赤·吲乙·芸薹与氯氟吡啶酯混用对水稻安全性的生理生化机制
2023-07-10李光宁程文超胡荣娟强胜夏爱萍左娇宋小玲张瑞萍
李光宁 程文超 胡荣娟 强胜 夏爱萍 左娇 宋小玲 张瑞萍
摘要:為明确赤·吲乙·芸薹与除草剂氯氟吡啶酯混用对水稻安全性及生理生化的影响,以籼稻明恢63为研究对象,设置清水对照、0.136%赤·吲乙·芸薹可湿性粉剂(WP)45 g/hm2、3%氯氟吡啶酯乳油(EC) 1 200 mL/hm2和0.136%赤·吲乙·芸薹WP 45 g/hm2+3%氯氟吡啶酯EC 1 200 mL/hm2混用4个处理,观察药后水稻的生长状况,测定叶绿素荧光参数、光合参数、糖代谢、氮代谢等生理指标。结果表明,尽管不同处理的水稻均无药害症状,但与氯氟吡啶酯单用相比,氯氟吡啶酯+赤·吲乙·芸薹混用处理后5 d,水稻的表观电子传递效率(ETR)、光化学淬灭系数(qP)显著提高;抗氧化酶活性、糖代谢和氮代谢等指标均明显提高;水稻体内激素IAA、BR含量提高,ABA含量显著降低。表明赤·吲乙·芸薹与氯氟吡啶酯混用后,能有效缓解氯氟吡啶酯对水稻光合生理的影响,提高叶片光能转化率,促进水稻的光合作用;提高体内抗氧化水平,增强抗逆性;有利于水稻对营养物质的吸收、合成与运输,从而调控水稻的生长。
关键词:植物生长调节剂;赤·吲乙·芸薹;除草剂;氯氟吡啶酯;水稻;安全性
中图分类号:S451;S511.01文献标志码:A文章编号:1003-935X(2023)01-0066-08
Physiological and Biochemical Mechanism of GA·IAA·BR mixed with Florpyrauxifen-Benzyl on the Selectivity of Oryza sativa
LI Guang-ning1, CHENG Wen-chao1, HU Rong-juan2, QIANG Sheng1, XIA Ai-ping2, ZUO Jiao2, SONG Xiao-ling1, ZHANG Rui-ping2,3
(1.Weed Research Lab,College of Life Sciences,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China;
2.Beijing Plum Agrochemical Trade Co.,Ltd.,Beijing 100025,China;
3.Jiangsu AgraForUm Soil Remediation Co.,Ltd.,Nantong 226300,China)
Abstract:It was the aim to define the effect of GA·IAA·BR mixed with florpyrauxifen-benzyl on the selectivity and physiology and biochemistry of Oryza sativa.Wetook indica rice “Minghui 63” astheresearchobject,and set up four mixture treatments,including water control,GA·IAA·BR 0.136% WP with the dosage of 45 g/hm2,florpyrauxifen-benzyl 3% EC with the dosage of 1 200 L/hm2and GA·IAA·BR 0.136% WP with the dosage of 45 g/hm2+florpyrauxifen-benzyl 3% EC with the dosage of 1 200 mL/hm2. Then,we also observed the selectivity of O. sativa,and determined chlorophyll fluorescence parameters,photosynthetic parameters,glucose metabolism,nitrogen metabolism and so on. The results showed that there was no symptoms of herbicide damage under different treatments. Compared to the single applied with florpyrauxifen-benzyl,the apparent electron transport rate (ETR) and photochemical quenching coefficient (qP) of O. sativa significantly increased after 5 days applied with the mixed treatment of florpyrauxifen-benzyl+GA·IAA·BR;Antioxidant enzyme activity,glucose metabolism and nitrogen metabolism significantly increased;The contents of IAA and BR increased,while the content of ABA decreased significantly. In summary,GA·IAA·BR mixed with florpyrauxifen-benzyl could effectively alleviate the impact of florpyrauxifen-benzyl on photosynthetic physiology of O. sativa,improve the conversion rate of light energy in leaves,promote photosynthesis,the level of antioxidation and resistance of O. sativa. It was conducive to the absorption,synthesis and transportation of nutrients so as to regulate the growth of O. sativa.
