低溫脅迫下外源甜菜堿對水稻秧苗期生長的影響

劉陳晨 李旭 任士偉

摘要：以葉面噴施的形式研究甜菜堿對抵御低溫冷害的水稻秧苗期生長的影響，旨在為寒地水稻培育壯苗、齊苗技術(shù)提供依據(jù)。以稻花香為試驗品種，設(shè)置甜菜堿0、10、20、30、60 mmol/L濃度，結(jié)果表明，葉面噴施一定濃度范圍內(nèi)甜菜堿，能緩解低溫脅迫對水稻的危害，并提高水稻秧苗期的各項農(nóng)藝指標(biāo);以甜菜堿濃度20 mmol/L最優(yōu)，成苗率提高18.19%，苗高提高3.67%，SPAD值提高16.40%，根長提高8.82%，根系平均直徑提高34.74%，須根數(shù)提高14.41%，根長密度增長率16.92%，總根系體積增長27.17%，根尖數(shù)增長34.18%，根總表面積增加16.13%，根系活躍面積增加43.39%;而當(dāng)葉面噴施較高濃度甜菜堿（60 mmol/L）時，則對水稻秧苗生長有抑制作用。

關(guān)鍵詞：水稻;甜菜堿;低溫脅迫;葉面噴施;抗寒性

中圖分類號： S511.01;S311? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）11-0100-03

寒地水稻是我國優(yōu)質(zhì)粳米的主產(chǎn)區(qū)，提高該地區(qū)水稻產(chǎn)量是提高我國水稻總產(chǎn)量、保障我國糧食安全的重要途徑，但在近幾年，氣候異常，尤其是寒地地區(qū)，如2009—2013年，均在春季出現(xiàn)罕見的持續(xù)低溫天氣并發(fā)生冷害，造成水稻產(chǎn)量下降及品質(zhì)降低[1]。當(dāng)水稻秧苗期遇到較長時間低溫天氣，降低水稻成苗率，水稻秧苗失綠，生長減慢，分蘗減少或停止，生物積累量降低，生育期顯著延長，嚴(yán)重時枯萎甚至死亡[2]。所以寒地低溫冷害是限制寒地水稻生產(chǎn)潛力的主要因素[3]。研究者針對防御水稻低溫冷害提出了很多的技術(shù)措施，如選育耐冷早熟品種，提高土壤肥力，使用深耕、早播等栽培措施和大棚育苗等方法和噴施化控防寒藥劑等[4]。本試驗選擇化學(xué)藥劑甜菜堿，進(jìn)行水稻秧苗期抵御低溫脅迫的研究。

甜菜堿（betaine）是一類季銨水溶性生物堿，化學(xué)名稱為N-甲基代氨基酸，當(dāng)受到脅迫時，植物體內(nèi)大量積累，可起滲透調(diào)節(jié)作用，以維持植物細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境滲透平衡，同時穩(wěn)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能[5-6]。近年來，外源甜菜堿與植物抗逆性研究日益受到研究者重視，如鹽脅迫、干旱及低溫脅迫。李善家等使用10 mmol/L甜菜堿緩解了鹽脅迫對黑果枸杞種子萌發(fā)及幼苗生長產(chǎn)生的傷害，并提高種子及幼苗的抗鹽能力[7];殷云剛等噴施50 mg/L甜菜堿，番茄幼苗期體內(nèi)干物質(zhì)積累增加，脯氨酸增加、丙二醛減少，相對電導(dǎo)率變小，提高了其抗旱性[8];梁小紅等噴施100 mmol/L甜菜堿緩解低溫脅迫下結(jié)縷草坪觀質(zhì)量和葉綠素含量的下降，提高其耐低溫能力[9]。施用甜菜堿能夠有效提高作物抗逆性。本試驗通過構(gòu)建低溫環(huán)境，研究低溫脅迫下，施用外源甜菜堿，水稻種子發(fā)芽率、秧苗期農(nóng)藝性狀及根系指標(biāo)與抗寒能力的聯(lián)系，以期為提高水稻抗寒性提供技術(shù)支持及理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻品種為稻花香。供試藥劑為甜菜堿（分析純）。

