鹽脅迫下水稻孕穗期SS和SPS活性與糖積累的響應及其相關性分析

王旭明， 趙夏夏， 陳景陽， 龔茂健， 楊 善， 謝 平， 莫俊杰， 黃永相， 葉昌輝，周鴻凱

(廣東海洋大學農學院，廣東 湛江 524088)

水稻是中國4大主要糧食作物之一，而土壤鹽漬化是全世界農業面臨的嚴重問題。鹽脅迫影響養分運輸和分布，造成植物營養失衡，導致作物發育遲緩，植株矮小，嚴重威脅國家糧食安全[1-5]。糖是植物體內一類重要有機物，它存在的形式廣泛，為植物的生長發育提供碳骨架和能量[6]。逆境脅迫下，植物還通過調節體內糖的分配，維持細胞的滲透勢，增強植物抗逆性[7]。脯氨酸與可溶性糖可作為有機滲透調節物質參與細胞的滲透調節以及抗逆生理恢復和修復過程[8]。Qiu等[9]在對擬南芥幼苗的研究中發現外源蔗糖通過激活SOD、POD和CAT活性以提高擬南芥幼苗對鹽脅迫的耐受性，但高濃度的糖抑制擬南芥幼苗早期的發育。擬南芥子葉、真葉、根的生長均受高濃度糖的影響[10]。

與植物蔗糖代謝密切相關的酶主要有磷酸蔗糖合成酶(SPS)、蔗糖合成酶(SS)、轉化酶(Inv)[11]。其中合成蔗糖的酶類主要有SS和SPS，而分解蔗糖的酶類主要有可溶性酸性轉化酶(SAI)、細胞壁結合轉化酶(CIN)、中性/堿性轉化酶(NI)，而SS在蔗糖代謝中既參與正向合成又具有分解蔗糖的反向功能[12]。葡萄糖、果糖和蔗糖是糖積累的主要產物，而蔗糖代謝相關酶活性水平不僅影響含糖量，而且還決定“庫”器官中積累糖的成分[13]。

蔗糖合成酶是蔗糖代謝關鍵酶中極其重要的一種可溶性酶[14],是蔗糖合成途徑中的一個重要控制點,其活性反映蔗糖生物合成途徑的能力[15]。蔗糖合成酶在植物體中有3種存在形式，即細胞質中的可溶性蔗糖合成酶,附著在細胞膜上的不溶性蔗糖合成酶和與細胞骨架相結合的蔗糖合成酶[16]。蔗糖合成酶也是唯一能使蔗糖參與到組織構建、物質貯藏(淀粉合成)和植物細胞新陳代謝(糖酵解)等多種路徑的酶[17]。

植物光合組織(主要是葉片)和非光合組織(果實、貯藏塊根、貯藏塊莖等)中都廣泛存在蔗糖磷酸合成酶(SPS)[18]，其中植物葉肉細胞SPS的活性最大[19]。轉入玉米SPS基因的煙草幼葉和老葉中SPS活性超量表達，是野生型的10倍，老葉SPS活性的提高能促進植株的生長和發育，有助于開花數目的增加[20]。Huber研究發現SPS活性與蔗糖形成量呈正相關[21]，而且主要調節光合產物蔗糖和淀粉的分配[22]。SPS與植物的株高和產量等農藝性狀密切相關[23],并且在抗寒、抗旱和耐鹽等抗逆過程中起重要作用[24]。

陳麗芳等發現鹽脅迫可以提高黃瓜幼苗可溶性總糖、蔗糖及根系可溶性總糖和蔗糖含量,降低根系淀粉含量，同時提高根系磷酸蔗糖合酶(SPS)、蔗糖合酶(SS)和淀粉水解酶活性及葉片SPS、SS活性,降低葉片淀粉水解酶活性[25]。孕穗期水稻經過不同時間的冷水脅迫后，其功能葉片中SS活性與功能葉片蔗糖和果糖含量均呈正相關,齊穗后14 d功能片中SPS活性與蔗糖、果糖含量呈現顯著或極顯著正相關，而SPS活性與可溶性糖含量在齊穗后 7～21 d呈正相關但不顯著[26]。目前對SPS和SS活性與成熟期甘蔗、番茄、獼猴桃以及水稻籽粒糖代謝相關性的研究[27-28]較多,但是對于鹽脅迫逆境中水稻孕穗期SS和SPS活性與糖類代謝的相關性研究鮮有報道。本研究旨在探究鹽脅迫對孕穗期水稻SS、SPS活性與糖積累的相關性影響及它們之間的變化規律，進一步揭示鹽脅迫下水稻糖代謝機制，為創新水稻栽培技術和耐鹽品種的選育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

