噴施不同化學(xué)制劑對(duì)高溫脅迫水稻干物質(zhì)積累與碳氮代謝的影響

江曉東 華夢(mèng)飛 費(fèi)日超 姜琳琳 楊沈斌 郭建茂

（1南京信息工程大學(xué)/江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044；2中國氣象局農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，鄭州450003；3沂南縣氣象局，山東沂南276300；第一作者：jiangxd＠126．com）

在全球氣候變暖的背景下，近100年來我國氣溫上升明顯，升溫幅度約為 0．5℃～0．8℃，高于同期全球平均水平，并表現(xiàn)出極端高溫發(fā)生頻率和強(qiáng)度增加的特點(diǎn)[1]。水稻是我國主要的糧食作物，高溫?zé)岷κ撬局饕霓r(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害之一。一般認(rèn)為，當(dāng)水稻在孕穗開花期遇到日平均氣溫≥30℃或日最高氣溫≥35℃，持續(xù)日數(shù)大于3 d為就會(huì)發(fā)生高溫?zé)岷2]。高溫?zé)岷?huì)對(duì)水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量造成顯著影響。張桂蓮等[3]研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫會(huì)導(dǎo)致水稻花藥開裂率、花粉活力下降；鄭建初等[4]研究指出，水稻在抽穗期遭遇持續(xù)3 d高于35℃的氣溫，結(jié)實(shí)率就會(huì)降到70%以下；CRAFTSBRANDNER等[5]研究結(jié)果表明，高溫脅迫發(fā)生時(shí)，光合作用關(guān)鍵酶Rubisco活性下降，CO2同化能力降低，光合速率顯著下降；楊再強(qiáng)等[6]研究表明，高溫脅迫會(huì)導(dǎo)致水稻葉片凈光合速率、PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率和PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量下降；湯日圣等[7－8]研究指出，高溫?zé)岷κ顾救~片SOD、POD、CAT活性降低，MDA含量增加，葉片衰老加速；謝曉金等[9－11]研究指出，高溫會(huì)導(dǎo)致水稻每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重下降，稻米品質(zhì)變劣。噴施外源化學(xué)制劑是增強(qiáng)水稻的耐熱性、減輕高溫危害的有效手段。噴施外源化學(xué)制劑可以提高水稻的授粉量，提高結(jié)實(shí)率[12]，可以提高水稻葉片的抗氧化酶活性，降低MDA含量，減輕葉片的衰老程度[8，13]，提高葉片的光合速率[14]和水稻產(chǎn)量。

長江中下游是我國主要的水稻產(chǎn)區(qū)，水稻產(chǎn)量約占我國水稻總產(chǎn)量的50%[15]，受地理位置和副熱帶高壓的影響，該地區(qū)每年7—8月容易出現(xiàn)持續(xù)高溫天氣，在氣候變暖的背景下，該地區(qū)水稻高溫?zé)岷Φ陌l(fā)生頻率和強(qiáng)度有增加的趨勢(shì)，對(duì)水稻生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[16－18]。目前有關(guān)噴施化學(xué)制劑提高水稻抗高溫能力的研究較多，但大多基于單一化學(xué)制劑，對(duì)不同種類化學(xué)制劑之間的對(duì)比研究較少。為此，在本課題組前期的研究基礎(chǔ)上[8]，本研究選取KH2PO4和CaCl2兩種化學(xué)制劑，比較不同化學(xué)制劑對(duì)高溫脅迫下水稻干物質(zhì)積累與碳氮代謝的影響，以期為長江中下游水稻生產(chǎn)應(yīng)對(duì)高溫?zé)岷μ峁﹨⒖家罁?jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 不同處理對(duì)水稻葉片干物質(zhì)積累的影響

