外源海藻糖对粳稻品系W1844籽粒灌浆特性及产量形成的影响

黄亚茹 徐鹏 王乐乐 贺一哲 王辉 柯健 何海兵 武立权,2 尤翠翠,*

外源海藻糖对粳稻品系W1844籽粒灌浆特性及产量形成的影响

黄亚茹1徐鹏1王乐乐1贺一哲1王辉1柯健1何海兵1武立权1,2尤翠翠1,*

(1安徽农业大学, 合肥 230036；2江苏省现代作物生产协同创新中心, 南京 210095；*通信联系人，email: youcuicui516@126.com)

【目的】明确外源海藻糖对大穗型粳稻籽粒灌浆结实的影响。【方法】以大穗型粳稻品系W1844为试验材料，在孕穗末期叶面喷施浓度分别为0、15、30、50、70、100 mmol/L的海藻糖，分别标记为T0、T15、T30、T50、T70、T100。研究不同浓度海藻糖对大穗型粳稻W1844光合特性、茎鞘物质积累与转运、籽粒灌浆特性和产量的影响。【结果】1）喷施不同浓度海藻糖均能提高水稻产量，以T50处理的水稻产量最高。与T0相比，T50处理下的产量平均增加7.71%，强势粒的结实率与千粒重分别提高4.36%和5.92%，弱势粒的结实率与千粒重分别提高11.98%和10.01%。由此可见，海藻糖对弱势粒灌浆结实的改善效果更好。2）海藻糖处理改变了籽粒灌浆特性。与T0相比，T50处理下强、弱势粒达到最大灌浆速率的时间分别缩短了3.70 d与3.93 d；灌浆前期强、弱势粒的平均灌浆速率分别提高了16.57%、28.03%；灌浆中期强、弱势粒平均灌浆速率分别提高了20.74%、24.54%。此外，T50处理下，强、弱势粒达到最大灌浆速率时的粒重分别比T0增加了6.74%和7.36%。3）海藻糖处理显著提高水稻剑叶的光合特性。T50处理下水稻叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率分别比T0平均提高了31.08%、42.58%和10.42%。4）海藻糖处理促进了抽穗期茎鞘非结构性碳水化合物(NSC)的积累与转运。与T0处理相比，T50处理下抽穗期茎鞘NSC含量平均增加11.63%，茎鞘物质转运量平均提升28.52%，且对籽粒贡献率增加18.18%。这可能是由于茎鞘蔗糖转运基因和上调表达，促进了茎鞘的物质转运。【结论】外源海藻糖可有效地改善大穗型粳稻的灌浆结实，这可能是由于海藻糖处理能提高剑叶净光合速率，上调蔗糖转运基因的表达，促进茎鞘NSC的积累与转运，从而加快了强、弱势粒的灌浆，提高了其结实率和粒重。在本研究条件下，50 mmol/L海藻糖处理对大穗型水稻W1844籽粒灌浆结实的改善效果最好。

大穗型粳稻；外源海藻糖；灌浆特性；NSC的积累与转运；产量形成

水稻(L)是世界上最重要的粮食作物之一，随着人口的增加和耕地面积的减少，只有通过挖掘单位面积水稻的产量潜力，才能实现在有限的土地上生产更多的水稻[1]。灌浆期是决定水稻产量的关键时期，水稻的灌浆结实与籽粒在穗上的着粒位置密切相关。一般来说，着生在稻穗中上部的籽粒开花早，称为强势粒；着生在稻穗下部的籽粒开花迟，称为弱势粒[2-4]。前人[5-7]研究发现水稻(特别是大穗型品种)强、弱势粒的灌浆速率差异明显，存在“两段灌浆”现象，强势粒灌浆速率较快、充实好和粒重高；而弱势粒则相反，灌浆慢、充实差、粒重低且不足以产生优质籽粒。因此，找寻改善水稻灌浆结实的措施，对挖掘大穗型水稻高产潜力具有十分重要的意义。

