自由空氣中CO2濃度和溫度增高對水稻種子活力的影響

高厚玉　景立權(quán)　陳龍　居靜　王云霞,*　朱建國　楊連新　王余龍

(1揚(yáng)州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州225009；2揚(yáng)州大學(xué) 江蘇省作物遺傳生理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育點(diǎn)/糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 江蘇 揚(yáng)州225009；3中國科學(xué)院 南京土壤研究所 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210008；*通訊聯(lián)系人, E-mail: yxwang@yzu.edu.cn)

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自由空氣中CO2濃度和溫度增高對水稻種子活力的影響

高厚玉1景立權(quán)2陳龍1居靜1王云霞1,*朱建國3楊連新2王余龍2

(1揚(yáng)州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州225009；2揚(yáng)州大學(xué) 江蘇省作物遺傳生理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育點(diǎn)/糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 江蘇 揚(yáng)州225009；3中國科學(xué)院 南京土壤研究所 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210008；*通訊聯(lián)系人,E-mail:yxwang@yzu.edu.cn)

GAOHouyu,JINGLiquan,CHENLong,etal.EffectsofelevatedatmosphericCO2andtemperatureonseedvigorofriceunderopen-airfieldconditions.ChinJRiceSci, 2016, 30(4): 371-379.

高厚玉， 景立權(quán)， 陳龍，等. 自由空氣中CO2濃度和溫度增高對水稻種子活力的影響. 中國水稻科學(xué)， 2016， 30(4)： 371-379.

摘要:大氣二氧化碳(CO2)濃度和氣溫增高是全球氣候變化的重要特征，本研究旨在揭示未來氣候變化條件下生長的水稻，其種子活力是否受這兩個(gè)重要環(huán)境因子的影響。利用稻田FACE(Free Air CO2 Enrichment)系統(tǒng)，以常規(guī)水稻武運(yùn)粳23為供試材料，設(shè)置對照(Ambient，環(huán)境空氣)、CO2濃度增高(比Ambient高200 μmol/mol)、溫度增高(比Ambient高2℃)和CO2濃度與溫度同時(shí)增高四個(gè)處理，成熟期收獲種子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，與對照相比，單獨(dú)CO2濃度增加使成熟種子浸種24 h浸出液電導(dǎo)率平均增加16.5%，但使種子露白率、發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)分別下降7.8%、10.0%、17.4%和8.9%。相似地，單獨(dú)溫度增高或CO2濃度和溫度同時(shí)增高處理對上述參數(shù)影響的方向一致，但影響的幅度變小，多未達(dá)顯著水平。與環(huán)境生長溫度相比，高溫環(huán)境下全生育期CO2濃度升高使成熟種子浸種24 h浸出液電導(dǎo)率、露白率、發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的影響變小，表現(xiàn)在CO2濃度與溫度處理間存在一定程度的交互作用。種子發(fā)芽后芽和根系性狀對高CO2濃度或高溫均無顯著響應(yīng)。以上結(jié)果說明，大氣CO2濃度增高200 μmol/mol環(huán)境條件下，常規(guī)粳稻武運(yùn)粳23成熟種子露白率、發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)均明顯下降，但在同時(shí)適度增溫的生長環(huán)境下這種負(fù)面影響有減弱的趨勢。

關(guān)鍵詞:水稻； 二氧化碳； 溫度； FACE(Free Air CO2 Enrichment)； 種子活力

隨著經(jīng)濟(jì)和工農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，以及世界人口的不斷增加，大氣二氧化碳(CO2)濃度已經(jīng)增加到395μmol/mol，比工業(yè)革命前的280μmol/mol增加了41%[1]，預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)到550μmol/mol[2]。大氣CO2和其他溫室氣體濃度升高對環(huán)境的一個(gè)主要影響就是全球暖化趨勢[3]。在過去的100年間，大氣溫度平均升高了0.78℃，預(yù)計(jì)到2050年將繼續(xù)上升0.8℃～3.2℃[2]。從人類直接消費(fèi)的食物而言，水稻是全世界最重要的糧食作物。大氣CO2濃度和溫度都是影響水稻生長發(fā)育的關(guān)鍵因子，全球氣候變化情景中的兩者同時(shí)升高將對稻作生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響。中國是世界最大的稻米生產(chǎn)國，貢獻(xiàn)了全球稻米總產(chǎn)量的30%，水稻對保障我國糧食安全舉足輕重[4]，研究未來CO2濃度和溫度共同升高對我國水稻生產(chǎn)的影響，對我國乃至世界中長期糧食安全保障具有重要的參考價(jià)值。

