花期低溫對水稻葉鞘生理及結實率的影響

項洪濤，梁曉艷，鄭殿峰，李 琬，王彤彤，王 暢，王立志，李 冰，齊德強

(1. 黑龍江省農業(yè)科學院博士后工作站，黑龍江 哈爾濱150086； 2. 黑龍江省農業(yè)科學院耕作栽培研究所，黑龍江 哈爾濱150086；3.黑龍江八一農墾大學農學院，黑龍江 大慶163319)

水稻起源于熱帶，是世界第二大農作物，全球超過50%的人口以大米為主食[1]。水稻是喜溫作物，從熱帶、亞熱帶到溫帶、甚至是寒冷地區(qū)都有種植[2]。水稻生長對水分、光照等氣象條件具有一定的要求，尤其對溫度條件非常敏感[3]。在全球氣候變暖的背景下，極端天氣事件出現(xiàn)的頻率發(fā)生變化，呈現(xiàn)出增多增強的趨勢[4]，近年來我國東北地區(qū)夏季頻繁發(fā)生低溫，對農業(yè)生產造成很大影響。與其他禾本科作物不同，水稻更容易受到低溫傷害，營養(yǎng)生長階段可推遲各生育時期并延遲抽穗[5]，生殖生長過程中能引起花粉不育、降低結實率并嚴重減產[6]，低溫對水稻生產的影響一直是水稻氣象研究的重點問題[4]。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗設計

1.2 測定項目與方法

1.2.1 取樣 處理期間，對掛簽標記稻穗的劍葉葉鞘進行取樣，每天上午10∶30取樣一次，連續(xù)取樣5次，取樣后迅速置入液氮中，之后放在-80℃冰箱中保存，供生理指標測定使用。低溫處理后每天移至室外12盆，直至成熟，供結實率調查使用。

1.2.2 測定指標及方法 水稻花粉活力：取有代表性的掛簽標識稻穗的穎花6朵，每個穎花取3個花藥，將花藥用I2-KI溶液染色后，觀察3個視野的染色情況，計算花粉活力；結實率采用人工調查法；SOD、POD、CAT的酶活性及MDA含量按照李合生等[14]的方法；可溶性蛋白含量的測定采用考馬斯亮藍G-250染色法[14]；可溶性糖含量測定采用硫酸蒽酮比色法[15]；脯氨酸含量測定采用茚三酮比色法[15]；相對電導率測定采用張憲政[15]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗所有數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010和SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 開花期低溫對水稻生殖生長的影響

2.1.1 開花期低溫對水稻花粉活力的影響 由表1可知，開花期低溫處理后，水稻的花粉活力發(fā)生明顯變化。低溫處理后，LJ 11從2 d到5 d花粉活力下降的百分比率分別是16.10%、33.79%、45.68%和60.34%；而LD5分別是8.21%、15.30%、18.27%和25.04%，可以看出相同低溫處理時間，LD5的花粉活力下降幅度低于LJ11，表明低溫對LD5的影響小于LJ11。方差分析結果表明：處理1 d時，LJ 11和LD 5的花粉活力變化不顯著；處理2 d開始， 2個水稻品種花粉活力都極顯著降低。

2.1.2 開花期低溫對水稻結實率的影響 由表2可知，開花期低溫處理對水稻結實率的影響因水稻的耐冷性不同而存在差異。低溫處理1 d到5 d，LJ11結實率下降的百分比率分別是4.88%、18.10%、24.39%、36.55%和49.66%；而LD5分別是0.03%、0.03%、0.06%、0.15%和0.19%，可以看出相同低溫處理時間，LD5的結實率下降幅度低于LJ11。方差分析表明：LJ 11處理1 d時，結實率即發(fā)生極顯著降低。LD 5經(jīng)低溫處理2 d內，其結實率變化差異不顯著；處理3 d時結實率顯著降低；處理4 d開始，結實率達極顯著降低的差異水平。

