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    水稻穗發(fā)芽與種子休眠研究現(xiàn)狀

    2015-03-17 04:28:38王麗萍彭欣怡程琴歐景莉龍凌云
    關(guān)鍵詞:種子休眠水稻

    王麗萍 彭欣怡 程琴 歐景莉 龍凌云

    摘 要:水稻穗發(fā)芽與種子休眠是日常生產(chǎn)中的大難題,穗發(fā)芽后的水稻不僅產(chǎn)量明顯降低,而且水稻的品質(zhì)、儲(chǔ)藏及來(lái)年播種都受到很大程度上的影響;種子休眠不利于水稻采收后立即種植,且無(wú)法對(duì)其進(jìn)行發(fā)芽檢測(cè)等。本文對(duì)水稻穗發(fā)芽與種子休眠的生理機(jī)制和控制措施進(jìn)行歸納敘述,旨在為科研和生產(chǎn)實(shí)踐提供理論支持。

    關(guān)鍵詞:水稻 穗發(fā)芽 種子休眠

    1 水稻穗發(fā)芽現(xiàn)象

    水稻穗發(fā)芽是一個(gè)世界性難題,穗發(fā)芽后的水稻作物不僅產(chǎn)量明顯降低,而且水稻的品質(zhì)、儲(chǔ)藏及來(lái)年播種都受到很大程度上的影響。我國(guó)南方水稻收成前經(jīng)常會(huì)碰到持續(xù)的高溫多雨天氣,因此水稻穗發(fā)芽問(wèn)題十分嚴(yán)重。我國(guó)早在20世紀(jì)70年代就開始研究如何減輕水稻不育系抽穗包頸現(xiàn)象,主要是采取噴施“九二○”的方法,是因?yàn)槠渲饕煞譃榇龠M(jìn)水稻種子萌發(fā)的關(guān)鍵因子GA3。但大量噴施“九二○”容易造成水稻不育系種子成熟度參差不齊和花期延長(zhǎng)的負(fù)面影響。在潮濕、隱蔽的環(huán)境中,休眠性較淺的水稻種子較易出現(xiàn)穗發(fā)芽現(xiàn)象[1]。

    1.1 水稻穗發(fā)芽的生理機(jī)制

    1.1.1 α-淀粉酶等酶對(duì)穗發(fā)芽的影響

    水稻種子發(fā)芽過(guò)程中所必要的能量和物質(zhì)是通過(guò)可溶性糖和游離氨基酸來(lái)供給的。早期的研究已證實(shí),易穗發(fā)芽的品系種子在成熟后期α-淀粉酶活性明顯高于不易穗發(fā)芽的品系[2],其主要原因是淀粉分子中的α-1,4-葡萄糖苷鍵被α-淀粉酶水解了,使淀粉分割成糊精和少量的可溶性糖等重要的轉(zhuǎn)化和呼吸物質(zhì);在水稻種子進(jìn)入成熟后期時(shí),發(fā)育種子內(nèi)α-淀粉酶活性迅速升高,當(dāng)種子遇到高溫多雨天氣時(shí),糊粉層接受刺激信號(hào),α-淀粉酶會(huì)促使種子內(nèi)部?jī)?chǔ)藏的淀粉分解,導(dǎo)致種子內(nèi)可溶性糖等重要的呼吸作用所需的物質(zhì)含量增加,從而為呼吸作用提供了充分的能量[3]。此外,相關(guān)實(shí)驗(yàn)還證明種子中低降解值[4]、強(qiáng)過(guò)氧化物酶[5]、多酚氧化酶的活性[6]等生理因素均對(duì)水稻種子穗發(fā)芽有著不同程度的影響。