目前國際上已有大量CO2濃度[5，6，7]或氣溫[8，9]單獨(dú)升高對水稻生長發(fā)育影響的報(bào)道，近年來兩因子之間的交互作用對水稻生長發(fā)育影響的研究也日益增多[10]。但與之形成鮮明對照，CO2濃度升高或溫度升高對水稻種子發(fā)芽特性的研究甚少[11]，兩者互作對水稻種子發(fā)芽特性的影響更是空白。種子活力是種子在一定田間條件下各方面的綜合表現(xiàn)[12]。前期研究表明，大氣CO2濃度升高或/和溫度升高均會導(dǎo)致水稻籽粒物理和化學(xué)性狀的改變[7，10]，這種變化可能影響水稻的種子活力和發(fā)芽特性，進(jìn)而對水稻秧苗生長及其與雜草的競爭關(guān)系產(chǎn)生影響[13]，因此有必要推進(jìn)大氣CO2濃度升高或溫度升高特別是兩者交互作用對水稻種子萌發(fā)特性的研究。

水稻CO2熏蒸系統(tǒng)主要包括溫室、溫度遞度氣室、開頂式氣室以及后來發(fā)展起來的稻田開放式空氣中CO2濃度增高(FreeAirCO2Enrichment，F(xiàn)ACE)[5]。其中，F(xiàn)ACE技術(shù)基于標(biāo)準(zhǔn)的作物管理措施，在空氣自由流動的大田條件下對作物表現(xiàn)進(jìn)行原位研究，提供了對未來作物生長環(huán)境的真實(shí)模擬[14]。2013年，中國科學(xué)家通過技術(shù)攻關(guān)，將原有的稻田FACE系統(tǒng)[15]升級改建為T-FACE試驗(yàn)平臺，用于同時(shí)升高水稻冠層空氣的CO2濃度和溫度[10]。本研究依托這一開放平臺，以當(dāng)?shù)卮竺娣e推廣的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種武運(yùn)粳23為供試材料，設(shè)置對照(Ambient，環(huán)境空氣)、CO2濃度增高(比Ambient高200μmol/mol)、溫度增高(比Ambient高2℃)和CO2濃度與溫度同時(shí)增高四個(gè)處理，各處理成熟期收獲種子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽實(shí)驗(yàn)[16]，旨在比較不同CO2濃度或/和高溫環(huán)境生長的常規(guī)粳稻種子活力和發(fā)芽特性的差異。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)平臺

試驗(yàn)于2014年在中國T-FACE研究技術(shù)平臺上進(jìn)行。該平臺位于江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)小紀(jì)鎮(zhèn)良種場試驗(yàn)田，試驗(yàn)田氣象條件、土壤理化性質(zhì)以及平臺控制詳見賴上坤等[17]和Jing等[10]。平臺共有3個(gè)FACE試驗(yàn)圈和3個(gè)對照(Ambient)圈。FACE圈設(shè)計(jì)為正八角形，直徑12m，平臺運(yùn)行時(shí)通過FACE圈周圍的管道向中心噴射純CO2氣體，并在FACE和Ambient圈中特定位置加裝熱水增溫管道，以熱輻射形式向增溫區(qū)域進(jìn)行增溫處理，CO2放氣管的高度距作物冠層50cm左右。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對平臺CO2濃度和水稻冠層溫度進(jìn)行監(jiān)測和控制，根據(jù)大氣中的CO2濃度、風(fēng)向、風(fēng)速、作物冠層高度的CO2濃度和溫度自動調(diào)節(jié)CO2氣體的釋放速度和方向以及增溫管道中熱水流速，使水稻主要生育期FACE圈內(nèi)CO2濃度保持比大氣環(huán)境高200μmol/mol，所有圈內(nèi)增溫區(qū)域水稻冠層空氣溫度比大氣環(huán)境溫度高2℃。FACE圈之間以及FACE圈與對照圈之間的間隔>90m，以減少CO2釋放對其他圈的影響。對照田塊沒有安裝FACE管道，所有田塊非增溫區(qū)域沒有安裝熱水增溫管道，其余環(huán)境條件與自然狀態(tài)一致(圖1)。

(a)-FACE圈結(jié)構(gòu)； (b)-Ambient圈結(jié)構(gòu)； (c)-FACE圈全景； (d)-增溫區(qū)域；Ambient-環(huán)境空氣(對照)；EC-大氣CO2濃度升高；ET-溫度升高；EC+ET-大氣CO2濃度和溫度同步升高。

(a)，StructureofFACEring; (b)，Structureofambientring; (c)，F(xiàn)ACEplot; (d)，Elevatedtemperatureplot;Ambient,Ambientair(Control);EC,ElevatedCO2concentration;ET,Elevatedtemperature;EC+ET,ElevatedCO2concentrationandelevatedtemperature.