Key words:plant growth regulator;GA·IAA·BR;herbicide;florpyrauxifen-benzyl;Oryza sativa;selectivity
收稿日期:2022-09-05
基金项目:江苏省“双创计划”。
作者简介:李光宁(1994—),男,山东潍坊人,硕士,研究方向为植调剂和除草剂应用。E-mail:2018816132@njau.edu.cn。
通信作者:宋小玲,博士,教授,博士生导师,研究方向为杂草生物生态学及其管理,E-mail:sxl@njau.edu.cn;张瑞萍,博士,高级农艺师,研究方向为植物保护与生态农业技术,E-mail:zhangrp2006@sina.com。
植物生长调节剂与除草剂混用能提高除草剂对目标杂草的防效,调控作物的生长,使作物在与杂草竞争中获得优势,达到提高经济效益、保护生态环境的目的[1-2]。0.136%赤·吲乙·芸薹可湿性粉剂(碧护)是德国科学家依据植物化感和生态生化学原理,历时30年研究开发的植物源新型复合平衡植物生长调节剂。它含有天然植物内源激素、黄酮类物质和氨基酸及抗逆诱导剂等30多种植物活性物质,能够诱导作物提高抗逆性、增加产量、改善品质、缓解药害[3]。前期研究表明,赤·吲乙·芸薹与双草醚、五氟磺草胺、二氯喹啉酸混合施用,可以调节水稻的生长,增强除草剂对作物的安全性并能提高除草效果[4];进一步研究发现其与五氟磺草胺混用显著提高了五氟磺草胺对无芒稗的光合作用、糖代谢和氮代谢水平的抑制作用,提高了五氟磺草胺对无芒稗的防除效果;而且水稻的靶标酶乙酰乳酸合成酶活性,糖、氮代谢水平均比單用五氟磺草胺显著提高,因此赤·吲乙·芸薹能缓解五氟磺草胺对水稻的胁迫作用,促进水稻生长[5]。但由于不同除草剂的作用机制不同,并非所有除草剂和植调剂混用的组合都能起到积极的作用[6-8]。
氯氟吡啶酯是芳基吡啶甲酸酯类合成生长素类除草剂,因其作用靶标位点多,不易产生抗药性,杀草谱广,对各种抗性杂草防除效果优秀,在水稻田杂草防除中具有良好的应用前景[9]。但不同的施药时期以及水稻品种会影响氯氟吡啶酯对水稻的安全性[10-11]。前期研究表明,当氯氟吡啶酯的施用剂量(有效成分)≥22.5 g/hm2时,对敏感水稻品种的穗粒数和实粒数均产生了显著的抑制作用,同时对穗质量和产量也产生了一定的抑制作用[12];赤·吲乙·芸薹与氯氟吡啶酯混用,对无芒稗光合作用、糖代谢和氮代谢受抑制程度加强,提高了氯氟吡啶酯对无芒稗的防治效果[13],但是否能提高水稻对氯氟吡啶酯的抗胁迫作用尚不清楚。
本研究开展赤·吲乙·芸薹与氯氟吡啶酯的混用效果研究,以此评价赤·吲乙·芸薹与氯氟吡啶酯混用对水稻安全性及生理生化的影响,并明确赤·吲乙·芸薹能否提高水稻对氯氟吡啶酯的抗胁迫作用及可能的原因,为赤·吲乙·芸薹与氯氟吡啶酯混用提供试验依据,为稻田杂草安全、高效防除技术的推广提供数据支持。
1 材料与方法
1.1 供试地概况
供试作物水稻(Oryza sativa)为明恢63籼型常规水稻。试验材料种植于南京农业大学牌楼试验基地温室内,采用水稻田土壤作为基质,所用土壤在采集时去掉了表层1 cm的土壤,经风干后,碾碎过筛,剔除石块、杂草种子等杂物。试验用塑料桶直径为30 cm,高度为27 cm。水稻种子分别用清水浸泡2 d,每隔12 h换水1次。水稻叶绿素荧光动力学参数测定和生理代谢指标测定试验中,每桶播种水稻种子30粒,出苗后间苗,每桶均匀保留20株。桶中没有其他杂草长出。
