全 文 ：文章编号 :100028551 (2007) 022173204
不同基因型玉米氮素利用的机理研究
李锦辉　李潮海
(河南农业大学农学院 ,河南 郑州　450002)
摘 　要 :利用15 N 标记研究了不同基因型玉米氮素利用效率的差别 ;分析了不同基因型玉米豫单 2002 (高
蛋白)和豫单 136 (低蛋白)籽粒中蛋白质含量及单粒蛋白质含量在灌浆期的动态变化 ;测定了籽粒中硝
酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性的变化动态 ,结果表明蛋白质含量高的玉米品种氮素利用率较高 ,豫单
2002 比豫单 136 高 7179 % ;二者的硝酸还原酶活性在灌浆期内变化趋势相近 ,授粉 0～30d ,也相差不
大 ,授粉后 30d 至收获 ,豫单 2002 的硝酸还原酶活性始终高于豫单 136 ,授粉后第 45 天时 ,豫单 2002 比
豫单 136 高出 32177μg NO22Π(g FW·h) ;豫单 2002 与豫单 136 籽粒的谷氨酰胺合成酶活性在籽粒灌浆期
的变化动态均呈“∽”型 ,且豫单 2002 一直高于豫单 136 ;高的酶活性促进了蛋白质的形成。本研究为高
蛋白玉米的蛋白质形成基础提供了理论依据。
关键词 :玉米 ;氮素利用率 ;蛋白质含量 ;硝酸还原酶 ;谷氨酰胺合成酶
NITROGEN UTILIZATION MECHANISM OF DIFFERENT GENOTYPE MAIZE
LI Jin2hui 　LI Chao2hai
( Agronomy College of Henan Agricultural University , Zhengzhou , Henan 　450002)
Abstract :The difference of nitrogen utilization efficiency of different genotype maize was studied by 15N labeled fertilizer. The
changes of protein content , nitrate reductase (NRase) and glutamine synthetase ( GS) in the grain and protein quality in single
grain were analyzed. The results showed that nitrogen utilization efficiency of high protein maize variety ( Yudan2002) was 7.
79 % higher than that of low protein maize variety ( Yudan136) ; The change tendency of NRase in both varietes was similar.
NRase activity in Yudan2002 was higher than that in Yudan136 from the 30th day to the 45th day after pollination NRase activity
in Yudan2002 was 32. 77μg NO -2 Π(g FW·h) higher than that in Yudan136 on the 45th day after pollination. The pattern of GS
activity was the same as“∽”in both Yudan2002 and Yudan136 during the filling stage , but GS activity in Yudan2002 was
higher than that in Yudan136. High activity is benefit to protein formation. This paper provides more theoretical evidence to
the mechanis of high protein production of maize.