圖1中國稻田T-FACE平臺總體運(yùn)行環(huán)境

Fig.1.SketchmapofChinaT-FACEplatforminpaddyfield.

1.2試驗(yàn)材料和處理

供試品種為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)常規(guī)粳稻品種武運(yùn)粳23，大田旱育秧，5月20日播種，6月21日移栽，24穴/m2，每穴栽2株，秧苗均為1蘗苗。總施氮量為22.5g/m2，其中基肥占40%(6月20日施用)；30%作分蘗肥(6月28日)，30%作穗肥(7月25日)。P、K肥用量均為9g/m2，全作基肥施用。6月21日-7月20日保持水層(約3cm)，7月21日-8月10日多次輕擱田，8月11日-收獲前10日間隙灌溉之后斷水至收獲。及時(shí)防治病蟲害，保證水稻正常生長。試驗(yàn)為裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為CO2處理，設(shè)大氣背景CO2濃度(AC，ambientCO2，約395μmol/mol)和高CO2濃度(EC，elevatedCO2concentration，比大氣背景CO2濃度高200μmol/mol)2個(gè)水平。裂區(qū)為溫度處理，設(shè)大氣環(huán)境溫度(AT，ambienttemperature)和高溫(ET，elevatedtemperature，比環(huán)境溫度高2℃)2個(gè)水平。CO2熏氣和溫度開始于6月28日，結(jié)束于10月15日。FACE圈每日熏氣時(shí)間及溫度處理時(shí)間為日出至日落。

1.3測定內(nèi)容與方法

各小區(qū)于成熟期連續(xù)割取2～3m2水稻，經(jīng)脫粒機(jī)脫粒后風(fēng)干，用于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn)。隨機(jī)挑選干燥健康飽滿大小相同的種子，每個(gè)小區(qū)100粒，稱重(W1)。然后將種子分別倒入100mL的小燒杯內(nèi)，加入濃度為1%的次氯酸鈉50mL消毒5min，再用清水沖洗。徹底洗干凈后，在小燒杯內(nèi)加入50mL的自來水，在常溫環(huán)境中浸種24h，同時(shí)設(shè)置2個(gè)空白對照，用保鮮膜將燒杯口封住防止水分蒸發(fā)。24h后(此時(shí)為試驗(yàn)第1天)，用電導(dǎo)率儀測定浸出液和空白對照中的電導(dǎo)率。

浸出液電導(dǎo)率(μS/cm)=測定值-空白對照值。

然后取出種子，用吸水紙擦干表面水分，再次稱量(W2)。以每g干種子的吸水量衡量吸脹速度。

吸漲速度(g/g)=(W2-W1)/W1，W1為種子干質(zhì)量，W2為浸種24h后種子的質(zhì)量。

之后將浸種24h后的種子放入墊有兩層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑15cm)中，培養(yǎng)皿中水分的高度達(dá)到種子的1/3，平鋪(每粒種子間距相同)，加蓋(防止水分散失過快)，放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常溫培養(yǎng)。

從第2天開始每天統(tǒng)計(jì)露白個(gè)數(shù)和發(fā)芽個(gè)數(shù)(以根長達(dá)到種子長度，芽長達(dá)到種子長度一半作為發(fā)芽的標(biāo)準(zhǔn))。第3天將達(dá)到發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)的種子轉(zhuǎn)移到藍(lán)色周轉(zhuǎn)箱內(nèi)(實(shí)驗(yàn)室常溫水培)，剩下的繼續(xù)在培養(yǎng)皿內(nèi)培養(yǎng)，繼續(xù)統(tǒng)計(jì)露白和發(fā)芽個(gè)數(shù)。

露白率(%)=(5d露白種子總數(shù)/供試種子總數(shù))×100；

發(fā)芽率(%)=(5d發(fā)芽種子總數(shù)/供試種子總數(shù))×100；

發(fā)芽勢(%)=(萌發(fā)前3d的發(fā)芽數(shù)之和/供試種子總數(shù))×100；

發(fā)芽指數(shù)GI=∑(Gt/Dt)，式中Gt為在不同時(shí)間內(nèi)的發(fā)芽數(shù)，Dt為對應(yīng)的發(fā)芽日數(shù)。

第5天從藍(lán)色周轉(zhuǎn)箱內(nèi)的每個(gè)重復(fù)分別隨機(jī)挑選具有代表性的10粒種子，用數(shù)字化掃描儀(STD1600EpsonUSA)將全部種子的根和芽的圖像掃入計(jì)算機(jī)內(nèi)，之后采用與掃描儀配套的WinRHIZO(Version5.0a)根系分析系統(tǒng)(WinRhizoRegentInstruments,Canada)分析，獲得芽(芽長、芽表面積、芽平均直徑和芽體積)和根系(根長、根表面積、根平均直徑和根系體積)性狀。

