孕穗期冷水脅迫下施用外源物質(zhì)對寒地粳稻氮光合效率及產(chǎn)量的影響

賈琰 楊亮 鄒德堂 瞿炤珺 王敬國 劉化龍 王晉 趙宏偉

(1 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 寒地糧食作物種質(zhì)創(chuàng)新與生理生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030；2 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030；3 北大荒墾豐種業(yè)股份有限公司，哈爾濱 150431；#共同第一作者；*通信聯(lián)系人，E-mail: hongweizhao_cool@126.com)

水稻是重要的糧食作物，黑龍江省作為我國粳稻第一大省，對保障國家糧食安全至關(guān)重要[1]。孕穗期低溫冷害是限制水稻產(chǎn)量提高的重要因素[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，黑龍江省平均每3～5年就發(fā)生一次較大的低溫冷害[3]，低溫冷害已經(jīng)成為限制寒地粳稻生產(chǎn)、提質(zhì)增效的關(guān)鍵因素之一。

逆境脅迫影響作物氮代謝水平[4]。研究證實(shí)，孕穗期冷水脅迫影響寒地粳稻氮代謝及氮素吸收積累及轉(zhuǎn)運(yùn)過程，進(jìn)而影響光合產(chǎn)物生產(chǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)量降低[2,5]。逆境脅迫下，植物體內(nèi)Ca2+作為信號傳導(dǎo)物質(zhì)激發(fā)細(xì)胞內(nèi)谷氨酸脫羧酶(GAD)，使其催化L-谷氨酸(L-Glu)發(fā)生不可逆的脫羧反應(yīng)形成GABA，進(jìn)而使GABA 含量上升[6]。逆境脅迫下外源施用γ-氨基丁酸(GABA)[7-11]、氯化鈣(CaCl2)[12-17]和谷氨酸(Glu)[18]均可通過調(diào)節(jié)植物的氮代謝水平進(jìn)而提高植物的耐逆性，外源施用GABA 能夠促進(jìn)植物體內(nèi)脯氨酸積累[19]，增強(qiáng)抗氧化防御系統(tǒng)抵御逆境的能力[7-11]；外源施用CaCl2植物體內(nèi)脯氨酸含量[15]、GABA 含量及GAD 活性[16,17]顯著提高，耐逆性增強(qiáng)；外源增施Glu 可使低溫脅迫下大麥幼苗中GABA 含量升高，耐冷性增強(qiáng)[18]。此外，苗期低溫脅迫下外源施用最適濃度配比GABA、CaCl2和Glu 可以顯著提高寒地粳稻耐冷性[20]。因此，研究如何調(diào)控孕穗期冷水脅迫下寒地粳稻氮代謝水平進(jìn)而減輕低溫冷害對寒地粳稻產(chǎn)量的影響，對確保黑龍江省糧食總產(chǎn)穩(wěn)步上升及保證國家糧食安全具有十分重要的意義。

C3作物中水稻的氮光合效率(PNUE)最高[21-22]，提高葉片的氮光合效率將有助于提高作物的產(chǎn)量[23]。是否可以通過施用GABA、CaCl2和Glu 復(fù)配劑(CGG)提高孕穗期冷水脅迫下寒地粳稻葉片PNUE，進(jìn)而減輕低溫冷害對寒地粳稻光合產(chǎn)物生產(chǎn)的影響，實(shí)現(xiàn)保產(chǎn)增效的目的，目前尚缺乏明確認(rèn)識。本研究擬用生育期相近的2個(gè)粳稻品種為試驗(yàn)材料，通過研究孕穗期冷水脅迫下外源施用CaCl2、Glu、GABA單劑及復(fù)配劑對寒地粳稻產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)的影響，篩選出CGG最適配比，揭示孕穗期冷水脅迫下施用最適配比CGG對寒地粳稻氮光合效率及產(chǎn)量形成的調(diào)控效應(yīng)，為建立有效抵御低溫冷害的化控栽培技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與條件

試驗(yàn)于2014 年至2017 年在黑龍江省東北農(nóng)業(yè)大學(xué)植物實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地進(jìn)行。供試土壤為黑土，土壤基礎(chǔ)肥力如表1。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