海藻糖是一种非还原性双糖，在植物体内广泛存在[8]。海藻糖主要参与植物对非生物胁迫的响应，对提高植物在低温[9]、干旱[10]、高温[11]等胁迫条件下植株的生物量，增强抗逆能力有重要作用。李金花等[12]的研究表明，通过添加外源海藻糖，可以保护胁迫条件下生物体中蛋白质等大分子结构和功能的稳定，维持生物体的正常生命活动。此外，海藻糖还能作为信号物质影响植物光合作用，调控碳代谢。Wingler等[13]发现外源海藻糖强烈诱导拟南芥中淀粉合成基因的表达，导致子叶中淀粉积累过多，分配到根中的碳水化合物少，从而抑制根的伸长。在拟南芥中，外源海藻糖还可通过还原活化二磷酸腺苷葡萄糖焦磷酸酶(AGPase)，进而调节淀粉合成[14]。Iturriaga等[15]的研究表明，海藻糖在植物开花和种子形成的过程中，参与调节碳代谢和光合作用。然而，目前关于海藻糖调控水稻籽粒灌浆结实方面的研究并不多。

本研究以大穗型粳稻品系W1844为试验材料，于孕穗末期叶面喷施不同浓度的海藻糖，探究外源海藻糖对水稻产量、灌浆特性、光合生理及茎鞘物质积累与转运的影响，明确外源海藻糖与水稻籽粒灌浆特性及产量形成的关系，旨在为采用适宜栽培措施促进水稻籽粒灌浆，进而提高大穗型水稻产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

大穗型粳稻W1844作为供试水稻材料，由南京农业大学水稻遗传与种质创新国家重点实验室提供。W1844是育种中间材料，具有稳定的遗传特性。其每穗粒数超过250粒，属于典型的大穗型水稻品系，具有强、弱势粒灌浆差异显著的特点。

1.2 试验设计

试验于2021和2022年在安徽农业大学皖中试验站(31°28′55″N,117°13′55″E)进行。2021年于5月23日播种育秧，6月19日移栽；2022年于5月22日播种育秧，6月15日移栽。大田种植，每穴3苗，行株距为30 cm × 13.3 cm。小区规格为10 m × 7 m，三个小区作为重复，按照随机区组设计。试验地为砂壤土，全生育期施尿素330 kg/hm2、过磷酸钙250 kg/hm2、氯化钾300 kg/hm2。尿素按基肥∶分蘖肥∶穗肥=3∶3∶4施用，过磷酸钙全部作基肥，氯化钾按基肥∶穗肥=5∶5施用。基肥在移栽前施用，分蘖肥在移栽后7 d施用，穗肥在叶龄余数3.5时施用。栽培管理措施按当地大田生产技术要求进行。

海藻糖处理：在水稻孕穗末期(花粉母细胞减数分裂期，此时幼穗伸长至10 cm以上，颖花长度达最终长度的一半，花药变为黄绿色)开展海藻糖叶面喷施试验。2021年的海藻糖浓度分别为0、15、30、50、70、100 mmol/L，分别记为T0、T15、T30、T50、T70、T100。2022年的海藻糖浓度分别为0、30、50 mmol/L，分别记为T0、T30、T50。加入吐温20作为展布剂，喷施量为200 mL/m2。2021和2022年水稻灌浆期间的温度及降雨量，由试验点附近的气象站提供(图1)。

图1 2021与2022年水稻籽粒灌浆期间的温度和降水量

1.3 取样与测定

1.3.1 籽粒灌浆速率

于水稻抽穗开花期，选取在同一天开花且穗大小一致的主茎穗挂牌标记。自开花至花后50 d，每隔5 d取50个标记穗，区分强势粒与弱势粒。定义穗顶部3个一次枝梗上的籽粒为强势粒；穗基部3个一次枝梗上的二次枝梗上着生的籽粒为弱势粒[16]。将籽粒样品放入烘箱内，105 ℃下杀青0.5 h后80 ℃下烘干至恒重，用于籽粒干质量的测定。用Richards[17]生长方程对籽粒灌浆过程进行拟合，计算灌浆速率及灌浆特征参数。Richards方程为=/(1+−kt)1/N1)

式中，为各期粒重(mg)，为终极生长量(mg)，为开花后的时间(d)，B、K、N 为方程参数。

对方程1)求导，得灌浆速率=−kt/(1+−kt)(N+1)/N2)

起始生长势0=K/N 3)

最大灌浆速率GRmax=AK/(1+N)N+1/N4)

