不同耐淹基因型水稻分蘖期对淹涝胁迫的生理差异

从夕汉，施伏芝，阮新民，罗玉祥，王元垒，罗志祥

摘要 [目的]研究不同耐淹基因型水稻分蘖期对淹涝胁迫的生理差异。[方法]以不同基因型的水稻品种FR13A、9311、IR64和OM052为供试材料，进行2、4、5、7 d淹涝胁迫处理并分别恢复3 和5 d，研究不同程度淹水对分蘖期水稻生长及生理指标的影响。[结果]随着淹水处理时间的延长，叶绿素含量及地上相对含水量下降；根冠比增加，根长变短；淹水处理诱导了超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）的酶活性及丙二醛（MDA）含量上升。在没顶淹水4 d时，OM052的SOD、POD和CAT的酶活性及MDA含量比对照增加分别增加了50.0%，25.8%，50.5%和17.9%。没顶淹水5 d后，仅OM052和耐淹品种FR13A存活。[结论]淹水5 d可能是分蘖期水稻淹水胁迫的转折点，OM052在一定程度上具有较好的耐淹性。

关键词 水稻；淹涝胁迫；生理差异；抗氧化酶活性；丙二醛

中图分类号 S511 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）06-0029-04

Physiological Differences of Different Varieties of Waterloggingtolerant Rice （Oryza sativa L.） to Submergence during Tillering Period

CONG Xihan1，2，3，SHI Fuzhi1，2，3，RUAN Xinmin1，2，3 et al （1. Institute of Rice，Anhui Academy of Agricultural Sciences，Hefei，Anhui 230031；2.Key Laboratory of Rice Genetics and Breeding of Anhui Province，Hefei，Anhui 230031；3.Hefei Branch of the National Rice Improvement Center，Hefei，Anhui 230031）

Abstract [Objective] To research the physiological differences of different varieties of waterloggingtolerant rice （Oryza sativa L.） to submergence during tillering period. [Method] Four different varieties of waterloggingtolerant rice （FR13A，9311，IR64，OM052） were used as the experimental materials，submergence treatments for 2，4，5，7 d and a subsequent recovery for 3 and 5 d were conducted. Effects of different degrees of submergence on the growth and physiological indexes of rice during tillering period were investigated. [Result] The content of chlorophyll and shoot relative water content were decreased； rootshoot ratio increased； the root length decreased gradually，the activities of superoxide dismutase （SOD），peroxidase （POD），catalase （CAT） activity，as well as malondialdehyde （MDA） content，were induced and increased subsequently. Compared with the control，the activities of superoxide dismutase （SOD），peroxidase （POD） and catalase （CAT），as well as malondialdehyde （MDA） content，of OM052 rised by 50.0% and 25.8% and 50.5% and 17.9% on the 4th day of treatment，respectively. After submergence for 5 d ，only OM052 and FR13A survived，which were tolerant varieties. [Conclusion] 5 d might be the turning point for evaluating submergence tolerance at tillering stage，and OM052 had relatively good waterlogging tolerance in certain degree.

Key words Rice； Submergence stress； Physiological differences； Antioxidant enzyme activity； Malnodialdehyde

我國是一个自然灾害频繁发生的国家，淹涝是主要的自然灾害之一。由于具有突发性、随机性和复杂性等特点，淹涝灾害常给农业生产带来严重危害。水稻是一种半水生植物，我国水稻多分布于淹涝易发生的南方多雨潮湿地区和北方较低洼地带，尤其是洪灾和内涝时有发生的长江中下游和黄河流域[1]。1950—1990年全国平均每年受涝面积为814万hm2，1998年长江发生了自1954年以来的又一次全流域性大洪水，全国共有29个省（区、市）遭受了不同程度的洪涝灾害，受灾面积0.212亿hm2。吕艳艳等[2]研究淹水处理后2个油菜品系的植株形态、可溶性糖和脯氨酸含量的变化差异。结果表明，耐淹品系通过增加可溶性糖及脯氨酸等渗透调节有机物的含量及时启动抗氧化酶系统来恢复淹水伤害的能力显著高于不耐淹品系。徐春梅等[3]研究了低氧胁迫对水稻幼苗根系功能和氮代谢相关酶活性的影响，发现水稻幼苗可以通过呼吸消耗、氮代谢相关途径的改变，减轻低氧胁迫的伤害。Xu等[4]利用水稻品种FR13A为供试材料，在第9号染色体上发现Sub1A是一个控制耐淹的主效位点，为一个乙烯响应因子类基因，使水稻具有耐淹性。目前，对水稻耐淹机理方面的研究已有报道[5-9]，但有关淹涝胁迫对分蘖期水稻生长和生理生化特性的研究相对较少[10]。鉴于此，该试验通过全真模拟自然条件下淹涝，研究不同淹涝胁迫强度对分蘖期水稻生长和生理生化指标的影响，探索耐淹水稻的生理机制，旨在为我国耐淹水稻品种选育提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料 供试水稻品种为FR13A、9311、IR64和OM052，其中FR13A由中国农科院作物研究所提供，其余材料来源于安徽省农业科学院水稻研究所（表1）。耐淹性强的品种为FR13A，不耐淹的品种为9311和IR64，OM052的耐淹性未知。以上材料于2016年5月2日播于安徽省农业科学院水稻研究所国家水稻育种改良分中心（合肥）的网室，6月8日移栽，至分蘖期再移至塑料盆中（长39.2 cm，宽30.0 cm，高19.0 cm。试验共设5个处理：对照（T0，未进行淹水处理，于淹水当天取样）；淹水2 d + 恢复3 d（T1）；淹水4 d + 恢复3 d（T2）；淹水5 d + 恢复5 d（T3）；淹水7 d + 恢复5 d（T4）。每个处理设3次重复，每盆1个品种，栽3株，每品种共45株。待恢复正常生长（10 d）后，恰遇大雨内涝，利用大田淹水进行淹涝处理，水面距叶片顶部5～10 cm。将塑料盆从水池中取出，存放树荫下1 d后移到自然状态下进行恢复性生长，分别于去水后3、5 d取样。