選用粳稻品種東農(nóng)428(冷水處理空殼率為7.93%～9.00%)和松粳 10(冷水處理空殼率為14.98%)為材料。于2014 年進(jìn)行GABA、CaCl2和Glu 三種外源物質(zhì)單劑最適濃度篩選，試驗(yàn)采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以CaCl2、Glu、GABA 濃度為主區(qū)(表2)，水稻品種為副區(qū)，正常灌溉為對照(T0)，副區(qū)面積為18 m2，行長3 m，行距30 cm，穴距13.3 cm，主區(qū)間筑大埂隔離。孕穗期 17℃冷水脅迫7 d，連續(xù)施用不同濃度的三種外源物質(zhì)，篩選最適施用濃度。于幼穂長約為1 cm 時(shí)進(jìn)行孕穗期冷水處理(溫度為17℃，水層深度為20 cm)。17℃冷水為地下深井水(8 ℃～9 ℃)與曬水池水(22 ℃～24℃)混合后形成，采用智能控溫冷水灌溉系統(tǒng)進(jìn)行田間冷水灌溉，正常灌溉為曬水池水，其他管理同大田生產(chǎn)。

表1 土壤基礎(chǔ)肥力（2014-2017）Table 1.Soil properties of composite topsoil samples (0-20 cm) from the main experimental plots (2014-2017).

表2 孕穗期冷水脅迫下外源物質(zhì)施用濃度Table 2.Exogenous substance concentrations under cold-water stress during booting stage.

表3 因子編碼及實(shí)際值Table 3.Factor code and actual level.

表4 中心組合設(shè)計(jì)因素水平與編碼表Table 4.Central composite design code of factors.

于2015 年進(jìn)行中心組合試驗(yàn)，篩選三種外源物質(zhì)最適濃度復(fù)配劑。試驗(yàn)采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，外源物質(zhì)濃度復(fù)配劑為主區(qū)(表3～4)，水稻品種為副區(qū)，常溫灌溉為對照，副區(qū)面積為18 m2，行長3m，行距30 cm，穴距13.3 cm，主區(qū)間筑大埂隔離。孕穗期 17℃冷水脅迫7 d，連續(xù)施用不同濃度配比的三種外源物質(zhì)，篩選最適施用濃度配比。其他田間處理同2014 年。

于2016-2017 年進(jìn)行孕穗期冷水脅迫下施用外源物質(zhì)對寒地粳稻氮光合效率及產(chǎn)量形成的調(diào)控效應(yīng)，采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，最適外源物質(zhì)濃度復(fù)配劑為主區(qū)，水稻品種為副區(qū)，常溫灌溉為對照，副區(qū)面積為18 m2，行長3 m，行距 30 cm，穴距 13.3 cm，主區(qū)間筑大埂隔離。孕穗期 17℃冷水脅迫7 d，連續(xù)施用最適濃度配比的三種外源物質(zhì)。其他田間處理同2015 年。試驗(yàn)期間(2014-2017 年)田間氣象條件如表5。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 花粉粒活性、穎花及枝梗數(shù)

在田間選取生長整齊一致的植株掛牌標(biāo)記，于齊穗期9:00-11:30 在田間選取主莖穗，各處理選3 穴，每穴取3 穂，選取每穗頂部3 個(gè)一次枝梗中上部穎花，用于花粉?；钚詼y定，利用碘-碘化鉀(I2-KI)染色法測定花粉?；钚訹24]。

表5 孕穗期冷水灌溉期間田間試驗(yàn)條件Table 5.Survey of testing site conditions during cold-water irrigation at booting stage.

在田間選擇生長整齊一致的植株掛牌標(biāo)記，于齊穗期取植株主莖稻穗，每處理選3 穴，每穴取3穗，參照劉利等[25]的方法，觀察每穗枝梗數(shù)及穎花數(shù)。

1.3.2 氮光合效率及產(chǎn)量形成相關(guān)指標(biāo)

