的含量高于强
势籽粒,在弱势籽粒中形成一个较高的可溶性糖浓度位势,影响同化物质的输入,这是造成水稻弱势籽粒灌浆
差的一个重要的原因[25,37]。 本研究中,灌浆到了 21DAF,弱势粒中的淀粉合成酶激酶才出现表达,淀粉合成
酶的活性被激发,促进了可溶性糖的转化,降低了浓度位势,同化物质开始进入弱势粒,弱势粒启动灌浆。 同
时,淀粉合成酶激酶在后期增加氮素的处理下,出现上调表达,可见氮素可以进一步提高弱势籽粒中淀粉合成
酶的活性,促进了可溶性糖转化为淀粉的生化过程。 与此同时,氮素调控下糖脂转运蛋白在 21d 和 28d 也出
现上调表达,促进了可溶性糖在弱势籽粒中的运输,为淀粉的合成输送更多的基质。
籽粒灌浆过程中,强弱势籽粒灌浆的差异可能与其启动灌浆的能障水平有关,弱势籽粒灌浆差可能是由
于弱势粒启动灌浆要求的能障水平高[9,13]。 本研究中,后期氮肥比例高的处理下 琢鄄酮戊二酸氧化酶和 NADH
0223 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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脱氢酶 F亚基以及苹果酸氧化还原酶家族蛋白这 3 个与能量代谢相关的蛋白在弱势籽粒中出现上调表达的
现象,表明灌浆期适量增加氮的供应能够促进弱势籽粒中的能量代谢相关蛋白的表达量, 促进了弱势籽粒中
的能量代谢,进而为弱势籽粒的灌浆提供更多的能量, 有助于弱势籽粒冲破能量障碍,保证了弱势籽粒的灌
浆的顺利进行。
已如上述,激素在籽粒灌浆过程中起到重要的调节作用。 后期增加氮素的供应,能够促进弱势籽粒中赤
霉素反应调节因子和生长素响应蛋白 22(IAA22) 的表达。 前人的研究报道认为 GA 能够延缓籽粒衰老,使
水稻籽粒的活跃生长期延长,有利于胚乳细胞的发育[27,38]。 生长素响应蛋白 IAA22 在 21DAF 的表达量较
大,这个时段是弱势粒灌浆的开始,正是细胞增殖较快的时候,生长素可以通过调节 ATPase 活性和有机养料
的分配而影响籽粒充实[29],这说明后期增加氮素的供应能够提高生长素的浓度,满足弱势粒灌浆前期对生长
素的需求。 由此可知,氮素可以通过调节弱势籽粒灌浆过程中相关激素合成相关基因的表达,促进弱势粒中
GA与 IAA的合成,进而起到促进弱势籽粒灌浆的作用。 同时,F鄄box 蛋白和富含亮氨酸重复结构蛋白,在激
素调节籽粒灌浆过程中起到了信号转导的作用。
大量的研究表明,弱势籽粒的灌浆充实不稳定,不同地点及不同年份间的差异明显,而强势籽粒的灌浆较
稳定[39鄄41]。 从作物生理角度分析,这可能是由于水稻的强势籽粒发育早,生理活性较高,能够较快的将抽穗
前储藏于茎鞘的同化物转化为淀粉,因此其灌浆充实度好,灌浆稳定不易受外界环境的影响,而弱势籽粒发育
时间靠后,且灌浆的后期水稻根系活性以及光合能力变化较大,因此外界环境的变化对弱势籽粒的灌浆影响
较大[39,42鄄43],同时这也暗示着弱势籽粒灌浆结实的可调性。 本研究发现灌浆过程中强势粒在不同氮肥处理下
出现差异表达的蛋白较少(8 个),而弱势粒较多(26 个),可见氮肥调控对弱势籽粒灌浆过程中蛋白表达影响
较强势籽粒来的大,在蛋白变化特性上证实外界环境(氮肥)的改变主要对弱势籽粒灌浆影响较大。 进一步
分析氮素调控对水稻强势籽粒灌浆的影响,可以发现在强势籽粒中出现差异表达的谷蛋白、球蛋白和核糖体
蛋白与籽粒品质的形成相关,谷胱甘肽 S鄄转移酶与籽粒的抗逆能力相关,而与籽粒灌浆充实过程密切相关的
蛋白如上述的碳水化合物的合成与转运,能量代谢,激素及信号转导等相关蛋白未在强势籽粒中被检测到。
与之相反,弱势籽粒中出现差异表达蛋白点较多(26 个),并且鉴定到的蛋白点大多涉及灌浆过程中的一些关
键代谢途径,如上述的淀粉转化过程,能量代谢以及激素调节等。 上述强弱势籽粒对氮肥调控的不同响应机
制是强势粒灌浆较稳定,弱势粒灌浆易受环境环境所调控的重要的分子生态学特性,说明栽培调控方式的改
变主要对弱势粒的灌浆影响较大,而对强势粒的影响较小,暗示着应用氮肥调控技术可以有效促进弱势粒灌
浆结实。
本研究结果尽管只是利用一个大穗型品种所获得的研究信息,但其结论与以往许多研究报道相一
致[16,18,44鄄45],并首次从蛋白组水平上深入揭示了水稻籽粒灌浆过程及强弱势粒灌浆对氮素的响应的分子生态
学特性。 这一研究结果无疑对于深入探索针对当前强调选育与推广大穗型水稻超高产品种的发展趋势,建立
合理的水肥管理措施,有效提高氮肥等营养利用率,减少环境污染,最终实现高产、优质、生态、安全的目的有
着重要的参考价值与实践意义。 总之,水稻籽粒灌浆是个复杂的分子生态学过程,需要不同功能蛋白及其与
环境的协调作用方可顺利实现。 本研究结果发现大穗型水稻强势粒灌浆具有更强的环境稳定性,相对地,弱
势籽灌浆则易被环境所调节,这与其处于不同灌浆发育阶段的籽粒发生不同的基因表达调控事件有关,也与
强弱势粒的生理活性表现差异及其与环境的互作效应有关。 氮素可以有效调控大穗型水稻弱势粒灌浆生理
活性,但并不是依靠改变某一类蛋白或酶类的表达而实现的,而是通过许多功能蛋白差异表达与协同作用,实
现从整体水平上调节其籽粒灌浆的相关生理代谢过程,从而达到提高水稻籽粒灌浆充实,实现高产稳产的
目的。
References:
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4223 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 10 May,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Landscape aesthetic assessment based on experiential paradigm assessment technology LI Xuanqi, HUA Lizhong (2965)……………
Significant impact of job鄄housing distance on carbon emissions from transport: a scenario analysis
TONG Kangkang, MA Keming (2975)
……………………………………
………………………………………………………………………………………………
The watershed eco鄄compensation system from the perspective of economics: the cases of pollution compensation
LIU Tao,WU Gang,FU Xiao (2985)
……………………
…………………………………………………………………………………………………
The tourism development impact on Shanghai coastal wetland vegetation LIU Shidong, GAO Jun (2992)……………………………
