穗分化期外施24-表油菜素內酯(EBR)促進水稻源、庫及籽粒灌漿的生理機制

李贊堂　 王士銀　 姜雯宇,　 張　帥,　 張少斌　 徐　江,*

1 中國農業科學院作物科學研究所, 北京 100081; 2 沈陽農業大學生物科學技術學院, 遼寧沈陽 110866

籽粒灌漿是水稻(Oryza sativaL.)生育期重要的生理生化過程, 其實質就是光合器官制造的同化物以蔗糖的形式運入籽粒, 并經一系列酶的催化作用轉化為淀粉的過程[1]。其能力的強弱最終決定了籽粒重量和稻米產量[2]。水稻籽粒灌漿受源強(source capacity)和庫強度(sink strength)的影響[3]。源強一般指生物量或貯藏在莖鞘中的碳水化合物轉運到穗中的能力[4], 研究認為, 水稻籽粒灌漿的物質來源于花前貯存的碳水化合物及花后新生成的同化物[5]。庫強度是指庫攝取同化物的能力[6], 可以用庫容(sink size)和庫活性(sink activity)來表示[6-7], 庫容一般指單位面積籽粒數與單個籽粒重的乘積[4], 庫活性指可溶性糖轉化為淀粉的生化效率[7-8]。庫容的增大對源有正反饋調節作用, 能夠增強源葉的光合作用, 促進光合產物的積累及其轉運[4,9]; 但當光合同化物供應不足時, 單純地增大庫容并不足以使水稻增產, 如籽粒總數超過最適值, 產量將由于籽粒充實度的減小而降低[10]。因此, 通過增大庫容來實現產量的提高必須建立在有足夠大的源強和庫活性的基礎上。

谷類作物的灌漿結實除受遺傳因子和光、溫、水、肥等諸多環境因素調控外, 還在很大程度上取決于植物激素的平衡和調節。因此人們也一直很重視對植物內源激素和外源生長調節物質與籽粒灌漿結實關系的研究和應用[11]。油菜素甾醇類化合物(brassinosteroids, BRs)是一種甾醇類植物激素, 具有廣譜高效的生理活性, 對種子萌發、輸導組織的分化、株型構成及生殖器官的生長發育、光形態建成和抗逆等均有調控作用[12]。BRs還可以調控水稻植株體內糖類的代謝和轉運, 促進蔗糖向籽粒運輸,提高結實率和粒重[13]。24-表油菜素內酯(24-epibrassinolid, EBR)是一種人工合成的高活性油菜素內酯類似物[14], 噴施 EBR可以增加天竺葵的葉綠素含量、光合速率以及碳水化合物含量[15]。翁曉燕等[16]和王士銀等[17]在水稻孕穗末至始穗期噴施 EBR, 提高了水稻凈光合速率和源強, 促使谷粒發育良好,從而增加了水稻產量。已有研究表明, 油菜素甾醇類化合物對水稻生長發育和產量形成具有正向調節作用[12-13,16,18]。水稻產量與籽粒灌漿能力密切相關,而籽粒灌漿能力的強弱受源和庫的影響。我們在穗分化期外施 EBR, 并研究分析源強、庫容和庫活性的變化, 以期明確其對水稻籽粒灌漿的影響及其生理機制。

1　材料與方法

1.1　材料與栽培概況

2013—2014年在中國農業科學院作物科學研究所昌平試驗基地進行試驗, 試驗地耕作層含有機質23.08 g kg-1、全氮1.24 g kg-1、堿解氮109.35 mg kg-1、速效磷 102.14 mg kg-1、速效鉀 197.15 mg kg-1。供試材料為粳稻品種日本晴(Nipponbare), 于4月22日播種, 5月30日移栽插秧, 株行距為15 cm × 20 cm, 每穴1株。

1.2　處理設置

在水稻穗分化期(80%以上的植株主莖已進入第一苞原基分化期)開始噴施EBR, T0、T1、T2處理濃度分別為0、0.2和1.0 μmol L-1, 溶液中加入0.1%Tween-20作為展布劑。從7月19日開始, 每隔2 d噴施一次, 共3次。處理時間為 16：00—18：00, 均勻噴施至葉面的溶液不滴落為度, 噴施量約為120 mL m-2。采取隨機區組試驗設計, 每個處理3個重復小區, 每個處理小區面積為1.5 m × 9.0 m, 其中每小區預留1.5 m2用于測產。

