水稻脆茎突变体细胞壁组分与茎秆力学性能的研究

汪清焰，刘斌美，杨 阳，叶亚峰，任 艳，吴跃进

(1. 中国科学院 合肥物质科学研究院 技术生物与农业工程研究所，合肥 230031；2. 中国科学技术大学，合肥 230026)

脆茎突变是指植物在生长过程中其茎秆脆性增加的一种突变类型，其中以水稻的脆茎突变较为经典。脆茎突变对水稻有诸多优势，首先脆茎突变会使水稻茎秆变脆易于破碎还田，减少农民因秸秆不易处置而直接就地焚烧的现象发生；其次是脆茎突变使得水稻茎秆纤维素相对含量降低，半纤维素和木质素相对含量升高，水稻茎秆的营养成分结构因此发生改变，从而有望成为一种适合反刍动物食用的新型饲料来源[1-2]；此外，脆茎突变能调控水稻的株高和茎粗壁厚，而水稻倒伏现象的发生主要与水稻的株高、节间长、茎粗以及壁厚等性状有关[3-4]，这些性状的差异使得水稻茎秆的抗折力、机械强度等力学性能发生一定的改变[5-6]，从而实现脆而不倒。将脆茎突变体水稻培育成谷秆两用的经济型作物，实现资源高效利用，对于绿色农业发展具有重要意义[7]。如何有针对性的选育脆茎突变体水稻，是本研究的研究目标。

本研究围绕粳稻品种武运粳7号(野生型)以及重离子辐照背景下筛选的11个脆茎突变体材料开展研究，分析脆茎突变体材料相对其野生型在农艺性状、茎秆细胞壁成分、相关力学性能等方面的差异，以期为进一步解析脆茎突变体的脆性机制提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

重离子辐照筛选得到的武运粳水稻脆茎突变体品种(wyj1、wyj2、wyj3、wyj4、wyj5、wyj6、wyj7、wyj8、wyj9、wyj10和wyj11)以及其野生型亲本(wyjCK)，材料均种植于中科院合肥物质科学研究院技术生物与农业工程研究所分子育种实验基地(117°9′E，31°54′N)。

1.2 方法

1.2.1 农艺性状考察

从田间取回所需的水稻材料，每种材料取5株，考察株高、有效穗数、平均穗长、千粒重以及结实率[8]。

1.2.2 折断试验

将新鲜水稻材料茎鞘分离，徒手对茎秆进行折断处理，观察茎秆断裂情况。

1.2.3 细胞壁成分测定

将水稻茎鞘分离，并将茎秆在105 ℃杀青2 h后转至80 ℃烘6 h至绝干，再用旋风磨粉机磨成过40目筛的粉末，然后用范式(Van Soest)洗涤法[9]测定水稻茎秆细胞壁的纤维素、半纤维素、木质素以及灰分的相对含量。

1.2.4 茎秆力学性能测定

采用杨惠杰等[10]的方法，选取新鲜水稻茎秆中间段各10份，放置相距6 cm的支架上，用数显式拉压力计将茎秆压至断裂，记录下拉压力计上力的峰值，即为茎秆的抗折力。

将新鲜水稻茎鞘分离，并将茎秆夹持在万能力学试验机上，启动万能力学试验机进行拉伸力的测定，并计算拉应力(拉伸力与截面积之比)。

1.2.5 茎秆弯曲强度计算

为了将茎秆抗折力与茎秆的直径和壁厚两个因素联系起来，来表现单位横截面积下不同品种所受力的大小，采用如下公式计算茎秆的弯曲强度[11]，测定原理示意图见图1:

图1 水稻茎秆抗折力测定原理图

其中：Mmax为B点的最大弯矩，N·m；Wz为水稻茎秆的截面系数；FA为支撑点A所承受的力，N；F为O点承受的力，即茎秆的抗折力，N；L为支撑点A、B之间的距离，mm；a为支撑点A与O点的距离，mm；D分别为水稻茎秆的外径，mm；α为水稻茎秆内外径之比。

1.2.6 分析方法

采用SAS 8.0对试验数据进行差异性分析。

2 结果与分析

2.1 成熟期水稻表型观察及农艺性状

从图2和表1可以看出，突变体材料的株高范围在66.73 ～92.59 cm，低于野生型水稻的94.91 cm；突变体和野生型水稻的有效穗数、结实率、千粒重以及平均穗长没有明显大小关系，各品种之间互有差异，可以根据生产需要来选育所需的突变体材料。

各图左侧植株均为野生型(wyjCK)，右侧植株分别为(A)wyj1、(B) wyj2、(C) wyj3、(D) wyj4、(E) wyj5、(F) wyj6、(G) wyj7、(H)wyj8、(I) wyj9、(J) wyj10、(K) wyj11和(L)wyjCK

