低剂量电子辐射对水稻苗期耐冷性的影响

斯琴图雅，张晓东，王 强，高德玉(.黑龙江省科学院技术物理研究所，黑龙江哈尔滨50086;2.黑龙江省科学院高技术研究院，黑龙江哈尔滨5000;3.黑龙江省科学院，黑龙江哈尔滨5000)

中国的水稻产量居世界第一［1］。随着全球气候变暖，过去30多年中国水稻种植格局发生着相应的变化，水稻种植重心和产量重心均在向东北迁移［2－3］。但是，东北是寒地稻作区，水稻生长季内温度变幅大，在水稻营养生长的苗期内常发生低温冷害［4］。苗期冷害是指从第一完全叶开始的整个营养生长期受到低温侵袭，导致秧苗失绿、发僵、分蘖减少、秧苗枯萎甚至死苗等，最终影响产量的一种冷害［5－6］。这种冷害也是国际性的问题。其冷害机理与控制技术研究也是国内外研究的一个重要课题。目前研究最多的是水稻苗期抗寒种质的筛选与鉴定［7－8］以及水稻耐冷性基因定位等［9－10］。通过耐冷稻种资源的筛选与育种途径，把生产上应用的水稻种耐冷性不断进行改良和更新，培育出强耐冷性品种等。但是，水稻耐冷性机理复杂，育种技术还未很好地解决水稻冷害难题，因此应同步发展其他能够提高水稻耐冷性的技术。

利用电离辐射可以诱变育种，同时χ、γ射线和电子束等传能线密度低的辐射也具有低剂量刺激效应［11］，即用低剂量射线辐射处理植株，能增强植株生理机能、加快新陈代谢和生长发育，最终提高作物产量、改善作物品质和增强作物抗逆性［12］。笔者利用低剂量电子射线播前辐射处理水稻种子，培育至三叶期，对其进行人工低温胁迫，并评价其耐冷等级，测试分析可溶性糖、可溶性蛋白、SOD、POD、MDA等生化指标，解析低剂量电子射线对水稻苗期耐冷生理的影响，为辐射刺激提高水稻耐冷性相关研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料 供试水稻品种为绥粳4号，由哈尔滨秀实种业有限公司提供。

1.2 辐射处理 每组选取均匀一致的水稻种子30粒(每个处理设3次重复)，使用DD1.2高频高压电子加速器产生的电子射线辐射，辐射剂量分别为0、5、10、15、20、25 Gy，剂量率为0.125 Gy/s，能量为 0.9 MeV。

1.3 幼苗培养 将催芽的水稻种子移入装有培养土的播秧盘内，横6行、纵10列播种，每穴3粒种子。每个处理3次重复。

1.4 苗期低温胁迫及耐冷性评价指标 在育苗至三叶期，进行苗期低温胁迫。在低温胁迫期间，日温13℃，相对湿度40%，夜温10℃，相对湿度60%。胁迫10 d后，将秧苗置于生长适宜环境中缓冲5 d。

苗期耐冷性的评价指标参考傅泰露［13］方法，具体为:1级，仅叶尖凋萎;2级，第2、3叶的叶片凋萎面积达1/3;3级，叶片凋萎面积达1/2;4级，叶片2/3面积凋萎;5级，第2、3叶的叶片全部凋萎，但叶尖仍绿色;6级，叶片和叶尖全部凋萎。

1.5 生化指标测定 可溶性糖含量的测定采用蒽酮比色法;可溶性蛋白含量的测定采用紫外吸收法;丙二醛(MDA)含量的测定采用硫代巴比妥酸(TBA)法;过氧化物酶(POD)活性的测定采用愈创木酚氧化比色法;超氧物歧化酶(SOD)活性的测定采用氮蓝四唑(NBT)法［14］。

2 结果与分析

2.1 低剂量电子辐射对水稻苗期耐冷级别的影响 在水稻三叶期进行日温13℃、夜温10℃低温胁迫10 d，缓冲5 d再依照傅泰露方法进行6级耐低温评价。由图1可知，随着辐射剂量的增加，各辐射处理一级耐冷株所占比例呈先上升，15 Gy时上升最多，后呈下降趋势;对照一级耐冷株所占比例为50%，15 Gy辐射处理一级耐冷株所占比例为60.89%。经LSD方差分析，各处理与对照之间差异极显著。15 Gy辐射处理不仅提高1级耐冷植株所占比例，而且所有植株耐冷等级均在3级以上。

图1 低剂量电子辐射对水稻苗期耐冷级别的影响

2.2 低剂量电子辐射对水稻幼苗可溶性蛋白含量的影响 在三叶期低温胁迫前，低温胁迫10 d和缓冲5 d后各测定水稻叶片中可溶性蛋白含量。由图2可知，在低温胁迫前，各处理可溶性蛋白含量较接近;当低温胁迫10 d时，各处理可溶性蛋白含量均有所上升，其中10 Gy和15 Gy辐射处理可溶性蛋白质含量上升最多，比对照提高了71%以上;除5 Gy辐射处理之外，其他辐射处理与对照比差异均在0.01水平显著;缓冲5 d后，各辐射处理的可溶性蛋白含量有所下降，但高于低温胁迫前含量。

