油菜碳氮代謝關系及其對油菜產量影響的研究進展

余佳玲，舒佳賓，宋海星*，官春云(．湖南農業大學資源環境學院，植物營養湖南省普通高等學校重點實驗室，湖南長沙408;．衢州市農業科學研究院，湖南衢州4000;．國家油料改良中心湖南分中心，湖南長沙408)

油菜是一種重要的油料作物。碳與氮是油菜體內兩大重要元素，參與油菜生命活動中化合物的形成。碳代謝與氮代謝途徑分別決定著油菜的產量與品質。在油菜生長過程中，籽粒中蛋白質和油分的形成皆對碳骨架與能量有需求，其產量和品質的形成發生競爭。因此，合理調節油菜碳代謝和氮代謝的關系，對緩減油菜產量和品質的矛盾具有重要的意義。人們對食用油需求的日益增加，而生產過程中高的成本投入得不到相應效果。在生產過程中，如何有效地達到油菜高產、優質的目的是我國油菜生產發展需解決的首要問題。

1 油菜碳氮代謝相互影響

碳素與氮素為生命元素，限制作物的產量和品質。氮素參與調控作物體內酶、輔基等形成的生化反應，影響植物體內碳氮代謝［1］。光合碳同化是油菜產量形成的基礎。光合作用是碳代謝的重要組成部分，顯著影響油菜產量。油菜葉片是光合作用的主要發生器官［2］。油菜產量和品質的形成需要協調碳氮物質的轉運。油菜對氮的需求較高。保證高的產量、充足氮的供應是基礎。碳代謝與氮代謝是作物體內兩大重要的基本代謝途徑，分別影響著油菜的產量與品質，二者密不可分。油菜是需氮較多的作物。油菜的高產需要以較多的氮素供應為保證。增加氮素供應可顯著提高油菜籽粒產量［3］。但是，增加氮素供應會限制碳代謝途徑，導致含油量的降低［4］。有研究發現，種子蛋白質與產量呈正相關，而油菜含油率與產量呈負相關［5］。氮代謝所需的能量和碳架依賴光合碳代謝的產生，同時碳代謝與氮代謝會競爭光合作用所產生的能量和中間產物［6］。對于油菜等多種作物來說，只有協調好碳氮代謝之間的平衡，才能得到優質、高產的目的作物。

1.1 碳氮代謝途徑相互促進及其相關影響因素 油菜葉片氮素的積累量主要依靠光合作用。光合作用的進行依賴于各種蛋白質和酶的活性及其相互作用。隨著葉片氮素含量的增加，碳氮代謝關系密切。CO2的同化與葉片氮素密切相關。研究發現，細胞間CO2濃度降低，而與卡爾文循環及淀粉等糖類物質合成有關的酶活性升高，光合作用的關鍵酶也增加，葉片中葡萄糖、蔗糖等含量呈線性增長［7］。氮素對提高油菜籽粒初期的蔗糖含量有顯著提高的作用［8］。油菜葉片中氮素的75%支持葉綠體進行光合作用，碳代謝關鍵酶Rubisco含量占葉片中可溶性蛋白質總量的一半左右［9］。碳代謝有關的酶與葉綠體皆以蛋白質為基質。旺盛的氮代謝可促進光合作用。氮素對油菜葉片NR、SPS和GS活性有促進作用［10］。

碳代謝和氮代謝并非2個獨立的生理過程。它們相互影響，密不可分。油菜體內有機物質及能源主要來源于光合作用。光合作用的直接產物中也包括部分氨基酸和蛋白質。光照強度與氮素利用率關系密切，影響硝態氮的還原。光照強度顯著影響NR活性［11］。氮素主要以有機氮形式存在。作物體內光合作用所產生的淀粉和蔗糖等物質可轉化形成有機酸，而有機酸為機氮形成的必需物質［12］。光照增強可以增強與碳代謝有關的呼吸速率和光合速率，還可以增強硝酸還原酶活性及氮素同化力，對碳氮代謝皆有促進作用，而光氮互作對碳代謝的影響顯著［13］。光照強度影響作物光合作用，從而影響氮代謝。

