分蘗期低溫脅迫下施用外源物質(zhì)對(duì)寒地粳稻生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響

趙宏偉，張 妍，賈 琰，瞿炤珺，王 喆，李 曉，張盛楠，吳志強(qiáng)，高文碩

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，哈爾濱 150030）

全球氣候變化導(dǎo)致自然氣象災(zāi)害頻發(fā)，低溫冷害是限制作物生長(zhǎng)發(fā)育主要逆境之一。黑龍江省是我國(guó)粳稻種植大省，分蘗期低溫冷害時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重影響寒地粳稻生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成。王立志等研究表明，分蘗期低溫脅迫下水稻分蘗數(shù)減少，最高分蘗數(shù)、分蘗發(fā)生速度和分蘗消亡速度下降[1]；葉面積指數(shù)、高效葉面積和葉片生長(zhǎng)速度顯著降低，干物質(zhì)積累和產(chǎn)量顯著下降[2]。王艷春等認(rèn)為分蘗期低溫冷害造成水稻代謝機(jī)能紊亂，生育期推遲，穗數(shù)和粒數(shù)減少，且低溫脅迫時(shí)間越長(zhǎng)，危害越重[3]。耿立清等認(rèn)為分蘗期低溫脅迫下稻株葉色變淡，有效分蘗終止期延遲，產(chǎn)量下降[4]。因此，開(kāi)展水稻分蘗期低溫冷害防控研究對(duì)黑龍江省水稻生產(chǎn)具有重要意義。

逆境脅迫下GABA、SA和Pro對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育起重要調(diào)節(jié)作用[5-7]。GABA廣泛存在于植物中，與其抗逆性密切相關(guān)[8]；施用GABA可減輕小麥幼苗因寒冷而引起的氧化損傷[9]。SA是一種植物內(nèi)源酚類(lèi)物質(zhì)，具有抵抗逆境作用[10]；徐芬芬等研究表明低溫條件下施用SA影響水稻幼苗生理生化特征，提高水稻抗冷性[11-12]。低溫時(shí)Pro可穩(wěn)定植物物質(zhì)代謝[13]，增強(qiáng)水稻耐冷性[14]。綜上所述，低溫脅迫下外源施用GABA、SA和Pro可調(diào)控作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，提高其耐冷性。外源物質(zhì)通常具有濃度效應(yīng)，并與作物類(lèi)型、發(fā)育階段、脅迫強(qiáng)度和施用方式等有關(guān)，目前缺乏GABA、SA和Pro對(duì)分蘗期低溫脅迫下寒地粳稻調(diào)控效應(yīng)相關(guān)報(bào)道。因此，本文在分蘗期低溫脅迫下葉面噴施3種外源物質(zhì)，通過(guò)寒地粳稻生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量確定最適濃度，為建立寒地粳稻耐低溫脅迫化控栽培技術(shù)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

東農(nóng)428屬耐冷型品種，冷水處理空殼率為7.93%～9.00%；松粳10屬冷敏感品種，冷水處理空殼率為14.98%[15]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)阿城實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地開(kāi)展試驗(yàn)。采用3個(gè)獨(dú)立裂區(qū)設(shè)計(jì)，分別以GABA、SA和Pro施用濃度為主區(qū)（外源物質(zhì)濃度見(jiàn)表1），水稻品種為副區(qū)。4月18日播種，5月24日移栽。行距30 cm，穴距13.3 cm，每穴3株，每區(qū)面積15 m2，各區(qū)之間留有保護(hù)行。

表1 外源物質(zhì)及濃度Table 1 Exogenous substancesand concentrations

試驗(yàn)以正常灌溉為對(duì)照（CK），水稻分蘗始期以10 d 15℃冷水灌溉[16-17]作低溫處理，每日6:00～20:00，用Pt100溫度計(jì)每隔5 min測(cè)量各區(qū)水溫，每隔30 min計(jì)算平均水溫，通過(guò)調(diào)節(jié)冷水灌入量及水流速度，冷水處理各區(qū)水溫維持15℃[18]。于冷水灌溉第1天15:00～15:30（晴朗無(wú)風(fēng)），葉面噴施不同濃度外源物質(zhì)（各溶液均含0.1%（V/V）Tween-20附著劑），0.5 L·m-2。其他管理同一般大田生產(chǎn)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 分蘗

