臭氧脅迫對不同敏感型水稻生長和產量形成的影響

邵在勝，沈士博，賈一磊，穆海蓉，王云霞，楊連新，王余龍

（1揚州大學/江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點/糧食作物現代產業技術協同創新中心，江蘇揚州225009；2揚州大學環境科學與工程學院，江蘇揚州225009）

臭氧脅迫對不同敏感型水稻生長和產量形成的影響

邵在勝1，沈士博1，賈一磊1，穆海蓉1，王云霞2，楊連新1，王余龍1

（1揚州大學/江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點/糧食作物現代產業技術協同創新中心，江蘇揚州225009；2揚州大學環境科學與工程學院，江蘇揚州225009）

【目的】針對不斷升高的近地層臭氧濃度，研究臭氧脅迫對不同敏感類型水稻生長動態和產量形成的影響，為抗臭氧品種的選育提供參考依據。【方法】2013年，利用自然光氣體熏蒸平臺，以23個水稻品種或株系為供試材料，設置對照（10 nL·L-1）和臭氧濃度增高（100 nL·L-1）處理，采用組內最小平方和的動態聚類方法，根據供試材料地上部最終生物量對臭氧脅迫的響應從小到大依次分為A類（低度敏感型）、B類（中度敏感型）和C類（高度敏感型）3個類別，分析不同敏感類型水稻株高和分蘗動態、籽粒產量以及產量構成因子對臭氧脅迫的響應及其與成熟期生物量響應的關系。【結果】與對照相比，臭氧脅迫使A、B和C類水稻地上部生物量平均分別下降19%、39%和52%，B和C類達極顯著水平。除首期外，臭氧脅迫使其他測定期株高下降，降幅隨時間推移逐漸增加，但不同類型水稻的降幅相近。與此不同，臭氧脅迫對分蘗發生的影響因不同水稻類型而異：全生育期平均，臭氧脅迫對A類水稻分蘗數沒有影響，但使B類和C類水稻分別下降17%和23%，均達極顯著水平。臭氧脅迫使水稻籽粒產量及產量構成因子均顯著或極顯著下降，其中單位面積穗數（A類水稻沒有響應，B和C兩類水稻分別下降16%和26%）、每穗穎花數（A、B和C類水稻分別下降16%、19%和27%）和單位面積穎花數（A、B和C類水稻分別下降11%、31%和46%）的降幅在不同類型水稻間差異明顯，但在飽粒重、飽粒率和最終產量方面，3類水稻的降幅差異較小。臭氧脅迫導致的產量損失主要與飽粒率和總庫容量大幅下降有關，其次亦與穗數和飽粒重的下降有關。臭氧脅迫下，水稻成熟期地上部生物量的響應與生育中后期分蘗數和最終穗數、每穗穎花數以及單位面積穎花數的響應均呈極顯著正相關，但與各期株高、飽粒率、飽粒重和最終產量的相關性均不密切。【結論】100 nL·L-1臭氧濃度矮化水稻植株，使分蘗發生和穎花形成，特別是灌漿結實明顯受抑，進而使最終產量大幅下降，其中生育中后期分蘗數和最終成穗數、每穗穎花數以及總穎花量的變化與水稻敏感類型關系密切，可作為抗臭氧品種選育的參考依據。

水稻；臭氧；株高；分蘗；產量；生長

0 引言

【研究意義】臭氧（O3）是一種強氧化劑，可以對植物產生氧化傷害。近地層臭氧是目前最主要的大氣污染物，對大多數植物和農業生產都有明顯的負作用[1]。近年來，隨著中國工業的快速發展和人類活動的加強，低層大氣中的氮氧化物（NOX）和有機揮發物（VOCS）等臭氧前體物排放量的劇增，導致中國大部分地區大氣背景中臭氧濃度已達50—60 nL·L-1[2-3]，已經超過敏感作物臭氧傷害閥值AOT40（accumulated dose over the threshold values of 40 nL·L-1）的25%以上[4]，且還在以每年0.5%—2%的速度增加[5]。整合分析已經表明[6]，與干凈空氣相比，40 nL·L-1的臭氧濃度使主要糧食作物（水稻、小麥、大豆等）減產10%左右，且未來這種負影響將更大[7]。長江三角洲地區是中國重要的糧食生產區，早在21世紀初報道因臭氧脅迫導致該地區每年農業產值損失達14.8億元[8]，臭氧污染已成為當地較為突出的生態環境問題[9]。水稻是長江三角洲地區夏季主要的種植作物，其生長發育季節與臭氧濃度高峰期同步，特別是7—9月水稻生殖生長的關鍵時期正是高濃度臭氧污染頻現期[10]，預測2020年水稻因臭氧減產可高達9.2%[11]。因此，篩選和推廣抗性水稻品種，降低臭氧污染的農業損失，對保障中國糧食安全具有重要意義。【前人研究進展】目前，臭氧熏蒸平臺主要包括封閉式氣室[12]、開頂室氣室（open top chambers，OTCs）[13]和大田開放式氣體濃度增高平臺（free air gas concentration enrichment，FACE）[14]。FACE系統提供了更接近自然環境和更具大小區面積的試驗空間[15]，但控制精度和試驗成本不如封閉和半封閉氣室。利用這些熏蒸平臺，前人已對臭氧脅迫下水稻生長發育和產量形成的影響已有很多報道[16-18]。ARIYAPHANPHITAK等[12]對4個泰國水稻品種的封閉式氣室研究發現，臭氧脅迫對水稻生長的影響因品種、生育期和生長參數而異，但該文沒有報道最終產量、穗數和每穗粒數的結果。SAWADA等[19]OTC試驗表明，與過濾空氣相比，兩倍于環境空氣的臭氧濃度使水稻kirara397和Takanari籽粒產量和結實能力顯著下降，但Koshihikari沒有變化，這種基因型差異在穗數、總粒數、株高、總生物量以及葉片SPAD值上表現不盡相同。AINSWORTH[18]對氣室研究的整合分析發現，62 nL·L-1臭氧濃度使水稻產量平均下降14%左右（n=18），這主要與總粒數和單粒重顯著下降有關，但總穗數無顯著變化。近期FACE研究發現，開放稻田條件下臭氧脅迫對雜交稻株高、生物量和籽粒產量的影響大于常規水稻，表現出明顯的基因型差異[20-22]，但栽培措施（如密度）對臭氧傷害的調節效應相對較小[23-24]。【本研究切入點】臭氧脅迫對水稻生長和產量的影響存在基因型差異，但已有研究一般只局限于少數幾個供試品種。另一方面，臭氧脅迫下水稻哪些表型變化（如株高、分蘗和產量性狀）適宜指示水稻對臭氧脅迫的敏感性？其生理原因是什么？仍鮮見報道[25]。【擬解決的關鍵問題】本試驗依托比較接近自然稻田環境的自然光氣體熏蒸平臺[26]，采用的23個供試材料親本為野生稻抗臭氧品種Kasalath和對臭氧較敏感水稻品種Nipponbare，通過雜交自交得到一系列具有相似遺傳背景但對臭氧耐性不同的株系。本研究根據供試材料地上部最終生物量對臭氧脅迫的響應分為不同敏感類型，分析不同類型水稻生長動態和產量性狀響應的相同點和不同點，旨在通過水稻的表觀性狀特征，為地表臭氧濃度升高情形下中國水稻耐性品種的選育提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地背景和試驗平臺控制

