9个晚籼稻品种在红壤中的耐酸性鉴定及有关保护酶活性的变化

杨 宙，曹丰生，熊运华，束爱萍，刘秀梅

(1.江西省农业科学院 水稻研究所/水稻国家工程实验室(南昌)/国家水稻改良中心南昌分中心/江西省水稻生理及遗传重点实验室，江西 南昌 330200；2.江西省农业科学院 土壤肥料与资源环境研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，江西 南昌 330200)



9个晚籼稻品种在红壤中的耐酸性鉴定及有关保护酶活性的变化

杨 宙1，曹丰生1，熊运华1，束爱萍1，刘秀梅2*

(1.江西省农业科学院 水稻研究所/水稻国家工程实验室(南昌)/国家水稻改良中心南昌分中心/江西省水稻生理及遗传重点实验室，江西 南昌 330200；2.江西省农业科学院 土壤肥料与资源环境研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，江西 南昌 330200)

摘要：为了研究水稻耐酸特性，选择9个已在江西省推广的晚籼稻品种，分别在填入了水稻土和酸性红壤的水池中种植，测定了过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)等保护酶活性及丙二醛(MDA)含量等生理指标，考察了株高、产量等农艺性状。结果表明，不同品种生理指标存在差异。酸胁迫下CAT活性和MDA含量降低，SOD活性升高，POD活性无明显变化规律。MDA含量的变化与3种保护酶活性各自间均无明显关联，但可能受到它们的共同影响。酸胁迫下各品种农艺性状呈现不同程度的变异，POD活性、MDA含量与单株产量变异幅度显著相关，可以用于评价水稻耐酸特性。综合看来，天丰优6418、深优957和跃新2号为具有较强耐酸特性水稻品种。

关键词：水稻；红壤；耐酸；酶活性；农艺性状

我国南方约有218万km2红黄壤土地，占国土总面积的22.7%[1]。江西是我国红壤分布主要省份之一，全省红壤面积达到1.08×108hm2，占总土地面积的64%。红壤有“酸、瘦、粘、瘠”这四大特性，是农业生产一个重要障碍，而且由于长期不合理的开发利用，我国南方红壤区出现酸化面积增加、酸化程度和伴生铝毒日益严重的趋势[2]。

近十年来，江西省科研工作者筛选出了一些适合在红壤中种植的耐酸性作物品种，包括油菜、芝麻和木薯等[3-7]。培育和筛选具有较强耐酸特性水稻品种，可以改良利用红壤资源，实现农业可持续发展。目前，对水稻在红壤中进行耐酸性研究和品种筛选工作还较少。本研究选择9个已推广种植的晚籼稻品种，分别在填充水稻土和红壤水池中种植。通过测定过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性以及丙二醛(MDA)含量这4种与逆境相关的生理指标，分析酸胁迫对水稻的影响。最后考察产量性状，评价各品种耐酸能力，筛选适合在红壤中种植的水稻品种，为江西省红壤改良利用提供技术支撑。

1材料与方法

1.1水稻品种

选用9个晚籼稻品种是赣晚籼37、天丰优6418、跃新2号、湘丰优186、金优207、金优299、黄华占、深优957和荆楚优148，分别由江西、湖南、广东和湖北省培育，在江西省种植全生育期为110～127 d。

1.2试验设计

试验在江西省农业科学院水稻研究所网室进行。水稻7月1日播种，7月30日移栽。采用池栽法，1个水池中填入取自生产田的水稻土作为对照处理，土壤有机质含量为28.9 g/kg，有效氮149 mg/kg，速效磷9.81 mg/kg，速效钾166 mg/kg。另一个水池中填入取自旱地的典型红壤作为酸胁迫处理，土壤有机质含量为5.27 g/kg，有效氮35.7 mg/kg，速效磷9.42 mg/kg，速效钾107 mg/kg。水池深0.4 m、长8.5 m、宽7.5 m，面积约60 m2。试验前取样，测定土壤的盐浸pH值，然后加水灌溉。各水稻品种在池中按照随机区组种植，3个重复，每个小区种植2行，每行12株，株距20 cm，行距26.7 cm，进行常规的水分管理和虫害防治。

