National Key Laboratory of Biology / Agronomy College, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China
Abstract: As a component of cell wall, lignin is believed to be relevant to mechanical intensity of culm. In this study, we investigated the dynamic changes of lignin content and activities of four enzymes involved in lignin metabolism in culm as well as the snapping resistance and lodging index of wheat (Tritcum aestivum L.) to disclose the relationship between lignin content and lodging resistance. The lignin content and activities of phenylalanine ammonia-lyase (PAL), tyrosine ammonia-lyase (TAL), cinnamyl alcohol dehydrogenase (CAD), and 4-coumarate: CoA ligase (4CL) were tested with the second internode of six cultivars with different lodging resistance. The snapping resistance and culm lodging index were determined at anthesis, milking, and maturity stages. The lignin content varied significantly among cultivars. Jimai 22 and Jimai 20, which showed high resistance to culm snapping and loging, had higher lignin content and the activities of PAL, TAL, CAD, and 4CL than other cultivars. The lignin content was negatively correlated with the actual lodging ratio (r = 0.83, P < 0.05), and positively correlated with the snapping resistance of culm (r = 0.86, P < 0.05). The activities of PAL, TAL, and CAD were positively correlated with lignin content with correlation coefficients of 0.78 (P < 0.05), 0.77 (P < 0.05), and 0.85 (P < 0.05), respectively. Based on these results, we conclude that high activities of PAL and CAD are the enzymatic basis of increased lignin content, and the lignin content in culm can be used as an important indicator to evaluate lodging resistance of wheat. Keywords: Winter wheat; Lignin metabolism; Lodging resistance; Lodging index; Enzyme activity
作物学报
ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(9): 16161622 ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9
/zwxb/ E-mail: xbzw@
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.01616
第一作者联系方式 : E-mail: chenxggw@ Received(收稿日期 ): 2010-12-14; Accepted(接受日期 ): 2011-03-27; Published online(网络出版日期 ): 2011-06-28. URL: /kcms/detail/11.1809.S.20110628.1010.018.html
Relationship between Lignin Metabolism and Lodging Resistance in Wheat
CHEN Xiao-Guang, SHI Chun-Yu, YIN Yan-Ping, WANG Zhen-Lin*, SHI Yu-Hua, PENG Dian-Liang, NI Ying-Li, and CAI Tie
[22]
和燕麦茎秆机械强度变弱, 易造成倒伏[17]; 木质素含 量增加, 水稻和春小麦的抗倒伏能力显著增加[18-19]。 不同小麦品种茎秆中的木质素含量存在明显差异 , 但造成这种差异的生理基础及差异形成规律尚不清 楚。本研究以抗倒伏能力不同的 6 个小麦品种为材 料 , 研究其茎秆基部第二节间木质素含量及木质素 代谢相关酶活性、茎秆抗折力和抗倒伏指数的变化 规律 , 探讨木质素合成机制与茎秆抗倒伏性的关系 , 从而为小麦的抗倒伏栽培和品种选育提供理论依据。
伟 [21]的方法 , 准确称取茎秆 0.5 g, 放入研钵中 , 加 入 6 mL 硼酸钠 -硼酸缓冲液 (0.05 mol L1, pH 8.8, 含 1 mmol L1 EDTA、 少许 PVP), 5 mmol L1 巯基乙醇、 冰浴研磨至匀浆 , 转入 10 mL 离心管中 , 然后于 4℃ 下以 10 000×g 离心 15 min, 上清液即为酶提取液。 取提取液 0.2 mL, 加入 1 mL 由 0.1 mol L1 硼酸钠缓 冲液配制的 L-苯丙氨酸 (0.1 mol L1)和 2.8 mL 蒸馏 水 , 摇匀 , 37℃水浴反应 30 min, 立即放入沸水中中 止反应 ; 于 290 nm 处测定吸光值 , 以 1 mL 蒸馏水代 替底物进行同样的反应为对照。以每小时 A290 值变化 0.01 为一个酶活力单位计算酶比活性 (U mg1 FW)。 1.3.2 酪氨酸解氨酶 (TAL)
本研究由国家重点基础研究发展计划 (973 计划 )项目 (2009CB118602)和国家公益性行业 (农业 )科研专项 (200803037)资助。
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通讯作者 (Corresponding author): 王振林 , E-mail: zlwang@, Tel: 0538-8241359
茎倒伏是小麦高产的主要制约因素之一 , 对实 现小麦高产构成严峻威胁。研究小麦茎秆抗倒伏规 律对小麦高产、稳产有重要意义。很多学者通过对 茎秆的形态 [1-4]、机械强度 [5-7]、解剖结构 [7-10]、生理
和生化成分 [11-12] 等特性的广泛研究 , 初步揭示了小 麦抗倒伏的形态学和生理机制。近年来 , 从分子生 物学和遗传学角度 [13-15] 也开展了小麦抗倒伏性的研 究 , 以期指导小麦抗倒品种的选育。
1
1.1
材料与方法
试验设计 2008—2010 年 在 山 东 农 业 大 学 农 学 试 验 站 (35°38′~36°33′ N, 116°02′~117°59′ E)进行田间试验。 试验田土壤为棕壤土 , 0~20 cm 土层含有机质 12.3 g kg1、全氮 0.91 g kg1、碱解氮 87.2 mg kg1、速效 磷 78.6 mg kg1 和速效钾 57.5 mg kg1。 供试小麦品种分别为济麦 20 和济麦 22 (高抗 )、 藁城 8901 和烟农 21 (中抗 )、 平原 50 和蚰子麦 (易倒 伏 )。随机区组设计 , 小区面积为 9 m2, 3 次重复。分 别于 2008 年 10 月 10 日和 2009 年 10 月 9 日播种 , 人 工条播 , 基本苗 180 万 hm2, 行距 25 cm。播种前 施纯 N 112.5 kg hm2、 P2O5 120 kg hm2、 K2O 150 kg 2 2 其他田间管理 hm , 拔节期追施纯 N 112.5 kg hm 。 同小麦生产田。在收获前调查小麦倒伏发生率 , 并 测量实际倒伏面积。 木质素含量测定方法 分别于基部第二节间形成后 0、 10、 20、 30 和 40 d 取样 , 每小区采集未发生倒伏的典型植株 10 株 , 将除去叶鞘的基部第二节间放入液氮中速冻, 于 20℃冰箱中保存。 参照林葵等 [20]的方法 , 准确称取 0.5 g 样品放于 研钵中 , 加入 95% 乙醇 , 研磨至匀浆 , 然后转移到 离心管中 , 2 600×g 离心 5 min; 再用 95%乙醇洗涤沉 淀物 2 次 , 最后用乙醇 ∶正己烷 =1∶2 (V∶V)冲洗 2 次 , 将沉淀物自然干燥并加入 25%溴乙酰冰醋酸溶 液 , 使沉淀溶解 , 加塞后于 70℃水浴中保温 30 min, 然后加入 0.9 mL NaOH (2 mol L1)、 5 mL 冰醋酸和 0.1 mL 羟胺盐酸 (7.5 mol L1), 最后用冰乙酸定容至 15 mL。取上清液于 280 nm 处测定吸光值 , 以每克 1.2
第9期
陈晓光等 : 小麦茎秆木质素代谢及其与抗倒性的关系
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木质素作为细胞壁的主要组成成分之一 , 填充 于纤维素构架中增强植物体的机械强度 , 其含量与 茎秆抗倒伏性密切相关