1.2 方法

1.2.1 生长指标及地上部相对含水量的测定。从塑料盆中取出植株，每处理取3株，小心洗净根部泥土，用干净纸吸干残留的水分，称量鲜重，测量植株的株高、根长、剑叶长度，在105 ℃烘箱中杀青20 min，60 ℃烘干至恒重，称量地上部和地下部的干重，按以下公式计算根冠比和植株相对含水量：

根冠比=地下部干重/地上部干重；

植株相对含水量=[ （鲜重-干重） / 鲜重]×100%。

1.2.2 叶绿素含量的测定。待剑叶完全伸张开，利用叶绿素含量测定仪/便携式叶绿素SPAD-502 plus对对照（T0）和各处理（T1、T2、T3、T4）水稻品种的剑叶上、中、下部位进行叶绿素含量测定，共3次重复。

1.2.3 抗氧化酶活性測定。植物组织匀浆中超氧化物歧化酶（SOD）活力（U/g组织湿重）=（对照OD值-测定OD值）/对照OD值÷50%×反应液总体积（mL）/取样量（mL）÷匀浆液浓度（g/mL），其中匀浆液浓度（g/mL）=组织湿重（g）/匀浆介质体积（mL）。

植物组织匀浆中过氧化氢酶（CAT）活力（U/mg）=（对照OD值-测定OD值）×271×（1/60×取样量）×待测样本蛋白质浓度（mg/mL），其中271为斜率的倒数。

植物组织匀浆中过氧化物酶（POD）活力（U/mg）=（测定OD值-空白OD值）/[12×比色光径（1.0 cm）]×反应液总体积（mL）/样本量（mL）÷反应时间（30 min）÷待测样本蛋白浓度（mg/mL）×1 000。

1.2.4 丙二醛（MDA）含量的测定。植物组织匀浆中（MDA）含量（nmol/mL）=（测定OD值-对照OD值）/（标准OD值-空白OD值）×标准品浓度（10 nmol/mL）÷待测样本蛋白浓度（mg/mL）。

1.3 数据分析 采用Excel 2007 软件对数据进行整理，采用SPSS 19.0 软件进行数据统计分析，图表中的数据为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同耐淹水稻分蘖期在淹涝胁迫后的植株形态及干重和根长比较 分蘖期对4个不同耐淹能力品种（FR13A、9311、IR64、OM052）分别进行T0、T1、T2、T3、T4处理，研究植株形态以及干重和根长的变化（表2）。结果表明，不同淹水处理下植株形态变化显著，在淹水处理达到5和7 d时，存活的品种只有FR13A和OM052，说明OM052的耐淹性较强。与对照T0相比，除9311外，T1和T2处理下品种的株高呈先增后降的趋势，其中T1处理下FR13A的株高增幅最大，达到8.59%。各处理下剑叶长度的变化与株高一致，FR13A的剑叶长分别增加19.0%和14.2%，增幅最大，其次为IR64和OM052。淹水2和4 d处理下，耐淹性强的品种FR13A和OM052植株根长变短，不耐淹性的品种IR64根长则依次变长，9311的根长变化不明显。与对照相比，在T1和T2处理下FR13A和OM052的鲜重显著增加，增幅分别为25.82%、38.36%以及6.06%、15.82%，FR13A在T2处理下，鲜重增幅最大，而9311鲜重降低。各品种的根系干重和地上部干重的变化趋势与鲜重变化基本一致，呈增加趋势，只有9311根系干重和地上部干重逐渐降低。在T1和T2处理下，FR13A、9311和IR64的根冠比均增加，只有OM052的根冠比比对照低。4个品种在各处理下的地上部相对含水量均降低。结果表明，淹水5 d是鉴定分蘖期水稻耐淹性特性重要依据，耐淹性强和不耐淹的品种为适应淹水胁迫，地上和地下部分生长失调，退水后地上部相对含水量降低。