平均灌浆速率GRmean=AK/2(N+2) 5)

达到最大灌浆速率的时间：

max=(lnB−lnN)/K 6)

活跃灌浆期：=[2(N+2)]/K 7)

灌浆阶段前期(0–1)、中期(2–1)和后期(3–2)灌浆参数计算公式如下：

设1、2和3时的粒重分别为1、2和3，则前、中、后期的生长速率(MGR1、MGR2、MGR3)计算如下：

MGR1=1/111)

MGR2=(2−1)/(2−1) 12)

MGR3=(3−2)/(3−2) 13)

前、中、后期的贡献率RGC1、RGC2、RGC3按以下公式计算：

RGC1=1/A×100% 14)

RGC2=(2−1)/A×100% 15)

RGC3=(3−2)/A×100% 16)

1.3.2 剑叶光合参数

于水稻抽穗期，利用LI-6400便携式光合仪(美国，LI-COR公司)，选择上午9:00‒11:30测定水稻剑叶的净光合速率(n)、胞间二氧化碳浓度(i)、气孔导度(s)和蒸腾速率(r)[18]。采用内置红蓝光源，参数设定：光照强度1200 μmol/(m2·s)，CO2浓度400 μmol/mol，气流为400 μmol/s，每个处理随机选择5片剑叶测定。

1.3.3 茎鞘NSC含量

抽穗期每小区取30个挂牌标记的主茎，将茎鞘、叶片以及穗分开，105 ℃下杀青30 min，80 ℃下恒温烘干至恒重。将茎鞘干样磨碎过100目筛。茎鞘中NSC含量参照 Yoshida 等[19]方法测定。称100 mg样品放入15 mL离心管中，加入10 mL 80%甲醇，在80 ℃下水浴提取30 min后6000 r/min下离心15 min并收集上清液，重复提取3次，合并所有上清液置于50 mL容量瓶并定容，用于可溶性糖含量测定。将残渣烘干，加入2 mL的蒸馏水，沸水浴20 min，冷却后加入2 mL 9.2 mol/LHClO4震荡20 min，加入6 mL蒸馏水，6000 r/min下离心15 min并收集上清液，重复提取3次，合并上清液并用蒸馏水定容至50 mL，用于测定淀粉含量。茎鞘NSC含量为可溶性糖和淀粉之和。并计算抽穗期的糖花比，抽穗期与成熟期的茎鞘NSC积累量、茎鞘NSC转运量、转运率及对籽粒的贡献率，计算公式如下：

表1 实时荧光定量PCR引物

糖花比(mg/spikelet)=抽穗期茎和叶鞘中NSC积累量/总颖花量；

茎鞘NSC转运量(g/m2)=抽穗期茎鞘NSC积累量−成熟期茎鞘NSC残留量；

茎鞘NSC转运率(%)=茎鞘NSC转运量/抽穗期茎鞘NSC积累量×100；

茎鞘NSC对籽粒的贡献率(%)=茎鞘NSC转运量/籽粒干质量×100。

1.3.4 RNA的提取及半定量分析

蔗糖转运基因主要包括、、、。基因转录水平的检测主要包括RNA提取、cDNA的制备及qRT-PCR。使用试剂盒(DP432)对茎鞘中总RNA进行抽提。随后使用cDNA合成试剂盒(TaKaRa, Code No.RR037A)进行RNA的反转录。再用实时荧光定量PCR系统(ABI 7300)及核酸染液(SYBR Green, TaKaRa, Code No. RR420A)对基因的转录水平进行测定。基因引物的序列号及序列见表1，由通用生物(安徽)股份有限公司合成。

1.3.5 产量及其构成因素测定

成熟期每小区随机选取挂牌标记的300穗，将穗子取下装入网袋中，风干后分强势粒与弱势粒，分别考查其千粒重与结实率。每小区选择相同面积对水稻进行收割，单独晾晒、扬净、称重，测定实产。结实率计算公式如下：结实率＝实粒数/总粒数×100%。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2019整理数据和作图，用SPSS 22.0对试验数据进行统计分析，处理间平均数差异的显著性检验用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 外源海藻糖对水稻产量及其构成因素的影响

