野生稻長(zhǎng)毛谷旺盛生命力解析及其對(duì)烯效唑的響應(yīng)

韓春寧，鄭殿峰，b*，馮乃杰，b*，陳觀杰，張淑玉，周行

(廣東海洋大學(xué) a濱海農(nóng)業(yè)學(xué)院，b深圳研究院，廣東 深圳 518108)

水稻是全世界一半以上人口的主食，是最重要的谷類作物之一。作為云南省傳統(tǒng)栽培的一個(gè)農(nóng)家有色稻種，長(zhǎng)毛谷是我國(guó)農(nóng)家品種的典型代表。它生長(zhǎng)在沿海灘涂，谷粒呈紅色，外殼長(zhǎng)著芒刺，相比其他常規(guī)稻，長(zhǎng)毛谷還具有較高的秸稈、較發(fā)達(dá)的根系以及較長(zhǎng)的生育期。此外，長(zhǎng)毛谷比常規(guī)稻具有更高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。因而，研究其旺盛生命力的機(jī)制具有重要意義。

化學(xué)調(diào)控是以植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)為手段，通過(guò)改變植物內(nèi)源激素系統(tǒng)，調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)發(fā)育，使其朝著人們預(yù)期的方向發(fā)生變化的技術(shù)[1]。植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑在很低濃度時(shí)就能對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起調(diào)節(jié)作用。烯效唑是一種新型植物生長(zhǎng)延緩劑，能抑制植物赤霉素的生物合成，具有矮化植株、增強(qiáng)抗逆性和提高產(chǎn)量等效果，常被應(yīng)用于多種作物。研究表明，適宜濃度的烯效唑可以降低玉米[2]、甜葉菊[3]、番茄[4]和大豆[5]等作物的株高、增加莖粗，增強(qiáng)植株抗倒伏能力。烯效唑可有效抑制細(xì)胞伸長(zhǎng)，縮短節(jié)間，降低油菜苗高、莖葉干重，提高根平均直徑、根長(zhǎng)、側(cè)根數(shù)、根干重，從而形成壯苗；同時(shí)，還能提高葉綠素含量，提高葉片凈光合速率[6]。孔祥森等[7]研究表明，適宜濃度的烯效唑浸種能提高水稻的根冠比，增強(qiáng)植株生理代謝，達(dá)到壯苗的效果。此外，烯效唑還能調(diào)控油菜的倒伏指數(shù)[8]。有關(guān)烯效唑的研究大多集中于作物的生長(zhǎng)特征和生理特性，對(duì)于其具體作用機(jī)理的研究，尤其是不同水稻品種間的差異性比較則鮮有報(bào)道。本研究以長(zhǎng)毛谷和9311 2個(gè)不同基因型的水稻為研究對(duì)象，通過(guò)葉面噴施烯效唑比較品種間生長(zhǎng)表型、抗氧化酶及光合特性的差異，旨在揭示水稻品種間生長(zhǎng)差異以及烯效唑的具體作用機(jī)制，為指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)品種為長(zhǎng)毛谷(野生稻)和9311(常規(guī)稻)，烯效唑由廣東海洋大學(xué)生理生態(tài)調(diào)控課題組提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將供試水稻種子用2.5%次氯酸鈉溶液消毒15 min，再用蒸餾水沖洗3～5次。于29 ℃恒溫培養(yǎng)箱中用蒸餾水浸種24 h，催芽24 h。將出芽一致的種子點(diǎn)播于上口徑×底徑×高為19.5 cm×14.5 cm×17.5 cm的塑料盆中，每盆含2.6 kg基質(zhì)(磚紅壤∶細(xì)沙=3∶1，V/V)。播種前澆灌600 mL肥水(尿素0.209 g·L-1，磷酸二銨0.286 g·L-1，氯化鉀0.179 g·L-1)。幼苗長(zhǎng)至二葉一心時(shí)，葉面噴施20 mg·L-1烯效唑溶液。于噴藥(烯效唑)后3、6、9、12、15 d取樣。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 水稻幼苗地上、地下部形態(tài)的測(cè)定