選取各處理同日抽穗的稻穗掛牌標(biāo)記，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3 株水稻，3 次重復(fù)，用CI-340(CID, 美國)便攜式光合測定儀測定水稻齊穗期葉片的凈光合速率，用手持式CID-203 便攜式葉面積儀(CID,美國)測定葉片面積。取齊穗期水稻葉片，105℃下殺青后烘干至恒重用于氮素含量測定，采用半微量凱氏定氮法測定葉片氮素含量[26]。分別于齊穗期和成熟期取地上部植株，各小區(qū)中選3 穴，3 次重復(fù)。在105℃下殺青30 min 后，80℃下烘至恒重后稱重。

1.3.3 產(chǎn)量測定

成熟期調(diào)查有效穗數(shù)，每小區(qū)按其平均數(shù)取代表性植株5 穴室內(nèi)考種，測定每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率及千粒重；小區(qū)單打單收，按實(shí)收穴數(shù)計(jì)產(chǎn)。

1.3.4 計(jì)算方法

1)比葉質(zhì)量(LMA, mg·cm?2)[27]=葉片干物質(zhì)量/葉面積；

2)單位面積氮含量(Narea, mg·cm?2)=單位面積葉片氮素含量/葉面積；

3)氮光合效率(PNUE, μmol·mol?1s?1)[28]=凈光合速率/單位面積氮含量；

4)群體生長率(CGR, g·m?2d?1)＝(成熟期植株地上部干物質(zhì)量?齊穗期植株地上部干物質(zhì)量)/齊穗期至成熟期天數(shù)；

5)溫度生產(chǎn)效率(g·m?2℃?1)[29]=單位面積地上部生物產(chǎn)量/生育期間有效積溫；

6)外源物質(zhì)對溫度效率差的貢獻(xiàn)率(%)=[(冷水脅迫下施用外源物質(zhì)溫度生產(chǎn)效率?冷水脅迫溫度生產(chǎn)效率)/(潛在溫度生產(chǎn)效率?冷水脅迫溫度生產(chǎn)效率)]×100，其中潛在溫度生產(chǎn)效率計(jì)算參考賴榮生等[30]的方法；

7)冷水反應(yīng)指數(shù)(%)=冷水處理下各指標(biāo)測定值/對照處理下各指標(biāo)的測定值×100%。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用Microsoft Excel 2016、Design-expert 8.05 和SPSS 25.0 統(tǒng)計(jì)軟件對上述結(jié)果進(jìn)行作圖及統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 篩選孕穗期冷水脅迫下CaCl2、Glu、GABA的最適施用濃度

2.1.1 孕穗期冷水脅迫下施用CaCl2、Glu、GABA單劑最適濃度的篩選

由表6 可知，孕穗期冷水脅迫下外源施用CaCl2、Glu、GABA 可在一定程度上提高寒地粳稻產(chǎn)量，減輕冷水脅迫對寒地粳稻的損傷，其中T1+G2和T1+G3處理下(外源施用2.5 mmol/L 和3.75 mmol/L)、T1+Glu2和T1+Glu3處理下(外源施用1.50 mg/mL 和2.25 mg/mL)、T1+C2和T1+C3處理下(外源施用2.0 mmol/L 和3.0 mmol/L)寒地粳稻產(chǎn)量較高。

表6 孕穗期冷水脅迫下施用CaCl2、Glu 和GABA 對寒地粳稻產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)的影響Table 6.Effects of exogenous CaCl2, Glu and GABA on yield related indexes of cold-regionjaponicarice under cold water stress at booting stage.

通過隸屬函數(shù)分析法可知(表7)，孕穗期冷水脅迫下單獨(dú)施用CaCl2、Glu、GABA，寒地粳稻8個(gè)與產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)隸屬函數(shù)及隸屬函數(shù)平均值(ASFV)均高于冷水脅迫處理，但較正常灌溉水平低。與冷水脅迫對照相比，在T1+G3處理、T1+Glu2和T1+Glu3處理以及T1+C3處理下東農(nóng)428 寒地粳稻隸屬函數(shù)值最高；在T1+G3處理、T1+Glu2處理以及T1+C2和T1+C3處理下松粳10 隸屬函數(shù)值最高。

