水稻種子發(fā)育過程中耐熱性研究進(jìn)展

黃玉韜, 梅高甫, 吳華平, 阮曉麗, 朱葉峰, 馮春煒, 曹棟棟*

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物與核技術(shù)利用研究所, 浙江 杭州 310021; 2.湖州科奧種業(yè)有限公司, 浙江 湖州 313000;3.浙江農(nóng)科種業(yè)有限公司, 浙江 杭州 310021; 4.平湖市惠農(nóng)種業(yè)有限責(zé)任公司, 浙江 平湖 314200)

水稻 (OryzasativaL.) 作為主要的三大糧食作物之一, 以其為主食的人口占世界總?cè)丝诘?0%[1-2]。水稻起源于熱帶、亞熱帶, 極端高溫會降低其產(chǎn)量與品質(zhì)。全球氣候變化導(dǎo)致氣溫升高,目前我國大部分水稻種植區(qū)域已經(jīng)處于或即將處于高溫脅迫中, 預(yù)計未來溫度仍將以每10 a 0.2～0.4 ℃的速度增加[3]。高溫是影響水稻生產(chǎn)的重要因素之一, 在全球變暖的大環(huán)境下, 我國水稻生產(chǎn)在夏季也是高溫?zé)岷︻l繁發(fā)生, 導(dǎo)致水稻產(chǎn)量大幅降低。據(jù)統(tǒng)計水稻種植地氣溫每升高1 ℃, 水稻產(chǎn)量減少3.2%[4]。每年的7 月中下旬至8 月上旬是我國長江中下游水稻生殖生長的關(guān)鍵時期, 也是水稻遭遇高溫?zé)岷Φ臅r期[5]。自20 世紀(jì)70 年代以來, 水稻高溫?zé)岷υ谖覈拈L江流域已出現(xiàn)6 次,其中2003 年的災(zāi)害影響最大, 據(jù)不完全統(tǒng)計該地區(qū)的受災(zāi)面積達(dá)3 000 萬hm2, 且損失的稻谷產(chǎn)量達(dá)5 180 萬t[6]。據(jù)估計, 由于高溫?zé)岷︻l發(fā), 到21 世紀(jì)末, 水稻產(chǎn)量將減少41%[7]。同時, 高溫?zé)岷σ矔斐伤痉N子品質(zhì)受損。水稻種子成熟過程中發(fā)生的高溫?zé)岷Τ?dǎo)致水稻種子堊白度增加,千粒重與發(fā)芽率顯著降低, 嚴(yán)重影響水稻種子的安全生產(chǎn)[8-10]。高溫?zé)岷σ殉蔀橄拗莆覈戏降緟^(qū)水稻安全生產(chǎn)的瓶頸。目前關(guān)于高溫?zé)岷λ痉N子發(fā)育的影響報道較少, 且主要集中在花期高溫的研究。因此, 剖析水稻種子發(fā)育過程中的耐高溫機(jī)制, 對緩解或解決水稻及其他糧食作物的高溫逆境危害, 提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 高溫對水稻種子發(fā)育的影響

