高温胁迫下粳稻产量因子的变化以及对抗氧化酶活性的影响*

2021-01-22刘航江袁新捷陈国兴

云南农业大学学报(自然科学) 2021年1期

刘航江，袁新捷，陈国兴

(华中农业大学植物科学技术学院，湖北武汉 430070)

据统计，中国约有65%的人口都以稻米为主食，而且水稻播种面积常年居于3 000 万hm2上下，稻谷年产量达2.1 亿t 以上[1-2]。在中国许多地区，水稻高温热害已经成为影响水稻生长发育的主要自然灾害之一，尤其是在长江流域以及南方稻区[3]。近年来，为保证国家粮食安全，“籼改粳”已经成为中国南方稻区的重要任务之一[4]，因此在南方稻区进行粳稻品种的选育工作具有更为重要的现实意义。

粳稻和籼稻的耐高温特性存在一定的差异，且一般情况下，籼稻的耐高温性普遍强于粳稻，这可能是由于高温主要影响籼稻当天开放的颖花；而粳稻则不同，高温除了影响当天开放的颖花外，对次日开放的颖花也有不利的影响[5]。李守华等[6]研究发现：最近50 年江汉平原的平均气温和最高气温并未升高，整体保持基本稳定，长期温度变化表现出一定的周期特征，即7—8 月期间，连续3 和5 d 平均气温高于30 ℃以及最高温度高于35 ℃的天气出现频次高，且有增加趋势，这对水稻花期可能产生致命性伤害。对高温最敏感的时期为水稻减数分裂期和开花期，这2 个时期遭遇高温对水稻结实率的影响最大，因此，通常在这2 个时期进行耐高温品种的鉴定筛选[7-8]。此外，水稻开花期如遭遇35 ℃以上的高温，会造成颖花不育和结实率下降，最终使产量降低[9-10]。

有研究发现：高温胁迫后，水稻叶片的质膜通透性增强，游离脯氨酸增多，但是过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT) 和超氧化物歧化酶(SOD)活性均呈上升趋势[11]。郭培国等[12]通过对水稻进行夜间高温胁迫后发现：水稻叶片光合速率降低并且出现了氧化症状，随着高温胁迫时间增加植株体内的O2−和H2O2含量也增高，但POD、CAT 和SOD 活性随着时间先升高而后降低，这说明随着高温胁迫时间延长，活性氧的生成速度已经远远大于活性氧的清除速度，并且长时间高温会抑制抗氧化酶活性，使植株受到过氧化损伤。

以往关于水稻耐高温特性的筛选鉴定多是利用间接鉴定法，即利用人工气候箱等设备对水稻的温度、光照和湿度等自然要素进行严格控制，但是这类方法的鉴定结果往往会与大田实际生产结果有较大的出入。本试验基于大田自然条件，与盆栽温室控温相结合，以使各品种水稻自始穗期起经历至少连续7 d 日均温度高于32 ℃或最高温度高于35 ℃的高温胁迫，通过对水稻总粒数、结实率、千粒质量和抗氧化酶活性等指标进行测定，综合各项指标对15 个粳稻品种的耐高温特性进行评价，筛选出具有耐高温特性且产量因子表现好的优质品种，以期为粳稻耐高温品种鉴定筛选研究提供新思路，为耐高温粳稻种质资源的利用提供参考依据，也为耐高温粳稻品种的培育提供基础材料，保证水稻的稳产和高产。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017—2019 年在华中农业大学作物遗传与改良国家重点实验室盆栽场进行。试验田前茬为冬闲田，土壤类型为黄棕壤水稻土，试验前测得大田表层0～20 cm 土壤基础养分为：有机质18.89 g/kg，速效钾145.32 mg/kg，速效磷9.52 mg/kg，碱解氮 65.11 g/kg，pH 6.08。试验前测得盆栽土壤基础养分为：有机质46.55 g/kg，速效钾188.46 mg/kg，速效磷16.81 mg/kg，碱解氮143.65 mg/kg，pH 5.35。

