9個(gè)晚秈稻品種在紅壤中的耐酸性鑒定及有關(guān)保護(hù)酶活性的變化

楊 宙，曹豐生，熊運(yùn)華，束愛(ài)萍，劉秀梅

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 水稻研究所/水稻國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(南昌)/國(guó)家水稻改良中心南昌分中心/江西省水稻生理及遺傳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330200；2.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與資源環(huán)境研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330200)

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9個(gè)晚秈稻品種在紅壤中的耐酸性鑒定及有關(guān)保護(hù)酶活性的變化

楊 宙1，曹豐生1，熊運(yùn)華1，束愛(ài)萍1，劉秀梅2*

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 水稻研究所/水稻國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(南昌)/國(guó)家水稻改良中心南昌分中心/江西省水稻生理及遺傳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330200；2.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與資源環(huán)境研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330200)

摘要：為了研究水稻耐酸特性，選擇9個(gè)已在江西省推廣的晚秈稻品種，分別在填入了水稻土和酸性紅壤的水池中種植，測(cè)定了過(guò)氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)等保護(hù)酶活性及丙二醛(MDA)含量等生理指標(biāo)，考察了株高、產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀。結(jié)果表明，不同品種生理指標(biāo)存在差異。酸脅迫下CAT活性和MDA含量降低，SOD活性升高，POD活性無(wú)明顯變化規(guī)律。MDA含量的變化與3種保護(hù)酶活性各自間均無(wú)明顯關(guān)聯(lián)，但可能受到它們的共同影響。酸脅迫下各品種農(nóng)藝性狀呈現(xiàn)不同程度的變異，POD活性、MDA含量與單株產(chǎn)量變異幅度顯著相關(guān)，可以用于評(píng)價(jià)水稻耐酸特性。綜合看來(lái)，天豐優(yōu)6418、深優(yōu)957和躍新2號(hào)為具有較強(qiáng)耐酸特性水稻品種。

關(guān)鍵詞：水稻；紅壤；耐酸；酶活性；農(nóng)藝性狀

我國(guó)南方約有218萬(wàn)km2紅黃壤土地，占國(guó)土總面積的22.7%[1]。江西是我國(guó)紅壤分布主要省份之一，全省紅壤面積達(dá)到1.08×108hm2，占總土地面積的64%。紅壤有“酸、瘦、粘、瘠”這四大特性，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一個(gè)重要障礙，而且由于長(zhǎng)期不合理的開(kāi)發(fā)利用，我國(guó)南方紅壤區(qū)出現(xiàn)酸化面積增加、酸化程度和伴生鋁毒日益嚴(yán)重的趨勢(shì)[2]。

近十年來(lái)，江西省科研工作者篩選出了一些適合在紅壤中種植的耐酸性作物品種，包括油菜、芝麻和木薯等[3-7]。培育和篩選具有較強(qiáng)耐酸特性水稻品種，可以改良利用紅壤資源，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。目前，對(duì)水稻在紅壤中進(jìn)行耐酸性研究和品種篩選工作還較少。本研究選擇9個(gè)已推廣種植的晚秈稻品種，分別在填充水稻土和紅壤水池中種植。通過(guò)測(cè)定過(guò)氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和過(guò)氧化物酶(POD)活性以及丙二醛(MDA)含量這4種與逆境相關(guān)的生理指標(biāo)，分析酸脅迫對(duì)水稻的影響。最后考察產(chǎn)量性狀，評(píng)價(jià)各品種耐酸能力，篩選適合在紅壤中種植的水稻品種，為江西省紅壤改良利用提供技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1水稻品種

