高溫脅迫下粳稻產(chǎn)量因子的變化以及對抗氧化酶活性的影響*

劉航江，袁新捷，陳國興

(華中農(nóng)業(yè)大學 植物科學技術學院，湖北 武漢 430070)

據(jù)統(tǒng)計，中國約有65%的人口都以稻米為主食，而且水稻播種面積常年居于3 000 萬hm2上下，稻谷年產(chǎn)量達2.1 億t 以上[1-2]。在中國許多地區(qū)，水稻高溫熱害已經(jīng)成為影響水稻生長發(fā)育的主要自然災害之一，尤其是在長江流域以及南方稻區(qū)[3]。近年來，為保證國家糧食安全，“秈改粳”已經(jīng)成為中國南方稻區(qū)的重要任務之一[4]，因此在南方稻區(qū)進行粳稻品種的選育工作具有更為重要的現(xiàn)實意義。

粳稻和秈稻的耐高溫特性存在一定的差異，且一般情況下，秈稻的耐高溫性普遍強于粳稻，這可能是由于高溫主要影響秈稻當天開放的穎花；而粳稻則不同，高溫除了影響當天開放的穎花外，對次日開放的穎花也有不利的影響[5]。李守華等[6]研究發(fā)現(xiàn)：最近50 年江漢平原的平均氣溫和最高氣溫并未升高，整體保持基本穩(wěn)定，長期溫度變化表現(xiàn)出一定的周期特征，即7—8 月期間，連續(xù)3 和5 d 平均氣溫高于30 ℃以及最高溫度高于35 ℃的天氣出現(xiàn)頻次高，且有增加趨勢，這對水稻花期可能產(chǎn)生致命性傷害。對高溫最敏感的時期為水稻減數(shù)分裂期和開花期，這2 個時期遭遇高溫對水稻結實率的影響最大，因此，通常在這2 個時期進行耐高溫品種的鑒定篩選[7-8]。此外，水稻開花期如遭遇35 ℃以上的高溫，會造成穎花不育和結實率下降，最終使產(chǎn)量降低[9-10]。

有研究發(fā)現(xiàn)：高溫脅迫后，水稻葉片的質(zhì)膜通透性增強，游離脯氨酸增多，但是過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT) 和超氧化物歧化酶(SOD)活性均呈上升趨勢[11]。郭培國等[12]通過對水稻進行夜間高溫脅迫后發(fā)現(xiàn)：水稻葉片光合速率降低并且出現(xiàn)了氧化癥狀，隨著高溫脅迫時間增加植株體內(nèi)的O2?和H2O2含量也增高，但POD、CAT 和SOD 活性隨著時間先升高而后降低，這說明隨著高溫脅迫時間延長，活性氧的生成速度已經(jīng)遠遠大于活性氧的清除速度，并且長時間高溫會抑制抗氧化酶活性，使植株受到過氧化損傷。

以往關于水稻耐高溫特性的篩選鑒定多是利用間接鑒定法，即利用人工氣候箱等設備對水稻的溫度、光照和濕度等自然要素進行嚴格控制，但是這類方法的鑒定結果往往會與大田實際生產(chǎn)結果有較大的出入。本試驗基于大田自然條件，與盆栽溫室控溫相結合，以使各品種水稻自始穗期起經(jīng)歷至少連續(xù)7 d 日均溫度高于32 ℃或最高溫度高于35 ℃的高溫脅迫，通過對水稻總粒數(shù)、結實率、千粒質(zhì)量和抗氧化酶活性等指標進行測定，綜合各項指標對15 個粳稻品種的耐高溫特性進行評價，篩選出具有耐高溫特性且產(chǎn)量因子表現(xiàn)好的優(yōu)質(zhì)品種，以期為粳稻耐高溫品種鑒定篩選研究提供新思路，為耐高溫粳稻種質(zhì)資源的利用提供參考依據(jù)，也為耐高溫粳稻品種的培育提供基礎材料，保證水稻的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017—2019 年在華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳與改良國家重點實驗室盆栽場進行。試驗田前茬為冬閑田，土壤類型為黃棕壤水稻土，試驗前測得大田表層0～20 cm 土壤基礎養(yǎng)分為：有機質(zhì)18.89 g/kg，速效鉀145.32 mg/kg，速效磷9.52 mg/kg，堿解氮 65.11 g/kg，pH 6.08。試驗前測得盆栽土壤基礎養(yǎng)分為：有機質(zhì)46.55 g/kg，速效鉀188.46 mg/kg，速效磷16.81 mg/kg，堿解氮143.65 mg/kg，pH 5.35。