由表2可知，不同浓度海藻糖处理均能显著提高水稻产量，且外源海藻糖处理下，每穗粒数以及强、弱势粒的结实率和千粒重均有不同程度提高。其中，以T50处理效果最为显著。与T0相比，2021年T50处理下产量显著提升8.55%；2022年T50处理下产量显著提高6.86%。通过产量构成因素的分析可知，与T0相比，2021年T50处理下强、弱势粒结实率分别提高5.21%和11.72%，强、弱势粒千粒重分别增加5.05%、7.81%；2022年T50处理下强、弱势粒结实率分别提高3.43%、12.20%；强、弱势粒千粒重分别增加6.64%、12.21%，且差异均达显著水平，年度间具有相同趋势。各处理之间每穗粒数无显著差异，与T0相比差异显著。其中，T50处理两年的每穗粒数较T0平均增加约11粒/穗。粒位间比较发现，外源海藻糖对弱势粒结实率和千粒重的提升幅度较强势粒大。

SS－强势粒; IS－弱势粒; T0、T15、T30、T50、T70和T100分别表示海藻糖喷施浓度为0、15、30、50、70和100 mmol/L。

表2 外源海藻糖对水稻产量及其构成因素的影响

SS－强势粒; IS－弱势粒; T0、T15、T30、T50、T70和T100分别表示海藻糖喷施浓度为0、15、30、50、70和100 mmol/L。平均数±标准差 (=3)，同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

SS, Superior spikelets; IS, Inferior spikelets; T0, T15, T30, T50, T70and T100represent that the spraying concentrations of trehalose are 0, 15, 30, 50, 70, and 100 mmol/L. The data are means ± SD of three biological replicates. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant difference between treatments at the 0.05 level.

2.2 外源海藻糖对水稻粒重动态及灌浆速率的影响

以开花后天数为自变量，各自对应的粒重为因变量，对各处理强、弱势粒的灌浆过程用Richards方程拟合，两年的粒重动态以及灌浆速率变化如图2、图3所示。由图2-A和图3-A可知，整个灌浆过程强﹑弱势粒粒重差异显著，强势粒的粒重在整个灌浆期间始终高于弱势粒，且粒重在开花后迅速增加，在花后35 d左右达到最大值，之后趋于稳定。而弱势粒在花后较长时间内基本呈现缓慢增加的趋势，在花后50 d左右才达到峰值。而外源海藻糖能显著改变灌浆期间粒重，各处理强、弱势粒粒重曲线均位于T0上方，其中以T50处理表现最为显著，曲线位于最上方，其弱势粒较T0在花后20 d便已进入粒重迅速增大期，2021和2022年度不同处理下的粒重变化趋势一致。

外源海藻糖处理下籽粒灌浆速率如图2-B和3-B所示，随着灌浆进程的推进，强、弱势粒灌浆速率均呈先升后降的趋势。W1844为明显的异步灌浆，强势粒灌浆速率在花后15～20 d快速达到灌浆速率峰值，而后迅速下降，而弱势粒灌浆速率增加缓慢，在花后25～30 d灌浆速率达到峰值，且到达峰值后灌浆速率下降比强势粒缓慢。各海藻糖浓度处理下籽粒灌浆速率较T0均有提高。其中，T50处理下强、弱势粒的灌浆速率曲线在达峰值前均位于其他处理及T0之上，其最大灌浆速率显著高于T0。且两年间W1844籽粒灌浆速率曲线趋势一致。据灌浆速率曲线，推断T50处理灌浆启动快。

