孕穗期干旱及復水對水稻葉片生理生化和產量的影響

陳亮　汪本福　江元元　曹湊貴，　李萍，（華中農業(yè)大學植物科學技術學院，武漢　430070；長江大學主要糧食作物產業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北　荊州　43403；第一作者：03400479@qq.com；通訊作者：sleep0@mail.hzau.edu.cn）

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孕穗期干旱及復水對水稻葉片生理生化和產量的影響

陳亮1汪本福1江元元1曹湊貴1，2李萍1，2*
（1華中農業(yè)大學植物科學技術學院，武漢430070；2長江大學主要糧食作物產業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北荊州434023；第一作者：1013400479@qq.com；*通訊作者：sleep1022@mail.hzau.edu.cn）

摘要：現有關于水稻干旱脅迫期間各項生理生化指標的變化和對葉片細胞的傷害機理方面的研究已經比較豐富和全面，但是對于干旱脅迫結束復水后的生理變化研究卻較少。本文以水稻品種中旱3號和黃華占為材料，在孕穗期進行淹水、輕度干旱、中度干旱和重度干旱4個處理，研究了干旱脅迫對水稻葉片生理生化性狀（光合作用和抗氧化酶活性等）和產量的影響。結果表明，中度和重度干旱使水稻葉片光合速率下降12.9%～43.9%，這主要與氣孔導度變化有關；處理結束復水后，中旱3號的生理生化指標均能恢復到正常水平，而黃華占在重度干旱后，其光合速率、氣孔導度以及抗氧化酶活性不能再恢復；干旱處理導致水稻產量降低14.3%～47.9%，主要是由于有效穗數和結實率的降低。

關鍵詞：水稻；孕穗期；干旱脅迫；生理生化性狀；產量

隨著氣候的變化，水稻在其生育期內遭受干旱脅迫越來越頻繁，而且越來越嚴重，當水稻植株受到干旱脅迫時，其葉片會產生應答措施，比如葉片氣孔關閉，減少蒸騰，光合作用減弱，葉綠素分解等［1-3］，而且細胞內會產生一系列活性自由氧等有毒物質，發(fā)生膜脂過氧化作用，其產物MDA含量的增加會損害細胞，而這些物質也會激發(fā)體內SOD、POD和CAT等抗氧化保護酶的大量增加來清除有毒物質。但是這些保護機制都是有限的，當發(fā)生嚴重干旱時，其調節(jié)能力會消失。大量研究證明，當干旱脅迫結束后復水，葉片的一些生理生化指標會迅速恢復，甚至有些會產生補償效應［4-8］。對水稻葉片生理生化的影響會影響水稻的正常生長和發(fā)育，進而影響最終的籽粒產量，導致減產［9-12］。

雖然對于水稻干旱脅迫期間各項生理指標的變化和對葉片細胞的傷害機理方面的研究比較豐富和全面，但是對于干旱脅迫結束復水后的生理變化研究卻較少，而且研究結果也不一致，特別是造成這些生理變化的機理還不清楚；對干旱導致水稻產量減少的原因分析不夠深入，而且由于材料和環(huán)境以及干旱脅迫程度的不盡相同，減產幅度和減產原因也不太一致。本文將進一步研究干旱脅迫及復水措施對水稻葉片生理生化和籽粒產量的影響，旨在明確干旱脅迫下葉片生理生化的變化規(guī)律以及產量變化規(guī)律，為水稻抗旱機理提供理論依據。

1　材料與方法

1.1試驗地點與供試材料

試驗于2014年5月至11月在華中農業(yè)大學網室內（湖北武漢）進行。供試材料為中旱3號和黃華占，中旱3號為粳型常規(guī)旱稻，抗旱性3級，屬于強抗旱性水稻品種；黃華占為秈型常規(guī)水稻，屬于弱抗旱性水稻品種。供試土壤為水稻土，黏壤土，全氮0.46 mg/g，全鉀0.72 mg/g，全磷0.47 mg/g，速效磷32.7 mg/kg，有機質15.2 mg/kg，pH值6.37。

1.2試驗設計

試驗采用盆栽種植，盆高29 cm，底部直徑26 cm，盆面直徑31 cm。設3個干旱脅迫處理水平，分別為輕度干旱脅迫（LD）、中度干旱脅迫（MD）和重度干旱脅迫（HD），以淹水灌溉為對照（CK）。每個處理12次重復，共3×4×12=144盆。控水前水分管理同對照，保持1～3cm水層，開始控水的前1d傍晚倒掉桶內積水，脅迫開始后停止?jié)菜曁鞖馇闆r，每天測定2次體積含水量，當體積含水量接近或超過該脅迫程度體積含水量的下限時即補水，并維持此水分脅迫程度直到生育期結束并復水。控水范圍為：輕度干旱脅迫（土壤飽和含水量的80%～90%）、中度干旱脅迫（65%～75%）和重度干旱脅迫（50%～60%）。土壤體積含水量由英國Delta-T Devices公司生產的HH2水分儀測得，探頭長6 cm，所測土壤體積含水量范圍通過土壤飽和含水量范圍與土壤容重計算得出。表1是各水稻品種在不同時期的具體控水時間。

