GA3、ABA和IBA對不同灌溉方式下水稻葉綠素熒光特性及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

屈 成，劉 芬，陳光輝，王 悅,2*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院, 湖南 長沙 410128； 2.水稻油菜抗病育種湖南省重點實驗室, 湖南 長沙 410128)

水稻是我國最主要的糧食作物之一，播種面積占全國糧食作物的1/4左右，約占糧食總產(chǎn)量的40%，其耗水量占全國總用水量的50%左右，占全國農(nóng)業(yè)用水量的70%左右[1]。水稻在生長過程中若遭遇水分虧缺，將導致光合速率下降，干物質(zhì)積累減少和產(chǎn)量下降，隨著水分虧缺加重，植株損傷程度將不可修復，從而導致死亡[2]。傳統(tǒng)灌溉模式不僅限制水稻高產(chǎn)潛力的挖掘，還會加劇農(nóng)業(yè)用水的緊張程度，并且田間滲漏、地表排水等還會造成氮、磷等元素的污染[3]。因此，采用適宜的灌溉模式對保證我國糧食安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

光合作用是水稻干物質(zhì)生產(chǎn)和籽粒產(chǎn)量的主要來源，水稻70%-80%的灌漿物質(zhì)來自抽穗后葉片的光合作用[4]。水稻葉片吸收的光能，主要以光化學電子傳遞和光合磷酸化轉(zhuǎn)換為化學能，其余部分以熒光和熱的形式耗散掉[5]。因此，在水稻生產(chǎn)實踐過程中，可以用葉綠素熒光參數(shù)反映其光合效率的強弱，而光合系統(tǒng)II(PSII)是光合作用過程中進行光反應的重要結(jié)構(gòu)[6]。葉綠素熒光參數(shù)可以快速、靈敏和無損傷地研究不同程度水分脅迫對光合作用的影響[7]，如在缺水條件下，大部分葉綠素熒光參數(shù)低于常規(guī)灌溉，水稻潛在光合活性、原初光能轉(zhuǎn)化效率受到抑制[8]。在傳統(tǒng)淹灌條件下，葉片光化學的啟動和反應速率、光能利用效率和最大光合能力降低[9]。

激素在植物生長發(fā)育過程中起著重要作用，外源激素能夠改變水稻內(nèi)源激素的含量，緩解外界不同脅迫條件下對水稻生理代謝功能的損傷。范曉榮[10]等人研究表明，在淹水和干旱條件下，水稻葉片氣孔開度與ABA含量密切相關(guān)，分蘗期ABA處理水稻葉片，能有效調(diào)節(jié)氣孔的開閉。高志紅[11]等人研究表明，外源GA3能改善水稻分蘗期水分脅迫的適應性，提高葉片含水量和葉綠素含量等生理指標。劉希財[12]等人研究表明，IBA能提高水稻秧苗素質(zhì)等指標。蘇愛娟[13]等人認為50 mg/L IBA能夠提高光合色素含量，使Fv/Fm增加，氣孔導度和蒸騰速率提高，從而提高光合作用。目前，不同灌溉方式下水氮、水密、水肥耦合、溫室氣體排放等研究較多，但在水稻葉綠素熒光方面研究較少，特別在外源激素對不同灌溉方式下水稻葉綠素熒光參數(shù)的影響，以及與產(chǎn)量指標相關(guān)關(guān)系的研究更是鮮有報道。為此，以南方稻作區(qū)具有代表性的淹水灌溉、干濕交替灌溉、干旱灌溉等3種灌溉方式作為研究對象，分析GA3、ABA和IBA在不同灌溉方式下水稻葉綠素熒光特性的差異及產(chǎn)量構(gòu)成的相關(guān)關(guān)系，以明確GA3、ABA和IBA誘導水稻抗旱性的效果及其生理機制, 以期揭示水稻不同灌溉方式下的增產(chǎn)機理，為南方稻作區(qū)最優(yōu)節(jié)水灌溉模式提供理論支撐和實踐依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