Effects of the Wenchuan Earthquake on shoot growth and development of the umbrella bamboo (Fargesia robusta), one of the
giant panda忆s staple bamboos LIAO Lihuan, XU Yu, RAN Jianghong, et al (3001)……………………………………………
Forest carbon sequestration and carbon sink / source in Jiangxi Province HUANG Lin, SHAO Quanqin, LIU Jiyuan (3010)…………
Species diversity of herbaceous communities in the Yiluo River Basin CHEN Jie , GUO Yili, LU Xunling, et al (3021)……………
Microbial community diversity of rhizosphere soil in continuous cotton cropping system in Xinjiang
GU Meiying, XU Wanli, MAO Jun, et al (3031)
……………………………………
…………………………………………………………………………………
Diversity of arbuscular mycorrhizal fungi in the rhizosphere of Caragana korshinskii Kom. in desert zone
HE Xueli, CHEN Zheng, GUO Huijuan, et al (3041)
……………………………
……………………………………………………………………………
Characteristics of photosynthetic productivity and water鄄consumption for transpiration in Pinus densiflora var. zhangwuensis and
Pinus sylvestris var. mongolica MENG Peng,LI Yuling, YOU Guochun,et al (3050)……………………………………………
Seasonal dynamic and influencing factors of coarse woody debris respiration in mid鄄subtropical evergreen broad鄄leaved forest
LIU Qiang, YANG Zhijie, HE Xudong,et al (3061)
………
………………………………………………………………………………
Influence of saline soil and sandy soil on growth and mineral constituents of common annual halophytes in Xinjiang
ZHANG Ke,TIAN Changyan,LI Chunjian (3069)
…………………
…………………………………………………………………………………
Dynamics change of Betula ermanii population related to shrub and grass on treeline of northern slope of Changbai Mountains
WANG Xiaodong, LIU Huiqing (3077)
………
……………………………………………………………………………………………
Effects of ecological conditions on morphological and physiological characters of tobacco YAN Kan, CHEN Zongyu (3087)…………
A study on the hyperspectral inversion for estimating leaf chlorophyll content of clover based on factor analysis
XIAO Yanfang, GONG Huili, ZHOU Demin (3098)
………………………
………………………………………………………………………………
Monthly dynamic variation of soil seed bank in water鄄level鄄fluctuating zone of Three Gorges Reservoir at the beginning after
charging water WANG Xiaorong, CHENG Ruimei, TANG Wanpeng, et al (3107)………………………………………………
Effects of three land use patterns on diversity and community structure of soil ammonia鄄oxidizing bacteria in Leymus chinensis
steppe ZOU Yukun, ZHANG Jingni, CHEN Xiurong, et al (3118)………………………………………………………………
Autotoxicity and promoting: dual effects of root litter on American ginseng growth JIAO Xiaolin, DU Jing, GAO Weiwei (3128)……
Effect of differing levels parasitism from native Cuscuta australis on invasive Bidens pilosa growth
ZHANG Jing, YAN Ming, LI Junmin (3136)
……………………………………
………………………………………………………………………………………
Heavy metal concentrations and pollution assessment of riparian soils in Shandong Province
ZHANG Ju, CHEN Shiyue, DENG Huanguang,et al (3144)
……………………………………………
………………………………………………………………………
Effect of decomposition products of cyanobacteria on Myriophyllum spicatum and water quality in Lake Taihu,China
LIU Lizhen, QIN Boqiang, ZHU Guangwei,et al (3154)
…………………
