干濕交替灌溉對水稻花后同化物轉(zhuǎn)運(yùn)和籽粒灌漿的影響

徐云姬　 許陽東　 李銀銀　 錢希旸 　 王志琴　 楊建昌,*

1 揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇揚(yáng)州 225009; 2 揚(yáng)州大學(xué)教育部農(nóng)業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品安全國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 江蘇揚(yáng)州 225009

水稻籽粒充實(shí)的優(yōu)劣和粒重的高低與穎花在穗上著生的位置密切相關(guān)。一般著生在稻穗中上部早開花的強(qiáng)勢粒灌漿快、充實(shí)好、粒重高; 著生在稻穗下部遲開花的弱勢粒灌漿慢、充實(shí)差、粒重低[1-2]。通過遺傳改良和栽培途徑促進(jìn)弱勢粒灌漿是提高產(chǎn)量的重要途徑, 也一直受到研究者們的關(guān)注[3-8]。水稻干濕交替灌溉(AWD)作為一種新的節(jié)水灌溉技術(shù)已經(jīng)在中國、孟加拉國、印度、越南等國被采用[9-12]。該技術(shù)在水稻生育過程中保持土壤水層和自然落干相互交替, 可以顯著減少灌溉用水, 提高灌溉水利用效率[11,13-15]。有學(xué)者提出, 與常規(guī)灌溉相比, AWD不僅可以保持甚至可以提高產(chǎn)量[16-18]。但也有報(bào)道稱, AWD會減少產(chǎn)量[19-20]。目前, 關(guān)于AWD增加或減少產(chǎn)量的機(jī)制一直受到研究者們的關(guān)注[6,8,16,18-21]。徐芬芬等[21]觀察到, 水稻土壤適度干旱后的復(fù)水可以增強(qiáng)灌漿前期籽粒的生理活性, 有利于灌漿和粒重提高。付景等[18]報(bào)道, 結(jié)實(shí)期輕度干-濕交替灌溉可以顯著提高水稻灌漿期劍葉的凈光合速率和膜質(zhì)過氧化酶活性, 增強(qiáng)根系氧化力和根系激素等根部性狀以及根冠比, 進(jìn)而提高結(jié)實(shí)率和粒重。陳婷婷等[6,8]提出, 花后輕度干-濕交替灌溉和重度干-濕交替灌溉條件下, 水稻弱勢粒中多種與灌漿相關(guān)的蛋白質(zhì)表達(dá)或淀粉合成相關(guān)酶活性及其基因表達(dá)的差異是其灌漿速率和粒重增加或降低的重要原因。前人的研究大多集中于從水稻根系活力、葉片光合性能和籽粒內(nèi)部活性 3個(gè)方面闡述AWD對籽粒灌漿速率和粒重的影響機(jī)制, 有關(guān)干濕交替灌溉對花后莖(含鞘)中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)的再運(yùn)轉(zhuǎn)與分配影響的研究較少。

水稻花前儲存于莖鞘中的NSC既是籽粒灌漿物質(zhì)的重要來源, 也是啟動(dòng)灌漿的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[22]。有研究報(bào)道, 水稻花前儲存于莖鞘中的NSC對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率可高達(dá) 40%[23-25]。但水稻 AWD是否或如何促進(jìn)莖鞘中NSC向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn), 進(jìn)而促進(jìn)弱勢粒灌漿？相關(guān)研究較少。本研究以 3個(gè)水稻品種為材料, 研究干濕交替灌溉對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素、強(qiáng)弱勢粒灌漿動(dòng)態(tài)、籽粒中酶活性變化、劍葉光合性能、莖鞘NSC運(yùn)轉(zhuǎn)及其淀粉水解酶活性變化, 并利用13C同位素示蹤莖鞘物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài), 以期從光合性能、莖鞘NSC轉(zhuǎn)運(yùn)、葉片標(biāo)記13C運(yùn)轉(zhuǎn)、籽粒庫活性等方面較為深入地揭示 AWD對水稻花后同化物轉(zhuǎn)運(yùn)和籽粒灌漿的影響機(jī)制, 為水稻節(jié)水灌溉提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　供試品種與試驗(yàn)處理

于 2014—2015年在揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)農(nóng)場進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)地前茬作物為小麥, 土壤為沙壤土, 耕作層含有機(jī)質(zhì)2.02%、有效氮103.2 mg kg-1、速效磷24.5 mg kg-1、速效鉀85.6 mg kg-1。供試品種2014年為揚(yáng)兩優(yōu)6號(兩系秈型雜交稻)和武運(yùn)粳24(常規(guī)粳稻), 2015年為旱優(yōu)8號(粳型三系雜交稻)。每年5月10日至11日播種,6月9日至10日移栽。株、行距為15 cm × 25 cm, 揚(yáng)兩優(yōu)6號單本栽, 武運(yùn)粳24和旱優(yōu)8號雙本栽。