用直尺測(cè)定幼苗株高，用葉面積儀測(cè)定葉面積，并計(jì)算株高生長(zhǎng)率和葉面積生長(zhǎng)率[9]。利用根系掃描儀Epson Perfection V800 Photo(Epson Indonesia Inc.)掃描根系，并利用WinRHIZO根系分析軟件分析根系長(zhǎng)度(RL)、根平均直徑(RAD)、根總表面積(RSA)和根總體積(RV)等根系形態(tài)指標(biāo)。

1.3.2 水稻幼苗生物量的測(cè)定

用萬(wàn)分之一天平測(cè)定幼苗的地上、地下部干重，并求算總干重。

1.3.3 水稻幼苗光合及熒光參數(shù)的測(cè)定

于噴藥后的3、6、9、12、15 d，使用美國(guó)LI-6800便攜式光合-熒光測(cè)定系統(tǒng)在上午9：00-11：00測(cè)定葉片的氣體交換參數(shù)，包括凈光合速率、蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度和氣孔導(dǎo)度。其中，光合有效輻射為1 000 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為400 μmol·mol-1。葉綠素?zé)晒鈪?shù)主要包括PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率、電子傳遞速率、光化學(xué)猝滅系數(shù)及非光化學(xué)猝滅系數(shù)。

1.3.4 水稻幼苗生理指標(biāo)的測(cè)定

于噴藥后的3、6、9、12、15 d取樣。參照李唯[10]的方法，在665、649和470 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度值計(jì)算葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素含量。超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)和抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)的測(cè)定參照陳建勛等[11]的方法進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2013整理數(shù)據(jù)和制作圖表，使用SPSS 19.0軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，用LSD法進(jìn)行差異顯著性測(cè)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)毛谷和9311株高生長(zhǎng)率、葉面積生長(zhǎng)率的差異

如圖1所示，正常條件(CK)下，2個(gè)水稻品種的株高生長(zhǎng)率和葉面積生長(zhǎng)率總體上呈升高-降低-升高的趨勢(shì)，在試驗(yàn)的12 d，長(zhǎng)毛谷的株高生長(zhǎng)率最大(0.048%)，葉面積生長(zhǎng)率最大值出現(xiàn)在6 d(0.110%)；9311的株高及葉面積生長(zhǎng)率最大值均出現(xiàn)在6 d(0.071%、0.189%)。

“*”表示與CK相比有顯著差異(P<0.05)，“**”表示與CK相比達(dá)極顯著差異(P<0.01)。圖2～5同。圖1 烯效唑?qū)﹂L(zhǎng)毛谷和9311株高生長(zhǎng)率和葉面積生長(zhǎng)率的影響Fig.1 Effect of propiconazole on plant height growth rate and leaf area growth rate of Changmaogu and 9311

與CK相比，烯效唑處理的6～12 d，長(zhǎng)毛谷的株高生長(zhǎng)率顯著降低，在噴藥后的12 d生長(zhǎng)率最?。幌┬н蛱幚硐?311的株高生長(zhǎng)率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，相比CK，在12 d降低最顯著。同樣，長(zhǎng)毛谷的葉面積生長(zhǎng)率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，相比CK，噴藥后的9～12 d，烯效唑處理的葉面積生長(zhǎng)率增加；相比CK，噴藥后9 d，烯效唑處理的9311葉面積生長(zhǎng)率增加約50%，12～15 d，其生長(zhǎng)率顯著下降。

2.2 長(zhǎng)毛谷和9311根系形態(tài)的差異

如表1所示，CK條件下，長(zhǎng)毛谷和9311的根長(zhǎng)、根表面積、根體積呈先增加后減小的趨勢(shì)，其最大值均出現(xiàn)在9～12 d；2個(gè)水稻品種的根平均直徑在12～15 d出現(xiàn)最大值。與CK相比，烯效唑處理顯著增加了長(zhǎng)毛谷的根長(zhǎng)(15 d除外)；同樣，烯效唑處理下9311的根長(zhǎng)和根表面積增加，其中在3～9 d均顯著。除噴藥后3 d外，烯效唑處理下長(zhǎng)毛谷的根表面積與對(duì)照相比差異不顯著。與CK相比，烯效唑處理下2個(gè)水稻品種的根體積差異不顯著。此外，噴藥后9和12 d，長(zhǎng)毛谷的根平均直徑顯著增加；對(duì)于9311，噴藥后3～6 d，其根平均直徑極顯著增加。

