NaCl對不同抗性水稻氮代謝及相關基因表達的影響

楊德翠,徐 青,趙方貴,柳 冕,劉 新

(1.青島農業大學 生命科學學院,山東省高校植物生物技術重點實驗室,山東 青島 266109； 2.武漢海稻國際生物科技有限公司,湖北 武漢 430000)

鹽脅迫對植物氮代謝的影響在分子水平上也初步進行研究,Lü 等[10]研究了鰻草在NaCl脅迫下的轉錄組,發現鹽脅迫后鰻草的NR、NiR基因表達顯著上調。相比鹽脅迫下氮代謝酶活性的研究,氮代謝相關基因在鹽脅迫后的表達變化報道較少。

水稻是重要的糧食作物,鹽脅迫下氮代謝調節機制將對整個生命活動起到重要作用,但鹽脅迫下氮代謝整個過程的研究還不夠系統、深入,特別是不同抗性品種氮代謝相關基因在鹽脅迫下差異表達有待研究。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及培養

1.1.1 試驗材料 試驗選用抗性粳稻(Oryzasativasubsp. Keng)品種東稻4號以及鹽敏感品種日本晴(OryzasativaL.spp.japonica)。

將水稻種子用0.1%的HgCl2消毒10 min,用蒸餾水沖洗3～4次,于蒸餾水中浸泡12 h,然后將種子置于培養皿中,在28 °C恒溫培養箱中催芽萌發。

將萌發后種子置于96孔板中進行水培,培養液為1/4 Hoagland營養液(pH值6.0),光周期/黑暗為14 h/10 h,溫度29 ℃/25 ℃。培養12 d后進行鹽脅迫處理。

1.1.2 試驗材料的處理 青島農業大學植物生理實驗室前期試驗表明,在0.3%的NaCl脅迫下2個水稻品種有顯著差異,因此,鹽處理液用1/4 Hoagland營養液配制成0.3%的NaCl溶液,對照組為1/4 Hoagland營養液。每天更換一次培養液。處理24 h,取根和葉用于基因的檢測；4 d后,對水稻幼苗葉和根進行取樣,用于相關生理指標的測定,所取材料保存于-80 ℃超低溫冰箱中。

1.2 試驗方法

1.2.1 氮相關物質含量的測定 銨態氮含量測定采用茚三酮顯色法[11],硝態氮含量測定采用水楊酸-硫酸顯色法[12]。

1.2.2 氮代謝相關酶活性的測定 硝酸還原酶活性參照施晟璐等[13]的方法,谷氨酰胺合成酶GS活性測定參照劉麗等[14]的方法；谷氨酸合成酶NADH-GOGAT及谷氨酸脫氫酶GDH活性測定,參照林清華等[15]的方法；谷氨酸合成酶Fd-GOGAT的測定參照滕祥勇[16]的方法；天冬氨酸轉氨酶AST活性測定參照梁成剛等[17]的方法。

1.2.3 氮代謝基因表達量測定 采用改良TRIzol法提取總RNA[18]。利用實時熒光定量PCR技術檢測氮代謝相關基因,包括硝酸根轉運蛋白基因OsNRT1;1、OsNRT1;5、OsNRT1;8和OsNRT2;1,銨轉運蛋白基因OsAMT1;1和OsAMT1;2,硝酸還原酶基因OsNR1,谷氨酰胺合成酶基因OsGS1;2及谷氨酸合酶基因OsNADH-GOGAT和OsFd-GOGAT以及天冬氨酸轉氨酶基因OsAS。水稻基因名稱和引物設計見表1。PCR擴增程序為:95 ℃ 30 s；95 ℃ 30 s,55 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s,40個循環；從72 ℃至99 ℃,第1步維持45 s,以后每升高1 ℃維持5 s,按2-ΔΔCT方法計算。

表1 基因定量表達引物序列Tab.1 The primers sequences for quantitative expression of genes

1.3 數據統計和分析

所有試驗數據至少3次重復,用Excel數據處理系統作圖,用SAS V8對測定結果進行顯著性分析,不同小寫字母的差異代表在P<0.05水平上顯著。

2 結果與分析

2.1 NaCl脅迫對不同抗性水稻氮含量的影響

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖2-7同。 Different lowercase letters represents significant difference among treatments(P<0.05).The same as Fig.2-7。

2.2 NaCl脅迫對不同抗性水稻硝酸還原酶(NR)活性的影響

2.3 NaCl脅迫對不同抗性水稻氨同化相關酶活性的影響

圖2 NaCl脅迫下不同品種水稻根和葉中NR活性的變化Fig.2 Changes of nitrate reductase activity in roots and leaves of different rice varieties under NaCl stress

圖3 NaCl脅迫下不同品種水稻根和葉中氨同化相關酶活性的變化Fig.3 Changes of ammonium assimilation enzymes in roots and leaves of different rice varieties under NaCl stress

2.4 NaCl脅迫對不同抗性水稻氮代謝相關基因相對表達量的影響

圖4 NaCl脅迫下不同品種水稻根和葉中硝酸鹽轉運蛋白基因(OsNRTs)相對表達量的變化Fig.4 Changes of OsNRTs relative expression in roots and leaves of different rice varieties under NaCl stress

圖5 NaCl脅迫下不同品種水稻根和葉中銨態氮轉運蛋白(OsAMTs)基因相對表達量的變化Fig.5 Changes of OsAMTs relative expression in roots and leaves of different rice varieties under NaCl stress

圖6 NaCl脅迫下不同品種水稻根和 葉中硝酸還原酶基因相對表達量的變化Fig.6 Changes of OsNR1 relative expression in roots and leaves of different rice varieties under NaCl stress

3 討論

圖7 NaCl脅迫下不同品種水稻根和葉中氨同化相關酶基因表達量的變化Fig.7 Changes of relative expression of genes involved in ammonium assimilation in roots and leaves of different rice varieties under NaCl stress

對氮代謝相關基因表達量進行研究,Cai等[30]發現,谷氨酰胺合成酶基因OsGS1;2過表達突變體能增強對非生物脅迫的抵抗能力。本研究表明,OsGS1;2在NaCl脅迫后顯著升高,與王歡[25]研究結果較一致。主要在根部表達的谷氨酸合酶基因OsNADH-GOGAT和在葉部表達的OsFd-GOGAT鹽脅迫后都升高,以保持在鹽脅迫下的GOGAT酶活性,東稻4號OsGS/OsFd-GOGAT表達量在脅迫條件下均高于日本晴,這與東稻4號GS/GOGAT酶活性高于日本晴相一致,同時升高表達量的還有OsAS基因,而Wang等[24]發現,水稻不同抗性品種在鹽堿脅迫后OsNADH-GOGAT、OsFd-GOGAT、OsAS都有顯著降低。

本研究中根和葉部酶活性變化基本一致,不同基因在不同部位表達存在差異,但結果也表明,品種抗性與氮代謝相關基因表達量密切相關,也為進一步研究鹽脅迫下氮代謝相關基因提出了必要性。

綜合來看,抗性品種東稻4號在鹽脅迫下保持了較高的氮代謝酶活性及較穩定的氮代謝方式,這也許是抗性水稻耐鹽的一個重要原因。