水稻种子发育过程中耐热性研究进展

黄玉韬, 梅高甫, 吴华平, 阮晓丽, 朱叶峰, 冯春炜, 曹栋栋*

(1.浙江省农业科学院 作物与核技术利用研究所, 浙江 杭州 310021; 2.湖州科奥种业有限公司, 浙江 湖州 313000;3.浙江农科种业有限公司, 浙江 杭州 310021; 4.平湖市惠农种业有限责任公司, 浙江 平湖 314200)

水稻 (OryzasativaL.) 作为主要的三大粮食作物之一, 以其为主食的人口占世界总人口的50%[1-2]。水稻起源于热带、亚热带, 极端高温会降低其产量与品质。全球气候变化导致气温升高,目前我国大部分水稻种植区域已经处于或即将处于高温胁迫中, 预计未来温度仍将以每10 a 0.2～0.4 ℃的速度增加[3]。高温是影响水稻生产的重要因素之一, 在全球变暖的大环境下, 我国水稻生产在夏季也是高温热害频繁发生, 导致水稻产量大幅降低。据统计水稻种植地气温每升高1 ℃, 水稻产量减少3.2%[4]。每年的7 月中下旬至8 月上旬是我国长江中下游水稻生殖生长的关键时期, 也是水稻遭遇高温热害的时期[5]。自20 世纪70 年代以来, 水稻高温热害在我国的长江流域已出现6 次,其中2003 年的灾害影响最大, 据不完全统计该地区的受灾面积达3 000 万hm2, 且损失的稻谷产量达5 180 万t[6]。据估计, 由于高温热害频发, 到21 世纪末, 水稻产量将减少41%[7]。同时, 高温热害也会造成水稻种子品质受损。水稻种子成熟过程中发生的高温热害常导致水稻种子垩白度增加,千粒重与发芽率显著降低, 严重影响水稻种子的安全生产[8-10]。高温热害已成为限制我国南方稻区水稻安全生产的瓶颈。目前关于高温热害对水稻种子发育的影响报道较少, 且主要集中在花期高温的研究。因此, 剖析水稻种子发育过程中的耐高温机制, 对缓解或解决水稻及其他粮食作物的高温逆境危害, 提高作物产量及品质具有重要的现实意义。

1 高温对水稻种子发育的影响

1.1 种子物理特性

种子物理特性主要包括种子大小、种子干重、种子形态与色泽等。种子大小通常以平均种子重命名, 表示为 “千粒重”, 即种子批的1 000 粒种子的质量。种子大小与千粒重, 是种子活力的重要指标, 并影响许多过程, 如种子萌发、幼苗顶土和幼苗建成[11-12]。Wang 等[13]通过对一个水稻重组自交系 (RIL) 在种子萌发期间种子活力的QTL 定位,发现了10 个与种子活力相关的QTL 位点, 其中大部分都与种子质量、种子大小或者种子休眠有关。植物所在的生态位、营养与水分的利用、生物与非生物环境因素、遗传特性等都是影响种子大小的重要因素。灌浆期高温会对水稻种子的大小、千粒重和种子活力造成不利影响, 同时会导致白垩种子比例升高, 这可能是由于贮藏物质积累的受阻和种子灌浆持续时间的减少而导致的[14-15]。如Liu 等[16]报道, 人工温室中形成的高温显著抑制水稻籽粒的直链淀粉、总淀粉与蛋白质积累, 降低千粒重与产量, 同时增加了垩白籽粒的比例。水稻籽粒的大小与形状取决于胚乳细胞的大小与数量, 而垩白籽粒的发生通常被认为是由于不完全的淀粉充实所导致的[17-18]。Morita 等[19]发现, 灌浆早期或中期夜间34 ℃高温会抑制种子发育, 抑制胚乳细胞的发育并导致种子宽度和厚度的降低。Fu 等[20]发现, 灌浆早期 (授粉后7～11 d) 的16 h 白天40 ℃/8 h夜晚30 ℃处理仅降低了水稻种子的厚度, 而对种子宽和长没有显著影响, 由此推测, 灌浆期高温对水稻种子大小的影响可能因处理时期、高温温度与品种特性而异。