1.3逆境相关生理指标测定

在水稻种植过程中，天丰优6418、赣晚籼37和黄华占3个品种在9月23～26日抽穗，其余6个品种在9月12～19日抽穗。红壤中种植的水稻品种抽穗期比水稻土中早1～2 d。在水稻抽穗期选3个正常单株，取剑叶作为样品，测定CAT、SOD和POD这3种酶的活性以及MDA含量。9个品种分两批取样，不同的处理同时取样。CAT、SOD和POD样品用0.1 mol/L磷酸缓冲液在冰浴中研磨抽提，MDA样品用10%三氯乙酸研磨抽提。CAT、SOD和POD活性以及MDA含量分别用南京建成科技有限公司试剂盒A007、A001-3、A084-3和A003-1测定。测定操作过程参考试剂盒说明书进行，反应结束后用苏州岛津仪器有限公司UV-1800型紫外可见分光光度计读取相应波长下的吸光度值，最后根据说明书提供的公式计算水稻样品中酶活性或物质含量。

1.4水稻产量性状考察

观察各水稻品种整个生长发育阶段的表现，记录抽穗开花期。成熟后从每个小区收获5个代表性单株考种，考察株高、有效穗数、每穗实粒数、结实率、千粒重和单株产量。

1.5数据统计与分析

相同品种在不同处理下的结果用成组数据t测验比较，酸胁迫处理对水稻生理指标的影响用成对数据t测验比较，数据用SPSS16.0软件进行统计分析。

2结果与分析

2.1酸胁迫对CAT活性的影响

试验所用水稻土和红壤pH值经测定分别为5.20和4.04，相差1.16。9个水稻品种在水稻土中的CAT活性为136.8～193.2 U/(g·min)，在红壤中为123.9～158.9 U/(g·min)。成对数据t测验结果表明，对水稻品种整体而言，红壤中CAT活性极显著低于水稻土中的活性。成组数据t测验结果表明，不同基因型水稻之间的CAT活性存在一定差异。同时，3个品种的CAT活性在酸胁迫下均极显著降低(图1)。

*、**分别表示两处理相比有显著、极显著差异。下同。

2.2酸胁迫对SOD活性的影响

9个水稻品种在水稻土中SOD活性为69.1～124.3 U/g，在红壤中为81.0～126.9 U/g。对水稻品种整体而言，红壤中SOD活性显著高于水稻土中的活性。不同基因型水稻之间的SOD活性存在较大差异，两个品种的SOD活性在酸胁迫下显著升高(图2)。

2.3酸胁迫对POD活性的影响

9个水稻品种在水稻土中POD活性为19.1～32.3 U/g，在红壤中为23.3～32.0 U/g。对水稻品种整体而言，红壤中水稻叶片POD活性与水稻土中无显著差异。不同基因型水稻之间的POD活性存在一定差异，4个品种的POD活性在酸胁迫下出现显著差异，但是变化趋势不一致(图3)。

图2　2种处理下的水稻叶片SOD活性

2.4酸胁迫对MDA含量的影响

9个水稻品种在水稻土中MDA含量为35.8～44.0 μmol/g，在红壤中为32.9～40.7 μmol/g。对水稻品种整体而言，红壤中MDA含量显著低于水稻土中的含量。不同基因型水稻之间的MDA含量存在一定差异，5个品种的MDA含量在酸胁迫下显著降低(图4)。水稻品种的MDA含量变异幅度与前面3种保护酶活性的变异幅度均无显著相关性。

2.5酸胁迫对农艺性状的影响

与水稻土种植相比，红壤酸性胁迫下水稻的株高普遍增加，其中6个品种达到显著水平。红壤中部分品种有效穗数和结实率显著降低，而每穗实粒数的变异相对较小。3个品种千粒重显著增加，金优207千粒重显著降低，其余的无变化。跃新2号、天丰优6418和深优957等3个品种的单株产量在两种处理下无显著差异，表现出耐酸特性，其余6个品种单株产量受酸胁迫影响显著(表1)。结合生理指标分析发现，水稻品种的单株产量变异幅度与POD活性的变异幅度呈显著正相关，与MDA含量的变异幅度呈显著负相关。