試驗材料為超級稻品種中嘉早17，由湖南農(nóng)業(yè)大學水稻研究所提供。試驗所用脫落酸(abscisic acid，ABA)、吲哚丁酸(indolebutyric acid，IBA)和赤霉素(gibberellin，GA3)購于Sigma公司。供試土壤采用湖南農(nóng)業(yè)大學耘園試驗基地的第四紀紅壤，前茬作物為水稻，采集0～20 cm耕作層土壤，經(jīng)風干、粉碎、混勻后，稱取16 kg，用于盆栽試驗。土壤基本理化性狀為pH 5.52，全氮3.01 g·kg-1，有效磷14.18 mg·kg-1，速效鉀143.6 mg·kg-1，有機質(zhì)32.51 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2017在湖南農(nóng)業(yè)大學水稻研究所遮雨網(wǎng)室進行，于3月25號播種，4月23號移栽，將長勢一致秧苗移栽到長×寬×高為54 cm×40 cm×25 cm的塑料盆內(nèi)，每盆4穴，每穴5株，設(shè)置5個重復。試驗設(shè)置3種灌溉方式：1) W1：淹水灌溉(continuous flooding irrigation, CFI)，即全生育期保持3～5 cm水層；2)W2：干濕交替灌溉(alternate wetting and drying irrigation, AWD)，即當土壤自然落干至飽和含水量的65%左右時，灌水3～5 cm，如此循環(huán)；3)W3：干旱灌溉(drying irrigation, DI)，即當土壤含水量為10%復水3～5 cm水層。在水稻分蘗期和孕穗期分別采用10 mg/L GA3、50 mg/L ABA、50 mg/L IBA進行噴施處理，噴施液中加入0.1%的吐溫20，連續(xù)噴施3天，同時以噴施清水為對照處理。移栽前一次性施用396 kg/hm2復合肥(N+P2O5+K2O≥45%，15-15-15)作基肥，移栽七天后追施95 kg/hm2尿素，溶于水后澆灌。其他管理按湖南中部稻區(qū)高產(chǎn)栽培進行。

1.3 測定項目及方法

1.3.1葉綠素熒光動力學參數(shù)的測定

分別在水稻分蘗期和孕穗期選取主莖倒二葉，采用捷克FluorPen FP 100-MAX便攜式葉綠素熒光儀測定水稻葉綠素熒光參數(shù)，每個處理3次重復。測定前首先將葉片暗適應20 min，再將儀器對準葉夾子(用于遮光)，抽開葉夾上的遮光片，飽和脈沖約3 000 μmol m-2s-1,光化光1 200 μmol m-2s-1，分別計算最大光量子效率Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm、實際光量子效率ФPSⅡ=(Fm’-Fs)/Fm’、非光化學猝滅NPQ=(Fm-Fm’)/Fm’、光化學猝滅qP=(Fm’-Fs)/(Fm’-F0) 、暗適應下的最小熒光F0等熒光參數(shù)。

1.3.2 水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成分析

水稻收獲期測量每穴有效穗數(shù)，并考察產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素，包括株高、穗長、有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重、結(jié)實率等指標。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

運用Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以算術(shù)平均數(shù)來表征不同處理間相關(guān)指標的平均水平，用SPSS 12.0軟件進行方差分析、顯著性檢驗分析，用GraphPad Prism 5.0繪圖。

2 結(jié)果分析

2.1 GA3、ABA和IBA對不同灌溉方式下水稻葉綠素熒光參數(shù)的影響

2.1.1 水稻PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量(Fv/Fm)的變化

Fv/Fm值能夠反映PSⅡ吸收的光能用于還原QA的最大效率。由圖1可知，分蘗期和孕穗期的Fv/Fm值在不同灌溉方式和激素處理下變化趨勢一致，表現(xiàn)為W2>W1>W3，其中，在干旱條件下分蘗期和孕穗期的Fv/Fm值分別比干濕交替和淹水降低了1.3%、1.0%和6.5%、3.1%。不同激素處理之間比較發(fā)現(xiàn)，ABA在分蘗期和孕穗期均能顯著提高Fv/Fm值，比對照增加1.9%和3.6%，而IBA在孕穗期淹水條件下的Fv/Fm值顯著低于對照，為0.759，但其他處理條件下與對照均無顯著差異。