Key words :N use efficiency ; protein content ; nitrate reductase ; glutamine synthetase
收稿日期 :2006206220
作者简介 :李锦辉 (19722) ,男 ,河南兰考人 ,在读博士 ,主要从事作物生理生态研究。Tel : 0371 - 65958021 ; E2mail : lijinhui72 @1631com
通讯作者 :李潮海 (19562) ,男 ,河南巩义人 ,博士 ,教授 ,主要从事作物生理生态学教学和科研工作 ,E2mail :chaohai @3711net　　植株氮素吸收、同化、转运利用直接影响籽粒的产量和蛋白质含量 ,植株吸氮能力的差异可以导致蛋白质含量的差异。前人已经较多地研究了氮素水平对同一作物蛋白质的影响[1～3 ] ,也研究了不同作物的氮素利用率存在的差异[4～6 ] ,但很少有人研究不同基因型的玉米对土壤中氮肥利用率差异的原因。本文选用两 个产量相近、蛋白质含量差异较大的玉米品种 ,利用15N标记法检测氮肥利用率 ,测定与氮代谢相关的酶活性 ,旨在分析蛋白质含量与氮素利用率之间的关系以及不同基因型玉米氮素利用率差异的原因 ,以期为高蛋白玉米的蛋白形成基础提供理论依据和支撑。
371　核 农 学 报　2007 ,21 (2) :173～176Journal of Nuclear Agricultural Sciences
1 　材料和方法
111 　材料
供试玉米为高蛋白质含量品种豫单 2002 和普通
品种豫单 136。土质为沙壤土 ,有机质含量为 1411gΠ
kg ,全氮含量为 110gΠkg ,速效氮含量 74mgΠkg ,速效磷
30gΠkg ,速效钾 108gΠkg。标记尿素为上海化工研究院
产品 ,15N 丰度为 5152 % ,含氮量为 46 %。
112 　方法
试验于 2004～2005 年在河南省农业科技园区进
行 ,玉米池栽 ,每池 6 株 ,每池装土 1m3 ,6 月中旬播种 ,
9 月下旬收获 ,重复 3 次 ,随机区组排列。追施尿素
300kgΠhm2 ,分别于播前和大喇叭口期时施入 ,按高产
田管理。
在开花期标记开花、吐丝期一致的植株 ,套袋授
粉 ,授粉后每 5d 采集标记植株果穗的中部籽粒 ,一半
烘干后称重 ,以备测定蛋白质含量 ;另一半于液氮中冷
冻 10min 后 ,置 - 40 ℃保存 ,供测定酶活用。收获时考
种 ,计算产量 ,同时测定15N 的丰度。
113 　测定方法
15N 丰度测定采用质谱法[7 ] ,15 N 测定仪器为美国
Finnigan2MAT(菲尼根 - 玛特) 251 型质谱仪。
蛋白质含量测定采用半微量凯氏定氮法[8 ] ,籽粒
粉碎后过 100 目筛 ,混匀 ,取 011g 样品 ,用浓硫酸混合
催化剂消化 ,蒸馏完毕后 ,以 0101molΠL 盐酸滴定 ,含
氮量乘以 6125 即为蛋白质含量。
硝酸还原酶 (NRase)活性测定采用离体法[9 ] ,取籽
粒 210g ,放在研钵中置低温冰箱冷冻 30min ,取出后在
冰浴中加少量石英砂和 4ml 提取缓冲液 (25mmolΠL 的
磷酸缓冲液、5mmolΠL 半胱氨酸、5mmolΠL EDTA2Na2 混
合液 ) , 分两次加入。研磨为匀浆 , 低温离心 5min
(4000rΠmin) ,上清液即为粗酶提取液。取 014ml 粗酶
提取液 , 112ml 011molΠL KNO3 磷酸缓冲液 , 014ml
NADH2 溶液加入备好的刻度试管中混匀 ,在 30 ℃下保
温 30min ,对照不加 NADH2 ,以 014ml 蒸馏水代替。保
温后立即加 1ml 对 - 氨基苯磺酸溶液终止反应 ,加 1ml
α2萘胺溶液显色 20min ,离心 10min ,上清液在波长
540nm 处测光密度。以 30 ℃下每小时还原 NO -3 形成
1μg NO -2 的酶量作为 1 个酶活单位。
谷氨酰胺合成酶测定参照王小纯等的方法[10 ] ,取
籽粒 210g ,置于预冷的研钵中 ,加入少量的石英砂 ,研
磨成粉状后加入 100mmolΠL、pH716 的 Tris2HCL 缓冲液