1.3　取樣方法

在水稻初花期和收獲期, 取長勢一致的代表性植株 6株, 將地上部分分為上三葉、莖鞘、穗和其余部分, 105℃殺青80℃烘干后分別稱重用于生物量的計算, 稱重后將上三葉、莖鞘粉碎, 用于NSC (可溶性糖+淀粉)含量的檢測。

在水稻開花盛期, 選穗型相對一致的單莖在穗頂部強勢穎花開花當日掛牌, 標記每小區 200個穗子。分別在花后6、12、18、24、30、36 d取樣, 每次取每個小區25個單莖, 取直接著生于穗頂部3個一次枝梗上的籽粒作為強勢粒樣本, 4個一次枝梗上直接著生于二次枝梗的籽粒作為弱勢粒, 并留其上三葉。分別將摘下的強勢粒、弱勢粒、葉片各分成2份, 其中1份(葉片去葉脈)用液氮速凍2 min后保存在-80℃超低溫冰箱用于酶活檢測, 另一份 105℃殺青 30 min, 80℃烘干至恒重用于碳水化合物的檢測。另外, 在收獲期取20個掛牌的穗子, 分為強、弱勢粒, 用于分析其糙米重和結實率。

1.4　測定項目及方法

1.4.1蔗糖、可溶性糖和淀粉含量的測定參考Yoshida等[19]的方法提取碳水化合物。稱量 0.05 g樣品至10 mL離心管中, 加入5 mL蒸餾水, 于100℃水浴40 min, 然后1370×g離心10 min, 取上清液,再重復上述步驟 2次, 然后將沉淀用蒸餾水清洗并離心, 最后將 3次離心所得上清液統一轉入 25 mL容量瓶, 用蒸餾水定容, 所得溶液用于可溶性糖和蔗糖含量的檢測。然后向上述沉淀中加入2 mL蒸餾水, 沸水浴糊化15 min, 冰水浴冷卻后, 加入2 mL濃度為9.2 mol L-1高氯酸, 震蕩酸解15 min, 然后加入2 mL蒸餾水混勻, 1790×g離心15 min, 取上清液, 向沉淀中再加入2 mL濃度為4.6 mol L-1的高氯酸, 重復上述操作。最后用蒸餾水清洗沉淀2次, 并離心, 將4次離心所得上清液一并轉入25 mL容量瓶, 用蒸餾水定容, 用于淀粉含量測定。采用間苯二酚法檢測蔗糖含量[20], 采用硫酸-蒽酮比色法測定可溶性糖和淀粉[21]。

1.4.2酶提取和檢測低溫環境下取樣品籽粒25粒(葉片約 0.2 g), 手工剝去穎殼, 在預先冷凍的研缽內加2 mL提取液(50 mmol Hepes-NaOH, pH 7.5;5 mmol EDTA; 1 mmol DTT; 2 mmol KCl; 1%PVP-K30)研磨成勻漿, 轉入10 mL離心管, 再分別加2 mL 和1 mL提取液洗滌研缽2次, 將提取液一并轉入10 mL離心管, 4℃低溫下16 000×g離心15 min, 上清液即為酶粗提取液。參照 Hubbard等[22]和Miron等[23]的方法檢測蔗糖合酶(sucrose synthase,SS)和蔗糖磷酸合酶(sucrose phosphate synthase, SPS)活性, 參照 Zhu等[24]的方法檢測酸性轉化酶(acid invertase, AI)活性。

1.4.3產量分析收獲期隨機選取每小區3個樣方, 調查并計算有效穗數, 取具有代表性的 10株考種, 統計其每穗粒數、結實率和千粒重。測量測產小區面積, 數取測產小區穗數, 收割測產。將每穗粒數乘以單位面積穗數即為單位面積籽粒數。

1.5　數據分析

使用Microsoft Excel 2003處理數據, 用SAS 9.2分析數據, 用SigmaPlot 10.0繪圖。本文以2013年試驗結果為主, 2014年對地上部分生物量、收獲期庫容及產量結果進行驗證。