1.2 供试药剂
3%氯氟吡啶酯乳油(EC),科迪华农业科技有限责任公司产品,商品名为灵斯科·丹;0.136%赤·吲乙·芸薹可湿性粉剂(WP),德国阿格福莱农林环境生物技术股份有限公司产品,商品名为碧护。
1.3 试验处理及设计
试验设4个处理:处理1为清水对照;处理2为0.136%赤·吲乙·芸薹45 g/hm2;处理3为3%氯氟吡啶酯1 200 mL/hm2;处理4为0.136%赤·吲乙·芸薹45 g/hm2+3%氯氟吡啶酯 1 200 mL/hm2。重复5次。
1.4 施药时间及方法
于水稻3~4叶期,选择晴朗无风天气进行药剂处理。为了确保喷药的均匀度,预先用蓝墨水代替除草剂在2 m2的范围内进行预备反复喷施多次,直到药液均匀分布。施药时,种植水稻的塑料桶均匀摆放在2 m2的空地内,采用1.5 L手持式喷雾器(圆形铜喷嘴,市下牌,型号SX-574,市下控股有限公司)均匀喷雾,喷雾压力约为0.2 MPa,不同处理使用独立的喷雾器,药液总量为45 mL/m2。
1.5 测定方法
1.5.1 安全性测定
于用药后1、3、5、7 d连续观察并记录不同处理水稻的生长状况,目测其安全性。
1.5.2 叶绿素荧光动力学参数测定
于用药后1、3、5、7 d选取各处理的每次重复中水稻生长一致的倒2叶叶片共3张,材料暗适应30 min后,用Imaging-PAM测定叶绿素荧光动力学参数,获取原初光能转化率(Fv/Fm)、光合电子传递速率(ETR)、光化学淬灭系数(qP)、非光学淬灭系数(qN)等参数。
1.5.3 生理生化指标测定
于用药后1、3、5、7 d从每个处理的4桶中随机取生长基本一致的5个植株,选取水稻叶片的倒2叶,每张叶片去叶脉,并根据测定指标具体要求进行剪碎、混匀磨样,作为1次重复,每个处理重复3次。
超氧化物岐化酶(SOD)活性采用超氧化物岐化酶试剂盒(100管/96样,微量法)测定;可溶性糖含量采用植物可溶性糖含量试剂盒(100管/96样,微量法)测定;还原糖含量采用还原糖含量试剂盒(100管/48样,微量法)测定;全氮含量采用凯氏定氮法测定(南京卡文思检测技术有限公司提供试剂盒);硝酸还原酶(NR)活性采用硝酸还原酶活性测定试剂盒(100管/48样,微量法)测定;谷氨酰胺合成酶(GS)活性采用谷氨酰胺合成酶试剂盒(100管/48样,微量法)测定;谷氨酸合酶(GOGAT)活性采用谷氨酸合成酶活性测定试剂盒(100管/96样,微量法)测定。以上试剂盒均购自苏州科铭生物技术有限公司。过氧化物酶(POD)活性采用过氧化物酶活性测试盒(100管/48样)测定;过氧化氢酶(CAT)活性采用过氧化氢酶活性测试盒(100管/96样)测定;蔗糖合成酶(SuS)活性采用蔗糖合成酶活性测定试剂盒(100管/48样)测定;蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性采用蔗糖磷酸合成酶活性测定试剂盒(100管/48样)测定。以上试剂盒均购自南京建成生物工程研究所。
1.5.4 植物激素测定