試驗于2013年在揚州大學農學院（119.42°E，32.39°N）自然光氣體熏蒸平臺上進行。土壤類型為砂姜土，所在地年均降水量為1 000 mm左右，年均蒸發量在940 mm左右，年平均溫度15℃，年日照時間大于2 100 h，年平均無霜期220 d。土壤理化性質為有機質24.3 g·kg-1，全氮1.5 g·kg-1，堿解氮126.1 mg·kg-1，全磷0.66 g·kg-1，速效磷13.4 mg·kg-1，速效鉀35.2 mg·kg-1，電導率為0.17 ms·cm-1，pH7.1，土壤中砂粒（0.02—2 mm）占57.9%，粉砂粒（0.02—0.002 mm）占28.4%，黏粒（＜0.002 mm）占13.7%。

實驗平臺的結構詳見文獻[26]，簡要說明如下：該平臺為封閉式氣室，采用分布式拓撲結構，通過實時監測由平臺附屬氣象站觀測采集到的溫度變化，利用溫度調控系統實現對外界環境的動態模擬，使氣室內的溫度與室外的差異維持在最小水平。臭氧是以純氧為氣源，由佳環臭氧發生器（QD-001-3A）產生，通過Model 49i臭氧分析儀對O3濃度進行即時監測（每分鐘采集一次）。本試驗共設置2個處理，即對照（CK）和高濃度臭氧（100 nL·L-1）處理，每處理2個氣室，每個氣室面積為9 m2，氣室中間為過道以便于相關測定，兩側為氣體流通的進風口和出風口。本試驗在水稻返青后即6月14日開始進行熏氣處理，9月10日停止熏氣，共90 d。平臺運行期間，因設備故障、雷雨天氣以及臭氧分析儀校準等原因暫停布氣外（6月17日、7月10日、7月17—18日和7月20—21日，共6 d），其余時間系統運行正常。臭氧熏氣時間設定為每天上午9：00至下午5：00結束。相對濕度在7月22日之前設定為78%，后根據室外平均濕度改為65%，9月3日至9月10日又調整為50%。溫度、光照和大氣壓力動態模擬外界環境，控制情況詳見圖1和表1。運行數據表明，盡管光照強度控制精度稍低，但其他因子如臭氧和溫度的控制與目標值接近，滿足了試驗的要求。

1.2 材料培育

表1 2013年自然光氣體熏蒸平臺控制狀態（9：00—17：00）Table 1 The performance of greenhouse-type gas fumigation platforms in 2013

以23個水稻品種或株系為供試材料，分別為L2、L9、L12、L17、L26、L35、L36、L48、L54、L56、L71、L81、L82、L92、L95、L105、L147、L152、L154、L156、Nipponbare、SL41和SL46，其中，SL41和SL46為Nipponbare和野生稻品種Kasalath雜交得到的2個株系，其余均為SL41和SL46雜交再自交得到的株系[27]。大田旱育秧，5月14日播種，6月5日移栽，9月10日開始收獲。密度為27 株/m2，每室3個重復。全生育總施氮量為15 g·m-2，其中6月4日施基肥（占總施氮量的60%），7月20日施穗肥（占總施氮量的40%）；磷、鉀肥總施用量均為7 g·m-2，均作為基肥一次性施用。氮、磷和鉀肥分別使用尿素（有效成份）、過磷酸鈣（有效成份27.5%）和氯化鉀（有效成份60%）。水分管理為6月5日—7月15日保持水層（約4 cm），7月16日—7月25日控水擱田，以輕擱為主，7月26日—8月10日保持水層（約3 cm），8月10日以后干濕交替，8月25日后斷水。在水稻的整個生育期內各室管理方式保持一致，保證水稻正常生長發育，適時進行病蟲草害防治，使水肥和病蟲草害等不成為限制因子。

圖1 2013年水稻生長季自然光氣體熏蒸平臺的臭氧濃度（9∶00—17∶00）Fig. 1 The Ozone concentration of greenhouse-type gas fumigation platform in 2013 rice growing season