1.2 試驗處理

試驗于2017年1月在國家緩控釋肥工程技術(shù)研究中心實驗室中進(jìn)行。采用育苗方法，試驗共設(shè)6個處理。其中低溫脅迫條件下5個處理，即設(shè)置甜菜堿不同濃度溶液浸泡（0、10、20、30、60 mmol/L），編號T0至T4;溫室條件下1個處理，作為空白對照CK。取健康飽滿的水稻種子10 g，清水浸泡至露白，催芽2 d。后選大小、芽長一致的水稻種子10粒放入育苗盤中，每個處理重復(fù)3次。在第8、18、28天時按試驗設(shè)計噴施不同濃度的甜菜堿。同時在第10天將處理移入GPJ-150全智能人工氣候箱進(jìn)行低溫處理，晝/夜平均設(shè)定溫度為15 ℃/5 ℃，相對濕度75%，白天/黑天光照分別12 h，共2 d，每間隔10 d移入，共2次。其余時間置于溫室中培養(yǎng)，溫室條件溫度25 ℃/15 ℃，白天光照14 h。溫室處理不進(jìn)行低溫脅迫處理。

1.3 測定指標(biāo)

記錄水稻種子的成苗率;使用葉綠素含量測定儀SPAD502測定葉綠素含量（SPAD值）;使用剪刀將地上部與根系分開。使用直尺測量水稻秧苗的苗高、根長;將各處理地上部和根系置于105 ℃殺青30 min后65 ℃烘干，測定各部分干物質(zhì)量。使用EPSON根系掃描儀及WinRHIZO軟件進(jìn)行根系分析，測定根長密度、根表面積、根系體積和根尖數(shù)等指標(biāo);使用TTC還原法測定根系活力值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2017和SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜菜堿對水稻秧苗期地上部農(nóng)藝性狀和根系特征的影響

通常水稻成苗率是種子質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，水稻株高和葉綠素含量（SPAD值）是指示水稻是否豐產(chǎn)的重要農(nóng)藝性狀。由表1可知，低溫脅迫對水稻成苗率、秧苗的苗高和SPAD值均呈現(xiàn)抑制作用，隨著噴施甜菜堿濃度的增加，水稻秧苗期成苗率、苗高、SPAD值均呈現(xiàn)先提升后降低的趨勢;當(dāng)噴施高濃度甜菜堿（T4）時，水稻成苗率、苗高、SPAD值均低于其他處理，且各處理的指標(biāo)之間差異顯著（P<0.05）。低溫脅迫下，當(dāng)甜菜堿噴施濃度在10～30 mmol/L時，水稻秧苗期各項指標(biāo)均大于其他處理;尤其是當(dāng)濃度為20 mmol/L時，與溫室條件下處理（CK）對比，成苗率提高18.19%，苗高提高 3.67%，SPAD值提高16.40%。

根系發(fā)育良好是壯苗的基本條件，主根長、根系平均直徑和須根數(shù)均是根系生長發(fā)育的重要指標(biāo)。由表2可以看出，低溫脅迫對水稻根系生長發(fā)育有抑制作用;當(dāng)噴施甜菜堿濃度在10～30 mmol/L時，水稻根系各項指標(biāo)均大于其他處理;尤其是當(dāng)濃度為20 mmol/L時，與溫室條件下處理（CK）對比，主根長提高8.82%，根系平均直徑提高34.74%，須根數(shù)提高14.41%;而噴施高濃度甜菜堿，即濃度提高至 60 mmol/L 時，水稻根系生長發(fā)育有明顯的抑制作用。說明噴施適宜濃度甜菜堿，能緩解低溫脅迫的危害，同時能促進(jìn)水稻根系生長。

綜合水稻地上部農(nóng)藝性狀和根系特征來說，噴施一定濃度范圍內(nèi)的甜菜堿，能提高水稻種子成苗率，有利于秧苗期地上部和根系的生長發(fā)育，同時能緩解低溫脅迫對水稻秧苗生長發(fā)育的危害;當(dāng)噴施過高濃度甜菜堿時，不能緩解低溫脅迫的危害，而且對水稻成苗率和秧苗期生長發(fā)育有抑制作用。

2.2 甜菜堿對水稻秧苗期干物質(zhì)積累及分配的影響

2.2.1 甜菜堿對水稻秧苗期干物質(zhì)積累的影響 由表3可以看出，在低溫脅迫下，水稻的地上部、根系和總干質(zhì)量均受到抑制;當(dāng)噴施甜菜堿濃度在10～30 mmol/L時，水稻干物質(zhì)積累量加大，并高于CK，隨著甜菜堿噴施濃度的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當(dāng)濃度在20 mmol/L時干物質(zhì)積累量最大，與CK對比，地上部干質(zhì)量增加11.98%，根系干質(zhì)量增加37.98%，總干質(zhì)量增加19.91%;當(dāng)甜菜堿噴施濃度提高到60 mmol/L時干物質(zhì)的積累量低于CK。說明噴施適宜濃度甜菜堿，能提高水稻干物質(zhì)積累，過高濃度時不利于干物質(zhì)積累。