使用南京迈博昊成生物科技有限公司提供的植物吲哚乙酸(IAA)、油菜素内酯(BR)、脱落酸(ABA)、赤霉素(GA)酶联免疫吸附(ELISA)试剂盒测定各激素的含量。
1.6 数据分析
试验结果用Excel、SPSS 25.0等软件进行统计和方差分析,采用Duncan's 新复极差法进行方差分析和比较,数值为各重复的平均值±标准差。
2 结果与分析
2.1 水稻安全性测定结果
试验设计的各处理水稻在肉眼观察下均未发现有任何药害症状,对水稻安全。
2.2 对水稻叶绿素荧光参数的影响
氯氟吡啶酯单用处理后1~7 d,与清水对照相比,水稻的Fv/Fm药后1、5、7 d无显著差异,药后3 d下降5.6%;ETR、qP、qN药后1~7 d无显著差异,说明氯氟吡啶酯药后3 d对水稻产生了非生物胁迫导致Fv/Fm降低,之后通过自身生理调节恢复正常水平。氯氟吡啶酯+赤·吲乙·芸薹混用处理后1~7 d,与氯氟吡啶酯单用相比,水稻的Fv/Fm药后1、5、7 d无显著差异,药后3 d提高2.9%;ETR和qP药后1、3 d无显著差异,药后5、7 d ETR分别提高14.0%、18.2%,qP分别提高9.7%、10.9%;药后1、5、7 d qN差异不显著,说明在水稻受氯氟吡啶酯胁迫后,赤·吲乙·芸薹能有效缓解氯氟吡啶酯对水稻叶绿素荧光参数的影响,并提高水稻的光合作用(表1)。
2.3 对水稻抗氧化酶活性的影响
与清水对照相比,氯氟吡啶酯处理后,SOD活性在药后1、3、5 d分别显著提高52.3%、34.8%和15.8%,药后7 d SOD活性无显著差异,POD活性药后7 d显著降低19.4%,CAT活性无显著差异,这说明在药后1~3 d水稻受到氯氟吡啶酯的胁迫,激发其体内自身的防御系统,水稻的SOD活性增强。与氯氟吡啶酯单用相比,氯氟吡啶酯+赤·吲乙·芸薹混用处理后,SOD活性在药后1、3 d分别显著降低27.3%和17.7%,在药后7 d SOD、POD和CAT活性分别提高35.2%、40.3%和31.0%。说明在水稻受氯氟吡啶酯胁迫时,赤·吲乙·芸薹解除了氯氟吡啶酯对水稻体内抗氧化酶系统的影响,通过增强水稻的SOD、POD、CAT活性来消除体内多余的自由基,保护植物膜系统,缓解氯氟吡啶酯对水稻的影响(表2)。
2.4 对水稻糖代谢相关指标的影响
与清水对照相比,氯氟吡啶酯单用处理后1~7 d,水稻的可溶性糖含量、还原糖含量、SuS和SPS活性呈下降趋势;药后7 d,各指标分别下降16.9%、13.5%、17.4%和7.4%,这说明氯氟吡啶酯影响了水稻体内糖代谢水平。与氯氟吡啶酯单用相比,氯氟吡啶酯+赤·吲乙·芸薹混用处理后可溶性糖含量药后1、3 d无显著差异,药后5、7 d 分别显著升高25.2%、32.5%;还原糖含量药后1、3 d无显著差异,药后5、7 d分别显著升高28.1%、29.6%;药后3~7 d,SuS活性显著升高20.7%~30.9%,药后5、7 d SPS活性分别显著升高17.9%、18.2%。说明在水稻受氯氟吡啶酯胁迫下,赤·吲乙·芸薹解除了氯氟吡啶酯对水稻糖代谢的影响,其中可溶性糖含量提高能维持水稻体内的渗透调节,提高水稻的抗逆性,还原糖含量、SuS和SPS活性提高能增强水稻的糖代谢能力,利于水稻的生长发育(表3)。
2.5 对水稻氮代谢相关指标的影响