水稻返青后各區(qū)定點(diǎn)選取3穴整齊一致稻株掛牌標(biāo)記，自低溫處理第1天結(jié)束后每5 d調(diào)查一次，至抽穗期結(jié)束。

1.3.2 株高

水稻返青后各區(qū)定點(diǎn)選取3穴整齊一致稻株掛牌標(biāo)記，自低溫處理第1天結(jié)束后每5 d調(diào)查一次，至齊穗期結(jié)束。

1.3.3 干物質(zhì)

水稻返青后各區(qū)選取整齊一致稻株掛牌標(biāo)記，分別于分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、乳熟期，成熟期取樣，每處理取3穴，測(cè)定全株干物重。

1.3.4 葉面積

水稻返青后各區(qū)定點(diǎn)選取3穴整齊一致稻株掛牌標(biāo)記，分別于分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、乳熟期，成熟期測(cè)量葉長(zhǎng)和最大葉寬，計(jì)算葉面積指數(shù)。抽穗期測(cè)定時(shí)，葉面積分為總?cè)~面積（所有綠葉面積）、高效葉面積（有效莖蘗頂三葉的葉面積）和有效葉面積（有效莖蘗的葉面積）。

1.3.5 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

每區(qū)另取代表性稻株3穴，室內(nèi)考種，測(cè)定產(chǎn)量構(gòu)成因素并計(jì)算理論產(chǎn)量。

1.3.6 相關(guān)計(jì)算

① 光合勢(shì)（m2·d·m-2）=1/2（LAI1+LAI2）（t2-t1），LAI1和LAI2為前后2次測(cè)定葉面積指數(shù)，t1和t2為前后2次測(cè)定時(shí)間（d）

②有效葉面積率（%）=（有效葉面積指數(shù)/最大葉面積指數(shù)）×100%

③高效葉面積率（%）=（高效葉面積指數(shù)/最大葉面積指數(shù)）×100%

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS19.0作數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)寒地粳稻分蘗影響

由圖1～3可知，與分蘗期低溫脅迫相比，外源GABA、SA、Pro處理下寒地粳稻分蘗數(shù)均顯著增加，東農(nóng)428峰值提前（7月8日），其中2 mmol·L-1GABA、2 mmol·L-1SA和30 mmol·L-1Pro處理下寒地粳稻最高分蘗數(shù)增幅最大。與正常灌溉水平相比，施用2 mmol·L-1SA東農(nóng)428和松粳10最高分蘗數(shù)均高于正常灌溉水平；施用2 mmol·L-1GABA和30 mmol·L-1Pro東農(nóng)428和松粳10最高分蘗數(shù)與正常灌溉水平差異不顯著。

2.2 對(duì)寒地粳稻株高影響

由表2～4可知，寒地粳稻株高隨水稻生育期增加，齊穗期（8月12日）達(dá)最大，此后趨于穩(wěn)定。與分蘗期低溫脅迫相比，3種外源物質(zhì)均提高低溫脅迫下寒地粳稻株高。低溫脅迫下分別施用2 mmol·L-1GABA和30 mmol·L-1Pro，東農(nóng)428和松粳10株高均高于正常灌溉水平；施用1～2 mmol·L-1SA，東農(nóng)428株高高于正常灌溉水平；施用2 mmol·L-1SA，松粳10株高高于正常灌溉水平。

2.3 對(duì)寒地粳稻葉面積影響

由表5～6可知，寒地粳稻葉面積指數(shù)呈先升后降趨勢(shì)，抽穗期達(dá)最大值。與分蘗期低溫脅迫相比，外源GABA、SA、Pro顯著提高低溫脅迫下寒地粳稻抽穗期葉面積指數(shù)、高效葉面積率和有效葉面積率。

與分蘗期低溫脅迫相比，外源GABA處理下東農(nóng)428抽穗期葉面積指數(shù)、高效葉面積率和有效葉面積率增幅分別為15.72%～42.80%，4.13%～11.53%和3.38%～11.22%；松粳10分別增幅為23.77%～53.83%，4.56%～12.36%和2.87%～10.26%；其中2 mmol·L-1GABA處理下兩品種抽穗期葉面積指數(shù)、高效葉面積率和有效葉面積率增幅最大，該處理下兩品種抽穗期葉面積指數(shù)均顯著高于正常灌溉水平，高效葉面積率和有效葉面積率與正常灌溉水平差異不顯著。