選用9個(gè)晚秈稻品種是贛晚秈37、天豐優(yōu)6418、躍新2號(hào)、湘豐優(yōu)186、金優(yōu)207、金優(yōu)299、黃華占、深優(yōu)957和荊楚優(yōu)148，分別由江西、湖南、廣東和湖北省培育，在江西省種植全生育期為110～127 d。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所網(wǎng)室進(jìn)行。水稻7月1日播種，7月30日移栽。采用池栽法，1個(gè)水池中填入取自生產(chǎn)田的水稻土作為對(duì)照處理，土壤有機(jī)質(zhì)含量為28.9 g/kg，有效氮149 mg/kg，速效磷9.81 mg/kg，速效鉀166 mg/kg。另一個(gè)水池中填入取自旱地的典型紅壤作為酸脅迫處理，土壤有機(jī)質(zhì)含量為5.27 g/kg，有效氮35.7 mg/kg，速效磷9.42 mg/kg，速效鉀107 mg/kg。水池深0.4 m、長(zhǎng)8.5 m、寬7.5 m，面積約60 m2。試驗(yàn)前取樣，測(cè)定土壤的鹽浸pH值，然后加水灌溉。各水稻品種在池中按照隨機(jī)區(qū)組種植，3個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)種植2行，每行12株，株距20 cm，行距26.7 cm，進(jìn)行常規(guī)的水分管理和蟲(chóng)害防治。

1.3逆境相關(guān)生理指標(biāo)測(cè)定

在水稻種植過(guò)程中，天豐優(yōu)6418、贛晚秈37和黃華占3個(gè)品種在9月23～26日抽穗，其余6個(gè)品種在9月12～19日抽穗。紅壤中種植的水稻品種抽穗期比水稻土中早1～2 d。在水稻抽穗期選3個(gè)正常單株，取劍葉作為樣品，測(cè)定CAT、SOD和POD這3種酶的活性以及MDA含量。9個(gè)品種分兩批取樣，不同的處理同時(shí)取樣。CAT、SOD和POD樣品用0.1 mol/L磷酸緩沖液在冰浴中研磨抽提，MDA樣品用10%三氯乙酸研磨抽提。CAT、SOD和POD活性以及MDA含量分別用南京建成科技有限公司試劑盒A007、A001-3、A084-3和A003-1測(cè)定。測(cè)定操作過(guò)程參考試劑盒說(shuō)明書進(jìn)行，反應(yīng)結(jié)束后用蘇州島津儀器有限公司UV-1800型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)讀取相應(yīng)波長(zhǎng)下的吸光度值，最后根據(jù)說(shuō)明書提供的公式計(jì)算水稻樣品中酶活性或物質(zhì)含量。

1.4水稻產(chǎn)量性狀考察

觀察各水稻品種整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育階段的表現(xiàn)，記錄抽穗開(kāi)花期。成熟后從每個(gè)小區(qū)收獲5個(gè)代表性單株考種，考察株高、有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重和單株產(chǎn)量。

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

相同品種在不同處理下的結(jié)果用成組數(shù)據(jù)t測(cè)驗(yàn)比較，酸脅迫處理對(duì)水稻生理指標(biāo)的影響用成對(duì)數(shù)據(jù)t測(cè)驗(yàn)比較，數(shù)據(jù)用SPSS16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1酸脅迫對(duì)CAT活性的影響

試驗(yàn)所用水稻土和紅壤pH值經(jīng)測(cè)定分別為5.20和4.04，相差1.16。9個(gè)水稻品種在水稻土中的CAT活性為136.8～193.2 U/(g·min)，在紅壤中為123.9～158.9 U/(g·min)。成對(duì)數(shù)據(jù)t測(cè)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)水稻品種整體而言，紅壤中CAT活性極顯著低于水稻土中的活性。成組數(shù)據(jù)t測(cè)驗(yàn)結(jié)果表明，不同基因型水稻之間的CAT活性存在一定差異。同時(shí)，3個(gè)品種的CAT活性在酸脅迫下均極顯著降低(圖1)。

*、**分別表示兩處理相比有顯著、極顯著差異。下同。

2.2酸脅迫對(duì)SOD活性的影響

9個(gè)水稻品種在水稻土中SOD活性為69.1～124.3 U/g，在紅壤中為81.0～126.9 U/g。對(duì)水稻品種整體而言，紅壤中SOD活性顯著高于水稻土中的活性。不同基因型水稻之間的SOD活性存在較大差異，兩個(gè)品種的SOD活性在酸脅迫下顯著升高(圖2)。