1.3 測定內容和方法

自6月15日、6月29日、7月13日、7月27日、8月10日（即移栽后10、24、38、52和66 d）每室普查所有植株的株高和分蘗數，即每個材料重復3次。使用直尺測量植株主莖基部到葉頂的長度，精確至0.1 cm，人工調查分蘗數。

成熟期（即：每穗谷粒穎殼95%以上變黃或95%以上谷粒小穗軸及副護穎變黃）以穴為單位分別測定各個供試材料地上部不同營養器官（葉片和莖鞘）干物重（105℃殺青30 min，80℃烘干72 h），稻穗部分風干至恒重（約一個月），使用電子天平稱重（精度0.0001），并計算植株地上部總干重，即，葉片、莖鞘和稻穗之和。稻穗部分以穴為單位，統計總穗數，手工脫粒并區分飽粒和空秕粒，分別進行計數，累加即為總穎花數，然后稱量總的飽粒重量和空秕粒重量（含穗軸）。根據以上指標計算產量及其構成因子：單位面積穗數=單株穗數×密度（27）；每穗穎花數=單株穎花數÷穗數；單位面積穎花數=單株穎花數×密度（27）；飽粒重（單粒飽粒重）=飽粒重量（mg）÷飽粒數；飽粒率（%）=飽粒數÷總穎花數；并計算理論產量（g·m-2），即單位面積穗數×每穗穎花數×飽粒率×飽粒重（mg）/1000。

1.4 統計分析

采用最小組內平方和動態聚類方法將供試材料按成熟期地上部生物量對臭氧脅迫的響應從低到高依次分為A、B和C 3種類型。該方法能有效地調整初始分組中的個體，使其達到最優的分類，并具有良好的穩健性[28]。使用Excel軟件進行基礎統計和作圖，應用SPSS19.0軟件進行數據標準化處理和方差分析，顯著水平設P＜0.1、P＜0.05、P＜0.01和P＞0.1，分別用“+”、“*”、“**”和“ns”表示。

2 結果

2.1 臭氧脅迫對不同水稻品種或株系株高動態的影響

臭氧脅迫對23個水稻品種或株系不同測定期株高的影響列于表2。由表可知，臭氧脅迫對供試材料移栽10 d后株高的影響多無顯著影響，但隨生育進程推移，臭氧脅迫導致株高顯著下降的供試材料明顯增多。臭氧脅迫下水稻移栽24、38、52和66 d后株高的響應幅度分別為-7.0%—3.3%、-14.6%—-3.6%、-19.0%—-8.0%和-21.7%—-7.3%，平均下降分別為2.0%、9.5%、12.2%和15.0%，均達極顯著水平。從全生育期平均看，臭氧脅迫使水稻株高下降9.0%（P＜0.01），降幅區間為4.5%—15.2%。水稻各生育時期株高及其平均值在不同供試材料間存在極顯著差異，但臭氧處理與水稻供試材料間沒有明顯交互作用。

表2 臭氧脅迫對供試水稻品種或株系不同生育期株高的影響Table 2 Responose of plant height to ozone stress at different growth stages of tested rice cultivars or lines (%)

2.2 臭氧脅迫對不同水稻品種或株系分蘗動態的影響

臭氧脅迫對不同測定時期水稻單株分蘗數的影響列于表3。由表可知，臭氧脅迫下供試材料移栽10 d后分蘗數呈增加趨勢，但多未達顯著水平。隨生育進程推移，臭氧脅迫下水稻移栽24、38、52和66 d后分蘗的響應幅度分別為-38.8%—22.9%、-32.2%—14.7%、-31.5%—24.3%和-31.9%—28.0%，平均分別下降22.2%、19.3%、14.9%和17.0%，均達極顯著水平。從全生育期平均看，臭氧脅迫下水稻單株分蘗數平均下降16.5%（P＜0.01），變幅為-26.4%—24.0%。水稻各生育時期單株分蘗數及其平均值在不同供試材料間存在極顯著差異，但臭氧處理與水稻供試材料間（除移栽后24 d）沒有明顯交互作用。

表3 臭氧脅迫對供試水稻品種或株系不同生育期水稻單株分蘗的影響Table 3 Responose of tiller per plant to ozone stress at different growth stages of tested rice cultivars or lines (%)

2.3 臭氧脅迫對不同水稻品種或株系地上部生物量、籽粒產量及其構成因素的影響

水稻地上部生物量和籽粒產量性狀結果列于表4。由表可知，臭氧脅迫下地上部生物量和籽粒產量平均下降39.8%和81.7%，降幅分別為6.4%—63.3%和53.6%—97.8%，均達極顯著水平。從產量構成因子看，單位面積穗數、每穗穎花數、單位面積穎花數、飽粒重和飽粒率的響應幅度分別為-30.3%—29.2%、-50.9%—11.3%、-67.6%—11.6%、-10.1%—3.1%和-98.5%—-33.6%，平均分別降幅15.6%、20.4%、32.2%、3.4%和75.8%，均達極顯著水平。上述各指標在不同供試材料間均存在顯著或極顯著差異，但臭氧處理與水稻供試材料間（除單位面積穎花數和飽粒率外）均沒有明顯交互作用。

2.4 臭氧脅迫下不同水稻品種或株系敏感類型劃分

表5為23個供試材料所有測定性狀對臭氧響應的相關分析。由表可知，臭氧脅迫下地上部生物量的響應與各生育時期平均單株分蘗數、單位面積穗數、每穗穎花數和單位面積穎花數的響應高度相關，相關系數分別為0.74、0.72、0.59和0.85，均達極顯著正相關水平，而籽粒產量除了與單位面積穎花數和飽粒重達顯著相關水平外，與生長（株高或分蘗）、地上部干物質積累、穗數和每穗穎花數等均無顯著相關性。主要是因為本試驗供試材料開花和灌漿期（7月底至8

