孕穗期高溫對水稻生理特性和產(chǎn)量性狀影響研究

王 明，吳 輝，孫小成，蔣小軍，雷干農(nóng)，陶 衛(wèi)，柏長青，徐 敏

（1永州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，湖南永州 425100；2永州市零陵區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南永州 425100）

0 引言

水稻作為中國重要糧食作物，對全國糧食安全保障有舉足輕重的作用。然而，全球氣溫呈上升趨勢，特別是近年高溫極端天氣頻發(fā)，在水稻生產(chǎn)過程中遇高溫天氣的概率逐漸增大，嚴重影響水稻的產(chǎn)量和質(zhì)量[1-2]。有報道發(fā)現(xiàn)高溫對水稻產(chǎn)量有顯著影響，在日最高溫(28～35℃)、夜最低溫(21～28℃)時，溫度每增加1℃，水稻產(chǎn)量下降7%～8%[3-4]。近年來，長江流域夏季頻繁出現(xiàn)高溫極端天氣，湖南、安徽等省份高溫嚴重影響水稻產(chǎn)量[5-7]。因此研究溫度對水稻生理特性和產(chǎn)量的影響，對水稻避免高溫危害，穩(wěn)定糧食生產(chǎn)安全具有重要的意義。關(guān)于水稻高溫敏感時期，前人已做大量的研究，其中孕穗期、抽穗揚花期是最敏感時期之一[6]，此時遭高溫天氣對水稻的生理生化和產(chǎn)量造成重大影響。張桂蓮等[8]、吳思佳等[9]研究表明在抽穗揚花期高溫使水稻劍葉光合速率、葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度均不同程度下降，導(dǎo)致結(jié)實率和產(chǎn)量顯著下降；同時王明等[10]研究表明高溫下脯氨酸和丙二醛(MDA)含量上升，過氧化物酶(POD)活性呈先上升后下降的趨勢。李興華等[11]研究結(jié)果表明，高溫顯著降低水稻可育花粉率，同時造成結(jié)實率顯著下降。章起明等[12]研究表明，水稻結(jié)實率和產(chǎn)量與孕穗期日平均溫度、日最高溫和高溫時長呈顯著負相關(guān)。也有研究表明孕穗、抽穗期35℃高溫脅迫會造成結(jié)實率顯著下降，且隨脅迫的溫度升高、時間延長，下降幅度增大[13-14]。目前，關(guān)于高溫脅迫對水稻生理生化、光合特性和產(chǎn)量的影響研究較多，但大部分都是集中在水稻抽穗揚花期、灌漿期，且對生理生化的影響多在葉片，而對水稻孕穗期高溫，特別是減數(shù)分裂期（幼穗分化Ⅳ-Ⅵ期）高溫對水稻產(chǎn)量性狀研究較少，同時對高溫對水稻幼穗生理生化的研究也鮮見報道。本研究以‘泰優(yōu)553’和‘隆晶優(yōu)1212’為材料，在孕穗期通過人工氣候室增溫，設(shè)置不同溫度處理，研究高溫對水稻幼穗生理生化特性和產(chǎn)量性狀的影響，探索高溫危害機理，以期為降低水稻生長發(fā)育過程中孕穗期高溫對水稻的危害提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種為‘泰優(yōu)553’和‘隆晶優(yōu)1212’，‘泰優(yōu)553’由金健種業(yè)有限公司提供，‘隆晶優(yōu)1212’由亞華種業(yè)有限公司提供。

1.2 試驗方法

試驗于2020—2021年在永州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗基地進行?！﹥?yōu)553’和‘隆晶優(yōu)1212’于2020年6月16日播種，進行大田育秧，于7月6日4.5～5.5葉移栽，株行距17 cm×17 cm，每穴均2株栽植，肥水統(tǒng)一標準管理。在主莖及大分蘗幼穗發(fā)育至Ⅱ～Ⅲ期時，從田間選取發(fā)育進度一致的單株帶泥移至聚氯乙烯盆內(nèi)，每盆3株，每個品種100盆，每盆施尿素0.5 g使單株正常生長發(fā)育。其他管理措施采取統(tǒng)一標準。

