稻蝦共作模式下噴施褪黑素對(duì)水稻產(chǎn)量形成和抗倒伏特性的影響

周影， 李京詠， 戴林秀， 敖弟彩， 李梓逸， 楊帆， 顧軍偉， 徐強(qiáng)，竇志， 高輝

（揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，水稻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

稻田綜合種養(yǎng)是水稻種植與水產(chǎn)養(yǎng)殖相結(jié)合的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，其中稻蝦（克氏原螯蝦，俗稱小龍蝦）綜合種養(yǎng)發(fā)展規(guī)模最大[1-2]?！吨袊↓埼r產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2022)》[3]報(bào)道，2021 年全國稻蝦種養(yǎng)總面積已達(dá)140萬 hm2，占全國稻漁綜合種養(yǎng)總面積的52.95%。在稻蝦共作模式中，稻田水分管理相對(duì)于傳統(tǒng)水稻單作模式有所不同，通常需要維持30～40 cm 的水位1 個(gè)月以上，從而為小龍蝦提供適宜的生長環(huán)境[4]。然而，這種灌溉模式下長期淹水使得水稻基部莖稈的機(jī)械組織松軟，難以支撐植株，從而導(dǎo)致莖稈折斷，增長水稻倒伏風(fēng)險(xiǎn)[5-6]，這是制約稻蝦共作模式水稻優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)的重要瓶頸問題。因此，研究稻蝦共作模式下水稻倒伏特性及調(diào)控措施對(duì)于稻田綜合種養(yǎng)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要。

水稻抗倒調(diào)控包括品種選育[7]、優(yōu)化栽培管理措施[8]、土壤改良[9]和施用外源植物生長調(diào)節(jié)劑[10]等。其中，施用外源植物生長調(diào)節(jié)劑具有便捷、有效、低風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，成為目前水稻抗倒伏的較優(yōu)選擇之一。通過應(yīng)用植物生長調(diào)節(jié)劑，可以有效改善莖稈的形態(tài)和生理特征，提高水稻抗倒伏能力。常見的植物生長調(diào)節(jié)劑有烯效唑[11]、多效唑[12]、抗倒酯[13]、調(diào)環(huán)酸鈣[14]和褪黑素[15]等，其中褪黑素是植物生長調(diào)節(jié)劑的新興研究對(duì)象。褪黑素作為一種抗氧化劑，對(duì)植物生長發(fā)育、生理調(diào)節(jié)及基因表達(dá)調(diào)控有重要作用，可以增強(qiáng)植物的抗寒性、耐鹽性等[16]。研究表明，通過浸種或噴施褪黑素，能夠促進(jìn)小麥[17]和水稻[18]的根系發(fā)育，緩解低溫脅迫對(duì)水稻幼苗的影響[19]。Chen 等[15]研究表明，葉面噴施褪黑素能夠增強(qiáng)葉片光合作用，提高過氧化物酶和過氧化氫酶活性，從而減輕漬害對(duì)水稻產(chǎn)量的影響。褪黑素同樣被證實(shí)可以提高作物生產(chǎn)力和品質(zhì)[20]，F(xiàn)an 等[21]研究表明，外源褪黑素可以改變水稻籽粒中的淀粉組分和結(jié)構(gòu)，從而影響水稻產(chǎn)量和品質(zhì)。褪黑素在提高植物莖稈強(qiáng)度方面也有顯著作用，Zhao等[22]研究表明，噴施外源性褪黑素促進(jìn)了芍藥花莖木質(zhì)素生物合成相關(guān)基因的表達(dá)，進(jìn)而增強(qiáng)莖稈強(qiáng)度。然而，目前褪黑素對(duì)水稻抗倒伏特性及產(chǎn)量構(gòu)成影響的研究較少。基于此，本文在稻蝦共作模式下設(shè)置噴施褪黑素和對(duì)照試驗(yàn)，研究噴施外源褪黑素對(duì)水稻產(chǎn)量形成和抗倒伏特性的影響，以期為稻蝦共作模式下水稻抗倒栽培調(diào)控提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與供試品種

