低溫脅迫后水分對水稻幼苗根系活力和水孔蛋白相關(guān)基因表達(dá)的影響

黃奇娜 江蘇 汪利民 張燕 俞林飛 李春福 丁利群 邵國勝, *

低溫脅迫后水分對水稻幼苗根系活力和水孔蛋白相關(guān)基因表達(dá)的影響

黃奇娜1, #江蘇2, #汪利民2張燕1俞林飛1李春福1丁利群2邵國勝1, *

（1中國水稻研究所, 杭州 310006;2浙江省開化縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局, 浙江 開化 324300;*通信聯(lián)系人, E-mail: shaoguosheng@caas.cn）

【目的】為了探究低溫冷害脅迫后水分/濕度對水稻幼苗根系活力和水分運(yùn)輸?shù)鹊挠绊?，【方法】以具有低溫耐性差異的嘉秈7號和輻8329兩個(gè)水稻品種為研究材料進(jìn)行低溫脅迫處理后，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)Ⅰ（不同濕度梯度，正常溫度培養(yǎng)條件下）和實(shí)驗(yàn)Ⅱ（快速回溫處理實(shí)驗(yàn)，以正常溫度恢復(fù)為對照）?！窘Y(jié)果】實(shí)驗(yàn)Ⅰ結(jié)果表明，與較低濕度（30%）相比，較高的濕度（60%和90%）可以提高根系活力，有效保證水稻幼苗的存活率并緩解其遭受的低溫冷害。水孔蛋白基因和的表達(dá)水平與根系活力密切相關(guān)，對水稻的抗寒和低溫耐性具有顯著的調(diào)控作用。實(shí)驗(yàn)Ⅱ結(jié)果表明，與對照組（CK）相比，快速回溫處理后水稻幼苗的含水量和根系活力顯著降低；且正常自然恢復(fù)狀態(tài)下，兩個(gè)水稻品種的存活率明顯高于快速回溫組幼苗。【結(jié)論】低溫脅迫顯著影響水稻幼苗的生長發(fā)育過程。較高的濕度環(huán)境有助于緩解幼苗的低溫冷害損傷，保證存活率。同時(shí)，低溫脅迫后的外界環(huán)境濕度對水稻幼苗的含水量、根系活力和水孔蛋白相關(guān)基因表達(dá)有顯著影響，其中和的表達(dá)水平與根系活力正相關(guān)，在水稻幼苗抵御外界低溫冷害過程中起重要作用。因此，與低溫脅迫后田間大量灌溉相比，正常溫度下土壤緩慢的溫度上升對幼苗的根系活力影響較小，有助于其在低溫冷害后恢復(fù)生命活動。

水稻；低溫脅迫；基因表達(dá)；根系活力；水孔蛋白；水分含量

水稻作為主要糧食作物之一，其產(chǎn)量受到外界環(huán)境的影響，其中水稻苗期的低溫冷害是影響我國南方早稻產(chǎn)量的重要因素之一。低溫冷害會嚴(yán)重?cái)_亂水稻等農(nóng)作物的生長及生理代謝，導(dǎo)致其生長緩慢，抑制有效穗的形成，甚至引起青枯死亡，最終影響水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)[1, 2]。水稻是喜濕耐濕的農(nóng)作物，水分調(diào)控在水稻的生命活動中尤為重要，主要影響其蒸騰作用、光合和呼吸作用，以及其他激素調(diào)節(jié)相關(guān)的生理生化過程[3, 4]。低溫加重了水稻植株的水分脅迫，導(dǎo)致植物的含水量降低，誘發(fā)細(xì)胞間嚴(yán)重失水。不同濕度環(huán)境對植物低溫冷害具有不同的影響，在低溫處理下高濕度環(huán)境具有較強(qiáng)的抗失水能力，能有效緩解細(xì)胞膜滲漏等[5]。此外，低溫還能影響水稻的根數(shù)、根長、根系活力等[6-8]，其中，對根系活力的影響尤為顯著。水稻苗期對低溫的耐性在不同品種間存在顯著差異，其中粳稻對低溫的耐性高于秈稻[8]，且低溫耐性與水稻的生育期密切相關(guān)[1, 2, 9]。