2.2 淹涝胁迫对分蘖期水稻叶片叶绿素含量的影响 由图1可知，与对照处理T0相比，在T1、T2、T3、T4处理下，分蘖期FR13A叶片叶绿素含量分别降低了3.55%、5.92%、16.27%和14.79%，OM052在T3和T4处理下，叶绿素含量降幅最大，分别为31.57%和32.07%，9311叶绿素含量由T0处理下的40.6 分别降到T1和T2处理下的37.4和34.0。降幅达到7.88%和16.26%。IR64叶片的叶绿素含量也从T0处理时的42.4 下降到T1和T2处理时的36.5和35.0，下降幅度分别达到13.92%和17.45%。结果表明，淹水处理下，随着淹水天数的增加，分蘖期水稻剑叶的叶绿素含量降低，耐淹性强的品种降幅小，而敏感型品种降幅大。

2.3 不同耐淹水稻分蘖期叶片SOD、CAT、POD酶活性以及MDA对淹涝胁迫的响应差异 在淹水2 d + 恢复3 d（T1）和淹水4 d + 恢复3 d（T2）后，对4个水稻品种叶片中的SOD、CAT、POD酶活及MDA含量进行分析（图2）。与对照相比，在淹水处理下4个品种SOD酶活性都有不同幅度的提高，耐淹品种FR13A的SOD酶活性分别提高了38.10%（T2）和44.76%（T3），OM052的SOD酶活性分别提高了38.42%（T2）和50.02%（T3），不耐淹品种9311的 SOD酶活性明显低。淹水处理前，FR13A和OM052的POD 酶活性分别为107.0和104.7 U/mg，明显高于9311和IR64的POD 酶活性，淹水处理后4个品种的POD酶活性的变化趋势与SOD酶活性变化一致。与对照相比，在T2处理下，FR13A和9311的POD酶活性增幅最大，分别为14.6%和15.2%，T3处理下，9311和OM052的POD酶活性增幅最大，分别为29.6%和25.8%。活性氧代谢相关的清除酶CAT的酶活性在淹水处理后变化明显，相比对照，FR13A和OM052的CAT酶活性在T2和T3处理下的增幅明显高于9311和IR64，分别达到28.6%（T2）和37.9%（T3）以及37.9%（T2）和50.5%（T3）。此外，MDA含量测定表明，相比对照T0，淹水处理导致分蘖期水稻叶片中MDA含量明显上升，在淹水处理前，耐淹性强的品种叶片MDA含量比不耐淹品种低，淹水处理T2下，品种FR13A、9311、IR64和OM052叶片中MDA含量比对照T0分别增长了7.2%、8.7%、10.4%及6.6%；淹水处理T3，品种FR13A、9311、IR64和OM052叶片中MDA含量比对照T0分别增长了15.1%、22.2%、19.7%和17.9%。

3 结论与讨论

作物耐淹能力受多种因素影响，其中既有外因，如淹水浑浊度、水温、光照，又有内因，如遗传背景、生育期，更受淹水胁迫的处理方法、筛选方法和评价指标的影响[11]。淹涝胁迫会引起作物一系列形态特征、生理和生化的变化，如有氧代谢受抑，光合作用骤减，生长受抑，细胞内活性氧增加等[12]。张光恒等[13]以耐淹差异较大的籼稻TN1与粳稻春江06（CJ06）为亲本构建的DH群体为试验材料，使用分子连锁图谱进行QTL分析，共检测到16个与苗期耐淹有关的QTL。陈永华等[14]应用耐淹涝材料FR13A和淹涝敏感材料IR39595-503-2-1-2构建F2代群体，通过SSR分析，验证了耐淹涝性状确实由主效基因Sub1控制。王守立等[15]分析了水稻不同苗质、品种、种植方式灭顶受淹后的主要性状及受淹时间与产量的关系，结果表明壮秧的秧苗耐淹性好，常规粳稻比杂交籼稻耐水淹，手插、机插、直播3种种植方式中，手插秧苗的存活茎蘖数和绿叶数较多，耐淹性较好。以上研究均主要集中在苗期水稻淹涝胁迫。

而水稻分蘖期生长状况是决定水稻有效穗的重要因素，直接影响水稻产量。在该研究中，通过对分蘖期4个不同耐淹性水稻进行淹水处理，分析了淹水处理后水稻植株形态、叶片叶绿素含量、MDA含量及活性氧代谢相关的清除酶（SOD，POD和CAT）活性，结果表明淹水处理导致地上部相对含水量降低，根冠比增加，根长变短，耐淹性品种的株高、剑叶变长，没顶淹水5 d可能是分蘖期水稻淹水胁迫的转折点。淹水处理明显降低了水稻叶片的叶绿素含量。此外，淹水处理诱导了SOD、POD和CAT酶活性的上升，叶片中MDA含量在淹水处理后也逐渐增加。该研究前期通过杂交水稻品种的耐淹性进行快速筛选，证实了Ⅱ优52是一个耐淹性杂交组合[16]，该研究的结果在一定程度上表明OM052具有较好的耐淹性，而OM052是 Ⅱ 优52的父本，这也与前期研究相一致。

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