圖2 不同處理對(duì)水稻莖稈干物質(zhì)積累的影響

試驗(yàn)于2016年在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站進(jìn)行，以早稻品種陵兩優(yōu)268為研究對(duì)象，進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。4月20日播種，3葉1心期選擇均勻一致的壯苗移栽于內(nèi)直徑20 cm、高30 cm的塑料盆中，每盆3株，等邊三角形種植，植株離盆沿5 cm。在水稻拔節(jié)末期（6月20日）連續(xù)3 d每日17∶00對(duì)處理植株分別噴施22.04 mmol/L KH2PO4溶液和20.00 mmol/L CaCl2溶液，以噴施蒸餾水為對(duì)照（CK），噴施至溶液液滴均勻布滿葉片為止。試驗(yàn)共計(jì)3個(gè)處理，每個(gè)處理種植9盆，共計(jì)27盆。6月23日9∶00將盆栽水稻放入人工氣候箱（TPG1260，Australian）進(jìn)行連續(xù)5 d的高溫處理，處理方法為：6∶00—18∶00 溫度 40℃±0.5℃，18∶00—次日6∶00溫度為 30℃±0.5℃，日平均氣溫 35℃，光照強(qiáng)度為1 000 μmol/（m·s），空氣相對(duì)濕度為60%。6月28日9∶00將所有處理水稻移至室外自然生長直至成熟。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 干物質(zhì)

在高溫處理5 d（6月28日）、高溫處理結(jié)束后5 d（7月3日）和成熟期各取樣一次樣品，將葉片、莖稈和穗分開裝袋，然后置于105℃的烘箱中殺青30 min后，75℃烘干稱重。

1.2.2 產(chǎn)量

在成熟期取樣，進(jìn)行室內(nèi)考種，計(jì)數(shù)每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)粒數(shù)和千粒重，并計(jì)算結(jié)實(shí)率。

1.2.3 劍葉光合速率

在高溫處理第5 d（7月9日）和高溫處理結(jié)束后第5 d（7月14日），采用LI-6400型光合儀（LI-COR，USA）對(duì)各處理劍葉進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)處理重復(fù)測(cè)定3次。

1.2.4 含氮量

采用“硫酸銅-硫酸鉀-硒粉”聯(lián)合催化劑濃硫酸消煮法測(cè)定，使用KDY9820型凱氏定氮儀（KETUO，中國）按半微量凱氏定氮法測(cè)定全氮含量[19]。

1.2.5 可溶性糖含量

采用蒽酮比色法測(cè)定[19]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel和DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫脅迫下不同化學(xué)制劑對(duì)水稻干物質(zhì)積累的影響

由圖1可以看出，在高溫處理5 d后，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻葉片干物質(zhì)量顯著高于CK，其中，KH2PO4溶液處理最大，比CK高0.099 g/莖，也顯著高于CaCl2溶液處理，說明KH2PO4溶液處理的水稻葉片的抗高溫能力強(qiáng)，光合作用高，干物質(zhì)積累能力強(qiáng)，而CK的水稻葉片受高溫脅迫影響大，干物質(zhì)生產(chǎn)和積累受到抑制?；謴?fù)5 d后，KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻葉片干物質(zhì)量仍顯著高于CK，但KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理之間差異不顯著，說明CaCl2溶液處理的水稻葉片在高溫脅迫后機(jī)能恢復(fù)較快，CK恢復(fù)緩慢。在水稻成熟期，CK的葉片干物質(zhì)量分別比KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理高0.043 g/莖和0.034 g/莖，差異到達(dá)顯著水平，表明KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理可促使水稻葉片積累的干物質(zhì)在成熟期向籽粒中轉(zhuǎn)移，提高水稻產(chǎn)量。

圖3 不同處理對(duì)水稻莖葉干物質(zhì)積累的影響

圖4 不同處理對(duì)水稻劍葉凈光合速率（Pn）的影響

圖5 不同處理對(duì)水稻劍葉蒸騰速率（Tr）的影響

從圖2可以看出，在高溫處理5 d后，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻莖稈干物質(zhì)量比CK高0.105 g/莖和0.082 g/莖，差異顯著，表明在高溫脅迫下，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理后的水稻莖稈生長受高溫影響較CK小，能貯存更多的有機(jī)物。高溫處理結(jié)束恢復(fù)5 d后，KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻莖稈干物質(zhì)量仍顯著高于CK，分別比CK高0．157 g/莖和 0．107 g/莖，KH2PO4溶液處理也顯著高于CaCl2溶液處理，說明KH2PO4處理更能促進(jìn)恢復(fù)期水稻莖稈的生長，有利于莖稈中有機(jī)物的運(yùn)輸和存儲(chǔ)，莖稈生長健壯。在成熟期，CK的莖稈干物質(zhì)量顯著高于KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理，分別比KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理高 0．375 g/莖和 0．223 g/莖，KH2PO4溶液處理的莖稈質(zhì)量最低，這表明，噴施外源化學(xué)制劑，能夠顯著促進(jìn)水稻莖稈積累的干物質(zhì)再分配到籽粒中，有利于產(chǎn)量的增加。

