全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2012, 38(1): 99−106 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(30871488)和浙江省自然科学基金项目(Y307086)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 程方民, E-mail: chengfm@zju.edu.cn
第一作者联系方式: E-mail: happycaozhen520@163.com
Received(收稿日期): 2011-05-20; Accepted(接受日期): 2011-10-12; Published online(网络出版日期): 2011-11-07.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20111107.1551.017.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2012.00099
水稻籽粒氮代谢几个关键酶对花后高温胁迫的响应及其与贮藏蛋白积
累关系
曹珍珍 张其芳 韦克苏 杨卫丽 刘光快 程方民*
浙江大学农业与生物技术学院, 浙江杭州 310029
摘 要: 以早籼水稻嘉 935 和嘉 353 为材料, 利用人工气候箱设高温(32℃)和适温(22℃)处理, 探讨了高温对水稻籽
粒氮代谢关键酶活性的影响及其与籽粒粗蛋白含量和各种氨基酸组成间的关系, 并结合荧光定量 PCR对水稻籽粒谷
氨酰胺合成酶(GS) 2 个同工型基因的表达及其温度响应进行了检测分析。结果表明, 花后高温处理对谷草转氨酶
(GOT)和谷丙转氨酶(GPT)的影响基本一致, 均表现灌浆前期升高、后期下降的趋势, 但花后高温处理下水稻籽粒中
粗蛋白总量和各类氨基酸含量的增加, 并不一定是其籽粒氮素物质的转运能力和蛋白质合成能力的增强所致; 谷氨
酰胺合成酶(GS)在高温处理下的生理活性普遍高于其相应时期的低温处理, 其中, GS2是 GS基因在水稻胚乳中高表
达的一种同工型, 在水稻灌浆后期的表达量甚至超过 GS1, 高温胁迫处理会通过改变 GS1 和 GS2 基因在籽粒中的转
录水平, 从而对水稻籽粒灌浆中后期的 GS活性产生调控。
关键词: 水稻; 高温; 氮代谢; 酶活性; 蛋白积累
Response of Some Key Enzyme Activities Involved in Nitrogen Metabolism to
High Temperature at Filling Stage and Its Relation to Storage Protein Accu-
mulation in Rice Grain
CAO Zhen-Zhen, ZHANG Qi-Fang, WEI Ke-Su, YANG Wei-Li, LIU Gaung-Kuai, and CHENG Fang-Min*
College of Agriculture and Biotechnology, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China
Abstract: The influence of high temperature after flowering period on the activities of some enzymes, including glutamine syn-
thetase (GS), glutamic-oxaloacetic transaminase (GOT) and glutamic-pyruvic transaminase (GPT) in developing grains, and also
its relation to grain storage protein and amino acid accumulations were investigated by using two early-indica rice cultivars grown
under two temperature regimes of daily average temperature 32℃ and 22℃, respectively, and expression responses of two GS
isoform genes to temperature were detected by real-time fluorescence quantitative PCR(FQ-PCR). The results indicated that the
effects of high temperature after flowering period on GOT and GPT activities showed the similar trend, with increasing at early
grain filling stage and decreasing at late grain filling stage. However, the increase of total contents of crude protein and various
amino acids under high temperature after flowering period were not always due to the enhancement of grain nitrogen transport
capacity and protein synthesis ability. GS activity under high temperature was generally higher than that under temperature in the
same period. GS2, one of the isoforms of GS gene, was highly expressed in rice endosperm. The expression levels of GS2 was
even higher than that of GS1 in late grain filling stage, while high temperature stress regulated GS activity through changing GS1
and GS2 genes transcription level in grain.