1.2 試驗材料

試驗以中日韓15 份粳稻品種為材料：W1202(中國山東)、奧羽392 (日本)、豐優(yōu)100 (中國吉林)、合系27 號 (中國云南)、墾育16 號 (中國河北)、遼粳326 (中國遼寧)、臨稻16 號 (中國山東)、龍粳25 號 (中國吉林)、牡丹江17 (中國黑龍江)、千重浪1 號 (中國遼寧)、青旱稻(中國山東)、沈農(nóng)2100 (中國遼寧)、萬年(中國遼寧)、永山稻(韓國)和元子粘稻(中國江蘇)。依次編號為S1～S15，均由中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所提供。

1.3 試驗設計

2017—2019 年，大田試驗為每年每份材料種植1 個小區(qū)，規(guī)格為(4×5)株，行株距為16 cm×16 cm，小區(qū)之間間距均為32 cm。高溫處理采用自然高溫脅迫的方式[11-12]，自始穗期起經(jīng)歷至少連續(xù)7 d 日均溫度高于32 ℃或最高溫度高于35 ℃的品種才視做經(jīng)歷了高溫脅迫，調(diào)整播期使抽穗開花期集中在7 月中下旬和8 月中上旬。大田試驗基肥施用復合肥30 kg/667 m2，在一葉一心期和分蘗期分別追施尿素5 kg/667 m2。試驗期間適時進行人工除草和防治病蟲害。

2019 年進行盆栽試驗。盆缽規(guī)格為下部直徑16 cm，上部直徑19.5 cm，盆高19 cm。每份材料單插本，10 次重復，每2 個重復排成1 列，每列盆缽連續(xù)排列，行間距為90 cm。水稻見穗初期將4 株移入溫室進行為期7 d 的高溫處理(日最高溫度 ＞ 35 ℃)，作為高溫脅迫組；6 株采用遮陽降溫(日最高溫度＜35 ℃且日平均溫度＜32 ℃)，作為對照組。土壤氮磷鉀有效含量分別為0.15、0.10 和0.15 g/kg；追肥為每升水溶解尿素2.7 g、磷酸二氫鉀1.6 g 和氯化鉀1.1 g，于分蘗期和孕穗期追施。試驗期間適時進行人工除草和防治病蟲害。

1.4 指標測定

1.4.1 溫度

試驗期間，利用美國生產(chǎn)的HOBO 自動溫濕度記錄儀每30 min 自動記錄1 次大田自然溫度。

1.4.2 產(chǎn)量性狀及耐熱等級評價標準

在水稻成熟期，選取3 株具有代表性、長勢較好且接近的水稻，曬干后脫粒，利用全自動數(shù)字化考種機[13]對總粒數(shù)、實粒數(shù)、結實率和千粒質(zhì)量等指標進行測定，并計算盆栽試驗的相對結實率。

相對結實率=試驗組結實率/對照組結實率×100%。

根據(jù)NY/T 2 915—2016《水稻高溫熱害與鑒定標準》對水稻的耐熱等級進行評價分級。(1) 強耐熱型：相對結實率≥95%；(2) 耐熱型：75%≤相對結實率＜95%；(3) 中間型：55%≤相對結實率＜75%；(4) 不耐熱型：35%≤相對結實率＜55%；(5) 極不耐熱型：相對結實率＜35%。

1.4.3 抗氧化酶活性

高溫處理結束后，分別選取對照組和試驗組3 株長勢較好且一致的水稻，每株水稻取劍葉1～2 g，利用酶試劑盒測定水稻劍葉的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD) 和過氧化氫酶(CAT)活性。測試盒分別為：A001-1 (羥胺法，南京建成科技有限公司)、A084-3 (南京建成科技有限公司) 和A007-1 (可見光法，南京建成科技有限公司)。試驗過程嚴格按照試劑盒說明書操作。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

考種數(shù)據(jù)及采集溫度數(shù)據(jù)利用Excel 2010 進行計算和整理，使用SPSS 21.0 統(tǒng)計分析軟件對產(chǎn)量性狀及抗氧化酶活性進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同粳稻品種抽穗開花期溫度

由圖1 可知：2017 年溫度波動較大，2019年相對2018 年極端高溫天氣出現(xiàn)的更加頻繁。

由表1 可知：各品種大田試驗始穗期開始，2017 年只有S1 和S7 未經(jīng)歷連續(xù)至少7 d 平均溫度高于 32 ℃或最高溫度高于35 ℃的高溫脅迫；2018 和2019 年的溫度波動起伏相對較小，平均溫度主要維持在32 ℃以上，平均最高溫度主要在37 ℃左右波動，2019 年平均最高溫度比2018 年略有升高，即在年度大田重復試驗中各品種至少經(jīng)歷了2 次高溫脅迫。

2.2 高溫脅迫對大田粳稻產(chǎn)量構成因子的影響

圖1 2017—2019 年抽穗開花期的日均溫度和最高溫度Fig.1 Daily average temperature and maximum temperature during heading and flowering period from 2017 to 2019