活力指數(shù)AGR=GI×SL，GI代表第5天發(fā)芽指數(shù)，SL代表第5天的芽長與根長之和。

1.4統(tǒng)計(jì)分析方法

本研究所有數(shù)據(jù)均以Excel2010進(jìn)行處理和圖表繪制。以SPSS18.0進(jìn)行二因素裂區(qū)方差分析，采用一般線性模型，以CO2、溫度為固定因子，以小區(qū)重復(fù)為隨機(jī)因子。各處理的比較均采用最小顯著差法(LSD)，凡超過LSD0.01、LSD0.05和LSD0.1水平的視為極顯著(或0.01顯著)、顯著(或0.05顯著)和接近顯著(或0.1顯著)。

2結(jié)果與分析

2.1大氣CO2濃度和溫度升高對水稻種子24h吸脹速度和浸種24h的浸出液電導(dǎo)率的影響

大氣CO2濃度和溫度升高對常規(guī)稻武運(yùn)粳23種子24h吸脹速度的影響示于圖2-A。與環(huán)境空氣相比，單獨(dú)CO2濃度升高、溫度升高使種子24h吸脹速度略降，CO2濃度和溫度同時(shí)升高使種子24h吸脹速度略增，但均未達(dá)顯著水平。方差分析表明，CO2濃度和溫度處理對該粳稻品種種子24h吸脹速度均無顯著影響，但CO2與溫度間存在微弱的互作效應(yīng)(P<0.15，表1)。

CO2和溫度處理對武運(yùn)粳23種子浸種24h浸出液電導(dǎo)率的影響示于圖2-B。與環(huán)境空氣相比，單獨(dú)CO2濃度升高使種子浸出液電導(dǎo)率平均增加16.5%，達(dá)顯著水平。單獨(dú)溫度升高以及CO2濃度與溫度同時(shí)升高使種子浸種24h浸出液電導(dǎo)率平均分別增加6.3%和0.8%，均未達(dá)顯著水平。方差分析表明，高溫處理對種子浸出液電導(dǎo)率沒有影響，但CO2處理及其與溫度處理的互作對該參數(shù)的影響分別達(dá)0.1和0.01顯著水平(表1)。

Ambient-環(huán)境空氣(對照)；EC-大氣CO2濃度升高；ET-溫度升高；EC+ET， 大氣CO2濃度和溫度同步升高。ns-不顯著； *-表示與對照相比差異達(dá)0.05顯著水平。最小顯著法(n=3)。下同。

Ambient,Ambientair(Control);EC,ElevatedCO2concentration;ET,Elevatedtemperature;EC+ET,ElevatedCO2concentrationandelevatedtemperature.ns,Nosignificantdifference; *,Significantdifferenceat0.05levelcomparedwithambientairbyLSD(n=3).Thesameasbelow.

圖2 大氣CO2濃度和溫度升高對武運(yùn)粳23種子浸種24h吸脹速度(A)和浸種24h浸出液電導(dǎo)率(B)的影響

Fig. 2.EffectsofelevatedatmosphericCO2concentrationandtemperatureonseedimbibitionspeed(A)andelectricalconductivitiesofseedsoakingsolution(B)forWuyunjing23after24hoursoaking.

表1大氣CO2濃度和溫度升高對武運(yùn)粳23種子活力參數(shù)的顯著性檢驗(yàn)

Table1.AnalysisofvarianceforseedvigorpropertiesofWuyunjing23inresponsetoelevatedCO2concentrationandtemperature.

項(xiàng)目Items來源Source自由度df總均方TotalMS均方MeansquareF值FvalueP值Pvalue浸種24h吸脹速度CO210.00.01.30.288Speedofimbibition(24h)溫度Temperature10.00.00.00.886CO2×溫度CO2×Temperature10.00.02.60.145浸出液電導(dǎo)率CO21833.3833.34.10.077Electricalconductivities溫度Temperature1616.3616.33.10.119ofseedsoakingsolutionCO2×溫度CO2×Temperature13333.33333.316.50.004露白率CO2160.860.88.30.021Sproutingrate溫度Temperature118.818.82.60.148CO2×溫度CO2×Temperature118.818.82.60.148發(fā)芽率CO21108.0108.010.50.012Germinationrate溫度Temperature10.30.30.00.861CO2×溫度CO2×Temperature121.321.32.10.187發(fā)芽勢CO2185.385.35.30.051Germinationpotential溫度Temperature10.00.00.01.000CO2×溫度CO2×Temperature165.365.34.00.080發(fā)芽指數(shù)CO21187.0187.08.70.019Germinationindex溫度Temperature10.30.30.00.906CO2×溫度CO2×Temperature164.764.73.00.122活力指數(shù)CO2163372.863372.83.30.109Seedvigorindex溫度Temperature112948.912948.90.70.439CO2×溫度CO2×Temperature11202.91202.90.10.810