自移栽后10 d, 設(shè)灌溉處理為： (1)常規(guī)灌溉(CI)：保持淺水層(1～2 cm), 收獲前1周斷水。(2)輕干-濕交替灌溉(WMD)： 移栽 10 d 后, 自淺水層(1～2 cm)自然落干到土壤水勢達(dá)-15 kPa時(shí)再灌水至淺水層,如此循環(huán)。(3)重干-濕交替灌溉(WSD)： 移栽 10 d 后,自淺水層(1～2 cm)自然落干到土壤水勢達(dá)-30 kPa時(shí)再灌水至淺水層, 如此循環(huán)。裂區(qū)設(shè)計(jì), 灌溉方式為主區(qū), 品種為裂區(qū)(小區(qū)), 兩小區(qū)面積為8 m × 5 m,重復(fù) 3次, 隨機(jī)區(qū)組排列。在試驗(yàn)大田建有砂漿混凝土為基底的遙控自動(dòng)式遮雨大棚, 全鋼架屋頂結(jié)構(gòu), 周邊高3.6 m, 頂部高5.5 m, 薄膜的材質(zhì)為聚碳酸酯型聚氨酯(PCU), 雨時(shí)關(guān), 雨停即開, 在嚴(yán)格控水的基礎(chǔ)上盡量避免遮光和增溫現(xiàn)象。各試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)安裝土壤水分張力計(jì)(中國科學(xué)院南京土壤研究所生產(chǎn))監(jiān)測土壤深度 15～20 cm處水勢。通過在灌溉管道上安裝流量表(LXSG-50流量計(jì), 上海水分儀表制造廠)記錄灌水量。全生育期施純氮240 kg hm-2,按基肥(移栽前1 d)∶分蘗肥(移栽后7 d)∶穗肥(葉齡余數(shù)2.0)＝5∶2∶3施用?；┻^磷酸鈣(含P2O513.5%) 445 kg hm-2和氯化鉀(含K2O 62.5%)150 kg hm-2。其余田間管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)高產(chǎn)栽培。

1.2　葉片水勢測定

于水稻花后當(dāng)WMD和WSD處理的土壤水勢分別達(dá)到-15 kPa和-30 kPa時(shí)(即土壤落干期, 花后8 d和25 d, 分別用D1和D2表示)及其相應(yīng)復(fù)水期(花后10 d和28 d, 分別用W1和W2表示),采用壓力室法(Model 3000, 土壤水分儀器公司,Santa Barbara, CA, USA)測定中午(11：30—12：30)水稻劍葉水勢, 各處理重復(fù)測定10張葉片。

1.3　籽粒灌漿動(dòng)態(tài)測定

于抽穗開花期選擇穗型大小基本一致的穗子每小區(qū) 200個(gè)并掛牌, 標(biāo)記部分穗各穎花開花日期。自開花后6、12、18、24、30、36、45和50 d分別取各小區(qū)標(biāo)記穗15個(gè)(秈稻揚(yáng)兩優(yōu)6號取樣到45 d)用于測定強(qiáng)、弱勢粒增重動(dòng)態(tài)。于土壤落干期(D1和D2)和復(fù)水期(W1和W2)分別取標(biāo)記穗18個(gè)(各小區(qū)6個(gè))剝?nèi)?qiáng)、弱勢粒, 置液氮冷凍10 min后放入-70℃冰箱保存用于蔗糖-淀粉代謝途徑關(guān)鍵酶活性測定。強(qiáng)勢粒為穗上第1、2天開花的穎花, 著生在穗頂部一次枝梗, 弱勢粒為穗上最后 2 d開花的穎花, 著生在穗基部二次枝梗。用于測定籽粒灌漿動(dòng)態(tài)的籽粒在105℃殺青30 min后, 置于70℃烘箱中烘至恒重, 剝?nèi)シf殼后稱重, 測定籽粒增重動(dòng)態(tài)并參照朱慶森等[26]方法用Richards方程[27]對籽粒灌漿過程進(jìn)行擬合, 計(jì)算灌漿速率。

對方程(1)求導(dǎo), 得到籽粒灌漿速率(G)。

1.4　籽粒中蔗糖-淀粉代謝途徑關(guān)鍵酶活性的測定

5～10粒去殼籽粒加 3～5 mL 100 mmol L-1Tricine-NaOH提取液[pH 8.0, 含有 10 mmol L-1MgCl2, 2 mmol L-1EDTA, 50 mmol L-12-mercaptoethanol, 12% (v/v) glycerol, 5% (w/v) PVP 40]于研缽中研磨(溫度保持在0℃), 15 000 ×g離心10 min (4℃), 上清液(粗酶液)用于各酶活性測定。參照Yang等[28]方法測定蔗糖合酶(SuSase)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)、淀粉合酶(StSase)和淀粉分支酶(SBE)的活性。