試驗(yàn)于2022 年在江蘇省盱眙縣揚(yáng)州大學(xué)稻田綜合種養(yǎng)創(chuàng)新試驗(yàn)基地（32° 59′55″N，118°40′17″E）開展。供試水稻品種為‘南粳5718’，于5月28日播種，采用塑料軟盤旱育壯秧；于6 月中下旬人工移栽，行株距為30 cm×12.4 cm，每穴3 苗。供試小龍蝦品種為‘克氏原螯蝦’（Procambarus clarkii），由江蘇盱眙龍蝦產(chǎn)業(yè)發(fā)展股份有限公司提供。供試藥劑為褪黑素粉劑（T8060，Solarbio，北京）。試驗(yàn)期間氣象數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 2022年研究區(qū)水稻生長季的平均溫度、風(fēng)速和降雨量Fig. 1 Average temperature， wind speed and rainfall during the rice growing season in the study area in 2022

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

試驗(yàn)為單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，包括對(duì)照（CK）和噴施褪黑素（melatonin，MT）2個(gè)處理。根據(jù)課題組前期預(yù)實(shí)驗(yàn)，褪黑素的噴施濃度為200 μmol·L-1時(shí)效果較好，故本研究MT 處理采用此濃度。將0.21 g 褪黑素溶解于4 500 mL 清水中，于拔節(jié)前一葉齡期選擇晴天上午9:00—10:00 進(jìn)行葉面噴施，CK 處理噴施等量清水。噴灑褪黑素時(shí)，注意遮蔽，以防不同處理之間相互干擾。每處理3 次重復(fù)，共計(jì)6個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每小區(qū)長寬分別為3 m×3 m。各處理施肥量保持一致，其中純氮施入量為210 kg·hm-2，按基肥∶分蘗肥∶穂肥=3∶4∶3 分3 次施入，所用氮肥均為尿素；磷肥和鉀肥分別以過磷酸鈣和氯化鉀的形式按照P2O5150 kg·hm-2和K2O 150 kg·hm-2基施。田間水分管理為：水稻移栽后保持1～3 cm 深水位；擱田期排水曬田7 d 左右；拔節(jié)期至小龍蝦收獲前水位保持30 cm 以上[5,23]，直至水稻成熟前10 d排出。

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

1.3.1 莖稈形態(tài)學(xué)指標(biāo) 分別于拔節(jié)期（jointing stage, JS）、抽穗期（heading stage, HS）、灌漿期（filling stage, FS）和成熟期（mature stage, MS）在田間選取長勢(shì)均等的4株水稻測(cè)量株高（cm）。抽穗后30 d 取水稻樣，在各小區(qū)選取12 根長勢(shì)一致的主莖，稱量單莖鮮重。從莖稈基部至穗頂端測(cè)量單莖株高（cm）；從莖稈基部至穗頸節(jié)測(cè)量穗頸高（cm）；將未脫水的莖稈放置在鉛筆上，左右移動(dòng)至莖稈在鉛筆上保持平衡，測(cè)量莖稈基部至鉛筆高度記作重心高度（cm）；測(cè)量莖稈各節(jié)間長度（cm）；使用推拉力計(jì)壓斷莖稈后沿?cái)嗔烟幖粝?，記錄斷裂處至穗頂距離（length from breaking point to panicle top， SL，cm），并稱取該段鮮重（fresh weight，F(xiàn)W，g），將斷裂處的葉鞘剝?nèi)?，使用游?biāo)卡尺測(cè)量莖稈內(nèi)部的短軸外徑（a1，mm）、短軸內(nèi)徑（a2，mm）、長軸外徑（b1，mm）、長軸內(nèi)徑（b2，mm）。將節(jié)間從中部截?cái)?，用?shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量長軸外徑和短軸外徑，取平均值為節(jié)間粗度（mm），測(cè)量長軸和短軸與莖壁4 個(gè)交點(diǎn)處的厚度，取平均值為莖壁厚度（mm）。樣品置于105 ℃烘箱殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，稱重。計(jì)算基部第2 節(jié)間莖重比（mg·cm-1）和葉鞘重比（mg·cm-1），公式如下。