图2 低剂量电子辐射对水稻幼苗可溶性蛋白质含量的影响

2.3 低剂量电子辐射对水稻幼苗可溶性糖含量的影响 由图3可知，在低温胁迫前，水稻幼苗叶片中可溶性糖含量随辐射剂量的增加缓慢上升，到最高点后缓慢下降，但变化幅度较小;当低温胁迫10 d时，随辐射剂量的增加，可溶性糖含量明显上升，到达顶峰后又开始迅速下降，15 Gy辐射处理可溶性糖含量比对照提高88%，10～20 Gy辐射处理与对照间差异在0.01水平显著;在缓冲5 d后，各处理可溶性糖含量有所下降，变化趋势与未胁迫前趋势较一致，但整体含量比胁迫前要高。

图3 低剂量电子辐射对水稻幼苗可溶性糖含量的影响

2.4 低剂量电子辐射对水稻幼苗SOD活性的影响 由图4可知，低温胁迫前各处理SOD活性彼此相近;在缓冲5 d后各处理SOD活性较相近，但整体高于低温胁迫前的SOD活性;当低温胁迫10 d时，各处理SOD活性随着辐射剂量的增加明显上升，15 Gy时达到最高值，然后随辐射剂量的增加快速下降，除25 Gy辐射处理外，其他处理与对照间的差异在0.01 水平显著。

图4 低剂量电子辐射对水稻幼苗SOD活性的影响

2.5 低剂量电子辐射对水稻幼苗POD活性的影响 由图5可知，低温胁迫前水稻幼苗的POD活性随辐射剂量的增加缓慢上升，但上升幅度较小;当低温胁迫10 d时，各处理POD活性与低温胁迫前相比均明显上升，但各处理间的差异较小，与对照相比10 Gy辐射处理差异显著，15 Gy辐射处理差异在0.01水平显著;缓冲5 d后各处理的POD活性又下降明显，但均高于低温胁迫前活性。

图5 低剂量电子辐射对水稻幼苗POD活性的影响

2.6 低剂量电子辐射对水稻幼苗MDA含量的影响 由图6可知，在低温胁迫前水稻幼苗的MDA含量随辐射剂量的增加缓慢上升;当低温胁迫10 d时，各处理MDA含量发生非常明显的变化，对照和5 Gy辐射处理MDA含量高于低温胁迫前水平，10、20和25 Gy辐射处理MDA含量与低温胁迫前相近，15 Gy辐射处理MDA含量明显低于低温胁迫前，并且低于对照的80%;与其他各处理相比，差异在0.05水平显著;缓冲5 d后各处理MDA含量间彼此较相近，但比低温胁迫前高。

图6 低剂量电子辐射对水稻幼苗MDA含量的影响

3 结论与讨论

逆境胁迫会对植物造成一定程度的伤害，而植物可通过代谢反应阻止、降低或修复由逆境所造成的损伤，使其在逆境下仍保持正常的生理活动。若遇低温，植物细胞内的渗透物质则会增加，以提高细胞抗性［15］。可溶性蛋白是重要的渗透调节物，其含量的高低影响细胞渗透势。高浓度的可溶性蛋白能维持较低的渗透势，有助于提高植物抗逆能力。禾本科植物中可溶性糖在渗透调节中占主导地位。在逆境胁迫下，可溶性糖能稳定细胞膜和原生胶体，在细胞内当无机离子含量高时还可以保护物质免受胁迫［16］。MDA是因脂过氧化所产生的，表示膜脂过氧化的伤害程度［17］。研究中，低温胁迫时辐射处理可溶性糖和可溶性蛋白含量均随辐射剂量的增加而明显增加，可溶性蛋白含量在10～15 Gy处理中增加最多，可溶性糖含量在5～20 Gy处理中增加最明显;MDA含量随辐射剂量的增加呈下降趋势，在15 Gy处下降最明显。综上所述，低剂量辐射可以通过提高水稻植株可溶性糖和可溶性蛋白含量来保护膜结构的完整性。

在通常情况下，植物体内产生的活性氧(O2－、H2O2、O2等)不足以使植物受伤害。这是因为植物体内有一套行之有效的清除系统，即细胞膜的保护酶类如SOD、POD、CAT等。但是，一旦植物遭受低温等环境胁迫，活性氧的产生和清除平衡体系即被破坏，自由基的增加便会导致植物细胞的伤害。冷害对组织的伤害首先是对细胞膜系的伤害，继而发生生理学的、代谢的及生物化学的功能障碍［18］。研究中，当低温胁迫时，随辐射剂量的增加，SOD活性上升明显，而POD活性的变化只有在10、15 Gy辐射处理较明显。结合MDA含量的变化趋势，发现在低温胁迫时辐射能够诱导SOD、POD等保护性酶活性的增加来很好地抵抗植物体内产生的活性氧伤害。

绥粳4号水稻三叶期进行的6级耐冷等级评价结果表明，辐射处理提高了一级耐冷株所占比例，尤以15 Gy辐射处理表现最好。结合其生化指标的测试结果，发现适宜剂量的辐射可以提高水稻耐冷性。

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