不同非生物脅迫對(duì)秈稻9311根生長(zhǎng)的影響

陳昶旭，TCHINGA TCHINGA Jeffree Berchmens，施力銘，陳曉榮，周旭人，查笑君

(浙江師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，浙江 金華 321004)

水稻是人類賴以生存的重要糧食作物之一。水稻非生物脅迫的耐受性是近幾十年研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)之一。非生物脅迫包括干旱脅迫、鹽脅迫、重金屬脅迫、低溫脅迫等。而除了低溫脅迫外，脅迫液濃度一直是脅迫試驗(yàn)前需要考慮的主要因素之一，脅迫液濃度過(guò)低可能達(dá)不到脅迫效果；脅迫液濃度過(guò)高則不能滿足植物的基本生長(zhǎng)條件，引起植物發(fā)生病變甚至死亡從而無(wú)法進(jìn)行后期試驗(yàn)。相對(duì)根長(zhǎng)能反映植株受脅迫的程度，通過(guò)計(jì)算在各種脅迫下水稻苗期的相對(duì)根長(zhǎng)，可比較得出各類脅迫下水稻苗根系承受脅迫的最佳濃度。若水稻苗相對(duì)根長(zhǎng)低于50%，則可判定為脅迫過(guò)度，不利于測(cè)定在該種脅迫下的各類生理指標(biāo)；而若相對(duì)根長(zhǎng)高于50%，可判定脅迫過(guò)小或已產(chǎn)生一定抗性，導(dǎo)致水稻苗不能表現(xiàn)出足夠的脅迫性狀，也會(huì)對(duì)生理生化指標(biāo)的測(cè)定造成誤差。當(dāng)相對(duì)根長(zhǎng)等于50%時(shí)，脅迫程度適中，此時(shí)脅迫濃度可作為最佳脅迫濃度。

目前對(duì)水稻脅迫的研究主要有干旱、鹽、重金屬及有害離子等，脅迫濃度可以為水稻各類脅迫研究提供試驗(yàn)基礎(chǔ)，為開發(fā)水稻的耐旱、耐鹽、抗重金屬或富集能力以及抵御有害離子的能力提供參考，更是為挖掘新型抗性基因的發(fā)現(xiàn)與檢測(cè)提供前期條件。因此，筆者擬用PEG6000模擬干旱環(huán)境，以NaCl作為鹽脅迫，以CuSO4和CdCl2溶液分別模擬重金屬脅迫。當(dāng)相對(duì)根長(zhǎng)為50%時(shí)，脅迫程度適中，此時(shí)的脅迫濃度為最佳脅迫濃度。旨在測(cè)定野生型秈稻9311水稻(OryzasativaL.ssp.Indica)在干旱、重鹽、銅、鎘等非生物脅迫的最佳脅迫濃度，以期為秈稻9311推廣種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用秈稻9311作為試驗(yàn)材料，所用種子均由浙江師范大學(xué)遺傳發(fā)育實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 種子的萌發(fā)及幼苗培育 挑選約600 粒顆粒飽滿的種子，進(jìn)行萌發(fā)處理。先用30% NaClO 溶液將種子表面消毒30 min，再用自來(lái)水沖洗3～4次，然后將種子放入信封袋中置于37℃培養(yǎng)箱中進(jìn)行催芽。待種子露白時(shí)(3 d左右)，再將發(fā)芽的種子插入已標(biāo)記的96孔板中，將其移入光照培養(yǎng)箱內(nèi)水培3～4 d。培養(yǎng)箱培養(yǎng)條件：光照28℃，14 h；黑暗25℃，10 h。催芽及水培期間均需每天換水。

1.2.2 逆境脅迫最佳濃度的確定 取長(zhǎng)勢(shì)較一致的水稻幼苗，根據(jù)表1的不同處理液及濃度處理，不同濃度脅迫液處理的水稻幼苗均分成3組，每組10株。處理24 h后，用直尺測(cè)量處理前后(包括空白對(duì)照組)的初生根長(zhǎng)度。以RER接近50%時(shí)為脅迫最佳濃度。計(jì)算公式：RER=(LT1-LT0)/(Lmock1-Lmock0)×100%