图3　2种处理下的水稻叶片POD活性

图4　2种处理下的水稻叶片MDA含量

3讨论与结论

CAT、SOD和POD活性以及MDA含量是评价植物耐逆境的主要生理指标，其中3种保护酶活性一般会随着逆境胁迫程度加深而先上升后下降，MDA含量的变化则相反[8-9]。在本研究的酸胁迫处理下，不同基因型水稻中保护酶活性和MDA含量均存在差异。对所有品种进行成对比较发现，相差1.16个pH值的酸胁迫促使CAT活性和MDA含量降低，SOD活性升高，POD活性在各品种中无一致的变化规律。这些结果说明水稻中此3种保护酶活性对酸胁迫的敏感性存在差异，其中CAT最为敏感，POD其次，SOD敏感性较低。MDA含量变异幅度与此3种保护酶活性均无显著相关性，可能是受此3种保护酶的共同影响。

表1　酸胁迫下的水稻农艺性状及其变异

酸胁迫导致水稻的农艺性状不同程度劣变，其中株高增加，有效穗数、每穗实粒数和结实率减少，部分品种千粒重的增加则是由每穗实粒数减少引起。最终，只有跃新2号、天丰优6418和深优957这3个品种的产量没有受到影响，表现出耐酸特性。酸胁迫下CAT和SOD活性有各自的变化趋势，但是与水稻产量变异无相关性，说明它们的活性变化可能是水稻对酸性逆境的一种普遍反映，难以体现各基因型之间耐酸特性差别。POD活性虽然没有出现一致的变化趋势，但是其变异与产量变异显著相关，可以与MDA含量一起，作为评价水稻耐酸特性的指标。

土壤酸度直接决定矿质营养元素分解利用以及微生物活动，是影响植物生长的重要因素[10]。高浓度酸对植物形态发生、生理功能和生态特性均有危害。对于水稻耐酸性，主要研究了其种子萌发对模拟酸雨响应，发现其多种生理生化指标均受到影响[11-12]。另外，在pH值低于5.5的红壤中，活性铝会析出，破坏了植物微观结构、生理活动和代谢平衡，最明显的表现为根生长受到影响[13-14]。水稻是最耐铝毒禾本科农作物之一，研究人员从中克隆到2个耐铝毒有关基因STAR1和STAR2，以及1个参与去铝毒过程转录因子ART1，为阐明水稻耐酸铝机制提供了依据[15-16]。

江西稻区土壤类型以酸性的红壤水稻土为主，分布于山地和丘陵，肥力较低，养分不均衡。研究表明，加强有机肥的应用，并与无机肥合理配施，能够有效提高红壤水稻土的有机碳和全氮含量，促进水稻高产[17-18]。在水稻育种上，可以注重耐酸种质资源的发掘利用以及选育过程中的耐酸性评价，育成的品种在红壤区将有更好的适应性和丰产性。

参考文献:

[1] 孙波,赵其过.红壤退化中的土壤质量评价指标及评价方法[J].地理科学进展,1999,18(2):118-128.

[2] 吴道铭,傅友强,于智卫,等.我国南方红壤酸化和铝毒现状及防治[J].土壤,2013,45(4):577-584.

[3] 郭晓敏,黄小珊.江西红壤区籽粒苋不同品种利用途径及栽培技术研究[J].江西农业大学学报,1999,21(2):186-189.

[4] 黄天宝,叶川,余喜初,等.红壤丘陵区甘薯品种比较试验[J].江西农业学报,2007,19(4):114-115.

[5] 刘小三,余喜初,章彪雄,等.红壤丘陵区不同油菜品种比较试验[J].江西农业学报,2008,20(1):116-117.

[6] 汪瑞清,肖运萍,魏林根,等.江西红壤旱地黑芝麻新品种(系)比较试验[J].江西农业学报,2011,23(4):27-29.

[7] 袁展汽,刘仁根,肖运萍,等.华南系列木薯品种在江西红壤旱坡边际土地上的适应性研究初报[J].江西农业学报,2009,21(5):21-22.