1.5　劍葉光合速率、超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量測定

分別于上述土壤落干期(D1和D2)和復(fù)水期(W1和 W2), 使用美國LI-COR-6400便攜式光合測定儀(Li-Cor 6400 portable photosynthesis measurement system, Li-Cor, Lincoln, NE, USA)測定水稻植株劍葉的光合速率。測定時(shí)間為上午 9：00—11：00, 使用紅藍(lán)光源, 光量子通量密度(PFD)為 1200 μmol m-2s-1, 葉室CO2濃度為380 μmol mol-1, 每個(gè)小區(qū)測定10張葉片。

分別于上述土壤落干期(D1和D2)和復(fù)水期(W1和W2), 取掛牌稻穗的劍葉于液氮冷凍10 min后放入-70℃冰箱保存待用。將冷藏的鮮樣葉去除中部葉脈, 剪碎混勻后稱取0.5 g, 加5 mL硫酸妥緩沖溶液(pH 7.8), 冰浴研磨至勻漿, 4℃離心20 min (12 000 r min-1), 上清液即為酶提取液。采用NBT光化還原法[29]測定SOD活性, 以抑制NBT光化還原50%的酶量為 1個(gè)酶活力單位; 采用硫代巴比妥酸法[30]測定MDA含量。為盡量減少葉片含水量差異的影響, 以干重計(jì)算SOD活性和MDA含量。

1.6　莖鞘非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)和淀粉水解酶(α-淀粉酶和 β-淀粉酶)活性測定

自抽穗期至成熟期每隔10 d分別在各小區(qū)內(nèi)選擇生長整齊一致水稻植株 5穴, 按葉、莖鞘和穗進(jìn)行分解, 105℃下殺青 30 min后, 70℃烘干后稱重,用蒽酮法[31-33]測定莖鞘干樣淀粉和可溶性總糖含量。NSC為淀粉和可溶性總糖的總和。

莖鞘NSC的運(yùn)轉(zhuǎn)率(%) = (抽穗期莖鞘NSC-成熟期莖鞘NSC)/抽穗期莖鞘NSC×100

莖鞘NSC對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率(%) = (抽穗期莖鞘NSC-成熟期莖鞘NSC)/籽粒產(chǎn)量×100

分別于上述土壤落干期(D1和D2)和復(fù)水期(W1和 W2), 取各處理植株莖鞘少許立即置液氮固定 10 min后保存, 用以測定 α-淀粉酶和 β-淀粉酶活性。參照 McCleary等[34-35]的方法并稍作改進(jìn)測定 α-淀粉酶和 β-淀粉酶。參照 Bradford[36]的考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測定蛋白質(zhì)含量, 以牛血清蛋白(BSA)作為標(biāo)準(zhǔn)樣品。酶活性單位記為 μmol mg-1protein h-1。

1.7　劍葉13CO2的飼喂和樣品中13C的測定

于水稻孕穗期, 各小區(qū)分別選取長勢一致的單莖30個(gè)掛牌標(biāo)記, 將劍葉套上大小適中的聚乙烯薄膜塑料袋, 趕走空氣后進(jìn)行封閉, 并用醫(yī)用注射器注入6 mL (粳稻, 葉片相對較小)或8 mL (秈稻, 葉片相對較大)的13CO2氣體(購自于上?；ぱ芯吭河邢薰? 由上海穩(wěn)定性同位素工程技術(shù)研究中心研發(fā),13CO2的純度 ＞ 99%)。選取的每張葉片自然光照下光合同化30 min后立即緩慢移除塑料袋, 飼喂時(shí)間為天氣晴朗的上午 9：00—11：00。

于花后 0、10、30和40 d, 選取各處理標(biāo)記單株15個(gè)(各小區(qū)5個(gè)), 分根系(20 cm×20 cm×20 cm挖出整穴土塊, 放入網(wǎng)袋沖洗干凈, 挑出所選單莖對應(yīng)的根系部分)、葉片、莖鞘和穗(籽粒), 105℃殺青30 min, 70℃烘干至恒重。粉碎混勻后過100目篩,分別稱取25.00 mg和3.00 mg過篩的樣品, 分別利用 CHNS元素分析儀(CHNS elemental analyzer,Vario marco cube, Elementar, Germany)和 Isoprime公司的穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀(Isotope ratio mass spectrometer, Isoprime100, Elementar, Germany)測定總C含量和δ13C值, 計(jì)算同位素13C/12C比率(即R值)及13C含量。根據(jù)質(zhì)譜儀使用手冊,δ13C樣品(‰) = (R樣品/R標(biāo)準(zhǔn)-1)×1000。穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀中的國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為美國南卡羅來納州白堊紀(jì)皮狄組層位中的擬箭石化石(Pee Dee Belemnite, 即 PDB,R標(biāo)準(zhǔn)=0.0112372, 定義其δ13C標(biāo)準(zhǔn)= 0‰), 通過計(jì)算, 下文以百分?jǐn)?shù)表示標(biāo)記13C在植株體內(nèi)的積累與分配情況。

1.8　考種計(jì)產(chǎn)

取成熟期各處理 30穴植株, 考查每平方米穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重。實(shí)收各小區(qū)計(jì)產(chǎn)。

