低温胁迫对水稻幼苗叶片生理生化特性的影响

王亚男 范思静

摘要[目的]研究低温胁迫对水稻叶片生理生化特性的影响。[方法]以水稻品种两优5916为试验材料，研究低温胁迫过程中水稻幼苗叶片的光合参数、叶绿素荧光参数、抗氧化系统酶活和丙二醛含量的变化。[结果]低温胁迫下，水稻的净光合效率、气孔导度与蒸腾速率均明显下降，叶绿素荧光参数光合系统 Ⅱ 最大潜在光化学效率（Fv/Fm）与光化学转换的实际量子效率（ФPSⅡ）也显著降低，初始最小荧光（Fo）与光合系统 Ⅱ 非调控能量耗散系数（ФNO）升高。对抗氧化系统酶活的测定结果表明，在低温处理过程中水稻幼苗叶片的抗氧化系统SOD、POD、CAT酶活呈先升高后降低的趋势，丙二醛含量则逐步升高。[结论]在低温胁迫下，水稻对光能的吸收转换效率降低，而蒸腾速率与气孔导度的降低导致叶片净光合速率的降低，由于叶片抗氧化系统酶活的降低以及MDA含量的增加，叶片光合系统 Ⅱ 受到了不可逆的损伤。

关键词水稻；低温冷害；光合作用；叶绿素荧光参数；抗氧化系统

中图分类号S501文献标识码A文章编号0517-6611（2017）05-0008-02

Abstract[Objective] To study the effects of lowtemperature stress on the physiological and biochemical characteristics of rice seedling leaves. [Method] Taking rice cultivar Liangyou 5916 as test materials， the changes of photosynthesis parameters， chlorophyll fluorescence parameters， enzyme activities of antioxidant system and MDA content in the process of lowtemperature stress were studied. [Result] Under lowtemperature stress， the net photosynthesis rate， stomatal conductance and transpiration rate obviously decreased， and chlorophyll fluorescence parameters Fv/Fm， ФPSⅡ obviously decreased， but Fo and ФNO increased. The determination results of the activities of SOD， POD and CAT enzymes firstly increased and then decreased， MDA content gradually increased. [Conclusion] Under lowtemperature stress， photochemical conversion efficiency decreased， the net photosynthesis rate decreased by the decrease of stomatal conductance and transpiration rate. PSⅡ was damaged because enzymes activities of antioxidant system decreased and MDA content increased.

Key wordsRice；Cold damage；Photosynthesis；Chlorophyll fluorescence parameters；Antioxidant system

基金项目安徽省科技攻關计划项目（1501031111）。

作者简介王亚男（1983—），女，安徽青阳人，农艺师，硕士，从事作物遗传育种研究。

收稿日期2016-12-24

水稻在前期育苗生产过程中常常会遭遇低温的影响，导致苗期遭遇冷害，水稻生长缓慢或停滞[1-3]。研究表明，当环境温度低于10 ℃时，水稻的生理代谢过程就会受到伤害，如膜透性增加、叶绿素合成受到抑制、引起光合作用系统对光能的吸收转换与利用效率降低，直接影响水稻幼苗的生长[4]。笔者通过测定低温胁迫下水稻叶片的光合参数、叶绿素荧光参数以及抗氧化系统酶活与丙二醛（MDA）含量，研究低温胁迫对水稻品种两优5916的影响，分析水稻对低温胁迫的生理生化应激反应，旨在为进一步探讨低温影响水稻生长的内在机制提供理论参考。

1材料与方法

1.1试验材料及其处理

以安徽金培因公司选育的水稻品种两优5916为试验材料，挑取颗粒饱满的种子，用水浸泡后，用70%乙醇消毒5 min，用水冲洗后在水中浸泡24 h，然后播种于装有营养基质的培养盘中，置于气候培养箱中进行育苗，温度28 ℃、湿度80%、光照强度120 μmol/（m2〖DK〗·s），白天10 h，夜晚14 h，进行连续培养。待幼苗生长至4叶期，选取表型基本一致的植株进行试验，以正常处理为对照，处理组处理温度为8 ℃，连续处理24 h，湿度80%、光照强度120 μmol/（m2〖DK〗·s），白天10 h，夜间14 h，每个处理设5次重复，以正常处理为对照，低温处理4、8、12和24 h后取样，进行相关生理生化指标的测定。

1.2光合参数的测定

使用美国LI-COR公司的Li-6400光合测定仪进行光合参数的测定，设定开放式气路，光照强度设定为1 200 μmol/（m2〖DK〗·s），CO2浓度约为390 μmol/mol，叶室温度设定为28 ℃，测定倒3叶的净光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）、气孔导度（Stomatal conductance，Gs）、蒸腾速率（Transpiration rate，Tr）。取3片完全伸展的叶片进行测定，取平均值。

1.3叶绿素荧光参数的测定

使用德国WALZ公司的PAM-2500便携式脉冲可调制式荧光测定仪进行叶绿素荧光参数的测定，设定饱和脉冲时间为800 ms，脉冲频率为20 s，脉冲光强3 000 μmol/（m2〖DK〗·s），测量光强100 μmol/（m2〖DK〗·s），作用光强为150 μmol/（m2〖DK〗·s），测定低温处理过程中水稻幼苗叶片的叶绿素荧光参数。取3片完全伸展的叶片进行测定，取平均值。采用在线慢诱导模式测定初始荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、光系统 Ⅱ（PS Ⅱ）最大光化学效率（Fv/ Fm）。光化学转换过程中的实际量子效率（ФPSⅡ）、非调控能量耗散系数（ФNO）与可调控能量耗散系数（ФNPQ）参照Genty等[5]、Kramer等[6]和Calatayud等[7]的方法，根据“puddle model” 和“lake model”进行计算。使用DPS 2000软件，按照Turkey多重比较对试验数据进行差异显著性分析[8]。