人工氣候室設(shè)置 29、32、35、38℃ 4個溫度水平，相對濕度75%～80%，植株冠層光通透量密度為835 μmol/(m2·s)，室內(nèi)外CO2濃度一致，以同期大田自然溫度作對照（平均溫度30.6℃，CK）。在主穗及大分蘗穗幼穗發(fā)育到第Ⅴ期時開始處理，每個材料每種溫度處理25盆（每盆3株），分別連續(xù)處理7天，處理后帶盆移至自然大田，選?、銎谀ㄈ~枕±1 cm）單穗分別掛牌標記，選取發(fā)育一致的幼穗供生理生化指標測定，其他掛牌單穗供產(chǎn)量性狀指標考查。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 花粉育性調(diào)查 待處理后的植株在自然大田條件下培養(yǎng)至抽穗開花期，每個處理選定5個原標記的單穗，連續(xù)3天進行花粉鏡檢，即每天上午取當天能開花的穎花3個，混合制片，用1%I2-KI液染色，10×10倍顯微鏡下觀察3個視野，統(tǒng)計可育花粉數(shù)目的變化趨勢，取花粉粒飽滿、染色較深的花粉作為可育花粉。

1.3.2 生理生化指標測定 高溫處理后，采取發(fā)育進度一致的幼穗（Ⅵ期末，葉枕±1 cm），立即用液氮固定，于-80℃的冰箱中保存，用于生理生化指標的測定。每個處理15穗。采用磺基水楊酸法測定脯氨酸含量[15]，釆用愈創(chuàng)木酚法測定POD活性[16]，采用硫代巴比妥酸（顯色法）測定MDA含量[15]。

1.3.3 產(chǎn)量性狀測定 處理后移至自然大田環(huán)境，成熟后每處理選取5盆考察有效穗、穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實率，同時每處理選取5盆單獨測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2007和DPS7.05軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫對花粉育性的影響

由表1可知，溫度對水稻花粉育性有一定影響，隨溫度的升高可育花粉和可育花粉率呈下降趨勢?！﹥?yōu)553’在29℃和CK處理下可育花粉數(shù)較高，分別為86.7、85.9個，處理間差異不明顯，但分別顯著高于其他處理，其中在38℃處理時可育花粉數(shù)最少為28.7個，顯著低于其他處理，可育率相對CK下降了60.2%；‘隆晶優(yōu)1212’在29℃、32℃和CK處理下可育花粉數(shù)較高，分別為83.6、82.7、82.8個，處理間差異不明顯，其中在38℃處理時可育花粉數(shù)最少為32.6個，顯著低于其他處理，可育率相對CK下降了54.7%。以上分析可知不同品種間對高溫的敏感性存在差異，‘泰優(yōu)553’在32℃處理下的可育花粉數(shù)顯著低于CK，‘隆晶優(yōu)1212’在35℃處理下的可育花粉數(shù)顯著低于CK。

表1 高溫對水稻花粉育性的影響

2.2 高溫對幼穗脯氨酸含量的影響

由表2可知，‘泰優(yōu)553’和‘隆晶優(yōu)1212’的幼穗脯氨酸含量均隨溫度的升高呈上升趨勢?！﹥?yōu)553’在38℃處理下脯氨酸的含量最高，達38.89 μg/g，顯著高于其他溫度處理，其中在32℃處理下脯氨酸含量達29.26 μg/g，顯著高于CK和29℃處理?！【?yōu)1212’在35℃和38℃處理下的脯氨酸含量較高，分別為34.54、36.15 μg/g，兩者間無顯著差異，但顯著高于CK和其他溫度處理，其中在32℃處理下的脯氨酸含量達27.16 μg/g，顯著高于CK，但與29℃處理無顯著差異。