1.2 碳氮代謝相互競爭 碳代謝與氮代謝關系密切又相互制約。氮代謝為碳代謝提供光合色素與酶，而碳代謝又提供氮素生理活動所需的能量和碳源，但碳氮代謝存在還原力、ATP與碳骨架的競爭［14］。對于作物，硝態氮的還原及氮素的合成和GAP的形成皆需光合反應所產生的ATP以及還原態鐵氧還原蛋白提供的電子和還原型輔酶提供還原力［15］。油菜前期光合產物累積不足限制后期籽粒中油份與蛋白質的形成。

2 碳氮代謝有關調節機制

在碳氮代謝方向的調節中，NR、PEPC與SPS活性起重要作用，分別調節硝態氮的同化、碳骨架的供應和蔗糖的合成，提高葉片中SPS、PEPC的活性，同時增強碳氮代謝［16］。NH3的含量與α－酮戊二酸的供應水平是合成氨基酸的限制因素。NR與PEPC的活性又顯著影響二者的生成水平。PEPC和SPS的活性決定碳水化合物的分解與合成差異，進而影響有機化合物的積累［17］。SPS與PEPC活性的共同調控作物通過光合作用所固定的碳在糖類與氨基酸之間的分配，同時滿足作物同化N素對碳骨架需求的增長［18］。綜上所述，適時、合理地調節油菜籽粒PEPC和SPS的活性以協調碳氮代謝的方向趨于碳水化合物的形成，同時不降低籽粒代謝酶的生成，可有效地協調籽粒油分與蛋白質含量。氮素供應過高會使氮代謝滯后，影響碳氮代謝的平衡，不利于油菜品質的形成。

2.1 PEPC與油菜碳氮代謝關系密切 PEPC是回補代謝途徑及補充有機酸生物合成的關鍵酶，促進草酰乙酸的形成以為作物填補二羧酸，進而促進氨基酸的合成等氮代謝，對油菜硝酸還原、氨的同化起重要作用，油菜蛋白質含量隨著種子PEPC基因的高表達而升高［19］。王志慧等［20］也發現，PEPC基因在大豆和油菜種子中表達活躍，表明PEPC與油菜籽粒形成關系密切。籽粒和葉片中的全氮和含氮物質隨著葉片中PEPC和GS活性的增加而增加。PEPC與作物產量、品質的形成關系密切，且對其有重要影響。油菜籽粒中油脂含量與蛋白質含量呈顯著負相關。PEPC與籽粒蛋白質含量呈顯著正相關。在油菜籽粒蛋白質形成時期，PEPC是催化丙酮酸進入蛋白質合成的關鍵酶［21］。進一步研究證明，PEPC在作物體不同器官中具有多種其他生理功能，結實器官中PEPC的活性和含量較高，尤其是在生殖器官中參與調控種子的形成和果實的成熟，表明PEPC對于產量的形成具有重要作用［22］。

2.2 SPS—蔗糖合成的關鍵酶 油菜葉片中蔗糖合成能力決定著后期的產量。SPS是蔗糖形成的關鍵酶，在調節糖的積累和消耗中起著關鍵作用［23］。SPS為碳代謝的關鍵酶，是催化蔗糖形成的關鍵酶，且該催化過程不可逆，是葉片中蔗糖形成的主要途徑。蔗糖是光合作用的最初產物，是韌皮部碳同化物運輸的主要形式，決定著品質和產量。作物干物質的累積受SPS活性的調控［14］。油菜生育后期所需干物質大部分來自于生育前期葉片的積累［24］。SPS活性高，有利于油菜籽粒油分的積累［25］。SPS顯著影響籽粒中蔗糖的合成，其活性與籽粒產量呈顯著正相關［26］。SPS蛋白質在后期的表達量增加，參與蔗糖的積累合成，是成熟期蔗糖合成的關鍵酶，調控碳代謝方向的生理過程，對作物產量影響顯著。

3 油菜碳代謝與氮素再利用關系

在油菜生長后期，籽粒形成所需的碳水化合物來源于自身的光合作用與營養體中的碳水化合物。同樣，籽粒中的氮素主要來源于營養器官的氮素再利用。在油菜生長后期，角果與籽粒中氮素的形成主要靠營養器官中積累氮素的再利用［27］。即使后期增加氮肥投入，油菜等作物生長所需氮素主要從體內氮素再轉運獲得［28］。在油菜進入生殖生長期后，葉片中的光合同化能力減弱，根系的營養吸收能力下降，同時生長介質中的養分接近耗竭，而器官之間的能量與物質競爭較激烈。促進營養器官中碳氮物質向籽粒的轉運是強化籽粒生長發育、增大經濟產物的氮素和碳素收獲指數的有效途徑［29］。油菜前期碳水化合物的積累越多，越有利于后期氮素再利用。在油菜生長后期，葉片大量衰老，隨即脫落，造成滯留在其中的碳氮物質的損失，且生育后期生長介質中的氮素幾近耗竭。因此，油菜營養器官中碳氮物質在后期的再分配，對籽粒品質產量形成中碳氮物質的需求具有重要的意義［30］。

