全 文 ：植物生理学通讯 第 40 卷 第 4期，2004 年 8 月 443
不同浓度糖氮对离体穗培养小麦粒重和叶片膜脂过氧化作用的影响
周琴 姜东 戴廷波 荆奇 曹卫星*
南京农业大学农业部作物生长调控重点实验室，南京210095
提要 在相同浓度配比的蔗糖和谷氨酰胺培养液中培养小麦品种扬麦 9 号和徐州 26 号的离体穗，检测不同水平的糖氮
对小麦粒重及叶片膜脂过氧化作用的影响。结果表明，在一定浓度范围内，提高培养液中蔗糖和谷氨酰胺供应水平后，
单粒重、叶片的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性提高，膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)含量降低；培养液
中糖氮水平过高，叶片的 SOD 和 CAT 活性则下降，MDA 含量升高，籽粒单粒重下降。
关键词 蔗糖 / 谷氨酰胺; 离体穗; 粒重; 叶片膜脂过氧化作用; 小麦
Effects of Different Concentrations of Sucrose and Glutamine in Culture Solu-
tion on Grain Weight and Cell Membrane Lipid Peroxidation in Flag Leaf of
Wheat After the Ear Culture in vitro
ZHOU Qin, JIANG Dong, DAI Ting-Bo, Jing Qi, CAO Wei-Xing*
Key Laboratory of Crop Growth Regulation, Ministry of Agricultural, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095
Abstract When the concentrations of sucrose and glutamine in the culture medium were lower than 60 and 6
g·L-1, respectively, the single grain weight and the activities of superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT)
increased, and the content of malondialdehyde (MDA) in flag leaves decreased. However, excessive supply of
sucrose and glutamine reduced the activities of SOD and CAT, and increased MDA content in flag leaves, while
the final single grain weight decreased. The results indicated that excessive levels of sucrose and glutamine in
the liquid medium were unfavorable for ear growth, and thus reduced grain weight in wheat.
Key words sucrose/glutamine; detached ear; grain weight; cell membrane lipid peroxidation; wheat
收稿 2003-11-10 修定 　 2004-04-02
资助　 国家自然科学基金 (30170544、30200166)、教育部博
士点基金 (2000030707)和江苏省自然科学基金(BK2002205、
BK2001063)。
* 通讯作者(E-mail: caow@njau.edu.cn, Tel: 025-4396575)。
穗培养作为一种实验方法很早就用于研究小麦
穗花发育与籽粒形成的生理过程[1]。1 9 6 8 年，
Jenner[2]在无菌条件下采用短期离体穗培养研究了
小麦籽粒淀粉的合成。1 9 7 7 年澳大利亚学者
Donovan和 Lee[3]进一步建立了长时间小麦穗培养
系统。由于离体穗培养技术可以避免穗与其他器
官的相互作用，且在新的“源”(培养基)-“库”
(穗器官)系统中，“源”的供应水平可以得到有
效的控制[4]，因此，离体穗培养技术越来越受研
究者们的重视。1999 年，Ahmadi 和 Baker[5]研究
了激素对小麦籽粒灌浆进程的影响，Cazetta等[6]
研究了蔗糖和氮对玉米籽粒生长的调控。此外，
采用离体穗培养法研究不同水平碳素或氮素对玉米
淀粉蛋白质合成的调节作用及对籽粒蔗糖合成酶
(SS)和 ADPG焦磷酸化酶(ADPG-Ppase)活性的影响
亦有所报道[6,7]。可见，离体穗培养技术对研究禾
谷类作物穗、花、粒发育的调控、胚乳内含物的
分布与形成以及籽粒发育的酶学和动力学生理机制
是一个很好的技术和手段。
在培养过程中，由于外界光强一般较弱，仅
略高于叶片光补偿点，基本上不能为籽粒提供灌
浆底物，所以，可通过培养基提供糖和氮作为籽
粒灌浆的主要底物源。另外，叶片主要是作为库
器官存在的，因此，叶片的生理活性可间接反映
同为库器官穗的生长状况。小麦穗离体培养过程
中，由于伤口、营养液浓度和培养过程中微生物
的侵染的影响，会对离体穗的生长产生不良的影
响。植物在逆境、矿质营养元素缺乏及毒害元素
富集的情况下，会引起植物体内活性氧代谢不平