1.2 试验材料

试验以中日韩15 份粳稻品种为材料：W1202(中国山东)、奥羽392 (日本)、丰优100 (中国吉林)、合系27 号 (中国云南)、垦育16 号 (中国河北)、辽粳326 (中国辽宁)、临稻16 号 (中国山东)、龙粳25 号 (中国吉林)、牡丹江17 (中国黑龙江)、千重浪1 号 (中国辽宁)、青旱稻(中国山东)、沈农2100 (中国辽宁)、万年(中国辽宁)、永山稻(韩国)和元子粘稻(中国江苏)。依次编号为S1～S15，均由中国农业科学院作物科学研究所提供。

1.3 试验设计

2017—2019 年，大田试验为每年每份材料种植1 个小区，规格为(4×5)株，行株距为16 cm×16 cm，小区之间间距均为32 cm。高温处理采用自然高温胁迫的方式[11-12]，自始穗期起经历至少连续7 d 日均温度高于32 ℃或最高温度高于35 ℃的品种才视做经历了高温胁迫，调整播期使抽穗开花期集中在7 月中下旬和8 月中上旬。大田试验基肥施用复合肥30 kg/667 m2，在一叶一心期和分蘖期分别追施尿素5 kg/667 m2。试验期间适时进行人工除草和防治病虫害。

2019 年进行盆栽试验。盆钵规格为下部直径16 cm，上部直径19.5 cm，盆高19 cm。每份材料单插本，10 次重复，每2 个重复排成1 列，每列盆钵连续排列，行间距为90 cm。水稻见穗初期将4 株移入温室进行为期7 d 的高温处理(日最高温度＞ 35 ℃)，作为高温胁迫组；6 株采用遮阳降温(日最高温度＜35 ℃且日平均温度＜32 ℃)，作为对照组。土壤氮磷钾有效含量分别为0.15、0.10 和0.15 g/kg；追肥为每升水溶解尿素2.7 g、磷酸二氢钾1.6 g 和氯化钾1.1 g，于分蘖期和孕穗期追施。试验期间适时进行人工除草和防治病虫害。

1.4 指标测定

1.4.1 温度

试验期间，利用美国生产的HOBO 自动温湿度记录仪每30 min 自动记录1 次大田自然温度。

1.4.2 产量性状及耐热等级评价标准

在水稻成熟期，选取3 株具有代表性、长势较好且接近的水稻，晒干后脱粒，利用全自动数字化考种机[13]对总粒数、实粒数、结实率和千粒质量等指标进行测定，并计算盆栽试验的相对结实率。

相对结实率=试验组结实率/对照组结实率×100%。

根据NY/T 2 915—2016《水稻高温热害与鉴定标准》对水稻的耐热等级进行评价分级。(1) 强耐热型：相对结实率≥95%；(2) 耐热型：75%≤相对结实率＜95%；(3) 中间型：55%≤相对结实率＜75%；(4) 不耐热型：35%≤相对结实率＜55%；(5) 极不耐热型：相对结实率＜35%。

1.4.3 抗氧化酶活性

高温处理结束后，分别选取对照组和试验组3 株长势较好且一致的水稻，每株水稻取剑叶1～2 g，利用酶试剂盒测定水稻剑叶的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD) 和过氧化氢酶(CAT)活性。测试盒分别为：A001-1 (羟胺法，南京建成科技有限公司)、A084-3 (南京建成科技有限公司) 和A007-1 (可见光法，南京建成科技有限公司)。试验过程严格按照试剂盒说明书操作。

1.5 数据统计与分析

考种数据及采集温度数据利用Excel 2010 进行计算和整理，使用SPSS 21.0 统计分析软件对产量性状及抗氧化酶活性进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同粳稻品种抽穗开花期温度

由图1 可知：2017 年温度波动较大，2019年相对2018 年极端高温天气出现的更加频繁。

由表1 可知：各品种大田试验始穗期开始，2017 年只有S1 和S7 未经历连续至少7 d 平均温度高于 32 ℃或最高温度高于35 ℃的高温胁迫；2018 和2019 年的温度波动起伏相对较小，平均温度主要维持在32 ℃以上，平均最高温度主要在37 ℃左右波动，2019 年平均最高温度比2018 年略有升高，即在年度大田重复试验中各品种至少经历了2 次高温胁迫。

