水稻脆莖突變體細(xì)胞壁組分與莖稈力學(xué)性能的研究

汪清焰，劉斌美，楊 陽，葉亞峰，任 艷，吳躍進(jìn)

(1. 中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 技術(shù)生物與農(nóng)業(yè)工程研究所，合肥 230031；2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026)

脆莖突變是指植物在生長過程中其莖稈脆性增加的一種突變類型，其中以水稻的脆莖突變較為經(jīng)典。脆莖突變對水稻有諸多優(yōu)勢，首先脆莖突變會使水稻莖稈變脆易于破碎還田，減少農(nóng)民因秸稈不易處置而直接就地焚燒的現(xiàn)象發(fā)生；其次是脆莖突變使得水稻莖稈纖維素相對含量降低，半纖維素和木質(zhì)素相對含量升高，水稻莖稈的營養(yǎng)成分結(jié)構(gòu)因此發(fā)生改變，從而有望成為一種適合反芻動物食用的新型飼料來源[1-2]；此外，脆莖突變能調(diào)控水稻的株高和莖粗壁厚，而水稻倒伏現(xiàn)象的發(fā)生主要與水稻的株高、節(jié)間長、莖粗以及壁厚等性狀有關(guān)[3-4]，這些性狀的差異使得水稻莖稈的抗折力、機(jī)械強(qiáng)度等力學(xué)性能發(fā)生一定的改變[5-6]，從而實(shí)現(xiàn)脆而不倒。將脆莖突變體水稻培育成谷稈兩用的經(jīng)濟(jì)型作物，實(shí)現(xiàn)資源高效利用，對于綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義[7]。如何有針對性的選育脆莖突變體水稻，是本研究的研究目標(biāo)。

本研究圍繞粳稻品種武運(yùn)粳7號(野生型)以及重離子輻照背景下篩選的11個脆莖突變體材料開展研究，分析脆莖突變體材料相對其野生型在農(nóng)藝性狀、莖稈細(xì)胞壁成分、相關(guān)力學(xué)性能等方面的差異，以期為進(jìn)一步解析脆莖突變體的脆性機(jī)制提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

重離子輻照篩選得到的武運(yùn)粳水稻脆莖突變體品種(wyj1、wyj2、wyj3、wyj4、wyj5、wyj6、wyj7、wyj8、wyj9、wyj10和wyj11)以及其野生型親本(wyjCK)，材料均種植于中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院技術(shù)生物與農(nóng)業(yè)工程研究所分子育種實(shí)驗(yàn)基地(117°9′E，31°54′N)。

1.2 方法

1.2.1 農(nóng)藝性狀考察

從田間取回所需的水稻材料，每種材料取5株，考察株高、有效穗數(shù)、平均穗長、千粒重以及結(jié)實(shí)率[8]。

1.2.2 折斷試驗(yàn)

將新鮮水稻材料莖鞘分離，徒手對莖稈進(jìn)行折斷處理，觀察莖稈斷裂情況。

1.2.3 細(xì)胞壁成分測定

將水稻莖鞘分離，并將莖稈在105 ℃殺青2 h后轉(zhuǎn)至80 ℃烘6 h至絕干，再用旋風(fēng)磨粉機(jī)磨成過40目篩的粉末，然后用范式(Van Soest)洗滌法[9]測定水稻莖稈細(xì)胞壁的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及灰分的相對含量。

1.2.4 莖稈力學(xué)性能測定

采用楊惠杰等[10]的方法，選取新鮮水稻莖稈中間段各10份，放置相距6 cm的支架上，用數(shù)顯式拉壓力計將莖稈壓至斷裂，記錄下拉壓力計上力的峰值，即為莖稈的抗折力。

將新鮮水稻莖鞘分離，并將莖稈夾持在萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，啟動萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸力的測定，并計算拉應(yīng)力(拉伸力與截面積之比)。

1.2.5 莖稈彎曲強(qiáng)度計算

為了將莖稈抗折力與莖稈的直徑和壁厚兩個因素聯(lián)系起來，來表現(xiàn)單位橫截面積下不同品種所受力的大小，采用如下公式計算莖稈的彎曲強(qiáng)度[11]，測定原理示意圖見圖1:

圖1 水稻莖稈抗折力測定原理圖

其中：Mmax為B點(diǎn)的最大彎矩，N·m；Wz為水稻莖稈的截面系數(shù)；FA為支撐點(diǎn)A所承受的力，N；F為O點(diǎn)承受的力，即莖稈的抗折力，N；L為支撐點(diǎn)A、B之間的距離，mm；a為支撐點(diǎn)A與O點(diǎn)的距離，mm；D分別為水稻莖稈的外徑，mm；α為水稻莖稈內(nèi)外徑之比。

1.2.6 分析方法

采用SAS 8.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 成熟期水稻表型觀察及農(nóng)藝性狀

從圖2和表1可以看出，突變體材料的株高范圍在66.73 ～92.59 cm，低于野生型水稻的94.91 cm；突變體和野生型水稻的有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重以及平均穗長沒有明顯大小關(guān)系，各品種之間互有差異，可以根據(jù)生產(chǎn)需要來選育所需的突變體材料。

各圖左側(cè)植株均為野生型(wyjCK)，右側(cè)植株分別為(A)wyj1、(B) wyj2、(C) wyj3、(D) wyj4、(E) wyj5、(F) wyj6、(G) wyj7、(H)wyj8、(I) wyj9、(J) wyj10、(K) wyj11和(L)wyjCK