1.2 种子萌发

环境温度的变动显著影响植物种子发育与成熟过程, 继而对其发芽率产生影响[21]。一般情况下,种子灌浆阶段的高温会对正常的种子发育产生较大负面影响, 致使异常种子和低质量种子比例增加[22]。此外, 在去除这些劣质种子后, 剩余种子的发芽率随着种子发育期间平均最高温度的增加而降低[23]。在发育中的种子达到生理或群体成熟之前的高温胁迫可能会抑制植物向种子供应萌发期间必需的同化物的能力, 使种子遭受生理损伤[24-25]。目前发现的大部分种子品质变化是由于在种子发育和成熟期间母株暴露于不利的环境条件[26], 但这些研究大多是在大豆或豌豆上进行的, 如菜豆种子活力的变化与种子发育过程中的高温胁迫的温度呈显著相关[27]。然而, 种子发育过程中的高温下水稻种子活力变化有待深入研究。灌浆早期的高温处理 (40 ℃) 显著降低了杂交稻种子发芽率、发芽指数与活力指数, 这可能与淀粉代谢、活性氧(ROS) 系统与热胁迫蛋白表达相关[20,28]。Madan等[29]发现, 制种过程中, 38 ℃高温处理显著降低了不同高温耐性的水稻材料的种子产量与发芽率。

1.3 淀粉合成

淀粉是水稻籽粒发育过程中一类重要的贮藏物质, 它为种子的萌发和幼苗生长提供能量。种子发育过程中淀粉合成代谢涉及5 种关键酶, 分别为ADP-葡萄糖焦磷酸化酶 (ADPGase)、颗粒结合淀粉合成酶 (GBSS)、可溶性淀粉合成酶 (SS)、淀粉分支酶 (SBE) 与脱分支酶 (DBE)。高温胁迫显著影响酶的活性, 继而抑制种子发育时的淀粉合成过程。Yamakawa 等[18]研究表明, 高温胁迫日本晴种子中各AGPase 同工酶活性显著下降。而张桂莲等[30]则发现, 高温胁迫下水稻胚乳中AGPase、SS 和SBE 活性先呈增大趋势, 达到峰值后显著下降。进一步研究发现, 淀粉组成对种子的活力产生影响, 其中直链淀粉和支链淀粉含量的影响较突出, 且高活力的杂交水稻种子中的直链淀粉含量较高, 而支链淀粉含量相对偏低[31]。此外, 胚乳淀粉积累不足容易导致甜玉米种子活性低。水稻种子发育过程中控制直链淀粉合成的重要基因为OsGBSSⅠ, 高温致使灌浆中后期OsGBSSⅠ的表达量显著下降, 直链淀粉含量显著下降[20,28,32]。高温使水稻花后OsSBEⅠ和OsSBEⅡ表达量下调, 而OsSBEⅣ则相反[33]。水稻种子发育过程中遭遇高温, 会导致淀粉合成受阻并引起成熟水稻种子垩白度提高[14-15]。水稻种子淀粉的含量及淀粉颗粒的性能均对高温敏感。高温胁迫下水稻种子中较大淀粉颗粒的比例显著增加, 经花后高温处理后水稻籽粒中淀粉颗粒排列更为松散, 出现较多的单一淀粉颗粒[34-35]。转录调控在淀粉代谢中发挥重要作用。转录因子bZIP58 可与基因OsAGPL3、OsBEIIb、OsGBSSI、OsSSIIa、ISA2、SBE1 的启动区结合, 继而提高其表达活性, 促进淀粉的合成代谢[36]; 而RSR1 转录因子则对OsGBSSI的表达起抑制作用[37]。尽管如此, 高温胁迫影响种子发育过程中淀粉代谢的作用机制, 尤其是上游调控信号还有待进一步研究。