4 碳氮代謝對作物產量的影響

氮代謝和碳代謝是作物最基本的兩大代謝過程，影響且分別決定油菜的品質和產量。在油菜生育前期，光合作用等積累代謝較旺盛，待到油菜收獲期，葉片全部凋落，根系吸收能力下降，器官之間的能量與物質競爭較激烈。碳氮物質的合理分配是作物高產、優質的保障。這依賴于碳氮代謝的協調作用。油菜產量的形成主要依靠其生育前期生物量的積累，生育前期干物質的積累與籽粒產量相關性顯著。油菜籽粒碳水化合物的充實主要依靠角果皮的光合產物，部分依靠營養器官干物質的轉移。油菜的高產需以高的干物質累積量為基礎［31］。

對于油菜，碳氮物質轉移過早會導致光合時間的縮短，從而影響產量，且碳氮物質轉移不同，造成營養器官中已積累碳氮物質未轉移而損失。同時，籽粒中因C/N比不平衡而可能造成2種不良的后果。一種可能是碳水化合物不足且氮素過多時會抑制油分的形成而促進蛋白質合成;另一種是氮素不足，碳水化合物過多，而無法充分保障角果光合作用、油分的積累代謝所需酶的供應，同時抑制籽粒正常生長發育。

5 存在的問題

如何在確保高產的同時提高油菜的氮素利用率，增加其油分含量，以實現高產優質已是國內外關注的熱點。而碳氮代謝的協調轉化決定作物的產量和品質。目前，較缺乏如何調節碳氮代謝互作以使作物達到優生長的研究。以前關于碳氮代謝的研究主要集中在關于肥料、栽培密度、水分等外界環境對碳氮代謝的影響，而對于碳氮代謝系統中二者的協調轉化研究較少。碳氮代謝關于高產、優質與氮素高效利用相結合方面的研究較少且進展緩慢。研究油菜碳氮代謝的生理機制，深入揭示其碳氮物質轉運、再利用過程的協調機理，可以為高產、優質地栽培油菜提供理論基礎參考。

［1］王強，鐘旭華，黃農榮，等．光、氮及其互作對作物碳氮代謝的影響研究進展［J］．廣東農業科學，2006(2):37－40．

［2］STANISLAV K，HEINNZ R．Control of sulphate assimilation and glutathione synthesis:interaction with N and C metabolism［J］．Journal of Experimental Botany，2004，55(404):1831 －1842．

［3］李銀水，魯劍巍，鄒娟，等．湖北省油菜氮肥效應及推薦用量研究［J］．中國油料作物學報，2008，30(2):218 －223．

［4］趙繼獻，程國平，任延波，等．不同氮水平對優質甘藍型黃籽雜交油菜產量和品質性狀的影響［J］．植物營養與肥料學報，2007，13(5):882－889．

［5］高志宏，趙繼獻，任延波，等．甘藍型優質雜交油菜產量與品質性狀的相關分析［J］．貴州農業科學，2013，41(7):73 －77．

［6］宋建民，田紀春，趙世杰．植物光合碳和氮代謝之間的關系及其調節［J］．植物生理通訊，1998，34(3):230 －237．

［7］CHEN L S，CHENG L．Carbon assimilation and carbohydrate metabolism of‘Concord’Grape(Vitis labrusa L．)leaves in response to nitrogen supply［J］．Journal of the American Society for Horticultural Science，2003，128(5):754－706．

［8］李銀水，魯劍巍，鄒娟，等．湖北省油菜氮肥效應及推薦用量研究［J］．中國油料作物學報，2008，30(2):218 －223．

［9］MAKINO A．Photosynthesis，grain yield，and nitrogen utilization in rice and wheat［J］．Plant Physiol，2011，155(1):125 －129．