1.3.2 莖稈力學(xué)指標(biāo) 將第2 節(jié)間葉鞘去除，使用鉛筆標(biāo)記各節(jié)間，將第2 節(jié)間放置在間距8 cm（L）的支點(diǎn)上，使用推拉力計(jì)（RZ-5，AIKON，日本）在中心點(diǎn)垂直徐徐下壓，在莖稈剛好斷裂時(shí)即為該節(jié)間抗折力（F, N），記錄讀數(shù)。利用以下公式計(jì)算彎曲力矩（bending moment，WP，g·cm）、折斷彎矩（breaking strength，M，g·cm）、斷面系數(shù)（section modulus，Z，mm3）、彎曲應(yīng)力（bending stress，BS，g·mm-2）、倒伏指數(shù)（lodging index，LI，%）[24]。

1.3.3 莖稈化學(xué)成分指標(biāo) 于成熟期在各小區(qū)選取12根長勢(shì)一致的主莖，將其第2節(jié)間取下，莖鞘分開，測(cè)定非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（non structural carbohydrate，NSC）和結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量（structural carbohydrate，SC）。其中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物包括可溶性糖和淀粉；結(jié)構(gòu)性碳水化合物包括纖維素和木質(zhì)素。分別使用可溶性糖（KT-1-Y，科銘，蘇州）、淀粉（DF-1-Y，科銘，蘇州）、纖維素（BC4285，Solarbio，北京）和木質(zhì)素含量檢測(cè)試劑盒（BC4205，Solarbio，北京）測(cè)定可溶性糖、淀粉、纖維素和木質(zhì)素含量。

1.3.4 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 于10 月25 日進(jìn)行小區(qū)測(cè)產(chǎn)。去除邊行后，每小區(qū)普查30 穴，統(tǒng)計(jì)有效穗數(shù)；并根據(jù)平均成穗數(shù)取10 穴進(jìn)行考種，測(cè)定每穂粒數(shù)、結(jié)實(shí)率（%）和千粒重（g）。收割實(shí)產(chǎn)，測(cè)定水分，折算產(chǎn)量（14.5%含水量）。

1.3.5 木質(zhì)素纖維素相關(guān)基因表達(dá) 由南京鐘鼎生物技術(shù)有限公司進(jìn)行技術(shù)檢測(cè)，通過實(shí)時(shí)熒光定量PCR，以β-actin 為內(nèi)參基因，對(duì)木質(zhì)素生物合成關(guān)鍵基因OsCAD7、OsCoMT、Os4CL3及纖維素生物合成關(guān)鍵基因OsCesA4、OsCesA7和OsCesA9表達(dá)量進(jìn)行檢測(cè)。熒光定量RT-PCR 引物表參考Zhang等[25]。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

使用Microsoft Excel 2016 處理數(shù)據(jù)，對(duì)不同處理的水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素和抗倒伏各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行t檢驗(yàn)，采用IBM SPSS Statistics 23 進(jìn)行相關(guān)性分析，使用R 4.2 軟件Corrplot 包繪制相關(guān)分析熱圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴施褪黑素對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表1 可知，MT 處理的有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率較CK 分別顯著降低9.09%和1.88%，而穗粒數(shù)顯著增加10.01%。MT 處理對(duì)有效穗數(shù)、穗粒數(shù)影響極顯著（P＜0.01），對(duì)結(jié)實(shí)率影響顯著（P＜0.05）。2 個(gè)處理水稻的千粒重差異不顯著。MT 處理的稻谷產(chǎn)量為9 261 kg·hm-2，與CK差異不顯著。

表1 不同處理下的水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 1 Yield and yield factors under different treatments

2.2 噴施褪黑素對(duì)水稻倒伏特性的影響

2.2.1 植株形態(tài)特征 MT 處理的株高、穂頸高度、重心高分別為85.92、69.42、35.72 cm，較CK 極顯著降低13.04%、14.91%、22.93%；而鮮重和單穗重與CK 差異不顯著（表2）。其中，2 處理的株高均隨著生育期的延長逐漸增加，除拔節(jié)期外其他生育期的差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.01）（圖2）。盡管2個(gè)處理的莖粗和壁厚差異不顯著，但MT處理基部節(jié)間的莖重比顯著大于CK 處理，表明MT處理的莖充實(shí)度增加，極大提高了植株的抗倒能力?？傮w上，MT處理對(duì)于株高、重心高度、穗頸高度和莖重比影響極顯著（P＜0.01）。對(duì)于第2 節(jié)間徑長，MT處理的長軸外徑、短軸外徑、長軸內(nèi)徑和短軸內(nèi)徑與CK 差異均不顯著；但MT 處理后各節(jié)間長度均有下降，其中在N3～N4、N6～N7 節(jié)間MT與CK處理間差異顯著（圖2）。