月中旬）恰逢高溫熱害，穎花形成和籽粒灌漿明顯受阻，飽粒率大幅降低，因此，導致籽粒產量損失明顯，臭氧脅迫下產量損失更為顯著（高達81.7%）。而成熟期地上部生物量的積累作為衡量作物逆境條件下生長狀況的主要指標，受這種高溫的影響較小（平均達39.8%），能比較準確地反映水稻生長對臭氧脅迫的敏感性，較少受到這種短時間惡劣生長環境的影響。綜上所述，本研究以最終地上部生物量對臭氧脅迫響應的大小為聚類因子，分析不同敏感類型水稻生長和產量形成的特征。

表4 不同水稻品種或株系地上部生物量、產量及其構成因素對臭氧脅迫的響應幅度Table 4 Effects of ozone stress on the above-ground biomass, grain yield and yield components of different rice cultivars or lines (%)

根據23個水稻品種或株系成熟期地上部生物量對臭氧脅迫的響應大小，采用組內最小平方和的動態聚類分析方法，從低到高依次分為A、B和C 3個類別。A類包括L147、L12和L92；B類包括L136、L17、L48、L26、L82、L81、L35、L56、L54、L156、L71、SL46和L154；C類包括L95、L152、SL41、L2、L9、 Nipponbare和L105。與對照相比，100 nL·L-1臭氧處理使A、B、C類水稻地上部生物量分別下降9、22和29 g/plant，降幅分別為19.2%、38.5%和51.8%，方差分析各類別之間地上部生物量差異極顯著。由于不同類別對臭氧脅迫都有一定程度的敏感性，依據響應程度的大小，將A類株系或品種稱為臭氧低度敏感型，B類株系或品種稱為臭氧中度敏感型，C類株系或品種稱為臭氧高度敏感型。

2.5 不同敏感類型水稻對臭氧響應的特征

通過對23個水稻品種或株系的數據重新按A、B、C分類統計分析（圖2、圖3和圖4）。表明臭氧脅迫對各類型水稻移栽后10和24 d的株高影響較小，但使移栽后38、52和66 d株高均大幅下降，降幅隨時間推移明顯增加。從不同類型看，臭氧脅迫使A類水稻移栽后38、52和66 d株高分別減少9.4%、11.5%和16.7%，B類水稻對應生育期分別減少9.5%、12.0%和14.2%，C類水稻分別減少9.4%、12.9%和18.5%，不同生育期間差異顯著，但同一生育期敏感類型之間無顯著差異（圖2），株高的差異不能很好地反映水稻對臭氧響應的敏感程度。

臭氧熏蒸對測定始期水稻單株分蘗數有一定刺激作用，但使移栽后24、38、52和66 d分蘗數均呈下降趨勢。從不同類型看，臭氧脅迫使A類水稻移栽后24、38、52和66 d單株分蘗數均略降，但未達顯著水平，使B類水稻對應生育期分別減少25.2%、19.0%、14.1%和17.1%，C類水稻分別減少26.3%、26.3%、23.6%和23.9%，均達極顯著差異（圖3）。表明臭氧脅迫下單株分蘗數的變化，尤其是分蘗中后期單株分蘗數的變化，可以用來區分水稻對臭氧的敏感程度。

表5 不同水稻品種或株系生長、產量及其構成因子對臭氧脅迫的響應間的相互關系Table 5 Relationships among the ozone-induced changes in growth, yield and yield components of different rice cultivars or lines under ozone stress

圖2 臭氧脅迫對不同類型水稻株高動態的影響Fig. 2 Effects of ozone stress on the plant height of the different types of rice

圖3 臭氧脅迫對不同類型水稻單株分蘗動態的影響Fig. 3 Effects of ozone stress on the tiller number per plant of the different types of rice

圖4 臭氧脅迫對不同類型水稻單位面積穗數（a）、每穗穎花數（b）、單位面積穎花數（c）、飽粒重（d）、飽粒率（e）和籽粒產量（f）的影響Fig. 4 Effects of ozone stress on the panicles per m2(a), spikelets per pancle (b), spikelets per m2(c), filled grain weight (d), filled grain percentage (e) and grain yield (f) of the different types of rice

臭氧濃度升高對不同類型水稻產量及構成因素有一定影響。臭氧脅迫使水稻單位面積穗數平均下降11.6%（P=0.02），其中A類水稻略增，B類和C類水稻分別極顯著下降16.3%和25.5%（圖4-a）。表明臭氧脅迫下單位面積穗數的響應不同敏感類型水稻間差異顯著，可在一定程度上反映水稻對臭氧的耐受程度。

所有材料平均，臭氧脅迫使水稻每穗穎花數和單位面積穎花數分別下降20.5%和29.2%，均達極顯著水平（圖4-b—圖4-c）。從不同類型看，臭氧脅迫使A、B和C類水稻每穗穎花數分別下降16.2%、18.6%和26.7%，使單位面積穎花數分別下降11.0%、31.0%和45.7%，除A類水稻單位面積穎花數外均達極顯著水平。說明臭氧脅迫對水稻穎花形成的影響可在較大程度上反映水稻臭氧抗性的相對大小。

從水稻結實能力看，臭氧脅迫使所有供試材料飽粒重和飽粒率平均分別下降4.1%和75.6%，其中A、B和C類水稻飽粒重的降幅分別為6.2%、2.9%和3.1%，飽粒率的降幅分別為71.5%、80.3%和74.9%，均達極顯著水平（圖4-d—圖4-e）。水稻飽粒重和飽粒率對臭氧脅迫的響應不同類型間均無顯著差異，難以反映水稻對臭氧脅迫的敏感性。

從水稻籽粒產量看，臭氧脅迫使所有材料籽粒產量較對照平均下降82.5%，其中A、B和C類水稻分別下降76.8%、85.5%和85.3%，均達極顯著水平（圖4-f）。籽粒產量對臭氧的響應不同水稻類型間無顯著差異，說明本試驗籽粒產量的響應差異與水稻敏感程度無明顯相關性。