低溫脅迫時(shí)，植物會通過調(diào)節(jié)自身的脅迫應(yīng)答機(jī)制和水分的內(nèi)穩(wěn)態(tài)來維持細(xì)胞的正常生長和發(fā)育，其中具有介導(dǎo)水分跨膜運(yùn)輸?shù)乃椎鞍自谒终{(diào)控途徑中起重要作用[10]，且低溫脅迫應(yīng)答機(jī)制與水孔蛋白密切相關(guān)[11]。研究表明在低溫脅迫下，不同的水孔蛋白相關(guān)基因的表達(dá)模式各不相同，且在不同程度低溫脅迫下，同一水孔蛋白基因表達(dá)的方式在植物不同組織器官中也呈不同變化趨勢[12]。根據(jù)多肽序列的特異性及其分布差異，在高等植物中水孔蛋白主要被分為PIPs（plasma membrane intrinsic proteins）、TIPs（tonoplast intrinsic proteins）、NIPs（nodulin26-like intrinsic proteins）、SIPs（small and basic intrinsic proteins）。其中，水孔蛋白PIPs和TIPs具有較高的蛋白活性和輸水滲透能力。此外，Danielson等[13]在植物中發(fā)現(xiàn)還存在第五類亞家族水孔蛋白XIPs（X intrinsic proteins），但單子葉中并不存在該水孔蛋白。在水稻中已發(fā)現(xiàn)至少有38個(gè)水孔蛋白在保持水分平衡方面有重要的作用[14]。低溫脅迫下，植物水孔蛋白相關(guān)基因的表達(dá)會受到嚴(yán)重影響。在水稻苗期低溫脅迫后，除去，大部分水稻質(zhì)膜基因的表達(dá)均顯著降低[15, 16]，表明基因與低溫脅迫耐性相關(guān)[17]。在擬南芥中，水孔蛋白相關(guān)基因均對低溫脅迫產(chǎn)生響應(yīng)，其中的表達(dá)水平呈上調(diào)趨勢，其他水孔蛋白相關(guān)基因的表達(dá)均受到顯著抑制[12]；同時(shí)，在水稻中，Ahamed等[11]發(fā)現(xiàn)在根系低溫（10℃）處理而地上部常溫（25℃）的條件下基因的表達(dá)量也顯著增加，表明水孔蛋白OsPIP2;5在改善低溫條件下的水分交換和運(yùn)輸中起重要作用。Kuwagata等[18]研究發(fā)現(xiàn)根系在低溫處理后2個(gè)根特異性水通道蛋白基因和的表達(dá)水平顯著升高。此外，Sakurai等[19]研究發(fā)現(xiàn)在受到低溫冷害脅迫時(shí)，水孔蛋白相關(guān)基因的表達(dá)水平會受到顯著抑制，而在25℃或常溫恢復(fù)過程中，其表達(dá)水平會逐漸上調(diào)。低溫脅迫對水孔蛋白的轉(zhuǎn)錄水平影響十分復(fù)雜，且由于水孔蛋白不僅參與細(xì)胞水分子的轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝，也介導(dǎo)其他分子物質(zhì)（甘油、尿素、CO2等）的跨膜輸送[20]。因此，目前對水孔蛋白如何調(diào)控低溫脅迫的作用機(jī)制尚不十分清楚。本研究以低溫耐性差異的2個(gè)秈稻品種為研究對象，進(jìn)行沙土培養(yǎng)，觀察其在不同低溫脅迫后的表型，評估低溫脅迫后不同濕度恢復(fù)處理下的耐冷性，測定快速回溫處理后相關(guān)的生理指標(biāo)等，運(yùn)用實(shí)時(shí)熒光定量PCR分子技術(shù)研究水孔蛋白在苗期水稻低溫脅迫下表達(dá)量的變化情況，為早稻苗期低溫傷害控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

通過前期低溫耐性篩選實(shí)驗(yàn)，選用具有低溫耐性差異的嘉秈7號和輻8329兩個(gè)秈稻品種為研究材料，其中嘉秈7號為低溫敏感型水稻品種，輻8329為低溫耐型水稻品種。上述水稻材料在中國水稻研究所浙江杭州富陽基地試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