2.2 開花期低溫對水稻葉鞘細胞膜抗性的影響

2.2.1 開花期低溫對水稻葉鞘MDA含量的影響 由圖1可知，開花期低溫處理后，水稻葉鞘內MDA含量變化較大，隨著處理時間變長，MDA含量隨之增高，同時可以看出耐冷品種LD 5的MDA含量低于冷敏品種LJ 11。LJ 11的MDA含量呈先增加后降低的變化趨勢，處理4 d時含量最高，較CK高83.12%，處理5 d時含量開始下降，較第4天降低了7.09%；方差分析結果表明處理2 d內，MDA含量顯著提高，處理3 d開始MDA含量極顯著提高。LD 5的MDA含量整體呈增加的變化規(guī)律，處理4 d和5 d時含量相同，較第1天高68.3%，處理5 d時含量較CK高90.57%；經(jīng)方差分析可知，處理2 d時MDA含量顯著增加，處理3 d開始，MDA含量極顯著增加。

表1 開花期低溫對水稻花粉活力的影響/%

注：平均數(shù)后的誤差為標準差。采用新復極差法進行多重比較，同列不同小寫字母表示處理間0.05水平差異顯著，不同大寫字母表示處理間0.01水平差異顯著。下同。

Note：Errors following the mean values are standard error. Treatment means were separated using Duncan’s multiple range test. Different lowercases and capital letters in the same column indicate significant differences at 0.05 and 0.01 levels, respectively. The same below.

表2 開花期低溫對水稻結實率的影響/%

2.2.2 開花期低溫對水稻葉鞘脯氨酸含量的影響 由圖2可知，低溫處理能夠影響水稻葉鞘中脯氨酸含量，不同品種間差異較大。耐冷品種LD 5的脯氨酸含量高于冷敏品種LJ 11，同時其變化幅度也高于LJ 11。LJ 11脯氨酸含量上升速率較慢，處理5 d與處理1 d相比較，其脯氨酸含量僅提高3.99%，處理第5天時，較CK相比脯氨酸增加25.06%；而LD 5的脯氨酸含量增加速率較快，處理5 d與處理1 d相比較，脯氨酸含量增加了35.76%，處理第5天時，脯氨酸含量較CK增加84.85%。方差分析結果表明，低溫處理1 d開始，2個水稻品種葉鞘中脯氨酸含量就極顯著增加。

2.2.3 開花期低溫對水稻葉鞘相對電導率的影響 從圖3可以看出，低溫能夠提高水稻葉鞘相對電導率，冷敏品種的變化幅度高于耐冷品種。經(jīng)過方差分析可知，低溫處理1 d后，2個水稻品種葉鞘相對電導率都顯著或極顯著增加。隨著低溫處理時間持續(xù)，冷敏品種LJ 11的相對電導率迅速升高，處理5 d與處理1 d相比較，其相對電導率提高了20.22%；而耐冷品種LD 5的相對電導率僅提高了5.42%。整體來看，耐冷品種的相對電導率低于冷敏品種。

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注：圖中小寫字母表示不同處理內0.05水平差異顯著，大寫字母表示處理內0.01水平差異顯著，下同。Note：Different lowercases and capital letters within the same column indicate significant differences at 0.05 and 0.01 levels among treatments, respectively. The same below.圖1 開花期低溫對水稻葉鞘丙二醛(MDA)含量的影響Fig.1 Effects of low temperature during flowering stage on MDA content in rice leaf sheath

圖2 開花期低溫對水稻葉鞘脯氨酸含量的影響Fig.2 Effects of low temperature during flowering stage on proline content in rice leaf sheath

2.3 開花期低溫對水稻葉鞘抗氧化系統(tǒng)酶活性的影響

2.3.1 開花期低溫對水稻葉鞘SOD活性的影響 由圖4可知，經(jīng)低溫處理后，水稻葉鞘的SOD活性先升高后降低。LJ 11在處理4 d時達到最高，與CK相比，其活性提高了9.23%；LD 5在處理3 d時達到最高，其活性較CK提高了14.90%。方差分析結果表明， LJ 11在處理3 d時，SOD酶活性顯著高于CK，其它取樣時期差異不顯著； LD 5處理2 d內，SOD酶活性顯著高于CK，處理3 d時，SOD酶活性極顯著高于CK，到了第4天和第5天時，TR和CK之間沒有顯著差異。