Keywords: Rice (Oryza sativa L.); High temperature; Nitrogen metabolism; Enzyme activity; Protein accumulation
高温胁迫是影响水稻产量与品质的主要环境因
素之一。水稻在高温条件下灌浆结实, 一方面会致
使稻株衰老加速、灌浆期缩短、秕谷粒增多、产量
水平下降[1-2], 另一方面会引起籽粒中的淀粉积累总
量减少、稻米垩白度和粗蛋白含量增加、食味品质
变劣[3-4]。针对花后高温对水稻籽粒灌浆过程和稻米
100 作 物 学 报 第 38卷

品质的影响效应, 国内外已有不少学者利用人工气
候箱控温或大田异季种植等试验, 对不同温度处理
下籽粒灌浆动态、淀粉粒结构变化、蔗糖卸载与淀
粉合成途径的一些关键酶活性变化做过较系统的研
究分析[4-6], 但关于花后高温胁迫与水稻籽粒蛋白积
累及氮代谢间的关系, 现有研究工作仍主要集中于
对籽粒粗蛋白含量的影响方面[7-8], 而对不同温度处
理下水稻籽粒灌浆过程氮代谢关键酶的生理活性、
相关同工型基因的表达变化及其与籽粒氮同化、贮
藏蛋白积累间关系, 目前尚缺乏较明确的认识[9]。植
物氮代谢的生理生化研究表明, 高等植物叶片等器
官中的无机氮素是以氨基酸、酰胺的形式输送到籽
粒的,进而在籽粒中合成蛋白质[10]。其中, 谷氨酰胺
合成酶(Glutamine synthetase, GS, EC 6.3.1.2)能在
ATP供能下催化谷氨酸和NH3生成谷氨酰胺 , 又能
通过GS/GOGAT循环催化谷氨酰胺和α-酮戊二酸之
间的氨基转移来调节谷氨酸的生成, 在无机氮转化
为有机氮的这一代谢环节中起关键作用, 而其所生
成的谷氨酸则在谷草转氨酶 (Glutamic-oxaloacetic
transaminase, GOT, EC 2.6.1.1)和谷丙转氨酶(Glut-
amic-pyruvic transaminase, GPT, EC 2.6.1.2)等催化下
转化为其他氨基酸(如天门冬氨酸和丙氨酸等), 从而
对籽粒蛋白合成代谢提供各种氨基酸供体[10-11]。为此,
本研究利用人工气候箱控温试验, 对不同温度处理
下籽粒氮代谢过程中上述 3 个关键酶(GS、GOT和
GPT)的生理活性差异与蛋白积累变化比较分析。在
此基础上 , 利用荧光定量PCR对谷氨酰胺合成酶
(GS)的 2个同工型基因(GS1和GS2)在不同温度处理
下表达模式变化进行了检测, 旨在为进一步深入开
展稻米品质的环境调控及其分子机理研究提供理论
基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料和控温处理
2009年在浙江大学华家池教学实验农场种植早
籼品种嘉 935 (稻米品质对高温胁迫表现敏感)和嘉
353 (稻米品质对高温胁迫表现钝感), 两者的生育
期、千粒重、穗粒数、粒型及其他农艺性状均相仿。
4月 12日播种, 湿润育秧, 5月 11日移栽, 田间常规
管理, 及时防治病虫杂草。待各品种在田间生长至
孕穗后期, 选取发育进程与长势基本一致的稻株 30
株, 带泥移入盆钵中培育 7~10 d, 每盆 2株, 每品种
15 盆, 及时补水以保持盆钵中有浅水层。待盆钵中
的稻株抽穗时, 选同日开花且发育良好的单穗挂牌,
并分别移入人工气候箱进行不同温度处理(每品种、
每气候箱各放 6 盆), 以后按一定的时间间隔取样分
析, 每次取 3~5个稻穗, 直至成熟。
使用 2 台CONVIRON人工气候箱(PGV-36 型),
日均温度分别为 32℃ (高温处理, HT)和 22℃ (适温
处理, LT), 模拟自然气候的温度日变化, 24 h连续运
转, 按文献[5]设定程序自动控制。其中, 高温处理时
的最高温度和最低温度分别为 36℃和 28℃, 适温处
理时的最高温度和最低温度分别为 26℃和 18℃, 日