1.2 種植方法和低溫脅迫

種子經(jīng)0.5%次氯酸鈉消毒5 min后用自來水沖洗3遍，清水中浸種48 h后于35℃下催芽24 h。將發(fā)芽種子均勻播于裝有洗凈沙子的發(fā)芽盒中，每盒播種4 g（約100粒飽滿種子）。常溫培養(yǎng)，待幼苗長至2葉1心進(jìn)行低溫脅迫處理。在進(jìn)行低溫處理前，發(fā)芽盒加入2 cm清水。低溫處理在人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行，溫度設(shè)置為10℃（10℃晝/10℃夜），低溫脅迫處理3 d，自然光照，相對濕度75%，各處理3次重復(fù)。

1.3 不同濕度梯度實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)I）

低溫脅迫處理3 d后進(jìn)行不同濕度恢復(fù)培養(yǎng)處理（28℃晝/22℃夜），采用培養(yǎng)箱控制濕度，按照大氣環(huán)境中的雨天（高濕度90%）、陰雨天（中濕度60%）和晴朗天（低濕度30%）的濕度設(shè)置，光照強(qiáng)度為72 μmol/(m2·s)，13 h光照/11 h黑暗，不同濕度處理時(shí)間為5 d，每個(gè)處理各3次重復(fù)。同時(shí)將溫度計(jì)插入沙子中，深約5 cm，每隔1 h觀測并記錄溫度，直至恢復(fù)至常溫?；謴?fù)處理5 d后對嘉秈7號和輻8329兩個(gè)秈稻品種進(jìn)行取樣，保存于?80℃低溫冰箱中，待后續(xù)實(shí)驗(yàn)測定相關(guān)指標(biāo)。幼苗存活率 =（總幼苗數(shù)量?幼苗死亡數(shù)量）/總幼苗數(shù)量。水稻根系活力采用氯化三苯基四氮銼（TTC）法進(jìn)行測定，方法參考趙世杰等[21]。操作過程略有改進(jìn)，具體步驟如下：選取不同濕度處理的嘉秈7號和輻8329根系0.5 g放入燒杯中，加入提取混合液（0.4％TTC溶液，pH為7.0 0.1 mol/L磷酸緩沖液）(∶= 1∶1)。以先加入根系樣品和硫酸（室溫放置10～15 min），再加入提取混合液為空白對照。將上述根系樣品在37℃黑暗培養(yǎng)箱中放置3 h，加入2 mL 1 mol/L硫酸終止反應(yīng)。將反應(yīng)后的根系用吸水濾紙吸干水分放于研缽內(nèi)，加入4 mL乙酸乙酯研磨成勻漿，用2 mL的乙酸乙酯沖洗2～3次后定容至終體積為10 ml。采用紫外分光光度計(jì)在波長485 nm下進(jìn)行比色。換算公式為四氮唑還原強(qiáng)度（mg·g?1h?1）＝四氮唑還原量/（根質(zhì)量×?xí)r間）。

1.4 快速回溫試驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)II）

低溫脅迫處理3 d后進(jìn)行快速回溫恢復(fù)試驗(yàn)，設(shè)置兩個(gè)處理：一組為對照處理（CK，control treatment）：按照外界溫度正常恢復(fù)培養(yǎng)3 d；另一組為快速回溫處理（QR，quick rewarming treatment），將低溫處理后的表層水倒掉，迅速加入常溫（25℃）清水，反復(fù)沖洗5～6次，每個(gè)處理各3次重復(fù)。同時(shí)觀察沙土溫度變化（沙土中插入溫度計(jì)，深約5 cm，每隔1 h觀測并記錄溫度，直至恢復(fù)至常溫）。按照不同時(shí)間段（0、4、8 h）取樣測定兩個(gè)水稻品種根系和地上部的含水量和根系活力。含水量 = 植株組織鮮重―干質(zhì)量；稻根系活力采用上述氯化三苯基四氮銼（TTC）法進(jìn)行測定。

