不同耐淹基因型水稻分蘗期對淹澇脅迫的生理差異

從夕漢，施伏芝，阮新民，羅玉祥，王元壘，羅志祥

摘要 [目的]研究不同耐淹基因型水稻分蘗期對淹澇脅迫的生理差異。[方法]以不同基因型的水稻品種FR13A、9311、IR64和OM052為供試材料，進(jìn)行2、4、5、7 d淹澇脅迫處理并分別恢復(fù)3 和5 d，研究不同程度淹水對分蘗期水稻生長及生理指標(biāo)的影響。[結(jié)果]隨著淹水處理時(shí)間的延長，葉綠素含量及地上相對含水量下降；根冠比增加，根長變短；淹水處理誘導(dǎo)了超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）的酶活性及丙二醛（MDA）含量上升。在沒頂淹水4 d時(shí)，OM052的SOD、POD和CAT的酶活性及MDA含量比對照增加分別增加了50.0%，25.8%，50.5%和17.9%。沒頂淹水5 d后，僅OM052和耐淹品種FR13A存活。[結(jié)論]淹水5 d可能是分蘗期水稻淹水脅迫的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，OM052在一定程度上具有較好的耐淹性。

關(guān)鍵詞 水稻；淹澇脅迫；生理差異；抗氧化酶活性；丙二醛

中圖分類號 S511 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）06-0029-04

Physiological Differences of Different Varieties of Waterloggingtolerant Rice （Oryza sativa L.） to Submergence during Tillering Period

CONG Xihan1，2，3，SHI Fuzhi1，2，3，RUAN Xinmin1，2，3 et al （1. Institute of Rice，Anhui Academy of Agricultural Sciences，Hefei，Anhui 230031；2.Key Laboratory of Rice Genetics and Breeding of Anhui Province，Hefei，Anhui 230031；3.Hefei Branch of the National Rice Improvement Center，Hefei，Anhui 230031）

Abstract [Objective] To research the physiological differences of different varieties of waterloggingtolerant rice （Oryza sativa L.） to submergence during tillering period. [Method] Four different varieties of waterloggingtolerant rice （FR13A，9311，IR64，OM052） were used as the experimental materials，submergence treatments for 2，4，5，7 d and a subsequent recovery for 3 and 5 d were conducted. Effects of different degrees of submergence on the growth and physiological indexes of rice during tillering period were investigated. [Result] The content of chlorophyll and shoot relative water content were decreased； rootshoot ratio increased； the root length decreased gradually，the activities of superoxide dismutase （SOD），peroxidase （POD），catalase （CAT） activity，as well as malondialdehyde （MDA） content，were induced and increased subsequently. Compared with the control，the activities of superoxide dismutase （SOD），peroxidase （POD） and catalase （CAT），as well as malondialdehyde （MDA） content，of OM052 rised by 50.0% and 25.8% and 50.5% and 17.9% on the 4th day of treatment，respectively. After submergence for 5 d ，only OM052 and FR13A survived，which were tolerant varieties. [Conclusion] 5 d might be the turning point for evaluating submergence tolerance at tillering stage，and OM052 had relatively good waterlogging tolerance in certain degree.

Key words Rice； Submergence stress； Physiological differences； Antioxidant enzyme activity； Malnodialdehyde