圖2野生型和脆莖突變體水稻植株株高比較

Figure 2 Comparison of the plant height of wild-type and brittle mutants

2.2 水稻莖稈折斷情況

由圖3可以看出，野生型水稻(A)的莖稈只有折痕而沒有斷裂，而其他幾個脆莖突變體材料(B～L)則呈現(xiàn)不同的斷裂狀態(tài)，可知脆莖突變體水稻更加容易折斷，突變體水稻的莖稈脆性大于野生型水稻。

各品種依次為野生型(A)wyjCK和11種脆莖突變體(B)wyj1、(C) wyj2、(D) wyj3、(E) wyj4、(F) wyj5、(G) wyj6、(H) wyj7、(I)wyj8、(J) wyj9、(K) wyj10和(L) wyj11

圖3水稻野生型和脆莖突變體莖稈折斷情況

Figure 3 The broken stems of wild-type and brittle mutants

2.3 成熟期水稻莖稈抗折性能與莖稈成分

從表2可以看出，突變體材料莖稈纖維素相對含量范圍為16.99%～24.46%，低于野生型水稻的25.60%，半纖維素相對含量(19.40%～25.24%)高于野生型水稻(15.68%)，木質(zhì)素和灰分則有不同程度的差異，并且野生型水稻莖稈抗折力和彎曲強(qiáng)度明顯比突變體材料大。

表1‘武運(yùn)粳7號’野生型與其脆莖突變體的農(nóng)藝性狀對比

注：同列帶有不同字母的數(shù)值具有顯著差異(P<0.05)；下同

表2 野生型和脆莖突變體水稻莖稈成分和力學(xué)性能

圖4水稻莖稈成分含量與彎曲強(qiáng)度的關(guān)系

Figure 4 Relationship between stem components and bending strength

圖4表明：彎曲強(qiáng)度與莖稈細(xì)胞壁中的纖維素相對含量呈顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R=0.9342，與半纖維素、木質(zhì)素和灰分的相對含量沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。這說明隨著水稻莖稈細(xì)胞壁纖維素相對含量減少，其莖稈的彎曲強(qiáng)度也減小，莖稈變得更脆。

圖5表示的是水稻莖稈各節(jié)間拉應(yīng)力與纖維素含量的線性關(guān)系。從圖5可以看出，水稻莖稈各節(jié)間均與纖維素含量呈較明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為R1=0.8475，R2=0.9212，R3=0.8791，R4=0.9203；這也證明了莖稈細(xì)胞壁組分中的纖維素含量在一定程度上決定著莖稈力學(xué)性能的強(qiáng)弱。

圖6表示的是水稻莖稈經(jīng)過范式法洗滌之后不溶性物質(zhì)(纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和灰分)和可溶性物質(zhì)所占比例之和。可以看出野生型水稻莖稈中不溶性物質(zhì)的含量(49.33%)比突變體水稻低(50.05%～57.87%)，剩余部分則是莖稈中的可溶性物質(zhì)(包括脂肪、淀粉和可溶性糖等物質(zhì))，可知野生型水稻莖稈中可溶性物質(zhì)的含量(50.67%)比突變體水稻(42.13%～49.95%)高，而野生型水稻的力學(xué)性能比突變體材料好，這意味著莖稈力學(xué)性能與莖稈中填充的可溶性物質(zhì)有一定的關(guān)系[12]。

D1、D2、D3、D4分別為水稻莖稈的倒一節(jié)、倒二節(jié)、倒三節(jié)和倒四節(jié)

圖5莖稈拉應(yīng)力與纖維素含量的關(guān)系

Figure 5 Relationship between stem tensile stress and cellulose content

同一成分帶有不同字母的數(shù)值具有顯著差異(P<0.05)

圖6‘武運(yùn)粳7號’野生型及其脆莖變突體莖桿成分

Figure 6 Stem components in the wild-type and brittle mutants of ‘Wuyunjing 7’

3 討論與結(jié)論

本研究得出了‘武運(yùn)粳7號’突變體材料莖稈變脆與細(xì)胞壁組成成分有關(guān)，將彎曲強(qiáng)度和拉應(yīng)力等力學(xué)性能指標(biāo)與纖維素含量做線性分析，結(jié)果表明莖稈彎曲強(qiáng)度和拉應(yīng)力與其細(xì)胞壁纖維素的相對含量呈顯著正相關(guān)。在細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)中，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等成分起到了維持細(xì)胞形態(tài)的作用，并賦予了一定的力學(xué)性能，其中纖維素是細(xì)胞壁的核心組成部分。對于水稻莖稈來說，纖維素直接影響到整個莖稈的力學(xué)性能，但從細(xì)胞的整體性來考慮，脆稈水稻莖稈力學(xué)強(qiáng)度降低也可能是與莖稈粗纖維含量減少，纖維細(xì)胞壁變薄有關(guān)[13]，而纖維素含量的變化也可能與之有關(guān)。

本研究還發(fā)現(xiàn)野生型水稻莖稈細(xì)胞壁中半纖維素含量要比所有的突變體水稻低，雖然與莖稈的力學(xué)性能沒有明顯的線性關(guān)系，但不意味著半纖維素的含量與莖稈脆性沒有關(guān)系，或許跟半纖維素、木質(zhì)素與纖維素的氫鍵結(jié)合水平程度有關(guān)[14]。此外，用范式法測定莖稈細(xì)胞壁組分的過程中發(fā)現(xiàn)突變體水稻洗滌出來的可溶性物質(zhì)較野生型少，這可能與莖稈的充實(shí)度[15-16](可溶性糖、脂肪以及淀粉等)等其他因素有關(guān)[17]，武運(yùn)粳系列脆莖突變體水稻在整個生育后期表現(xiàn)出較為明顯脆性的機(jī)理還待于進(jìn)一步研究。