2.3酸脅迫對(duì)POD活性的影響

9個(gè)水稻品種在水稻土中POD活性為19.1～32.3 U/g，在紅壤中為23.3～32.0 U/g。對(duì)水稻品種整體而言，紅壤中水稻葉片POD活性與水稻土中無(wú)顯著差異。不同基因型水稻之間的POD活性存在一定差異，4個(gè)品種的POD活性在酸脅迫下出現(xiàn)顯著差異，但是變化趨勢(shì)不一致(圖3)。

圖2　2種處理下的水稻葉片SOD活性

2.4酸脅迫對(duì)MDA含量的影響

9個(gè)水稻品種在水稻土中MDA含量為35.8～44.0 μmol/g，在紅壤中為32.9～40.7 μmol/g。對(duì)水稻品種整體而言，紅壤中MDA含量顯著低于水稻土中的含量。不同基因型水稻之間的MDA含量存在一定差異，5個(gè)品種的MDA含量在酸脅迫下顯著降低(圖4)。水稻品種的MDA含量變異幅度與前面3種保護(hù)酶活性的變異幅度均無(wú)顯著相關(guān)性。

2.5酸脅迫對(duì)農(nóng)藝性狀的影響

與水稻土種植相比，紅壤酸性脅迫下水稻的株高普遍增加，其中6個(gè)品種達(dá)到顯著水平。紅壤中部分品種有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率顯著降低，而每穗實(shí)粒數(shù)的變異相對(duì)較小。3個(gè)品種千粒重顯著增加，金優(yōu)207千粒重顯著降低，其余的無(wú)變化。躍新2號(hào)、天豐優(yōu)6418和深優(yōu)957等3個(gè)品種的單株產(chǎn)量在兩種處理下無(wú)顯著差異，表現(xiàn)出耐酸特性，其余6個(gè)品種單株產(chǎn)量受酸脅迫影響顯著(表1)。結(jié)合生理指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)，水稻品種的單株產(chǎn)量變異幅度與POD活性的變異幅度呈顯著正相關(guān)，與MDA含量的變異幅度呈顯著負(fù)相關(guān)。

圖3　2種處理下的水稻葉片POD活性

圖4　2種處理下的水稻葉片MDA含量

3討論與結(jié)論

CAT、SOD和POD活性以及MDA含量是評(píng)價(jià)植物耐逆境的主要生理指標(biāo)，其中3種保護(hù)酶活性一般會(huì)隨著逆境脅迫程度加深而先上升后下降，MDA含量的變化則相反[8-9]。在本研究的酸脅迫處理下，不同基因型水稻中保護(hù)酶活性和MDA含量均存在差異。對(duì)所有品種進(jìn)行成對(duì)比較發(fā)現(xiàn)，相差1.16個(gè)pH值的酸脅迫促使CAT活性和MDA含量降低，SOD活性升高，POD活性在各品種中無(wú)一致的變化規(guī)律。這些結(jié)果說(shuō)明水稻中此3種保護(hù)酶活性對(duì)酸脅迫的敏感性存在差異，其中CAT最為敏感，POD其次，SOD敏感性較低。MDA含量變異幅度與此3種保護(hù)酶活性均無(wú)顯著相關(guān)性，可能是受此3種保護(hù)酶的共同影響。

表1　酸脅迫下的水稻農(nóng)藝性狀及其變異

酸脅迫導(dǎo)致水稻的農(nóng)藝性狀不同程度劣變，其中株高增加，有效穗數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)和結(jié)實(shí)率減少，部分品種千粒重的增加則是由每穗實(shí)粒數(shù)減少引起。最終，只有躍新2號(hào)、天豐優(yōu)6418和深優(yōu)957這3個(gè)品種的產(chǎn)量沒(méi)有受到影響，表現(xiàn)出耐酸特性。酸脅迫下CAT和SOD活性有各自的變化趨勢(shì)，但是與水稻產(chǎn)量變異無(wú)相關(guān)性，說(shuō)明它們的活性變化可能是水稻對(duì)酸性逆境的一種普遍反映，難以體現(xiàn)各基因型之間耐酸特性差別。POD活性雖然沒(méi)有出現(xiàn)一致的變化趨勢(shì)，但是其變異與產(chǎn)量變異顯著相關(guān)，可以與MDA含量一起，作為評(píng)價(jià)水稻耐酸特性的指標(biāo)。

