NO对低温胁迫下水稻幼苗生理生化特性的影响

苏如奇，徐志荣，韩瑞才，李祖军，吴自明

（江西农业大学 作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室/江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室，江西 南昌330045）

【研究意义】水稻（Oryza sati va L.）是我国重要的粮食作物，种植面积居世界第二，产量居世界第一，总产量2亿t以上[1-2]。冷胁迫是影响水稻产量的主要非生物胁迫之一。在华南和长江中下游双季稻区，早稻经常受寒潮侵袭，在过去30年，由于温度急剧降低或持续低温阴雨天气造成的春寒，每年导致水稻30%～50%的幼苗腐烂，产量减少30～50亿kg。另外，晚稻也易遭受“寒露风”危害，低温造成授粉和受精无法正常进行，增加了水稻的瘪谷率，最终影响水稻产量[3-6]。一氧化氮（nitric oxide，NO）是一种新型信使分子，调节植物生长发育，参与植物体内的代谢调节，还能迅速清除脂质自由基，改变活性氧的种类和组成，调节植物体内的活性氧（reactive oxygen species，ROS）代谢来减轻氧化胁迫伤害[7-8]。硝普钠（Sodium nitroprusside，SNP）可以产生NO，作为外源NO的供体，硝普钠预处理可显著提高逆境胁迫下对植物的损害。【前人研究进展】前人对外源NO处理缓解盐胁迫做了大量研究，刘开力等[9-11]证实低浓度（10µmol/L的SNP）处理明显缓解盐胁迫下（100µmol/L NaCl）水稻幼苗根组织膜脂过氧化产物MDA的累积，显著提高可溶性蛋白含量，并诱导根系APX、POD和SOD活性的上升。阮海华等[12-13]证实了100µmol/L和1 000µmol/L SNP对150µmol/L和300µmol/L NaCl胁迫下的叶片氧化损伤有明显的缓解效应，能降低MDA含量累积，同时促进抗氧化物质脯氨酸上升，从而减轻盐胁迫下小麦叶片的氧化损伤。【研究切入点】目前，有关外源NO可缓解作物低温胁迫在番茄、辣椒和南瓜等已有报道，但在水稻的研究尚不多见，此外，当前研究中缺乏外源NO对低温胁迫下水稻苗期生理指标调控机制以及提高水稻低温胁迫的适宜NO浓度的报道。【拟解决的关键问题】研究外源NO对低温胁迫下水稻苗期生理指标和幼苗生长性状的影响，为后期研究内源NO的调控耐冷作用机制及实际应用提供了试验基础和理论依据，对提高水稻的耐冷性具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与处理

以粳稻品种Kittake为实验材料，由江西农业大学实验室提供。硝普钠（亚硝基铁氰化钠，sodium nitroprusside，SNP）购自生工生物工程有限公司。

选取健康饱满种子，经常规方法消毒、浸种、催芽后，选择饱满整齐一致的种子播种于78 mm×40 mm×40 mm的盆中，每盆播种50粒，3个重复。播种后于人工气候箱（温度28℃/25℃，光周期16 h，湿度70%）中培养，在苗期2叶1心时，叶面分别喷施0，10，50，100，200，500，1 000µmol/L的SNP溶液（含0.2%吐温），然后移至人工气候箱（温度8℃，光周期16 h，湿度70%）进行冷胁迫处理，以常温+蒸馏水（含0.2%吐温）做对照。处理3d后取水稻叶片，进行各种生理指标的测定。

1.2 项目测定与方法

1.2.1 株高、根长、鲜质量和干质量的测定 采集新鲜水稻样品，用游标卡尺测量幼苗茎基部至幼苗顶端叶尖，即为株高；用游标卡尺测量根尖到幼苗茎基部的长度，即为根长；取生长一致的水稻幼苗10株，将样品清洗干净并吸干其表面水分，称其质量即为鲜质量，于105℃杀青、75℃烘干至恒质量，称其质量即为干质量。

1.2.2 生理指标测定 SOD活性测定采用氮蓝四唑（NBT）法[15]；CAT活性测定采用钼酸铵比色法[17]；采用磺基水杨酸法测定游离脯氨酸的含量[14]；采用考马斯蓝染料结合法测定蛋白质含量[15]；采用分光光度计法测定叶绿素的含量[16]。

1.3 数据处理与统计分析

采用Excel 2007和SPSS19进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 外源NO对低温胁迫下水稻幼苗生长的影响

由表1可知，低温胁迫下3d后，与对照组相比，低温处理组株高、根长、鲜质量、干质量均降低。不同浓度SNP处理对低温胁迫的缓解作用不同，200µmol/L SNP处理株高、鲜质量和干质量分别为18.33 cm、0.685 g和0.112 g，高于其他处理，但干质量的差异未达到显著水平。低浓度梯度下（10，50，100µmol/L），株高和鲜质量随着浓度的增大而增长。在高浓度梯度下（200，500，800，1 000µmol/L）株高和鲜质量出现先上升后下降的趋势。各处理间水稻幼苗的根长与对照相比，未达显著差异。不同浓度的SNP对低温胁迫下水稻幼苗生长的影响不同，但均能减缓低温胁迫对水稻幼苗生长的抑制作用，SNP处理浓度为200µmol/L时效果最好，高浓度SNP处理可以促进水稻幼苗生物量的积累。

表1 外源NO对低温胁迫下水稻幼苗生长的影响Tab.1 Effect of exogenous NO on the growth of rice seedlings under low temperature stress

2.2 外源NO对低温胁迫下水稻幼苗叶绿素含量的影响

表2表明，与喷施清水的常温对照相比，喷施清水的低温胁迫下的水稻幼苗叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量分别降低了66.25%、61.62%、63.67%，叶绿素a/b的值低于常温对照。喷施SNP的水稻幼苗的叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量和叶绿素a/b比喷施清水的均有增加。