最大温差均为 8℃。两台气候箱中的其他气候因子均
保持完全一致。其中, 光照时间为 6:00~19:00, 光照
强度为 130~150 µmol m−2 s−1, 相对湿度为 75%~80%,
风速 0.5 m s−1。
1.2 酶生理活性测定
1.2.1 粗酶液的提取 选取稻穗中上部籽粒 25
粒(开花抽穗时用记号笔标记的部分籽粒), 去壳后
称重, 加 5 mL 100 mmol L−1的Tricine-NaOH缓冲液
(pH 7.5, 含 6 mmol L−1 MgCl2, 2 mmol L−1 EDTA, 40
mmol L−1 2-Mercaptoethanol), 冰浴研磨成匀浆, 在
4℃下 10 000×g离心 20 min, 上清液即为粗酶液。
1.2.2 酶活性测定 参照Lea等[10]的方法测定谷
氨酰胺合成酶(GS)的生理活性, 略作修改。取 0.2 mL
上述粗酶液, 加 0.1 mL 0.25 mmol L−1 咪唑-HCl缓冲
液 (pH 7.0, 含 0.30 mmol L−1 Monosodium gluta-
mate, 30 mmol L−1 ATP-Na, 0.5 mmol L−1 MgSO4)和
0.02 mL羟胺试剂开始反应, 在 25℃水浴中保温 15 min,
以 0.1 mL FeCl3试剂终止反应, 在 8 000×g下离心 5
min, 以反应生成的产物γ-谷氨酰基氧肟酸在 540 nm
处的吸光值表示酶活性。
参照张志良等[12]的方法测定谷草转氨酶(GOT)
和谷丙转转氨酶(GPT)的活性, 以反应底物中NADH
被氧化时的μmol值表示酶活性单位。
1.3 基因表达分析
1.3.1 籽粒总RNA的提取与纯化 籽粒样品总
RNA的提取和纯化采用冻融法, 参照张海燕等[13]的
方法, 并略作改进。取开花抽穗时标记的水稻籽粒
15粒, 去壳、去胚后加液氮研磨成粉, 用预冷Trizol
试剂提取, 离心后用无水乙醇沉淀。将RNA沉淀用
75% DEPC-乙醇洗涤 2次, DEPC-H2O充分溶解, 随
之在 65℃下 1 h反复冻融 5次, 将沉淀分离后, 用琼
脂糖甲醛变性凝胶电泳和分光光度计扫描检测提取
的RNA纯度和完整性 , 并将剩余的总RNA贮存于
−76℃冰箱备用。
第 1期 曹珍珍等: 水稻籽粒氮代谢几个关键酶对花后高温胁迫的响应及其与贮藏蛋白积累关系 101


1.3.2 反转录合成cDNA第 1 条链 采用 20 μL
RT-PCR反应体系, 其中含 2 μL总RNA, 1 μL Oligo
(dT)18 primer及 2 μL dNTPs, 并加DEPC-H2O至 12 μL,
于 70℃下变性 5 min, 冰浴迅速冷却, 加入 4 μL 5×
First-strand Buffer, 1 μL RiboLocK Ribon-uclease
inhibitor 和 1 μL RevertAid M-MuLV Reverse Tran-
scriptase, 42℃保温 60 min, 反转录得到cDNA, 用于
实时荧光定量分析。
1.3.3 引物设计与实时荧光定量PCR 依荧光定
量PCR引物设计原则, 应用Primer Premier 5.0 软件
设计GS各同工型基因(GS1 和GS2)的FQ-PCR引物
(表 1)。以actin基因为内标, 设计 1对特异引物。其
中, 正向引物为 5′-CAGCACATTCCAGCAGATGT-3′,
反向引物为 5′-TAGGCCGGTTGAAAACTTTG-3′。
采用Roche公司EvaGreen qPCR Master Mix (Perfect
Real Time)试剂盒进行荧光定量PCR, 25 μL反应体
系中包含 12.5 μL EvaGreen qPCR Master Mix, 上、
下游引物(10 μmol L−1)各 0.5 μL, 2.5 μL反转录cDNA
