吉林水稻品种耐冷性研究

2021-12-02张振宇党姝龙桂英罗迪宫小桐高乾

中国稻米 2021年6期

张振宇党姝龙桂英罗迪宫小桐高乾

（吉林农业科技学院，吉林吉林132101；第一作者：53347007@qq.com；*通讯作者：122561108@qq.com）

水稻是世界上重要的粮食作物之一，我国是世界上的水稻生产和消费大国，其中粳稻占稻米消费的1/3左右。低温冷害指作物在其生长所需适温以下的温度范围内，引起生长停滞或生育障害现象。水稻是对温度较为敏感的农作物，在冷害胁迫条件下可造成作物体内的酶蛋白活性降低甚至变性，作物各种生理机能受抑制，较为严重的时候会导致死亡[1]。水稻遭受冷害胁迫的现象在世界上很多国家都有发生，中国、日本和朝鲜较为严重。据统计，我国每隔几年就会出现1 次较大规模冷害[2-3]，严重威胁着北方粳稻的高产稳产，是限制寒地水稻生产潜力的主要因素。吉林省每3～5 年就会发生1 次冷害，每次平均减产在30%左右[4-5]。为解决水稻冷害问题，科研工作者进行了各种水稻耐冷性试验研究。

本研究以近年吉林省主栽优质粳稻品种为材料，在冷水胁迫条件下研究不同品种的抗冷性，探讨冷害胁迫下各参试品种间的产量及形成机制的差异，以期为抗逆优质粳稻品种的培育及生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料和试剂

试验于2018 年、2019 年在吉林农业科技学院试验田进行，土壤有机质21.42 g/kg、碱解氮76 mg/kg、有效磷37 mg/kg、速效钾135 mg/kg。以吉林省25 个主栽水稻品种为参试材料（具体名称见表1）。

表1 常温及冷害胁迫条件下不同水稻品种游离脯氨酸含量（单位：μg·g-1）

1.2 试验方法

4 月 15 日播种，5 月 25 日移栽，移栽叶龄 3.5 叶左右，插秧规格30 cm×20 cm，每丛3 株，每个处理面积9 m2，3 次重复。试验采用随机区组设计，移栽大田后在水稻孕穗期开始用（17±1）℃冷水持续处理 20 d（每天8∶00—16∶00），保持 25 cm 水层；正常水温（23±1）℃灌溉作为对照，栽培方式同冷害胁迫处理。氮、磷、钾肥施用量一致，分别为尿素400 kg/hm2、磷酸二铵200 kg/hm2、硫酸钾 200 kg/hm2，按基∶蘖∶调∶穗=4∶3∶1∶2 比例施入，病、虫、草害防治及田间管理措施一致。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 叶绿素含量

采用80%丙酮提取，用Arnon 法[6]测定：①剪去水稻叶片头部和根部，擦净表面灰尘，剪成细条后用电子天平称取0.1 g 后倒入具塞刻度试管中；②在放入水稻的具塞试管中加入95%的乙醇丙酮混合溶液10 mL，使剪碎的叶片完全浸入乙醇丙酮混合液中，密封；③放至恒温箱中，温度调至35℃提取叶绿素，等待叶片完全变成白色；④将具塞刻度试管从恒温箱中取出，取上清液倒到比色皿中，用紫外可见分光光度计在位于波长663 nm 和645 nm 处进行比色，计算叶绿素含量。

1.3.2 脯氨酸含量

采用3%磺基水杨酸提取，酸性茚三酮比色法[7]测定：①选取新鲜叶片，将其洗干净、弄干、剪碎后称取2.0 g；②将称取的叶片放入研钵中后加入3 mL 80%乙醇研磨，将其加入具塞刻度试管中；③向装有叶片的具塞刻度试管中加入80%乙醇，定容至10 mL；④将研磨后的液体放至试管中，在80℃恒温水浴锅中加热20 min；⑤将提取后的液体中的残渣用活性炭滤纸进行过滤，将滤液加入装有人造沸石的试管中剧烈震荡5 min；⑥将上层液在16 000 r/min 离心机上离心10 min，提取上清液；⑦从离心后的上清液取2 mL 放于试管中后加入2 mL 冰醋酸试剂和2 mL 茚三酮试剂进行密封；⑧在水浴锅中沸水加热15 min 后冷却，加入甲苯5 mL，在黑暗条件下静置，待液体完全分层后取甲苯层放置于紫外可见分光光度计中520 nm 处比色；⑨配制7 个系列脯氨酸标准溶液，按上述过程进行分层和测定。横坐标用游离脯氨酸的含量表示，纵坐标用光密度值表示，作标准曲线。

1.3.3 可溶性糖含量

用蒽酮比色法[8]测定：①选取新鲜叶片剪碎并利用电子天平称取0.5 g，放入装有15 mL 水的大试管中，在水浴锅中沸水加热20 min；②待其冷却后，用活性炭滤纸过滤，将滤液定容至100 mL 容量瓶中；③从容量瓶中用移液管吸取1 mL 提取液，再向其中加入5 mL蒽酮，摇匀，在水浴锅中沸水加热10 min；④待其冷却后放置在分光光度计620 nm 波长处进行比色。根据标准曲线和公式计算。