2.3.2 開花期低溫對水稻葉鞘POD活性的影響 由圖5可知，低溫處理后，水稻葉鞘POD活性變化規(guī)律呈單峰曲線。LJ 11處理1 d后，POD活性明顯提高，比CK高出49.18%，處理第3天時，POD活性達到最大值，與CK相比提高了86.26%，處理第5天時，POD活性降到最低，但仍較CK高出19.47%；方差分析結果表明低溫4 d時，LJ 11處理的POD活性顯著高于CK，其他取樣時間，低溫處理的POD活性極顯著高于CK。LD5經(jīng)低溫處理后，葉鞘內的POD活性變化規(guī)律同LJ11相同，都是第3天達到最高值，此時處理的POD活性較CK高出68.71%，而后POD活性下降，處理第5天時POD活性降到最低，此時處理的POD活性較CK高出32.14%;方差分析結果表明低溫處理后，LD5葉鞘的POD活性極顯著高于CK。

2.3.3 開花期低溫對水稻葉鞘CAT活性的影響 由圖6可知，低溫處理后水稻葉鞘內的CAT活性與CK相比呈增加的變化趨勢。LJ 11的CAT活性在處理3 d時達到最大值，與CK相比，CAT活性提高17.73%，處理4 d后，CAT活性開始下降；方差分析結果表明低溫1 d到5 d，處理均可極顯著提高CAT活性。LD 5經(jīng)低溫處理1 d時，CAT活性增加，經(jīng)方差分析可知差異達到顯著水平，處理2 d時，CAT活性迅速上升，較處理1 d時，活性增加了18.14%，處理2～5 d之間，葉鞘的CAT活性變化較小。方差分析結果表明，2個品種處理2～5 d的CAT活性都極顯著高于CK。整體來看，耐冷品種的CAT活性高于冷敏品種，并且低溫處理后，耐冷品種CAT活性上升較早、較快，而且比較穩(wěn)定。

圖3 開花期低溫對水稻葉鞘相對電導率的影響Fig.3 Effects of low temperature during flowering stage on relative conductivity in rice leaf sheath

圖4 開花期低溫對水稻葉鞘SOD活性的影響Fig.4 Effects of low temperature during flowering stage on SOD activity in rice leaf sheath

圖5 開花期低溫對水稻葉鞘POD活性的影響Fig.5 Effects of low temperature during flowering stage on POD activity in rice leaf sheath

圖6 開花期低溫對水稻葉鞘CAT活性的影響Fig.6 Effects of low temperature during flowering stage on CAT activity in rice leaf sheath

2.4 開花期低溫對水稻葉鞘可溶性糖和可溶性蛋白含量的影響

2.4.1 開花期低溫對水稻葉鞘可溶性糖的影響 從圖7可以看出，低溫對水稻葉鞘可溶性糖含量具有一定影響，可溶性糖含量呈先增加后降低的變化趨勢。LJ 11的可溶性糖含量在處理3 d時達最大值，較CK增加了34.06%，方差分析結果表明此時處理的可溶性糖含量極顯著高于CK，而其他4個取樣時期處理和CK之間無顯著性差異。LD 5經(jīng)低溫處理后，可溶性糖含量先增加后降低，處理1 d時，上升幅度較小，處理2～4 d間，可溶性糖含量上升比例較大，并維持在同一較高范圍內，處理第5天開始下降。經(jīng)過方差分析可知，除處理第5天時，TR和CK之間差異不顯著，其他時期都達到極顯著的差異水平。這與可溶性糖能提高作物抗逆性的特性有關。

2.4.2 開花期低溫對水稻葉鞘可溶性蛋白的影響 圖8表明低溫能提高水稻葉鞘內可溶性蛋白含量，隨著處理時間延長，可溶性糖含量整體呈上升的規(guī)律。低溫處理1 d時，2個水稻品種的上升幅度都較小，方差分析結果表明差異不顯著。LJ 11從處理2 d開始，可溶性蛋白含量上升幅度較大，2～5 d分別較CK增加了9.92%、21.00%、25.45%和25.82%；方差分析結果表明處理2～5 d，低溫處理的可溶性蛋白含量都極顯著高于CK。LD 5從處理2 d開始，可溶性蛋白上升幅度開始增大，2～5 d分別較CK增加了11.27%、19.00%、22.71%和23.63%；方差分析結果表明，處理2 d時，低溫處理的可溶性蛋白含量顯著高于CK；低溫第3天開始，處理的可溶性蛋白含量極顯著高于CK。整體來看，無論是室外CK還是室內低溫處理，耐冷品種LD 5的可溶性蛋白含量都高于冷敏品種LJ 11，這與其耐冷的特性相關。