3個水稻種質IR29、JX99、Pokkali均由廣東海洋大學農學院提供，其中IR29是鹽敏感型，JX99是耐鹽型，Pokkali是強耐鹽型。用廣東海洋大學農學院實驗田水稻土作為桶栽基土,其理化性質為有機質含量32.864 g/kg、全磷0.462 g/kg、全鉀22.414 g/kg、水溶性鹽總量0.854 g/kg、速效磷65.000 mg/kg、速效鉀117.210 mg/kg、堿解氮177.450 mg/kg、pH6.47。土樣風干碾碎后過2 mm篩，充分混勻,與不同濃度的鹽混合均勻后裝桶(內徑30 cm，高35 cm，無滲漏)，每桶裝15 kg。

1.2 試驗方法

1.2.1 水稻幼苗的培養 2016年7月12日，選擇飽滿籽粒，先用蒸餾水浸泡5 min，再用10% H2O2浸泡20 min，用去離子水沖洗干凈，均勻平鋪于無菌培養皿中，放置30 ℃種子培養箱中催芽48 h。催芽期間換水6次，保持培養皿濕潤。待種子露白后種植于廣東海洋大學農學院水稻實驗田中。

1.2.2 鹽脅迫處理 2016年7月27日，取過篩的風干基土添加不同質量比的鹽脅迫添加劑氯化鈉(分析純，西隴化工股份有限公司生產)，形成0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5% 5個氯化鈉處理組,以不添加氯化鈉的基土為對照。每桶施4 g復合肥作為基肥，隨機區組試驗設計，每組3桶，共54桶。 8月6日，選取長勢均勻的3葉1心期秧苗，移栽到試驗桶中，每桶6株。將試驗桶放在玻璃溫室內，每桶保持2 cm水層，桶中插入標尺測定水位，根據缺水情況，補水至相同刻度。生長期間早晚觀察水稻生長狀況，每天拍照記錄，并使用土壤含鹽量測試儀(臺灣衡欣公司產品，Az8371型)監測桶內土壤含鹽量,以保證整個生長過程中桶內土壤含鹽量保持相對穩定，土壤含鹽量測定結果見表1。

表1 桶栽試驗土壤含鹽量

處理1～5分別為在基土中添加質量比為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的氯化鈉。

1.2.3 生理生化指標的測定 2016年9月22日，水稻幼苗正處于孕穗期，早晨6∶30開始采樣，每桶選取3株長勢一致的整株，將根系清洗干凈，拍照記錄。株高的測定參照肇瑩等[29]的方法。選取劍葉測定生理生化指標，可溶性糖含量的測定參照Bradford[30]的蒽酮比色法，蔗糖含量的提取和測定參照文獻[31]的方法，SS、SPS活性的測定參照韓濤[26]、楊明[32]的方法進行。每個指標重復測定3次。

1.2.4 數據分析 運用SPSS19.0軟件進行數據分析，作圖通過SigmaPlot 10.0作圖軟件完成。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫下3個水稻種質的株高變化

從圖1可以看出，隨著土壤NaCl添加量的增加，3個水稻種質的株高均呈下降趨勢，但3個種質的株高對鹽脅迫的響應有所差異。說明鹽脅迫影響水稻植株株高，影響程度與種質的耐鹽性和土壤含鹽量有關。當NaCl添加量達到0.4%時，3個水稻外觀特性受鹽害影響較明顯，具體表現為株高均明顯變矮、葉面積變小、分蘗較少、心葉卷曲、葉片發黃、葉緣枯萎，其中IR29受鹽害程度較嚴重，而Pokkali、JX99較輕(圖2)。