我國是一個(gè)自然災(zāi)害頻繁發(fā)生的國家，淹澇是主要的自然災(zāi)害之一。由于具有突發(fā)性、隨機(jī)性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，淹澇災(zāi)害常給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重危害。水稻是一種半水生植物，我國水稻多分布于淹澇易發(fā)生的南方多雨潮濕地區(qū)和北方較低洼地帶，尤其是洪災(zāi)和內(nèi)澇時(shí)有發(fā)生的長江中下游和黃河流域[1]。1950—1990年全國平均每年受澇面積為814萬hm2，1998年長江發(fā)生了自1954年以來的又一次全流域性大洪水，全國共有29個(gè)省（區(qū)、市）遭受了不同程度的洪澇災(zāi)害，受災(zāi)面積0.212億hm2。呂艷艷等[2]研究淹水處理后2個(gè)油菜品系的植株形態(tài)、可溶性糖和脯氨酸含量的變化差異。結(jié)果表明，耐淹品系通過增加可溶性糖及脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)有機(jī)物的含量及時(shí)啟動(dòng)抗氧化酶系統(tǒng)來恢復(fù)淹水傷害的能力顯著高于不耐淹品系。徐春梅等[3]研究了低氧脅迫對水稻幼苗根系功能和氮代謝相關(guān)酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)水稻幼苗可以通過呼吸消耗、氮代謝相關(guān)途徑的改變，減輕低氧脅迫的傷害。Xu等[4]利用水稻品種FR13A為供試材料，在第9號染色體上發(fā)現(xiàn)Sub1A是一個(gè)控制耐淹的主效位點(diǎn)，為一個(gè)乙烯響應(yīng)因子類基因，使水稻具有耐淹性。目前，對水稻耐淹機(jī)理方面的研究已有報(bào)道[5-9]，但有關(guān)淹澇脅迫對分蘗期水稻生長和生理生化特性的研究相對較少[10]。鑒于此，該試驗(yàn)通過全真模擬自然條件下淹澇，研究不同淹澇脅迫強(qiáng)度對分蘗期水稻生長和生理生化指標(biāo)的影響，探索耐淹水稻的生理機(jī)制，旨在為我國耐淹水稻品種選育提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料 供試水稻品種為FR13A、9311、IR64和OM052，其中FR13A由中國農(nóng)科院作物研究所提供，其余材料來源于安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所（表1）。耐淹性強(qiáng)的品種為FR13A，不耐淹的品種為9311和IR64，OM052的耐淹性未知。以上材料于2016年5月2日播于安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所國家水稻育種改良分中心（合肥）的網(wǎng)室，6月8日移栽，至分蘗期再移至塑料盆中（長39.2 cm，寬30.0 cm，高19.0 cm。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理：對照（T0，未進(jìn)行淹水處理，于淹水當(dāng)天取樣）；淹水2 d + 恢復(fù)3 d（T1）；淹水4 d + 恢復(fù)3 d（T2）；淹水5 d + 恢復(fù)5 d（T3）；淹水7 d + 恢復(fù)5 d（T4）。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，每盆1個(gè)品種，栽3株，每品種共45株。待恢復(fù)正常生長（10 d）后，恰遇大雨內(nèi)澇，利用大田淹水進(jìn)行淹澇處理，水面距葉片頂部5～10 cm。將塑料盆從水池中取出，存放樹蔭下1 d后移到自然狀態(tài)下進(jìn)行恢復(fù)性生長，分別于去水后3、5 d取樣。

1.2 方法

1.2.1 生長指標(biāo)及地上部相對含水量的測定。從塑料盆中取出植株，每處理取3株，小心洗凈根部泥土，用干凈紙吸干殘留的水分，稱量鮮重，測量植株的株高、根長、劍葉長度，在105 ℃烘箱中殺青20 min，60 ℃烘干至恒重，稱量地上部和地下部的干重，按以下公式計(jì)算根冠比和植株相對含水量：

根冠比=地下部干重/地上部干重；

植株相對含水量=[ （鮮重-干重） / 鮮重]×100%。

1.2.2 葉綠素含量的測定。待劍葉完全伸張開，利用葉綠素含量測定儀/便攜式葉綠素SPAD-502 plus對對照（T0）和各處理（T1、T2、T3、T4）水稻品種的劍葉上、中、下部位進(jìn)行葉綠素含量測定，共3次重復(fù)。

1.2.3 抗氧化酶活性測定。植物組織勻漿中超氧化物歧化酶（SOD）活力（U/g組織濕重）=（對照OD值-測定OD值）/對照OD值÷50%×反應(yīng)液總體積（mL）/取樣量（mL）÷勻漿液濃度（g/mL），其中勻漿液濃度（g/mL）=組織濕重（g）/勻漿介質(zhì)體積（mL）。

植物組織勻漿中過氧化氫酶（CAT）活力（U/mg）=（對照OD值-測定OD值）×271×（1/60×取樣量）×待測樣本蛋白質(zhì)濃度（mg/mL），其中271為斜率的倒數(shù)。