1.1 種子物理特性

種子物理特性主要包括種子大小、種子干重、種子形態(tài)與色澤等。種子大小通常以平均種子重命名, 表示為 “千粒重”, 即種子批的1 000 粒種子的質(zhì)量。種子大小與千粒重, 是種子活力的重要指標(biāo), 并影響許多過程, 如種子萌發(fā)、幼苗頂土和幼苗建成[11-12]。Wang 等[13]通過對一個水稻重組自交系 (RIL) 在種子萌發(fā)期間種子活力的QTL 定位,發(fā)現(xiàn)了10 個與種子活力相關(guān)的QTL 位點, 其中大部分都與種子質(zhì)量、種子大小或者種子休眠有關(guān)。植物所在的生態(tài)位、營養(yǎng)與水分的利用、生物與非生物環(huán)境因素、遺傳特性等都是影響種子大小的重要因素。灌漿期高溫會對水稻種子的大小、千粒重和種子活力造成不利影響, 同時會導(dǎo)致白堊種子比例升高, 這可能是由于貯藏物質(zhì)積累的受阻和種子灌漿持續(xù)時間的減少而導(dǎo)致的[14-15]。如Liu 等[16]報道, 人工溫室中形成的高溫顯著抑制水稻籽粒的直鏈淀粉、總淀粉與蛋白質(zhì)積累, 降低千粒重與產(chǎn)量, 同時增加了堊白籽粒的比例。水稻籽粒的大小與形狀取決于胚乳細(xì)胞的大小與數(shù)量, 而堊白籽粒的發(fā)生通常被認(rèn)為是由于不完全的淀粉充實所導(dǎo)致的[17-18]。Morita 等[19]發(fā)現(xiàn), 灌漿早期或中期夜間34 ℃高溫會抑制種子發(fā)育, 抑制胚乳細(xì)胞的發(fā)育并導(dǎo)致種子寬度和厚度的降低。Fu 等[20]發(fā)現(xiàn), 灌漿早期 (授粉后7～11 d) 的16 h 白天40 ℃/8 h夜晚30 ℃處理僅降低了水稻種子的厚度, 而對種子寬和長沒有顯著影響, 由此推測, 灌漿期高溫對水稻種子大小的影響可能因處理時期、高溫溫度與品種特性而異。

1.2 種子萌發(fā)

環(huán)境溫度的變動顯著影響植物種子發(fā)育與成熟過程, 繼而對其發(fā)芽率產(chǎn)生影響[21]。一般情況下,種子灌漿階段的高溫會對正常的種子發(fā)育產(chǎn)生較大負(fù)面影響, 致使異常種子和低質(zhì)量種子比例增加[22]。此外, 在去除這些劣質(zhì)種子后, 剩余種子的發(fā)芽率隨著種子發(fā)育期間平均最高溫度的增加而降低[23]。在發(fā)育中的種子達(dá)到生理或群體成熟之前的高溫脅迫可能會抑制植物向種子供應(yīng)萌發(fā)期間必需的同化物的能力, 使種子遭受生理損傷[24-25]。目前發(fā)現(xiàn)的大部分種子品質(zhì)變化是由于在種子發(fā)育和成熟期間母株暴露于不利的環(huán)境條件[26], 但這些研究大多是在大豆或豌豆上進(jìn)行的, 如菜豆種子活力的變化與種子發(fā)育過程中的高溫脅迫的溫度呈顯著相關(guān)[27]。然而, 種子發(fā)育過程中的高溫下水稻種子活力變化有待深入研究。灌漿早期的高溫處理 (40 ℃) 顯著降低了雜交稻種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù), 這可能與淀粉代謝、活性氧(ROS) 系統(tǒng)與熱脅迫蛋白表達(dá)相關(guān)[20,28]。Madan等[29]發(fā)現(xiàn), 制種過程中, 38 ℃高溫處理顯著降低了不同高溫耐性的水稻材料的種子產(chǎn)量與發(fā)芽率。