從圖3可見，噴施不同化學(xué)制劑對(duì)水稻植株莖葉干物質(zhì)積累影響顯著。在高溫處理5 d后，水稻莖稈干物質(zhì)量KH2PO4溶液處理＞CaCl2溶液處理＞CK，處理之間差異顯著，表明KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理水稻植株受高溫脅迫影響小，KH2PO4處理的水稻植株受影響程度最小。恢復(fù)5 d，3個(gè)處理莖葉干物質(zhì)積累量高于高溫處理5 d，表明水稻在進(jìn)行恢復(fù)性生長，干物質(zhì)積累量仍表現(xiàn)為KH2PO4溶液處理＞CaCl2溶液處理＞CK，處理之間差異顯著，說明用KH2PO4溶液處理水稻受高溫脅迫后恢復(fù)速度快，植株生長量大，用CaCl2溶液處理次之。在成熟期，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理水稻植株莖葉干物質(zhì)積累量分別比CK低0．218 g/莖和 0．116 g/莖，說明用 KH2PO4溶液和 CaCl2溶液處理可以使莖葉積累的干物質(zhì)更多的轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒中，KH2PO4溶液處理對(duì)莖稈運(yùn)轉(zhuǎn)量的促進(jìn)作用大于CaCl2溶液處理。

2.2 高溫脅迫下不同化學(xué)制劑對(duì)水稻光合特性的影響

噴施不同化學(xué)制劑對(duì)高溫脅迫處理下和恢復(fù)期的水稻產(chǎn)生了顯著的影響。由圖4可見，抽穗期高溫脅迫處理5 d，KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻劍葉凈光合速率（Pn）分別比CK高14．00 μmol/（m2·s）和10．58 μmol/（m2·s），說明噴施不同化學(xué)制劑后水稻葉片在高溫脅迫下仍能保持較高的光合速率?；謴?fù)5 d各處理的Pn較高溫脅迫處理5 d時(shí)有明顯提高，KH2PO4溶液處理、CaCl2溶液處理的凈光合速率顯著高于CK，分別比CK高10．43 μmol/（m2·s）和5．68 μmol/（m2·s），說明噴施不同化學(xué)制劑能夠促進(jìn)水稻葉片在遭受高溫脅迫傷害后快速恢復(fù)光合機(jī)能。不同化學(xué)制劑之間比較，KH2PO4溶液處理的葉片受高溫脅迫的影響小、光合速率高。

從圖5可見，高溫脅迫處理5 d，KH2PO4溶液處理、CaCl2溶液處理的水稻劍葉蒸騰速率（Tr）顯著高于CK，分別比CK高16．99 mmol/（m2·s）和12．45 mmol/（m2·s）；在高溫處理結(jié)束后恢復(fù)5 d，各處理的 Tr皆有提高，KH2PO4溶液處理、CaCl2溶液處理葉片Tr仍顯著高于CK，分別比CK高15．45 mmol/（m2·s）和15．91 mmol/（m2·s）?？梢姡瑖娛┎煌瘜W(xué)制劑可以提高高溫脅迫時(shí)和恢復(fù)后葉片的Tr，降低葉片溫度，提高水稻葉片的耐高溫能力，KH2PO4溶液處理效果更顯著。

