小麦谷氨酰胺合成酶同工酶表达与氮素利用效率关系研究

With cluster analysis and variance analysis, the wheat cultivars with high or low nitrogen use efficency will be selected growing under low or appropriate nitrogen conditions. By detecting the accumulation and distribution of total nitrogen, aminao acid and soluble protein in different organs during different stages, the nitrogen metablism characteristics of wheat cultivars with different nitrogen use efficency will be analized under two nitrogen conditions. With native-PAGE combined with activity staining, the dynamic expression characteritics of GS isoforms(GS1, GS2, GSX1 and GSX2) in different organs of wheat with different nitrogen use efficency will be studied; dynamic composition of subunits of GS isforms will be studied by western bloting and transcriptional characteristics of GS isoforms will be studied by semiquantitative PCR. With correlation analysis and regression analysis, the role of GS isoforms in nitrogen up-take, assimilation, transportation and utilization will be clarified; the relationship between GS isoforms and nitrogen use efficency will be revealed, and the molecular basis of key link to improve wheat N-use efficency will be probed. All these research will provide the theoretical basis for improving wheat N-use efficency by optimizing agronomic measures or innovating germ plasm resoure.

利用聚类与方差分析相结合的方法，筛选适氮和欠氮条件下氮素高效与低效利用率的小麦代表品种。在两种供氮条件下，通过测定小麦代表品种不同生育时期不同器官的总氮、总氨基酸及可溶性蛋白积累与分布，分析不同氮素利用效率小麦品种的氮代谢特点。利用Native-PAGE与活性染色相结合的技术，研究不同氮素利用效率小麦品种谷氨酰胺合成酶同工酶（GS1、GS2、GSX1和GSX2）的时空表达特点；利用western blot 技术研究组成GS同工酶的亚基变化动态；利用半定量PCR技术研究GS同工酶在转录水平的表达特点。利用相关分析和回归分析的方法，阐明GS同工酶在小麦氮素吸收、同化及转移利用等氮代谢过程中的作用，揭示GS同工酶与氮素利用率之间的关系，探索提高小麦氮素利用效率关键环节的分子依据，为通过优化栽培措施和创新种质资源途径提高小麦氮素利用效率提供理论依据。

通过大田试验和盆栽试验相结合，利用聚类分析的方法，筛选到了8个共计4种氮效率类型的小麦代表品种，高氮高效型（HH）、高氮低效型（HL）、低氮高效型（LH）及低氮低效型（ LL）小麦代表品种。在不同供氮条件下，通过测定小麦不同生育时期和不同器官的GS同工酶活性，氮相关代谢产物，明确了各种类型小麦品种氮素同化、转运和分配利用等氮代谢特征，谷氨酰胺合成酶同工酶（GS1、GS2、GSm2）的时空表达特点以及转录水平的表达特点，利用相关分析和回归分析的方法，阐明GS同工酶在小麦不同发育时期和部位对氮素利用率的关系和影响。结果表明：不同氮效率小麦品种氮代谢差异明显，且对氮肥的响应不同，氮素的同化，转运和分配过程均对产量造成影响，造成氮效率差异；GS同工酶表达具有明显的时空分布特征，在小麦的关键发育期（拔节期到开花后7天），不同氮效率小麦品种的GS同工酶表达差异显著，表现为氮高效品种开花前GS2表达和开花后GS1表达高于氮低效品种，且GS1/GS2比例随着发育时期的进程逐渐增大；叶片中NUE、NAE、NPE、NTE四个氮效率指标与GS同工酶和代谢相关指标的回归方程决定系数分别达到0.533,0.810,0.753和0.722，其中NUE在开花后7天时方程拟合度最高，拔节期时最低。结论：GS同工酶与氮效率关系明显，但仅存在于生长发育的关键时期，并不是小麦氮效率的决定因素，GS同工酶通过不同器官和时期的差异表达，控制植株源库流器官关系的协调，是小麦品种氮效率差异的主要因素。本研究为不同类型小麦品种精确减量施肥，农业可持续发展和为氮高效品种的选育提供了参考和理论依据。