1.3 淀粉合成

淀粉是水稻籽粒發(fā)育過程中一類重要的貯藏物質(zhì), 它為種子的萌發(fā)和幼苗生長提供能量。種子發(fā)育過程中淀粉合成代謝涉及5 種關(guān)鍵酶, 分別為ADP-葡萄糖焦磷酸化酶 (ADPGase)、顆粒結(jié)合淀粉合成酶 (GBSS)、可溶性淀粉合成酶 (SS)、淀粉分支酶 (SBE) 與脫分支酶 (DBE)。高溫脅迫顯著影響酶的活性, 繼而抑制種子發(fā)育時的淀粉合成過程。Yamakawa 等[18]研究表明, 高溫脅迫日本晴種子中各AGPase 同工酶活性顯著下降。而張桂蓮等[30]則發(fā)現(xiàn), 高溫脅迫下水稻胚乳中AGPase、SS 和SBE 活性先呈增大趨勢, 達(dá)到峰值后顯著下降。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn), 淀粉組成對種子的活力產(chǎn)生影響, 其中直鏈淀粉和支鏈淀粉含量的影響較突出, 且高活力的雜交水稻種子中的直鏈淀粉含量較高, 而支鏈淀粉含量相對偏低[31]。此外, 胚乳淀粉積累不足容易導(dǎo)致甜玉米種子活性低。水稻種子發(fā)育過程中控制直鏈淀粉合成的重要基因為OsGBSSⅠ, 高溫致使灌漿中后期OsGBSSⅠ的表達(dá)量顯著下降, 直鏈淀粉含量顯著下降[20,28,32]。高溫使水稻花后OsSBEⅠ和OsSBEⅡ表達(dá)量下調(diào), 而OsSBEⅣ則相反[33]。水稻種子發(fā)育過程中遭遇高溫, 會導(dǎo)致淀粉合成受阻并引起成熟水稻種子堊白度提高[14-15]。水稻種子淀粉的含量及淀粉顆粒的性能均對高溫敏感。高溫脅迫下水稻種子中較大淀粉顆粒的比例顯著增加, 經(jīng)花后高溫處理后水稻籽粒中淀粉顆粒排列更為松散, 出現(xiàn)較多的單一淀粉顆粒[34-35]。轉(zhuǎn)錄調(diào)控在淀粉代謝中發(fā)揮重要作用。轉(zhuǎn)錄因子bZIP58 可與基因OsAGPL3、OsBEIIb、OsGBSSI、OsSSIIa、ISA2、SBE1 的啟動區(qū)結(jié)合, 繼而提高其表達(dá)活性, 促進(jìn)淀粉的合成代謝[36]; 而RSR1 轉(zhuǎn)錄因子則對OsGBSSI的表達(dá)起抑制作用[37]。盡管如此, 高溫脅迫影響種子發(fā)育過程中淀粉代謝的作用機(jī)制, 尤其是上游調(diào)控信號還有待進(jìn)一步研究。

1.4 多胺代謝

高溫脅迫對植物激素代謝的誘導(dǎo)產(chǎn)生變化, 如高溫環(huán)境會增加水稻葉片與籽粒中衰老成熟作用的激素含量, 如脫落酸 (ABA) 和乙烯等, 并降低生長類激素含量, 如細(xì)胞分裂素 (CTK)、生長素(IAA) 和赤霉素(GA) 等[38-39]。多胺(Polyamines,PAs) 主要包括腐胺 (Put)、亞精胺 (Spd)、精胺(Spm) 等, 是一種脂肪族含氮堿, 具有分子量小且為多聚陽離子的特點, 對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、過量活性氧 (ROS) 的清除、作物的抗逆性均具有重要作用[40-42]。在水稻種子發(fā)育過程中Spd 代謝對高溫脅迫的響應(yīng)過程發(fā)揮重要作用。高溫脅迫下,相比于熱敏感品種, 耐熱水稻品種在種子發(fā)育過程中可合成更多的Spd 與Spm, 且多胺含量可保持穩(wěn)定。對水稻葉片進(jìn)行外源Spd 噴施處理可以有效緩解灌漿早期高溫對水稻種子發(fā)育的抑制效果, 提高籽粒灌漿速率、千粒重與產(chǎn)量[43]。此外, 高溫下Spd 施用可上調(diào)水稻種子Spd 合成基因SPDS、SPMS1 及SPMS2 表達(dá)水平, 誘導(dǎo)內(nèi)源Spd 和Spm積累, 促進(jìn)直鏈淀粉合成并提高雜交水稻的種子活力; 而Spd 合成抑制劑環(huán)己胺處理則顯著抑制水稻種子的發(fā)育[20,28]。通過超表達(dá)或基因敲除技術(shù)研究多胺與植物耐高溫已在擬南芥、番茄等模式植物中有較多報道, 但是在水稻中缺乏研究。通過研究SPMS超表達(dá)與缺失突變體擬南芥植株, Sagor等[44]發(fā)現(xiàn), 內(nèi)源Spm 濃度與擬南芥高溫耐性呈正相關(guān)關(guān)系。而過表達(dá)SAMDC基因可通過抗氧化酶系統(tǒng)與細(xì)胞膜損傷修復(fù)等途徑, 顯著提高番茄植株的高溫抗性[45]。Tao 等[41]發(fā)現(xiàn), 超量表達(dá)OsSPMS1會抑制水稻種子發(fā)育, 降低水稻產(chǎn)量, 并抑制種子萌發(fā); 相反地, 敲除OsSPMS1 可以對水稻種子發(fā)育與萌發(fā)起到促進(jìn)作用。盡管如此, 內(nèi)源多胺在水稻種子發(fā)育過程中, 尤其是響應(yīng)高溫脅迫中發(fā)揮的作用還需要進(jìn)一步研究。