1.5 水孔蛋白相關(guān)基因熒光定量分析

以不同濕度梯度實(shí)驗(yàn)中嘉秈7號和輻8329兩個(gè)秈稻品種的根系為樣品，進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析，測定相關(guān)水孔蛋白基因的表達(dá)情況（引物序列參考Sakurai-Ishikawa等[22]）。采用TRIZOL法提取植物根系總RNA，運(yùn)用反轉(zhuǎn)錄試劑盒（TaKaRa）將RNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA后，以18S rRNA為內(nèi)參，以30%濕度梯度為對照，運(yùn)用實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀（ABI, Thermo Fisher Scientific, 美國）和總體積為20 μL反應(yīng)體系進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR（qRT-PCR），采用2方法計(jì)算數(shù)據(jù)[23]。利用Microsoft Excel 2013繪圖，應(yīng)用-檢驗(yàn)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

1.6 數(shù)據(jù)方差分析

用Microsoft Excel 2013 和Statistix 9方差分析軟件（Analytical Software Tallahassee, FL）對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（< 0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫處理

將嘉秈7號和輻8329兩個(gè)秈稻品種培養(yǎng)至兩葉一心進(jìn)行低溫脅迫處理（圖1-A）。結(jié)果顯示低溫處理1 d后，兩個(gè)品種的水稻葉片由正常逐漸轉(zhuǎn)為卷曲，且兩種材料均出現(xiàn)不同程度的萎蔫（圖1-B）。處理3 d后，輻8329的葉片大部分呈展開狀態(tài)，但嘉秈7號的葉片還處于卷曲狀態(tài)（圖1-C）。結(jié)果表明，輻8329對低溫的耐性和適應(yīng)能力明顯高于嘉秈7號。

2.2 低溫脅迫后不同濕度恢復(fù)處理（實(shí)驗(yàn)I）

2.2.1 表型變化和幼苗存活率

低溫處理后將兩個(gè)材料進(jìn)行不同濕度恢復(fù)處理（圖2）。結(jié)果顯示，隨著處理濕度的提高兩個(gè)水稻品種的葉片均出現(xiàn)不同程度的葉尖枯死，且低濕度（30%）處理下的嘉秈7號水稻葉尖枯死的癥狀明顯要高于中濕度（60%）和高濕度（90%），但在輻8329中，三個(gè)濕度梯度下，幼苗的葉尖枯死癥狀基本一致（圖2-A, B）。同時(shí)，秧苗的存活率結(jié)果顯示，恢復(fù)常溫處理3 d后，隨著處理濕度的提高，嘉秈7號的幼苗存活率極顯著提高，其中在低濕度處理下幼苗存活率約為45.33%，中濕度處理下為60.00%，而高濕度（90%）下幼苗存活率最高，約86.67%；但在輻8329秈稻品種中，在三個(gè)濕度處理下的幼苗存活率基本一致（≥94.67%）（圖2-D）。沙子溫度變化結(jié)果（圖2-C）顯示，各處理之間沙子溫度在低溫處理（10℃）后1～3 h均逐漸升至常溫，但在0.5～1 h的范圍內(nèi)溫度變化最為明顯，其中嘉秈7號在高濕度（90%）常溫處理下增幅最為顯著，約12.88℃，但在低濕度（30%）下沙子溫度僅增加了8.2℃，兩者相差4.77℃；同樣輻8329在高濕度（90%）和低濕度（30%）下的增溫幅度相差4.4℃。而在中濕度（60%）環(huán)境下兩個(gè)水稻品種沙子溫度恢復(fù)情況較為一致。綜上所述，較高的濕度可以有效緩解低溫對幼苗的傷害，同時(shí)，與低濕度相比，高濕度具有更高的抗失水能力，且輻8329的低溫耐性高于嘉秈7號。

A―低溫處理前；B―低溫處理1 d后；C―低溫處理3 d后。

Fig. 1. Phenotype of Jiaxian 7 and Fu 8329 after 3 days of low temperature treatment.

A－嘉秈7號在低濕度（30%）、中濕度（60%）和高濕度（90%）三個(gè)濕度處理5 d的表型；B―輻8329在三個(gè)濕度處理5 d的表型；C―嘉秈7號和輻8329在不同濕度處理下沙子溫度變化；D，嘉秈7號和輻8329在三個(gè)濕度處理5 d后的幼苗存活率。數(shù)值表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n=3）。不同小寫字母表示幼苗存活率在處理之間的差異達(dá)0.05顯著水平。

Fig. 2. Phenotype, sand temperature and survival rate of Jiaxian 7 and Fu 8329 under different humidity after low temperature stress.