表1 各粳稻品種始穗期及連續(xù)7 d 平均溫度和平均最高溫度Tab.1 Japonica rice varieties average temperature and average maximum temperature in initial heading stage during 7 days

由表2 可知：2017—2019 年，S2 和S4 的單株總粒數(shù)均高于2 000，S3 和S15 的單株實粒數(shù)均低于1 000，S2、S5、S7、S8、S9、S10 和S11千粒質(zhì)量均高于20 g，S1、S2 和S14 的結實率均達80%以上，S3 結實率均低于50%。

由于S1 和S7 在2017 年未經(jīng)歷連續(xù)至少7 d日均溫度高于32 ℃或最高溫度高35 ℃的高溫脅迫，故S1 和S7 的年均結實率以2018 和2019年的結實率進行統(tǒng)計。由圖2 可知：在高溫脅迫下，各粳稻品種產(chǎn)量構成因子穩(wěn)定性存在差異。S1、S2、S4、S5、S7 和S14 的年均結實率均高于80%，S6、S8、S11 和S13 的年均結實率在75%～80%，S3、S9、S10、S12 和S15 的年均結實率均低于75%，S3 年均結實率最小，且S3、S10 和S15 的年均結實率顯著低于除S9 和S12以外的其他品種(P＜0.05)。

表2 2017—2019 年各粳稻品種產(chǎn)量因子Tab.2 Yield factor of japonica rice varieties from 2017 to 2019

圖2 高溫脅迫對不同粳稻品種年均結實率的影響Fig.2 Effect of high temperature stress on the annual average seed setting rates of different japonica rice varieties

2.3 不同溫度對盆栽粳稻結實率和抗氧化酶的影響

以15 個粳稻品種相對結實率進行耐熱等級評價分級(圖3)可知：S2、S7、S8 和S9 是強耐熱型品種，S1、S4、S5、S6、S11、S12、S13 和S14 是耐熱型品種，S3、S10 和S15 是中間型品種。篩選出的強耐熱品種和耐熱品種均是研究粳稻耐熱生理機制的良好材料。

圖3 抽穗開花期不同溫度對不同品種結實率的影響Fig.3 Influence of temperature during the flowering stage on the seed setting rates of different varieties

圖4 高溫脅迫下不同品種的抗氧化酶活性Fig.4 Antioxidant enzyme activities of different varieties under high temperature stress

由圖4 可知：不同品種間的SOD、CAT 和POD 活性均有所差異，且各品種在經(jīng)歷了高溫脅迫后的抗氧化酶活性均高于對照組，說明高溫脅迫會使植株體內(nèi)SOD、CAT 和POD 活性增高。高溫脅迫下，強耐熱型品種S7、S8 和S9 的SOD活性均高于200 U/mg，且3 個品種的SOD 和POD活性均顯著高于對照組(P＜0.05)，但S2 的3 種抗氧化酶活性均顯著高于對照組(P＜0.05)；耐熱型品種中，除S4 的POD 活性外，其他品種高溫脅迫組與對照組的SOD、CAT 和POD 活性差異均達顯著水平(P＜0.05)；中間型品種中，高溫脅迫組的SOD 和CAT 活性與對照組差異均不顯著(P＞0.05)，且僅S3 的高溫脅迫組與對照組POD活性差異達顯著水平(P＜0.05)。

由表3 可知：高溫脅迫組SOD、CAT 和POD活性互為極顯著正相關，說明在高溫脅迫下不同粳稻品種3 種抗氧化酶活性協(xié)同增長，結實率與SOD、CAT 和POD 活性均未達到顯著相關水平。對照組中，CAT 活性與POD 活性極顯著相關，說明在非高溫脅迫下，CAT 和POD 活性協(xié)同增長，結實率與SOD、CAT 和POD 活性均未達到顯著相關水平。

3 討論

水稻耐熱性鑒定是水稻耐熱種質(zhì)資源評價和利用的基礎，耐熱性鑒定方法的科學性是準確評價及利用耐熱種質(zhì)資源的關鍵。高溫脅迫會對水稻的表型指標及生理生化指標產(chǎn)生不同程度的影響。姚鳳梅等[14]以開花期日最高溫度＞35 ℃、灌漿期日最高溫度＞32 ℃為高溫指標；陳升孛等[15]以日最高氣溫大于35 ℃且持續(xù)3 d 或以上作為水稻出現(xiàn)高溫熱害的指標。本研究在前人研究的基礎上，延長高溫脅迫時間，以在抽穗開花期進行至少連續(xù)7 d 日均溫度＞32 ℃或最高溫度＞35 ℃為標準，研究高溫脅迫對粳稻結實率的影響。