2.2 高温胁迫对大田粳稻产量构成因子的影响

图1 2017—2019 年抽穗开花期的日均温度和最高温度Fig.1 Daily average temperature and maximum temperature during heading and flowering period from 2017 to 2019

表1 各粳稻品种始穗期及连续7 d 平均温度和平均最高温度Tab.1 Japonica rice varieties average temperature and average maximum temperature in initial heading stage during 7 days

由表2 可知：2017—2019 年，S2 和S4 的单株总粒数均高于2 000，S3 和S15 的单株实粒数均低于1 000，S2、S5、S7、S8、S9、S10 和S11千粒质量均高于20 g，S1、S2 和S14 的结实率均达80%以上，S3 结实率均低于50%。

由于S1 和S7 在2017 年未经历连续至少7 d日均温度高于32 ℃或最高温度高35 ℃的高温胁迫，故S1 和S7 的年均结实率以2018 和2019年的结实率进行统计。由图2 可知：在高温胁迫下，各粳稻品种产量构成因子稳定性存在差异。S1、S2、S4、S5、S7 和S14 的年均结实率均高于80%，S6、S8、S11 和S13 的年均结实率在75%～80%，S3、S9、S10、S12 和S15 的年均结实率均低于75%，S3 年均结实率最小，且S3、S10 和S15 的年均结实率显著低于除S9 和S12以外的其他品种(P＜0.05)。

表2 2017—2019 年各粳稻品种产量因子Tab.2 Yield factor of japonica rice varieties from 2017 to 2019

图2 高温胁迫对不同粳稻品种年均结实率的影响Fig.2 Effect of high temperature stress on the annual average seed setting rates of different japonica rice varieties

2.3 不同温度对盆栽粳稻结实率和抗氧化酶的影响

以15 个粳稻品种相对结实率进行耐热等级评价分级(图3)可知：S2、S7、S8 和S9 是强耐热型品种，S1、S4、S5、S6、S11、S12、S13 和S14 是耐热型品种，S3、S10 和S15 是中间型品种。筛选出的强耐热品种和耐热品种均是研究粳稻耐热生理机制的良好材料。

图3 抽穗开花期不同温度对不同品种结实率的影响Fig.3 Influence of temperature during the flowering stage on the seed setting rates of different varieties

图4 高温胁迫下不同品种的抗氧化酶活性Fig.4 Antioxidant enzyme activities of different varieties under high temperature stress

由图4 可知：不同品种间的SOD、CAT 和POD 活性均有所差异，且各品种在经历了高温胁迫后的抗氧化酶活性均高于对照组，说明高温胁迫会使植株体内SOD、CAT 和POD 活性增高。高温胁迫下，强耐热型品种S7、S8 和S9 的SOD活性均高于200 U/mg，且3 个品种的SOD 和POD活性均显著高于对照组(P＜0.05)，但S2 的3 种抗氧化酶活性均显著高于对照组(P＜0.05)；耐热型品种中，除S4 的POD 活性外，其他品种高温胁迫组与对照组的SOD、CAT 和POD 活性差异均达显著水平(P＜0.05)；中间型品种中，高温胁迫组的SOD 和CAT 活性与对照组差异均不显著(P＞0.05)，且仅S3 的高温胁迫组与对照组POD活性差异达显著水平(P＜0.05)。

由表3 可知：高温胁迫组SOD、CAT 和POD活性互为极显著正相关，说明在高温胁迫下不同粳稻品种3 种抗氧化酶活性协同增长，结实率与SOD、CAT 和POD 活性均未达到显著相关水平。对照组中，CAT 活性与POD 活性极显著相关，说明在非高温胁迫下，CAT 和POD 活性协同增长，结实率与SOD、CAT 和POD 活性均未达到显著相关水平。

3 讨论

水稻耐热性鉴定是水稻耐热种质资源评价和利用的基础，耐热性鉴定方法的科学性是准确评价及利用耐热种质资源的关键。高温胁迫会对水稻的表型指标及生理生化指标产生不同程度的影响。姚凤梅等[14]以开花期日最高温度＞35 ℃、灌浆期日最高温度＞32 ℃为高温指标；陈升孛等[15]以日最高气温大于35 ℃且持续3 d 或以上作为水稻出现高温热害的指标。本研究在前人研究的基础上，延长高温胁迫时间，以在抽穗开花期进行至少连续7 d 日均温度＞32 ℃或最高温度＞35 ℃为标准，研究高温胁迫对粳稻结实率的影响。