同時(shí)在不同濕度恢復(fù)處理5 d后進(jìn)行水稻根系活力的檢測。表1結(jié)果顯示，在嘉秈7號的根系中，低濕度（30%）、中濕度（60%）和高濕度（90%）常溫恢復(fù)處理下的根系活力分別為129.75、170.92和97.48 mg/(g·h)；而輻8329的根系活力分別為144.84、404.19和161.63 mg/(g·h)。結(jié)果表明中濕度（60%）處理下兩個(gè)品種的根系活力最高。在嘉秈7號的根系中，中濕度（60%）處理下的根系活力較低濕度（30%）與高濕度（90%）分別高出31.77%與75.34%，而輻8329的根系活力則分別增加約179.05%和150.08%；且輻8329的根系活力在三個(gè)濕度處理下均顯著高于嘉秈7號，尤其是在中濕度（60%）處理下的根系活力與嘉秈7號相比增加約136.48%。表明不同濕度對水稻根系活力有顯著影響，且根系活力與水稻低溫耐性相關(guān)。

數(shù)值表示±SD（n=3）（t-test）；**，表示極顯著差異P < 0.01。

Fig. 3. Effect of humidity treatments after chilling stress on relative expression levels of aquaporin-related genes in roots of Jiaxian 7 and Fu 8329.

表1 嘉秈7號和輻8329三個(gè)不同濕度處理5 d后的根系活力

數(shù)值表示平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（=3），表格中不同的小寫字母表示兩品種間的差異達(dá)0.05顯著水平。

Data were means ± standard deviation (SD) from three replicated experiments (= 3). Different lowercase letters represent significant differences (< 0.05).

2.2.2 不同濕度處理下水孔蛋白相關(guān)基因表達(dá)量分析

在不同濕度（30%、60%和90%）恢復(fù)處理下，對根系的水孔蛋白相關(guān)基因表達(dá)量進(jìn)行分析（圖3），結(jié)果顯示，11個(gè)水孔蛋白相關(guān)基因;1，;2，;3，;1，;2，;4，;5，;6，;1，;1，;2）在嘉秈7號和輻8329根系中的表達(dá)變化趨勢相同。與30%濕度梯度相比，9個(gè)基因的表達(dá)量隨著濕度梯度的增加呈極顯著降低趨勢（<0.01）。但在60%濕度下，;5和;6基因表達(dá)量極顯著上調(diào)，其中;5基因的表達(dá)量在30%濕度和90%濕度之間無顯著性差異，;6基因的表達(dá)量在90%濕度下又呈降低趨勢。此外，在60%濕度條件下，輻8329根系中;5的表達(dá)量要高于嘉秈7號；而;6基因的表達(dá)量在兩個(gè)品種中無顯著差異。結(jié)果表明，;5和;6基因在水孔蛋白調(diào)控水分運(yùn)輸途徑和水稻低溫耐性中起作用，其中;5基因起主要作用。

2.3 低溫脅迫后快速回溫處理（實(shí)驗(yàn)II）

2.3.1 表型和存活率分析

對嘉秈7號和輻8329兩個(gè)品種進(jìn)行快速回溫實(shí)驗(yàn)處理（圖4），結(jié)果顯示在常溫恢復(fù)5 h后，對照組（CK）中嘉秈7號的葉片開始卷曲，而該品種快速回溫組（QR）葉尖出現(xiàn)卷曲枯黃；但輻8329的葉片在兩個(gè)處理中一直處于正常展開狀態(tài)。常溫培養(yǎng)3 d后，在CK組中，嘉秈7號和輻8329葉片的葉尖均出現(xiàn)不同程度的發(fā)黃枯萎，但嘉秈7號中的葉片枯萎程度顯著高于輻8329；在快速回溫組中，嘉秈7號的植株均出現(xiàn)不同程度的枯萎和死亡，而輻8329植株僅葉尖枯萎，但整個(gè)植株的表型還處于正常生長狀態(tài)。研究結(jié)果顯示，在低溫脅迫處理后，進(jìn)行土壤快速回溫處理會加劇水稻植株的發(fā)黃枯萎，甚至死亡。表明在遭受低溫傷害后進(jìn)行水分灌溉可能會加劇水稻幼苗的枯萎死亡，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低。