表6 不同類型水稻籽粒產量及其構成因子對臭氧脅迫響應的多重比較Table 6 Multiple comparison of grain yield and its components of different types of rice in response to ozone stress

3 討論

本試驗依托的自然光氣體熏蒸平臺在借鑒傳統氣室優點的基礎上增大了試驗空間，采用自然采光特別是土培方式培育水稻植株，并動態追蹤室外的空氣溫度。水稻生長季平臺運行數據表明，自然光氣體熏蒸平臺控制相對準確，滿足了試驗要求（圖1和表1）。

AINSWORTH[18]對氣室研究的整合分析表明，與過濾空氣相比，84 nL·L-1臭氧濃度使水稻地上部生物量平均下降16%，變幅為8%—24%（n=68）。本試驗根據水稻成熟期地上部生物量對臭氧的響應大小，通過聚類分析將23個供試材料分為A、B和C 3種敏感類型，結果表明，100 nL·L-1臭氧濃度使地上部最終生物量平均下降達37%，其中A、B和C類水稻分別下降19%、39%和52%，不同類型間差異均達極顯著水平。本試驗A類水稻與整合分析結果接近，其他兩類水稻明顯大于整合分析結果，但與趙軼鵬等[29]氣室和彭斌等[30]FACE研究中雜交稻對臭氧的響應較為接近。

臭氧主要通過水稻葉片氣孔進入植物體，加速葉片老化降低光合速率，本試驗亦發現耐性品種或株系可能通過調節氣孔對逆境的適應性，提高相關酶的活力耗散過剩光能并保護光合器官等一系列生理作用，進而最終降低臭氧對水稻生長及后期產量構成造成的傷害。趙軼鵬等[29]最新氣室研究發現，77 nL·L-1臭氧濃度對汕優63生長前期株高沒有影響，但后期降幅明顯，最大降幅達21%。本研究表明，臭氧處理使供試材料移栽后10和24 d株高略增或沒有影響，但使移栽后38、52和66 d株高平均分別下降9%、12%和16%，均達極顯著水平（圖2）。說明前期臭氧熏蒸對植株伸長影響較小甚至表現出一定程度的刺激作用，但隨著時間推移，臭氧傷害的累積效應愈加明顯，這在前人的研究中也有類似報道[31]。從不同敏感類型看，臭氧脅迫對3類水稻各測定期株高的影響沒有差異，方差分析（圖2）結果證明了這一點。與這一結果相一致，本研究還發現，水稻各測定期株高與地上部最終生物量對臭氧脅迫的響應多無顯著相關（表5）。說明，盡管株高變化直觀且容易測定，但不太適宜作為評價水稻對臭氧脅迫敏感性的指標。

前人研究表明，臭氧脅迫使水稻單位面積穗數增加、減少或沒有影響[17]。本研究表明，100 nL·L-1臭氧濃度使水稻最終穗數平均下降12%，其中，對A類水稻沒有影響，但使B類和C類水稻分別下降12%（P＜0.01）和29%（P＜0.01），臭氧與水稻類型間存在顯著的互作效應（圖4-a）。水稻最終穗數與分蘗消長動態有關。與株高變化相似，臭氧熏蒸對水稻移栽后10 d的分蘗數略有促進，但使其他測定期分蘗數均下降（14%—21%），小麥研究亦有類似報道[31-32]。這可能與短期臭氧熏蒸會增加作物酶的活性，但長期脅迫則對呼吸作用相關酶產生抑制有關[33]。與穗數相似，各期分蘗數對臭氧脅迫的響應不同水稻類型間存在差異，表現在臭氧與水稻類型間存在微弱的互作，全生育期平均，臭氧脅迫使A、B和C類水稻分蘗數平均分別下降4%、17%和23%，后兩者均達極顯著水平（圖3）。進一步相關性分析發現，地上部生物量對臭氧脅迫的響應與各期平均分蘗數和最終穗數的響應相關密切，相關系數分別為0.74和0.79，均達極顯著正相關水平（表5）。可見，在較高臭氧濃度環境下（如100 nL·L-1），水稻中后期分蘗數和最終成穗數的響應可在一定程度上反映最終生長量對臭氧處理的敏感性。

大量研究表明，臭氧脅迫使水稻每穗穎花數和單位面積穎花數多呈下降趨勢[17-18]，降幅因品種而異[19-21]。本試驗23個供試材料平均，臭氧脅迫使水稻每穗穎花數和單位面積穎花數分別下降21%和29%，降幅略高于AINSWORTH對氣室研究整合分析的結果。從不同類型看，敏感水稻這兩個參數對臭氧脅迫的響應明顯大于鈍感水稻。與對照相比，臭氧脅迫使A、B和C類水稻每穗穎花數分別下降16%、19%和27%（圖4-b），單位面積穎花數分別下降11%、31%和46%（圖4-c），臭氧處理與水稻類型間存在微弱的（每穗穎花數）或顯著的（總穎花數）互作效應。進一步相關分析發現，臭氧脅迫下兩參數的降幅與最終生物量的響應密切相關（表5），相關系數分別為0.59和0.85，均達極顯著正相關水平。以上結果說明，臭氧脅迫對水稻容庫形成的影響可在較大程度上反映水稻臭氧抗性的相對大小。