1.9　數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件分析試驗(yàn)數(shù)據(jù), SigmaPlot 10.0作圖。用最小顯著差法(LSD0.05)檢驗(yàn)平均數(shù)。

2　結(jié)果與分析

2.1　土壤與葉片水勢

在水稻灌漿期, WMD處理下土壤水勢達(dá)到-15 kPa需要4～6 d, WSD處理下土壤水勢需要10～12 d才能達(dá)到-30 kPa (圖1)。在同一灌溉處理下, 3個(gè)供試水稻品種的土壤水勢變化基本一致(圖1)。由圖1可知, 花后8 d及25 d, WMD和WSD處理的土壤水勢分別達(dá)到灌漿過程中兩個(gè)不同程度干濕交替灌溉處理共同的土壤落干期-15 kPa和-30 kPa (D1和D2), 花后10 d和28 d為處理的復(fù)水期(W1和W2,圖1中箭頭所示)。

圖1　干濕交替灌溉處理下水稻灌漿期土壤水勢的變化Fig. 1　Changes in soil water potential under alternate wetting and drying irrigation (AWD) during grain filling of riceWMD： 輕干-濕交替灌溉; WSD： 重干-濕交替灌溉; D1和D2表示土壤落干期; 箭頭指示復(fù)水期。WMD： alternate wetting and moderate soil drying; WSD： alternate wetting and severe soil drying; D1 and D2 represent soil water potential at-15 kPa and -30 kPa, respectively, under WMD and WSD. Arrows indicate the re-watering period.

圖2為中午水稻劍葉的水勢情況。在土壤落干期(D1和D2), WMD和WSD處理下劍葉水勢分別為-0.62～ -0.82 MPa和-0.91～ -1.27 MPa, 均顯著低于CI處理(-0.40～ -0.64 MPa), 其中WSD處理降低的幅度更大。土壤復(fù)水期(W1和W2), WMD和WSD處理下的劍葉水勢與對照CI無顯著差異(圖2)。

2.2　產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素以及灌溉水利用效率

與CI相比, WMD顯著提高了揚(yáng)兩優(yōu)6號、武運(yùn)粳24和旱優(yōu)8號的產(chǎn)量, 增加幅度分別為10.68%、10.96%和7.75% (表1)。WSD顯著降低了3個(gè)水稻品種的籽粒產(chǎn)量(表1)。從產(chǎn)量構(gòu)成因素分析, WMD和 WSD均顯著降低了供試水稻品種的每公頃穗數(shù),其中WSD處理后的穗數(shù)下降幅度較大。WMD卻顯著提高了每穗粒數(shù)、千粒重及結(jié)實(shí)率, WSD處理的結(jié)果則相反(表1)。

較CI處理而言, WMD和WSD均顯著減少了3個(gè)供試水稻品種的灌溉用水量, 降低幅度分別為 21.01%～24.34%和 41.36%～44.03%, 抽穗后灌溉用水量也顯著降低(表1)。另外, 干濕交替灌溉(AWD)顯著提高了灌溉水利用效率(籽粒產(chǎn)量/整個(gè)生長期灌溉水量), 其中WMD處理下灌溉水利用效率達(dá)最高(表1)。表明WMD可提高灌溉水利用效率又可增加籽粒產(chǎn)量。

圖2　干濕交替灌溉對灌漿期劍葉水勢的影響Fig. 2　Effect of alternate wetting and drying irrigation on water potential of the flag leaf during grain filling of riceCI： 常規(guī)灌溉; WMD： 輕干-濕交替灌溉; WSD： 重干-濕交替灌溉。D1和D2表示土壤落干期; W1和W2表示復(fù)水期。CI： conventional irrigation; WMD： alternate wetting and moderate soil drying; WSD： alternate wetting and severe soil drying. D1 and D2 represent soil water potential at -15 kPa and -30 kPa, respectively, under WMD and WSD. W1 and W2 indicate the re-watering period.

表1　干濕交替灌溉對供試水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 1　Effect of alternate wetting and drying irrigation on grain yield and its components of rice

2.3　籽粒灌漿特性

由圖3和表2可知, 3個(gè)供試水稻品種強(qiáng)勢粒的粒重、最大灌漿速率和平均灌漿速率均顯著高于弱勢粒。與CI相比, WMD顯著增加了供試水稻品種弱勢粒的粒重、最大灌漿速率和平均灌漿速率, 對強(qiáng)勢粒沒有顯著影響; WSD顯著降低了強(qiáng)勢粒和弱勢粒的粒重、最大灌漿速率和平均灌漿速率。說明WMD主要是通過促進(jìn)弱勢粒灌漿來提高千粒重和結(jié)實(shí)率。