表2 不同處理下的水稻植株形態(tài)特性Table 2 Morphological traits of rice plants under different treatments

圖2 不同處理下水稻植株形態(tài)特征Fig. 2 Morphological traits of rice plants under different treatments

2.2.2 莖稈力學(xué)特性及倒伏指數(shù) 噴施褪黑素對(duì)莖稈基部第2 節(jié)間力學(xué)特性及倒伏指數(shù)的影響如表3 所示。MT 處理的抗折力、折斷彎矩分別較CK 處理顯著增加22.39%和22.34%，而折斷部位至穗頂?shù)木嚯x、彎曲力矩、倒伏指數(shù)分別顯著減小13.05%、20.61%、35.03%。噴施褪黑素對(duì)斷面系數(shù)、彎曲應(yīng)力、折斷部位至穗頂?shù)孽r重影響不顯著。

表3 不同處理下莖稈基部第2節(jié)間力學(xué)特性Table 3 Mechanical traits of internode N2 of rice stem under different treatments

2.2.3 莖稈化學(xué)成分 噴施褪黑素對(duì)水稻莖稈基部第2節(jié)間化學(xué)成分的影響如表4所示。MT處理鞘中可溶性糖含量及莖中淀粉含量與CK差異不顯著，而鞘中的淀粉含量較CK 顯著增加102.47%。噴施褪黑素后，莖、鞘中的木質(zhì)素含量分別較CK顯著增加60.62%和66.74%，莖、鞘中的纖維素含量較CK分別顯著增加63.54%和63.54%。

表4 不同處理下水稻莖稈基部第2節(jié)間化學(xué)成分Table 4 Chemical composition of Internode N2 of rice stem under different treatments

2.2.4 莖稈木質(zhì)素、纖維素相關(guān)基因表達(dá) 噴施褪黑素對(duì)水稻莖稈基部第2 節(jié)間中木質(zhì)素、纖維素生物合成關(guān)鍵基因表達(dá)量的影響如圖3 所示。OsCAD7、OsCoMT和Os4CL3是調(diào)控木質(zhì)素生物合成的重要基因。在拔節(jié)期，MT 處理下這3 個(gè)基因的表達(dá)量均低于CK；抽穗30 d 后，3 個(gè)基因的表達(dá)量均低于拔節(jié)期，不同處理間差異較小，其中，OsCoMT在MT 處理下的表達(dá)量較CK 上調(diào)。OsCesA4、OsCesA7和OsCesA9是調(diào)控細(xì)胞壁中纖維素生物合成的3 個(gè)關(guān)鍵基因。拔節(jié)期至抽穗后30 d，CK處理3個(gè)基因的表達(dá)量均呈下調(diào)趨勢(shì)；而MT 處理呈上調(diào)趨勢(shì)。由于水稻從營養(yǎng)生長逐漸轉(zhuǎn)換為生殖生長，莖稈中木質(zhì)素和纖維素生物合成相關(guān)基因的表達(dá)量普遍下降，但噴施褪黑素后，OsCoMT、OsCesA4、OsCesA7、OsCesA9基因的表達(dá)量仍保持較高水平，由此表明，噴施褪黑素有利于基部節(jié)間莖稈的厚壁組織及維管束區(qū)域積累充足的木質(zhì)素和纖維素，增強(qiáng)機(jī)械組織結(jié)構(gòu)，從而降低水稻的倒伏風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 不同處理下水稻莖稈基部第2節(jié)間木質(zhì)素和纖維素生物合成相關(guān)基因相對(duì)表達(dá)量Fig. 3 Relative expression of genes related to lignin and cellulose biosynthesis in internode N2 of rice stems under different treatments

2.2.5 莖稈性狀與倒伏特性的相關(guān)性 在MT 處理下，莖稈抗折力與莖壁厚度和折斷彎矩呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與折斷部位至穗頂鮮重呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）（圖4）。折斷彎矩與莖壁厚度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與折斷部位至穗頂鮮重呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。倒伏指數(shù)與株高、穗頸高度和折斷部位至穗頂距離呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），而與抗折力、折斷彎矩和彎曲應(yīng)力呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。