表2 高溫對幼穗脯氨酸含量的影響

2.3 高溫對幼穗POD活性的影響

由表3可知，‘泰優(yōu)553’和‘隆晶優(yōu)1212’的幼穗POD活性隨著處理溫度的升高呈先上升后下降的趨勢。2個品種均以35℃處理的POD活性最高，分別為60.65、61.12 U/(g·min)，顯著高于CK和其他處理。但不同品種對溫度表現(xiàn)有差異，其中‘泰優(yōu)553’在32℃處理下的POD活性為43.95 U/(g·min)，顯著高于CK和29℃處理下的POD活性；‘隆晶優(yōu)1212’在32℃處理下的POD活性為45.14 U/(g·min)，與CK和29℃處理下的POD活性無顯著差異。

表3 高溫對幼穗POD活性的影響

2.4 高溫對幼穗MDA含量的影響

由表4可知，‘泰優(yōu)553’和‘隆晶優(yōu)1212’的MDA含量隨溫度的升高均呈上升趨勢。2個品種均在38℃處理下MDA含量最高，分別為12.43、10.79 nmol/g，顯著高于CK和29、32、35℃處理的MDA含量；但不同品種對溫度表現(xiàn)有差異，其中‘泰優(yōu)553’在32℃處理下的MDA含量為7.75 nmol/g，顯著高于CK和29℃處理下的MDA含量，‘隆晶優(yōu)1212’在32℃處理下的MDA含量為5.96 nmol/g，與CK和29℃無差異。

表4 高溫對幼穗MDA含量的影響

2.5 高溫對產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表5可知，高溫對有效穗的影響較少，‘泰優(yōu)553’和‘隆晶優(yōu)1212’各溫度處理間有效穗的差異均不顯著。但高溫對結(jié)實率、千粒重和產(chǎn)量有顯著影響，‘泰優(yōu)553’以35℃和38℃處理的結(jié)實率較低，分別為63.12%和58.66%，兩者之間差異不顯著，但顯著低于CK和其他處理，其中32℃處理下的結(jié)實率為70.16%，顯著低于CK和29℃處理下的結(jié)實率；‘隆晶優(yōu)1212’以38℃處理的結(jié)實率最低，為54.49%，顯著低于CK和其他處理，其中32℃處理下的結(jié)實率為81.63%，但與CK和29℃處理下的結(jié)實率無顯著差異。‘泰優(yōu)553’和‘隆晶優(yōu)1212’均以35℃和38℃處理的千粒重較低，分別為19.42、19.06 g和23.87、23.03 g，處理間無顯著差異，但均顯著低于CK和其他處理。

表5 高溫對產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

產(chǎn)量表現(xiàn)與結(jié)實率表現(xiàn)趨勢一致，‘泰優(yōu)553’和‘隆晶優(yōu)1212’均在38℃處理的產(chǎn)量最低，為57.65、67.28 g/盆，顯著低于CK和其他處理，其中‘泰優(yōu)553’32℃處理的產(chǎn)量為84.26 g/盆，顯著低于CK和29℃處理下的產(chǎn)量，‘隆晶優(yōu)1212’32℃處理的產(chǎn)量為115.96g/盆，但與CK和29℃處理下的產(chǎn)量無顯著差異。

3 結(jié)論

孕穗期高溫可在一定程度上降低水稻可育花粉數(shù)和可育率，致使結(jié)實率、千粒重和產(chǎn)量性狀均有顯著下降；生理指標分析表明，2個品種幼穗脯氨酸和MDA含量隨溫度升高呈上升趨勢，且在高溫處理下，脯氨酸和MDA含量顯著高于CK處理，POD活性隨溫度的升高呈先上升后下降的趨勢。同時不同品種對高溫表現(xiàn)差異，在32℃處理下，‘泰優(yōu)553’的可育花粉數(shù)、可育率、結(jié)實率、千粒重和產(chǎn)量均顯著低于CK和29℃溫度處理，而‘隆晶優(yōu)1212’在32℃溫度處理下與對照和29℃溫度處理差異不顯著。