2.3 外源海藻糖对水稻籽粒灌浆特征参数的影响

根据Richards方程计算得出的大穗型粳稻品系W1844在2021－2022年间不同浓度海藻糖处理下强、弱势粒灌浆特征参数(表3)。由表3可知，外源海藻糖处理对各特征参数均有不同程度的影响。海藻糖处理下强、弱势粒的起始生长势 (0)、最大灌浆速率(GRmax)、平均灌浆速率(GRmean)以及达到最大灌浆速率时的粒重(max)均高于T0，且海藻糖处理均缩短了强、弱势粒活跃灌浆期()，强、弱势粒达到最大灌浆速率的时间(max)也有缩短，即实际灌浆时间缩短。与T0相比，2021年T50处理下强势粒的GRmax和GRmean分别提高了21.53%和22.97%，弱势粒GRmax和GRmean分别提高23.49%和24.29%；2022年强势粒GRmax和GRmean分别提高21.43%和24.79%，弱势粒GRmax和GRmean分别提高20.13%和24.79%。与T0相比，2021年T50处理下强、弱势粒max分别缩短3.02 d和3.34 d左右；2022年T50处理下强、弱势粒max较T0分别缩短4.37 d和4.52 d。T50处理下两年间的强、弱势籽粒的max较T0分别增加5.91%～10.67%和4.05%～7.56%；两年强、弱势粒平均缩短3.23～3.89 d、4.18～4.20 d。综上所述，海藻糖处理下活跃灌浆期缩短，但在灌浆起始具有较高的潜势，且在整个灌浆过程中均能保持较高的灌浆速率，故与T0相比，仍能获得较高的粒重；且年度间规律一致。

SS－强势粒; IS－弱势粒; T0、T15、T30、T50、T70和T100分别表示海藻糖喷施浓度为0、15、30、50、70和100 mmol/L。

表3 水稻籽粒灌浆过程的Richards方程参数

SS－强势粒；IS－弱势粒；T0、T15、T30、T50、T70和T100分别表示海藻糖喷施浓度为0、15、30、50、70和100 mmol/L。

SS, Superior spikelets; IS, Inferior spikelets; T0,T15, T30, T50, T70and T100, represent that the spraying concentrations of trehalose are 0, 15, 30, 50, 70, and 100 mmol/L;0, Initial grain filling potential; GRmax, Maximum grain filling rate;max, Time reaching the maximum grain filling rate; GRmean, Mean grain filling rate;max, Weight of a grain at maximum grain filling rate;, Time of grain filling reaching 99%.

2.4 外源海藻糖对水稻籽粒阶段性灌浆特征参数的影响

根据灌浆速率曲线的2个拐点，将籽粒灌浆过程划分为前期、中期和后期3个阶段。由表4可知，各处理强势粒的灌浆前、中、后期天数均短于弱势粒，平均灌浆速率(MGR)和贡献率(RGC)均表现为中期>前期>后期，且前、中、后期强势粒的MGR均显著大于弱势粒。外源海藻糖对水稻强、弱势粒灌浆各阶段持续天数、MGR和RGC有较大影响。T50影响最为显著，与T0相比，2021年T50处理下强、弱势粒灌浆历时缩短，在灌浆前期分别缩短了2.55 d、2.79 d，中期分别缩短了0.92 d、1.10 d；2022年灌浆前期天数分别缩短0.58 d、1.86 d，中期分别缩短1.31 d、1.27 d；而在灌浆后期，2021年强势粒灌浆延长了1.95 d，弱势粒灌浆天数与T0无较大差别。2021年T50处理下，灌浆前期、弱势粒的MGR较T0分别提高了15.94%、 26.32%，灌浆中期强、弱势粒的MGR较T0分别提高21.05%、23.21%；而对灌浆前期的RGC，强势粒影响较弱势粒大，较T0降低了24.79%，而灌浆中期强、弱势粒的RGC分别提升3.49%、2.16%；在灌浆后期，MGR和RCG对强、弱势粒灌浆影响较小。2022年T50处理下，灌浆前期强、弱势粒的MGR较T0分别提高了17.19%、29.73%，灌浆中期强、弱势粒的MGR较T0分别提高20.43%、25.86%；而在灌浆后期，MGR和RCG对强、弱势粒灌浆影响较小。此外，各处理灌浆前、中、后期强势粒灌浆持续时间呈增加趋势，平均灌浆速率前、中、后期呈下降趋势，RGC总体以灌浆中期最大，贡献率主要在前、中期，后期显著下降，且年度间规律一致。

表4 外源海藻糖处理下水稻籽粒灌浆前期、中期和后期特征参数

SS－强势粒; IS－弱势粒；T0、T15、T30、T50、T70和T100分别表示海藻糖喷施浓度为0、15、30、50、70和100 mmol/L。

SS, Superior spikelets; IS, Inferior spikelets; T0, T15, T30, T50, T70and T100represent that the spraying concentrations of trehalose are 0, 15, 30, 50, 70, and 100 mmol·/L. MGR, Mean grain filling rate; RGC, Ratio of the grain filling contributed to the final grain weight.