飽粒重和飽粒率的大小反映了水稻的灌漿結實能力。本研究表明，臭氧脅迫使所有材料飽粒重平均下降4%（圖4-d），與前人整合分析的結果接近[6,18]。與此不同，臭氧脅迫使水稻飽粒率大幅下降，降幅高達76%（圖4-e），這一降幅盡管與ARIYAPHANPHITAK等[12]氣室試驗中觀察到的最大降幅接近（即78%），但明顯大于其他氣室[19,29]和FACE試驗[20,24,34]的結果。這一突出現象除了與供試材料有關外，可能主要與本季水稻遭遇極端高溫有關。統計表明，本試驗臭氧熏蒸期間有29 d平均氣溫超過了35℃，12 d日最高氣溫超過38℃，這些高溫天氣多集中在7月下旬至8月中旬期間，對水稻開花和灌漿過程造成了明顯的負面影響，表現在臭氧熏蒸水稻的空癟粒明顯增多。盡管飽粒重特別是飽粒率對臭氧脅迫的響應很大，但不同類型水稻之間均無顯著差異（表6），且與地上部生物量的響應無明顯關聯（表5）。說明，至少在本試驗條件下，這兩個結實參數難以反映水稻對臭氧脅迫的敏感性。

由于臭氧脅迫使供試材料各產量構成因子一致下降（特別是飽實率），因此，臭氧導致的產量損失非常明顯，平均降幅超過80%（圖4-f），這一降幅明顯大于AINSWORTH[18]整合分析的結果。關于臭氧脅迫導致產量損失的原因存在不同觀點，有的認為主要與穎花形成明顯受阻有關[20-21,34]，亦有認為主要是籽粒結實能力大幅下降所致[17]。本研究表明，臭氧導致的產量損失主要與結實能力大幅下降有關（特別是飽粒率），其次亦與庫容形成明顯受抑有關（表現在單穗或單位面積的穎花量均明顯減少）。盡管臭氧脅迫導致水稻大幅減產，但這種降幅不同敏感類型水稻間無顯著差異（表6），且與最終生物量的響應無明顯相關（表5），這些表現均與飽粒率和飽粒重一致。如前所述，本試驗水稻生長后期遭遇極端高溫，進而導致受精和灌漿過程明顯受抑，這可能在一定程度上掩蓋了不同敏感類型水稻籽粒產量響應的差異。當然臭氧脅迫與高溫之間多大程度上存在交互作用值得深入研究。

4 結論

臭氧脅迫導致水稻植株變矮、分蘗受抑，同時使產量構成因子特別是飽粒率顯著下降，進而使水稻大幅減產。不同類型水稻生育中后期分蘗數、最終成穗數、每穗穎花數以及總穎花量對臭氧脅迫的響應差異明顯，且與最終生物量的響應關系密切，這些指標可作為抗臭氧品種選育的參考依據。

[1] ASHMORE M R. Assessing the future global impacts of ozone on vegetation. Plant, Cell & Environment, 2005, 28(8): 949-964.

[2] FENG Z Z, HU E Z, WANG X K, JIANG L J, LIU X J. Ground-level O3pollution and its impacts on food crops in China: A review. Environmental Pollution, 2015, 199: 42-48.

[3] JIANG F, ZHOU P, LIU Q, WANG T J, ZHUANG B L, WANG X Y. Modeling tropospheric ozone formation over East China in springtime. Journal of Atmospheric Chemistry, 2012, 66: 303-319.

[4] TAUSZ M, GRULKE N E, WIESER G. Defense and avoidance of ozone under global change. Environmental Pollution, 2007, 147(3): 525-531.

[5] VINGARZAN R. A review of surface ozone background levels and trends. Atmospheric Environment, 2004, 38: 3431-3442.

[6] FENG Z Z, KOBAYASHI K. Assessing the impacts of current and future concentrations of surface ozone on crop yield with meta-analysis. Atmospheric Environment, 2009, 43: 1510-1519.

[7] WANG Y X, MICHAEL F. Stressed food: The impact of abiotic environmental stresses on crop quality. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2011, 141: 271-286.

[8] FENG Z W, JIN M H, ZHANG F Z, HUANG Y Z. Effects of ground-level ozone (O3) pollution on the yields of rice and winter wheat in the Yangtze River Delta. Journal of Environmental Sciences, 2003, 15(3): 360-362.

[10] HUANG J P, ZHOU C H, LEE X H, BAO Y X, ZHAO X Y, FUNG J, RICHTER A, LIU X, ZHENG Y Q. The effects of rapid urbanization on the levels in tropospheric nitrogen dioxide and ozone over East China. Atmospheric Environment, 2013, 77: 558-567.

[11] LIU F, WANG X K, ZHU Y G. Assessing current and future ozone-induced yield reductions for rice and winter wheat in Chongqing and the Yangtze River Delta of China. Environmental Pollution, 2009, 157: 707-709.

[12] ARIYAPHANPHITAK W, CHIDTHAISONG A, SAROBOL E, BASHKIN V N, TOWPRAYOON S. Effects of elevated ozone concentrations on Thai Jasmine rice cultivar (Oryza sativa L.). Water, Air and Soil Pollution, 2005, 167: 179-200.

[13] 鄭啟偉, 王效科, 馮兆忠, 宋文質, 馮宗煒, 歐陽志云. 用旋轉布氣法開頂式氣室研究臭氧對水稻生物量和產量的影響. 環境科學, 2007, 28(1): 170-175. ZHENG Q W, WANG X K, FENG Z Z, SONG W Z, FENG Z W, OUYANG Z Y. Effects of elevated ozone on biomass and yield of rice planted in open-top chamber with revolving ozone distribution. Environmental Science, 2007, 28(1): 170-175. (in Chinese)

[14] TANG H Y, LIU G, HAN Y, ZHU J G, KOBAYSHI K. A system for free-air ozone concentration elevation with rice and wheat: Control performance and ozone exposure regime. Atmospheric Environment, 2011, 45(35): 6276-6282.

[15] LONG S P, AINSWORTH E A, LEAKEY, A D B, N?SBERGER J, ORT D R. Food for thought: lower-than-expected crop yield stimulation with rising CO2concentrations. Science, 2006, 312(5782): 1918-1921.