其中，LT1和LT0分別表示脅迫液處理前后的初生根長(zhǎng)度，Lmock1和Lmock0分別表示空白對(duì)照組處理前后的初生根長(zhǎng)度。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行整理和圖表繪制，部分?jǐn)?shù)據(jù)采用SPSS 22.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表1 不同脅迫處理所用試劑及脅迫液濃度梯度

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下水稻的根長(zhǎng)

如圖1所示，在PEG6000的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，脅迫前后水稻幼苗的根伸長(zhǎng)量和相對(duì)根長(zhǎng)最小，而PEG6000在10%與20%的試驗(yàn)組根長(zhǎng)較長(zhǎng)，推測(cè)10%的濃度未達(dá)到脅迫的理想效果，作用不明顯；而在20%濃度下，因脅迫過(guò)高而產(chǎn)生一定抗性，非最佳脅迫濃度。表明，PEG6000在濃度為15%左右時(shí)對(duì)水稻初生根生長(zhǎng)的抑制作用最大，相對(duì)根長(zhǎng)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%附近能夠達(dá)到50%RER(逆境最佳濃度)，但逆境最佳濃度還需要進(jìn)一步在15%左右濃度范圍的對(duì)照試驗(yàn)中驗(yàn)證。

注：圖中柱狀圖上端的“**”“*”符號(hào)分別表示差異達(dá)極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)水平，下同。

圖21 干旱脅迫下水稻根伸長(zhǎng)量與相對(duì)根長(zhǎng)

2.2 鹽脅迫下水稻的根長(zhǎng)

如圖2所示，濃度在50～95 mmol/L間根的伸長(zhǎng)量以及相對(duì)根長(zhǎng)呈波動(dòng)狀，對(duì)照組相對(duì)根長(zhǎng)均比脅迫長(zhǎng)，其中65 mmol/L和95 mmol/L伸長(zhǎng)量以及相對(duì)根長(zhǎng)最低，而相對(duì)根長(zhǎng)均未達(dá)到50%RER(逆境最佳濃度)。在80 mmol/L濃度脅迫下，相對(duì)根長(zhǎng)最接近50%，推測(cè)在其附近可能會(huì)出現(xiàn)逆境最佳濃度的相對(duì)根長(zhǎng)，具體逆境最佳濃度的確認(rèn)還需要在65 mmol/L和95 mmol/L范圍內(nèi)另設(shè)對(duì)照組進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 鎘脅迫下水稻的根長(zhǎng)

如圖3所示，根的生長(zhǎng)在大于0.01 mg/L時(shí)就受到較強(qiáng)的脅迫，其相對(duì)根長(zhǎng)均低于50%RER(逆境最佳濃度)，而在0.001 mg/L時(shí)根的相對(duì)根長(zhǎng)大大超過(guò)50%RER。推測(cè)，CdCl2的逆境最佳濃度應(yīng)在0.001～0.01 mg/L。試驗(yàn)可先測(cè)定0.005 mg/L的相對(duì)根長(zhǎng)，再根據(jù)其數(shù)據(jù)劃定區(qū)間分組對(duì)照，確定濃度范圍以達(dá)到接近逆境最佳濃度。

2.4 銅脅迫下水稻的根長(zhǎng)

如圖4所示，各濃度CuSO4溶液對(duì)水稻根的生長(zhǎng)抑制強(qiáng)度均較大，以至于相對(duì)根長(zhǎng)均在20%及以下。觀察相對(duì)根長(zhǎng)曲線圖，在曲線的兩側(cè)均有上升的趨勢(shì)，推測(cè)相對(duì)根長(zhǎng)50%RER(逆境最佳濃度)相對(duì)應(yīng)的CuSO4溶液濃度在大于200 mg/L或小于25 mg/L，具體逆境最佳濃度的確認(rèn)還需要在濃度區(qū)間內(nèi)另設(shè)對(duì)照組進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)論與討論