2　結果與分析

2.1　源強

2.1.1地上部分生物量由圖1可知與對照相比,在初花期, 2種濃度EBR處理均極顯著增加了水稻植株地上部分的生物量; 在收獲期, T2處理極顯著增加了水稻植株地上部分生物量, 而T1處理的地上部分生物量沒有顯著變化。

圖1　初花期和收獲期地上部分生物量Fig. 1　Aboveground biomass at flowering stage and harvesting stageA： 2013年地上部分生物量; B： 2014年地上部分生物量。FS： 初花期; HS： 收獲期。*和**表示在0.05和0.01水平上處理與對照相比有顯著性差異; T0、T1、T2分別表示0、0.2、1.0 μmol L-1的EBR處理。A： aboveground biomass in 2013, B： aboveground biomass in 2014, FS： flowering stage, HS： harvesting stage; * and **： significantly different between EBR treatments at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. T0, T1, and T2： 0, 0.2, and 1.0 μmol L-1 EBR treatments,respectively.

2.1.2各營養器官 NSC含量無論是初花期還是收獲期, 莖鞘作為同化物的貯藏器官, 其中的非結構性碳水化合物(non-structure carbohydrate, NSC)含量都遠高于葉片。相較初花期, 收獲期葉片中的NSC含量沒有太大變化, 而莖鞘中NSC含量則明顯減少。從不同 EBR處理間的情況來看, 初花期兩EBR處理均顯著增大了葉片和莖鞘內的 NSC含量;而收獲期兩EBR處理對營養器官中NSC含量的影響卻不一致, T1處理顯著增大了葉片和莖鞘中的NSC含量, 而T2處理卻顯著降低了地上部分各營養器官的NSC含量(圖2), 推測T2處理可能更有效地促進了生育后期同化物向籽粒的運輸。

2.1.3灌漿期葉片中SPS活性及其蔗糖含量作為蔗糖合成的關鍵酶, 葉片中的蔗糖磷酸合酶(SPS)活性在灌漿期表現為先升高后降低的規律, 其最高活性出現在花后24 d (圖3-A)。雖然葉片中的蔗糖含量最大值也出現在花后 24 d, 但在整體趨勢上與SPS活性并不一致, 表現為降低—升高—降低的趨勢(圖3-B)。從比較結果來看, 兩EBR處理均顯著增大了葉片花后12～30 d的SPS活性和花后6～24 d的蔗糖含量。在花后36 d, 兩EBR處理水稻葉片中的SPS活性降低到與對照相同的水平, 而葉片中的蔗糖含量則顯著降低。這些結果表明在灌漿后期, EBR處理促進蔗糖從葉片向外轉運的作用大于促進蔗糖合成的作用。

2.2　收獲期庫容及產量

圖2　葉片和莖鞘中的非結構性碳水化合物(NSC)含量Fig. 2　Non-structure carbohydrate (NSC) content in vegetative organsA： 初花期的NSC含量; B： 收獲期的NSC含量。*和**表示在0.05和0.01水平上處理與對照相比有顯著性差異; T0、T1、T2分別表示 0、0.2、1.0 μmol L-1的 EBR 處理。A： NSC content at flowering stage; B： NSC content at harvesting stage. * and **： significantly different between EBR treatments at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; T0, T1, and T2： 0, 0.2, and 1.0 μmol L-1 EBR treatments, respectively.

圖3　灌漿期葉片蔗糖磷酸合酶(SPS)活性及其蔗糖含量Fig. 3　Activity of sucrose phosphate synthase (SPS) and content of sucrose in leaves*和**分別代表T1在0.05和0.01水平上的顯著性; +和++分別代表T2在0.05和0.01水平上的顯著性。T0、T1、T2分別表示0、0.2、1.0 μmol L-1的 EBR 處理。* and ** represent the significance of T1 at the 0.05 and 0.01 probability levels; + and ++ represent the significance of T2 at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; T0, T1, and T2： 0, 0.2, and 1.0 μmol L-1 EBR treatments, respectively.