植物組織勻漿中過氧化物酶（POD）活力（U/mg）=（測定OD值-空白OD值）/[12×比色光徑（1.0 cm）]×反應(yīng)液總體積（mL）/樣本量（mL）÷反應(yīng)時(shí)間（30 min）÷待測樣本蛋白濃度（mg/mL）×1 000。

1.2.4 丙二醛（MDA）含量的測定。植物組織勻漿中（MDA）含量（nmol/mL）=（測定OD值-對照OD值）/（標(biāo)準(zhǔn)OD值-空白OD值）×標(biāo)準(zhǔn)品濃度（10 nmol/mL）÷待測樣本蛋白濃度（mg/mL）。

1.3 數(shù)據(jù)分析 采用Excel 2007 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，圖表中的數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耐淹水稻分蘗期在淹澇脅迫后的植株形態(tài)及干重和根長比較 分蘗期對4個(gè)不同耐淹能力品種（FR13A、9311、IR64、OM052）分別進(jìn)行T0、T1、T2、T3、T4處理，研究植株形態(tài)以及干重和根長的變化（表2）。結(jié)果表明，不同淹水處理下植株形態(tài)變化顯著，在淹水處理達(dá)到5和7 d時(shí)，存活的品種只有FR13A和OM052，說明OM052的耐淹性較強(qiáng)。與對照T0相比，除9311外，T1和T2處理下品種的株高呈先增后降的趨勢，其中T1處理下FR13A的株高增幅最大，達(dá)到8.59%。各處理下劍葉長度的變化與株高一致，F(xiàn)R13A的劍葉長分別增加19.0%和14.2%，增幅最大，其次為IR64和OM052。淹水2和4 d處理下，耐淹性強(qiáng)的品種FR13A和OM052植株根長變短，不耐淹性的品種IR64根長則依次變長，9311的根長變化不明顯。與對照相比，在T1和T2處理下FR13A和OM052的鮮重顯著增加，增幅分別為25.82%、38.36%以及6.06%、15.82%，F(xiàn)R13A在T2處理下，鮮重增幅最大，而9311鮮重降低。各品種的根系干重和地上部干重的變化趨勢與鮮重變化基本一致，呈增加趨勢，只有9311根系干重和地上部干重逐漸降低。在T1和T2處理下，F(xiàn)R13A、9311和IR64的根冠比均增加，只有OM052的根冠比比對照低。4個(gè)品種在各處理下的地上部相對含水量均降低。結(jié)果表明，淹水5 d是鑒定分蘗期水稻耐淹性特性重要依據(jù)，耐淹性強(qiáng)和不耐淹的品種為適應(yīng)淹水脅迫，地上和地下部分生長失調(diào)，退水后地上部相對含水量降低。

2.2 淹澇脅迫對分蘗期水稻葉片葉綠素含量的影響 由圖1可知，與對照處理T0相比，在T1、T2、T3、T4處理下，分蘗期FR13A葉片葉綠素含量分別降低了3.55%、5.92%、16.27%和14.79%，OM052在T3和T4處理下，葉綠素含量降幅最大，分別為31.57%和32.07%，9311葉綠素含量由T0處理下的40.6 分別降到T1和T2處理下的37.4和34.0。降幅達(dá)到7.88%和16.26%。IR64葉片的葉綠素含量也從T0處理時(shí)的42.4 下降到T1和T2處理時(shí)的36.5和35.0，下降幅度分別達(dá)到13.92%和17.45%。結(jié)果表明，淹水處理下，隨著淹水天數(shù)的增加，分蘗期水稻劍葉的葉綠素含量降低，耐淹性強(qiáng)的品種降幅小，而敏感型品種降幅大。