(含 1mmolΠL MgCl2 、1mmolΠL EDTA 和 10mmolΠLβ2巯基
乙醇) ,继续研磨匀浆 ,匀浆液于 13000rpm 离心 25min
后取上清液 ,用于酶活性测定。酶活性反应液组成为 :
016ml 咪唑 - 盐酸缓冲液 ,014ml 谷氨酸钠溶液 ,014ml
ATP2Na 溶液 (30mmolΠL ,pH710) ,MgSO4 溶液 (015molΠ
L) ,酶提取液 112ml。反应液 012ml 在 25 ℃水浴中保温
5min ,加入 012ml 羟胺试剂开始反应。在 25 ℃水浴中
反应 15min ,加入 018ml 酸性 FeCl3 试剂终止反应。混
合液在 4000 ×g 离心 15min ,在 540nm 处测定上清液的
光密度。一个 GS 活性单位定义为在该反应条件下 ,
15min 反应时间内催化形成 1μmolγ2谷氨酰异羟肟酸
需要的酶量。
2 　结果与分析
211 　不同基因型玉米籽粒蛋白含量及氮素利用率的
分析
从表 1 可以看出 ,两个不同基因型玉米的产量差
别不显著 ,但豫单 2002 的蛋白质含量为 12138 % ,明显
高于豫单 136 籽粒 9163 %的蛋白质含量 ;高蛋白玉米
品种豫单 2002 籽粒吸收氮素量明显高于豫单 136 ,同
时高蛋白玉米对15N 的利用率也较高 ,说明高蛋白玉米
对氮素的利用率较高。
表 1 　不同基因型玉米的蛋白质含量及氮素利用率
Table 1 Protein content and nitrogen use efficiency of different genotype maize varieties
品种
varieties
玉米产量
yield of maize (kgΠhm2) 粗蛋白含量protein content ( %) 蛋白质产量protein yield (kgΠhm2) 籽粒吸收15N 量15N assimilated by seeds(mgΠplant) 对15N 的利用率nitrogen use efficiency( %)
豫单 2002 Yudan2002 10660168 12138 3 1319179 3 800116 3 33112 3
豫单 136 Yudan136 10216105 9163 983181 611195 25133
　　注 : 3 表示 0105 水平上的显著性差异。
Note : 3 means significant difference at 0105 level .
212 　不同基因型玉米籽粒蛋白质动态变化 从图 1 可以看出 ,不同基因型玉米籽粒中蛋白质
471 核　农　学　报 21 卷
含量在灌浆期呈先下降后上升的趋势 ,但总趋势表现
为下降。灌浆初期蛋白质含量最高 ,授粉后 0～15d 下
降速度较快 ,其后呈较平稳的下降趋势 ,授粉 45d 后蛋
白质含量逐渐上升 ,但仍低于授粉后 10d 前的蛋白质
含量。在授粉后 0～10d ,豫单 2002 的蛋白质含量和豫
单 136 的蛋白质含量相差不大 ,授粉 10d 后蛋白质含
量的差距增加 ,25d 相差最多 ,差值为 3152 % ;35d 二者
的蛋白含量差距逐渐减少 ,但豫单 2002 的蛋白质含量
在灌浆期始终高于豫单 136。
图 1 　不同基因型玉米授粉后蛋白质含量变化动态
Fig. 1 　The changes of protein content in the grain of different
genotype maize after pollination
213 　不同基因型玉米单籽粒中蛋白质的变化动态
从图 2 可知 ,豫单 136 和豫单 2002 单粒中蛋白质
含量的变化呈上升趋势 ,基本符合“S”型 ,可用 Logistic
方程反映。高蛋白玉米和低蛋白玉米的蛋白质含量变
化趋势一致 ,但前者始终高于后者 ,且在授粉后 0～
20d 差别较小 ,20d 后差距逐渐增大 ,说明灌浆后期高
蛋白玉米籽粒中蛋白质积累较快 ,含量较高。
图 2 　单粒玉米蛋白质质量变化
Fig. 2 　Changes of protein content in single
grain of maize