2.5 外源海藻糖对水稻剑叶光合特性的影响

对外源海藻糖处理下水稻抽穗期剑叶进行光合指标测定，结果如图4所示。外源海藻糖处理下水稻剑叶净光合速率(n)、气孔导度(s)较T0均显著提高，r和i在处理间表现不一。其中T50处理下n显著高于其他处理。与T0相比，2021－2022年T50处理下n提升幅度在28.66%～33.49%，s提高了25.15%～60%，且均达显著差异水平。2021年T50处理下r相较于T0提高了9.76%；而2022年T50处理下r较T0增加1.43%。各处理的i无明显规律，且年度间表现一致。

SS－强势粒; IS－弱势粒; T0、T15、T30、T50、T70和T100分别表示海藻糖喷施浓度为0、15、30、50、70和100 mmol/L; 竖线代表均值±标准误,不同字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。

2.6 外源海藻糖对水稻茎鞘NSC积累与转运以及糖花比的影响

由表5可知，外源海藻糖处理提高了水稻的糖花比。与T0相比，2021年T50处理下糖花比提高了6.30%，2022年T50处理下糖花比提高7.06%，且均呈显著差异。外源海藻糖处理显著提高抽穗期茎鞘NSC的积累与转运，积累量总体表现为T50>T30>T0，且年度间规律一致。与T0相比，2021年T50处理下抽穗期茎鞘NSC积累量提高12.18%， NSC转运量增加29.62%，NSC转运率提高15.56%，对籽粒的贡献率提高15.57%；2022年T50处理下抽穗期茎鞘NSC积累量提高11.08%，NSC转运量增加27.42%，NSC转运率提高14.80%，对籽粒的贡献率提高19.15%。

表5 外源海藻糖对水稻茎鞘NSC的积累与转运的影响

SS－强势粒; IS－弱势粒; T0、T15、T30、T50、T70和T100分别表示喷施浓度为0、15、30、50、70和100 mmol/L的海藻糖。

SS, Superior spikelets; IS, Inferior spikelets; T0,T15, T30, T50, T70and T100represent the spraying concentrations of trehalose are 0, 15, 30, 50, 70, and 100 mmol/L; TMNSC, Total biomass of NSC in stems and sheaths;NSC, Translocation of NSC from stems and sheaths to grains during grain filling stage; TRNSC, Translocation rate of NSC from stems and sheaths to grains;NSC, Contribution of NSC of stems and sheath to grains.

2.7 外源海藻糖处理下水稻茎鞘NSC积累量及转运量与产量及结实性的关系

由图5可知，2021年茎鞘NSC积累量(TMNSC)和表观转运量(NSC)与产量及强、弱势粒的结实率和千粒重大多呈显著正相关。其中，产量与TMNSC和NSC均呈极显著正相关；TMNSC与强、弱势粒的结实率、千粒重均呈极显著正相关；NSC与强弱势粒结实率均呈显著相关，与弱势粒的千粒重呈极显著相关，而与强势粒千粒重相关未达显著。由此可见，茎鞘NSC积累量和表观转运量对大穗型粳稻弱势粒的结实率和千粒重影响更大。

2.8 外源海藻糖处理对水稻茎鞘蔗糖转运基因OsSUT表达水平的影响

图6是外源海藻糖处理下W1844不同时期茎鞘蔗糖转运基因、、、的表达水平。比较4个基因的表达量，发现、的表达量显著高于和。进一步比较不同时期的和基因的表达量发现，和的表达水平表现为花后5 d最高，花后15 d次之，花后25 d最低。不同处理的和基因相对表达量总体表现为T50>T30>T0，其中，T50处理的基因较T0上调了1.66～6.70倍，而基因上调幅度达14.25%～54.01%。结合茎鞘NSC转运率(表5)可知，外源海藻糖通过提高水稻茎鞘蔗糖转运基因的表达，从而促进茎鞘物质向籽粒转运。