4 討論

在水稻整個生長發(fā)育過程都受高溫的影響，其中在孕穗期和抽穗揚花期對高溫最為敏感，高溫易對結(jié)實率、千粒重有較大影響，造成嚴重減產(chǎn)[17]。研究表明[18-19]在孕穗期高溫脅迫，結(jié)實率、千粒重和產(chǎn)量均顯著下降，且隨高溫脅迫時間延長，下降幅度更大。本研究表明2個品種在35℃和38℃的結(jié)實率、千粒重和產(chǎn)量均顯著低于自然對照溫度和其他溫度處理，且隨著溫度的增高，下降幅度加大，這與甄博等[20]、謝曉金等[21]的研究結(jié)果一致，而對有效穗影響較少，各處理間無顯著差異，這與曹云英等[19]研究結(jié)果一致。關(guān)于孕穗期高溫顯著降低水稻結(jié)實率的原因，前人已做大量研究，張桂蓮等[17]、李訓(xùn)貞等[22]研究結(jié)果顯示，由于高溫對水稻雄性器官造成損害，導(dǎo)致花粉活力下降，破壞授精過程，形成大量空殼，造成結(jié)實率下降。本研究表明在38℃高溫處理下，可育花粉數(shù)量和可育率顯著低于自然對照溫度和其他處理溫度，從而造成結(jié)實率下降。而關(guān)于孕穗期高溫對千粒重的影響，前人也有大量研究，結(jié)果顯示高溫抑制了水稻葉片PSⅡ反應(yīng)中心活性，降低了PSⅡ反應(yīng)中心電子傳遞效率，從而影響光合產(chǎn)物生產(chǎn)和積累量，導(dǎo)致千粒重下降[8,23]。

脯氨酸作為生物一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以反映生物逆境狀況。前人關(guān)于植物在逆境條件下體脯氨酸含量的變化已做了大量研究，但研究結(jié)果不一。有研究表明，在水稻抽穗揚花期高溫處理，脯氨酸含量顯著高于自然溫度，且隨溫度的增高，其增加幅度越大[24-25]。而湯日圣等[26]、李萍萍等[27]研究表明，水稻灌漿期高溫處理脯氨酸含量明顯下降。造成結(jié)果不一的原因可能是高溫處理時期和品種不同造成的。本研究表明，隨著溫度的上升，2個品種幼穗脯氨酸含量呈上升趨勢，在38℃高溫處理下，脯氨酸含量顯著高于自然對照溫度和其他處理溫度，這與曹云英等[24]研究結(jié)果一致。

MDA是反映植物在逆境條件下細胞膜過氧化作用強弱和質(zhì)膜破壞程度的重要指標。本研究表明，2個品種MDA含量隨處理溫度的升高呈上升趨勢，在35℃和38℃高溫處理下，脯氨酸含量顯著增加，可能是孕穗期高溫對水稻幼穗造成傷害，造成幼穗膜脂過氧化程度加劇，這與曹云英等[24]、湯日圣等[26]的研究結(jié)果一致。POD是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，主要作用是清除植物體能由于逆境而增加的H2O2，本研究表明2個品種POD活性在29～35℃溫度處理下，隨溫度的升高呈上升趨勢，在35～38℃溫度處理下，隨溫度的升高呈下降趨勢，可能是在溫度開始上升階段，POD活性上升是對幼穗的一種保護作用，而隨著溫度的繼續(xù)上升，POD活性呈下降趨勢，可能是高溫對幼穗造成傷害的結(jié)果，這與張桂蓮[28]的研究結(jié)果一致。