1.4 多胺代谢

高温胁迫对植物激素代谢的诱导产生变化, 如高温环境会增加水稻叶片与籽粒中衰老成熟作用的激素含量, 如脱落酸 (ABA) 和乙烯等, 并降低生长类激素含量, 如细胞分裂素 (CTK)、生长素(IAA) 和赤霉素(GA) 等[38-39]。多胺(Polyamines,PAs) 主要包括腐胺 (Put)、亚精胺 (Spd)、精胺(Spm) 等, 是一种脂肪族含氮碱, 具有分子量小且为多聚阳离子的特点, 对细胞膜结构的稳定、过量活性氧 (ROS) 的清除、作物的抗逆性均具有重要作用[40-42]。在水稻种子发育过程中Spd 代谢对高温胁迫的响应过程发挥重要作用。高温胁迫下,相比于热敏感品种, 耐热水稻品种在种子发育过程中可合成更多的Spd 与Spm, 且多胺含量可保持稳定。对水稻叶片进行外源Spd 喷施处理可以有效缓解灌浆早期高温对水稻种子发育的抑制效果, 提高籽粒灌浆速率、千粒重与产量[43]。此外, 高温下Spd 施用可上调水稻种子Spd 合成基因SPDS、SPMS1 及SPMS2 表达水平, 诱导内源Spd 和Spm积累, 促进直链淀粉合成并提高杂交水稻的种子活力; 而Spd 合成抑制剂环己胺处理则显著抑制水稻种子的发育[20,28]。通过超表达或基因敲除技术研究多胺与植物耐高温已在拟南芥、番茄等模式植物中有较多报道, 但是在水稻中缺乏研究。通过研究SPMS超表达与缺失突变体拟南芥植株, Sagor等[44]发现, 内源Spm 浓度与拟南芥高温耐性呈正相关关系。而过表达SAMDC基因可通过抗氧化酶系统与细胞膜损伤修复等途径, 显著提高番茄植株的高温抗性[45]。Tao 等[41]发现, 超量表达OsSPMS1会抑制水稻种子发育, 降低水稻产量, 并抑制种子萌发; 相反地, 敲除OsSPMS1 可以对水稻种子发育与萌发起到促进作用。尽管如此, 内源多胺在水稻种子发育过程中, 尤其是响应高温胁迫中发挥的作用还需要进一步研究。

1.5 抗氧化酶与活性氧

高温胁迫会诱导水稻植株产生一系列生理生化变化, 其中包括植物体内活性氧 (ROS) 自由基产生过多, 抗氧化酶 (如超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶等) 活性、渗透保护性物质(如脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等) 含量的大幅度降低, 导致细胞膜损伤及对整体植株造成损害[46]。然而, 植物本身可以通过调节自身酶活性和渗透保护性物质含量, 以减少或清除自由基类有毒有害成分, 保护植株细胞的结构和功能[47-48]。研究[39,49]表明, 在水稻孕穗、开花与结实期, 高温会抑制植株光合速率, 破坏叶绿素、抗坏血酸和还原型谷胱甘肽代谢稳态, 降低抗氧化酶包括超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性, 诱导活性氧与丙二醛的大量积累。高温会改变水稻花药中抗氧化酶活性, 降低可溶性糖和蛋白质含量, 增加MDA 含量和膜透性[46,50-51]。灌浆早期高温胁迫会导致水稻种子POD 活性下降, 诱导MDA 含量急剧上升[20,28]。