1.4抗氧化系统酶活与丙二醛含量的测定

抗氧化系统酶SOD、POD与CAT活性以及丙二醛含量使用南京建成生物工程研究所提供的试剂盒进行测定。

2结果与分析

2.1低温胁迫下水稻叶片光合参数的变化

从图1可以看出，低温胁迫下水稻叶片的光合作用参数净光合效率、气孔导度与蒸腾速率均明显下降，与对照（CK）相比，低温处理4 h后净光合效率、气孔导度与蒸腾速率先迅速下降，然后缓慢下降；低温处理12～24 h，叶片的净光合效率、气孔导度与蒸腾速率逐渐趋于稳定。以上结果表明，水稻叶片的光合作用系统在遭遇冷害处理的早期反应较为敏感，光合参数下降较快，中后期光合作用已经很微弱，光合参数降至最低值。

2.2低温胁迫下水稻叶片叶绿素荧光参数的变化

从图2可以看出，低温胁迫下初始最小荧光（Fo）与初始最大荧光（Fm）呈逐渐增加的趋势，而光合系统 Ⅱ 的潜在最大光化学效率（Fv/Fm）则逐渐降低，表明低温处理损伤了光合系统 Ⅱ，导致初始荧光参数（Fo）的增加，最大光化学效率（Fv/Fm）的降低。对水稻叶片光合系统 Ⅱ 的进一步研究表明，低温处理导致光合系统 Ⅱ 的光化学转换的实际量子效率ФPSⅡ降低，光合系统 Ⅱ 可调控能量耗散系数（ФNPQ）先升高后降低，低温处理4 h后达到最大值，此后逐渐降低，而光合系统 Ⅱ 非调控能量耗散系数（ФNO）则呈逐渐上升的趋势，低温处理8 h后叶片ФNO在0.6以上，表明水稻叶片光合系统 Ⅱ 遭受了不可逆的伤害（表1）。

2.3低温胁迫下水稻叶片抗氧化系统酶活与丙二醛含量的变化

从表2可以看出，低温处理过程中水稻叶片抗氧化系统酶SOD、POD与CAT活性呈先升后降的趋势，在低温处理8 h时达到最大值；低温处理24 h时，SOD、POD与CAT活性显著低于对照（CK）。随着低温处理时间的延长，丙二醛含量呈逐步增加的趋势，低温处理24 h时丙二醛含量达到最大值。

3讨论与结论

低温冷害是水稻苗期常遭受的逆境胁迫主要因子之一[9]。近年来，由于极度天气频发，南方地区常常因低温连阴雨导致水稻停滞生长，甚至秧苗死亡，已逐渐成为水稻减产的主要原因之一[10-11]。该研究围绕水稻遭遇低温冷害的应激反应，研究低温冷害处理过程中水稻光合作用系统以及抗氧化系统相关指标的变化，结果表明低温处理降低了水稻叶片的净光合速率、蒸腾速率与气孔导度，低温引起叶片初始最小荧光（Fo）与光合系统 Ⅱ 非调控能量耗散系数（ФNO）的升高，叶片光合系统 Ⅱ 最大潜在光化学效率（Fv/Fm）与光化学转换的实际量子效率（ФPSⅡ）的降低。这表明水稻叶片在遭遇低温胁迫时，水稻对光能的吸收转换效率降低，蒸腾速率与气孔导度的降低会导致叶片净光合速率的降低，由于叶片抗氧化系统酶活的降低以及MDA含量的增加，可能导致叶片单线态氧与膜脂过氧化程度的增加，对叶片光合系统 Ⅱ 产生了不可逆的损伤。

参考文献

[1] 王品，魏星，张朝，陈一，等.气候变暖背景下水稻低温冷害和高温热害的研究进展[J].资源科学，2014，36（11）：2316-2326.

[2] 李健陵，霍治国，吴丽姬，等.孕穗期低温对水稻产量的影响及其生理机制[J].中国水稻科学，2014，28（3）：277-288.

[3] 聂元元，蔡耀辉，颜满莲，等.水稻低温冷害分析研究进展[J].江西农业学报，2011，23（3）：63-66.

[4] 王春萍，雷開荣，李正国，等.低温胁迫对水稻幼苗不同叶龄叶片叶绿素荧光特性的影响[J].植物资源与环境学报，2012，21（3）：38-43.

[5] GENTY B，BRIANTAIS J M，BAKER N R.The relationship between the quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence[J].Biochim et Biophys Acta，1989，990（1）：87-92.

[6] KRAMER D M，JOHNSON G，KIIRATS O，et al.New fluorescence parameters for the determination of QA redox state and excitation energy fluxes[J].Photosynthesis research，2004，79（2）：209-218.

[7] CALATAYUD A，ROCA D，MARTNEZ P F.Spatialtemporal variations in rose leaves under water stress conditions studied by chlorophyll fluorescence imaging[J].Plant physiology and biochemistry，2006，44（10）：564-573.

[8] TANG Q Y，ZHANG C X.Data Processing System（DPS）software with experimental design，statistical analysis and data mining developed for use in entomological research[J].Insect science，2013，20（2）：254-260.

[9] 宋广树，孙忠富，孙蕾，等.东北中部地区水稻不同生育时期低温处理下生理变化及耐冷性比较[J].生态学报，2011，31（13）：3788-3795.

[10] 宋广树，孙忠富，王夏，等.不同生育时期低温处理对水稻品质的影响[J].中国农学通报，2011，27（18）：174-179.

[11] 刘民.水稻低温冷害分析及研究进展[J].黑龙江农业科学，2009（4）：154-157.