模板, 9 μL无菌离子水。每个样品做 3 次平行反应,
扩增条件为 95℃ 15 min激活HotStart DNA聚合酶,
95℃变性 15 s, 61℃退火 30 s, 72℃延伸 40 s (荧光信
号检测), 40个循环, 利用BioRad icycler iQ荧光定量
PCR仪完成扩增过程。每样品重复 3 次。其完成后
采用参照基因的ΔCT法[14], 依公式ΔCT = 2Ct (reference)−Ct
(target)计算出目标基因(GS1 和GS2)在不同温度处理不
同灌浆阶段的相对表达量。其中, Ct(reference)和Ct(target)
分别为内标基因表达量和目标基因达到设定荧光值
时的扩增循环次数。
1.4 理化指标测定
1.4.1 可溶性蛋白和淀粉颗粒结合态蛋白含量的测
定 采用考马斯亮蓝染料结合法[15], 利用去壳后
的籽粒鲜样测定可溶性蛋白质含量; 淀粉颗粒结合
态蛋白的提取与上述粗酶液的提取同步进行。在粗
酶液提取后的沉淀中加入 5 mL的Tricine-NaOH缓冲
液, 待淀粉颗粒充分悬浮后, 测定其蛋白含量, 用牛
血清白蛋白制作标准曲线。
1.4.2 粗蛋白总量与氨基酸组分测定 将成熟稻
谷放在通风处 2 个月后去壳, 糙米样品用于测定。
采用凯氏定氮法粗蛋白含量[7], 氮含量乘 5.95 系数
换算成粗蛋白含量。采用酸解法 , 参照GB7649-87
的前处理方法[16]测定氨基酸组分。50 mg糙米粉加
10 mL 6 mol L−1盐酸, 抽真空封管, 并将封好口的
水解管放在 110℃的恒温箱内水解 24 h, 冷却后将水
解液转移到 50 mL容量瓶内, 定容过滤后, 吸取滤液
1 mL真空干燥, 残留物用去离子水蒸干, 用 1 mL柠檬
酸三纳-盐酸缓冲液(pH 2.2)溶解后, 利用日立 835 型
氨基酸分析仪测定[16-17]。
2 结果与分析
2.1 不同温度处理下水稻籽粒中谷氨酰胺合成
酶(GS)、谷草转氨酶(GOT)和谷丙转氨酶(GPT)
的变化
由图 1可见, GS、GOT和 GPT在水稻籽粒灌浆
过程中的活性变化趋势大致相似, 以灌浆前期的酶
活水平相对较高, 之后逐渐下降, 至灌浆后期较低。
尽管供试 2个品种间的酶活存在一些差异, 但其在水
稻籽粒灌浆过程中的动态变化规律是一致的, 说明
水稻灌浆前期籽粒中氮代谢相对活跃, 而籽粒灌浆
后期的氮代谢能力则明显降低。
谷氨酰胺合成酶在高温处理下的生理活性普遍
高于其相应时期的低温处理(图 1-A和图 1-B), 而高
温处理对谷草转氨酶的影响则表现出灌浆前期增
高、后期降低的趋势(图 1-C和图 1-D), 这与谷丙转
氨酶在不同温度处理下的变化特征基本一致(图 1-E
和图 1-F)。由于谷氨酰胺合成酶在氮代谢过程的主
要产物是谷氨酸和谷氨酰胺, 然后再由GOT和GPT
等转氨酶转化为其他的氨基酸 [18], 因此笔者推测 ,
高温处理对籽粒氮代谢的影响会随着酶的功能类型
变化和灌浆时期的差异而有所不同, 并在一定程度
上影响到籽粒含氮物的理化组成。
2.2 不同温度处理下灌浆胚乳中 GS 各同工型基
因的表达水平差异
谷氨酰胺合成酶在植物中主要是以两种同工酶
(GS1 和 GS2)的形式存在。荧光定量 PCR 检测表明
(图 2), GS2 基因在水稻籽粒中的相对表达量水平相
对高于 GS1, 且在籽粒灌浆中后期仍保持着相对较
高的表达水平, 而 GS1 基因的表达量高峰则出现在
籽粒灌浆的前期(开花后 5 d左右), 之后迅速下降到
较低的水平, 这揭示 GS2是谷氨酰胺合成酶基因在

表 1 水稻 2种 GS同工型基因的 FQ-PCR引物序列
Table 1 Primer sequences of two GS isoforms in rice
基因名称
Gene name
登录号
Accession No.