由圖1 可知，y值為東農(nóng)428 和松粳10 ASFV的平均值，x表示三種外源濃度，三種外源濃度與寒地粳稻 ASFV 平均值呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2GABA=0.953**;R2Glu=0.8925**;R2CaCl2=0.8616**)，4.41 mmol/L GABA、1.97 mg/mL Glu 和2.58 mmol/L CaCl2處理效果較好，ASFV 值最大(0.35、0.35、0.33)。為便于試驗(yàn)操作，選用三種外源物質(zhì)的臨界最優(yōu)值用于三種外源物質(zhì)最適濃度配比篩選實(shí)驗(yàn)。因此，分別選用4.5 mmol/L GABA、2.0 mg/mL Glu和2.60 mmol/L CaCl2作為最適單劑濃度。

2.1.2 孕穗期冷水脅迫下CaCl2、Glu、GABA 的最適施用濃度配比篩選

將最適濃度配比的三種外源物質(zhì)CaCl2、Glu、GABA 簡稱為CGG。由于外源施用對孕穗期冷水脅迫下寒地粳稻耐冷性的較為復(fù)雜，單一的指標(biāo)并不能完全、客觀地反應(yīng)外源施用CGG 對孕穗期冷水脅迫下寒地粳稻實(shí)際抗冷性的影響，因此本研究通過隸屬函數(shù)分析法，計(jì)算出可育花粉率、結(jié)實(shí)率、千粒重、產(chǎn)量4 個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值和其平均隸屬函數(shù)值(ASFV)，綜合評價(jià)外源施用CGG 對寒地粳稻耐冷性的影響，篩選出外源CGG 的最適濃度配比(如表8 和9)。研究結(jié)果表明，外源施用CGG 濃度配比為1.87 mmol/L CaCl2、2.76 mg/mL Glu、4.40 mmol/L GABA，ASFV 值最大，為0.932(如表8 和圖2)。表明施用最適濃度CGG 可以有效減少孕穗期低溫冷害對寒地粳稻產(chǎn)量造成的損失。

表7 孕穗期冷水脅迫下施用CaCl2, Glu and GABA 對寒地粳稻耐冷性的綜合影響Table 7.Comprehensive effects of exogenous CaCl2, Glu and GABA on cold tolerance of cold-regionjaponicarice under cold water stress at booting stage.

圖1 孕穗期冷水脅迫下外源物質(zhì)濃度與寒地粳稻ASFV 的關(guān)系Fig.1.Relationship between exogenous substances concentration and ASFV of cold-regionjaponicarice under cold water stress.

表8 孕穗期冷水脅迫下施用不同濃度配比CGG 對寒地粳稻產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)的影響Table 8.Effects of different concentrations of CGG on cold-water stress at the booting stage.

表9 ASFV 響應(yīng)曲面模型方差分析Table 9.Response surface model ANOVA of ASFV.

2.2 孕穗期冷水脅迫下施用最適濃度配比CGG 對寒地粳稻氮光合效率及產(chǎn)量形成的影響

2.2.1 孕穗期冷水脅迫下施用最適濃度配比CGG對寒地粳稻氮光合效率的影響

圖2 孕穗期冷水脅迫下施用外源物質(zhì)對寒地粳稻產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)平均隸屬函數(shù)值的影響Fig.2.Effect of application of exogenous substances on ASFV of yield-related indexes of cold-regionjaponicarice under cold water stress at booting stage.

表10 孕穗期冷水脅迫下施用最適配比CGG 對寒地粳稻齊穗期氮光合效率的影響Table 10.Effects of application of the optimal ratio CGG under cold water stress at booting stage on nitrogen photosynthetic efficiency of cold-regionjaponicarice at full heading stage.

表11 孕穗期冷水脅迫施用最適濃度配比CGG 對寒地粳稻群體抽穗后干物質(zhì)生產(chǎn)及溫度生產(chǎn)效率方差值的影響Table 11.Effect of optimal concentration of CGG during cold-water stress at booting stage on variance of dry matter production of cold-regionjaponica rice after heading stage.

圖3 孕穗期冷水脅迫施用最適濃度配比CGG 對寒地粳稻群體抽穗后干物質(zhì)生產(chǎn)的影響Fig.3.Effect of optimal concentration of CGG during cold-water stress at booting stage on dry matter production of cold-regionjaponica rice after heading stage.

