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谷氨酰胺合成酶(GS)是植物氮素代谢的关键酶,为了阐明小麦氮素利用效率与GS同工酶表达特点的关系,我们克隆了GS同工酶基因,制备了抗GS同工酶的特异性抗体,研究了不同氮效小麦品种花后不同生育时期不同组织器官的GS表达特点。结果表明,氮高效品种豫麦49和氮低效品种西农509的籽粒、功能叶、颖壳、穗下节、穗轴和根的GS总活性的高峰期出现在开花期至开花后8天,氮素同化主要产物(游离氨基酸,可溶性蛋白)的高峰期稍晚于GS酶活性的高峰期,出现在花后8天至16天。氮高效品种功能叶的GS总活性在花后24天急剧下降,而氮低效品种在花后8天就急剧下降,表明氮高效品种高同化能力维持时间更长。Native-PAGE结果显示,胞液型GS同工酶(GS1)存在于小麦所有组织器官,而质体型GS同工酶(GS2)仅存在于绿色组织器官。在绿色器官中还发现了一种迁移率明显不同于GS1和GS2的同工酶类型GS2m,此种同工酶类型仅在开花期至花后8天有活性,在开花期的功能叶中活性最高。GS2主要参与氮素的同化,不同器官GS2活性表现为:功能叶>护颖>穗下节>穗轴;GS1主要参与氮素的转移再利用,开花后8天GS1活性表现为:籽粒≈穗轴>功能叶>护颖>穗下节;表明功能叶和护颖以氮素同化功能为主,穗下节兼具同化和转运功能。穗轴中GS1在开花后持续保持较高活性,且氮高效品种高于氮低效品种,表明氮高效品种的穗轴氮素转运能力更强。Western-blot和qPCR结果表明,TaGS2蛋白亚基和基因在绿色器官尤其是功能叶中表达量较高,在开花期达最高,且氮高效品种高于氮低效品种。TaGS1.1蛋白亚基和基因在各器官中表达量均较高,主要在穗轴中表达,在开花期和花后8天表达量达最高。TaGS1.2蛋白亚基和基因主要在穗轴中表达,且在开花后8天、16天较高,氮高效品种显著高于氮低效品种,表明TaGS1.2主要在籽粒灌浆盛期,氮素转运及再同化需求较大时,协助TaGS1.1参与氮素转运及再同化,对籽粒灌浆具重要作用;穗轴中Ta GS1.2含量高,更有利于氮素转运及再同化,从而提高氮素利用率。TaGS1.3蛋白亚基和基因主要在籽粒和颖壳中表达,颖壳中在开花期含量较高,籽粒中在开花后24天含量较高,氮高效品种的籽粒和颖壳中TaGS1.3表达量均高于氮低效品种,表明TaGS1.3主要参与籽粒灌浆时氮素的同化,TaGS1.3含量高有利于籽粒灌浆时氮素储存于籽粒中,并提高籽粒灌浆速度,从而提高氮素利用率。可见,GS同工酶具有组织特异性表达且功能非重叠的特点,对氮素利用效率的影响机制不同。