2.2 大氣CO2濃度和溫度升高對水稻種子露白率、發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

圖3為武運(yùn)粳23種子露白率、發(fā)芽率和發(fā)芽勢的測定結(jié)果。與環(huán)境空氣相比，CO2濃度升高、溫度升高以及兩者同時(shí)升高使上述三個(gè)參數(shù)均呈下降趨勢。其中，CO2濃度升高使武運(yùn)粳23種子露白率、發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別下降7.8%(P=0.02)、10.0%(P=0.03)和17.4%(P=0.02)，溫度升高使露白率、發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別下降5.6%(P=0.03)、3.9%(P=0.19)和8.1%(P=0.07)，CO2濃度和溫度同時(shí)升高使對應(yīng)參數(shù)分別下降7.8%(P=0.06)、7.3%(P=0.12)和9.3%(P=0.23)。方差分析表明，CO2處理對武運(yùn)粳23種子露白率，發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響均達(dá)顯著水平，溫度處理僅對種子露白率有微弱的影響(P=0.15)，而兩處理的互作對以上三個(gè)參數(shù)均有一定程度的影響(表1)。

2.3大氣CO2濃度和溫度升高對水稻種子發(fā)芽指數(shù)的影響

武運(yùn)粳23種子發(fā)芽指數(shù)對CO2和溫度處理的響應(yīng)示于圖4。與環(huán)境空氣相比，CO2濃度升高以及CO2濃度和溫度同時(shí)升高使發(fā)芽指數(shù)分別下降3.1和1.2，降幅分別為8.9%(P=0.17)和3.6%(P=0.50)，而高溫處理對種子發(fā)芽指數(shù)幾乎沒有影響。方差分析表明，CO2處理對種子發(fā)芽指數(shù)的影響達(dá)顯著水平，CO2與溫度處理間亦存在微弱的互作效應(yīng)(P=0.12)，但溫度處理對該參數(shù)沒有影響(表1)。

2.4大氣CO2濃度和溫度升高對水稻種子活力指數(shù)的影響

大氣CO2濃度和溫度升高對武運(yùn)粳23種子活力指數(shù)的影響見圖5。與環(huán)境空氣相比，CO2濃度升高、CO2濃度與溫度同時(shí)升高使種子活力指數(shù)平均分別下降1.8%和1.4%，未達(dá)顯著水平。相反，溫度升高使種子活力指數(shù)平均增加14.0%(P=0.17)。方差分析表明，CO2處理對種子活力指數(shù)的影響接近顯著水平，但溫度處理以及CO2濃度的互作對活力指數(shù)均無顯著影響(表1)。

Ambient-環(huán)境空氣(對照)；EC-大氣CO2濃度升高；ET-溫度升高；xEC+ET-大氣CO2濃度和溫度同步升高。ns-不顯著； +,*分別表示與對照相比差異達(dá)0.1，0.05顯著水平。

Ambient,Ambientair(Control);EC,ElevatedCO2concentration;ET,Elevatedtemperature;EC+ET,ElevatedCO2concentrationandelevatedtemperature.ns,Nosignificantdifference; +and*indicatesignificantdifferenceat0.1and0.05levelscomparedwithambientair,respectively.

圖3大氣CO2濃度和溫度升高對武運(yùn)粳23種子露白率(A)、發(fā)芽率(B)和發(fā)芽勢(C)的影響

Fig. 3.EffectsofelevatedatmosphericCO2concentrationandtemperatureonsproutingrate(A),germinationrate(B)andgerminationpotential(C)ofWuyunjing23.

Ambient-環(huán)境空氣(對照)；EC-大氣CO2濃度升高;ET-溫度升高；EC+ET-大氣CO2濃度和溫度同步升高。ns表示與對照相比無顯著差異。

Ambient,Ambientair(Control);EC,ElevatedCO2concentration;ET,Elevatedtemperature;EC+ET,ElevatedCO2concentrationandelevatedtemperature；ns，Nosignificantdifferencecomparedwithambientair.

圖4大氣CO2濃度和溫度升高對武運(yùn)粳23種子發(fā)芽指數(shù)的影響

Fig. 4.EffectsofelevatedatmosphericCO2concentrationandtemperatureongerminationindexofWuyunjing23.