A－對照組（CK）；B－快速回溫組（QR）處理5 h后；C，常溫恢復(fù)3 d后的表型；D，快速回溫處理后沙子溫度變化；E，快速回溫處理后的幼苗存活率。數(shù)值表示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n=3），不同的小寫字母表示水稻幼苗率在處理之間的顯著性差異（P < 0.05）。

Fig. 4. Phenotype, sand temperature and survival rate of Jiaxian 7 and Fu 8329 after quick rewarming.

表2 快速回溫和常溫恢復(fù)對低溫脅迫處理后的嘉秈7號和輻8329根系活力的影響

數(shù)值表示±標(biāo)準(zhǔn)差（=3）。數(shù)字后不同小寫字母表示差異達(dá)顯著水平(<0.05)。

Data were Mean±SD from three replicated experiments(=3). Different lowercase letters represent significant differences(<0.05).

CK表示對照，QR表示快速回溫處理，數(shù)值表示±SD（n=3），柱形圖上不同的小寫字母表示P < 0.05。A和B表示地上部和根系的水分含量（g）；C和D表示地上部和根系的含水量（%）。

Fig. 5. Moisturecontent and water content in shoots and roots of Jiaxian 7 and Fu 8329 after 0, 4 and 8 h of treatment.

同時(shí)檢測沙子溫度變化結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖4-D），處理0.5～3 h，快速回溫組（QR）中兩個(gè)水稻品種沙子溫度恢復(fù)至常溫的速度快于CK，且在常溫培養(yǎng)4 h后兩個(gè)處理的沙子溫度均趨于常溫。兩個(gè)處理的水稻幼苗存活率結(jié)果顯示（圖4-E），嘉秈7號對照組和快速回溫組水稻幼苗存活率分別約為88.45%和37.07%；而輻8329對照組和快速回溫組的幼苗存活率則在96.91%以上。表明低溫敏感水稻材料嘉秈7號快速回溫組的幼苗存活率低于對照組，低溫耐性水稻材料輻8329的幼苗存活率在兩個(gè)處理下無顯著差異。

2.3.2 植株水分含量動態(tài)變化和根系活性分析

水稻植株根系與地下部水分質(zhì)量（g）和含水量（%）在0、4、8 h內(nèi)呈現(xiàn)動態(tài)變化（圖5）。無論地上部還是根系組織水分質(zhì)量都隨著時(shí)間增加而降低，且根系水分質(zhì)量整體低于地上部（水分質(zhì)量按植株組織鮮重減去干質(zhì)量計(jì)算）。在常溫處理0 h到8 h期間，嘉秈7號和輻8329的根系水分質(zhì)量在對照組中分別降低近38.15%和49.92%，在快速回溫組中兩者也均呈顯著降低趨勢，約26.93%和43.15%。與根系相似，在地上部的水分質(zhì)量中均顯著降低。在對照組和快速回溫組中嘉秈7號的地上部水分質(zhì)量分別顯著降低約27.88%和27.27%，輻8329的水分質(zhì)量則分別降低近9.00%和7.75%。同時(shí)地上部和根系的含水量（%）的變化趨勢與水稻植株的水分含量的變化趨勢相似（含水量用水分含量占鮮重的百分比來表示）。結(jié)果表明在低溫脅迫后常溫恢復(fù)過程中水稻植株（根系和地上部）的水分質(zhì)量和含水量均會呈降低趨勢，尤其是地上部的水分質(zhì)量下降的更為明顯；此外輻8329（低溫耐受型水稻品種）具有更好的水分保持能力。