正向引物
Forward primer (5′–3′)
反向引物
Reverse primer (5′–3′)
退火温度
Tm ( )℃
GS1 X14245 GAGTCGTCGTCTCATTTGACCC GTAGCCACCATCGTTCCTCATC 62
GS2 X14246 TCACTTCGCCATGACTTGCA CCCCATGAGAAATTGTCAATGC 58
102 作 物 学 报 第 38卷



图 1 不同温度处理水稻籽粒中 GS、GOT和 GPT的差异
Fig. 1 Difference in the activities of GS, GOT, and GPT in filling grains between high temperature (HT) and low temperature (LT)
A、C、E 为嘉 935; B、D、F为嘉 353。A, C, E stand for Jia 935; B, D, F for Jia 353.



图 2 不同温度处理水稻灌浆胚乳中 GS1和 GS2基因的相对表达量差异
Fig. 2 Difference in relative expressing levels of GS two isoform genes (GS1 and GS2) in rice endosperms between high temperature
(HT) and low temperature (LT)
A、B、C、D分别表示抽穗开花后的第 5天、第 10天、第 15天和第 20天的基因表达水平; 品种为嘉 935。
A, B, C, and D were those of 5th, 10th, 15th and 20th after flowering, respectively. Cultivar is Jia 935.

第 1期 曹珍珍等: 水稻籽粒氮代谢几个关键酶对花后高温胁迫的响应及其与贮藏蛋白积累关系 103


水稻胚乳中表达的主要同工型。相同时期的不同温
度处理间相比, GS1 和 GS2 基因对高温处理的响应
均呈较明显的上调表达特征, 其中以 GS2 基因的相
对表达量变化更为明显, 这与 GS 酶活性在不同温
度处理下的差异趋势(图 1-A和 B)基本一致, 说明高
温对 GS 酶活性的影响在很大程度上与 GS1 和 GS2
基因在不同温度处理下的 mRNA转录过程有关。
2.3 不同温度处理下籽粒灌浆动态、可溶性蛋白
和淀粉颗粒结合态蛋白含量差异
由图 3可见, 在水稻灌浆前期, 供试 2个品种在
高温处理下的粒重一般大于其同一品种的适温处理,
但籽粒灌浆的持续时间明显变短, 导致其成熟时的
最终粒重低于适温处理(图 3-A和图 3-B)。与此同时,
高温处理下籽粒中的可溶性蛋白含量在水稻灌浆的
前期也相对较高, 之后逐渐下降, 并接近或低于同
一品种相应时期的适温处理。此外, 与可溶性蛋白
质在籽粒灌浆过程中的变化趋势相反, 不同温度处
理下籽粒中的淀粉颗粒结合态蛋白含量均随着籽粒
灌浆进程的推移而增加, 且其在高温处理下的含量
也一直高于相应时期的适温处理。这一现象说明 ,
灌浆期高温处理会导致水稻胚乳淀粉粒中的相关蛋
白组分有所增加, 进而可能对水稻胚乳淀粉粒的发
育过程和形态结构等特征也产生一定影响。
2.4 不同温度处理下籽粒中的粗蛋白含量与氨
基酸组分变化
表 2 表明, 高温处理下糙米中的粗蛋白总量和
各种氨基酸含量均高于同一品种的适温处理, 但各
种氨基酸组分在高温处理下的比例变化并无较明显
的规律性。从不同温度处理下各种氨基酸组分的变
化幅度来看, 高温处理下天冬氨酸、谷氨酸和甘氨
酸等组分的相对增加率较大, 而蛋氨酸和脯氨酸等
组分的相对增加率则较小。嘉 935 的粗蛋白和各类



图 3 不同温度处理水稻籽粒灌浆过程中的粒重、可溶性蛋白含量和淀粉颗粒结合态蛋白含量变化
Fig. 3 Differing patterns of grain weight, soluble protein content and starch granule protein content in two temperature treatments
A、C、E为嘉 935; B、D、F为嘉 353。A, C, E stand for Jia 935; B, D, F for Jia 353.