    1.1.2 GAs、ABA等內(nèi)源激素對(duì)水稻穗發(fā)芽的影響

    大量研究證明,廣泛使用的“九二○”(含有GA ),能促進(jìn)水稻穗發(fā)芽。實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)制種田使用“九二○”達(dá)12 g/667 m2以上時(shí),“九二○”使用量與水稻穗發(fā)芽率成正比。同時(shí),國(guó)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),種子發(fā)芽過(guò)程中新合成的GA也許是因?yàn)棣?淀粉酶活性的迅速提高導(dǎo)致的;發(fā)芽早的種子在發(fā)芽過(guò)程中赤霉素峰值伴隨著脫落酸含量降低,種子是在赤霉素不斷上升的過(guò)程中完成發(fā)芽的。ABA可以抑制種子發(fā)芽過(guò)早,但GA能夠解除種子休眠 [7]。大量研究證明,糊粉層吸收Ca離子是通過(guò)α-淀粉酶的活性來(lái)調(diào)節(jié)的,在種子發(fā)芽時(shí)α-淀粉酶的活性受ABA抑制,從而導(dǎo)致種子內(nèi)蛋白質(zhì)含量增加和胚發(fā)育,同時(shí)也是造成大多種子休眠的主要原因之一。McCarty推測(cè),種子發(fā)芽過(guò)早也許是種子內(nèi)ABA或共活化蛋白VP1(參與ABA調(diào)控基因表達(dá)過(guò)程)的缺少造成的,從而使得ABA對(duì)于一些基因如GLB1(貯藏蛋白的基因)的調(diào)控受到影響,導(dǎo)致GLB1的合成受到抑制,使得胚對(duì)于ABA不敏感或者敏感度下降[8]。對(duì)于ABA的抑制機(jī)理,國(guó)外學(xué)者Walton等人認(rèn)為,是由于ABA誘導(dǎo)蛋白與α-淀粉酶mRNA翻譯的相關(guān)酶結(jié)合,抑制α-淀粉酶mRNA的翻譯,從而阻止發(fā)育中水稻種子的過(guò)早萌發(fā)。另有研究表明,穗發(fā)芽和ABA間無(wú)顯著相關(guān)性, ABA和GA之間相互調(diào)節(jié)導(dǎo)致穗發(fā)芽現(xiàn)象 [9]。

    1.1.3 含水量及溫度對(duì)水稻穗發(fā)芽的影響

    制種田中水稻種子含水量及外界溫度對(duì)于水稻穗發(fā)芽有重要影響,特別是在水稻種子灌漿卻未成熟時(shí),遇到高溫多雨天氣,使種子內(nèi)含水量的增加,同時(shí)外界又提供適宜萌發(fā)的溫度環(huán)境,容易促使穗發(fā)芽現(xiàn)象的發(fā)生。

    1.2 水稻穗發(fā)芽調(diào)控措施的研究

    為了能有效對(duì)水稻種子的穗發(fā)芽進(jìn)行調(diào)控,研究者們根據(jù)種子穗發(fā)芽的生理機(jī)制及相關(guān)影響因素,進(jìn)行長(zhǎng)期的試驗(yàn),從生產(chǎn)方面提出以下幾種調(diào)控的方法。

    1.2.1 種植方法

    種子穗發(fā)芽受到外界如溫度、濕度等影響。因此在選擇制種前需要充分考慮以下幾點(diǎn)因素:

    1.2.1.1 氣候情況

    在選擇制種田前必須充分收集該地區(qū)近幾年來(lái)氣候變化的相關(guān)數(shù)據(jù),從而適當(dāng)調(diào)整播種時(shí)間或是選擇早熟品種來(lái)避開南方連續(xù)的陰雨天氣對(duì)水稻揚(yáng)花授粉的影響。

    1.2.1.2 制種田的情況

    大田種植時(shí)要優(yōu)先考慮陽(yáng)光是否充足、排灌是否通暢、土壤中微量元素是否適中等問(wèn)題,從而避免出現(xiàn)由于地勢(shì)低洼或是種田排灌溝系統(tǒng)不完善而導(dǎo)致灌排不通暢,加劇水稻穗發(fā)芽現(xiàn)象的情況。

    1.2.1.3 種植方法的選擇

    根據(jù)南方山區(qū)地勢(shì)情況,對(duì)于植株的密度應(yīng)合理進(jìn)行規(guī)劃,需深開主溝、圍溝、廂溝,當(dāng)遇到高溫多雨氣候時(shí)能及時(shí)降低田間溫度與濕度。施肥方面,在確保有適量氮肥的同時(shí),增加磷、鉀肥的施放,從而抑制水稻貪青早熟,母本倒伏的現(xiàn)象。在繁育過(guò)程中如果父本植株高于母本,為減少對(duì)于母本的遮蓋,可在授粉完成后將父本移除或者捆扎。