由表10 可知，與正常灌溉相比，孕穗期低溫脅迫下寒地粳稻功能葉片質(zhì)量、葉面積及氮光合效率的相關(guān)指標(biāo)均顯著下降，外源施用CGG 可顯著提高齊穗期葉面積，可在一定程度上提高氮素光合效率相關(guān)指標(biāo)，且品種間存在差異。與孕穗期冷水脅迫相比，施用CGG 可顯著提高東農(nóng)428 齊穗期葉面積指數(shù)(5.37%)及氮光合效率(4.53%)；可顯著提高松粳10 單位面積葉片干物質(zhì)量(2.56%)和葉面積指數(shù)(3.39%)。

2.3.2 孕穗期冷水脅迫下施用最適濃度配比CGG對寒地粳稻產(chǎn)量形成的影響

由表11 可知，處理對寒地粳稻抽穗后干物質(zhì)積累量及群體生長速率影響極顯著；多因素方差分析可知，品種和處理對抽穗后干物質(zhì)積累量及群體生長速率影響極顯著，年份、品種和處理對抽穗后干物質(zhì)積累量影響極顯著。由圖3 可知，與孕穗期冷水脅迫相比，施用最適濃度配比CGG 可提高寒地粳稻抽穗至成熟期干物質(zhì)積累量，但其積累量仍低于正常灌溉水平，且在品種和處理間存在差異。抽穗后群體生長率變化趨勢與干物質(zhì)積累量基本一致。孕穗期冷水脅迫下施用最適濃度配比CGG處理下東農(nóng)428 群體抽穗后干物質(zhì)積累量、群體生長率均高于松粳10，東農(nóng)428 抽穗后干物質(zhì)積累量兩年平均值較松粳10 高18.73%。說明外源最適濃度配比CGG 可通過提高東農(nóng)428 抽穗后光合能力及光合功能持續(xù)時(shí)間，進(jìn)而提高光合物質(zhì)的積累量。由表12 可知，與孕穗期冷水脅迫相比，施用最適濃度配比CGG 寒地粳稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素均有所上升，但仍低于正常灌溉水平，且品種間存在差異；施用最適濃度配比CGG 處理下東農(nóng)428兩年產(chǎn)量達(dá)8340.5 kg/hm2，松粳10 為7093.5 kg/hm2，較孕穗期冷水脅迫處理分別增加11.05%和24.47%，差異顯著(表12)。說明施用最適濃度配比CGG 可以在一定程度上提高寒地粳稻產(chǎn)量，且對冷敏感的品種影響更為顯著。

表12 孕穗期冷水脅迫下施用最適濃度配比CGG 對寒地粳稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 12.Effect of optimal concentration of CGG during cold-water stress at booting stage on yield and yield components of cold-regionjaponicarice.

2.3.3 孕穗期冷水脅迫下施用最適濃度CGG 對寒地粳稻溫度利用效率的影響

由表11 可知，品種、處理對溫度生產(chǎn)效率影響極顯著，品種和處理對溫度生產(chǎn)效率影響極顯著，品種、處理和年份間互作對溫度生產(chǎn)效率影響顯著。由圖4 可知，不同處理間溫度生產(chǎn)效率差異顯著，具體表現(xiàn)為正常灌溉＞冷水脅迫+CGG＞冷水脅迫。與孕穗期冷水脅迫相比，施用CGG 東農(nóng)428和松粳10 溫度生產(chǎn)效率平均增幅分別為5.55%和23.72%。外源CGG 對于溫度生產(chǎn)效率差異的貢獻(xiàn)率為8.99%。