該研究目的在于將超微粉碎技術應用到香菇深加工中，對粉碎至微米級的香菇超微粉進行流動性、松密度、潤濕性、溶解性等物理特性進行比較研究，并利用掃描電鏡對其微觀結構進行觀察，為超微粉碎技術運用于香菇深加工及新產品研發方面提供參考。

[16] FREI M. Breeding of ozone resistant rice: Relevance, approaches and challenges. Environmental Pollution, 2015, 197: 144-155.

[17] 楊連新, 王余龍, 石廣躍, 王云霞, 朱建國, KAZHUHIKO KOBAYSHI. 近地層高臭氧濃度對水稻生長發育影響研究進展.應用生態學報, 2008, 19(4): 901-910. YANG L X, WANG Y L, SHI G Y, WANG Y X, ZHU J G, KOBAYSHI K. Responses of rice growth and development to elevated near-surface layer ozone (O3) concentration: A review. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(4): 901-910. (in Chinese)

[18] AINSWORTH E A. Rice production in a changing climate: A meta-analysis of responses to elevated carbon dioxide and elevated ozone concentration. Global Change Biology, 2008, 14: 1642-1650.

[19] SAWADA H, KOMATSU S, NANJO Y, KHAN N A, KOHNO Y. Proteomic analysis of rice response involved in reduction of grain yield under elevated ozone stress. Environmental and Experimental Botany, 2012(77): 108-116.

[20] SHI G Y, YANG L X, WANG Y X, KOBAYASHI K, ZHU J G. Impact of elevated ozone concentration on yield of four Chinese rice cultivars under fully open-air field conditions. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2009, 131: 178-184.

[21] WANG Y X, YANG L X, KOBAYASHI K, ZHU J G, CHEN C P, YANG K F, TANG H Y, WANG Y L. Investigations on spikelet formation in hybrid rice as affected by elevated tropospheric ozone concentration in China. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2012, 150: 63-71.

[22] PANG J, KOBAYASHI K, ZHU J G. Yield and photosynthetic characteristics of flag leaves in Chinese rice (Oryza sativa L.) varieties subjected to free-air release of ozone. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2009, 132: 203-211.

[23] 彭斌, 李潘林, 周楠, 賴上坤, 朱建國, 楊連新, 王余龍. 不同秧苗素質和移栽密度條件下臭氧脅迫對水稻光合作用、物質生產和產量的影響. 生態學報, 2013, 33(12) : 3668-3675. PENG B, LI P L, ZHOU N, LAI S K, ZHU J G, YANG L X, WANG Y L. Effects of ozone stress on photosynthesis, dry matter production and yield of rice under different seedling quality and plant density. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(12): 3668-3675. (in Chinese)

[24] 彭斌, 賴上坤, 李潘林, 王云霞, 朱建國, 楊連新, 王余龍. 臭氧與栽插密度互作對揚稻6號生長發育和產量形成的影響—FACE研究. 中國水稻科學, 2014, 28(4): 401-410. PENG B, LAI S K, LI P L, WANG Y X, ZHU J G, YANG L X, WANG Y L. Interactive effects of ozone concentration and planting density on growth, development and yield formation of Yangdao 6-A Face Study. Chinese Journal of Rice Science, 2014, 28(4): 401-410. (in Chinese)

[25] PANDEYA A K, MAJUMDERB B, SARITA K S, SARI K S, MISHRA A, SAHU N, PANDEY V, OKSANENA E. Searching for common responsive parameters for ozone tolerance in 18 rice cultivars in India: Results from ethylenediurea studies. Science of the Total Environment, 2015, 532: 230-238.

[26] 趙軼鵬, 邵在勝, 宋琪玲, 賴上坤, 周娟, 王云霞, 秦超, 楊連新,王余龍. 一種新型自然光氣體熏蒸平臺: 系統結構與控制精度. 農業環境科學學報, 2012, 31(11): 2082-2093. ZHAO Y P, SHAO Z S, SONG Q L, LAI S K, ZHOU J, WANG Y X, QIN C, YANG L X, WANG Y L. System structure and control accuracy of a solar-illuminated gas fumigation platform. Journal of Agro-environment Science, 2012, 31(11): 2082-2093. (in Chinese)

[27] WANG Y X, YANG L X, MEIKE H, SHAO Z S, JUAN P T, MATTHIAS W, MICHAEL F. Pyramiding of ozone tolerance QTLs OzT8 and OzT9 confers improved tolerance to season-long ozone exposure in rice. Environmental and Experimental Botany, 2014, 104: 26-33.

[28] 顧世梁, 莫惠棟. 動態聚類的一種新方法一最小組里平方和法. 江蘇農學院學報, 1989, 10(4): 1-8. GU S L, MO H D. A new dynamic clustering method-MinSSw mehtod. Journal of Jiangsu Agriculture College, 1989, 10(4): 1-8. (in Chinese)

[29] 趙軼鵬, 邵在勝, 王云霞, 宋琪玲, 王余龍, 楊連新. 大氣CO2和O3濃度升高對汕優63生長動態、物質生產和氮素吸收的影響. 生態學報, 2015, 35(24): 8128-8138. ZHAO Y P, SHAO Z S, WANG Y X, SONG Q L, WANG Y L, YANG L X. Impact of elevated atmospheric carbon dioxide and ozone concentration on growth dynamic, dry matter production and nitrogen uptake of hybrid rice Shanyou 63. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(24): 8128-8138. (in Chinese)