2.3 高溫脅迫下不同化學(xué)制劑對(duì)水稻植株氮素含量的影響

圖6 不同處理對(duì)水稻植株氮含量的影響

圖7 不同處理對(duì)水稻植株可溶性糖含量的影響

氮是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、氨基酸、酰胺、核酸、輔酶、葉綠素等的組成元素，其含量可以指征植物的生理代謝活性[20]。高溫脅迫顯著影響了水稻植株氮代謝過程。從圖6可以看出，不管是在高溫處理后還是在恢復(fù)期，CK葉片和莖稈的氮含量都顯著低于KH2PO4溶液處理和CaCl2溶液處理，表明高溫脅迫嚴(yán)重抑制了水稻的氮素代謝活性，噴施不同化學(xué)制劑可以顯著促進(jìn)水稻植株的氮代謝。在高溫處理5 d后，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻葉片和莖稈的氮含量顯著高于CK，葉片氮含量分別比CK高13.59%和11.96%，莖稈氮含量分別比CK高21.11%和14.44%，表明噴施化學(xué)制劑可以顯著提高高溫脅迫條件下水稻的氮素積累，減緩氮素的分解，植株生理活性高。在恢復(fù)5 d后，水稻葉片和莖稈的氮含量仍高于CK，說明噴施化學(xué)制劑可以促進(jìn)恢復(fù)期水稻植株的氮素吸收與蛋白質(zhì)的合成，提高植株的氮素代謝能力。在成熟期，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻葉片和莖稈中的氮含量仍顯著高于CK，葉片氮素含量分別比CK高58.99%和40.29%，莖稈氮含量分別比CK高44.23%和42.31%，這表明在成熟期CK植株中葉片和莖稈的含氮物質(zhì)大量分解代謝，植株衰老嚴(yán)重，而KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻葉片和莖稈仍然保持一定的生理活性，保證了稻穗正常的落黃和成熟?？傮w而言，KH2PO4溶液處理對(duì)促進(jìn)高溫脅迫下水稻氮代謝的能力高于CaCl2溶液處理。

2.4 高溫脅迫下不同化學(xué)制劑對(duì)水稻植株可溶性糖含量的影響

植物組織中的可溶性糖主要包括葡萄糖、果糖（單糖）和蔗糖（雙糖），是光合作用碳反應(yīng)的主要產(chǎn)物，還是植物體內(nèi)碳水化合物轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏和再利用的主要形式[20]。噴施不同化學(xué)制劑同樣影響了高溫脅迫下水稻的碳代謝。由圖7可知，在高溫處理5 d后，KH2PO4溶液處理顯著提高了水稻葉片和莖稈的可溶性糖含量，分別比CK高24.40 μg/g 和 108.51 μg/g，葉片光合性能高，并且轉(zhuǎn)運(yùn)效率高，莖稈中貯藏的可溶性糖含量高，CaCl2溶液處理與CK處理無顯著差異。在恢復(fù)5 d后，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的葉片可溶性糖含量分別比CK高 191.50 μg/g 和 105.87 μg/g，差異顯著，表明這 2 種化學(xué)制劑均促進(jìn)了水稻植株在高溫?zé)岷蟮幕謴?fù)，葉片光合碳代謝旺盛；KH2PO4溶液處理莖稈可溶性糖含量顯著高于CK，而CaCl2溶液處理與CK無顯著差異，這表明CaCl2溶液處理葉片輸出的光合產(chǎn)物較KH2PO4處理少。在成熟期，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的葉片和莖稈可溶性糖含量顯著高于CK，說明KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理水稻葉片在生育末期仍保持較高的光合活性，保證了水稻后期籽粒灌漿的需要。從植株碳代謝的角度分析，KH2PO4溶液處理對(duì)提高水稻抗高溫能力的促進(jìn)作用大于CaCl2溶液處理。

2.5 高溫脅迫下不同化學(xué)制劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

從表1可見，不同處理之間水稻千粒重?zé)o顯著差異，但穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率處理之間差異顯著。KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的穗粒數(shù)分別比CK多21.00粒和18.66粒，結(jié)實(shí)率分別比CK高10.83%和5.90%，差異均顯著。穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率的改變影響了水稻的穗粒重，KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的穗粒重分別比CK高0.44 g和0.36 g，3個(gè)處理間差異達(dá)顯著水平。這說明，高溫脅迫下噴施不同化學(xué)制劑，水稻產(chǎn)量的提高主要是因?yàn)樗肓?shù)和結(jié)實(shí)率的提高，KH2PO4溶液處理對(duì)產(chǎn)量的促進(jìn)作用大于CaCl2溶液處理。