圖7 開花期低溫對水稻葉鞘可溶性糖含量的影響Fig.7 Effects of low temperature during flowering stage on soluble sugar content in rice leaf sheath

圖8 開花期低溫對水稻葉鞘可溶性蛋白含量的影響Fig.8 Effects of low temperature during flowering stage on soluble protein content in rice leaf sheath

3 討 論

3.1 開花期低溫對水稻生殖生長的影響

溫度能限制農業(yè)生產發(fā)展[16]，是影響水稻生長發(fā)育的關鍵氣象因素之一[17]，在生育期遭受低溫，可引起植物體內生理代謝發(fā)生變化[18]。同種作物的不同品種間耐冷性存在很大區(qū)別[19]，同品種不同低溫持續(xù)時間和低溫強度對作物結實率的影響也完全不同[20]。如水稻生殖生長過程遇到低溫，可導致發(fā)生障礙型冷害，引起幼穗分化生理機能發(fā)生紊亂，生殖生長活動受阻，結實率下降[21]。葉昌榮等[22]研究指出水稻孕穗期受到低溫冷害后，花藥縮小，花藥內可育花粉數(shù)量減少，不育花粉數(shù)量增多，結實率下降。鄧化冰[11]等研究開花期低溫對水稻的影響，指出開花期低溫脅迫使得水稻代謝過程遭到破壞，降低了花粉的生活力和可育性，導致水稻花粉萌發(fā)率顯著降低，最終造成結實率下降。本研究結果與上述結論一致，開花期低溫降低了水稻的花粉活力以及結實率，隨著低溫時間的延長，花粉活力降低越大；但不同品種之間存在明顯的差異，耐冷品種LD 5和冷敏品種LJ 11對低溫的應答不同，LD 5下降的速率較慢，受到的傷害程度也相對較輕，這與趙國珍等[23]的觀點相同，他們指出冷脅迫可使水稻結實率顯著降低，造成不同程度減產，但不同品種間存在較大差異。

3.2 開花期低溫對水稻葉鞘生理性狀的影響

多數(shù)研究表明低溫影響作物逆境生理指標，比如可溶性物質含量[12]、活性氧類物質含量[24]，膜透性物質含量[13]、抗氧化酶系統(tǒng)[25]等，在對水稻的研究過程中，多數(shù)研究都集中在根系和葉片，對葉鞘的研究較少。此外，研究的受害時期以孕穗期居多，研究開花期的較少。本研究結果表明，開花期低溫能夠顯著影響水稻葉鞘的生理性狀。

3.2.1 開花期低溫影響水稻葉鞘細胞膜抗性 本研究結果表明水稻開花期低溫處理能夠提高葉鞘內MDA含量，脯氨酸含量以及相對電導率。隨著低溫處理時間的延長，葉鞘內的MDA含量、脯氨酸含量以及相對電導率都呈逐漸增高的趨勢，這與鄧化冰等[11]對水稻葉片的研究結果相似，其指出低溫導致水稻葉片MDA含量和相對電導率顯著增加，說明低溫降低了植物體防御活性氧的酶促和非酶促保護系統(tǒng)能力，提高了自由基濃度，加劇了膜脂過氧化，導致膜結構破壞，質膜透性加大，電解質外滲，從而影響了葉片的生理生化機能，同時也指出耐冷品種能夠相對保持較低的MDA和膜透性，使其膜結構及功能保持相對穩(wěn)定，從而減輕了低溫對水稻的傷害。另外，本研究結果還表明不同耐冷性水稻品種之間的差異較大，耐冷品種的脯氨酸含量高于冷敏品種，而MDA含量和相對電導率則低于冷敏品種，這些現(xiàn)象可能都是水稻葉鞘對低溫抵御的反應。