與分蘗期低溫脅迫相比，外源SA處理下東農(nóng)428抽穗期葉面積指數(shù)、高效葉面積率和有效葉面積率增幅分別為13.45%～25.95%，3.30%～12.23%和4.22%～13.88%；松粳10增幅分別為16.11%～36.54%，2.05%～15.84%和2.30%～12.10%；其中2 mmol·L-1SA處理下兩品種抽穗期葉面積指數(shù)、高效葉面積率和有效葉面積率增幅最大。與正常灌溉水平相比，2 mmol·L-1SA處理下東農(nóng)428和松粳10抽穗期葉面積指數(shù)均高于正常灌溉水平，高效葉面積率和有效葉面積率與正常灌溉水平差異不顯著。

圖1 分蘗期低溫脅迫下施用GABA對(duì)寒地粳稻分蘗影響Fig.1 Effect of exogenousapplication GABA on tillersof rice in cold-region under low-temperature stress at tillering stage

圖2 分蘗期低溫脅迫下施用SA對(duì)寒地粳稻分蘗影響Fig.2 Effect of exogenousapplication SA on tillersof ricein cold-region under low-temperaturestressat tillering stage

與分蘗期低溫脅迫相比，外源Pro處理下東農(nóng)428抽穗期葉面積指數(shù)、高效葉面積率和有效葉面積率增幅分別為6.25%～22.73%，3.06%～8.68%和0.74%～13.67%；松粳10增幅分別為17.09%～23.97%， 4.56%～12.36%和 2.87%～10.26%；其中30 mmol·L-1Pro處理下兩品種抽穗期葉面積指數(shù)、高效葉面積率和有效葉面積率增幅最大，且與正常灌溉水平差異不顯著。

圖3 分蘗期低溫脅迫下施用Pro對(duì)寒地粳稻分蘗影響Fig.3 Effect of exogenousapplication Pro on tillers of rice in cold-region under low-temperaturestressat tillering stage

表2 分蘗期低溫脅迫下施用GABA對(duì)寒地粳稻株高影響Table 2 Effect of exogenous application GABA on plant height of rice in cold-region under low-temperaturestressat tillering stage (cm)

表3 分蘗期低溫脅迫下施用SA對(duì)寒地粳稻株高影響Table 3 Effect of exogenousapplication SA on plant height of rice in cold-region under low-temperature stress at tillering stage (cm)

表4 分蘗期低溫脅迫下施用Pro對(duì)寒地粳稻株高影響Table4 Effect of exogenous application Pro on plant height of rice in cold-region under low-temperature stress at tillering stage (cm)

表5 分蘗期低溫脅迫下施用GABA對(duì)寒地粳稻葉面積影響Table 5 Effect of exogenous application GABA on leaf area of rice in cold-region under low-temperature stress at tillering stage

表6 分蘗期低溫脅迫下施用SA對(duì)寒地粳稻葉面積影響Table 6 Effect of exogenousapplication SA on leaf area of ricein cold-region under low-temperature stress at tillering stage

表7 分蘗期低溫脅迫下施用Pro對(duì)寒地粳稻葉面積影響Table 7 Effect of exogenous application Pro on leaf area of rice in cold-region under low-temperaturestressat tillering stage

2.4 對(duì)寒地粳稻光合勢(shì)影響

由圖4～6可知，與分蘗期低溫脅迫相比，外源GABA、SA、Pro提高低溫脅迫下寒地粳稻不同生育階段光合勢(shì)，其中2 mmol·L-1GABA、2 mmol·L-1SA和30 mmol·L-1Pro處理下寒地粳稻光合勢(shì)增幅最大。與正常灌溉水平相比，低溫脅迫下施用2 mmol·L-1GABA，兩品種各生育階段光合勢(shì)大于正常灌溉水平（除乳熟期至成熟期松粳10光合勢(shì)）；分別施用2 mmol·L-1SA和30 mmol·L-1Pro東農(nóng)428各生育階段光合勢(shì)均大于正常灌溉。