2.4　籽粒中蔗糖-淀粉代謝途徑關(guān)鍵酶活性變化

由圖4可知, 3個(gè)供試水稻品種籽粒中的蔗糖合酶(SuSase, 圖 4-a～c)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase, 圖 4-d～f)、淀粉合酶(StSase, 圖 4-g～i)和淀粉分支酶(SBE, 圖 4-j～l)活性在灌漿前期表現(xiàn)為強(qiáng)勢粒的顯著高于弱勢粒, 灌漿中后期逐漸呈現(xiàn)相反的趨勢。在花后土壤落干期(D1和 D2), 與 CI相比, WMD處理下籽粒中上述4種蔗糖-淀粉代謝途徑關(guān)鍵酶活性無明顯變化; 在復(fù)水期(W1和 W2),WMD處理顯著提高了弱勢粒中上述 4種關(guān)鍵酶活性, 對強(qiáng)勢粒無影響。不論土壤落干期還是復(fù)水期,WSD處理均顯著降低了強(qiáng)勢粒和弱勢粒中上述酶活性(圖4)。說明WMD增強(qiáng)上述4種關(guān)鍵酶活性是提高 3個(gè)供試水稻品種弱勢粒灌漿速率的主要原因之一。

圖3　干濕交替灌溉對供試水稻品種強(qiáng)、弱勢粒增重動(dòng)態(tài)和籽粒灌漿速率的影響Fig. 3　Effect of alternate wetting and drying irrigation on grain weight and grain filling rate for superior and inferior spikelets of riceCI： 常規(guī)灌溉; WMD： 輕干-濕交替灌溉; WSD： 重干-濕交替灌溉; S： 強(qiáng)勢粒; I： 弱勢粒。CI： conventional irrigation; WMD： alternate wetting and moderate soil drying; WSD： alternate wetting and severe soil drying; S： superior spikelets; I： inferior spikelets.

2.5　劍葉光合特性和莖鞘NSC的積累與運(yùn)轉(zhuǎn)

在土壤落干期(D1和D2), WMD處理的劍葉光合速率與對照CI無顯著差異, WSD處理下劍葉光合速率降低顯著(表3)。土壤復(fù)水后(W1和W2), 較CI處理而言, WMD處理顯著提高了劍葉的光合速率,WSD處理下光合速率仍然最低(表 3)。在土壤落干期, WMD處理下的劍葉SOD活性和MDA含量與對照 CI無顯著差異; 復(fù)水則顯著增加了劍葉 SOD活性和降低了MDA含量(圖5)。無論是土壤落干期還是復(fù)水期, WSD處理均顯著降低了劍葉SOD活性,增加了MDA含量(圖5)。3個(gè)供試水稻品種的變化趨勢相同(表3和圖5)。表明WMD處理可以延緩葉片衰老, 進(jìn)而提高灌漿期劍葉的光合速率。

與CI相比, WMD和WSD均顯著降低了抽穗期和成熟期的莖鞘NSC積累量, 其中WSD降低的幅度遠(yuǎn)大于 WMD (表 4)。抽穗至成熟期莖鞘 NSC運(yùn)轉(zhuǎn)量在不同灌溉處理間表現(xiàn)為 WMD＞W(wǎng)SD＞CI, 運(yùn)轉(zhuǎn)率則表現(xiàn)為WMD和WSD處理下的差異不顯著,但均顯著高于CI (表4)。經(jīng)計(jì)算, 莖鞘NSC對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為WSD＞W(wǎng)MD＞CI。3個(gè)水稻品種的趨勢相同。表明干濕交替灌溉(AWD)能夠促進(jìn)花前莖鞘臨時(shí)性貯藏同化物質(zhì)向籽粒運(yùn)轉(zhuǎn)并且顯著增加莖鞘NSC對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率。

表2　干濕交替灌溉對水稻強(qiáng)、弱勢粒灌漿特征參數(shù)的影響Table 2　Effect of alternate wetting and drying irrigation on grain filling parameters of superior and inferior spikelets of rice

表3　干濕交替灌溉對水稻劍葉光合速率的影響Table 3　Effect of alternate wetting and drying irrigation on photosynthetic rate of flag leaf of rice

圖4　干濕交替灌溉對水稻籽粒中蔗糖合酶(SuSase, a～c)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase, d～f)、淀粉合酶(StSase, g～i)和淀粉分支酶(SBE, j～l)活性的影響Fig. 4　Effect of alternate wetting and drying irrigation on activities of sucrose synthase (SuSase), adenosine diphosphate glucose pyrophosphorylase (AGPase), starch synthase (StSase), and starch branching enzyme (SBE) in rice grainsCI： 常規(guī)灌溉; WMD： 輕干-濕交替灌溉; WSD： 重干-濕交替灌溉。S： 強(qiáng)勢粒; I： 弱勢粒。D1 和 D2 表示土壤落干期。W1 和 W2 表示復(fù)水期。CI： conventional irrigation; WMD： alternate wetting and moderate soil drying; WSD： alternate wetting and severe soil drying. S： superior spikelets; I： inferior spikelets. D1 and D2 represent soil water potential at -15 kPa and -30 kPa, respectively, under WMD and WSD. W1 and W2 indicate the re-watering period.