每盆裝土沙混合物12.5 kg，土沙質量比為5∶1，每盆施復合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）10 g作基肥，在水稻分蘗期和抽穗開花期每盆追施尿素1 g。育秧采用秧田水育秧，5月25日播種，6月10日移栽，每盆定植大小一致的秧苗3株，帶土移栽。在干旱脅迫處理前和處理后統(tǒng)一管水，采用淺水層-濕潤交替灌水模式。實時實地觀察水稻病蟲草害等發(fā)生情況，及時除草打藥。

表1　干旱處理的具體時間

表2　不同干旱處理下葉片生理生化的比較

1.3測定項目與測定方法

1.3.1生理生化性狀

光合參數（光合速率、氣孔導度）測定：在測量日的9∶00-11∶00，采用LI-6400 XT光合儀，開放氣路，人工光源，樣本室內氣流速率為500 μmol/s，光強設定為1500 μmol/（m2·s），選具有代表性的完全展開劍葉，其中在孕穗期處理選取倒2葉，測定葉的最寬部，計算出葉室內葉片面積，每處理測量3盆，每盆測量3次。

葉綠素含量（SPAD值）測定：手持SPAD儀，選具有代表性的完全展開劍葉，其中在孕穗期處理選取倒2葉，測定葉的最寬部，每處理測量3盆，每盆測量3次。

MDA、SOD、POD和CAT測定：參照王學奎的方法測定［13］。

測量或取樣時間：以上生理生化指標均在處理結束前、復水后16 d、21 d和26 d分別測量或取樣，其中抗氧化酶活性取樣是在復水后26 d，中旱3號光合參數測定是在復水后26 d，黃華占則在復水后16 d、21 d 和26 d測量，SPAD值也在復水后16 d、21 d和26 d測量。取倒2葉，先用液氮處理，之后存入-80℃超低溫冰箱中，每個處理取3盆，每盆取3片劍葉，每盆所取葉片測3次重復。

1.3.2產量及產量構成

在成熟期，將每個稻穗輕輕取回室內對每個穗子進行考察，每個處理取3盆進行考察，考察項目有一次枝梗數和二次枝梗數，一次枝梗實粒數、空秕粒數，二次枝梗實粒數、空秕粒數，并對實粒進行稱重和水分計算，然后分別將其裝入已經標記好的信封袋，晾曬后保存，3個月之后對其進行稻米品質測量。

1.4數據處理與分析

采用Excel 2007和SPSS 17.0進行數據計算和差異性分析。

2　結果與分析

2.1不同處理的葉片生理生化特性比較

由表2可知，在中度和重度干旱脅迫條件下，水稻葉片的光合速率均比對照顯著降低，中旱3號分別比對照低32.0%和34.6%，黃華占分別比對照低19.1%和43.9%。對于氣孔導度來說，在中度干旱脅迫條件下，抗旱性水稻品種中旱3號的葉片氣孔導度沒有發(fā)生顯著變化，而弱抗旱性水稻品種黃華占則出現了顯著下降，下降幅度達到37.2%；在重度干旱脅迫條件下，2個水稻品種葉片的氣孔導度均比對照顯著降低，幅度分別達19.3%和69.4%。在中度干旱脅迫條件下，抗旱性品種中旱3號葉片SPAD值有下降的趨勢，但與對照差異不顯著，弱抗旱性品種黃華占則顯著下降；而在重度干旱脅迫條件下，2個品種的SPAD值均顯著下降。

從表2可以看出，抗旱性品種中旱3號葉片SOD活性不同處理之間差異顯著；弱抗旱性品種黃華占只有重度干旱脅迫時葉片SOD活性才顯著高于對照。在重度干旱脅迫條件下，2個品種葉片POD活性顯著升高，分別比對照升高24.2%和57.5%。與對照相比，2個品種葉片CAT活性在中度和重度干旱脅迫條件下均達到顯著差異。在不同干旱處理下，抗旱性品種中旱3號葉片MDA含量沒有顯著變化，而弱抗旱性品種黃華占在中度和重度干旱處理下MDA含量顯著升高，說明其細胞膜受到損害。