……………………………………………………………………………
Succession of macrofauna communities in wetlands of Sonneratia apetala artificial mangroves during different ecological restoration
stages TANG Yijie, FANG Zhanqiang, ZHONG Yanting, et al (3160)……………………………………………………………
Group characteristics of Chinese Merganser (Mergus squamatus) during the wintering period in Poyang Lake watershed, Jiangxi
Province SHAO Mingqin, ZENG Binbin, SHANG Xiaolong,et al (3170)…………………………………………………………
Effect of forest rodents on predation and dispersal of Pinus armandii seeds in Qinling Mountains
CHANG Gang, WANG Kaifeng, WANG Zhi (3177)
……………………………………
………………………………………………………………………………
Circadian rhythms of activity, metabolic rate and body temperature in desert hamsters (Phodopus roborovskii)
WANG Luping, ZHOU Shun, SUN Guoqiang (3182)
………………………
………………………………………………………………………………
Effects of temperature stress and ultraviolet radiation stress on antioxidant systems of Locusta migratoria tibetensis Chen
LI Qing,WU Lei,YANG Gang,et al (3189)
………………
…………………………………………………………………………………………
Carbon cycling from rice鄄duck mutual ecosystem during double cropping rice growth season
ZHANG Fan, GAO Wangsheng, SUI Peng,et al (3198)
……………………………………………
……………………………………………………………………………
Protein expression characteristics and their response to nitrogen application during grain鄄filling stage of rice (Oryza Sativa. L)
ZHANG Zhixing, CHENG Jun, LI Zhong,et al (3209)
………
……………………………………………………………………………
Review and Monograph
Advances in influence of seawater eutrophication on marine bacteria ZHANG Yubin, ZHANG Jiexiang, SUN Xingli (3225)…………
A review of comprehensive effect of ocean acidification on marine fishes
LIU Hongjun,ZHANG Zhendong, GUAN Shuguang,et al (3233)
………………………………………………………………
…………………………………………………………………
Evaluation of the controlling methods and strategies for Mikania micrantha H. B. K.
LI Mingguang, LU Erbei, GUO Qiang,et al (3240)
……………………………………………………
………………………………………………………………………………
Scientific Note
Dynamics of land use / cover changes in the Weigan and Kuqa rivers delta oasis based on Remote Sensing
SUN Qian, TASHPOLAT. Tiyip, ZHANG Fei, et al (3252)
……………………………
………………………………………………………………………
Phytoplankton assemblages in East China Sea in winter 2009 GUO Shujin, SUN Jun, DAI Minhan, et al (3266)……………………
On the physical chemical and soil microbial properties of soils in the habitat of wild Ferula in Xinjiang
FU Yong,ZHUANG Li,WANG Zhongke,et al (3279)
………………………………
………………………………………………………………………………
The community characteristics of Calligonum roborowskii A. Los in Tarim Basin
Gulnur Sabirhazi,PAN Borong, DAUN Shimin (3288)
………………………………………………………
………………………………………………………………………………
Stability analysis of mine ecological industrial symbiotic system SUN Bo,WANG Guangcheng (3296)…………………………………
《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方
法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
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第 32 卷摇 第 10 期摇 (2012 年 5 月)
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Vol郾 32摇 No郾 10 (May, 2012)
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