1.5 抗氧化酶與活性氧

高溫脅迫會誘導(dǎo)水稻植株產(chǎn)生一系列生理生化變化, 其中包括植物體內(nèi)活性氧 (ROS) 自由基產(chǎn)生過多, 抗氧化酶 (如超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶等) 活性、滲透保護(hù)性物質(zhì)(如脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等) 含量的大幅度降低, 導(dǎo)致細(xì)胞膜損傷及對整體植株造成損害[46]。然而, 植物本身可以通過調(diào)節(jié)自身酶活性和滲透保護(hù)性物質(zhì)含量, 以減少或清除自由基類有毒有害成分, 保護(hù)植株細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能[47-48]。研究[39,49]表明, 在水稻孕穗、開花與結(jié)實期, 高溫會抑制植株光合速率, 破壞葉綠素、抗壞血酸和還原型谷胱甘肽代謝穩(wěn)態(tài), 降低抗氧化酶包括超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶活性, 誘導(dǎo)活性氧與丙二醛的大量積累。高溫會改變水稻花藥中抗氧化酶活性, 降低可溶性糖和蛋白質(zhì)含量, 增加MDA 含量和膜透性[46,50-51]。灌漿早期高溫脅迫會導(dǎo)致水稻種子POD 活性下降, 誘導(dǎo)MDA 含量急劇上升[20,28]。

2 水稻高溫制種的防治措施

2.1 選育耐高溫水稻品種

不同類型、品種水稻或相同品種在不同生育時期對高溫脅迫的抗性均存在差異, 應(yīng)加強(qiáng)耐高溫水稻品種的選育, 選用耐高溫水稻品種, 減輕水稻種子生產(chǎn)過程中高溫脅迫損傷。

2.2 調(diào)整田間管理措施

水稻種子生產(chǎn)過程中, 調(diào)整播種時間, 使得水稻開花與灌漿過程避開高溫天氣, 是水稻高溫制繁種的有效措施。研究[52-53]表明, 在華南和長江地區(qū)提早播種可使早稻在適宜溫度中進(jìn)入抽穗開花及乳熟期, 減少遭遇高溫的天數(shù)與概率, 有效緩解高溫對早稻的不利影響。水稻種子發(fā)育過程中進(jìn)行科學(xué)的水肥控制也是緩解高溫脅迫的有效手段。水稻籽粒灌漿期高溫條件下, 采用白天灌水夜間排水或噴灌的方法可以有效降低田間水稻冠層的溫度, 改善稻田小氣候環(huán)境, 降低高溫脅迫對水稻發(fā)育的損害[54-55]。此外, 閆川等[56]發(fā)現(xiàn), 在灌漿期對水稻施用一定量的氮肥可降低穗葉、冠層溫度, 以提高其蒸騰速率, 繼而提高植株的抗熱能力, 構(gòu)建高品質(zhì)水稻植株。植物氮利用、抗氧化酶和氨基酸代謝的上調(diào), 可能使高溫脅迫下增施氮肥有效提高水稻籽粒的穗粒數(shù)、千粒重、結(jié)實率和產(chǎn)量, 是緩解高溫脅迫損傷的重要原因[57-58]。調(diào)整播期與增施氮肥外, 干濕交替灌溉亦可提高水稻種子結(jié)實率、產(chǎn)量與種子品質(zhì)[59]。