104 作 物 学 报 第 38卷

表 2 不同温度处理下糙米中的粗蛋白总量与各氨基酸组分的差异变化
Table 2 Differences in crude protein and various amino acids between two temperature treatments
嘉 935 Jia 935 嘉 353 Jia 353 蛋白质
Protein 高温
High temp.
适温
Low temp.
增加率1)
Enhancing rate 1) (%)
高温
High temp.
适温
Low temp.
增加率1)
Enhancing rate 1) (%)
蛋白总量 Protein 15.60±1.30 11.70±0.90 33.33 14.50±0.90 12.30±1.40 17.89
天冬氨酸 ASP 1.41±0.19 0.97±0.23 45.36 1.27±0.13 1.06±0.11 19.81
苏氨酸 THR 0.55±0.07 0.37±0.04 48.45 0.52±0.07 0.45±0.05 15.56
丝氨酸 SER 0.78±0.09 0.56±0.06 39.28 0.76±0.06 0.67±0.07 13.43
谷氨酸 GLU 3.07±0.31 2.22±0.21 38.28 2.83±0.18 2.36±0.24 19.92
甘氨酸 GLY 0.71±0.07 0.51±0.05 39.21 0.65±0.07 0.54±0.06 20.37
丙氨酸 ALA 0.92±0.13 0.69±0.09 33.33 0.88±0.09 0.74±0.05 18.92
胱氨酸 CYS —2) — — — — —
缬氨酸 VAL 0.90±0.10 0.67±0.11 34.33 0.83±0.07 0.72±0.08 15.28
蛋氨酸 MET 0.31±0.03 0.25±0.02 24.01 0.29±0.03 0.28±0.04 3.573)
异亮氨酸 ILE 0.63±0.07 0.48±0.04 31.25 0.57±0.05 0.50±0.05 14.00
亮氨酸 LEU 1.28±0.13 0.95±0.09 34.74 1.17±0.02 1.03±0.09 13.59
酪氨酸 TYR 0.56±0.06 0.39±0.06 43.59 0.53±0.05 0.45±0.02 17.78
苯丙氨酸 PHE 0.88±0.08 0.64±0.07 38.75 0.80±0.07 0.70±0.05 14.29
赖氨酸 LYS 0.57±0.05 0.41±0.05 39.02 0.53±0.06 0.45±0.04 17.78
组氨酸 HIS 0.36±0.04 0.28±0.03 28.57 0.33±0.04 0.28±0.02 17.86
精氨酸 ARG 1.25±0.17 0.91±0.10 38.13 1.13±0.10 0.98±0.07 15.31
脯氨酸 PRO 0.56±0.07 0.44±0.05 27.27 0.52±0.06 0.47±0.02 10.643)
1) 增加率(%) = (高温处理下的含量−低温处理下的含量)/低温处理下的含量×100%; 2) 测定数据缺值; 3) 同一品种的 2个温度处理
间差异未达 5%的概率水平。
1) Enhancing rate = (HT – LT)/LT×100%; 2) No available data; 3) No significant difference at 5% probability level.