表3 水稻結實率與抗氧化酶活性的相關分析Tab.3 Correlation analysis of seed setting rate and antioxidant enzyme activity

本研究表明：豐優(yōu)100 (S3)、千重浪1 號(S10)和元子粘稻(S15)經(jīng)歷高溫后結實率低，對高溫的耐受性較低，是中間型品種；奧羽 392 (S2)、臨稻16 號(S7)、龍粳25 號(S8)和牡丹江17 (S9)是強耐熱型品種；W1202 (S1)、合系27 號(S4)、墾育16 號(S5)、遼粳326 (S6)、青旱稻(S11)、沈農(nóng)2 100 (S12)、萬年(S13)和永山稻(S14)是耐熱型品種。其中，奧羽392 (S2)、合系27 號(S4)和墾育16 號(S5)的年均結實率均＞80%，千粒質(zhì)量和單株總粒數(shù)保持相對較高的水平，臨稻16 號(S7) 的結實率＞85%，且年均千粒質(zhì)量最大。綜上所述，奧羽392 (S2)和臨稻16 號(S7)是具有強耐高溫能力且綜合農(nóng)藝性狀較好的品種，這些材料對未來粳稻耐高溫遺傳研究及育種工作意義重大。

在正常條件下，水稻體內(nèi)自由基的生成和清除處于動態(tài)平衡，當處于高溫逆境下，水稻體內(nèi)的這種平衡會被打破從而導致活性氧的積累，最終傷害細胞。黃英金等[16]研究發(fā)現(xiàn)：高溫脅迫后，水稻葉片的質(zhì)膜通透性增強，游離脯氨酸增多，過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性均呈上升趨勢，說明這幾類酶活性增強是水稻遭遇高溫后的保護機制之一。張桂蓮等[17]研究發(fā)現(xiàn)：水稻葉片中含有POD、CAT 和SOD，這3 種酶活性在高溫脅迫初期有所上升，之后迅速降低，且耐高溫能力強的水稻酶活增幅較大。本研究表明：經(jīng)歷了連續(xù)高溫脅迫后，15 份材料的SOD、CAT 和POD 活性均不同程度升高，這與前人研究結果一致。其中，豐優(yōu)100 (S3)、千重浪1 號(S10)和元子粘稻(S15)的結實率經(jīng)高溫脅迫后降幅較大，同時SOD、CAT 和POD 活性在高溫條件下與對照組差異不明顯，結實率降低的原因可能就是抗氧化酶系統(tǒng)中的SOD、CAT 和POD 活性對高溫脅迫的抗逆響應不靈敏。高溫脅迫下，耐熱型品種和強耐熱型品種W1202 (S1)、墾育 16 號(S5)、遼粳326 (S6)、青旱稻(S11)、沈農(nóng)2 100 (S12)、萬年(S13)、永山稻(S14)、臨稻16 號(S7)、龍粳25 號(S8)和牡丹江17 (S9)的SOD、CAT 和POD活性高于對照組，說明高溫環(huán)境下抗氧化酶活性升高有利于抵御高溫脅迫產(chǎn)生的危害[18]。另外，臨稻16號、龍粳25 號和牡丹江17 等3 份耐熱材料在遭遇高溫后CAT 活性變化不明顯，說明植株體內(nèi)H2O2的清除可能不僅僅依靠CAT，還存在著其他清除機制[19]；耐熱型材料合系27 號的POD 活性升高不顯著，這可能是由于POD 本身在酶保護系統(tǒng)中就存在著雙面性，可能在逆境中促進了活性氧的生成以及葉綠素的降解，從而導致細胞膜脂過氧化，傷害植株[20]。

本研究還發(fā)現(xiàn)：經(jīng)歷高溫脅迫后，水稻植株體內(nèi)的SOD、CAT 和POD 活性存在協(xié)同增長，但均未與結實率達顯著相關，說明抗氧化酶升高會防止植株損傷，是活性氧清除機制的組成部分之一，但并不是全部[18]，其完整的保護機制仍有待進一步深入研究。盆栽試驗中抗氧化酶(SOD、POD 和CAT)活性變化趨勢與結實率評價耐高溫特性的結果幾乎吻合，并且與田間高溫試驗的結果比較一致，進一步說明遭遇高溫脅迫后水稻劍葉抗氧化酶活性與水稻的結實率呈正相關關系。

綜上所述，依據(jù)相對結實率對水稻的耐高溫特性進行分級評價是可靠的，這適用于大批量水稻的鑒定篩選。

4 結論

本研究依據(jù)相對結實率篩選出2 個綜合農(nóng)藝性狀較好且具有強耐高溫特性的優(yōu)異品種；此外，可結合表型和生理生化等多項指標，尤其是水稻劍葉中的抗氧化酶活性進行綜合考察和評價，最終確定水稻的耐高溫特性。