表3　不同干旱處理復水后（26 d）葉片生理生化的變化

2.2不同干旱處理復水后水稻生理生化特性的變化

從表3和圖1至圖3可以看出，在處理結束復水后，抗旱性品種中旱3號不同處理下葉片的各項生理生化指標與對照沒有顯著差異，說明干旱對其造成的影響復水后會逐漸消失，但是對于弱抗旱性品種黃華占來說，重度干旱處理下葉片光合速率、氣孔導度、SOD活性、POD活性和CAT活性始終與對照有一定差距，不能恢復到正常狀態(tài)。說明重度干旱對黃華占葉片的生理損害具有永久性，但是其葉綠素含量和MDA含量能恢復，說明其永久性損害并不是致命的。

2.3干旱處理下籽粒產量及構成因子的比較

由表4可知，在中度和重度脅迫條件下產量均比對照顯著下降。其中，中旱3號中度和重度干旱處理分別下降17.4%和34.1%，黃華占則分別下降14.3%和47.9%；輕度干旱則沒有顯著差異。從產量構成因子來看，單株有效穗數和結實率顯著下降，其中，中旱3號輕度、中度和重度干旱脅迫處理單株有效穗數分別下降16.1%、17.1%和28.1%，中度和重度干旱處理結實率分別下降10.2%和11.3%。黃華占中度和重度干旱處理單株有效穗數分別下降15.8%和29.7%，重度干旱脅迫結實率則下降34.6%。說明孕穗期干旱處理產量下降主要是由單株有效穗數和結實率下降引起的。

圖1　干旱復水后不同處理下黃華占葉片光合速率的變化

圖2　干旱復水后不同處理下黃華占葉片氣孔導度的變化

圖3　干旱復水后不同處理下葉片SPAD值的變化

表4　不同干旱處理下水稻產量的對比

表5　不同干旱處理對水稻一次枝梗的影響

表6　不同干旱處理對水稻二次枝梗的影響

表7　干旱處理條件下水稻產量與生理生化指標的相關性分析

由表5和表6得知，對于一次枝梗，中旱3號重度干旱處理每穗實粒重比對照減少11.3%，中度和重度處理結實率比對照分別減少12.4%和13.6%；黃華占重度干旱處理每穗實粒重和結實率分別比對照減少40.5%和32.5%。對于二次枝梗，中旱3號中度和重度干旱處理二次枝梗每穗實粒重分別比對照減少18.8% 和23.4%，每穗枝梗數減少5.8%和8.3%；黃華占輕度、中度和重度干旱處理每穗實粒重分別比對照減少17.6%、41.2%和43.1%，中度和重度干旱處理每穗枝梗數分別減少18.9%和38.4%。以上說明孕穗期干旱對穗部一、二次枝梗均有不同程度的影響，對一次枝梗的影響主要是結實率的下降，對二次枝梗的影響主要是每穗枝梗數的下降。

2.4相關性分析

由表7可以看出，產量與各項生理生化指標均沒有顯著的相關性，即在孕穗期干旱對產量的影響與葉片沒有顯著的關系。葉片的光合速率與氣孔導度呈極顯著正相關，這從很大程度上能夠說明干旱導致光合速率下降的主要原因是氣孔因素。另外，葉片的光合速率與SOD活性呈極顯著負相關，這說明除了氣孔因素之外還有非氣孔因素的存在。

3　結論

本研究結果表明，中度和重度干旱處理均顯著降低了2個水稻品種葉片的光合速率，而輕度干旱處理則沒有顯著變化，這與大部分學者的研究結果一致。葉綠素含量和葉片氣孔導度與葉片光合速率大小有很大的關聯性［4-5，13-14］，通過對本試驗條件下各生理生化指標的相關性分析，筆者也得出在兩個時期進行干旱處理水稻光合速率與氣孔導度呈極顯著正相關的結論。

大部分學者的研究都表明，隨著干旱程度的加重，水稻葉片抗氧化酶活性先升高清除有毒物質自由氧而后系統(tǒng)崩潰下降，并且抗旱性的品種抵抗能力比弱抗旱性品種強［6，15-17］。而在本試驗條件下，干旱使SOD、POD和CAT活性升高，耐旱性品種也表現出較好的抵御能力，但是并沒有出現活性下降的情況，這可能因為干旱程度或者時間不夠，也可能與干旱時濕度較大有關。另外，本研究表明，在兩個時期干旱處理下水稻的MDA含量均沒有顯著變化，這與大部分的研究結果相悖，很多研究結果都表明干旱會使MDA含量增加，細胞膜受到損害，并且與品質的抗旱性負相關［6，17］，這可能是因為干旱程度沒有達到使細胞受損的程度。

本試驗對2個不同抗旱性水稻品種干旱及復水后光合速率和氣孔導度的變化研究得出，不耐旱品種黃華占在重度干旱脅迫下光合速率和氣孔導度不能恢復到對照水平，葉綠素含量在不同品種不同干旱處理及復水后均能夠恢復到對照水平。這與大部分人的結論一致。對于補償趨勢沒有達到顯著水平可能是由于復水后，取樣和測量時間延后導致處理與對照之間的差異隨著時間的延長而消失。不耐旱品種黃華占在孕穗期重度干旱處理及復水后抗氧化酶活性不能恢復到對照水平，這與陳小榮等［18］的研究結果一致。中旱3號在不同干旱處理及復水條件下抗氧化酶活性均能恢復到對照水平，這與王澤杰等［19-20］的研究結果一致。