土壤酸度直接決定礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素分解利用以及微生物活動(dòng)，是影響植物生長(zhǎng)的重要因素[10]。高濃度酸對(duì)植物形態(tài)發(fā)生、生理功能和生態(tài)特性均有危害。對(duì)于水稻耐酸性，主要研究了其種子萌發(fā)對(duì)模擬酸雨響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其多種生理生化指標(biāo)均受到影響[11-12]。另外，在pH值低于5.5的紅壤中，活性鋁會(huì)析出，破壞了植物微觀結(jié)構(gòu)、生理活動(dòng)和代謝平衡，最明顯的表現(xiàn)為根生長(zhǎng)受到影響[13-14]。水稻是最耐鋁毒禾本科農(nóng)作物之一，研究人員從中克隆到2個(gè)耐鋁毒有關(guān)基因STAR1和STAR2，以及1個(gè)參與去鋁毒過(guò)程轉(zhuǎn)錄因子ART1，為闡明水稻耐酸鋁機(jī)制提供了依據(jù)[15-16]。

江西稻區(qū)土壤類型以酸性的紅壤水稻土為主，分布于山地和丘陵，肥力較低，養(yǎng)分不均衡。研究表明，加強(qiáng)有機(jī)肥的應(yīng)用，并與無(wú)機(jī)肥合理配施，能夠有效提高紅壤水稻土的有機(jī)碳和全氮含量，促進(jìn)水稻高產(chǎn)[17-18]。在水稻育種上，可以注重耐酸種質(zhì)資源的發(fā)掘利用以及選育過(guò)程中的耐酸性評(píng)價(jià)，育成的品種在紅壤區(qū)將有更好的適應(yīng)性和豐產(chǎn)性。

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(責(zé)任編輯：許晶晶)

Acid Tolerance Identification and Changes of Protective Enzyme Activities of Nine LateIndicaRice Varieties in Red Soil

YANG Zhou1, CAO Feng-sheng1, XIONG Yun-hua1, SHU Ai-ping1, LIU Xiu-mei2*

(1. Rice Research Institute, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences / National Engineering Laboratory for Rice (Nanchang) / Nanchang Sub-center, National Rice Improvement Center / Jiangxi Provincial Key Laboratory of Rice Physiology and Genetics, Nanchang 330200, China; 2. Institute of Soil and Fertilizer & Resources and Environment, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences / National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330200, China)

Abstract：In order to research the acid tolerance of rice, nine late indica rice varieties having been commercialized in Jiangxi Province were screened out and planted in two pools filled with paddy soil and red soil respectively. Activities of protective enzymes including catalase (CAT), superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (POD), and malindialdehyde (MDA) content were measured. The agronomic traits, such as plant height and yield, were investigated. The results indicated that the physiological indexes of different rice varieties were various. CAT activity and MDA content decreased under acid stress, while SOD activity rose and POD activity didn’t show evident variations. The variations of MDA content were not obviously correlated with activity of any one of the three enzymes, but maybe influenced by them simultaneously. The agronomic traits of rice varieties under acid stress varied in different extent. POD activity and MDA content were correlated with the extent of variations of yield per plant, and could be used to evaluate the acid tolerance of rice. On the whole, Tianfengyou 6418, Shenyou 957 and Yuexin 2 were considered as rice varieties with excellent acid tolerance.

Key words：Rice; Red soil; Acid tolerance; Enzyme activity; Agronomic trait

中圖分類號(hào)：S511

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-8581(2016)02-0027-04

作者簡(jiǎn)介：楊宙(1981─)，男，湖北荊門人，博士，主要從事水稻遺傳育種工作。*通訊作者：劉秀梅。

基金項(xiàng)目：國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD41B01)；江西省科技支撐重大項(xiàng)目(20133ACF60002)。

收稿日期：2015-07-26