植物生理学通讯 第 40 卷 第 4期，2004 年 8 月444
衡和相应的清除系统的改变[8]。本文在前人研究
的基础上，通过模拟大田小麦开花期植株体内碳
氮比值(10~12[9])，将培养液中蔗糖和谷氨酰胺浓
度的比值恒定为10，研究营养液浓度对叶片超氧
化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)、过
氧化物酶(POD)活性及丙二醛(MDA)含量的影响，
寻找小麦离体穗培养最适糖氮供应水平，以期为
离体穗培养体系的建立和完善，以及小麦籽粒发
育研究提供参考。
材料与方法
试验于2002年在本校卫岗试验站进行。材料
为冬小麦(Triticum aestivum)品种扬麦9号和徐州26
号。10 月 5日播种，经低温春化后移至人工气候
室生长，开花期选取生长一致、同日开花的单茎
进行挂牌标记，花后2 d取单茎穗(连同旗叶)进行
穗培养。穗颈节以下部分先用 75% 乙醇溶液表面
消毒1 min，0.1% 的 HgCl2 溶液表面消毒5 min，
以灭菌水冲洗干净后，在超净工作台上将 9 个单
茎穗转移到盛有150 mL培养液的三角瓶中，用无
菌医用棉封口。以 MS 为基本培养基，蔗糖和谷
氨酰胺为唯一碳源和氮源，设置 5 个处理，即蔗
糖和谷氨酰胺浓度分别为：20和2 g·L-1(20S/2G)、
40和4 g·L-1(40S/4G)、60和6 g·L-1(60S/6G)、90
和9 g·L-1(90S/9G )及120和12 g·L-1(120S/12G)，
每处理重复4次。穗培养的昼夜温度分别为25和
20℃，光强为120 mmol·m-2 ·s-1，光/暗周期为16
h/8 h。培养5 d后取旗叶测定过氧化物酶、过氧
化氢酶、超氧化物歧化酶活性及丙二醛含量。培
养至成熟后(花后25 d)测定粒重。
过氧化氢酶活性的测定参照 C h a n c e 和
Maehly[10] 的方法。过氧化物酶活性的测定采用
愈创木酚法[11]。超氧化物歧化酶活性用 NBT 光
化还原法测定，根据 SOD 抑制 NBT 光化还原的
量，以引起 50% 光化还原抑制率的酶量为 1个酶
活力单位(U) [12]。MDA 含量的测定采用赵世杰
等[13]改进的方法：取0.5 g叶片，加50 mmol·L-1
pH 7.0 磷酸缓冲液，匀浆后以 3 000×g 离心 10
min，取上清液加 TBS(20% 三氯乙酸 +0.5% 硫代
巴比妥酸)混合后置沸水浴中 30 min，冷却后再
离心 1 次，分别测 A450、A 532、A 600，最后求得
样品中的 M D A 含量。
结果与讨论
1 蔗糖和谷氨酰胺对小麦穗离体培养过程中粒重
的影响
图 1 显示，扬麦 9 号单粒重随着蔗糖和谷氨
酰胺供应水平的提高呈单峰曲线，培养液中蔗糖
和谷氨酰胺浓度分别为60 和6 g·L-1的单粒重达到
最大值，而 120S/12G 处理的单粒重最低，仅为
前者的1/4。徐州 26号单粒重的变化趋势与扬麦
9 号一致。表明一定范围内提高蔗糖和谷氨酰胺
供应水平能促进籽粒生长，但两者浓度过高则明
显抑制籽粒的生长发育。在高浓度底物处理下徐
州26号的单粒重高于扬麦9号，表明不同品种对
底物浓度的反应不同。
2 蔗糖和谷氨酰胺对小麦穗离体培养时旗叶中MDA
含量及 CAT 和 SOD 活性的影响
图2 显示，随着底物浓度的提高，小麦叶片
中MDA 含量呈先下降后上升趋势。扬麦9号 60S/
6G 处理的 MDA 含量最低，而 120S/12G 处理最
高；徐州26号变化趋势与扬麦9号一致。表明扬
麦9号和徐州26号在中等碳氮水平下叶片膜脂过
氧化程度最低。扬麦 9 号叶片中 MDA 含量总体高
于徐州26号，尤其是高浓度底物下差别明显，表
明扬麦9号叶片膜脂过氧化作用对高浓度底物供应
的反应较徐州 26 号敏感。
从图3 可见，随着蔗糖和谷氨酰胺供应水平
的提高，扬麦9号和徐州26 号旗叶中SOD 和 CAT
活性呈单峰曲线，扬麦9号以60S/6G处理的活性
图1 不同浓度蔗糖和谷氨酰胺对小麦籽粒单粒重的影响
Fig.1 Effects of different concentrations of sucrose and
glutamine on single grain weight of wheat
植物生理学通讯 第 40 卷 第 4期，2004 年 8 月 445
最高，徐州 26 号则以 40S/4G 处理的活性最高。
两品种旗叶SOD 和 CAT 活性与粒重变化趋势
一致，而与 M D A 含量变化趋势相反。这可能是
由于20S/2G处理中，较低水平的碳氮不足以满足
籽粒生长的养分需要，S O D 和 C A T 活性较低而
MDA 含量较高，粒重较低所致；而在 40S/4G 和
60S/6G 处理中，籽粒生长的养分需要得到满足，
叶片 S O D 和 C A T 活性高，M D A 含量低，因而
粒重高；而在90S/9G 和 120S/12G 处理中，过高
的碳氮供应水平可能产生养分胁迫，加剧了 MDA
积累。此外，谷氨酰胺浓度过高时，会被氨基
图2 不同浓度蔗糖和谷氨酰胺对小麦
旗叶 MDA 含量的影响
Fig.2 Effects of different concentrations of sucrose and
glutamine on MDA content in flag leaf of wheat
图 3 不同浓度蔗糖和谷氨酰胺对小麦旗叶SOD和 CAT活性的影响