    1.2.2 化學(xué)方法

    我國(guó)早在70年代初就開始研究利用化學(xué)方法對(duì)作物的生長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)控,隨著該方法的廣泛使用,其技術(shù)也越來(lái)越為人們所熟知和掌握。然而,這些化學(xué)物質(zhì)能不能從根本上解決穗發(fā)芽的問(wèn)題,以及是否會(huì)帶來(lái)一些食品安全隱患還有待研究。目前主要的化學(xué)調(diào)控方法有以下幾種。

    1.2.2.1 多效唑

    研究發(fā)現(xiàn)一類三唑類化合物(多效唑)對(duì)水稻穗發(fā)芽的抑制效果顯著,還可以使結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量有所增加。水稻在穗后15 d進(jìn)行葉面噴灑,噴灑量在300~750 g/hm2時(shí),抑制效果可達(dá)70 %,同時(shí),在此用量的基礎(chǔ)上,隨著施放濃度的提高,抑制效果越好。但隨著施用多效唑技術(shù)的推廣,也發(fā)現(xiàn)一些弊端:一是由于使用量較大,導(dǎo)致生產(chǎn)成本過(guò)高;二是其作用雖然持續(xù),但效果緩慢,無(wú)法根據(jù)氣候的變化靈活調(diào)整措施[11-12]。

    1.2.2.2 穗萌抑制劑的用量

    由于穗萌抑制劑在水稻生產(chǎn)中抑制效果明顯、成本低、對(duì)作物產(chǎn)量等相關(guān)經(jīng)濟(jì)情況沒有負(fù)面影響,為此,應(yīng)用非常普遍。適宜的施用濃度對(duì)于作物增產(chǎn)、種子質(zhì)量、產(chǎn)量的提高均有重要作用。在實(shí)際應(yīng)用中,為達(dá)到最好的抑制效果,通常是在水稻乳熟末期和黃熟初期分別施放1次8~18 mg/L的穗萌抑制劑 [13-14]。同時(shí),還應(yīng)根據(jù)親本的情況適當(dāng)調(diào)整使用量,如遇敏感親本可減少使用量,反之則可以增加用量或提早施用。但穗萌抑制劑在使用過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題:穗萌抑制劑會(huì)導(dǎo)致種子休眠較難破除,同時(shí)部分穗萌抑制劑的使用存在一定的安全隱患[15-17]。

    1.2.2.3 “九二○”、外源ABA的使用

    近年來(lái)利用“九二○”或外源ABA來(lái)抑制水稻穗發(fā)芽技術(shù)也逐漸被人們所熟知。在生產(chǎn)實(shí)踐中“九二○”的噴施是超低容量。王熹等人[18]以水稻為材料進(jìn)行了外源ABA抑制穗萌實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,外源ABA對(duì)于不同類型雜交水稻穗發(fā)芽的抑制均有明顯效果。外源ABA不僅能有效抑制水稻穗發(fā)芽,而且屬于植物內(nèi)源激素,廣泛用于作物也不至于產(chǎn)生環(huán)境污染。然而,大劑量、高濃度的施用ABA對(duì)于水稻的結(jié)實(shí)率和種子質(zhì)量有無(wú)不利影響,需要通過(guò)以后的實(shí)踐來(lái)證明。

    1.2.3 生物方法

    隨著化學(xué)藥劑的使用,對(duì)作物及農(nóng)戶帶來(lái)了一定的危害,越來(lái)越多的研究者轉(zhuǎn)向利用穗發(fā)芽的相關(guān)生理機(jī)制和遺傳手段對(duì)穗發(fā)芽進(jìn)行調(diào)控。有研究表明,穗發(fā)芽抗性是隱性基因控制或簡(jiǎn)單遺傳[19]。目前主要的遺傳調(diào)控方法是選育穗發(fā)芽抗性強(qiáng)的水稻品種。由于雜交稻穗發(fā)芽受親本遺傳影響較大,將抗性不同的親本進(jìn)行正反交試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)抗穗發(fā)芽是由微效基因控制的數(shù)量性狀遺傳特性[20]。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)選擇抗性較強(qiáng)、穗發(fā)芽較少的雄性不育系水稻品種作為育種母本,以減少穗發(fā)芽的現(xiàn)象。