同時(shí)檢測兩者的根系活力結(jié)果顯示（表2），在低溫脅迫處理后進(jìn)行對照和快速回溫處理的0 h時(shí)，快速回溫組中的嘉秈7號和輻8329的根系活力極顯著高于對照組，分別增加約100.31%和35.24%，且低溫耐受材料輻8329中的根系活力在對照組和快速回溫組中均低于低溫敏感材料嘉秈7號。即低溫脅迫快速回溫處理后，輻8329恢復(fù)根系活力較嘉秈7號弱，表明輻8329具有更適宜低溫刺激的應(yīng)答機(jī)制。在常溫繼續(xù)培養(yǎng)3 d后，在兩個(gè)處理下嘉秈7號和輻8329的根系活力均有顯著提高；但與培養(yǎng)3 d后CK相比，嘉秈7號和輻8329快速回溫處理下的根系活力均極顯著降低約76.26%和71.74%，且輻8329的根系活力在CK和QR處理下均極顯著高于嘉秈7號。表明低溫脅迫對植株的根系活力有顯著影響，正常自然緩慢恢復(fù)的生存環(huán)境更加有利于植株根系活力的恢復(fù)和生長發(fā)育，且輻8329具有較高的低溫耐受能力。

3 討論

低溫對水稻的生長發(fā)育、光合作用和生理生化等過程有顯著影響，尤其是苗期的低溫冷害，對水稻的存活率、產(chǎn)量和品質(zhì)有顯著相關(guān)性[2, 24]。低溫脅迫導(dǎo)致水稻在幼苗時(shí)期生命力較弱，葉片卷曲且萎蔫[25]，導(dǎo)致后期重要的生育期出現(xiàn)死苗情況，說明低溫冷害對水稻的產(chǎn)量將會有較大影響。環(huán)境濕度是影響植物生長發(fā)育的重要因子之一，調(diào)節(jié)低溫冷害對水稻生長環(huán)境濕度與幼苗的抗寒性密切相關(guān)。因此，采用對溫度耐受性存在差異的水稻品種嘉秈7號與輻8329進(jìn)行不同濕度梯度實(shí)驗(yàn)，對低溫的適應(yīng)機(jī)制具有一定的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與較低濕度相比，較高的濕度環(huán)境可以有效緩解水稻幼苗遭受的低溫冷害，具有更好的抗失水能力，有效保證了水稻幼苗的存活率。高濕度（90%）能增加水稻幼苗的持水能力，原因可能在于高濕度可以減緩環(huán)境水氣對植物表面的壓力，降低由于蒸騰作用導(dǎo)致的氣孔失水[5]。此外，不同濕度對水稻幼苗的根系活力影響較大，在60%的濕度條件下，嘉秈7號和輻8329的根系活力顯著高于其他濕度。水孔蛋白在植物體抵御低溫冷害脅迫方面起重要作用[26]。在擬南芥中，基因的過表達(dá)可以顯著提高植株的低溫耐性[27]。在水稻中，根系特異性水通道蛋白OsPIP2;5控調(diào)根系對水分吸收和滲透應(yīng)對低溫冷害脅迫[1, 18, 19]。在本研究中發(fā)現(xiàn)，水孔蛋白基因和的表達(dá)水平與根系活力密切相關(guān)，其在調(diào)控根系吸收和運(yùn)輸水分的途徑中起重要作用，對水稻的抗寒和低溫耐性具有顯著的調(diào)控作用。因此，低溫冷害導(dǎo)致根系活力降低，抑制根系對水分吸收和運(yùn)輸，植物體進(jìn)而誘導(dǎo)啟動相關(guān)的應(yīng)答機(jī)制（提高水孔蛋白相關(guān)基因的表達(dá)水平等）；同時(shí)外界較高的濕度環(huán)境可以有效地緩解低溫冷害對水稻幼苗脅迫，有利于植物體水分的保持和后期的生長發(fā)育，保證水稻產(chǎn)量。