2.5 對(duì)寒地粳稻干物質(zhì)積累影響

由圖7～9可知，隨生育進(jìn)程寒地粳稻干物質(zhì)積累量逐漸增加。與分蘗期低溫脅迫相比，外源GABA、SA、Pro處理均顯著提高低溫脅迫下寒地粳稻成熟期干物質(zhì)積累量。

與分蘗期低溫脅迫相比，外源GABA處理下東農(nóng)428和松粳10成熟期干物質(zhì)積累量增幅分別為18.67%～36.44%和11.12%～32.54%,其中2 mmol·L-1GABA處理下東農(nóng)428和松粳10干物質(zhì)積累量增幅最大。低溫脅迫下施用2 mmol·L-1GABA，東農(nóng)428和松粳10成熟期干物質(zhì)積累量均高于正常灌溉。

與分蘗期低溫脅迫相比，外源SA處理下東農(nóng)428和松粳10成熟期干物質(zhì)積累量增幅分別為23.67%～34.92%和8.32%～32.21%；其中2 mmol·L-1SA處理下東農(nóng)428和松粳10干物質(zhì)積累量增幅最大。低溫脅迫下施用2 mmol·L-1SA，東農(nóng)428和松粳10成熟期干物質(zhì)積累量均高于正常灌溉。

與分蘗期低溫脅迫相比，外源Pro處理下東農(nóng)428和松粳10成熟期干物質(zhì)積累量增幅為18.30%～28.99%和12.53%～26.96%；其中30 mmol·L-1Pro處理下東農(nóng)428和松粳10干物質(zhì)積累量增幅最大。低溫脅迫下施用30 mmol·L-1Pro，東農(nóng)428和松粳10成熟期干物質(zhì)積累量與正常灌溉水平差異不顯著。

圖4 分蘗期低溫脅迫下施用GABA對(duì)寒地粳稻光合勢(shì)影響Fig.4 Effect of exogenous application GABA on photosynthetic potential of rice in cold-region under low-temperature stress at tillering stage

圖5 分蘗期低溫脅迫下施用SA對(duì)寒地粳稻光合勢(shì)影響Fig.5 Effect of exogenousapplication SA on photosynthetic potential of ricein cold-region under low-temperature stress at tillering stage

2.6 對(duì)寒地粳稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素影響

由表8～10可知，與分蘗期低溫脅迫相比，外源施用GABA、SA、Pro均顯著提高低溫脅迫下寒地粳稻產(chǎn)量。與分蘗期低溫脅迫相比，外源GABA處理下東農(nóng)428和松粳10產(chǎn)量增幅分別為21.51%～45.88%和15.15%～44.49%，其中2 mmol·L-1GABA處理下東農(nóng)428和松粳10產(chǎn)量增幅最大，且顯著提高兩品種有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重以及松粳10結(jié)實(shí)率。低溫脅迫下施用2 mmol·L-1GABA，東農(nóng)428和松粳10產(chǎn)量與正常灌溉差異不顯著。

圖6 分蘗期低溫脅迫下施用Pro對(duì)寒地粳稻光合勢(shì)影響Fig.6 Effect of exogenous application Pro on photosynthetic potential of rice in cold-region under low-temperature stressat tillering stage

圖7 分蘗期低溫脅迫下施用GABA對(duì)寒地粳稻干物質(zhì)積累影響Fig.7 Effect of exogenous application GABA on dry matter accumulation of rice in cold-region under low-temperature stress at tillering stage

與分蘗期低溫脅迫相比，外源SA處理下東農(nóng)428和松粳10產(chǎn)量增幅分別為24.37%～48.67%和22.01%～45.76%；其中2 mmol·L-1SA處理下東農(nóng)428和松粳10產(chǎn)量增幅最大，且顯著提高兩品種有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率。低溫脅迫下施用2 mmol·L-1SA，東農(nóng)428和松粳10產(chǎn)量與正常灌溉水平差異不顯著。

與分蘗期低溫脅迫相比，外源Pro處理下東農(nóng)428和松粳10產(chǎn)量增幅分別為16.31%～47.24%和15.30%～44.88%；其中30 mmol·L-1Pro處理下東農(nóng)428和松粳10產(chǎn)量增幅最大，且顯著提高兩品種有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率。與正常灌溉水平相比，施用20～30 mmol·L-1Pro東農(nóng)428和松粳10產(chǎn)量差異不顯著。