3 讨论

大穗型水稻的强势粒与弱势粒的发育存在显著的时空差异。一般而言，强势粒位于顶端初级分枝上，开花早、灌浆快、粒重高；而弱势粒位于近端下部次级分枝上，开花晚、灌浆慢、粒重低[22-23]。因此，改善弱势粒的灌浆，对于充分发挥大穗型水稻的产量潜力具有重要意义。Khater等[26]研究表明，中度干旱胁迫下，叶面喷施海藻糖，可显著提高豇豆的产量。本研究也发现这一现象，大穗型粳稻W1844弱势粒的千粒重与结实率都比强势粒的低，外源海藻糖处理显著增加了W1844强势粒及弱势粒的千粒重、结实率及产量(表3)。其中，T50处理下产量增加最为显著，且2021年产量提升幅度高于2022年，通过对两年气象数据(图1)分析发现，2022年水稻灌浆前期温度较高，影响灌浆启动，降低结实率及千粒重(表2)，导致其产量低于2021年。同时，本研究还发现，外源海藻糖处理下，弱势粒结实率和千粒重的提升幅度高于强势粒。由此可见，海藻糖对弱势粒的效果优于强势粒。

水稻籽粒灌浆过程影响最终的产量[32]。与强势粒相比，弱势粒的0、max和mean较低，灌浆前期持续时间长，弱势粒进入灌浆盛期迟，灌浆缓慢[33-34]。本研究中，大穗型粳稻W1844弱势粒的0、max和mean均低于强势粒，且从阶段灌浆参数来看，弱势粒灌浆前期持续时间明显长于强势粒(表5)。水稻的籽粒灌浆速率和灌浆持续的时间都是影响粒重形成的重要因素[35]。李哲等[8]研究表明，在高温胁迫下，外源海藻糖提高了小麦籽粒的灌浆速率，增加了粒重，提高了产量。Teng等[36]也发现在中度干旱下，外源海藻糖处理可显著提高水稻弱势粒灌浆。本研究发现，外源海藻糖处理下，W1844的强、弱势粒在灌浆前、中、后期的平均灌浆速率以及最大灌浆速率均有不同程度的提高。其中，弱势粒平均灌浆速率及最大灌浆速率的提升幅度高于强势粒，导致弱势粒的粒重的增加幅度也高于强势粒，最终提高了W1844的产量。

T0、T30、T50分别表示海藻糖喷施浓度为0、30、50 mmol/L。5d, 15d, 25d分别表示花后5d, 15d和25d。

籽粒灌浆是由复杂的库源关系决定的[37]。叶片的光合作用和茎鞘中贮存NSC的重新分配可以决定籽粒灌浆的质量和最终产量[38-41]。一般来说，弱势粒灌浆慢和粒重低被认为受到同化物供应的限制[7,42-43]。有效地协调“源”(光合同化产物)能力、碳水化合物运输效率(“流”)和“库活”，可以促进水稻产量的提高。海藻糖积累可提高水稻在应激和无应激条件下的光合能力[44]。Shahbaz等[45]发现盐胁迫下，喷施外源海藻糖提高了水稻净光合速率。本研究中，海藻糖处理可显著提高抽穗期水稻剑叶的净光合速率和气孔导度，但对蒸腾速率和胞间CO2浓度的影响无明显规律。这可能与测定时的温度和光照有关。水稻灌浆物质来自抽穗前茎鞘贮存碳水化合物和抽穗后叶片光合产物[38, 46]。在弱光条件下，海藻糖影响玉米干物质在各器官中的积累与分配[47]。在高温胁迫下，海藻糖能提高小麦花前干物质转运量及花后干物质积累量[8]。本研究发现外源海藻糖处理下，抽穗期茎鞘NSC积累量、转运量以及转运率均得到显著提高。相关性分析表明，茎鞘NSC积累量和转运量分别与产量、弱势粒的结实率及千粒重均极显正相关。由此可见，海藻糖处理能促进茎鞘NSC的积累及其向籽粒的转运。基因在蔗糖的感应、“源”器官装载、韧皮部长距离运输和“库”器官卸载等过程中都发挥着重要作用[48-49]。在本研究中，海藻糖处理通过提高茎鞘基因的表达，促进了茎鞘物质的转运。综上所述，外源喷施海藻糖主要通过提高水稻的净光合速率，增加抽穗期茎鞘物质的积累和转运，促进了强势粒与弱势粒的灌浆，提高其千粒重和结实率，最终达到增产的效果。