2.1.2 水稻PSⅡ?qū)嶋H光量子效率(ФPSⅡ)的變化

ФPSⅡ能夠反映PSⅡ吸收的光能用于還原QA的效率。由圖2可知，三種灌溉條件下分蘗期和孕穗期的ФPSⅡ表現(xiàn)出一致的趨勢，均以W2>W1>W3。相比對照，ABA、IBA和GA3處理均能提高分蘗期的ФPSⅡ，分別達2.1%、4.9%和4.1%；而孕穗期在W1和W2條件下，ABA、IBA均能顯著降低了ФPSⅡ，分別達3.4%-3.8%和0.7%-2.1%。

圖1 GA3、ABA和IBA對不同灌溉方式下水稻分蘗期(A)和孕穗期(B) Fv/Fm的影響Fig.1 Effects of GA3, ABA and IBA on Fv/Fm at the tillering stage (A) and booting stage (B) under different irrigation regimes in rice 注：不同小寫字母表示處理間差異達到5%顯著水平，下同。Note：Different lowercase letters indicate that the difference between treatments reaches a significant level of 5%, the same below.

圖2 GA3、ABA和IBA對不同灌溉方式下水稻分蘗期(A)和孕穗期(B) ФPSⅡ的影響Fig.2 Effects of GA3, ABA and IBA on ФPSII at the tillering stage (A) and booting stage (B) under different irrigation regimes in rice

2.1.3 水稻非光化學猝滅(NPQ)與光化學猝滅(qP)的變化

NPQ和qP分別反映PSⅡ散熱狀況和PSⅡ反應中心開放比例。由圖3可知，分蘗期水稻非光化學猝滅小于孕穗期，不同灌溉方式在分蘗期和孕穗期NPQ也表現(xiàn)W2>W1>W3的趨勢。ABA、IBA在分蘗期和孕穗期均顯著降低了NPQ，相比對照分別降低了18.5%-34.6%和10.7%-58.8%，而GA3處理在分蘗期和孕穗期的NPQ表現(xiàn)出一定的差異。由圖4可知，GA3、ABA和IBA對不同灌溉方式下水稻分蘗期和孕穗期的qP影響表現(xiàn)出一定的趨勢，均表現(xiàn)為W3>W1>W2。GA3處理后qP在分蘗期顯著高于對照，在孕穗期與對照差異不大；而IBA處理均能顯著提高qP，增加1.8%-2.1%，ABA與對照無顯著差異。

圖3 GA3、ABA和IBA對不同灌溉方式下水稻分蘗期(A)和孕穗期(B)NPQ影響Fig.3 Effects of GA3, ABA and IBA on NPQ at the tillering stage (A) and booting stage (B) under different irrigation regimes in rice

2.1.4 水稻初始熒光(F0)的變化

F0是PSⅡ反應中心處于完全開放時的熒光產(chǎn)量。由圖5可知，初始熒光F0在水稻分蘗期大于孕穗期，增加了11.7%，就不同灌溉方式而言，F(xiàn)0在水稻分蘗期和孕穗期均表現(xiàn)為W3>W1>W2。GA3處理在分蘗期和孕穗期均能顯著提高F0，分別達6.5%-12.8%和14.1%-21.2%；ABA和IBA則在分蘗期和孕穗期的W1和W3條件下與對照無顯著差異，在分蘗期W2條件下，ABA能顯著降低F0，達3.6%，而在孕穗期ABA和IBA相比對照，能顯著提高F0，分別達5.7%-6.6%和3.6%-3.9%。