T1處理顯著增加了籽粒的千粒重, 在 2013年和 2014年分別增大 9.2%和 4.2%, 平均增加 6.7%,對單位面積穗數、穗粒數和籽粒數影響不顯著。T2處理對千粒重的增加不顯著, 但卻顯著增加了單位面積穗數和穗粒數, 并極顯著地增加了單位面積籽粒數, 2013年和2014年單位面積籽粒數分別增加了28.0%和26.9%, 平均增加27.45% (表1)。通過以上分析發現T1處理和T2處理均顯著增大了水稻的庫容, 但在庫容的增大方式上存在差異, T1處理主要通過提高千粒重增大水稻庫容; 而T2處理主要通過增加單位面積的穗數和穗粒數增大水稻庫容。

表1　2013年和2014年不同處理庫容變化Table 1　Sink size of different treatments in 2013 and 2014

兩EBR處理的增產效果均達到了顯著或極顯著水平, 在 2013年和2014年 T1處理分別增產 8.3%和2.9%, 平均增產5.6%; T2處理分別增產17.5%和12.9%, 平均增產15.2%。相比之下, T2處理對產量的影響更大, 在2013年和2014年分別比T1處理增產8.5%和9.7%, 平均增產9.1%。

2.3　強、弱勢粒庫活性

2.3.1強、弱勢粒中蔗糖裂解酶活性蔗糖合酶(SS)和酸性轉化酶(AI)是催化蔗糖裂解的兩個重要酶。在灌漿期, 強勢粒(圖4-A)和弱勢粒SS活性(圖4-B)均表現出先增大后減小的趨勢, 其活性的最高點分別出現在花后18 d和24 d。兩EBR處理的SS活性均表現出較對照增加的趨勢。

從花后強、弱勢粒AI酶活性變化的結果(圖4-C,D)看, 各處理間的整體趨勢一致。對于強勢粒, T1和T2處理除了顯著增加花后6 d和36 d AI活性外,其余時間差異不顯著; 對于弱勢粒, T1和T2處理顯著增加了花后的AI活性。因此, EBR處理對弱勢粒AI酶活性的影響較大, 對強勢粒的影響相對較小。2.3.2強、弱勢粒中的NSC含量隨著灌漿的進行, 籽粒的NSC含量均表現出增加的趨勢(圖5)。兩EBR處理顯著增加了花后12 d至24 d強勢粒的NSC含量, 但之后影響不顯著, 花后 6 d強勢粒的 NSC含量甚至有所降低。而對于弱勢粒, 兩EBR處理顯著增加了花后12 d到36 d的NSC含量; T2處理顯著降低了花后6 d的NSC含量。因此, 相較強勢粒, 兩EBR處理更顯著地促進了弱勢粒中光合產物的積累。2.3.3強、弱勢粒中淀粉含量灌漿過程中, 籽粒的淀粉含量表現出增加趨勢(圖6)。相較對照, 兩EBR處理使花后12 d到24 d強勢粒的淀粉含量有不同程度升高, 但總體趨勢差異不甚顯著。而對于弱勢粒, 雖然兩EBR處理顯著降低了花后6 d籽粒的淀粉含量, 但顯著增加了花后12 d到36 d籽粒的淀粉含量。因此, 與強、弱勢粒的NSC含量變化結果相似, 兩EBR處理更顯著增加了弱勢粒的淀粉合成和積累。

2.3.4強、弱勢粒糙米重和結實率由圖7可知,無論是糙米重還是結實率, 強勢粒都高于弱勢粒。從 EBR處理的效果來看, 對弱勢粒的影響更大, 能顯著增加其糙米重和結實率, 而對于強勢粒則作用不明顯, 僅T1處理顯著增加了強勢粒的糙米重。

3　討論

穗分化期外施 EBR能夠顯著增加水稻的產量,但兩種濃度的EBR處理對水稻的調控效果存在顯著差異。因此, 我們從源強、庫容和庫活性等方面分析兩EBR處理, 闡述其促進水稻增產的生理機制。

3.1　EBR處理通過增加光合產物的合成和轉運提高水稻源強

源強一般指生物量或貯藏在莖鞘中的碳水化合物轉運到穗中的能力[4]; 而籽粒灌漿物質主要來自抽穗前的莖鞘貯藏物和抽穗后的光合產物[25-26]。因此, 源強可從光合產物的合成能力和轉運能力兩方面衡量。

