種子生產(chǎn)過(guò)程中氮肥和水分調(diào)控小麥種子活力的機(jī)理解析.pdf

1、種子活力是受多基因控制、易受環(huán)境因素影響的復(fù)雜數(shù)量性狀，它是衡量種子質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。高活力的種子發(fā)芽迅速整齊、生長(zhǎng)健壯、產(chǎn)量高。田間肥水對(duì)高活力種子生產(chǎn)影響很大，目前研究較少而且分子機(jī)制仍不清楚。本研究以小麥為試驗(yàn)材料，從田間氮肥和水分兩個(gè)角度進(jìn)行研究，在生理學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)3個(gè)方面解析高活力種子形成機(jī)理，以期探索到高活力種子具有的共性特征，為高活力小麥種子生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)，對(duì)保障田間出苗整齊、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。主要研

2、究結(jié)果如下：
　　1.氮肥水平顯著影響高活力小麥種子生產(chǎn)
　　本研究以小麥品種泰農(nóng)18為試驗(yàn)材料，4個(gè)氮水平 N0（0 kg/ha）、N168（168 kg/ha）、N240（240 kg/ha，華北平原小麥生產(chǎn)常用氮水平）、N300（300 kg/ha）不僅顯著影響小麥產(chǎn)量，而且顯著影響種子萌發(fā)、幼苗形態(tài)建成和種子活力。N168和N240處理生產(chǎn)的種子活力最高，N300生產(chǎn)的種子活力次之，N0生產(chǎn)的種子活力最低。4個(gè)氮水平

3、處理對(duì)發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)的影響較小。在施氮量168 kg/ha和240 kg/ha條件下，適宜高活力小麥種子生產(chǎn)。施氮量過(guò)低（0 kg/ha）條件下生產(chǎn)的種子產(chǎn)量和活力都很低。施氮量過(guò)高（300 kg/ha）條件下生產(chǎn)的種子活力也較低，并且灌漿后期有倒伏的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在高活力小麥種子生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)施用適量氮肥。
　　2.低氮條件下生產(chǎn)的小麥種子萌發(fā)速度快的機(jī)理
　　種子吸脹8 h時(shí)，胚根突出為0％；吸脹12–24 h，N

4、0種子表現(xiàn)出最高的胚根突出百分率，N240種子表現(xiàn)出最低的胚根突出百分率，N168和 N300種子的胚根突出百分率略高于N240；吸脹36 h，各處理的胚根突出百分率至少達(dá)到95%，并且處理間無(wú)顯著差異。這些結(jié)果表明，N0種子比其他處理的種子萌發(fā)快。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn) N0處理導(dǎo)致小麥種子蛋白質(zhì)含量顯著低于 N240種子，N0種子胚乳結(jié)構(gòu)疏松，萌發(fā)過(guò)程中吸水快，進(jìn)而導(dǎo)致萌發(fā)速度快。轉(zhuǎn)錄組分析揭示細(xì)胞壁代謝（最顯著富集的 GO term：GO

5、:0016998，細(xì)胞壁大分子代謝過(guò)程，p=1.99E-7；GO:0004568，幾丁質(zhì)酶活性，p=1.99E-7）促進(jìn)快速萌發(fā)的種子胚根突破種皮，從而加快種子萌發(fā)速度。在吸脹8 h的N240種子中有30個(gè)與細(xì)胞壁代謝相關(guān)的差異基因顯著下調(diào)，差異倍數(shù)最大的前4個(gè)差異基因是幾丁質(zhì)酶，吸脹8 h的N240種子比N0種子下調(diào)約4倍。萌發(fā)8 h的N240種子比N0種子蛋白質(zhì)代謝（GO:0006412，翻譯，p=1.70E-5；GO:003052

6、9，核糖核蛋白復(fù)合體，p=1.52E-4）水平高，可能與N240種子的蛋白質(zhì)含量更高有關(guān)。此外，谷胱甘肽代謝在快速萌發(fā)的種子中也表現(xiàn)上調(diào)，可能與清除種子萌發(fā)過(guò)程中的活性氧有關(guān)。
　　3.氮肥調(diào)控小麥種子幼苗形態(tài)建成和種子活力的機(jī)理
　　不同的氮肥水平生產(chǎn)的小麥種子發(fā)芽指數(shù)無(wú)顯著差異，活力指數(shù)方面的差異主要由幼苗重量決定，幼苗形態(tài)建成影響幼苗重量。N168和 N240種子的幼苗株鮮重最高，且二者間無(wú)顯著差異， N300種子的幼

7、苗株鮮重次之， N0種子的幼苗株鮮重最低。株鮮重的變化趨勢(shì)與活力指數(shù)變化趨勢(shì)一致。轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組分析揭示高活力種子幼苗形態(tài)建成過(guò)程中涉及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)調(diào)運(yùn)（淀粉和蔗糖代謝、氮代謝和亞油酸代謝）、谷胱甘肽代謝通路上調(diào)。此外，蛋白質(zhì)組分析表明氮肥對(duì)小麥種子蛋白質(zhì)中α-醇溶蛋白影響最大，高活力種子的光合作用相關(guān)蛋白顯著上調(diào)。吸脹72 h的 N240種子α-淀粉酶活性顯著高于 N0種子，與α-淀粉酶差異基因表達(dá)水平一致。N240種子吸脹后3–8 d

8、的幼苗株干重顯著高于N0種子，而且二者的差異逐漸增大。雖然N0種子萌發(fā)最快，但活力最低，本研究證明了萌發(fā)快的種子活力不一定高。綜合氮肥調(diào)控種子萌發(fā)和幼苗形態(tài)建成的轉(zhuǎn)錄組分析，蛋白質(zhì)代謝和氮代謝在調(diào)控種子活力方面發(fā)揮了重要作用。
　　4.花后干旱顯著影響高活力小麥種子生產(chǎn)
　　本研究以小麥品種山農(nóng)20、泰農(nóng)18和淄麥12為為試驗(yàn)材料，設(shè)置花后正常灌溉和干旱（控制降雨且不灌溉）兩種處理?；ê髧?yán)重干旱條件下生產(chǎn)的小麥種子產(chǎn)量和活力

9、都顯著降低，不同品種降低幅度略有不同。花后嚴(yán)重干旱顯著降低多數(shù)小麥品種種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)，少數(shù)小麥品種種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)與正常灌溉條件下生產(chǎn)的種子無(wú)顯著差異。因此，在高活力小麥種子生產(chǎn)的灌漿期應(yīng)根據(jù)土壤墑情及時(shí)灌溉。
　　5.高活力種子的共性特征
　　多個(gè)小麥品種和玉米品種在多種處理?xiàng)l件下種子活力的共性分析表明，種子蛋白絕對(duì)含量與幼苗株干重呈極顯著正相關(guān)。當(dāng)發(fā)芽指數(shù)相差較小時(shí)，活力指數(shù)由幼苗重量決定，