图2野生型和脆茎突变体水稻植株株高比较

Figure 2 Comparison of the plant height of wild-type and brittle mutants

2.2 水稻茎秆折断情况

由图3可以看出，野生型水稻(A)的茎秆只有折痕而没有断裂，而其他几个脆茎突变体材料(B～L)则呈现不同的断裂状态，可知脆茎突变体水稻更加容易折断，突变体水稻的茎秆脆性大于野生型水稻。

各品种依次为野生型(A)wyjCK和11种脆茎突变体(B)wyj1、(C) wyj2、(D) wyj3、(E) wyj4、(F) wyj5、(G) wyj6、(H) wyj7、(I)wyj8、(J) wyj9、(K) wyj10和(L) wyj11

图3水稻野生型和脆茎突变体茎秆折断情况

Figure 3 The broken stems of wild-type and brittle mutants

2.3 成熟期水稻茎秆抗折性能与茎秆成分

从表2可以看出，突变体材料茎秆纤维素相对含量范围为16.99%～24.46%，低于野生型水稻的25.60%，半纤维素相对含量(19.40%～25.24%)高于野生型水稻(15.68%)，木质素和灰分则有不同程度的差异，并且野生型水稻茎秆抗折力和弯曲强度明显比突变体材料大。

表1‘武运粳7号’野生型与其脆茎突变体的农艺性状对比

注：同列带有不同字母的数值具有显著差异(P<0.05)；下同

表2 野生型和脆茎突变体水稻茎秆成分和力学性能

图4水稻茎秆成分含量与弯曲强度的关系

Figure 4 Relationship between stem components and bending strength

图4表明：弯曲强度与茎秆细胞壁中的纤维素相对含量呈显著的正相关，相关系数R=0.9342，与半纤维素、木质素和灰分的相对含量没有明显的相关关系。这说明随着水稻茎秆细胞壁纤维素相对含量减少，其茎秆的弯曲强度也减小，茎秆变得更脆。

图5表示的是水稻茎秆各节间拉应力与纤维素含量的线性关系。从图5可以看出，水稻茎秆各节间均与纤维素含量呈较明显的正相关关系，相关系数分别为R1=0.8475，R2=0.9212，R3=0.8791，R4=0.9203；这也证明了茎秆细胞壁组分中的纤维素含量在一定程度上决定着茎秆力学性能的强弱。

图6表示的是水稻茎秆经过范式法洗涤之后不溶性物质(纤维素、半纤维素、木质素和灰分)和可溶性物质所占比例之和。可以看出野生型水稻茎秆中不溶性物质的含量(49.33%)比突变体水稻低(50.05%～57.87%)，剩余部分则是茎秆中的可溶性物质(包括脂肪、淀粉和可溶性糖等物质)，可知野生型水稻茎秆中可溶性物质的含量(50.67%)比突变体水稻(42.13%～49.95%)高，而野生型水稻的力学性能比突变体材料好，这意味着茎秆力学性能与茎秆中填充的可溶性物质有一定的关系[12]。

D1、D2、D3、D4分别为水稻茎秆的倒一节、倒二节、倒三节和倒四节

图5茎秆拉应力与纤维素含量的关系

Figure 5 Relationship between stem tensile stress and cellulose content

同一成分带有不同字母的数值具有显著差异(P<0.05)

图6‘武运粳7号’野生型及其脆茎变突体茎杆成分

Figure 6 Stem components in the wild-type and brittle mutants of ‘Wuyunjing 7’

3 讨论与结论

本研究得出了‘武运粳7号’突变体材料茎秆变脆与细胞壁组成成分有关，将弯曲强度和拉应力等力学性能指标与纤维素含量做线性分析，结果表明茎秆弯曲强度和拉应力与其细胞壁纤维素的相对含量呈显著正相关。在细胞壁结构中，纤维素、半纤维素和木质素等成分起到了维持细胞形态的作用，并赋予了一定的力学性能，其中纤维素是细胞壁的核心组成部分。对于水稻茎秆来说，纤维素直接影响到整个茎秆的力学性能，但从细胞的整体性来考虑，脆秆水稻茎秆力学强度降低也可能是与茎秆粗纤维含量减少，纤维细胞壁变薄有关[13]，而纤维素含量的变化也可能与之有关。

本研究还发现野生型水稻茎秆细胞壁中半纤维素含量要比所有的突变体水稻低，虽然与茎秆的力学性能没有明显的线性关系，但不意味着半纤维素的含量与茎秆脆性没有关系，或许跟半纤维素、木质素与纤维素的氢键结合水平程度有关[14]。此外，用范式法测定茎秆细胞壁组分的过程中发现突变体水稻洗涤出来的可溶性物质较野生型少，这可能与茎秆的充实度[15-16](可溶性糖、脂肪以及淀粉等)等其他因素有关[17]，武运粳系列脆茎突变体水稻在整个生育后期表现出较为明显脆性的机理还待于进一步研究。