圖4　灌漿期強、弱勢粒中蔗糖裂解酶的活性Fig. 4　Sucrose lyase activity in superior grains and inferior grains at filling stage A： 強勢粒中的SS(蔗糖合酶)活性; B： 弱勢粒中的SS活性; C： 強勢粒中的AI (酸性轉化酶)活性; D： 弱勢粒中的AI活性。*和**分別代表T1在0.05和0.01水平上的顯著性, +和++分別代表T2在0.05和0.01水平上的顯著性。T0、T1、T2分別表示0、0.2、1.0 μmol L-1的EBR處理。A： SS (sucrose synthase) activity in superior grains; B： SS activity in inferior grains; C： AI (acid invertase) activity in superior grains; D： AI activity in inferior grains. * and ** represent the significance of T1 at the 0.05 and 0.01 probability levels; + and ++ represent the significance of T2 at the 0.05 and 0.01 probability levels. T0, T1, and T2： 0, 0.2, and 1.0 μmol L-1 EBR treatments, respectively.

圖5　灌漿期強、弱勢粒中NSC積累Fig. 5　NSC accumulation in superior grains and inferior grains at filling stageA： 強勢粒中的NSC積累; B： 弱勢粒中的NSC積累。*和**表示在0.05和0.01水平上處理與對照相比有顯著差異。T0、T1、T2分別表示0、0.2、1.0 μmol L-1的EBR處理。A： NSC accumulation in superior grains; B： NSC accumulation in inferior grains. * and **： significantly different from that of T0 at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. T0, T1, and T2： 0, 0.2, and 1.0 μmol L-1 EBR treatments, respectively.

圖6　灌漿期強、弱勢粒中淀粉積累Fig. 6　Starch accumulation in superior grains and inferior grains at filling stageA： 強勢粒中的淀粉積累; B： 弱勢粒中的淀粉積累。*和**表示在0.05和0.01水平上處理與對照相比有顯著差異。T0、T1、T2分別表示 0、0.2、1.0 μmol L-1的 EBR 處理。A： starch accumulation in superior grains; B： starch accumulation in inferior grains. * and **： significantly different from that of T0 at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. T0, T1, and T2： 0, 0.2, and 1.0 μmol L-1 EBR treatments, respectively.

圖7　收獲期強、弱勢粒糙米重和結實率Fig. 7　Brown rice weight and seed-setting rate of superior grains and inferior grains at harvesting stageA： 糙米重; B： 結實率。*和**表示在0.05和0.01水平上處理與對照相比有顯著差異。T0、T1、T2分別表示0、0.2、1.0 μmol L-1的EBR處理。A： brown rice weight; B： seed-setting rate. * and **： significantly different from that of T0 at the 0.05 and 0.01 probability levels,respectively; T0, T1, and T2： 0, 0.2, and 1.0 μmol L-1 EBR treatments, respectively.

在初花期, T1處理和T2處理均顯著增加了地上部分的生物量和營養器官的 NSC含量。在收獲期,T1處理雖然沒有顯著增加地上部分生物量, 但顯著提高了營養器官的NSC含量; T2處理顯著增加了地上部分生物量。因此, 穗分化期外施EBR能夠提高光合產物的合成。已有大量文獻報道BRs能同時促進光系統II反應中心的電子傳遞和Rubisco的羧化活性, 從而有助于增加 CO2的同化[27-28], 本研究結果雖然顯示EBR處理可以導致非結構性碳水化合物在營養器官中的累積, 但是目前還無法確知EBR處理在多大程度上提高了水稻葉片的光合速率, 對此,我們將在后續研究中進一步試驗分析和探討。

前人研究認為, 水稻籽粒灌漿物質的20%～40%來源于抽穗前莖鞘中貯存的物質[29]。初花期莖鞘中貯藏的NSC不僅是灌漿物質的一部分, 而且對提高灌漿初期籽粒的庫活性、啟動和促進籽粒灌漿起著重要作用[30-31]。Fu等[32]研究表明, 初花期莖鞘中較高的NSC含量有利于提高灌漿期籽粒的庫活性, 尤其是對弱勢粒作用更明顯。在我們試驗中, 兩 EBR處理均提高了初花期營養器官的NSC含量, 為后期灌漿提供了物質基礎。