表2 外源NO对低温胁迫下叶绿素含量的影响Tab.2 Effects of chlorophyll contents of different exogenous NO under low temperature stress

2.3 外源NO对低温胁迫下水稻叶片抗氧化酶活性的影响

由图1可知，低温胁迫下水稻幼苗叶片SOD活性增强，与对照相比提高了11.2%，喷施SNP后，SOD活性进一步的提高，随着SNP浓度的增加，SOD活性出现先增加后降低的趋势。50µmol/L的SNP处理下水稻幼苗的SOD活性最佳。

由图2可知，低温胁迫使水稻叶片的CAT酶活性显著降低。喷施SNP显著提高了水稻叶片的CAT活性，随着SNP浓度增加，CAT活性呈先上升后下降的趋势，当SNP浓度为50µmol/L时，CAT活性达到最高，酶活为690.53 U/g，之后随着SNP浓度增加，CAT活性逐渐下降。

图1 外源NO供体对低温胁迫下水稻幼苗叶片SOD活性的影响Fig.1 Effect of exogenous NO donor on SOD activity of rice seedlings under low temperature stress

图2 外源NO供体对低温胁迫下水稻幼苗叶片CAT活性的影响Fig.2 Effect of exogenous NO donor on CAT activity of rice seedling leaves under low temperature stress

2.4 外源NO对低温胁迫下水稻幼苗可溶性蛋白含量的影响

由图3可知，低温胁迫下3d后，低温胁迫下水稻叶片可溶性蛋白含量高于对照组；低温胁迫下叶面喷施NO供体SNP后，可溶性蛋白含量升高。当SNP浓度为100µmol/L时，可溶性蛋白含量最高，相比未喷施SNP的处理可溶性蛋白含量增加了88.79%。

2.5 外源NO对低温胁迫下水稻幼苗脯氨酸含量的影响

由图4可知，低温胁迫显著降低水稻叶片的脯氨酸含量，低温胁迫下喷施SNP能够延缓水稻叶片脯氨酸含量的下降。50，200，1 000µmol/L SNP能够增加脯氨酸的含量，分别比对照处理提高了72.87%、

62.37 %、39.33%。

图3 外源NO供体对低温胁迫下水稻幼苗叶片可溶性蛋白含量的影响Fig.3 Effect of exogenous NO donor on protein content in leaves of rice seedlings under low temperature stress

3 讨论与结论

图4 外源NO供体对低温胁迫下水稻幼苗叶片脯氨酸含量的影响Fig.4 Effect of exogenous NO donor on proline content of rice seedlings under low temperature stress

前人研究[18-21]发现，适宜浓度的外源NO可以增加幼苗株高，提高抗氧化酶活性。本研究结果表明，低温胁迫下，水稻幼苗生长受到抑制，株高、根长下降，叶片鲜质量、干质量降低。同时幼苗叶片叶绿素含量降低，叶绿素a/b的值低于常温对照，说明低温使叶绿素受到损伤，且叶绿素a的降解速度大于叶绿素b。喷施SNP后，水稻幼苗的叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量和叶绿素a/b均增加，这表明喷施SNP能减弱低温对叶绿素的破坏，减缓叶绿素的降解，缓解低温胁迫对叶肉细胞光合活性的影响，有利于同化物积累，提高水稻的耐冷性。

低温胁迫抑制水稻幼苗的生长，导致植物叶片活性氧积累及膜脂过氧化程度加剧。植物体内的抗氧化防御系统可以维持活性氧代谢平衡，抗氧化防御系统包括酶系统和非酶系统，SOD、POD和CAT是重要的抗氧化酶，能有效清除植物细胞内多余的过氧化氢、羟基和超氧化物阴离子等活性氧[12]。本研究发现低温胁迫下喷施外源NO可以提高水稻幼苗叶片的SOD和CAT活性，不同浓度处理结果表明，50µmol/L SNP处理后，SOD和CAT活性均达到最大值，分别为366.08 U/g和690.53 U/g。因此，50µmol/L SNP最有利于提高低温胁迫下水稻叶片抗氧化酶活性，提高水稻幼苗耐冷性。

可溶性蛋白含量的增加能够增强植物幼苗的耐冷性，脯氨酸作为植物蛋白质的组分之一，以游离状态广泛存在于植物体中，在植物生长中发挥重要作用[22]。本研究结果发现，低温胁迫提高了水稻幼苗叶片可溶性蛋白质的含量，这可能是由于低温胁迫使细胞质膜过氧化程度升高，细胞膜受到损伤，导致叶片可溶性蛋白质含量上升，细胞渗透势降低，从而提高水稻幼苗的耐冷性。另外，本研究发现低温胁迫下喷施外源NO可以提高水稻叶片的可溶性蛋白含量，且100µmol/L SNP处理水稻幼苗的可溶性蛋白含量较高。本研究中低温胁迫下水稻叶片脯氨酸含量低于对照组，说明低温胁迫降低了叶片脯氨酸的积累，喷施SNP后脯氨酸含量上升，表明脯氨酸的大量积累提高了水稻幼苗的耐冷性。

综上所述，外源NO提高了水稻幼苗叶片叶绿素与膜内可溶性蛋白含量以及抗氧化酶活性，显著缓解了低温胁迫对水稻幼苗生长的抑制作用，有利于水稻幼苗生长，且50µmol/L SNP缓解低温胁迫的效果最为显著。

致谢：唐双勤和何小露对研究给予了帮助，Komivi dossa对文章英文部分进行了润色，谨致谢意!