氨基酸组分在不同温度处理下的含量变化幅度均远
大于嘉 353, 存在较明显的品种差异。
3 讨论
蛋白质是水稻籽粒中仅次于淀粉的第二大贮藏
物质, 稻米蛋白质含量不仅是决定水稻营养品质的
重要指标, 而且对稻米的外观品质、加工品质和食
用品质也有一定程度的影响[19-20]。前人已有许多研
究表明, 高温会引起稻米中粗蛋白含量提高, 表现
极显著正相关 [21-22]。在本试验中, 稻米粗蛋白总量
和各类氨基酸含量在花后高温处理下均呈不同程度
的上升趋势(表 1), 这与前人研究结果基本一致[9,21]。
但是, 在水稻灌浆的大多数时间段, 高温处理下籽
粒氮转化代谢环节的这两个关键酶的生理活性却低
于适温处理(图 1-C, F)。嘉 353在籽粒灌浆期间大多
数时段的GOT和GPT活性均明显高于嘉 935, 但前
者成熟糙米中的粗蛋白总量反而低于后者(表 1)。其
原因可能与不同品种籽粒淀粉合成代谢和总淀粉积
累对高温胁迫处理的敏感程度有关。嘉 935 籽粒淀
粉合成代谢的一些关键酶(如ADPG焦磷酸化酶和淀
粉合酶等)对花后高温处理的响应要比嘉 353 敏感[5],
其在高温胁迫下的千粒重下降程度也比嘉 353 更明
显, 因而, 籽粒中总淀粉积累量和千粒重的明显降
低, 可能是嘉 935 粗蛋白的相对总量、各种氨基酸
含量(相对量)及其在不同温度处理下的变化率大于
嘉353的重要原因之一。笔者课题组曾通过对不同温
度处理下发育胚乳中淀粉和蛋白等贮藏物代谢相关
基因的表达谱检测表明[23], 与胚乳贮藏蛋白合成代
谢直接相关的绝大多数基因在花后高温胁迫下均呈
较大幅度的下调特征。这些现象都说明在高温处理
下水稻籽粒中粗蛋白总量和各类氨基酸含量的增加,
并不一定是其籽粒氮素物质的转运能力和蛋白质合
成能力的增强所引起的。
据周广洽等[24]报道, 高温胁迫处理不仅可以改
变稻米中的粗蛋白和氨基酸总量, 而且会影响稻米
中的氨基酸组成。其中, 大多数氨基酸在高温胁迫
下有所下降, 但部分种类的氨基酸却相反, 在高温
胁迫下存在着不同程度的升高趋向。马启林等[25]的
研究报道也认为, 在高温胁迫下稻米中谷蛋白的相
对含量变化不明显, 但醇溶蛋白的相对含量却明显
第 1期 曹珍珍等: 水稻籽粒氮代谢几个关键酶对花后高温胁迫的响应及其与贮藏蛋白积累关系 105


降低, 高温胁迫处理可改变稻米贮藏蛋白质的组成
和积累形态。本文结果显示, 各类氨基酸含量在高
温处理下均呈不同程度的上升趋势, 且不同品种间
在高温处理下各类氨基酸的比例和相对量变化也无
较明显的规律性。这与前人有关研究结论有所不同[24],
其原因可能与供试品种的类型、高温处理的设定值
等因素有关。值得一提的是, 高温处理下籽粒中的
可溶性蛋白含量在水稻灌浆的前期相对较高, 之后
逐渐下降, 并接近或低于同一品种相应时期的适温
处理, 但淀粉颗粒结合态蛋白的含量则相反, 在不
同温度处理下均随籽粒灌浆进程而增加, 且在高温
处理下的绝对含量一直高于其相应时期的适温处
理。这一现象揭示, 花后高温处理不仅会导致籽粒
中粗蛋白含量和各类氨基酸含量的相对增加, 而且
可能影响到胚乳内“淀粉-蛋白复合体”[20]之中的碳、
氮物质构成, 从而与不同温度处理下的水稻籽粒的
灌浆动态、胚乳淀粉粒发育及其形态与结构等特征
也存在着较密切的联系。
谷氨酰胺合成酶是植物氮代谢中心的多功能酶,