Fig.3 Effects of different concentrations of sucrose and glutamine on SOD and CAT activities in flag leaf of wheat
有关。据朱诚等[15]报道，水稻结实期间 POD 活
性随CAT降低而升高。在20S/2G、40S/4G和60S/
6G 处理中，CAT 活性逐渐增强，清除 H2O2 能力
也逐渐增强，旗叶中 H 2O 2 含量逐渐减少，因而
POD 活性逐渐降低；而在 90S/9G 处理中，由于
图4 不同浓度蔗糖和谷氨酰胺对小麦
旗叶POD 活性的影响
Fig.4 Effects of different concentrations of sucrose and
glutamine on POD activity in flag leaf of wheat
酸氧化酶催化降解生成 NH3、酮酸和 H2O2[14]，从
而导致 SOD 和 CAT 活性迅速下降，最终导致粒
重迅速降低。这表明，叶片生理活性可间接反映
小麦培养穗的生长状况。在我们的试验中，培养
基中蔗糖 / 谷氨酰胺比为 10∶1，浓度分别在 90
和 9 g·L-1以下时，比较有利于离体穗的生长，但
其最适浓度值还需进一步确定。
3 蔗糖和谷氨酰胺对小麦穗离体培养时旗叶中POD
活性的影响
扬麦 9 号旗叶 POD 活性变化趋势与 SOD 和
CAT 不同。在 20S/2G、40S/4G、60S/6G 处理
中，POD 活性逐渐下降；90S/9G 处理中，POD
活性有所回升；浓度提高至 120S/12G 时，POD
活性又迅速降低。徐州 26 号旗叶 POD 活性变化
趋势与扬麦9号一致(图 4)。扬麦 9号叶片的POD
活性明显低于徐州 26 号，而 CAT 活性则相反(图
3、4)。这可能与 POD 可协同 CAT 催化降解 H2O2
植物生理学通讯 第 40 卷 第 4期，2004 年 8 月446
C A T 活性下降，H 2O 2 积累增多，PO D 活性应激
升高；在 120S/12G 处理中，H2O2 积累量大大超
出叶片 CAT 和 POD 清除能力，POD 自身遭到破
坏，因而活性下降。P O D 的功能有多样性，其
在离体培养穗体系中的生理功能和特性还待进一步
研 究 。
参考文献
1 Keller W. Seed production on grass culms detached prior to
pollination. J Am Soc Agron, 1943, 35:617~624
2 Jenner CF. Synthesis of starch in detached ear of wheat. Aust J
Biol Sci, 1968, 21:597~608
3 Donovan GR, Lee JW. The growth of detached wheat heads in
liquid culture. Plant Sci Lett, 1977, 9:107~113
4 王志敏. 小麦穗培养系统的建立及其在花\粒发育生理研究中
的应用. 中国农学通报, 1995,11(6): 1~5
5 Ahmadi A, Baker DA. Effects of abscisic acid (ABA) on grain
filling processes in wheat. Plant Growth Regul, 1999, 28:
187~197
6 Cazetta JO, Seebauer JR, Below FE. Sucrose and nitrogen sup-
plies regulate growth of maize kernels. Ann Bot, 1999, 84:
747~754
7 Faleiros RRS, Seebauer JR, Below FE. Nutritionally induced
changes in endosperm of shrunken-1 and brittle-2 maize kernels
grown in vitro. Crop Sci, 1996, 36:947~954
8 潘晓华，刘水英，李锋等.低磷胁迫对不同水稻品种叶片膜
脂过氧化及保护酶活性的影响.中国水稻科学,2003,17(1):
57~60
9 朱新开,严六零,郭文善等.淮北稻茬超高产小麦碳氮代谢特征
研究.麦类作物学报,2002,22(1):51~55
10 Chance B, Maehly AC. Assays of catalase and peroxidase. In:
Colowick SP, Kapalan NO (eds). Methods of Enzymology (Vol
Ⅱ). New York: Academic Press, 1955. 764~775
11 Miler AR, Kelley TJ, Mujer CV. Anodic peroxides isoenzymes
and polyphenol oxidase from cucumber fruit: tissue and
specificity. Phytochem, 1990, 29:705~709
12 王爱国,罗广华,邵从本等.大豆种子超氧化物歧化酶的研究.植
物生理学报, 1983，9:77~84
13 赵世杰,许长成,邹琦等.植物中丙二醛测定方法的改进.植物生
理学通讯, 1994,30(3): 207~210
14 焦鸿俊.基础生物化学.南宁：广西民族出版社,1995.206
15 朱诚,傅亚萍,孙宗修.超高产水稻开花结实期间叶片衰老与活
性氧的关系.中国水稻科学,2002,16(4): 326~330