[8] 彭艳,李洋,杨广笑,等.铝胁迫对不同小麦SOD、CAT、POD活性和MDA含量的影响[J].生物技术,2006,16(3):38-42.

[9] 章秀福,储开富,杨春刚,等.镉胁迫下水稻SOD活性和MDA含量的变化及其基因型差异[J].中国水稻科学,2006,20(2):194-198.

[10] 方治军.柑橘砧木幼苗耐酸性评价及耐酸性差异的生理特性研究[D].南昌:江西农业大学,2011.

[11] 王丽红,黄晓华,周青.水稻、小麦和油菜种子萌发POD与CAT对酸雨胁迫的响应[J].环境科学,2005,26(6):123-125.

[12] 王丽红,周青,曾庆玲.水稻种子萌发对酸雨胁迫的响应[J].中国生态农业学报,2007,15(6):204-205.

[13] Ma J F, Ryan P R, Delhaize E. Aluminum tolerance in plants and the complexing role of organic acids[J]. Trends in Plant Science, 2001, 6(6): 273-278.

[14] 郭天荣,张国平,卢王印,等.铝胁迫对不同耐铝大麦基因型干物质积累与铝和养分含量的影响[J].植物营养与肥料学报,2003,9(3):324-330.

[15] Huang C F, Yamaji N, Mitani N, et al. A bacterial-type ABC transporter is involved in aluminum tolerance in rice[J]. The Plant Cell, 2009, 21(2): 655-667.

[16] Yamaji N, Huang C F, Nagao S, et al. A zinc finger transcription factor ART1 regulates multiple genes implicated in aluminum tolerance in rice[J]. The Plant Cell, 2009, 21(10): 3339-3349.

[17] 董春华,曾闹华,高菊生,等.长期不同施肥模式下红壤性稻田水稻产量及有机碳含量变化特征[J].中国水稻科学,2014,28(2):193-198.

[18] 刘希玉,王忠强,张心昱,等.施肥对红壤水稻土团聚体分布及其碳氮含量的影响[J].生态学报,2013,33(16):4949-4955.

(责任编辑：许晶晶)

Acid Tolerance Identification and Changes of Protective Enzyme Activities of Nine LateIndicaRice Varieties in Red Soil

YANG Zhou1, CAO Feng-sheng1, XIONG Yun-hua1, SHU Ai-ping1, LIU Xiu-mei2*

(1. Rice Research Institute, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences / National Engineering Laboratory for Rice (Nanchang) / Nanchang Sub-center, National Rice Improvement Center / Jiangxi Provincial Key Laboratory of Rice Physiology and Genetics, Nanchang 330200, China; 2. Institute of Soil and Fertilizer & Resources and Environment, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences / National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330200, China)

Abstract：In order to research the acid tolerance of rice, nine late indica rice varieties having been commercialized in Jiangxi Province were screened out and planted in two pools filled with paddy soil and red soil respectively. Activities of protective enzymes including catalase (CAT), superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (POD), and malindialdehyde (MDA) content were measured. The agronomic traits, such as plant height and yield, were investigated. The results indicated that the physiological indexes of different rice varieties were various. CAT activity and MDA content decreased under acid stress, while SOD activity rose and POD activity didn’t show evident variations. The variations of MDA content were not obviously correlated with activity of any one of the three enzymes, but maybe influenced by them simultaneously. The agronomic traits of rice varieties under acid stress varied in different extent. POD activity and MDA content were correlated with the extent of variations of yield per plant, and could be used to evaluate the acid tolerance of rice. On the whole, Tianfengyou 6418, Shenyou 957 and Yuexin 2 were considered as rice varieties with excellent acid tolerance.

Key words：Rice; Red soil; Acid tolerance; Enzyme activity; Agronomic trait

中图分类号：S511

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)02-0027-04

作者简介：杨宙(1981─)，男，湖北荆门人，博士，主要从事水稻遗传育种工作。*通讯作者：刘秀梅。

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAD41B01)；江西省科技支撑重大项目(20133ACF60002)。

收稿日期：2015-07-26