［10］王俊忠，黃高寶，張超男．施氮量對不同肥力水平下夏玉米碳氮代謝及氮素利用率的影響［J］．生態學報，2009，29(4):2045 －2052．

［11］MAGALHASE J R．The responses of ammonium assimilation enzymes to nitrogen form in different plant［J］．Journal of Plant Nutrition，1991，14(2):175 －185．

［12］BANZIGER M，FELL B，STAMP P．Composition between nitrogen accumulation and grain growth for carbohydrates during grain filling of wheat［J］．Agrobiology Journal，1994，34(2):440 －446．

［13］MICHELLE B，CANDACE H H．Sucrose phosphate synthase activity rises in correlation with high-rate cellulose synthesis［J］．Plant Physiology，2001，127:3 －10．

［14］SARQUIS J L，CONZALEZ H，SANCHEZ J E，et al．Physiological traits associated with mass selection for improved yield in a maize population［J］．Field Crop Res，1998，56:239 －246．

［15］朱為民，萬延慧，朱龍英，等．白菜硝酸鹽含量與光合碳氮代謝的關系研究［J］．內蒙古農業大學學報，2007，18(3):163 －167．

［16］NINFA A J．Regulation of carbon and nitrogen metabolism:Adding regulation of ion channels and another second messenger to the mix Regulation of carbon and nitrogen metabolism［J］．Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2007，104(11):4243 －4244．

［17］CHAMPIGNY M L，FOYER C．Nitrate Activation of cytosolic protein kinase divert photosynthetic carbon from sucrose to amino acid biosynthesis［J］．Plant Physiology，1992，100(1):7 －12．

［18］MELZER E，O’LEARY M H．Anapleurotic CO2fixation by phosphoenolpyruvate carboxylase in C3plants［J］．Plant Physiology，1987，84(1):58 －60．

［19］閆貴欣，陳碧云，許鯤．甘藍型油菜ACCase、DGAT2和PEPC基因對氮素用量的應答［J］．植物營養與肥料學報，2012，18(6):1370 －1377．

［20］王志慧，童超波，袁午舟，等．四種油料作物中的細菌型PEPC基因的鑒定及在發育種子中的表達［J］．中國油料作物學報，2013，35(1):8－16．

［21］唐湘如，余鐵橋．密度對飼用雜交稻幾種酶活性的影響極其與產量和蛋白質含量的關系［J］．雜交水稻，2001(6):47－50．

［22］LEARY O B，PLAXTON W C．Phosphorylation of a bacterial-type phosphoenolpyruvate carboxylase at serine-425 provides a further tier of enzyme control in developing castor oil seeds［J］．Biochem，2011，433:65 －74．

［23］WIND J，SMEEKENS S，HANSON J．Sucrose:metabolite and signaling molecule［J］．Phytochemistry，2010，71(14/15):1610 －1614．

［24］SEVERINE S，NATHALIE M J，CHRISTIAN J，et al．Dynamics of exogenous nitrogen partitioning and nitrogen remobilization from vegetative organs in pea revealed by15N in vivo labeling throughout［J］．Plant Physiol，2005，137:1463 －1473．

［25］唐湘如，官春云．施氮對油菜幾種酶活性的影響及其與產量和品質的關系［J］．中國油料作物學報，2001(4):34－37．

［26］陳洋，趙宏偉．不同品種玉米籽粒蔗糖積累規律的研究［J］．東北農業大學學報，2007，38(4):449 －453．

［27］張振華，宋海星，劉強，等．油菜生育期氮素的吸收、分配及轉運特性［J］．作物學報，2010，36(2):321 －326．

［28］李青軍，張炎，胡偉，等．氮素運籌對玉米干物質累積、氮素吸收分配及產量的影響［J］．植物營養與肥料學報，2011，17(3):755 －760．

［29］TAYLOR L，NUNES-NESI A，PARSLEY K，et al．Cytosolic pyruvate，orthophosphate dikinase functions in nitrogen remobilization during leaf senescence and limits individual seed growth and nitrogen content［J］．Plant Journal，2010，62:641 －652．

［30］AUDE B，CHRISTOPHE L，JEUFFROY M J．Nitrogen remobilization during grain filling in wheat:genotypic and environment effect［J］．Crop Science，2005，45(3):1141 －1150．

［31］張敏，陶詩順，黃露，等．甘藍型雜交油菜干物質積累、分配及其與產量關系研究［J］．中國種業，2009(11):51 －54．