表1 烯效唑?qū)?個(gè)水稻品種根系形態(tài)的影響Table 1 Effect of propiconazole on root morphology of two rice varieties

2.3 長(zhǎng)毛谷和9311幼苗生物量的差異

如圖2所示，CK條件下，2個(gè)水稻品種植株的地上部干重、地下部干重和總干重均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。

圖2 烯效唑?qū)?個(gè)水稻品種干重的影響Fig.2 Effect of propiconazole on dry weight of two rice varieties

2.4 長(zhǎng)毛谷和9311葉綠素含量的差異

如圖3所示，CK條件下，2個(gè)水稻品種的光合色素含量呈先增加后減少的趨勢(shì)。其中，長(zhǎng)毛谷的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量在9 d最大；相比之下，9311的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量在6 d最大。噴藥后6～15 d(除12 d外)，與CK相比，烯效唑處理下長(zhǎng)毛谷的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量顯著增加，在9 d達(dá)到峰值；噴藥后12 d，其葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素含量均顯著下降。噴藥后3、9、12、15 d，與CK相比，9311的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量增加，在9 d達(dá)到峰值；噴藥后6 d，其葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素含量下降，但差異不顯著。

圖3 烯效唑?qū)?個(gè)水稻品種光合色素含量的影響Fig.3 Effect of propiconazole on photosynthetic pigment content in two rice varieties

2.5 長(zhǎng)毛谷和9311幼苗葉片光合特性的差異

如圖4所示，CK條件下，2個(gè)水稻品種的葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度呈增加-降低-增加的趨勢(shì)。其中，長(zhǎng)毛谷的葉片凈光合速率、蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度和氣孔導(dǎo)度在15 d最大，且在噴藥后的12～15 d均比9311大。

圖4 烯效唑?qū)?個(gè)水稻品種光合參數(shù)的影響Fig.4 Effect of propiconazole on photosynthetic parameters in two rice varieties

噴藥后15 d，與CK相比，烯效唑處理下長(zhǎng)毛谷的葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均顯著提高。噴藥后9 d，烯效唑處理下9311的葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均顯著提高。與CK相比，烯效唑處理下長(zhǎng)毛谷的葉片胞間二氧化碳濃度在3、6 d顯著增加；對(duì)于9311，各處理間胞間二氧化碳濃度差異不顯著。

2.6 長(zhǎng)毛谷和9311葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的差異

為評(píng)估PSⅡ的性能，采用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)測(cè)定部分葉綠素?zé)晒鈪?shù)。如表2所示，2個(gè)水稻品種葉片PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率、電子傳遞速率和光化學(xué)猝滅系數(shù)總體上呈先降低后提高的趨勢(shì)。CK條件下，3、6、12 d時(shí)長(zhǎng)毛谷的PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率、電子傳遞速率和光化學(xué)猝滅系數(shù)均比9311大。與CK相比，烯效唑處理下長(zhǎng)毛谷葉片PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(9 d除外)和電子傳遞速率增加(6 d除外)。

表2 烯效唑?qū)?個(gè)水稻品種葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Table 2 Effect of propiconazole on chlorophyll fluorescence parameters in two rice varieties

噴藥后12 d，9311的光化學(xué)猝滅系數(shù)和非猝滅光化學(xué)系數(shù)均顯著增加；對(duì)于長(zhǎng)毛谷，其光化學(xué)猝滅系數(shù)和非猝滅光化學(xué)系數(shù)差異不顯著。

2.7 長(zhǎng)毛谷和9311幼苗葉片抗氧化酶活性的差異

如圖5所示，噴藥后3～12 d，長(zhǎng)毛谷的葉片CAT活性比9311高(CK條件下)；除3 d外，9311的葉片POD、APX活性均比長(zhǎng)毛谷高。此外，12～15 d，長(zhǎng)毛谷的葉片SOD活性高于9311。與CK相比，葉面噴施烯效唑提高了長(zhǎng)毛谷和9311的葉片CAT、POD、APX和SOD活性。

圖5 烯效唑?qū)?個(gè)水稻品種葉片抗氧化酶活性的影響Fig.5 Effect of propiconazole on antioxidant enzyme activity in the leaves of two rice varieties