2 水稻高温制种的防治措施

2.1 选育耐高温水稻品种

不同类型、品种水稻或相同品种在不同生育时期对高温胁迫的抗性均存在差异, 应加强耐高温水稻品种的选育, 选用耐高温水稻品种, 减轻水稻种子生产过程中高温胁迫损伤。

2.2 调整田间管理措施

水稻种子生产过程中, 调整播种时间, 使得水稻开花与灌浆过程避开高温天气, 是水稻高温制繁种的有效措施。研究[52-53]表明, 在华南和长江地区提早播种可使早稻在适宜温度中进入抽穗开花及乳熟期, 减少遭遇高温的天数与概率, 有效缓解高温对早稻的不利影响。水稻种子发育过程中进行科学的水肥控制也是缓解高温胁迫的有效手段。水稻籽粒灌浆期高温条件下, 采用白天灌水夜间排水或喷灌的方法可以有效降低田间水稻冠层的温度, 改善稻田小气候环境, 降低高温胁迫对水稻发育的损害[54-55]。此外, 闫川等[56]发现, 在灌浆期对水稻施用一定量的氮肥可降低穗叶、冠层温度, 以提高其蒸腾速率, 继而提高植株的抗热能力, 构建高品质水稻植株。植物氮利用、抗氧化酶和氨基酸代谢的上调, 可能使高温胁迫下增施氮肥有效提高水稻籽粒的穗粒数、千粒重、结实率和产量, 是缓解高温胁迫损伤的重要原因[57-58]。调整播期与增施氮肥外, 干湿交替灌溉亦可提高水稻种子结实率、产量与种子品质[59]。

2.3 辅助喷施外源调节物质

辅助喷施外源调节物质, 包括叶面肥、植物激素、植物生长调节剂等, 也是促进高温胁迫下水稻发育的有效方法。营养期或开花期高温条件下, 喷施0.2%的硼肥可增加抗氧化酶活性, 稳定膜结构和糖转运能力, 提高水稻籽粒质量[60]。水稻灌浆初期, 喷施外源亚精胺可以通过上调抗氧化酶活性, 可溶性糖含量、光合和蒸腾速率, 降低活性氧的含量, 维持渗透平衡, 减轻高温胁迫对水稻种子品质的影响[61]。有报道称, 抗坏血酸、生育酚、油菜素甾醇和茉莉酸甲酯4 种植物生长调节剂的复合施用可促进水稻光合作用和籽粒灌浆, 提高小穗育性、有效缓解了高温热害[62-63]。高温下水杨酸(SA) 处理可提高颖花的抗氧化酶 (SOD、POD 和CAT) 活性、玉米素核苷 (ZR) 和IAA 含量, 降低MDA 含量, 提高叶片光合速率, 增加水稻穗粒数和产量[64]。高温下喷施SA 可降低花药中ROS的积累, 阻止绒毡层程序性细胞死亡和降解, 最终显著提高花粉活力和结实率[65-66]。

3 总结与展望

高温胁迫已成为限制我国水稻安全生产的重要限制因素, 其中高温热害对水稻生产与水稻响应热胁迫的研究已有大量报道。尽管如此, 水稻种子发育过程受高温胁迫的影响还需深入研究。

关于水稻种子响应高温胁迫的研究, 以下几个领域值得进一步探索: (1) 水稻种子发育响应高温胁迫的分子机制还需更深层次及更全面的研究。高产、耐热、高活力的水稻种子培育可利用基因工程及转基因和CRISPR 基因编辑技术实现。基因的精准定位、功能分析和克隆技术是分子机制研究重点。此外, 可在RNA 和蛋白质分子角度上分析高温下水稻基因的种类、功能和表达模式 (时间和丰度), 在转录和翻译方面探讨水稻的高温热害和耐热性响应机理。(2) 水稻种子生产过程中高温热害的防控管理研究有待深入。应该充分利用目前高产优质耐热水稻种质资源, 选育出更多耐高温水稻品种; 强化数字化与机械化技术在水稻培育上的应用, 结合先进的作物情景模拟遥感技术与地理信息或全球定位系统, 建立并完善水稻高温热害的监测预警和影响评估系统。此外, 加强水稻高温热害防御技术如播期调整、水肥管理等在水稻种子热害防控中的研究与应用。