3 討論

研究證明逆境脅迫下外源施用 γ-氨基丁酸(GABA)[8,10,31-33]、氯化鈣(CaCl2)[12-17]和谷氨酸(Glu)[18]可提高植物的耐逆性。外源施用GABA 能夠提高作物抗氧化酶活性、降低活性氧(ROS)等物質(zhì)的積累，改善光合能力，降低逆境脅迫對作物的傷害[7-11]；外源施用CaCl2主要是通過調(diào)節(jié)植物的氮代謝水平進(jìn)而提高植物的耐逆性[12-14]，植物體內(nèi)脯氨酸含量[15]和 GABA 含量及谷氨酸脫羧酶(GAD)活性[16-17]顯著提高，使其耐逆性增強(qiáng)；外源施用Glu 可使低溫脅迫下大麥幼苗中GABA含量升高，耐冷性增強(qiáng)[18]。本研究發(fā)現(xiàn)孕穗期冷水脅迫下外源施用CaCl2、Glu、GABA 可在一定程度上提高寒地粳稻產(chǎn)量(表5)，減輕冷水脅迫對寒地粳稻的損傷，這與前人的研究結(jié)果一致，且通過隸屬函數(shù)綜合分析篩選出4.5 mmol/L GABA、2.0 mg/mL Glu和2.60 mmol/L CaCl2可作為最適單劑濃度。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)苗期低溫脅迫下外源施用GABA、CaCl2和Glu 最適濃度配比三種外源物質(zhì)可以顯著提高寒地粳稻耐冷性[20]。但關(guān)于寒地粳稻孕穗期冷水脅迫下施用GABA、CaCl2和Glu 最適濃度配比的篩選及施用最適濃度配比三種外源物質(zhì)對寒地粳稻氮光合效率及產(chǎn)量形成調(diào)控效應(yīng)鮮有報(bào)道。本研究發(fā)現(xiàn)三種外源物質(zhì)最優(yōu)濃度配施保產(chǎn)效果優(yōu)于單獨(dú)施用三種外源物質(zhì)。由于逆境脅迫下Ca2+作為信號傳導(dǎo)物質(zhì)激發(fā)細(xì)胞內(nèi)GAD，使其催化L-谷氨酸 (L-Glu)發(fā)生不可逆的脫羧反應(yīng)形成GABA，進(jìn)而使植物體內(nèi)GABA 含量上升[6,34]。這說明孕穗期冷水脅迫下寒地粳稻功能葉片噴施外源CaCl2和Glu 可作為GABA 合成的信號傳導(dǎo)物質(zhì)和底物，進(jìn)而促進(jìn)GABA 合成，提高寒地粳稻抵御低溫脅迫的能力；此外，外源施用GABA 可以在脅迫條件下誘導(dǎo)GABA 內(nèi)源水平的變化[32,35]，進(jìn)而抵御逆境脅迫對作物造成的傷害。因此，本研究基于中心組合試驗(yàn)結(jié)果得出三種外源物質(zhì)的最適濃度配比；孕穗期冷水脅迫下施用最適濃度CGG 寒地粳稻產(chǎn)量相關(guān)性狀隸屬函數(shù)平均值值最大(如表7 和圖2)，可有效減少低溫冷害對寒地粳稻產(chǎn)量造成的損失。

圖4 孕穗期冷水脅迫下施用最適濃度配比CGG 對寒地粳稻溫度生產(chǎn)效率的影響Fig.4.Effect of optimal concentration of CGG during cold-water stress at booting stage on temperature production efficiency of cold-regionjaponica rice.

光合產(chǎn)物生產(chǎn)能力與葉片氮含量之間呈正相關(guān)關(guān)系[36]。氮素可通過調(diào)控葉面積指數(shù)、葉片氮含量、葉綠素含量進(jìn)而調(diào)控光能利用率[37]。植株含氮量下降會導(dǎo)致葉綠素含量及蛋白質(zhì)含量降低，進(jìn)而影響光合產(chǎn)物生產(chǎn)[38]。研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫影響水稻葉片的生長[2,39-41]，表現(xiàn)為植株葉面積降低[42,43]、葉片變得窄而厚[44]；此外，低溫脅迫抑制水稻對氮素的吸收，會造成植株氮素供應(yīng)不足[2]；而外源施用GABA[9,45,46]、CaCl2[14]可改善光合系統(tǒng)進(jìn)而使作物積累更多的光合產(chǎn)物。本研究發(fā)現(xiàn)，與孕穗期低溫脅迫相比，施用外源物質(zhì)CGG 不僅可以促進(jìn)葉片生長，使其葉面積指數(shù)顯著提高(東農(nóng)428，5.37%；松粳10，3.39%)，還可提高功能葉片氮素濃度(東農(nóng)428，2.46%；松粳10，3.00%)，這將有利于寒地粳稻光合產(chǎn)物生產(chǎn)及產(chǎn)量形成。