与清水对照相比,氯氟吡啶酯单用处理药后5、7 d全氮含量分别下降9.8%、18.5%;药后1、7 d NR活性分别下降13.5%、15.7%;药后5、7 d GS活性分别下降14.8%、16.6%;药后5、7 d GOGAT活性分别下降9.8%、14.4%。说明在氯氟吡啶酯作用下水稻体内的氮同化和氮代谢水平受到抑制。与氯氟吡啶酯单用相比,氯氟吡啶酯+赤·吲乙·芸薹混用处理后全氮含量显著提高6.9%~23.8%,NR活性提高5.1%~39.8%,GS活性提高9.8%~39.0%,GOGAT活性提高16.4%~28.6%(药后3~7 d)。上述结果说明在水稻受氯氟吡啶酯的胁迫下,赤·吲乙·芸薹解除了氯氟吡啶酯对水稻氮代谢的影响,促進水稻对氮元素的吸收转运,显著提高了水稻的全氮含量、NR活性、GOGAT活性和GS活性,对水稻氮代谢相关酶起到调控作用,显著增强了水稻体内的氮代谢水平(表4)。
2.6 对水稻内源激素的影响
与清水对照相比,氯氟吡啶酯单用处理5 d后IAA、BR、GA含量差异不显著,ABA含量显著上升19.8%。与氯氟吡啶酯单用相比,氯氟吡啶酯+赤·吲乙·芸薹混用处理药后5 d IAA、BR含量分别提高35.4%、41.5%,ABA含量显著降低13.6%。说明加入赤·吲乙·芸薹有利于水稻的生长发育,增强了其抗逆性,提高了水稻的生产潜能(表5)。
3 结论与讨论
无论是氯氟吡啶酯单用,还是氯氟吡啶酯+赤·吲乙·芸薹混用,使用3%氯氟吡啶酯乳油产品登记的最大使用剂量(1 200 mL/hm2),于水稻 3~4叶期喷施,未观察到对水稻的药害症状,说明氯氟吡啶酯对明恢63籼型常规水稻安全。这与范洁群等在水稻4~5叶期噴施氯氟吡啶酯对供试的8个水稻品种有较好安全性的研究结果[11]一致。添加赤·吲乙·芸薹的处理水稻长势更优异,这与魏佳峰等的研究结果[4-5]一致。
植物生长调节剂有促进作物光合作用、生理代谢、提高产量及品质的积极作用[14-15]。叶绿素荧光动力学参数能够灵敏反映光合作用的变化情况,为植物抗逆生理、作物增产潜力预测等方面的研究提供了极大方便,是研究作物光合生理的有力工具[16]。近年来,叶绿素荧光动力学参数已经广泛应用于干旱、水涝、高温、低温、重金属、盐渍等逆境胁迫研究中[17-18]。
本研究显示,氯氟吡啶酯单用处理后,与清水对照相比,水稻的Fv/Fm药后3 d显著下降,说明在氯氟吡啶酯作用下药后3 d对水稻产生了非生物胁迫;氯氟吡啶酯+赤·吲乙·芸薹混用处理后,与氯氟吡啶酯单用相比,水稻的Fv/Fm药后 3 d 提高2.9%;ETR、qP药后5、7 d显著提高。由此表明,赤·吲乙·芸薹的加入能有效缓解氯氟吡啶酯对水稻叶绿素荧光参数的影响。水稻叶片的PSⅡ原初光能转化效率和潜在活性增强,PSⅡ潜在光合作用活力提高,光合电子传递及光合磷酸化能力增强,从而增强了水稻的光合作用。这一结果与赤·吲乙·芸薹和五氟磺草胺混用对水稻光合指数的影响结果[5]一致。