1.4 数据处理

利用 Excel 2010、SPSS 17.0 对数据进行统计分析和绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种游离脯氨酸含量变化

植物在冷害胁迫下，细胞膜会受到不同程度的伤害发生膜脂过氧化，游离脯氨酸起稳定生物大分子结构的作用。水稻叶片内的游离氨基酸量可以在某种程度上反应品种的抗逆（抗冷）性，在低温条件下游离氨基酸含量升高，说明抗冷性较好。由表1 可知，与常温灌溉处理相比，各品种冷害胁迫处理后游离脯氨酸普遍升高，吉粳515、通禾77、吉粳511、通系935，通禾66及秋田小町等品种苗期时游离脯氨酸积累较多，吉宏9 在冷害胁迫10 d 后升高最多，达到7.88μg/g，这些品种抗冷性较为突出；吉香6、宏科88 游离脯氨酸积累量最少，仅为1.44 μg/g，抗冷性较弱，在栽培过程中应加强对低温冷害的防御。

2.2 不同水稻品种叶绿素含量变化

叶绿素作为植物光合作用中吸收光能的光合色素，其含量的多少直接影响水稻光合作用的强弱。如图1 所示，在冷害胁迫下各品种的叶绿素含量普遍低于常温灌溉处理。冷害胁迫5 d 叶绿素含量要比常温灌溉处理平均降低30%；冷害胁迫10 d 要比常温灌溉处理平均降低29%，冷害胁迫每增加1 d，叶绿素含量降低0.04 mg/g。冷害胁迫下吉宏9、吉粳809 和通禾66的叶绿素含量与常温灌溉处理相比变化不显著，相较于其他品种表现更稳定，且生长较好，说明其耐冷性较强。

2.3 不同水稻品种可溶性糖含量变化

水稻在冷害胁迫下苗期可溶性糖普遍升高。一方面，淀粉酶活性在冷害胁迫下增强，引起淀粉分解产生更多的可溶性糖；另一方面，冷害胁迫下植株消耗可溶性糖的能力减弱，导致可溶性糖的累积量增多。从表2可见，在苗期的5 d、7 d、10 d，各品种可溶性糖含量在冷害胁迫处理下要普遍高于常温灌溉处理，其中，吉农大 853、吉宏9、吉农大 538 和吉粳515 在苗期10 d 累积的可溶性糖较多，而吉粳507 和秋田小町对冷害胁迫效应不明显，说明这些品种的抗冷性较强。

表2 常温及冷害胁迫下不同水稻品种可溶性糖含量变化（单位：g/100 g 鲜质量）

2.4 丙二醛含量与不同叶绿素含量的相关性分析

冷害胁迫下，水稻品种的类胡萝卜素含量增加，增加较多的品种是吉粳95、廪实528 和吉宏9，比常温灌溉处理分别增加了51%、40%和22%。类胡萝卜素含量变化不显著的品种有秋田小町。相关性分析（图2）表明，低温胁迫下，不同水稻品种绿素a、叶绿素b 和类胡萝卜素含量的处理效应值随着丙二醛含量的处理效应值的增加而降低，其相关系数r 分别为-0.117、-0.049与-0.335（P>0.05），表明叶绿素在冷害胁迫下并没有发生显著损伤，可能具有对冷害胁迫正反馈抵御机制。

3 讨论

冷害胁迫下，植物体内细胞在结构、生理生化上会发生一系列适应性改变。

水稻耐冷程度的高低主要由生物膜结构功能不同引起。低温胁迫下，水稻植株会降低细胞渗透势进而防止组织脱水，用来维持植株稳定和持续的生理过程。植物在冷水胁迫下积累脯氨酸有一定普遍性，脯氨酸可作为渗透调节物和膜保护物质及自由基清除剂，进而对植物起到一定的保护作用[9]。不同水稻品种受冷害胁迫后，游离氨基酸含量明显增加，而且品种之间存在显著差异，游离脯氨酸的含量与水稻抗冷性呈正相关关系。许多研究通过分析不同水稻品种处理效应值高低来筛选耐冷性强水稻品种[10-11]。水稻品种的可溶性糖含量在冷害胁迫条件下要普遍高于常温灌溉条件。

叶绿素大量存在于水稻叶片中，其吸收大量光能后，进而变为活跃化学能，增加水稻的物质积累。在水稻全生育期，测定苗期叶绿素含量对抗冷性研究有着重要意义[12-14]。朱诚等[15]研究表明，低温会明显降低叶片中的叶绿素含量。发生冷害胁迫时首先降低了叶片中的叶绿素含量，引起光合速率下降。耐冷性强的品种膜脂不饱和脂肪酸的含量及不饱和程度均高于耐冷性弱的品种[16]。水稻耐冷机理基因调控研究已经起步，逆境蛋白质的生理作用、有关基因表达及基因克隆等研究也在进行。经低温处理后，通过对水稻幼苗叶绿素含量的分析不能明确区分出耐冷性强的水稻品种，其原因可能是水稻幼苗叶绿素在低温逆境胁迫下并没有发生显著损伤。耐冷性是由较复杂的数量性状导致，有待进一步开展冷害胁迫对不同水稻品种形态指标、开花习性、结实影响的冷害机制及相关的生理生化指标研究。