汞脅迫對(duì)7個(gè)水稻品種花粉活力與結(jié)實(shí)率的影響

趙夏夏 李尚錕 林堪德 王旭明 胡燕 郭文燕 黃永相 李偉 郭建夫

摘要 選取蘇香粳2號(hào)、蘇粳8、楚粳香1號(hào)、中秈2503、粳秈89、廣協(xié)1號(hào)和Dular7個(gè)水稻品種作為實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)置4個(gè)汞濃度梯度處理，分別為0、0.1、0.3、0.8mmol/L，采用盆栽水培的方法培育至成熟期，研究汞脅迫對(duì)7個(gè)水稻品種花粉活力與結(jié)實(shí)的影響。結(jié)果表明：穗分化期間水稻花粉活力和花粉育性受低汞脅迫傷害較小，而高汞毒害造成水稻花粉母細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整性遭受破壞，導(dǎo)致花粉活力受到抑制。不同品種的花粉活力和育性對(duì)汞毒脅迫的響應(yīng)受花藥結(jié)構(gòu)和生理共同調(diào)節(jié)作用。汞脅迫下花粉活力、花粉育性和結(jié)實(shí)率存在品種上的差異。在理論研究上中，秈2503、蘇粳8可作為水稻花粉發(fā)育研究的參試材料;生產(chǎn)實(shí)踐中，花粉活力、花粉育性和結(jié)實(shí)率可作為水稻品種選育和汞脅迫程度預(yù)測(cè)的可靠指標(biāo)。

關(guān)鍵詞 水稻;汞脅迫;花粉活力;花粉育性;結(jié)實(shí)率

中圖分類號(hào) S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

汞，同鎘、鉛一樣，是環(huán)境中毒性最強(qiáng)的重金屬之一，同其他重金屬相比危害性更大，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境和人類健康[1-2]。目前，我國(guó)的汞消耗量占全球比例約50%以上，而且《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》結(jié)果顯示，土壤無機(jī)型的污染物占主要比例，其中汞點(diǎn)位的超標(biāo)率達(dá)到1.6%，這對(duì)我國(guó)農(nóng)作物生長(zhǎng)及食品安全帶來嚴(yán)重威脅[3-4]。

有研究表明，土壤汞污染對(duì)水稻具有雙重的影響，汞主要在水稻植株的根中大量富集[5]，在汞濃度較低的情況下，會(huì)對(duì)水稻的生長(zhǎng)起到促進(jìn)的作用，而在高濃度脅迫下，根冠比隨著汞濃度的增加而降低，根系養(yǎng)分的傳輸受阻，最終影響到地上部的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致水稻植株矮小，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低[6]。此外，隨著土壤汞富集量的增加，汞脅迫對(duì)水稻生長(zhǎng)的抑制明顯加強(qiáng)，生育期短的水稻受害較為明顯。鄒繼穎發(fā)現(xiàn)，汞的處理濃度越大，其對(duì)水稻的生長(zhǎng)影響越大;生育嵌短的水稻，受汞影響越大0在汞脅迫處理下，水稻葉綠素含量降低，光合作用受阻，最終導(dǎo)致干物質(zhì)積累減少，從而使得籽粒的千粒重降低，產(chǎn)量降低[8]。有研究也發(fā)現(xiàn)，汞脅迫濃度為36.5mg/L處理下，水稻植株明顯受到抑制，生長(zhǎng)矮小，水稻葉片枯黃，秕谷率近50%，產(chǎn)量?jī)H為對(duì)照的3.3%[9-10]。目前關(guān)于高溫脅迫、鹽脅迫水稻對(duì)花粉活力與結(jié)實(shí)率這方面的研究[11-13]較多，而汞脅迫下水稻花粉活力對(duì)結(jié)實(shí)率的影響鮮有報(bào)道。因此，本研究通過研究汞脅迫對(duì)不同水稻品種花粉活力和萌發(fā)率的影響，為耐汞生理機(jī)理和汞污染土壤修復(fù)研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料：蘇香粳2號(hào)，蘇粳8，楚粳香1號(hào)，中釉2503，粳秈89，Dular，廣協(xié)1號(hào)，均由廣東海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所提供。

1.2 方法

1.2.1 水稻幼苗的培養(yǎng)