参与多种氮代谢环节的生理调节[26]。其中, GS在水
稻叶片和根系中是将无机氮(NH4+)同化为有机氮的
一个关键酶, 其产物(谷氨酸和谷氨酰胺)是各种氨
基酸、核苷酸、叶绿素及其他含氮化合物进一步合
成蛋白质等有机氮素的供体, 而GS在水稻籽粒中的
主要功能, 除参与籽粒中含氮物质的“再转运”代谢
环节外, 还与水稻籽粒灌浆期间的逆境防御等生理
代谢有关[10,26-27]。据唐湘如等 [28]报道, 糙米蛋白质
含量与水稻灌浆期间叶片和籽粒中GS活性呈显著
或极显著正相关。肖辉海等[21]研究认为, 水稻灌浆
期籽粒中GS活性的提高是高温处理下籽粒可溶性
蛋白含量和粗蛋白总量增加的一个重要原因, 但梁
成刚等[9]研究表明, 高温处理下水稻籽粒中的GS酶
活性有明显下降, 并认为籽粒GS不是高温处理对水
稻籽粒氮代谢和蛋白合成影响的关键酶[9]。据本试
验结果, GS活性在水稻籽粒灌浆过程中虽然呈较明
显的下降趋势, 但高温胁迫处理可在一定程度上提
高水稻籽粒中的GS活性, 尤其以籽粒灌浆前期较明
显。供试两个品种在灌浆期可溶性蛋白含量与GS活
性呈极显著正相关 (相关系数分别为 0.870**和
0.882**), 但其在不同温度处理间的差值(即可溶性
蛋白的温度处理差值与GS活性的温度处理差值)之
间的相关不显著, 说明尽管水稻籽粒中的可溶性蛋
白和GS活性在水稻灌浆期间均呈灌浆前期较高、后
期降低的变化趋势, 但不同温度处理下籽粒可溶性
蛋白含量的差异与GS活性间的关系并不密切。考虑
到“源”器官向“库”器官的氮素转运主要是有机氮形
态[29], 且作物籽粒中的GS活性通常远低于叶片、根
系等无机氮的主要同化器官 [10,29], 笔者推测 , 高温
胁迫处理下籽粒中GS升高的一个主要原因, 可能是
与水稻籽粒在高温胁迫下的防御代谢有关。供试品
种的耐热性差异、高温处理的设计值不同, 导致水
稻在高温胁迫下的防御代谢变化和响应程度差异 ,
这可能是引起不同学者对高温处理下GS活性变化
存在不同认识的重要原因。
据报道, GS在水稻不同器官中至少以两种同工
酶(型)的形式存在。其中, 在水稻叶片中, GS1主要位于
细胞质中, 而GS2主要位于叶绿体等细胞器上[30-31]。
本研究结果表明(图 2), GS2 基因在水稻籽粒中的相
对表达量高于GS1, 尤其是在水稻籽粒灌浆中后期
相对更明显。说明GS2是GS酶基因在水稻灌浆中后
期高表达的一种同工型, 高温胁迫处理会通过改变
GS1 和GS2 基因在籽粒中的转录水平, 而对GS活性
变化产生调控效应。
4 结论
谷氨酰胺合成酶、谷草转氨酶和谷丙转氨酶在
水稻籽粒灌浆过程中的活性变化趋势大致相似, 均
灌浆前期相对较高, 之后逐渐下降, 至灌浆后期均
较低。花后高温处理对谷草转氨酶和谷丙转氨酶的
影响基本一致, 均表现灌浆前期升高、后期下降的
趋势; 花后高温处理会提高籽粒中粗蛋白和各类氨
基酸的相对含量, 但提高幅度因品种因素和氨基酸
类型不同而异, 且各种类型氨基酸在高温处理下提
升幅度和相对比例并无较明显的规律性; 高温胁迫
对 GS活性的调控是在 GS1和 GS2基因的转录水平
上进行的, 其中 GS2 基因可能在水稻籽粒灌浆中后
期的氮同化和防御代谢中起重要作用。
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