2.6　莖鞘中淀粉含量及其水解酶活性變化

由表4和圖6可知, 3個(gè)供試水稻品種抽穗開花期莖鞘貯藏的淀粉含量約占莖鞘NSC含量的75%～90%。在灌漿結(jié)實(shí)期, 莖鞘中淀粉的含量逐漸降低,而且降低幅度隨著干旱程度的加劇而增大, 降低幅度具體表現(xiàn)為 WSD＞W(wǎng)MD＞CI (圖 6), 這與莖鞘NSC運(yùn)轉(zhuǎn)的變化趨勢一致(表 4), 表明灌漿期莖鞘NSC主要是淀粉經(jīng)水解后向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn), 而且干濕交替灌溉(AWD)能夠顯著促進(jìn)莖鞘淀粉的水解以及轉(zhuǎn)運(yùn)。

α-淀粉酶和 β-淀粉酶是淀粉水解的兩個(gè)關(guān)鍵酶。在土壤落干期(D1和D2), 與CI相比, WMD和WSD 均顯著增強(qiáng)了莖鞘 α-淀粉酶(圖 7-a～c)和 β-淀粉酶(圖 7-d～f)活性, 其中 WSD 處理增加的幅度更大。土壤復(fù)水后(W1和W2), WMD處理下的上述2種淀粉水解酶活性略有提高, 但與CI處理無顯著差異, 而 WSD 處理下莖鞘仍具有較高的 α-淀粉酶和β-淀粉酶活性(圖7)。表明莖鞘淀粉水解酶活性的提高是其淀粉轉(zhuǎn)運(yùn)加快的主要原因。從圖7還可以看出, 干濕交替灌溉(AWD)處理下, α-淀粉酶活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 β-淀粉酶, 而且前者提高幅度大于后者。表明莖鞘NSC或淀粉轉(zhuǎn)運(yùn)過程中, α-淀粉酶發(fā)揮的作用可能更大一些。

圖5　干濕交替灌溉對供試水稻品種劍葉超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量的影響Fig. 5　Effect of alternate wetting and drying irrigation on SOD activity and MDA content of flag leaf of riceCI： 常規(guī)灌溉; WMD： 輕干-濕交替灌溉; WSD： 重干-濕交替灌溉。D1和D2表示土壤落干期, W1和W2表示復(fù)水期。CI： conventional irrigation; WMD： alternate wetting and moderate soil drying; WSD： alternate wetting and severe soil drying. D1 and D2 represent soil water potential at -15 kPa and -30 kPa, respectively, under WMD and WSD. W1 and W2 indicate the re-watering period.

表4　干濕交替灌溉對供試水稻品種莖鞘NSC積累和運(yùn)轉(zhuǎn)的影響Table 4　Effect of alternate wetting and drying irrigation on NSC accumulation and remobilization of rice

圖6　水稻花后莖鞘中淀粉含量變化Fig. 6　Changes in starch content in rice stemsCI： 常規(guī)灌溉; WMD： 輕干-濕交替灌溉; WSD： 重干-濕交替灌溉。CI： conventional irrigation; WMD： alternate wetting and moderate soil drying; WSD： alternate wetting and severe soil drying.

圖7　水稻花后莖鞘中淀粉水解酶活性變化Fig. 7　Changes in hydrolytic enzymes in rice stemsCI： 常規(guī)灌溉; WMD： 輕干-濕交替灌溉; WSD： 重干-濕交替灌溉。D1和D2表示土壤落干期, W1和W2表示復(fù)水期。CI： conventional irrigation; WMD： alternate wetting and moderate soil drying; WSD： alternate wetting and severe soil drying. D1 and D2 represent soil water potential at -15 kPa and -30 kPa, respectively, under WMD and WSD. W1 and W2 indicate the re-watering period.

圖 8顯示, 開花時(shí)標(biāo)記劍葉13C的 72.88%～84.00%分配到莖鞘中(圖 8-a～c), 少部分(15.67%～19.22%)滯留在葉片中(表 5), 極微量的分配到穗子中(數(shù)據(jù)未顯示), 根系中未檢測到13C, 表明開花前植株莖鞘是光合同化物質(zhì)的臨時(shí)性貯藏庫。隨著灌漿的進(jìn)行, 葉片中滯留的13C逐漸減少, 到花后30 d已降低到標(biāo)記13C的1.97%～6.05% (表5)。無論哪種灌溉處理下, 莖鞘中13C比例均呈現(xiàn)降低趨勢(圖8-a～c), 而籽粒中13C 則逐漸積累(圖 8-d～f)。灌漿期間莖鞘中13C比例均表現(xiàn)為 CI＞W(wǎng)MD＞W(wǎng)SD, 籽粒中13C 比例則呈現(xiàn) CI＜WMD＜WSD (圖 8)。3個(gè)供試水稻品種的結(jié)果一致。花后40 d, 在WMD和WSD處理下, 通過劍葉光合同化飼喂的13C在水稻莖鞘中比例已降為 8.40%～15.84% (圖 8-a～c), 在籽粒中已積累到 70.50%～84.20% (圖 8-d～f)。再次表明干濕交替灌溉(AWD)促進(jìn)了花前莖鞘貯藏同化物向籽粒的再轉(zhuǎn)運(yùn), 而且干旱程度越大, 這種促進(jìn)作用就越大。