[30] 彭斌, 賴上坤, 李潘林, 王云霞, 朱建國, 楊連新, 王余龍. 不同密度下臭氧脅迫對Ⅱ優084水稻光合作用和物質生產的影響—FACE研究. 應用生態學報, 2015, 26(1): 17-24. PENG B, LAI S K, LI P L, WANG Y X, ZHU J G, YANG L X, WANG Y L. Effects of ozone stress on photosynthesis and dry matter production of rice Ⅱ-you 084 under different planting densities. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(1): 17-24. (in Chinese)

[31] 白月明, 郭建平, 王春乙, 溫明. 水稻與冬小麥對臭氧的反應及其敏感性試驗研究. 中國生態農業學報, 2002(1): 17-20. BAI Y M, GUO J P, WANG C Y, WEN M. The reaction and sensitivity experiment of O3on rice and winter wheat. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2002(1): 17-20. (in Chinese)

[32] 白月明, 霍治國, 王春乙, 郭建平, 溫明. 臭氧濃度增加對冬小麥葉片影響的試驗研究. 中國農業氣象, 2001, 22(4): 22-26. BAI Y M, HUO Z G, WANG C Y, GUO J P, WEN M. The experimental study on influence of increasing O3concentration on winter wheat leaf. Chinese Agriculture Meteorological, 2001, 22(4): 22-26. (in Chinese)

[33] 列淦文, 葉龍華, 薛立. 臭氧脅迫對植物主要生理功能的影響. 生態學報, 2014, 34(2): 294-306. LIE G W, YE L H, XUE L. Effects of ozone stress on major plant physiological functions. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(2): 294-306. (in Chinese)

[34] 彭斌, 賴上坤, 李潘林, 王云霞, 周楠, 朱建國, 楊連新, 王余龍.開放式空氣中臭氧濃度升高對超級稻Ⅱ優084生長和產量的影響.農業環境科學學報, 2014, 33(2): 217-223. PENG B, LAI S K, LI P L, WANG Y X, ZHOU N, ZHU J G, YANG L X, WANG Y L. Effects of free air ozone enrichment on growth and yield of super rice Ⅱ-you 084. Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33(2): 217-223. (in Chinese)

（責任編輯 李莉）

Impact of Ozone Stress on Growth and Yield Formation of Rice Genotypes with Different Ozone Sensitivity

SHAO Zai-sheng1, SHEN Shi-bo1, JIA Yi-lei1, MU Hai-rong1, WANG Yun-xia2, YANG Lian-xin1, WANG Yu-long1
(1Yangzhou University/Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology/Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops, Yangzhou 225009, Jiangsu;2College of Environmental Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu)

【Objective】 In order to cope with the increasing tropospheric ozone concentration, the responses of the growth and yield formation of rice with different ozone sensitivities were investigated. 【Method】 By using glasshouse-type fumigationchambers, 23 rice cultivars or lines were grown in 2013 at two ozone levels: Low ozone concentration as control (C-O3, 10 nL·L-1) and high ozone concentration as elevated O3treatment (E-O3, 100 nL·L-1) from around a week after transplanting until maturity. Based on the decrease in the above-ground biomass under high ozone concentration, these rice genotypes were clustered into three types by the MinSSw (dynamic clustering method-minimum sum of squares within groups) method, namely A (low sensitivity type rice), B (moderate sensitivity type rice), and C (high sensitivity type rice) in the order of ozone sensitivity from low to high, respectively. The effects of ozone stress on plant height, tillering dynamics, grain yield, and yield components were determined, and relationships between their responses to ozone stress and the ozone-induced changes in the above-ground biomass at maturity stage.【Result】 Compared to the control, ozone stress decreased the above-ground biomass of three rice types A, B, and C at grain maturity by 19%, 38%, and 52%, respectively, and significant treatment effects were detected in B and C. Ozone stress decreased plant height at all growth stages except the earliest stage, and the reduction in plant height was increased gradually with the plant development, but the magnitudes of decline among different rice types were comparable. On the contrast, the influence of ozone stress on tiller formation varied among different rice types. Averaged over the whole growth period, ozone stress had no significant effect on tiller number of rice type A, but significantly reduced those of B (-17%) and C (-23%). Ozone stress significantly reduced grain yield and yield components, and the different rice types exhibited different reduction in panicle number per unit area (A had no response, but B and C decreased by 16% and 26%, respectively), spikelets per panicle (A, B, and C decreased by 16%, 19%, and 27%, respectively) and spikelets per unit area (A, B, and C decreased by 11%, 31%, and 46%, respectively). However, the ozone-induced reduction in filled grain weight, filled grain percentage, and final grain yield showed small differences among three rice types. The ozone-induced reduction in grain yield was mainly caused by the sharp decline of filled grain percentage and total spikelets, and secondly associated with the decline of panicle number and filled grain weight. There were significant positive correlations between the ozone-induced response in above-ground biomass and the tiller number at middle and late growth stages, final panicle numbers, spikelets per panicle, as well as spikelets per unit area, but no close correlation with plant height, filled grain percentage, filled grain weight, or the final grain yield at each growth stage. 【Conclusion】Ozone fumigation of 100 nL·L-1during plant growth shortened rice plant height, inhibited tiller production, spikelet formation, and especially grain filling, which led to a dramatic decline in grain yield. Rice ozone sensitivity was closely associated with the ozone-induced changes in tiller number at middle and late growth stage, final panicle numbers, spikelets per panicle, and spikelets per unit area, which can be used as screening parameters in ozone-tolerant rice breeding.

rice; ozone; height; tiller; grain yield; growth

2015-12-31；接受日期：2016-03-30

國家自然科學基金面上項目（31471437，31371563）、土壤與農業可持續發展國家重點實驗室開放基金（0812201233）、2012年中德合作科研項目（PPP）、江蘇高校優勢學科建設工程

聯系方式：邵在勝，E-mail：460180389@qq.com。通信作者楊連新，E-mail：lxyang@yzu.edu.cn。通信作者王余龍，E-mail：ylwang@yzu.edu.cn