2017年3月13日，參照李春龍[14]的方法，先將水稻種子用鹽水進(jìn)行浮選，去除不實(shí)籽粒，人工精選粒大、均勻飽滿的種子200籽粒。先用蒸餾水浸泡5min后，用10%的H₂O₂浸泡20min后，用去離子水沖洗干凈并均勻平鋪于無菌培養(yǎng)皿中，放置30 0C種子培養(yǎng)箱下催芽48h，期間換水6次，并保持培養(yǎng)皿濕潤(rùn)，待種子露白后種植于廣東海洋大學(xué)農(nóng)學(xué)院水稻實(shí)驗(yàn)田中進(jìn)行幼苗培育。

1.2.2 汞脅迫處理

2017年3月25日，在廣東海洋大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)培育的秧苗中，選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的3葉1心期參試品種的秧苗移栽到盛裝有沙土的培養(yǎng)箱（內(nèi)徑52.5×14.7×32）中，每箱中種植24株。

2017年4月13日待水稻長(zhǎng)至五葉期左右進(jìn)行汞脅迫處理，汞處理濃度為分別含0.1、0.3、0.8mmol/L的Hgcl₂的Yoshida溶液，對(duì)照為不含汞的純Yoshida溶液。每品種每處理3次重復(fù)。每桶保持2cm水層，每桶插入相同刻度的標(biāo)尺測(cè)定其水位，根據(jù)缺水情況，每桶補(bǔ)水至相同刻度。生長(zhǎng)期間早晚觀察水稻的生長(zhǎng)狀況，每天拍照記錄。

隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。2017年6月20日汞脅迫35d后至水稻抽穗揚(yáng)花期，進(jìn)行花粉育性、花粉活力的測(cè)定。2017年7月18日繼續(xù)培養(yǎng)至水稻蠟熟期，收獲后測(cè)定結(jié)實(shí)率、粒重和千粒重，3個(gè)指標(biāo)測(cè)定重復(fù)10次。

1.2.3 測(cè)定方法

參照張桂蓮、張彬的方法[15-16]對(duì)水稻花粉活力進(jìn)行測(cè)定。水稻花粉育性的測(cè)定參照羅麗華的方法[17]。結(jié)實(shí)率、單株粒重、抽穗日數(shù)的測(cè)定參照邵文奇、馬樹慶和于淑婷的方法[18-20]進(jìn)行。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用SPSS19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在MicrosoftOffice Excel 2007電子表格中作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同汞濃度對(duì)水稻花粉活力的影響

隨著汞脅迫濃度的增加，中釉2503的花粉活力明顯上升，較其他6份材料，花粉活力較高;而在相同的汞脅迫條件下，蘇香粳2號(hào)的花粉活力顯著降低，花粉活力受到抑制，蘇粳8、楚粳香1號(hào)、廣協(xié)1號(hào)花粉活力受汞脅迫影響的程度較小。0.8mmol/L濃度的汞處理后，蘇香粳2號(hào)、Dular4t粉活力下降最大，減幅達(dá)到40.0%、26.1%，花粉活力受到明顯抑制，而中釉2503花粉活力顯著升高，增幅達(dá)到67.3%。見表1。

2.2 不同汞濃度對(duì)水稻花粉育性的影響

汞脅迫對(duì)不水稻品種花粉育性的影響存在明顯的差異。汞脅迫濃度的增加，對(duì)蘇粳8、楚粳香1號(hào)、中釉2503、廣協(xié)1號(hào)、Dular的花粉可育率顯著增加，對(duì)其育性有明顯的促進(jìn)作用，而蘇香粳2號(hào)、粳秈89受影響不大。0.3%汞濃度處理下Dular、蘇粳8、中釉2503花粉可育率顯著高于對(duì)照，增幅分別達(dá)到32.87%、17.75%、14.19%，而粳秈89的花粉可育率降低，花粉育性受到抑制，可能是0.3%汞脅迫刺激Dular、蘇粳8、中釉2503這3個(gè)品種，對(duì)花粉育性有促進(jìn)作用。0.8mmol/L汞脅迫下，蘇粳8花粉可育率，較對(duì)照顯著增高，增幅達(dá)到18.91%，楚粳香1號(hào)、中釉2503、Dular花粉可育率增幅降低，而粳秈89花粉可育率減幅降低，蘇香粳2號(hào)、廣協(xié)1號(hào)花粉育性受影響較小。見表2。2.3不同汞濃度對(duì)水稻抽穗日數(shù)的影響