4 结论

大穗型粳稻品系W1844强、弱势粒间的粒重与灌浆速率差异较大。外源喷施海藻糖可有效地提高强势粒与弱势粒的灌浆起始势、平均灌浆速率和最大灌浆速率，进而提高了强、弱势粒的结实率和千粒重。其中，海藻糖对弱势粒灌浆结实的提升幅度高于强势粒。在所有处理中，以50 mmol/L浓度的海藻糖处理效果最为显著。外源海藻糖可能是通过提高水稻剑叶净光合速率，促进茎鞘物质的积累与转运，改善籽粒尤其是弱势粒的灌浆结实，从而实现大穗型水稻的增产。

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Effects of Exogenous Trehalose on Grain Filling Characteristics and Yield Formation ofRice Cultivar W1844

HUANG Yaru1, XU Peng1, WANG Lele1, HE Yizhe1, WANG Hui1, KE Jian1, HE Haibing1, WU Liquan1,2, YOU Cuicui1, *

(College of Agronomy, ; Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Crop Production, Nanjing 210095, China; *Corresponding author, email: youcuicui516@126.com)

【Objective】It is very importantto clarify the effect of exogenous trehalose on grain filling and seed setting of large-paniclerice. 【Method】The effects of different concentrations of trehalose on photosynthetic characteristics, dry matter accumulation and translocation of stems and sheath, grain filling characteristics and yield of large-paniclerice W1844 were investigated by foliar spraying of various concentrations of trehalose (T0, T15, T30, T50, T70and T100, 0, 15, 30, 50, 70, 100mmol/L, respectively) at the end of booting stage. 【Result】1) Trehalose exposure increased grain yield, and the highest yield was obtained under T50treatment. Compared with T0, the yield under T50treatment increased by 7.71% on average, and the yield and thousand grain weight of superiorspikelets increased by 4.36% and 5.92%, respectively, while the yield and thousand grain weight of inferior spikelets increased by 11.98% and 10.01%, respectively. Trehalose had a better effect on the improvement of grain filling and seed-setting of the inferior spikelets. 2) Trehalose treatment changed the grain filling characteristics. Compared with T0, the time to the maximum filling rate of superior and inferior spikelets was shortened by 3.70 and 3.93 d under T50treatment; the average filling rates of superior and inferior spikelets were increased by 16.57% and 28.03% in the early stage of filling; the average filling rates of superior and inferior spikelets were increased by 20.74% and 24.54% in the middle of grain filling. In addition, compared with T0, the grain weight of superior and inferior spikelets at maximum filling rate increased by 6.74% and 7.36%, respectively. The net photosynthetic rate, stomatal conductance and transpiration rate of rice leaves under T50treatment increased by 31.08%, 42.58% and 10.42% on average, respectively as compared with T0. 4) Trehalose treatment promoted the accumulation and translocation of non-structural carbohydrates (NSC) in stem and sheath during the heading stage. Compared with T0, the NSC content in stem and sheath at the heading stage increased by 11.63% on average under T50treatment, and the translocation of dry matter in stems and sheaths increased by 28.52% on average, and the contribution rate to seeds increased by 18.18%. This might be due to the up-regulated expression level of sucrose transporter genes,andin stems and sheaths, which promoted dry matter transport in stems and sheaths.【Conclusion】Exogenous trehalose could effectively improve grain filling and seed setting of large-paniclerice, which might be due to the fact that trehalose treatment could increase the net photosynthetic rate of flag leaf, up-regulate the expression of sucrose transporter genes, and promote the accumulation and translocation of NSC in the stems and sheaths, thus increasing the grain filling rate, seed-setting rate and grain weight of superior and inferior grains. Under the present experimental conditions, 50 mmol/L is the most effective in improving grain filling and seed setting in large-panicle rice W1844.

large-paniclerice; exogenous trehalose; grain filling characteristics; stem and sheath NSC accumulation and translocation; yield formation

10.16819/j.1001-7216.2023.220712

2022-07-29；

2023-01-26。

安徽省高等学校科学研究项目(2022AH050902)；国家自然科学基金资助项目(31801286)；安徽省自然科学基金资助项目(1808085QC70)。