水稻的根系是水肥吸收的重要部位，其長(zhǎng)度與茂盛程度均可作為水稻生長(zhǎng)發(fā)育狀況的衡量標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)針對(duì)苗期的形態(tài)，將此指標(biāo)測(cè)定值轉(zhuǎn)化為更具可比性的相對(duì)值，更能體現(xiàn)抗旱性的內(nèi)涵[1]。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)受到非生物脅迫時(shí)，水稻苗根系伸長(zhǎng)量會(huì)受到影響。

PEG兼具惰性、非離子型、親水性強(qiáng)等特點(diǎn)，可作為滲透調(diào)節(jié)劑人為模擬干旱脅迫環(huán)境[2]。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在PEG6000質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%左右時(shí)，相對(duì)根長(zhǎng)達(dá)50%，為最佳脅迫濃度，在此濃度下開展有關(guān)水稻幼苗干旱脅迫的試驗(yàn)最佳。

種子的萌發(fā)和幼苗的建成是水稻對(duì)鹽脅迫相對(duì)敏感的時(shí)期[2]。在高鹽環(huán)境中，水稻的生長(zhǎng)受限從而會(huì)降低其產(chǎn)量和品質(zhì)。研究選用不同濃度的NaCl溶液模擬鹽脅迫環(huán)境，分析種子萌發(fā)及幼苗建成差異。在鹽脅迫的各濃度中，未發(fā)現(xiàn)相對(duì)根長(zhǎng)在50%的梯度，而可據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推測(cè)，在NaCl濃度為50～80 mmol/L存在最適脅迫濃度。

鎘(Cd2+)是一種有害的重金屬離子。重金屬鎘易在水環(huán)境中遷移，在生物體內(nèi)富集[3]。土壤中過(guò)量的鎘被植物吸收并在植物各器官中積累，輕度脅迫導(dǎo)致植物葉片干枯萎黃、根系縮短，降低營(yíng)養(yǎng)元素的吸收；重度脅迫則會(huì)破壞植物細(xì)胞，抑制植物光合作用和蒸騰作用、干擾植物的代謝過(guò)程，進(jìn)而顯著抑制植物生長(zhǎng)[4-5]。同時(shí)，鎘通過(guò)植物吸收進(jìn)入食物鏈，嚴(yán)重威脅人類健康和生命安全[6-7]且會(huì)在植物中富集而進(jìn)入人體。研究顯示，水稻在含鎘環(huán)境下的生長(zhǎng)情況不容樂(lè)觀，因此對(duì)水稻展開重金屬脅迫的研究意義重大。在鎘脅迫中，可確定0.01 mg/L濃度為最佳脅迫濃度，在此條件下測(cè)定生理生化指標(biāo)可對(duì)水稻幼苗的耐鎘性進(jìn)行研究。另外，在銅離子脅迫中，200 mg/L體現(xiàn)出了50%的相對(duì)根長(zhǎng)，表明此濃度為開展水稻幼苗有關(guān)銅脅迫研究的最佳濃度。銅離子為一類對(duì)植物生長(zhǎng)有害的重金屬離子。Cu脅迫能夠同時(shí)誘導(dǎo)水稻根系木質(zhì)素和過(guò)氧化氫的積累[8]，不利于水稻根系的生長(zhǎng)。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cu2+濃度過(guò)低時(shí)反而能夠促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[9]。

試驗(yàn)設(shè)置各類脅迫梯度，測(cè)定出鹽脅迫、干旱脅迫、鎘脅迫及銅離子脅迫的最佳脅迫濃度，有利于后期測(cè)定在這些脅迫下的生理生化指標(biāo)，為有關(guān)水稻的耐受性質(zhì)研究打下基礎(chǔ)，以期為水稻新特性的開發(fā)做出貢獻(xiàn)。