隨著汞脅迫濃度增大，7個(gè)水稻品種抽穗日數(shù)變化不大，而不同品種間抽穗日數(shù)呈顯著差異。其中抽穗日數(shù)長(zhǎng)短排序：蘇粳8<楚粳香1號(hào)<中釉2503

2.4 不同汞濃度對(duì)水稻結(jié)實(shí)率的影響

汞脅迫處理提高了楚粳香1號(hào)、中釉2503、粳秈89、廣協(xié)1號(hào)的結(jié)實(shí)率。隨汞處理濃度的增加，這4個(gè)品種的結(jié)實(shí)率呈逐漸升高的趨勢(shì)，在0.8mmol/L濃度，結(jié)實(shí)率增加到最大，增幅達(dá)到68.8%、26.5%、26.4%、14.0%，但Dular、蘇粳8、蘇香粳2號(hào)的結(jié)實(shí)率受汞脅迫傷害的影響較小，均保持較高的結(jié)實(shí)率。說明汞脅迫促進(jìn)楚粳香1號(hào)、中釉2503、粳秈89、廣協(xié)1號(hào)結(jié)實(shí)率的增加，卻對(duì)Dular、蘇粳8、蘇香粳2號(hào)的影響不大。見表4。

2.5 不同汞濃度對(duì)水稻單株粒重的影響

隨著汞脅迫濃度增加，單株粒重呈先升后降的趨勢(shì)，汞脅迫濃度0.1～0.3mmol/L下，7個(gè)水稻品種單株粒重達(dá)到峰值。同一汞脅迫水平下，粳秈89、廣協(xié)1號(hào)、中釉2503的單株粒重增幅較明顯，而在0.8mmol/L脅迫下蘇粳8、Dular的單株粒重降低。見表5。

3 討論

汞是一種極毒的重金屬元素，其毒性位于各金屬之首[21]。植物體內(nèi)汞離子的積累造成DNA損傷，其結(jié)構(gòu)的完整性遭到破壞[22]。試驗(yàn)結(jié)果表明，穗分化期間水稻花粉活力和花粉育性受低汞脅迫傷害較小，高汞毒害造成水稻花粉母細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整性遭受破壞，導(dǎo)致花粉活力受到抑制，但對(duì)抽穗日數(shù)的影響不大;同時(shí)汞脅迫對(duì)花粉活力的影響存在品種間的差異，對(duì)中釉2503具有促進(jìn)作用，其耐汞能力較強(qiáng)，花粉細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整性較好，保持正常的生長(zhǎng)發(fā)育，而蘇香粳2號(hào)、Dular明顯受到抑制，其他3個(gè)品種受影響較小，也說明不同品種的花粉活力和育性對(duì)汞毒脅迫的響應(yīng)受花藥結(jié)構(gòu)和生理共同調(diào)節(jié)作用。汞脅迫可以增加水稻花粉活力及育性，并提高結(jié)實(shí)率，而甲基汞在水稻體內(nèi)富集程度的加劇抑制水稻花粉萌發(fā)能力，從而引起育性下降，造成籽粒結(jié)實(shí)率降低。因此，花粉活力與育性可以作為汞脅迫對(duì)水稻結(jié)實(shí)影響程度的參考指標(biāo)，這與趙雷等人的研究結(jié)論相近[25]。

考種研究發(fā)現(xiàn)，汞處理對(duì)水稻的結(jié)實(shí)率和單株粒重的影響存在品種間的差異，汞脅迫處理促進(jìn)中釉2503、廣協(xié)1號(hào)、DularM實(shí)率的增加，有助于增加其單株粒重，且均顯著高于對(duì)照，推斷是水稻品種對(duì)汞傷害的耐受性不同，從而影響其結(jié)實(shí)率和單株粒重，但是對(duì)該性狀的影響還有待進(jìn)一步研究。不同水稻品種對(duì)汞傷害的耐受性不同，表現(xiàn)出其結(jié)實(shí)率和單株粒重受害程度存在差異。在理論研究上可以將中釉2503作為水稻花粉發(fā)育的參試材料，花粉活力、花粉育性和結(jié)實(shí)率可作為水稻品種選育和汞脅迫程度預(yù)測(cè)的可靠指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]崔麗巍，馮新斌.汞污染土壤植物修復(fù)中轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)雜志，2011，30（5）：883-888.

[2]劉元香汞對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)的影響及水稻基因OsPP2C與其耐汞性[D].杭州：浙江師范大學(xué)，2016.