2.2 GA3、ABA和IBA對不同灌溉方式下水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

2.2.1 對產(chǎn)量的影響

由表1可知，從產(chǎn)量上看，灌溉方式和激素處理對水稻處理的影響達顯著水平或極顯著水平，但互作效應不顯著，灌溉方式上以W1處理最高，分蘗期分別較W2和W3增幅3%和46%，孕穗期分別較W2和W3增幅29%和49%，激素處理上以對照效果最佳，表現(xiàn)為CK>ABA>IBA>GA3；分蘗期和孕穗期在灌溉方式和激素互作上發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量以W1結(jié)合IBA處理較高，達80.89 g/盆，而分蘗期處理產(chǎn)量總體高于孕穗期。

圖4 GA3、ABA和IBA對不同灌溉方式下水稻分蘗期(A)和孕穗期(B)qP影響Fig.4 Effects of GA3, ABA and IBA on qP at the tillering stage (A) and booting stage (B) under different irrigation regimes in rice

圖5 GA3、ABA和IBA對不同灌溉方式下水稻分蘗期(A)和孕穗期(B) F0的影響Fig.5 Effects of GA3, ABA and IBA on F0 at the tillering stage (A) and booting stage (B) under different irrigation regimes in rice

2.2.2 對產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表1可知，分蘗期和孕穗期不同灌溉方式對有效穗的影響均沒有達到顯著水平，但均以W1條件下有效穗最多，外源激素在分蘗期和孕穗期表現(xiàn)出生育期差異，在分蘗期表現(xiàn)為CK>ABA>IBA>GA3，孕穗期表現(xiàn)為IBA>CK>GA3>ABA，灌溉方式和激素互作效應對有效穗的影響不顯著，在孕穗期W3下GA3處理有效穗最多，為12穗/株，在分蘗期處理下以W3處理下以CK最高，為14穗/株。分蘗期不同灌溉方式和孕穗期外源激素處理顯著影響每穗粒數(shù)，每穗粒數(shù)在不同灌溉方式和激素處理表現(xiàn)出生育期差異，分蘗期處理以W1>W2>W3，ABA>CK>IBA>GA3，孕穗期處理以W1>W3>W2，IBA>CK>ABA>GA3，灌溉方式和激素互作效應對每穗粒數(shù)影響不顯著。灌溉方式和外源激素對結(jié)實率的影響均達顯著水平，孕穗期灌溉方式和激素處理互作效應對結(jié)實率的影響也達顯著水平，分蘗期和孕穗期對結(jié)實率的影響一致，都表現(xiàn)為W2>W1>W3,ABA>CK>IBA>GA3，孕穗期W3能降低結(jié)實率，且ABA提高結(jié)實率的作用相比分蘗期更顯著。分蘗期不同灌溉方式和外源激素對千粒重的影響達顯著水平，孕穗期不同灌溉方式對千粒重影響顯著和外源激素對千粒重影響則不顯著，但分蘗期和孕穗期總體趨勢都表現(xiàn)為不同灌溉方式均以W2>W1>W3，不同外源激素均以ABA>CK>IBA>GA3。

表1 GA3、ABA和IBA對不同灌溉方式下水稻分蘗期和孕穗期產(chǎn)量構(gòu)成的影響Tab.1 Effects of GA3, ABA and IBA on the yield components of rice in the tillering and booting stages under different irrigation regimes

注：同欄內(nèi)同列數(shù)據(jù)后標有不同字母表示在5%水平上差異顯著，*，**分別表示在0.05 和0.01水平上差異顯著。W：灌水方式；V：激素種類；W×V：灌水方式和激素種類互作。
Note: Values with a column followed by different letters are significantly different atP<0.05;*, ** Significantly different at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. W: Irrigation method;V: phytohormone types； W×V: Water-densit interaction.