表5　水稻灌漿期葉片中13C的分配比例Table 5　Proportion of 13C-distribution in rice leaves during grain filling

圖8　水稻灌漿期莖鞘和籽粒中13C分配的變化Fig. 8　Changes in 13C-distribution in rice stems and grains during grain fillingCI： 常規(guī)灌溉; WMD： 輕干-濕交替灌溉; WSD： 重干-濕交替灌溉。CI： conventional irrigation; WMD： alternate wetting and moderate soil drying; WSD： alternate wetting and severe soil drying.

2.7　籽粒中蔗糖-淀粉代謝途徑關(guān)鍵酶活性、劍葉性能以及莖鞘中淀粉水解酶活性與籽粒灌漿及物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)的相關(guān)

由表 6可見, 籽粒粒重、最大灌漿速率和平均灌漿速率與 SuSase、AGPase和 StSase活性以及劍葉光合速率、超氧化物歧化酶活性均呈極顯著正相關(guān)(r= 0.55**～0.94**,P=0.01), 與劍葉丙二醛含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(r= -0.82**～ -0.90**,P=0.01), 與SBE活性相關(guān)性不顯著(r= 0.35～0.43,P＞0.05)。表明增加灌漿期籽粒中 SuSase、AGPase和 StSase活性以及提高葉片光合性能, 有利于促進(jìn)籽粒灌漿, 進(jìn)而增加粒重。

表 7表明, 莖鞘 α-淀粉酶和 β-淀粉酶活性與莖鞘NSC運(yùn)轉(zhuǎn)率、NSC對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率、淀粉運(yùn)轉(zhuǎn)、13C運(yùn)轉(zhuǎn)以及籽粒中13C分配比例呈顯著或極顯著正相關(guān)(r= 0.67*～0.94**,P=0.01), 與莖鞘中13C滯留比例呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.77**～ -0.92**,P=0.01)。再次表明, 較高的 α-淀粉酶和 β-淀粉酶活性是莖鞘貯藏物質(zhì)再轉(zhuǎn)運(yùn)并分配至籽粒的重要生理原因, 提高莖鞘淀粉水解酶活性, 有利于促進(jìn)莖鞘物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn),進(jìn)而提高粒重。

3　討論

有關(guān)干濕交替灌溉對產(chǎn)量影響的報(bào)道, 有的增產(chǎn)[16-18], 有的減產(chǎn)[19-20], 其差異可能與土壤落干的程度、灌溉處理的時(shí)期以及水稻品種的抗旱性等有密切關(guān)系。本研究表明, 與常規(guī)灌溉(CI)相比, 3個(gè)供試水稻品種在全生育期輕干-濕交替灌溉(WMD)下可增產(chǎn) 7.75%～10.96%, 在重干-濕交替灌溉(WSD)下則減產(chǎn) 22.81%～31.62%。表明干濕交替灌溉中土壤落干程度是決定產(chǎn)量增減的重要原因, WMD不僅可提高灌溉水利用效率, 而且可增加籽粒產(chǎn)量。WSD雖可提高灌溉水利用效率, 但會嚴(yán)重減產(chǎn)。從產(chǎn)量構(gòu)成因素分析, WMD處理顯著增加了各品種的每穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率, 而WSD的作用則相反。本研究還發(fā)現(xiàn), WMD可顯著增加稻穗弱勢粒的粒重、最大灌漿速率和平均灌漿速率, 對強(qiáng)勢粒則無顯著影響。表明WMD促進(jìn)弱勢粒灌漿是千粒重和結(jié)實(shí)率提高的主要原因。

表6　籽粒中蔗糖-淀粉代謝途徑關(guān)鍵酶活性和劍葉光合性能與籽粒灌漿的相關(guān)系數(shù)Table 6　Correlation coefficients of key enzyme activities in sucrose-starch pathway and photosynthetic characteristics of flag leaf with grain weight and grain filling rate

表7　莖鞘中淀粉水解酶活性與物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)的相關(guān)系數(shù)Table 7　Correlation coefficients of starch hydrolytic enzymes activities in stems with carbon remobilization