    2 水稻休眠現(xiàn)象

    在適合種子萌發(fā)的環(huán)境下,有活力的水稻種子仍不發(fā)芽即種子處于休眠狀態(tài)。種子休眠現(xiàn)象在植物界十分普遍,有利于植物的生存和繁衍,保持種子質(zhì)量,是一種主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境和物種延續(xù)的生理現(xiàn)象。然而,水稻種子的休眠特性在生產(chǎn)實(shí)踐中有不好的方面,如休眠種子采收后不能立即種植和進(jìn)行發(fā)芽檢測(cè)等。為了給科研和生產(chǎn)實(shí)踐提供理論支持,有必要對(duì)水稻種子休眠的生理機(jī)制進(jìn)行全面系統(tǒng)的闡述。

    2.1 水稻種子休眠特性及其原因

    水稻種子休眠是多種因素共同作用的結(jié)果。通常將水稻種子休眠分為兩大類型:由種皮引發(fā)的休眠和由胚引發(fā)的休眠。但是實(shí)際生產(chǎn)中也發(fā)現(xiàn)同時(shí)存在兩種休眠類型的種子,部分研究者稱為綜合休眠型,但為了便于原因的闡述,在此仍以主要類型進(jìn)行描述,并補(bǔ)充相關(guān)因素進(jìn)行完善。

    2.1.1 種皮引發(fā)的休眠

    2.1.1.1 種皮的不透水性

    植物種皮中的酚類物質(zhì)面對(duì)有氧干燥的環(huán)境時(shí),種皮氧化成黑色素層,降低其通透性,使種子發(fā)芽緩慢,無(wú)益于萌發(fā)。不過(guò)此種現(xiàn)象較少出現(xiàn)在雜交水稻的制種過(guò)程中[21]。

    2.1.1.2 種皮的不透氣性

    水稻種子的種皮不會(huì)阻礙水分的吸收,但會(huì)限制氣體吸收和排放,因此容易導(dǎo)致CO2積累過(guò)多和代謝產(chǎn)物失調(diào)并積累,從而抑制種子的萌發(fā)[22]。種皮的透氣性與水稻種子休眠息息相關(guān),很多研究結(jié)果表明,去殼處理使發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率大大增加[23]。還有一些實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),水稻種皮的不透氣性是由基因型控制的,也有實(shí)驗(yàn)表明,種殼背面的細(xì)胞分布緊密且間隔少是休眠特性強(qiáng)水稻種子的顯著特征,它們?nèi)菀滓驗(yàn)榉N內(nèi)含氧量過(guò)低而導(dǎo)致無(wú)法萌發(fā)。

    2.1.1.3 種皮含有抑制物

    水稻種皮中含有很強(qiáng)抑制種子萌發(fā)的物質(zhì),如過(guò)氧化物酶、ABA等,必須采取相應(yīng)的方法處理才能正常萌發(fā)[24]。

    2.1.2 胚引發(fā)的休眠

    有時(shí)水稻種子雖去掉種皮但也無(wú)法萌發(fā),是因?yàn)樗鼈兒笫爝^(guò)程的完成是要處于干燥或較高溫度、通氣或低溫濕潤(rùn)的環(huán)境下。

    2.1.2.1 胚的形態(tài)后熟不完善

    水稻種子胚由受精卵分化而成,具有子葉、胚根、胚軸和胚芽等。有時(shí)水稻種子從外表皮觀察發(fā)現(xiàn)已成熟,但其內(nèi)部胚尚未分化完全,從而導(dǎo)致種子無(wú)法順利萌發(fā)。這類種子只需適時(shí)的給予其適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)環(huán)境,使其繼續(xù)完成器官的分化,便可順利萌發(fā)。

    2.1.2.2 胚的生理后熟不完善

    部分水稻種子在適宜的條件下已完成胚的分化并去掉種皮,但依然無(wú)法萌發(fā)。這其實(shí)是由于胚未完成生理后熟的緣故。影響胚生理成熟的因素有很多,包括內(nèi)源激素之間的動(dòng)態(tài)平衡、是否缺少呼吸代謝的物質(zhì)及多條代謝過(guò)程的調(diào)整等;同時(shí),實(shí)驗(yàn)證明,水稻種子的成熟度直接影響種子的休眠特性,當(dāng)胚的生理后熟越完善,休眠的時(shí)間越短[25]。