2.3 不同耐淹水稻分蘗期葉片SOD、CAT、POD酶活性以及MDA對淹澇脅迫的響應(yīng)差異 在淹水2 d + 恢復(fù)3 d（T1）和淹水4 d + 恢復(fù)3 d（T2）后，對4個(gè)水稻品種葉片中的SOD、CAT、POD酶活及MDA含量進(jìn)行分析（圖2）。與對照相比，在淹水處理下4個(gè)品種SOD酶活性都有不同幅度的提高，耐淹品種FR13A的SOD酶活性分別提高了38.10%（T2）和44.76%（T3），OM052的SOD酶活性分別提高了38.42%（T2）和50.02%（T3），不耐淹品種9311的 SOD酶活性明顯低。淹水處理前，F(xiàn)R13A和OM052的POD 酶活性分別為107.0和104.7 U/mg，明顯高于9311和IR64的POD 酶活性，淹水處理后4個(gè)品種的POD酶活性的變化趨勢與SOD酶活性變化一致。與對照相比，在T2處理下，F(xiàn)R13A和9311的POD酶活性增幅最大，分別為14.6%和15.2%，T3處理下，9311和OM052的POD酶活性增幅最大，分別為29.6%和25.8%?；钚匝醮x相關(guān)的清除酶CAT的酶活性在淹水處理后變化明顯，相比對照，F(xiàn)R13A和OM052的CAT酶活性在T2和T3處理下的增幅明顯高于9311和IR64，分別達(dá)到28.6%（T2）和37.9%（T3）以及37.9%（T2）和50.5%（T3）。此外，MDA含量測定表明，相比對照T0，淹水處理導(dǎo)致分蘗期水稻葉片中MDA含量明顯上升，在淹水處理前，耐淹性強(qiáng)的品種葉片MDA含量比不耐淹品種低，淹水處理T2下，品種FR13A、9311、IR64和OM052葉片中MDA含量比對照T0分別增長了7.2%、8.7%、10.4%及6.6%；淹水處理T3，品種FR13A、9311、IR64和OM052葉片中MDA含量比對照T0分別增長了15.1%、22.2%、19.7%和17.9%。

3 結(jié)論與討論

作物耐淹能力受多種因素影響，其中既有外因，如淹水渾濁度、水溫、光照，又有內(nèi)因，如遺傳背景、生育期，更受淹水脅迫的處理方法、篩選方法和評價(jià)指標(biāo)的影響[11]。淹澇脅迫會引起作物一系列形態(tài)特征、生理和生化的變化，如有氧代謝受抑，光合作用驟減，生長受抑，細(xì)胞內(nèi)活性氧增加等[12]。張光恒等[13]以耐淹差異較大的秈稻TN1與粳稻春江06（CJ06）為親本構(gòu)建的DH群體為試驗(yàn)材料，使用分子連鎖圖譜進(jìn)行QTL分析，共檢測到16個(gè)與苗期耐淹有關(guān)的QTL。陳永華等[14]應(yīng)用耐淹澇材料FR13A和淹澇敏感材料IR39595-503-2-1-2構(gòu)建F2代群體，通過SSR分析，驗(yàn)證了耐淹澇性狀確實(shí)由主效基因Sub1控制。王守立等[15]分析了水稻不同苗質(zhì)、品種、種植方式滅頂受淹后的主要性狀及受淹時(shí)間與產(chǎn)量的關(guān)系，結(jié)果表明壯秧的秧苗耐淹性好，常規(guī)粳稻比雜交秈稻耐水淹，手插、機(jī)插、直播3種種植方式中，手插秧苗的存活莖蘗數(shù)和綠葉數(shù)較多，耐淹性較好。以上研究均主要集中在苗期水稻淹澇脅迫。

而水稻分蘗期生長狀況是決定水稻有效穗的重要因素，直接影響水稻產(chǎn)量。在該研究中，通過對分蘗期4個(gè)不同耐淹性水稻進(jìn)行淹水處理，分析了淹水處理后水稻植株形態(tài)、葉片葉綠素含量、MDA含量及活性氧代謝相關(guān)的清除酶（SOD，POD和CAT）活性，結(jié)果表明淹水處理導(dǎo)致地上部相對含水量降低，根冠比增加，根長變短，耐淹性品種的株高、劍葉變長，沒頂淹水5 d可能是分蘗期水稻淹水脅迫的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。淹水處理明顯降低了水稻葉片的葉綠素含量。此外，淹水處理誘導(dǎo)了SOD、POD和CAT酶活性的上升，葉片中MDA含量在淹水處理后也逐漸增加。該研究前期通過雜交水稻品種的耐淹性進(jìn)行快速篩選，證實(shí)了Ⅱ優(yōu)52是一個(gè)耐淹性雜交組合[16]，該研究的結(jié)果在一定程度上表明OM052具有較好的耐淹性，而OM052是 Ⅱ 優(yōu)52的父本，這也與前期研究相一致。

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