EBR處理不僅提高了光合物質的合成, 還提高了其轉運能力。蔗糖是高等植物光合作用的主要產物之一, 是碳水化合物運輸的主要形式, 也是“庫”代謝的主要基質[33]。SPS是蔗糖合成的限速酶, 是增強蔗糖生物合成的主要調控目標[34], SPS活性的提高有助于增加光合產物從營養器官向籽粒的運輸[35]。我們的研究表明, 兩EBR處理均提高了花后6～30 d功能葉的SPS活性, 增加了葉片中的蔗糖含量。

灌漿期葉片中的蔗糖含量是由其合成速率和轉運速率共同決定的。本試驗中, EBR處理使花后6～30 d功能葉中的 SPS活性顯著提高, 此時蔗糖的合成速率大于轉運速率, 葉片中蔗糖含量顯著提高; 到花后36 d, 兩EBR處理的功能葉SPS活性降低到與對照相同的水平, 此時蔗糖的合成小于轉運, 因此葉片的蔗糖含量顯著低于對照。

3.2　EBR處理能夠增大水稻收獲期的庫容

以BRs合成缺陷型或BRs不敏感型水稻突變體為材料的研究表明, BRs對水稻籽粒數量、大小和粒重有正向的調控作用[36]。有研究表明, 通過轉基因手段增加水稻莖鞘和根中的 BRs含量時, 轉基因材料分蘗數、單株籽粒數和粒重均增大, 單株增產15%～40%[13]。在光合物質積累和轉運效率不高的情況下, 籽粒數的增加往往導致粒重的降低。從我們對庫容的研究結果看, T1處理顯著增大了水稻的千粒重, 但單位面積穗數和穗粒數增加不顯著; 而 T2處理顯著增加了單位面積的穗數和穗粒數, 千粒重卻沒有顯著增大。因此, 在水稻穗分化期噴施 EBR能夠增大水稻的庫容, 但不同濃度間作用方式存在差異。

Kato[37]認為限制水稻弱勢粒灌漿的不是源, 而是庫容。收獲期籽粒充實度的提高和粒重的增加有助于產量的提高[38]; 但由于籽粒數量比籽粒重有更大的可塑性[39], 即籽粒數量比籽粒重對產量的影響更大[40]。我們對庫容的研究發現, 相比可使籽粒重量顯著增大的T1處理, T2處理使籽粒數量顯著增加,對產量的貢獻更大。因此, 在足夠的源強條件下,EBR處理可能通過影響水稻的穎花發育, 促進水稻的籽粒形成, 進而增大庫容, 提高產量。

花前光合同化物的增加能夠減少籽粒敗育, 進而提高籽粒的數量[10]。因此, 本試驗中T2處理收獲期穗數和穗粒數顯著增加可能是其生物量和NSC含量增大帶來的。

3.3　EBR處理對強、弱勢粒蔗糖裂解酶活性和物質分配的影響

蔗糖向籽粒中的運輸速率很大程度上取決于籽粒的庫強度, 庫強度的一個重要生化指標是與糖代謝相關的關鍵酶活性, 為了維持源、庫之間蔗糖濃度梯度, 一個重要的調節方式就是蔗糖在進入籽粒后轉化為其他化合物; 因此, 籽粒中的蔗糖如何被高效地分解為可被進一步利用的單糖, 往往是反映庫活性的重要標志。蔗糖合酶(SS)和酸性轉化酶(AI)是降解蔗糖的 2個主要酶, 其活性常與蔗糖輸入庫組織的速率緊密相關[41]。調節這兩個蔗糖裂解酶在籽粒中的活性, 會改變蔗糖輸入速率及同化物的分配情況。