同一個種質不同小寫字母表示不同質量濃度之間差異顯著。圖1 鹽脅迫下3個水稻種質(IR29、JX99、Pokkali)的株高變化Fig.1 Change of plant height of three rice germplasms (IR29, JX99, Pokkali) under salt stress

圖2 鹽脅迫下水稻種質IR29、JX99、Pokkali的生長狀況Fig.2 The growth status of rice germplasms IR29, JX99, Pokkali under salt stress

2.2 鹽脅迫下3個水稻種質葉片蔗糖含量變化

隨著鹽脅迫濃度增大，3個種質的葉片蔗糖含量均呈逐漸升高的趨勢，然而種質間的蔗糖含量存在顯著差異，其中IR29的蔗糖含量水平較高(圖3)。在5個鹽脅迫水平間，同一種質的蔗糖含量呈現顯著差異，其中IR29蔗糖積累量較高；同一脅迫水平，IR29與Pokkali、JX99間的蔗糖含量差異顯著，但是Pokkali與JX99間差異不顯著。說明鹽脅迫影響植株蔗糖的合成與積累，鹽敏感種質IR29積累較多的蔗糖以緩解鹽脅迫傷害，而耐鹽性種質的蔗糖積累對鹽害的敏感性較低，受影響較小。

同一個種質不同小寫字母表示不同質量比之間差異顯著。圖3 鹽脅迫下水稻種質IR29、JX99、Pokkali葉片蔗糖含量Fig.3 The sucrose content in leaves of rice germplasms IR29, JX99, Pokkali under salt stress

2.3 鹽脅迫下3個水稻種質葉片可溶性糖含量變化

由圖4可知，隨著鹽脅迫水平的增高，3個種質葉片可溶性糖含量變化有所差異：Pokkali、JX99的可溶性糖含量逐漸升高，而IR29的可溶性糖含量保持較高的積累水平，在鹽脅迫水平0.4%后又逐步降低。隨著鹽脅迫濃度增高，同一種質不同鹽濃度間可溶性糖含量呈現顯著差異，但IR29在0.4%～0.5%鹽脅迫水平間差異不明顯；同一脅迫水平下，3個種質間可溶性糖含量呈現顯著差異，但在0.4%脅迫水平下差異不顯著。說明鹽脅迫影響水稻植株可溶性糖的合成與積累，耐鹽性不同的種質存在較大差異。在鹽脅迫下水稻種質積累較多可溶性糖，以緩解鹽害脅迫。

同一個種質不同小寫字母表示不同質量比之間差異顯著。圖4 鹽脅迫下水稻種質IR29、JX99、Pokkali葉片可溶性糖含量Fig.4 The soluble sugar content in leaves of rice germplasms IR29, JX99, Pokkali under salt stress

2.4 鹽脅迫下3個水稻種質葉片SS活性變化

隨著鹽脅迫濃度的增高，3個種質的SS活性均呈先升后降的趨勢，但不同種質的響應各有差異(圖5)。在0.2%脅迫水平下IR29的SS活性達到峰值，之后隨鹽濃度的升高而急劇降低；Pokkali、JX99在鹽脅迫下SS活性明顯高于IR29，在0.3%鹽脅迫水平下達到峰值，而后急劇降低，但SS活性仍較高。在不同鹽脅迫水平下，3個種質的SS活性均表現出顯著差異，種質間的差異也較為顯著。說明鹽脅迫影響水稻植株SS活性，耐鹽性不同的水稻種質SS活性對鹽脅迫的響應有較大差異。

同一個種質不同小寫字母表示不同質量比之間差異顯著。圖5 鹽脅迫下水稻種質IR29、JX99、Pokkali葉片蔗糖合成酶(SS)活性Fig.5 The sucrose synthase (SS) activity in leaves of rice germplasms IR29, JX99, Pokkali under salt stress

2.5 鹽脅迫下3個水稻種質葉片SPS活性變化

由圖6可知，隨著NaCl脅迫濃度的增加，3個水稻種質的SPS活性呈先升高后降低的趨勢，而且變化趨勢具有同步一致性；在鹽脅迫過程中IR29的SPS活性明顯高于JX99、Pokkali，在0.2%脅迫水平下達到峰值，而后急劇降低，但仍保持較高水平。不同鹽脅迫水平間，3個種質的SPS活性均呈顯著差異；同一脅迫水平下這3個種質的SPS活性也達到顯著差異。說明鹽脅迫影響了SPS活性，這3個水稻種質的SPS活性對鹽脅迫的響應具有一致性。鹽敏感型種質在鹽脅迫下，SPS活性保持較高的水平。