214 　籽粒蛋白质累积速率的变化动态
由图 3 可知 ,高蛋白玉米和低蛋白玉米中蛋白质
累积速率变化均呈双曲线 ,但二者达到最高速率的时
间不同 ,后者达到峰值的时间分别在花后 20 和 40d ,而
前者达到峰值的时间在花后 25 和 45d ,推后于低蛋白
玉米。高蛋白玉米灌浆期的蛋白质累积速率除花后
17～21d 外 ,其他时间均高于低蛋白玉米。在授粉后
21d 以前 ,二者蛋白质累积速率相差较小 ,灌浆中期和
末期蛋白质累积速率相差较大 ,且低蛋白玉米蛋白质
累积速率在灌浆末期下降很快。所以 ,高蛋白玉米品
种保持了较长时间的高灌浆速率。
图 3 　籽粒蛋白质积累速率的变化动态
Fig. 3 　The change of protein
accumulation in maize grain
215 　氮代谢关键酶的变化
21511 　籽粒硝酸还原酶的变化
从图 4 可以看出 ,玉米籽粒硝酸还原酶 (NRase) 活
性在灌浆前期升高 ,授粉 35d 后逐渐降低 ,呈单峰曲线
变化 ,高蛋白玉米和低蛋白玉米的变化趋势大致相同 ,
但高蛋白玉米的酶活前期略低于低蛋白玉米 ,至授粉
30d 时 ,开始高于低蛋白玉米 ,随着天数推移 ,二者的
硝酸还原酶活性差距越来越大 ,在第 45 天时 ,豫单
2002 比豫单 136 的硝酸还原酶活性高出 32177μg NO -2 Π
(g FW·h) 。这和单籽粒中蛋白质的变化一致 ,说明硝
酸还原酶活性变化与单籽粒中蛋白质的形成呈正相
关。
图 4 　灌浆期籽粒中 NRase 活性的变化
Fig. 4 　NRase change of grain at the filling stage
21512 　籽粒内谷氨酰胺合成酶的变化动态
从图 5 可以看出 , 豫单 2002 与豫单 136 的谷氨酰
571　2 期 不同基因型玉米氮素利用的机理研究
胺合成酶 ( GS) 的变化动态均呈“∽”型 ,为“下降 - 上
升 - 下降”动态 ,豫单 2002 授粉后 0～20d 呈下降趋
势 ,20～35d 上升 ,授粉后 35d 达到最高峰值 ,而后下
降 ;豫单 136 授粉后 0～20d 也呈下降趋势 ,20～30d 上
升 ,授粉后 30d 达到最高峰值又下降。授粉后 20～30d
期间二者的酶活相差较少。在灌浆期 ,豫单 2002 的酶
活性始终高于豫单 136。
图 5 　灌浆期籽粒中 GS活性变化
Fig. 5 　GS activity change in maize at the filling stage
3 　讨论
关于氮素吸收同化的差异与作物产量和蛋白含量
的关系 ,前人的研究因供试品种和分析方法不同等原
因所得结论很不一致。Loffler 等[11 ] 研究认为 ,高蛋白
品种一般比低蛋白品种同化的氮素多。杜金哲等[12 ]
认为 ,在产量水平相近时 ,高产高蛋白品种氮的同化高
于高产低蛋白品种。本研究认为 ,蛋白质含量高的品
种从土壤中吸收较多的氮素 ,对氮肥的利用率高于蛋
白质含量低的品种 ,这与杜金哲等的研究结果一致。
本研究中 ,两个基因型玉米品种的蛋白质变化均
呈下降趋势 ,蛋白质形成速率呈双曲线 ,但高蛋白玉米
品种的蛋白质含量在灌浆期高于低蛋白玉米 ,蛋白质
形成速率也是如此 ,所以推断氮肥利用率高的原因是
籽粒合成蛋白质的速率较快 ,促进了氮素从无机到有
机的转化。
硝酸还原酶是植物氮同化的关键酶 ,以前的研究
多集中于叶片的测定[6 ,13 ] 。本研究认为 ,玉米籽粒中
硝酸还原酶也具有较高的活性 ,且高蛋白玉米籽粒的
硝酸还原酶活性大于低蛋白玉米籽粒 ,灌浆后期表现
更为明显 ,表明灌浆后期高蛋白玉米籽粒中仍保持较
　　　　
高的硝酸还原酶活性 ;谷氨酰胺合成酶是氮代谢的多
功能酶 ,参与多种氮代谢的调节 ,Becker 和 Gonzalez
等[14 ,15 ]研究证实 ,谷氨酰胺合成酶活性的提高有利于
植物铵同化和氮素运转。在本研究中 ,氮肥利用率的
高玉米品种中蛋白合成的氮代谢关键酶活性较高 ,保
持了较长时间的高酶活性 ,这有利于蛋白质的形成。
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