Ambient-環(huán)境空氣(對照)；EC-大氣CO2濃度升高；ET-溫度升高;EC+ET-大氣CO2濃度和溫度同步升高。ns表示與對照相比無顯著差異。

Ambient,Ambientair(Control);EC,ElevatedCO2concentration;ET,Elevatedtemperature;EC+ET,ElevatedCO2concentrationandelevatedtemperature;ns,Nosignificantdifferencecomparedwithambientair.

圖5大氣CO2濃度和溫度升高對武運(yùn)粳23種子活力指數(shù)的影響

Fig. 5.EffectsofelevatedatmosphericCO2concentrationandtemperatureonseedvigorindexofWuyunjing23.

2.5大氣CO2濃度和溫度升高對水稻種子發(fā)芽后根系和芽生長的影響

大氣CO2濃度和溫度升高對武運(yùn)粳23種子根系性狀的影響示于表2。與環(huán)境空氣相比，CO2濃度升高、溫度升高以及兩者同時(shí)升高處理使種子根長、根表面積均呈增加趨勢，使根平均直徑略降，但對根體積的影響因處理而異，上述影響均未達(dá)顯著水平。方差分析亦表明，CO2處理、溫度處理及其互作效應(yīng)對上述參數(shù)的影響均未達(dá)顯著水平。

表2大氣CO2濃度和溫度升高對武運(yùn)粳23種子發(fā)芽后根系參數(shù)的影響

Table2.EffectsofatmosphericCO2concentrationandtemperatureonrootparametersofWuyunjing23aftergermination.

處理Treatment根長Rootlength/cm根表面積Rootsurfacearea/cm2根平均直徑Rootaveragediameter/mm根系體積Rootvolume/cm3Ambient13.93±0.770.64±0.060.48±0.040.024±0.004EC15.01±0.670.70±0.020.46±0.010.025±0.000ET16.06±1.040.67±0.040.42±0.010.022±0.002EC+ET14.86±0.080.64±0.040.43±0.020.022±0.002ANVOA結(jié)果ANVOAresultsCO20.7330.7200.8360.744溫度Temperature0.3560.5820.8040.789CO2×溫度CO2×Temperature0.1030.0850.2720.108

Ambient-環(huán)境空氣(對照)；EC-大氣CO2濃度升高；ET-溫度升高；EC+ET-大氣CO2濃度和溫度同步升高。

Ambient,Ambientair(Control);EC,ElevatedCO2concentration;ET,Elevatedtemperature;EC+ET,ElevatedCO2concentrationandelevatedtemperature.

表3大氣CO2濃度和溫度升高對武運(yùn)粳23種子發(fā)芽后芽參數(shù)的影響

Table3.EffectsofatmosphericCO2concentrationandtemperatureonsproutparametersofWuyunjing23aftergermination.

處理Treatment芽長Sproutlength/cm芽表面積Sproutsurfacearea/cm2芽平均直徑Sproutaveragediameter/mm芽體積Sproutvolume/cm3Ambient3.25±0.150.26±0.010.79±0.010.016±0.001EC3.50±0.050.28±0.000.81±0.010.018±0.000ET3.35±0.140.27±0.020.81±0.020.017±0.001EC+ET3.18±0.090.25±0.010.80±0.030.016±0.001ANVOA結(jié)果ANVOAresultsCO20.9380.7330.9780.761溫度Temperature0.2120.7120.0630.242CO2×溫度CO2×Temperature0.1570.3780.4720.837

Ambient-環(huán)境空氣(對照)；EC-大氣CO2濃度升高；ET-溫度升高；EC+ET-大氣CO2濃度和溫度同步升高。

Ambient,Ambientair(Control);EC,ElevatedCO2concentration;ET,Elevatedtemperature;EC+ET,ElevatedCO2concentrationandelevatedtemperature.

大氣CO2濃度和溫度升高對種子芽長、芽表面積、芽平均直徑和芽體積的影響列于表3。方差分析表明，高CO2濃度、高溫以及兩者互作對這些生長參數(shù)的影響均未達(dá)顯著水平。

3 討論

種子浸出液的電導(dǎo)率可以反映種子質(zhì)量的好壞，質(zhì)量好的電導(dǎo)率相對較小，而質(zhì)量差的電導(dǎo)率則較高[18]。作物種子浸出液的電導(dǎo)率一般和發(fā)芽率負(fù)相關(guān)[19]。Saha等[20]報(bào)道，580μmol/molCO2濃度使鷹嘴豆種子浸出液電導(dǎo)率增加了10%～17%，而發(fā)芽率降低了45%～47%。相似地，本研究發(fā)現(xiàn)，大氣CO2濃度升高200μmol/mol使粳稻武運(yùn)粳23種子在浸種24h后，細(xì)胞膜的通透性增大，導(dǎo)致浸出液電導(dǎo)率增加了17%(圖2)，發(fā)芽率相應(yīng)地降低了10%(圖3)，這與前人在其他作物上研究結(jié)果一致[20]。