同一個種質不同小寫字母表示不同質量比之間差異顯著。圖6 鹽脅迫下水稻種質IR29、JX99、Pokkali葉片磷酸蔗糖合成酶(SPS)活性變化Fig.6 The sucrose phosphate synthase (SPS) activity in leaves of rice germplasms IR29, JX99, Pokkali under salt stress

2.6 鹽脅迫下水稻SS、SPS活性與糖代謝指標的相關性

由表2可見，鹽脅迫下，水稻植株SPS活性與蔗糖含量之間不僅呈簡單正相關和正偏相關關系，還達到極顯著水平，而SPS活性與可溶性糖含量之間呈極顯著的負偏相關關系，表明SPS活性的增強直接促進蔗糖的合成與積累，卻抑制了可溶性糖的合成。SS活性與蔗糖含量之間呈負簡單相關和負偏相關關系，均達到極顯著水平，卻與可溶性糖含量之間呈極顯著的正偏相關關系，說明SS活性的升高抑制了蔗糖的合成與積累，但是促進了可溶性糖的合成。株高與蔗糖含量之間呈極顯著的負偏相關和簡單負相關關系，說明鹽脅迫下，蔗糖作為小分子有機物參與滲透調節，維持植株正常的生命活動，生長發育卻受到抑制。參與糖代謝的兩個關鍵酶SPS和SS活性之間呈極顯著的正偏相關關系，共同促進調節糖代謝平衡。

3 討 論

不同程度的鹽脅迫對水稻的生長發育有顯著影響[33]。本研究結果表明，中度鹽脅迫(添加0.4%～0.5% NaCl，質量比)顯著抑制了水稻的生長發育，表現為植株變矮、葉面積較小、分蘗數減少、葉片枯萎等，這與李姝晉等[34]的研究結論一致。正常生長條件下，在“源”葉片的細胞質中，植物通過光合作用合成并積累蔗糖和可溶性糖，一部分用于維持自身代謝，另外一部分運輸到“庫”組織供自身生長[35]。水稻植株的蔗糖、可溶性糖的合成與積累與株高的變化趨勢具有同步一致性。但在鹽脅迫下，鹽敏感型種質IR29的蔗糖、可溶性糖積累量較另外2個耐鹽種質更為明顯，但其植株生長發育受到的抑制作用也更為明顯。鹽敏感型植株通過光合作用合成并積累的蔗糖和可溶性糖，有一部分用于緩解鹽脅迫造成的細胞滲透作用以及抗逆生理的恢復，導致用于植株生長的蔗糖和可溶性糖不足，而表現為隨鹽脅迫水平的增加植株變矮、葉面積較小、分蘗數減少、葉片枯萎等。

表2 鹽脅迫下水稻SS、SPS活性與糖代謝指標的相關性

*表示相關性顯著(P<0.05);**表示相關性極顯著(P<0.01)。左下區域為簡單相關性，右上區域為偏相關性。

通過相關性分析發現，鹽脅迫下，SPS與SS共同參與糖代謝平衡，但SPS直接促進蔗糖的合成，卻抑制了可溶性糖的合成，而SS促進可溶性糖的積累卻抑制了蔗糖的積累，說明鹽脅迫對水稻植株蔗糖和可溶性糖的合成與積累的影響是SS與SPS共同調控的結果,這與劉海波等[36]的研究結論一致。

輕度鹽脅迫激發SS、SPS活性顯著增強，緩解細胞滲透壓，促進植株生長發育，維持正常生命活動。而中度、重度鹽脅迫下，SS、SPS活性降低，但敏感型種質IR29的SPS活性仍保持較高水平，促進蔗糖合成與減少積累，有助于緩解糖代謝對光合作用的負反饋抑制，保持正常光合作用，維持正常生命活動,提高水稻植株的抗逆性[37]，但表現為植株生長發育受到明顯的抑制。

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