2.3 輔助噴施外源調(diào)節(jié)物質(zhì)

輔助噴施外源調(diào)節(jié)物質(zhì), 包括葉面肥、植物激素、植物生長調(diào)節(jié)劑等, 也是促進(jìn)高溫脅迫下水稻發(fā)育的有效方法。營養(yǎng)期或開花期高溫條件下, 噴施0.2%的硼肥可增加抗氧化酶活性, 穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)和糖轉(zhuǎn)運(yùn)能力, 提高水稻籽粒質(zhì)量[60]。水稻灌漿初期, 噴施外源亞精胺可以通過上調(diào)抗氧化酶活性, 可溶性糖含量、光合和蒸騰速率, 降低活性氧的含量, 維持滲透平衡, 減輕高溫脅迫對水稻種子品質(zhì)的影響[61]。有報道稱, 抗壞血酸、生育酚、油菜素甾醇和茉莉酸甲酯4 種植物生長調(diào)節(jié)劑的復(fù)合施用可促進(jìn)水稻光合作用和籽粒灌漿, 提高小穗育性、有效緩解了高溫?zé)岷62-63]。高溫下水楊酸(SA) 處理可提高穎花的抗氧化酶 (SOD、POD 和CAT) 活性、玉米素核苷 (ZR) 和IAA 含量, 降低MDA 含量, 提高葉片光合速率, 增加水稻穗粒數(shù)和產(chǎn)量[64]。高溫下噴施SA 可降低花藥中ROS的積累, 阻止絨氈層程序性細(xì)胞死亡和降解, 最終顯著提高花粉活力和結(jié)實率[65-66]。

3 總結(jié)與展望

高溫脅迫已成為限制我國水稻安全生產(chǎn)的重要限制因素, 其中高溫?zé)岷λ旧a(chǎn)與水稻響應(yīng)熱脅迫的研究已有大量報道。盡管如此, 水稻種子發(fā)育過程受高溫脅迫的影響還需深入研究。

關(guān)于水稻種子響應(yīng)高溫脅迫的研究, 以下幾個領(lǐng)域值得進(jìn)一步探索: (1) 水稻種子發(fā)育響應(yīng)高溫脅迫的分子機(jī)制還需更深層次及更全面的研究。高產(chǎn)、耐熱、高活力的水稻種子培育可利用基因工程及轉(zhuǎn)基因和CRISPR 基因編輯技術(shù)實現(xiàn)?；虻木珳?zhǔn)定位、功能分析和克隆技術(shù)是分子機(jī)制研究重點。此外, 可在RNA 和蛋白質(zhì)分子角度上分析高溫下水稻基因的種類、功能和表達(dá)模式 (時間和豐度), 在轉(zhuǎn)錄和翻譯方面探討水稻的高溫?zé)岷湍蜔嵝皂憫?yīng)機(jī)理。(2) 水稻種子生產(chǎn)過程中高溫?zé)岷Φ姆揽毓芾硌芯坑写钊搿?yīng)該充分利用目前高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)耐熱水稻種質(zhì)資源, 選育出更多耐高溫水稻品種; 強(qiáng)化數(shù)字化與機(jī)械化技術(shù)在水稻培育上的應(yīng)用, 結(jié)合先進(jìn)的作物情景模擬遙感技術(shù)與地理信息或全球定位系統(tǒng), 建立并完善水稻高溫?zé)岷Φ谋O(jiān)測預(yù)警和影響評估系統(tǒng)。此外, 加強(qiáng)水稻高溫?zé)岷Ψ烙夹g(shù)如播期調(diào)整、水肥管理等在水稻種子熱害防控中的研究與應(yīng)用。