圖4 噴施褪黑素處理下水稻莖稈特性與倒伏特性的相關(guān)性分析Fig. 4 Correlation analysis between culm and lodging characteristics of rice under melatonin treatment

3 討論

作物產(chǎn)量主要來源于光合產(chǎn)物，施用外源褪黑素可以刺激植株內(nèi)源褪黑素合成，促進(jìn)光合作用，調(diào)節(jié)光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)，緩解非生物脅迫，從而提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)。Jiang 等[26]研究表明，在100～300 μmol·L-1褪黑素處理下，水稻的籽粒產(chǎn)量顯著提高36.0%～43.3%。單莉莉[27]研究表明，孕穗期噴施100 μmol·L-1外源褪黑素使龍粳11的結(jié)實(shí)率較對(duì)照顯著提高3.1%～16.6%。每穗粒數(shù)是構(gòu)成產(chǎn)量因素的關(guān)鍵，研究表明，外源施用褪黑素能夠促進(jìn)根系活力，減少小穗退化，促進(jìn)每穗粒數(shù)形成[18,28]。本研究表明，噴施褪黑素顯著增加了每穗粒數(shù)，但其有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率顯著降低，因此MT處理的水稻產(chǎn)量與CK 差異不顯著。這可能是由于稻蝦共作模式下深水脅迫與噴施褪黑素產(chǎn)生了交互作用，具體的原因有待進(jìn)一步分析。

外源植物生長調(diào)節(jié)劑顯著影響水稻抗倒伏能力，但噴施褪黑素對(duì)水稻倒伏特性影響的研究還十分有限。文廷剛等[10]研究表明，乙烯利和勁豐能顯著降低水稻株高、穗頸節(jié)和莖桿長，而多效唑影響不顯著。姜龍等[29]研究表明，矮壯素、烯效唑和多效唑的抗倒伏作用機(jī)制是通過增加植株的莖壁厚度以及抗折力，對(duì)株高無影響。本研究表明，MT 處理的株高、穗頸高和重心高分別較CK 顯著降低13.0%～22.9%，且莖充實(shí)度顯著提高。水稻莖稈的抗倒伏能力主要和莖稈的機(jī)械強(qiáng)度相關(guān)，目前評(píng)判作物莖稈機(jī)械強(qiáng)度的主要指標(biāo)為彎曲力矩、抗折力以及倒伏指數(shù)[11]。Zhang 等[11]研究了烯效唑?qū)λ究沟狗匦缘挠绊?，結(jié)果表明，噴施烯效唑使基部節(jié)間降低38.9%～51.4%，折斷部位至穗頂?shù)孽r重和折斷部位至穗頂?shù)木嚯x平均降低6.3%～17.9%，倒伏指數(shù)降低21.1%～33.9%。這是由于倒伏指數(shù)的差異主要與基部節(jié)間的折斷彎矩相關(guān)[24]。本研究表明，噴施褪黑素主要是通過增加莖稈折斷彎矩降低了水稻倒伏指數(shù)，與前人研究結(jié)果一致[11]。此外，莖稈機(jī)械強(qiáng)度與莖稈化學(xué)組分密切相關(guān)?？沟狗芰?qiáng)的水稻莖稈基部節(jié)間的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量通常較高，其較高的淀粉和可溶性糖含量有利于提高水稻莖稈機(jī)械強(qiáng)度。纖維素和木質(zhì)素含量對(duì)于增強(qiáng)水稻莖稈抗倒伏能力起關(guān)鍵作用。本研究對(duì)不同處理下水稻莖稈纖維素和木質(zhì)素生物合成相關(guān)基因的表達(dá)量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素處理下OsCoMT、OsCesA4、OsCesA7和OsCesA9基因在抽穗后30 d 的表達(dá)量上調(diào)，從而促進(jìn)莖稈機(jī)械組織內(nèi)纖維素和木質(zhì)素的積累，增強(qiáng)了水稻莖稈的抗倒伏能力。總之，葉面噴施褪黑素可以在一定程度上減輕稻蝦共作模式下深水脅迫對(duì)水稻抗倒伏能力的影響。未來應(yīng)進(jìn)一步探索稻蝦共作模式下適宜的外源性褪黑素施用水平，以達(dá)到水稻穩(wěn)產(chǎn)和抗倒伏“雙贏”。