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不同氮效率基因型水稻氮代谢关键酶活性及其基因表达特征分析
摘要
氮素是植物生长发育的重要元素。而氮肥的低效利用率成为制约现代农业可持续发展的一个重要问题。本研究选取了不同氮效率基因型的水稻品种，通过测定前期和后期生长阶段的酶活性及基因表达情况进行分析，并探讨了不同氮效率基因型水稻氮代谢关键酶活性及其基因表达特征。结果表明，不同基因型水稻氮代谢关键酶活性和基因表达存在明显差异。本研究对水稻高效利用氮素及优化肥料管理具有重要参考价值。
关键词：氮效率；水稻；酶活性；基因表达
引言
氮素是植物生长发育的重要元素，对于植物体内的各种生物化学反应具有重大影响。同时，氮素也是肥料中的主要成分，加强对氮素的利用是农业生产中的关键问题之一。然而，仅有30%的氮肥在作物生长过程中被有效吸收利用，其中一部分会被微生物、土壤等回收和转化为其他有机物或硝态氮（NO3-）等，还有一部分直接流失到环境中，给生态环境带来负面影响（Sunetal.,2019）。因此，提高氮肥的利用效率和优化肥料管理已成为现代农业可持续发展的重要课题之一。
水稻作为世界上最重要的粮食作物之一，其生长和发育对氮素的需求非常高。然而，由于水稻生长发育的多种环境因素，如土壤养分状态、生长期、品种特性等因素的影响，导致水稻氮素吸收和利用过程中存在很大差异性（Lietal.,2019）。为了探究不同氮效率基因型水稻在氮代谢过程中的差异，本研究选取了具有不同氮效率基因型的水稻品种，通过测定前期和后期生长阶段的酶活性及基因表达情况进行分析，并探讨了不同氮效率基因型水稻的氮代谢关键酶活性及基因表达特征。
材料与方法
实验材料
本研究选取了具有不同氮效率基因型的4个水稻品种，包括2个高氮效率品种（HE1和HE2）和2个低氮效率品种（LE1和LE2）。
实验设计
按照随机分组的原则，将4个不同基因型水稻品种分别种植在相同的环境下（包括土壤、气候、肥料等），采用重复实验法，通过测定前期和后期生长阶段的酶活性及基因表达情况进行分析。
实验过程
（1）前期生长阶段（幼苗期）：将4个不同基因型的水稻品种播种在同一块土地上，播种后7天随机采取苗期的拓荒采样，液氮保存，用于后续的RNA提取和基因测序。
（2）成长阶段：在水稻开始拔节后，分别打样，液氮保存，并于后期利用适当方法提取液体，测定氨基酸酶、谷氨酸合成酶、鸟氨酸合成酶和硝酸还原酶的酶活性，并利用RT-qPCR技术测定关键氮代谢酶基因的表达情况。
数据分析
利用SPSS22.0软件对收集到的数据进行统计分析，并进行T检验和方差分析。
结果
1.不同氮效率水稻品种氨基酸酶活性差异
对于前期和后期生长阶段的不同水稻品种，氨基酸酶活性也有着不同程度的差异。在前期生长阶段，高氮效率品种HE1和HE2的氨基酸酶活性要显著高于低氮效率品种LE1和LE2；在后期生长阶段，氨基酸酶活性依然存在差异，这表明在氮代谢过程中，水稻品种对氨基酸酶的活性表现出了基因型依赖性的变异（图1）。
2.不同氮效率水稻品种鸟氨酸合成酶活性差异
在鸟氨酸合成酶活性方面，高氮效率品种HE1和HE2的鸟氨酸合成酶活性以及对鸟氨酸合成酶基因的表达水平均明显高于低氮效率品种LE1和LE2。这表明高氮效率品种相比于低氮效率品种，在氮同化过程中对鸟氨酸的利用更加高效（图2）。
3.不同氮效率水稻品种硝酸还原酶活性差异
在硝酸还原酶活性方面，高氮效率品种HE1和HE2的硝酸还原酶活性比低氮效率品种LE1和LE2高出了20%左右。这说明高氮效率品种对于硝酸还原酶的利用效率更高，其在固氮过程中的表现更加优异（图3）。
4.不同氮效率水稻品种谷氨酸合成酶的活性差异
在谷氨酸合成酶活性方面，虽然在不同品种间仍存在一定差异，但此差异表现得并不明显，这可能是由于谷氨酸合成酶所处的位置、氮素的供给方式等因素的影响，从而导致了其差异性受到一定程度的抑制（图4）。
讨论
氮素是植物生长发育过程中的重要元素，在水稻中也同样如此。虽然水稻中的氮代谢酶多种多样，但是酶活性和基因表达的差异是造成不同基因型水稻之间氮利用率差异问题的主要原因之一（Lietal.,2019）。本研究通过分析不同氮效率基因型水稻中氨基酸酶、鸟氨酸合成酶、硝酸还原酶和谷氨酸合成酶的酶活性，探讨了不同氮效率基因型水稻的氮代谢关键酶活性及其基因表达特征。
本研究结果表明，不同氮效率基因型水稻之间，在氮代谢关键酶的酶活性和基因表达方面表现出了明显的差异性，高效基因型HE1和HE2在氨基酸酶、鸟氨酸合成酶和硝酸还原酶方面均表现出了较好的活性和表达基因的水平。这说明高效基因型水稻在氮素利用和代谢方面具有天然的优势，相比于低效基因型能够更好地适应不同的生态环境，从而实现水稻氮素的高效利用。
此外，本研究还发现，谷氨酸合成酶的活性表现出了一定的差异，但是差异性不大。这