    2.1.2.3 胚內(nèi)抑制物的影響

    近年來(lái)研究證明,胚內(nèi)的主要抑制物為脫落酸(ABA),其在種子休眠過(guò)程中起重要作用。ABA的含量與休眠深度成正比,核酸的正常代謝會(huì)隨著ABA含量的逐漸增加而受到抑制, GA含量也隨之降低,與此同時(shí)也會(huì)抑制α-淀粉酶的活性 [24]。

    2.1.3 環(huán)境因素引發(fā)的休眠

    水稻種子休眠與周圍的環(huán)境因素息息相關(guān),其中陽(yáng)光、溫度、濕度、空氣及土壤肥力等對(duì)水稻種子休眠都有重要的影響。

    光對(duì)水稻種子的影響主要是在內(nèi)部調(diào)整光敏素的相互轉(zhuǎn)化。遠(yuǎn)紅光吸收型Pfr和紅光吸收型Pr是光敏素的不同類型,這兩種類型可互相轉(zhuǎn)化,Pfr類型可以形成復(fù)合物,促進(jìn)種子萌發(fā)[26]。種子休眠的破除和種子的類型主要受種子中光敏素Pr/Pfr的百分比決定。

    種子休眠同時(shí)受溫度的影響。若溫度環(huán)境忽然發(fā)生變化,正好種子在休眠過(guò)程中處于低溫處理時(shí)期或低溫后熟時(shí),易導(dǎo)致種內(nèi)生理環(huán)境發(fā)生變化,尤其對(duì)于種內(nèi)酶活性及儲(chǔ)存物質(zhì)水解作用的影響尤為顯著[27-28]。

    一些研究表明,隨著種子的成熟,種子休眠時(shí)的含水量呈下降趨勢(shì),種子遇到適宜濕度即可萌發(fā)。但也有研究表明,濕度僅僅影響剛采收的種子休眠[29]。

    在缺氧的情況下,胚芽可穿破種皮伸出胚芽鞘,但胚根卻無(wú)法正常的生長(zhǎng)?,F(xiàn)研究表明,當(dāng)CO2的含量超過(guò)30%時(shí),水稻種子易進(jìn)入休眠狀態(tài)[3]。

    3 討論

    國(guó)內(nèi)外大多學(xué)者都是從單一方面對(duì)水稻穗發(fā)芽和種子休眠以及產(chǎn)生這兩種現(xiàn)象的機(jī)制作為重要內(nèi)容來(lái)鉆研探索,但就種子休眠和穗發(fā)芽的相關(guān)性問(wèn)題沒有進(jìn)行深入研究。雖然現(xiàn)在控制水稻穗發(fā)芽與種子休眠的技術(shù)已取得不錯(cuò)的進(jìn)步,但還存在以下幾方面的問(wèn)題:一是通過(guò)傳統(tǒng)噴施抑制劑等方法來(lái)解決南方大規(guī)模水稻生產(chǎn)過(guò)程中遇到的穗發(fā)芽現(xiàn)象,費(fèi)用太高且效果不夠理想,同時(shí)還容易造成環(huán)境的污染;二是采用抗性親本雜交育種來(lái)抑制穗發(fā)芽,該方法存在雜交制種育種難且時(shí)間長(zhǎng)等缺陷;三是在分子水平篩選出水稻種子休眠或穗發(fā)芽相關(guān)基因,通過(guò)基因來(lái)解決此難題,此方法研究成本高且要求研究人員的專業(yè)技術(shù)較強(qiáng)。因此,在今后研究需進(jìn)一步調(diào)整栽培方法,形成科學(xué)的種植田管理措施,根據(jù)南方連續(xù)高溫潮濕氣候制定種植計(jì)劃,同時(shí)需采用合適的品種選育方法,能快速穩(wěn)定的選用具有強(qiáng)種子休眠基因與穗發(fā)芽率低的水稻不育系進(jìn)行雜交育種,篩選出優(yōu)質(zhì)雜交品種進(jìn)行種植,從而最大限度減少大面積種植過(guò)程中由于穗發(fā)芽和種子休眠所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失,并降低實(shí)際操作過(guò)程中的難度,便于推廣。

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