3.2.2 開花期低溫影響水稻葉鞘保護酶活性 鄧化冰等研究指出開花期低溫脅迫可導致水稻膜脂過氧化物含量迅速上升，隨之體內的保護酶活性也產生變化，SOD、POD、CAT的活性呈先上升后降低的變化趨勢[24]，保護酶維持較高的活性以盡量保護植株，減少低溫帶來的傷害。

本研究結果表明水稻開花期低溫處理能夠影響葉鞘保護酶活性，SOD、POD、CAT的活性呈先上升后降低的變化趨勢。其中LD 5的SOD活性總體表現(xiàn)出顯著或極顯著提高(1～4 d)，隨著處理時間增長，到處理5 d時，其活性與CK之間差異不顯著；而LJ 11的SOD活性僅在處理第3天時與CK之間差異顯著，隨后活性開始降低。LJ 11和LD 5的POD活性，從處理第1天開始就極顯著提高，在處理第3天時達到最大值，隨后開始下降。處理3 d是一個水稻葉鞘POD活性改變的臨界時間，其開始下降就意味著低溫造成不可逆的傷害。就CAT活性來看，LJ 11響應迅速，自處理開始就極顯著提高；而LD 5則是處理第2天才開始極顯著提高。整體來看，低溫可以導致水稻葉鞘SOD、POD、CAT活性提高，但不同品種之間存在明顯差別，耐冷品種高于冷敏品種，耐冷品種SOD和CAT活性維持較高水平時間持續(xù)較長，這可能是其之所以耐冷的一個主要原因。李春燕等[26]指出低溫處理一段時間后，保護酶活性表現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢，這與本研究的結果一致，同時李春燕等[26]也表明這種持續(xù)下降的現(xiàn)象是由于低溫對作物造成了不可恢復的傷害。就本研究結果而言，耐冷品種處理前期(1～2 d)SOD活性上升較快，中期(2～4 d)POD活性較高，后期(4～5 d)CAT活性較高，這也充分證明了SOD、POD和CAT三者協(xié)同作用可抵抗逆境傷害的觀點。

3.2.3 開花期低溫提高水稻葉鞘可溶性糖和可溶性蛋白含量 逆境條件下，植物為了減緩由脅迫造成的生理代謝不平衡，在細胞內大量累積一些小分子有機化合物，通過滲透調節(jié)來降低水勢，以維持較高的滲透壓，保證細胞的正常生理功能[27]?？扇苄蕴呛涂扇苄缘鞍踪|是低溫誘導的小分子溶質，這些物質可以參與滲透調節(jié)，并可能在維持植物蛋白質穩(wěn)定方面起到重要作用[27]。低溫脅迫下可溶性糖和可溶性蛋白在植物體內會大量積累，可溶性糖通過某些糖代謝途徑形成保護性物質，提高植物抵抗低溫的能力[13]。本研究結果表明，低溫導致水稻葉鞘內可溶性物質含量增加，耐冷品種的可溶性糖和可溶性蛋白含量均高于冷敏品種，這與相關研究結果相似，劉祖琪等[28]表明抗寒性強的植物體內的可溶性糖含量也相對較高。

4 結 論

1)開花期低溫影響水稻生殖生長，可導致水稻花粉活力降低，同時還引起結實率降低；低溫時間越長，受害程度越大，花粉活力和結實率降低的幅度越大。

2)開花期低溫脅迫使得水稻葉鞘的生理性狀發(fā)生改變，引起葉鞘MDA含量、脯氨酸含量和相對電導率等膜透性指標顯著提高；同時低溫誘導保護系統(tǒng)開啟，葉鞘內SOD、POD、CAT活性都發(fā)生相應變化，3種保護酶協(xié)同作用清除過剩的自由基，防御或減緩低溫的傷害；低溫處理后，葉鞘內的可溶性糖和可溶性蛋白含量在一定時間內迅速增加，提高了水稻葉鞘抵御低溫的能力。

3)開花期低溫處理后，耐冷品種比冷敏品種的花粉活力和結實率要高；耐冷品種的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量高于冷敏品種，而MDA含量和相對電導率低于冷敏品種；耐冷品種的保護酶活性也高于冷敏品種。