2.2.3 對株高和穗長的影響

從株高上看，分蘗期和孕穗期處理對株高的影響差異明顯，分蘗期不同灌溉方式、外源激素及兩者的互作效應均呈極顯著影響株高，孕穗期不同激素處理對株高影響呈極顯著，分蘗期表現(xiàn)為W3>W2>W1，GA3>ABA>IBA>CK，孕穗期表現(xiàn)為W2>W3>W1，GA3>CK>IBA>ABA。綜合來看，在分蘗期以W3條件下結(jié)合ABA最高為99.61 cm，孕穗期以W3結(jié)合GA3最高，為96.75 cm。不同灌溉方式、外源激素及兩者的互作效應對穗長影響均不顯著，分蘗期W3和W1處理穗長均低于孕穗期，而分蘗期W2處理穗長高于孕穗期，不同外源激素在兩時期對穗長有促進作用，GA3、ABA分別在分蘗期和孕穗期提高3.8%和3.3%、2.4%和0.4%。

3 討論

水稻葉綠素含量及葉片冠層結(jié)構(gòu)變化等會影響植物光系統(tǒng)PSⅡ?qū)饽艿奈占袄肹13,14]。已有研究表明，F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ、NPQ和qP受抑制程度與水分脅迫呈顯著相關(guān)，因此，可實現(xiàn)水分脅迫下葉綠素熒光參數(shù)變化對水稻進行監(jiān)測[15,16]。本研究表明，干旱脅迫下分蘗期和孕穗期均能降低Fv/Fm、ΦPSⅡ和NPQ，提高qP和F0，說明水稻在遭受干旱時，實際光化學效率受到嚴重抑制，使光合傳遞速率和光合同化速率下降，光合效率減弱，這與前人的研究結(jié)果一致[17,18]。因此，雖然干濕交替灌溉下水稻光合作用被抑制，但沒有導致光合機構(gòu)受損或者不可逆失活[19]，F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ和NPQ等參數(shù)會逐步回升，但回升之后與淹水灌溉相比依然較低[20]，可能與植株受到脅迫復蘇后的自身修復機制有關(guān)。

水稻產(chǎn)量由單位面積有效穗、每穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重構(gòu)成。王成璦等人研究表明，干旱灌溉會降低光合作用，但可增加千粒重與結(jié)實率，孕穗期是水分虧缺最敏感的時期[21]，本試驗表明，分蘗期干旱可通過降低功能葉片的PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量、實際光量子效率，減少了營養(yǎng)器官的有機物向生殖器官轉(zhuǎn)移，對結(jié)實率影響較大，孕穗期水分虧缺灌溉對光化學淬滅系數(shù)和初始熒光影響較大，并容易降低單株有效穗和穗粒數(shù)。目前，對于干濕交替對水稻增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的報道不一致。張玉屏[22]等人研究表明分蘗期干濕交替灌溉水稻是最節(jié)水的生育時期，并能增加每穗粒數(shù)，提高平均單產(chǎn)。Tabbal[23]等人研究表明干濕交替能增加水分生產(chǎn)力，隨著水分投入越少，減產(chǎn)越明顯。本試驗結(jié)果表明干濕交替灌溉能夠降低有效莖蘗數(shù)和每穗粒數(shù)，提高千粒重和結(jié)實率，但增加的籽粒充實度不足以彌補單位面積穗粒數(shù)的損失，最終造成減產(chǎn)。本研究還表明，在分蘗期和孕穗期，10 mg/L GA3、50 mg/L IBA對水稻生長及產(chǎn)量形成都具有不利影響，這可能是因為GA3、IBA不僅影響了植物內(nèi)源激素的合成、運輸與代謝[24]，還影響了籽粒灌漿過程中的酶活性、莖鞘物質(zhì)轉(zhuǎn)運等方面調(diào)控水稻產(chǎn)量[25]。楊建昌[26]等人認為，GA3處理后，ABA與GA3的比值減少及淀粉合成酶的活性降低、淀粉含量減少，最終降低了產(chǎn)量。50 mg/L ABA 在淹水條件下產(chǎn)量與對照差異不大，在水分虧缺的條件下，同比增加水稻產(chǎn)量，這與外源ABA作用增加了籽粒中內(nèi)源ABA含量，抑制了淀粉水解酶的活性等[27]，從而增加千粒重和結(jié)實率。