表3 水稻结实率与抗氧化酶活性的相关分析Tab.3 Correlation analysis of seed setting rate and antioxidant enzyme activity

本研究表明：丰优100 (S3)、千重浪1 号(S10)和元子粘稻(S15)经历高温后结实率低，对高温的耐受性较低，是中间型品种；奥羽 392 (S2)、临稻16 号(S7)、龙粳25 号(S8)和牡丹江17 (S9)是强耐热型品种；W1202 (S1)、合系27 号(S4)、垦育16 号(S5)、辽粳326 (S6)、青旱稻(S11)、沈农2 100 (S12)、万年(S13)和永山稻(S14)是耐热型品种。其中，奥羽392 (S2)、合系27 号(S4)和垦育16 号(S5)的年均结实率均＞80%，千粒质量和单株总粒数保持相对较高的水平，临稻16 号(S7) 的结实率＞85%，且年均千粒质量最大。综上所述，奥羽392 (S2)和临稻16 号(S7)是具有强耐高温能力且综合农艺性状较好的品种，这些材料对未来粳稻耐高温遗传研究及育种工作意义重大。

在正常条件下，水稻体内自由基的生成和清除处于动态平衡，当处于高温逆境下，水稻体内的这种平衡会被打破从而导致活性氧的积累，最终伤害细胞。黄英金等[16]研究发现：高温胁迫后，水稻叶片的质膜通透性增强，游离脯氨酸增多，过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性均呈上升趋势，说明这几类酶活性增强是水稻遭遇高温后的保护机制之一。张桂莲等[17]研究发现：水稻叶片中含有POD、CAT 和SOD，这3 种酶活性在高温胁迫初期有所上升，之后迅速降低，且耐高温能力强的水稻酶活增幅较大。本研究表明：经历了连续高温胁迫后，15 份材料的SOD、CAT 和POD 活性均不同程度升高，这与前人研究结果一致。其中，丰优100 (S3)、千重浪1 号(S10)和元子粘稻(S15)的结实率经高温胁迫后降幅较大，同时SOD、CAT 和POD 活性在高温条件下与对照组差异不明显，结实率降低的原因可能就是抗氧化酶系统中的SOD、CAT 和POD 活性对高温胁迫的抗逆响应不灵敏。高温胁迫下，耐热型品种和强耐热型品种W1202 (S1)、垦育 16 号(S5)、辽粳326 (S6)、青旱稻(S11)、沈农2 100 (S12)、万年(S13)、永山稻(S14)、临稻16 号(S7)、龙粳25 号(S8)和牡丹江17 (S9)的SOD、CAT 和POD活性高于对照组，说明高温环境下抗氧化酶活性升高有利于抵御高温胁迫产生的危害[18]。另外，临稻16号、龙粳25 号和牡丹江17 等3 份耐热材料在遭遇高温后CAT 活性变化不明显，说明植株体内H2O2的清除可能不仅仅依靠CAT，还存在着其他清除机制[19]；耐热型材料合系27 号的POD 活性升高不显著，这可能是由于POD 本身在酶保护系统中就存在着双面性，可能在逆境中促进了活性氧的生成以及叶绿素的降解，从而导致细胞膜脂过氧化，伤害植株[20]。

本研究还发现：经历高温胁迫后，水稻植株体内的SOD、CAT 和POD 活性存在协同增长，但均未与结实率达显著相关，说明抗氧化酶升高会防止植株损伤，是活性氧清除机制的组成部分之一，但并不是全部[18]，其完整的保护机制仍有待进一步深入研究。盆栽试验中抗氧化酶(SOD、POD 和CAT)活性变化趋势与结实率评价耐高温特性的结果几乎吻合，并且与田间高温试验的结果比较一致，进一步说明遭遇高温胁迫后水稻剑叶抗氧化酶活性与水稻的结实率呈正相关关系。

综上所述，依据相对结实率对水稻的耐高温特性进行分级评价是可靠的，这适用于大批量水稻的鉴定筛选。