圖8 分蘗期低溫脅迫下施用SA對(duì)寒地粳稻干物質(zhì)積累影響Fig.8 Effect of exogenous application SA on dry matter accumulation of rice in cold-region under low-temperaturestressat tillering stage

圖9 分蘗期低溫脅迫下施用Pro對(duì)寒地粳稻干物質(zhì)積累影響Fig.9 Effect of exogenousapplication Pro on dry matter accumulation of ricein cold-region under low-temperature stress at tillering stage

表8 分蘗期低溫脅迫下施用GABA對(duì)寒地粳稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素影響Table8 Effect of exogenous application GABA on yield and yield components of rice in cold-region under low-temperaturestressat tillering stage

表9 分蘗期低溫脅迫下施用SA對(duì)寒地粳稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素影響Table 9 Effect of exogenousapplication SA on yield and yield components of rice in cold-region under low-temperature stressat tillering stage

表10 分蘗期低溫脅迫下施用Pro對(duì)寒地粳稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素影響Table 10 Effect of exogenous application Pro on yield and yield components of rice in cold-region under low-temperature stressat tillering stage

3 討論與結(jié)論

王曉冬等研究表明外源GABA、SA、Pro可調(diào)節(jié)逆境條件下作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成[19-21]。黃娟研究表明低溫條件下，10 mmol·L-1GABA浸種可顯著改善黃瓜幼苗生長(zhǎng)狀況[22]。代其林研究發(fā)現(xiàn)SA可提高水稻幼苗抵御低溫脅迫能力，且最適施用濃度為1 mmol·L-1[23]。Posmyk等指出5℃低溫下，5 mmol·L-1Pro水溶液有助于豇豆種子生長(zhǎng)發(fā)育[24]。本研究表明，外源GABA、SA和Pro緩解水稻分蘗期低溫脅迫最適濃度分別為2、2和30 mmol·L-1，與前人報(bào)道最適濃度不同，進(jìn)一步證實(shí)外源物質(zhì)有效性與作物類(lèi)型、發(fā)育階段和脅迫強(qiáng)度有關(guān)。

Jia等研究表明逆境脅迫下外源GABA、SA、Pro緩解逆境脅迫對(duì)作物葉片光合特性影響，增強(qiáng)其耐逆性[25-27]。本研究中外源GABA、SA和Pro緩解低溫脅迫對(duì)寒地粳稻葉面積指數(shù)、抽穗期高效葉面積率和有效葉面積率抑制作用，促進(jìn)光合產(chǎn)物積累，尤其促進(jìn)抽穗后期干物質(zhì)積累。葉片光合作用改善是否為有效抵御低溫脅迫主因，有待進(jìn)一步探究。

3種外源物質(zhì)對(duì)低溫脅迫下東農(nóng)428產(chǎn)量增幅大于松粳10，由此推斷分蘗期低溫脅迫下耐冷性強(qiáng)品種東農(nóng)428可塑性較強(qiáng)。3種外源物質(zhì)中，SA處理下寒地粳稻分蘗數(shù)、有效穗數(shù)形成最多，產(chǎn)量增幅最大，故SA施用效果最好。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院水稻研究所課題組前期研究證實(shí)SA對(duì)鹽脅迫下水稻調(diào)控作用大于GABA和Pro，且利用3種外源物質(zhì)復(fù)配可有效提高水稻耐鹽性[28]。3種外源物質(zhì)復(fù)配對(duì)水稻耐低溫脅迫是否具有協(xié)同增效作用有待進(jìn)一步研究。此外，3種外源物質(zhì)緩解水稻低溫脅迫生理機(jī)制及最佳噴施時(shí)期尚待明確。

外源GABA、SA和Pro有效緩解分蘗期低溫脅迫對(duì)寒地粳稻生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成抑制作用。3種外源物質(zhì)最適濃度分別為2 mmol·L-1GABA、2 mmol·L-1SA和30 mmol·L-1Pro。本研究可為寒地粳稻分蘗期防御低溫冷害化控栽培技術(shù)制定提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，對(duì)黑龍江省水稻生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展具有參考價(jià)值。