葉片氮光合效率是衡量葉片氮含量與光合強(qiáng)度、光合產(chǎn)物積累間關(guān)系的重要指標(biāo)[47]。外界環(huán)境條件影響水稻葉片氮光合效率[48]。本研究發(fā)現(xiàn)耐冷性不同的品種氮光合效率對外源CGG 的響應(yīng)機(jī)制存在差異。與孕穗期冷水脅迫相比，施用CGG 可顯著提高東農(nóng)428 齊穗期氮光合效率(4.53%)；可對松粳10 氮光合效率效應(yīng)不顯著。由于當(dāng)植物的氮供應(yīng)不足時(shí)，C3作物更傾向于通過減少葉片伸展來確保更多的氮素用于維持相對較高的葉綠素含量[49]。這表明孕穗期冷水脅迫下施用CGG 主要通過調(diào)節(jié)松粳10 葉片生長進(jìn)而使其葉片氮素濃度及單位面積氮素含量維持在相對穩(wěn)定的水平，達(dá)到保產(chǎn)目的；但施用外源CGG 后東農(nóng)428 單位葉面積氮素含量雖稍有下降，但是其葉面積指數(shù)及凈光合速率均顯著上升，進(jìn)而促進(jìn)光合作用有利于產(chǎn)量形成，這可能是孕穗期冷水脅迫下施用CGG 東農(nóng)428產(chǎn)量高于松粳10 的主要原因。

研究證實(shí)抽穗至成熟期干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)[50-54]。因此，提高孕穗期冷水脅迫下寒地粳稻生育后期(抽穗至成熟期)干物質(zhì)積累量，對寒地粳稻產(chǎn)量形成至關(guān)重要。本研究結(jié)果表明，孕穗期冷水脅迫下施用最適濃度配比CGG處理下東農(nóng)428群體抽穗后干物質(zhì)積累量、群體生長率均高于松粳10。說明外源最適濃度配比CGG可通過提高東農(nóng)428抽穗后光合能力及光合功能持續(xù)時(shí)間，進(jìn)而提高光合物質(zhì)的積累量。這表明孕穗期冷水脅迫下施用最適濃度CGG后東農(nóng)428群體干物質(zhì)積累動態(tài)較為穩(wěn)定，是產(chǎn)量形成的堅(jiān)實(shí)物質(zhì)基礎(chǔ)，這與前人的研究結(jié)果基本一致[52,54]。同時(shí)，孕穗期冷水脅迫下施用最適濃度CGG后寒地粳稻抽穗后群體生長率變化趨勢與干物質(zhì)積累量基本一致，且東農(nóng)428產(chǎn)量8340.5 kg/hm2，松粳10為7093.5 kg/hm2，較孕穗期冷水脅迫處理分別增加11.05%和24.47%，差異顯著，進(jìn)一步說明孕穗期冷水脅迫下外源CGG對耐冷性弱的品種產(chǎn)量影響較大(圖 3、表10和表11)。

當(dāng)前造成產(chǎn)量存在差距的原因，并不是光、溫資源不足，而是資源利用效率低[55]。與孕穗期冷水脅迫相比，施用CGG 東農(nóng)428(5.55%)和松粳10(23.72%)溫度生產(chǎn)效率顯著提高，外源CGG對于溫度生產(chǎn)效率差異的貢獻(xiàn)率為8.99%。這說明制定有效抵御低溫冷害的栽培技術(shù)措施可以縮減低溫冷害對水稻產(chǎn)量造成的損失[29]。

4 結(jié)論

外源施用CGG 最適濃度配比為1.87 mmol/L CaCl2、2.76 mg/mL Glu、4.40 mmol/L GABA，隸屬函數(shù)平均值最大(0.932)。與正常灌溉相比，孕穗期低溫脅迫下寒地粳稻功能氮光合效率下降；與孕穗期冷水脅迫相比，外源施用最適濃度配比CGG 可促進(jìn)寒地粳稻葉片生長，提高功能葉片氮素濃度及齊穗期氮光合效率進(jìn)而有利于光合產(chǎn)物的積累，最終減輕孕穗期冷水脅迫下寒地粳稻產(chǎn)量損失，提高孕穗期冷水脅迫下寒地粳稻溫度生產(chǎn)效率。