Jiang等[42]報道外施EBR可通過提高黃瓜SPS、SS和 AI等糖代謝酶活性增加可溶性糖、蔗糖、己糖和淀粉含量。劉海英等[18]在小麥開花期噴施表油菜素內酯(EBR)增強了籽粒中 SS活性, 加速了籽粒中蔗糖的降解。從本實驗籽粒中蔗糖裂解酶的活性看, 兩 EBR處理同時提高了強勢粒和弱勢粒的 SS活性, 也同時提高了強、弱勢粒的AI活性, 但對弱勢粒影響更大。籽粒灌漿實質上就是光合產物在籽粒中合成淀粉的過程[43]。從灌漿期籽粒中NSC和淀粉積累情況看, 相較強勢粒, 兩 EBR處理對弱勢粒的影響更大, 這可能與弱勢粒較強的AI活性有關。因此, EBR處理可以提高籽粒, 尤其是弱勢粒中的蔗糖裂解酶活性, 進而促進蔗糖向籽粒的運輸。

弱勢粒結實率不高往往是限制產量的一個主要因素[33,44]。本試驗中兩EBR處理后結實率升高, 尤其是弱勢粒的結實率增高更為顯著, 原因可能是EBR處理使蔗糖裂解酶活性提高, 促進了籽粒充實。

另外, AI也被認為參與了植物的生長和器官建成, 為植物體合成各種重要化合物提供原料。一般在植物的分生組織和快速生長的幼嫩組織和器官中AI活性較高[45-46]。灌漿初期, EBR處理在花后6 d強、弱勢粒中總的NSC含量和淀粉含量有降低趨勢,推測灌漿初期 AI的主要作用是為結構性物質的生成提供原料, 即 EBR處理提高了灌漿初期 AI的活性, 促使更多轉運的同化物用于結構性物質的生成,從而減少了灌漿初期NSC的含量及淀粉的合成。

3.4　EBR處理在水稻源強、庫容和庫活性中的協調作用

庫容對葉片光合產物的運轉(流)有很大的調控作用。楊建昌等[47]用14C同位素示蹤的方法研究表明,庫源比越大, 葉片光合產物向穗粒中運輸得越多。因此, 只有在庫容足夠大的基礎上, 源強的增加才能帶來產量的顯著提高; 否則, 抽穗后生產的光合物質更多地積累在葉片和莖鞘中, 并不能有效地轉化為經濟產量。本試驗中, 低濃度的T1處理對收獲期的生物量影響不顯著, 卻顯著增加了營養器官的NSC含量; 而高濃度的T2處理不僅顯著提高了地上部分的生物量, 而且還顯著降低了營養器官的 NSC含量。我們分析認為, T1處理雖然提高了源強和庫活性, 千粒重也有所提高, 但穗數和穗粒數變化不大, 庫容增加幅度較小, 限制了其對光合產物的充分利用, 未被轉運的同化物又被重新貯存在營養器官中, 這往往限制籽粒灌漿和經濟產量的提高[48]。而T2處理穗數和穗粒數顯著增加, 相較T1處理庫容進一步增大, 促使營養器官中的光合產物更高效地向籽粒轉運, 促進了高效的籽粒灌漿和產量的顯著提高。

3.5　EBR處理在水稻上的應用價值分析

為便于后期深入系統地研究EBR處理對水稻影響的生理生化和分子機制, 本試驗選用全基因組測序已經完成的粳稻日本晴作為研究材料, 揭示了穗分化期外施EBR能增加粳稻日本晴干物質生產、增大庫容、提高產量的作用及其生理機制。本研究所獲得的最佳EBR處理濃度雖不能適用于所有水稻品種, 但對其他品種所用最佳濃度的篩選、作用機理解析等具有參考價值。后續工作可以此為基礎逐步深入展開。

4　結論

兩種濃度的EBR處理增加了灌漿前植株的生物量和非結構性碳水化合物在營養器官的累積, 并促進了灌漿期蔗糖的合成與轉運, 增大了源強, 且顯著增大了水稻的庫容。T1處理顯著增大了水稻千粒重, T2處理顯著增大了水稻的籽粒數。兩種濃度的EBR處理均提高了水稻強、弱勢粒的蔗糖裂解酶活性, 尤其對弱勢粒AI活性影響更大, 使更多的光合產物向弱勢粒分配, 提高了弱勢粒的充實度, 避免了庫容增大帶來的結實率降低等問題。在光合物質積累充足和庫活性足夠強的基礎上, 庫容將決定產量。T2處理比 T1處理庫容進一步增大, 能更充分地利用光合產物并加速籽粒灌漿, 進而更顯著提高水稻產量。

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