植株體保持水分主要通過兩種途徑：1)根系從土壤中的水分吸收增加，進(jìn)而提高其向地上部的輸送；2)地上部減少水分需求（主要表現(xiàn)為蒸騰作用）從而控制植株的含水量。因此，植物根系和地上部在水分吸收方面起著重要作用，且與根系的水分傳導(dǎo)和地上部葉片的蒸騰作用息息相關(guān)[28]。土壤低溫會顯著抑制根系對水分的吸收和運(yùn)輸[29]。在長期低溫脅迫后環(huán)境氣溫迅速升高，水稻幼苗易青枯發(fā)黃。這主要是由于幼苗在長期低溫后，根系活力較弱；而當(dāng)外界環(huán)境氣溫驟升時(shí)，幼苗地上部對水分需求增加，而土壤溫度上升緩慢，較低的根系活力并不能滿足葉片對水分的需求，導(dǎo)致葉片迅速失水、青枯，進(jìn)而死亡。因此，低溫對水稻幼苗的傷害可能是由于植株地上部的水分虧缺引起的[3, 8]。在自然溫度恢復(fù)條件下和快速回溫恢復(fù)處理后嘉秈7號和輻8329幼苗的存活率和根系活力均存在顯著差異。表明短時(shí)間內(nèi)土壤的升溫有助于提升根系活力，但植株地上部還處于低溫脅迫沒有完全適應(yīng)土壤環(huán)境溫度的變化，抑制了植物根系的水分吸收和運(yùn)輸，導(dǎo)致快速回溫常溫恢復(fù)后的根系活力顯著低于正常恢復(fù)條件。

低溫脅迫對植株的含水量和根系活力有顯著影響，較高的濕度環(huán)境和正常自然緩慢恢復(fù)的生存環(huán)境更加有利于植株生長發(fā)育。研究表明在低溫冷害出現(xiàn)前，對農(nóng)作物進(jìn)行田間灌水/淹水可以起到增溫保濕的作用，有效的減輕低溫對其的脅迫傷害，降低幼苗死亡率[30-32]，但低溫脅迫后短時(shí)間的田間灌水則會加重水稻的低溫冷害，原因在于驟升的外界環(huán)境會破壞水稻胞質(zhì)間的水分穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致植物體無法通過自我調(diào)控（降低根系活力和維持植株含水量等）以應(yīng)對外界環(huán)境的冷害刺激。

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Effects of Moisture Content on Root Vigor and the Expression of Aquaporin-related Genes in Rice Seedlings Under Low Temperature Stress

HUANG Qina1, #, JIANG Su2, #, WANG Limin2, ZHANG Yan1, YU Linfei1, LI Chunfu1, DING Liqun2, SHAO Guosheng1, *

(1China National Rice Research Institute, Hangzhou 310006,China;2Agriculture and Rural Affairs Bureau of Kaihua County, Zhejiang Province,Kaihua 324300, China;*Corresponding author, E-mail: shaoguosheng@caas.cn)

【Objective】The purpose of this study is to explore the effects of moisture content or humidity on root vigor and water transport of rice seedlings under low temperature stress. 【Method】Two rice cultivars (Jiaxian7 and Fu8329) with different chilling tolerance were used as materials. Experiment I (humidity30%, 60% and 90%) and experiment Ⅱ (quick rewarming experiment) were carried out. 【Result】Compared with lower humidity (30%), higher humidity (60% and 90%) could effectively increase the root vigor, ensure the survival rate of rice seedlings and alleviate the chilling injury.The expression level ofandwere closely related to root vigor, which had a significant regulatory effect on cold tolerance of rice. Compared with normal rewarming treatment (CK), the water content and root vigor of rice seedlings were decreased after quick rewarming treatment. The survival rate in CK was significantly higher than in the quick rewarming experiment. 【Conclusion】 Low temperature stress affects the growth and development of rice seedlings.After chilling injury, high humidity can alleviate thedamageand ensure the rice survival rate.Humidity environment after low temperature stress significantly influenced the water content, root vigor and the expression levels of genes related to aquaporin. The expression levels ofandwere positively correlated with root vigor, and played an important role in resistance to cold injury of rice seedlings.Therefore, compared with large-scale irrigation in the field after low temperature stress, the slow soil temperature rise had less effect on root vigor and can help rice seedlings to restore their life activities.

rice; low temperature stress; gene expression; root vigor; aquaporin; moisturecontent

10.16819/j.1001-7216.2022.210805

2021-08-09；

2021-10-02。

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(CPSIBRF-CNRRI-202121)；中國水稻研究所所級重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(CNRRI-2020-05)。