[3]馬躍峰，武曉燕，薛向明.汞污染土壤修復(fù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與篩選流程研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2015（12）：107-111-

[4]朱代文，張瑞慶，李剛.不同水稻品種無機(jī)汞和甲基汞富集及暴露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].西部大開發(fā)（土地開發(fā)工程研究），2017，2（02）：50-56.

[5]莫爭(zhēng)，王春霞，陳琴，等.重金屬Cu，Pb，Zn，Cr，Cd在水稻植株中的富集和分布[J].環(huán)境化學(xué)，2002（02）：110-116.

[6]高大翔，郝建朝，李子芳，等.汞脅迫對(duì)水稻生長(zhǎng)及幼苗生理生化的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008（01）：58-61-

[7]鄒繼穎，劉輝，?；?，等.重金屬汞鎘污染對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響[J].土壤與作物，2012，1（4）：227-232.

[8]曾斌，趙鸝，朱誠(chéng)，等.水稻突變體對(duì)土壤汞脅迫耐性機(jī)理的初步研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版），2008（1）：57-64.

[9]蔣家煥，盧禮斌.重金屬污染對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育和稻米品質(zhì)影響研究現(xiàn)狀[J].福建稻麥科技，2002（04）：35-37.

[10]杜永，王艷，徐敏權(quán)，等.重金屬污染來源及對(duì)水稻生長(zhǎng)與發(fā)育的影響[J].耕作與栽培，2004（2）：13-15，61.

[11]張彬，芮雯奕，鄭建初，等.水稻開花期花粉活力和結(jié)實(shí)率對(duì)高溫的響應(yīng)特征[J].作物學(xué)報(bào)，2007（7）：1177-1181.

[12]湯日圣，鄭建初，張大棟，等.高溫對(duì)不同水稻品種花粉活力及籽粒結(jié)實(shí)的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2006（04）：369-373.

[13]陳虹，沈市委.不同重金屬對(duì)山桃花粉萌發(fā)和花粉管伸長(zhǎng)的影響[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（3）：16-18.

[14]李春龍，LIChunlong.汞脅迫對(duì)紫云英種子萌發(fā)及幼苗根系生理生化特性的影響[J].種子，2017（1）：98-100.

[15]張桂蓮，蔡志歡，李波，等.水稻對(duì)減數(shù)分裂期高溫脅迫的生理響應(yīng)[J].雜交水稻，2016，31（3）：64-67.

[16]張彬，芮雯奕，鄭建初，等.水稻開花期花粉活力和結(jié)實(shí)率對(duì)高溫的響應(yīng)特征[J].作物學(xué)報(bào)，2007，33（7）：1177-1181.

[17]羅麗華，劉國(guó)華，肖應(yīng)輝，等.高溫脅迫對(duì)水稻花粉和小穗育性及稻谷粒重的影響[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，31（6）：593-596.

[18]邵文奇，紀(jì)力，孫春梅，等.不同沼液施用量對(duì)水稻生長(zhǎng)、產(chǎn)量及重金屬含量的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2017，29（12）：1963-1969.

[19]馬樹慶，劉曉航，鄧奎才，等幼穗形成期低溫對(duì)水稻結(jié)實(shí)的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2018，29（1）：125-132.

[20]于淑婷，楊延兵，陳二影，等.華北夏谷區(qū)近30年來主要谷子育成品種農(nóng)藝和品質(zhì)性狀演變分析[J].山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，49（2）：15-19.

[21]申龍斌.海灘植物海馬齒Sesuvium portulacastrum L.抗汞機(jī)制的初步研究及相關(guān)基因分離鑒定[D].?？冢汉Ｄ洗髮W(xué)，2012.

[22]母波，韓善華，張英慧，等.汞脅迫對(duì)植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的影響[J].中國(guó)微生態(tài)學(xué)雜志，2007，19（1）：112-113.

[23]黃雅琴.微波輻照對(duì)蠶豆種子萌發(fā)、花粉發(fā)育及農(nóng)藝性狀的影響[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2017，48（11）：1948-1953.

[24]張家健.高溫下秈型水稻核質(zhì)互作三系不育系育性恢復(fù)生理及蛋白質(zhì)組學(xué)研究[D].南昌：江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

[25]趙雷，嚴(yán)松，黃英金，等.高溫造成抽穗揚(yáng)花期水稻育性降低的機(jī)理研究[A].2014年中國(guó)作物學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].中國(guó)作物學(xué)會(huì)：2014.