3 結(jié)論與討論

長(zhǎng)毛谷是一種古老的原生水稻品種，具有諸多優(yōu)良生長(zhǎng)特性，是育種的寶貴資源，比常規(guī)稻具有更高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，研究其旺盛生命力機(jī)制具有重要意義[12]。本研究發(fā)現(xiàn)，在CK條件下，長(zhǎng)毛谷(植株本身較高)表現(xiàn)出較低的株高生長(zhǎng)率，相比之下9311的株高生長(zhǎng)率較大，發(fā)現(xiàn)在幼苗生長(zhǎng)后期(噴藥后的15 d)，其葉面積生長(zhǎng)率逐漸降低，而長(zhǎng)毛谷能維持相對(duì)較穩(wěn)定的葉面積生長(zhǎng)率，有利于維持植株的葉綠素含量，提高光合作用。另外，相比9311，長(zhǎng)毛谷具有較大的根表面積、根體積及根系平均直徑，有利于增強(qiáng)對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，促進(jìn)植株旺盛生長(zhǎng)。其次，發(fā)現(xiàn)在噴藥后的12～15 d，CK條件下長(zhǎng)毛谷的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素含量比9311高，保證了植株較高的光合色素含量供應(yīng)，使植株在生長(zhǎng)前期(3～6 d)維持較高的凈光合速率，在后期(15 d)具有較高的蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，有利于增強(qiáng)長(zhǎng)毛谷的氣體交換，提高水分利用率，合成更多的光合產(chǎn)物，這也與本研究結(jié)果中長(zhǎng)毛谷積累了更多的地上部及總生物量對(duì)應(yīng)。此外，本研究還測(cè)定了部分熒光參數(shù)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)毛谷的光化學(xué)及非光化學(xué)猝滅系數(shù)較9311高，這有利于提高植株的光能利用率。

研究[13-15]表明，多數(shù)植物矮化劑都是在內(nèi)源赤霉素的合成通路中起到抑制作用，即矮化劑通過(guò)抑制如古巴焦磷酸合成酶(CPS)、內(nèi)根-貝殼杉烯合成酶(KS)、內(nèi)根-貝殼杉烯氧化酶(KO)、內(nèi)根-貝殼杉烯酸氧化酶(KAO)、GA13ox、GA20ox、GA3ox和GA2ox等赤霉素合成過(guò)程中酶的活性，阻礙中間產(chǎn)物的合成，進(jìn)而減少赤霉素的產(chǎn)生，從而使植株矮化。通過(guò)上述分析，推測(cè)長(zhǎng)毛谷較強(qiáng)的生命力是由于其體內(nèi)赤霉素所主導(dǎo)，因而，利用烯效唑(一種矮化劑)進(jìn)一步探索其調(diào)控機(jī)制。

烯效唑是一種高效、低毒的三唑類植物生長(zhǎng)延緩劑，具有延緩植物生長(zhǎng)、抑制節(jié)間伸長(zhǎng)、增加干物質(zhì)積累、促進(jìn)花芽分化、提高抗逆性等作用[16]。研究[17]表明，植物株高的形成最主要是依靠?jī)?nèi)源赤霉素來(lái)調(diào)節(jié)，它通過(guò)細(xì)胞壁伸長(zhǎng)來(lái)調(diào)節(jié)莖節(jié)間的長(zhǎng)度從而影響植株的株高。劉松年等[18]研究表明，葉面噴施烯效唑能降低辣椒株高，增加干物質(zhì)量；馮勝杰等[3]研究表明，葉面噴施烯效唑能降低甜葉菊株高、增加莖粗。本研究中烯效唑顯著抑制了2個(gè)水稻品種的株高，葉面積有所增加，長(zhǎng)毛谷的株高生長(zhǎng)率呈先降低后增加的趨勢(shì)，相比CK，其株高生長(zhǎng)率顯著降低(6～12 d)，葉面積生長(zhǎng)率增加；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)9311的株高生長(zhǎng)率在9 d降低，葉面積生長(zhǎng)率顯著升高，表明葉面噴施烯效唑有利于降低植株的株高生長(zhǎng)率，提高其葉面積生長(zhǎng)率(長(zhǎng)毛谷更明顯)，這有利于理想株型的形成。推測(cè)是由于烯效唑通過(guò)降低赤霉素活性，抑制細(xì)胞伸長(zhǎng)，株高降低，且前期對(duì)長(zhǎng)毛谷的抑制程度更大。此外，本研究發(fā)現(xiàn)烯效唑處理能使水稻幼苗的根長(zhǎng)增加，其中長(zhǎng)毛谷的根平均直徑顯著增加，表明長(zhǎng)毛谷能夠通過(guò)增加其根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收面積，改善自身的營(yíng)養(yǎng)條件，這與張盼盼等[19]的研究結(jié)果相似。另外，烯效唑使9311的根表面積增大，有利于促進(jìn)水分吸收，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞分裂過(guò)程和細(xì)胞增大，從而導(dǎo)致根長(zhǎng)和根系生物量增加。類似的結(jié)果也在甜葉菊[3]和甜菜[20]中發(fā)現(xiàn)。