種子的露白率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)是種子活力的幾個(gè)重要指標(biāo)，可以反映種子的生長潛力。前人研究發(fā)現(xiàn)，種子活力的下降必然伴隨發(fā)芽勢和發(fā)芽率的下降[21]。孫仁毅等[22]報(bào)道，種子的活力指數(shù)與發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)呈正相關(guān)。高CO2濃度[11，20]和高溫[23，24]都有可能影響種子的活力指數(shù)。例如Saha等[20]報(bào)道，CO2濃度升高使鷹嘴豆的發(fā)芽率降低了45%～47%，但亦有不同的報(bào)道[11]。在本研究中，高CO2濃度使武運(yùn)粳23種子的露白率(-8%)、發(fā)芽勢(-17%)、發(fā)芽指數(shù)(-9%)和活力指數(shù)(-2%)均呈下降趨勢，前兩者達(dá)差異顯著水平。結(jié)合種子浸出液電導(dǎo)率和發(fā)芽率的變化可知，未來高CO2濃度環(huán)境下生長的水稻，其種子活性明顯下降。我們對該品種谷殼厚度的測定結(jié)果表明，高CO2濃度使這一參數(shù)平均增加了30.8%，達(dá)顯著水平。與谷売較薄的種子相比，厚売種子會影響氧氣的擴(kuò)散，導(dǎo)致呼吸作用減弱，進(jìn)而影響種子萌發(fā)時(shí)胚乳養(yǎng)分和蛋白的釋放和利用[25]。另一方面，高CO2濃度環(huán)境下生長的水稻籽粒通常微量元素和蛋白質(zhì)均呈明顯的下降趨勢[7]，而這些物質(zhì)在促進(jìn)細(xì)胞分裂和擴(kuò)展以及幼苗生長中均有重要作用[13]。同季米質(zhì)測定發(fā)現(xiàn)，高CO2濃度使武運(yùn)粳23糙米總蛋白、清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白濃度均顯著下降[10]。因此，高CO2濃度環(huán)境條件下水稻種子發(fā)芽能力明顯下降可能主要與谷売變厚但種子蛋白和微量元素濃度變小密切相關(guān)。需要指出的是，高CO2濃度對水稻種子物理和化學(xué)性狀的影響存在基因型差異[6,7]，因此，本研究結(jié)果還需多年多品種研究的驗(yàn)證。

關(guān)于高溫對作物種子發(fā)芽特性的影響，結(jié)實(shí)期溫度升高使種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢顯著下降與前人對春小麥[23，24]和春大豆[26]報(bào)道一致。本研究表明，與環(huán)境空氣相比，高溫條件下生長的水稻，其露白率、發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均呈下降趨勢，但降幅小于CO2處理，只有露白率和發(fā)芽勢的降幅分別達(dá)0.05和0.1顯著水平(圖3)。這一現(xiàn)象，可能與高溫處理影響籽粒灌漿，使淀粉酶等與種子發(fā)芽相關(guān)酶的活性降低，進(jìn)而導(dǎo)致種子質(zhì)量下降有關(guān)[9]。與單獨(dú)增溫相似，將水稻同時(shí)暴露于高CO2濃度和高溫環(huán)境中，生產(chǎn)出來的種子露白率、發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均呈下降趨勢，但這些降幅略大于單獨(dú)增溫處理。

本研究同時(shí)設(shè)置了高CO2濃度、高溫和兩者同時(shí)增高的處理，因此可以了解CO2濃度和溫度間的互作效應(yīng)。方差分析表明，對種子浸種24h浸出液電導(dǎo)率、露白率、發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)而言，CO2濃度與溫度處理間均表現(xiàn)出一定程度的互作效應(yīng)。例如，高CO2濃度使環(huán)境生長溫度下種子浸出液電導(dǎo)率顯著增加，但高溫條件下略有下降(圖2)；對種子露白率、發(fā)芽率和發(fā)芽勢而言，高CO2濃度使環(huán)境溫度下生長的水稻顯著下降，但對高溫脅迫水稻的影響未到顯著水平(圖3)。可見，一定范圍內(nèi)的增溫可減輕高CO2濃度對水稻種子發(fā)芽的負(fù)面影響，這一現(xiàn)象可能與高CO2濃度和高溫互作對水稻籽粒生長的影響有關(guān)。如前所述，高CO2濃度通常促進(jìn)水稻籽粒灌漿，使籽粒增大增重[6, 11]，但高溫脅迫條件下高CO2濃度的這種促進(jìn)作用減弱，導(dǎo)致高CO2濃度的“稀釋效應(yīng)”減小(表現(xiàn)在稻米微量元素和蛋白質(zhì)濃度降幅減小)[27]，進(jìn)而減輕對種子發(fā)芽的負(fù)面影響。當(dāng)然這一推論還需進(jìn)一步的試驗(yàn)證實(shí)。有趣的是，盡管高CO2濃度對環(huán)境溫度下水稻的發(fā)芽活性有明顯的影響，但對芽和根系相關(guān)性狀均無顯著影響(表2和表3)，這與Edwards等[28]對牧草種子的研究結(jié)果基本一致，但這一結(jié)果是否與本研究生長周期較短有關(guān)，尚需進(jìn)一步探明。