除草剂处理会对植物产生胁迫,引起抗氧化酶系统、糖代谢、氮代谢以及植物体内激素水平的响应。SOD、POD、CAT等均是重要的质膜保护酶类,逆境胁迫会使植物体内活性氧增加,同时植物体内SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性增加。本试验结果显示,与清水对照相比,单用氯氟吡啶酯处理后水稻的SOD活性在药后1~5 d显著提高,可能的原因是水稻在药后受到氯氟吡啶酯的胁迫,其体内自身的防御系统被激发,SOD活性增强,此时启动水稻自身抗逆体系,以抵抗非生物胁迫造成的损伤。与单用氯氟吡啶酯相比,氯氟吡啶酯+赤·吲乙·芸薹混用处理后7 d,水稻的SOD、POD、CAT活性显著提高,说明赤·吲乙·芸薹与氯氟吡啶酯混用后,提高了水稻体内的抗氧化水平,消除了体内多余的自由基,增强了水稻的抗逆能力,解除了氯氟吡啶酯对水稻体内抗氧化酶系统的影响,防止自由基对自身产生的毒害作用。
糖在植物的代谢、生长、发育中扮演着重要的角色[19-21]。与清水对照相比,氯氟吡啶酯单用处理后1~7 d,水稻的可溶性糖含量、还原糖含量、SuS和SPS活性呈下降趋势,这说明氯氟吡啶酯影响了水稻体内的糖代谢水平,与氯氟吡啶酯单用相比,氯氟吡啶酯+赤·吲乙·芸薹混用处理后水稻的可溶性糖含量、还原糖含量以及SuS和SPS活性在药后明显升高。说明赤·吲乙·芸薹解除了氯氟吡啶酯对水稻糖代谢的影响,其中可溶性糖含量提高能维持水稻体内的渗透调节,提高水稻的抗逆性,还原糖含量、SuS和SPS活性提高能增强水稻的糖代谢能力,利于水稻的生长发育。杨慧杰等研究油菜素内酯对阔世玛胁迫下谷子叶片糖代谢的影响也有类似结果[22]。
氮素不但是植物生长发育所必需的第一大营养元素,对器官构建、物质代谢等也具有不可替代的作用[23-24]。本研究中,与清水对照相比,水稻在氯氟吡啶酯单用处理不同天数后全氮含量、NR活性、GS活性、GOGAT活性均显著下降。说明在氯氟吡啶酯作用下水稻体内的氮同化和氮代谢水平受到抑制。与氯氟吡啶酯单用相比,氯氟吡啶酯+赤·吲乙·芸薹混用处理后全氮含量、NR活性、GS活性、GOGAT活性均显著提高。上述结果说明,赤·吲乙·芸薹解除了氯氟吡啶酯对水稻氮代谢的影响,促进了水稻对氮元素的吸收转运,对水稻氮代谢相关酶起到调控作用,显著增强了水稻体内的氮代谢水平。
与清水对照相比,水稻在氯氟吡啶酯单用处理5 d后IAA、BR、GA含量差异不显著,ABA含量显著上升19.8%。ABA是胁迫应激激素,是对环境因素反应最强烈的激素之一。ABA含量显著上升,说明氯氟吡啶酯单用处理对水稻生长产生了一定的胁迫,激发了水稻自身的抗逆能力。与氯氟吡啶酯单用相比,氯氟吡啶酯+赤·吲乙·芸薹混用处理药后5 d IAA、BR含量显著提高,而ABA含量显著降低。说明加入赤·吲乙·芸薹增强了水稻的抗逆性,帮助水稻抵抗了氯氟吡啶酯单用造成的生长胁迫,并促进水稻向利于生长的方向转变。赤·吲乙·芸薹作为植物生长调节剂内含赤霉酸、芸薹素内酯、吲哚乙酸、脱落酸、茉莉酮酸等多种天然植物内源激素,研究表明赤·吲乙·芸薹能够诱导作物提高抗逆性、缓解药害、活化细胞等功效[25-26]。而植物激素包括多种激素,在促进植物的细胞生长和组织生长,延缓叶片衰老,增强抗逆性等方面都起着至关重要的作用,本研究中赤·吲乙·芸薹的加入提高了水稻的IAA、BR、ABA、GA含量,及水稻的生理代谢水平,增强了水稻的抗逆性,促进了水稻的生长发育。
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