陳婷婷等[6,8]報(bào)道, 結(jié)實(shí)期輕干-濕交替灌溉能夠顯著提高弱勢粒中多種與灌漿相關(guān)的蛋白質(zhì)表達(dá)或淀粉合成相關(guān)酶活性及其相關(guān)基因的表達(dá), 進(jìn)而增加弱勢粒粒重。本研究觀察到, WMD可顯著提高灌漿期劍葉中超氧化物歧化酶(SOD)活性, 降低過氧化物(MDA)含量, 提高劍葉的光合速率, WSD 處理的結(jié)果與之相反。粒重和籽粒灌漿速率與劍葉光合速率、SOD活性均呈極顯著正相關(guān), 與劍葉MDA含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。表明WMD可以增強(qiáng)葉片光合能力, 加大光合產(chǎn)物對籽粒特別是弱勢粒的供給量。從籽粒內(nèi)部因素分析, WMD顯著增強(qiáng)了弱勢粒中蔗糖合酶(SuSase)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)、淀粉合酶(StSase)和淀粉分支酶(SBE)活性, WSD則顯著降低了籽粒中上述4種關(guān)鍵酶活性。說明灌漿期弱勢粒生理活性的增強(qiáng), 是 WMD促進(jìn)弱勢粒灌漿和增加粒重的重要生理原因。

水稻抽穗前莖鞘中儲存的碳水化合物是灌漿物質(zhì)的重要組成部分[22,37-39]。有研究表明, 抽穗后土壤遭受干旱, 稻莖中儲存的 NSC會大量轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒,對籽粒最終產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率可達(dá)40%以上[38]。但干濕交替灌溉是否可促進(jìn)莖中同化物向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn), 相關(guān)研究很少。本研究表明, 無論是WMD還是WSD, 均可顯著增加莖鞘中NSC向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)。WMD既可提高花后葉片光合速率, 又可促進(jìn)莖中同化物向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn), 因此產(chǎn)量顯著提高, 而在 WSD條件下, 莖中光合同化物向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)增加之得不能補(bǔ)償光合作用下降之失, 導(dǎo)致產(chǎn)量下降。

水稻干濕交替灌溉如何促進(jìn)同化物向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn),其機(jī)制仍不清楚。本研究發(fā)現(xiàn), WMD和WSD可顯著增強(qiáng)莖鞘中 α-淀粉酶和 β-淀粉酶活性。13C同位素示蹤試驗(yàn)進(jìn)一步顯示, 隨著籽粒的灌漿, 莖鞘中13C比例逐漸降低, 籽粒中13C比例逐漸增加。相關(guān)分析表明, 莖鞘 α-淀粉酶和 β-淀粉酶活性與莖鞘NSC運(yùn)轉(zhuǎn)率、NSC對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率、淀粉運(yùn)轉(zhuǎn)率、13C運(yùn)轉(zhuǎn)率以及籽粒中13C分配比例均呈顯著或極顯著正相關(guān), 與莖鞘中13C滯留比例呈極顯著負(fù)相關(guān)。表明 α-淀粉酶和 β-淀粉酶活性的大幅度提高是AWD處理下莖鞘NSC向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的重要生理原因。Morita等[40]和楊建昌等[25,41]也有類似的研究結(jié)果。本研究還觀察到, 水稻莖鞘中α-淀粉酶活性在AWD條件下增加的幅度大于 β-淀粉酶。α-淀粉酶活性與物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)的相關(guān)系數(shù)均大于 β-淀粉酶。據(jù)此作者推測, AWD對α-淀粉酶活性的增強(qiáng)作用較對β-淀粉酶的促進(jìn)作用更大, 前者與莖中同化物轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)系較后者更為密切。但這一推測需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

值得注意的是, 本研究中 WMD處理不僅提高了水稻的千粒重與結(jié)實(shí)率, 還提高了每穗粒數(shù),WSD則顯著降低了每穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率。張慎鳳[42]也有相近的研究結(jié)果。每穗粒數(shù)多, 說明穎花分化數(shù)多或穎花退化數(shù)少, 或兩者兼之。表明WMD有利于稻穗穎花發(fā)育與形成。但有關(guān)干濕交替灌溉影響水稻穎花分化和退化的機(jī)制, 作者尚未查到相關(guān)文獻(xiàn), 也缺乏研究探討。深入開展這方面的研究, 對于揭示干濕交替灌溉影響水稻產(chǎn)量形成的機(jī)制, 指導(dǎo)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)節(jié)水灌溉有重要意義。

4　結(jié)論

水稻干濕交替灌溉可顯著增強(qiáng)花后莖鞘中 α-淀粉酶和 β-淀粉酶活性, 促進(jìn)莖中同化物向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)。輕干-濕交替灌溉(WMD)可增強(qiáng)灌漿期弱勢粒中蔗糖-淀粉代謝途徑相關(guān)酶活性, 促進(jìn)弱勢粒灌漿,進(jìn)而提高結(jié)實(shí)率和粒重, 重干-濕交替灌溉(WSD)則可抑制弱勢粒灌漿。在 WMD下, 灌漿期葉片光合速率的提高, 莖中同化物向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的增加以及弱勢?；钚缘脑鰪?qiáng)是產(chǎn)量和水分利用效率提高的重要生理基礎(chǔ); WSD雖能提高水分利用效率, 但因莖中光合同化物向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)增加之得不能補(bǔ)償光合作用下降之失, 導(dǎo)致產(chǎn)量下降。WMD還可增加每穗粒數(shù),其機(jī)制有待深入研究。

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