光合色素被組織成LHCⅡ和光系統(tǒng)復(fù)合物，并反映植物的光合作用能力[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，噴藥后的3～12 d，2個(gè)水稻品種的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，這與董志君等[22]的研究結(jié)果相似。可能是由于烯效唑提高了這些光合色素合成酶的活性[23]，抑制葉綠素酶活性的增加，從而有利于提高水稻幼苗對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收運(yùn)輸能力，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，有利于根長(zhǎng)和根平均直徑的增加。我們發(fā)現(xiàn)噴藥后的9 d，長(zhǎng)毛谷的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量增加的速率均比9311高，這也可能與品種特性有關(guān)。陳英花等[20]研究表明，葉面噴施烯效唑能顯著提高甜菜的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度，增加干物質(zhì)質(zhì)量；烯效唑還可以有效調(diào)控作物葉片光合性能，提高光能利用率，促進(jìn)碳代謝及相關(guān)酶的合成[24]。本研究結(jié)果表明，烯效唑處理顯著提高了2個(gè)水稻品種的凈光合速率、蒸騰速率等光合參數(shù)，其中9311在噴藥后9 d光合活性達(dá)到最大，相比之下，長(zhǎng)毛谷在15 d光合活性達(dá)到最大，維持了較高的光合速率，保證了一定的有機(jī)碳供應(yīng)，為植株提供充足的能量來(lái)源。

PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率為PSⅡ反應(yīng)中心部分關(guān)閉時(shí)的實(shí)際原初光能捕獲效率，表征作用光下PSⅡ吸收光能用于原初醌電子受體還原的實(shí)際運(yùn)行效率。本研究表明，相比9311，長(zhǎng)毛谷能維持較高的熒光效應(yīng)，且烯效唑處理下均提高了這2個(gè)品種的PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率和電子傳遞速率(長(zhǎng)毛谷更明顯)，有利于促進(jìn)葉綠素的吸收轉(zhuǎn)化過(guò)程，充分利用光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，同時(shí)能夠把過(guò)剩的光能以熱能的形式散發(fā)，有效避免了光抑制[25]，從而保證植株維持較高的光合活性。烯效唑不僅能提高光合作用，促進(jìn)光合產(chǎn)物增加，還可有效增加保護(hù)酶活性[26]。研究[27]表明，水稻秧苗在噴施100～150 mg·L-1的烯效唑時(shí)，可提高秧苗的SOD和POD活性；張盼盼等[19]研究表明，葉面噴施烯效唑能增強(qiáng)葉片SOD和CAT活性。本研究表明，烯效唑處理增強(qiáng)了2個(gè)水稻品種葉片的CAT、POD、APX和SOD活性，表明外源烯效唑能增強(qiáng)抗氧化酶活性，及時(shí)清除ROS的過(guò)度積累，保護(hù)細(xì)胞膜免受氧化損傷。

本研究通過(guò)盆栽試驗(yàn)從生長(zhǎng)表型及生理特性方面揭示了長(zhǎng)毛谷和9311生長(zhǎng)發(fā)育的差異，以及烯效唑?qū)λ居酌绲淖饔脵C(jī)理，在未來(lái)的研究中，將從內(nèi)源激素及分子代謝層面深入揭示水稻品種之間生長(zhǎng)差異的原因，構(gòu)建長(zhǎng)毛谷旺盛生命力的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及基于烯效唑的調(diào)控機(jī)制，塑造長(zhǎng)毛谷理想株型。