3 討論

大量研究表明，高溫脅迫可以抑制水稻的光合作用、加速葉片衰老、降低水稻結(jié)實(shí)率和千粒重，致使水稻減產(chǎn)[3-13，16-17]。本研究表明，高溫脅迫下，水稻葉片Pn和Tr顯著降低，植株干物質(zhì)積累量和向籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)量、葉片和莖稈中氮素含量和可溶性糖含量顯著減少，穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率顯著降低，導(dǎo)致水稻減產(chǎn)顯著。噴施外源化學(xué)制劑后，水稻植株氮素含量和可溶性糖含量顯著上升，表明水稻的碳氮代謝活躍，受高溫脅迫抑制作用小。蛋白氮是植物組織氮素的主要來源，葉片中的蛋白質(zhì)主要由酶蛋白組成，Rubisco是葉片蛋白質(zhì)的主要組成成分，直接參與光合作用的調(diào)控[20]。本試驗(yàn)中，KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻葉片氮素含量顯著上升，葉片氮素代謝活躍，葉片中參與光合作用的酶類含量高，與2個(gè)處理水稻葉片光合速率顯著高于CK相互驗(yàn)證。植物的可溶性糖主要來源于光合作用，KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的葉片和莖稈可溶性糖含量顯著高于CK，也是光合作用增強(qiáng)的直接結(jié)果，同時(shí)，可溶性糖還是淀粉、纖維素等多糖合成以及呼吸作用的底物，其含量的增加直接促進(jìn)了植株干物質(zhì)積累和籽粒千粒重的增加，提高了產(chǎn)量。滲透調(diào)節(jié)是植物應(yīng)對(duì)逆境的重要生理機(jī)制，可溶性糖與蛋白質(zhì)、游離脯氨酸等是主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[20]。本研究結(jié)果表明，KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻葉片氮素和可溶性糖含量高，說明葉片細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，對(duì)高溫脅迫的抵抗能力強(qiáng)，同時(shí)，高溫脅迫下噴外源制劑處理葉片的蒸騰速率顯著提高，水分蒸散消耗的熱量增加，降低了葉片溫度，減輕了高溫脅迫對(duì)葉片的損傷，也驗(yàn)證了前人的研究結(jié)果[7-8，13]。所以，植株碳氮代謝旺盛、光合作用強(qiáng)、受高溫脅迫損傷小，是KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理水稻干物質(zhì)積累增加、產(chǎn)量提高的主要原因。

表1 不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

K是植物必需的三大元素之一，直接參與植物的各項(xiàng)生理活動(dòng)。K既可以調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動(dòng)，改變?nèi)~片的蒸騰速率和光合速率，又可以參與滲透調(diào)節(jié)，維護(hù)細(xì)胞的正常功能，還可以促進(jìn)光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化和運(yùn)輸，維持植物良好的庫源關(guān)系[20-22]。Ca主要以結(jié)合態(tài)存在于植物的細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)中，其對(duì)植物的調(diào)節(jié)作用主要通過與受體蛋白CaM形成的鈣信使系統(tǒng)進(jìn)行[20，23]，這可能是本試驗(yàn)中KH2PO4溶液處理調(diào)控效果優(yōu)于CaCl2溶液處理的原因。本試驗(yàn)是在人工控制下采用盆栽試驗(yàn)得出的結(jié)果，需要大田試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

在高溫脅迫下和高溫結(jié)束后的恢復(fù)過程中，噴施22.04 mmol/L KH2PO4溶液和20.00 mmol/L CaCl2溶液均能提高水稻葉片和莖稈的干物質(zhì)積累量、含氮量和可溶性糖含量、葉片的Pn和Tr，植株受高溫脅迫損傷小，光合速率高，碳氮代謝活躍；噴施2種化學(xué)制劑均能提高水稻的穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，提高水稻產(chǎn)量。噴施22.04 mmol/L KH2PO4溶液提高水稻抗高溫?zé)岷Φ哪芰糜?0.00 mmol/L CaCl2溶液。