本試驗研究結果表明，在孕穗期干旱導致減產的主要原因是有效穗數和結實率的下降，這與汪妮娜等［21］的結果較為相似。本試驗過程中，在孕穗期水稻莖蘗數最高峰時期已過進入到定穗階段，而且由于在處理時期連續(xù)陰雨天氣使得植株生長緩慢，定穗過程被延長，此時干旱處理可能使一些原本會成為有效穗的小穗枝梗和穎花退化或者花粉敗育不能正常受精導致大量空粒而成為無效穗［22-24］，使有效穗數減少。由于有效穗數的減少，植株原本用在減少莖蘗部分的水分將用在剩余的莖蘗穗的生長上，這可能會緩解植株的旱情，使得每穗粒數沒有受到顯著的影響。對一、二次枝梗的繼續(xù)分析發(fā)現，一次枝梗的結實率下降，枝梗數和枝梗粒數等均沒有顯著變化，而二次枝梗的結實率沒有顯著變化，枝梗數卻減少了。這很可能是因為干旱導致減數分裂受到影響而使花粉敗育，繼而使空粒增多，二次枝梗的退化則加速了結實率的下降。在對灌漿期水稻葉片生理生化指標的測量中筆者發(fā)現，除了黃華占在重度干旱處理下，其他干旱處理并沒有造成葉片光合能力的下降，這就保證了水稻在后期灌漿中“源”沒有受到影響，即使黃華占在重度干旱脅迫下葉片光合能力受損，但由于受精籽粒庫容小，所以葉片的“源”能夠滿足籽粒庫容所需，這可能也是干旱對千粒重沒有顯著影響的原因。

4　討論

在本試驗條件下，孕穗期干旱使水稻葉片光合速率下降，氣孔關閉，葉綠素分解，抗氧化酶活性升高，MDA含量升高，細胞受損。不同抗旱性水稻品種葉片生理生化反應不同。在干旱結束復水后，弱抗旱性水稻在重度干旱條件下可能會出現部分生理生化指標不能恢復到正常狀態(tài)，而在孕穗期干旱導致減產的主要原因可能是有效穗數和結實率的降低。

由于本次試驗只有1年，而干旱復水后葉片的生理生化反應又是一個相互關聯的復雜過程，因此，對于干旱復水后水稻葉片生理生化的變化規(guī)律和機理需要深入的長期的定位研究。另外，對于干旱導致減產的原因還要從穗部結構進行深入的研究。

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Effects of Drought and Re -watering on Rice Physiological and Biochemical Indexes of Leaves and Grain Yield at Booting Stage

CHEN Liang1，WANG Benfu1，JIANG Yuanyuan1，CAO Cougui1，2，LI Ping1，2 *
（1College of Plant Science and Technology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China；2Hubei Collaborative Innovation Center for Grain Industry，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434023，China；1st author：1013400479@qq.com；*Corresponding author：sleep1022@mail.hzau.edu.cn）

Abstract：Although the study on drought damage mechanism of leaf cells and physiological and biochemical indexes of rice is rich and comprehensive，the study on the subsequent physiological changes after re-watering is still less.In this study，two rice varieties with different drought resistance ability，Zhonghan3（resistant）and Huanghuazhan（non-resistant），were used.Four treatments including flooding（CK），low drought stress（LD），moderate drought stress（MD）and high drought stress（HD）were implemented at booting stage.The effects of drought stress on rice leaf physiological and biochemical traits（photosynthesis，GS，SPAD，antioxidant enzyme activity，and MDA）and grain yield were studied.The main results are as follows：1）In MD and HD treatments，Pn of rice leaves decreased by 12.9%～43.9%which mainly related to Gs，while LD treatment have no significant difference in physiological and biochemical traits of leaf compared to CK.2）After re-watering，all indices of leaf physiology and biochemistry for Zhonghan 3 could return to normal status under all treatments，whereas in Huanghuazhan，the target traits under LD and MD treatments could return to normal，and the HD influence could not recover after re-watering.3）Drought stress made grain yield reduced by 14.3%～47.9%which mainly caused by the significant reduction of effective panicles and seed setting rate.

Key words：rice；booting stage；drought stress；physiological and biochemical traits；grain yield

中圖分類號：S511.071

文獻標識碼：A

文章編號：1006-8082（2016）01-0059-06

收稿日期：2015－09－25

基金項目：高等學校博士學科點專項科研基金（20130146120033）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目（2014QC026）