本研究利用最新的稻田T-FACE熏蒸技術(shù)，同時(shí)增高水稻冠層空氣中的CO2濃度和溫度，首次研究了粳稻品種武運(yùn)粳23種子活力是否受高CO2濃度和/或高溫的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大氣CO2濃度增高200μmol/mol使粳稻成熟種子露白率、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和種子活力指數(shù)均呈明顯的下降趨勢，但氣溫同時(shí)增高條件下這種負(fù)面影響變小，表現(xiàn)在CO2濃度與溫度間存在一定程度的互作效應(yīng)。需要指出的是，這只是一個(gè)品種種子活力對大氣CO2和氣溫升高的響應(yīng)，還需要更多的研究工作去明確這種響應(yīng)的基因型差異及其內(nèi)在生理機(jī)制，目前這些工作正在進(jìn)行之中。

致謝：感謝中國科學(xué)院南京土壤研究所劉鋼和唐昊冶老師對FACE系統(tǒng)的日常維護(hù)；感謝賴上坤博士為本文提供FACE平臺圖片。

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收稿日期:2015-12-29； 修改稿收到日期: 2016-03-12。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金重大國際合作項(xiàng)目(31261140364)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31571597和31171460)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015M581870)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目。

中圖分類號:S181.6; S511.01

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1001-7216(2016)04-0371-09

EffectsofElevatedAtmosphericCO2andTemperatureonSeedVigorofRiceunderOpen-airFieldConditions

GAOHou-yu1,JINGLi-quan2,CHENLong1,JUJing1,WANGYun-xia1, *,ZHUJian-guo3,YANGLian-xin2,WANGYu-long2

(1CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,YangzhouUniversity,Yangzhou225009,China;2JiangsuKeyLaboratoryofCropGeneticsandPhysiology/Co-InnovationCenterforModernProductionTechnologyofGrainCrops,YangzhouUniversity,Yangzhou225009,China;3StateKeyLaboratoryofSoilandSustainableAgriculture,InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China;*Correspondingauthor,E-mail:yxwang@yzu.edu.cn)

Abstract:The increases in atmospheric carbon dioxide concentration and air temperature are two important features of global climate change.The present study was conducted to reveal how rice seed vigor will be affected by these two important environmental factors when rice plants were grown under future environment conditions. By using the rice Free Air CO2 Enrichment(FACE) system, an inbred japonica rice Wuyunjing 23 was grown under four different combinations of CO2concentration and temperature treatments, i.e. ambient air(Ambient), elevated [CO2](EC,Ambient+200 μmol/mol, elevated temperature(ET,Ambient+2℃) and elevated [CO2]+elevated temperature(EC+ET). At maturity, seeds were harvested and subjected to the standard germination trial in laboratory. The results indicated that compared with seeds obtained from ambient air, the seeds from EC plants showed higher value (+16.5%) in the electrical conductivity of deionized water in which seeds have been soaked for 24 hours. However, EC decreased the sprouting rate, germination rate, germination potential and germination index by 7.8%, 10.0%, 17.4%and 8.9%, respectively.The effects of ET and EC+ET on the above parameters followed the similar patterns, but in most cases the effects became smaller and were statistically insignificant. Compared with the ambient temperature, high temperature during growth reduced high CO2effects on the electrical conductivities of seed soaking solution, sprouting rate, germination rate, germination potential and germination index, which was shown by certain degree of interaction between CO2 concentration and temperature. The characteristics of sprout and root of the germinated seed were not changed by CO2 concentration or/and temperature increases during plant growth. The above results indicated that the sprouting rate, germination rate, germination potential and germination index of the seed of inbred japonica rice Wuyunjing 23 were significantly decreased when the seeds were produced in the high CO2 concentration environment. But such negative effects of high CO2 concentration on seed germination capacity of rice might be ameliorated by simultaneously moderate increase of air temperature during plant growth.

Key words:rice; carbon dioxide; air temperature; FACE (Free Air CO2 Enrichment); seed vigor