2.2.2 甜菜堿對水稻秧苗期干物質(zhì)分配的影響 水稻根系發(fā)達(dá)為養(yǎng)分的吸收及產(chǎn)量的提高奠定了基礎(chǔ)。由表4可以看出，低溫脅迫對水稻根系干質(zhì)量有抑制作用，噴施一定濃度甜菜堿，水稻根系干質(zhì)量占比及根冠比隨著濃度的增加呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢，在濃度20 mmol/L時達(dá)到最大值，濃度達(dá)到60 mmol/L時其值低于CK。說明噴施適量甜菜堿能促進(jìn)水稻秧苗期根系生長發(fā)育，使根系強(qiáng)壯，緩解低溫脅迫的危害;但噴施高濃度則不能。

綜合水稻干物質(zhì)積累及分配來看，與水稻秧苗期農(nóng)藝性狀相似，噴施適量甜菜堿降低低溫脅迫的危害的同時，對水稻秧苗期根系生長有促進(jìn)作用，提高地上部及根系干物質(zhì)積累，有利于養(yǎng)分吸收;當(dāng)高濃度時，不但不能緩解低溫脅迫的危害，同時還抑制根系生長。

2.3 甜菜堿對水稻秧苗期根系的影響

2.3.1 甜菜堿對水稻秧苗期根系形態(tài)的影響 從表5可以看出，低溫脅迫對水稻秧苗期根系的根長密度、總根系體積和根尖數(shù)有抑制作用;噴施一定濃度甜菜堿后，各項指標(biāo)隨著濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當(dāng)濃度為 20 mmol/L 時達(dá)到最優(yōu)，與CK比較，根長密度增長16.92%，總根系體積增長27.17%，根尖數(shù)增長34.18%，且與其他處理差異顯著（P<0.05）;當(dāng)甜菜堿噴施濃度提高到60 mmol/L以上時根系形態(tài)各項指標(biāo)低于CK。

2.3.2 甜菜堿對水稻秧苗期根系活力的影響 從表6可以看出，在低溫脅迫下，水稻秧苗期根系活力下降;噴施一定濃度甜菜堿，根系活力隨著濃度的升高同樣呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢，各處理之間差異顯著（P<0.05），當(dāng)濃度為 20 mmol/L 時達(dá)到最優(yōu)，與CK比較，根總表面積增加 16.13%，根系活躍面積增加43.39%;當(dāng)甜菜堿噴施濃度提高到60 mmol/L以上時根系活力指標(biāo)低于CK。表明噴施甜菜堿能緩解低溫脅迫的危害，對根系活力具有明顯的促進(jìn)效果。

綜合水稻根系形態(tài)指標(biāo)和根系活力來看，與其他指標(biāo)具有相似性，噴施適量甜菜堿能緩解低溫脅迫的同時，促進(jìn)根系活性，這對水稻秧苗期的養(yǎng)分吸收和光合生產(chǎn)能力有重要意義;當(dāng)噴施過高濃度甜菜堿時則有抑制作用。

3 結(jié)論與分析

在大田環(huán)境中，低溫天氣發(fā)生的時期和強(qiáng)度均不可預(yù)知且危害難以估計，在水稻秧苗期遇低溫危害，水稻秧苗葉片發(fā)黃，葉綠素含量降低[10];而水稻根系是吸水吸肥和支持地上部的重要器官，也是許多重要生理生化物質(zhì)的合成器官，發(fā)達(dá)強(qiáng)壯的根系是水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的前提條件[11-12]。同時甜菜堿能在低溫下維持蛋白質(zhì)和生物膜的結(jié)構(gòu)和功能，逆境中保持較高的光合速率;所以使用灌根或噴施的方法提高植物體內(nèi)甜菜堿含量能提高植物的抗寒、抗旱和抗鹽性，植物容易吸收并迅速運(yùn)輸?shù)礁鱾€組織器官中，并不易被植物體內(nèi)分解，保證其功能發(fā)揮[13-14]。徐錦海等研究表明在水稻秧苗期根施甜菜堿，提高了水稻秧苗的存活力、增加了葉綠素含量、根系活力、可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量和脯氨酸含量等，但并未篩選出甜菜堿根施最適濃度[15]。本試驗與前人研究結(jié)論一致，噴施一定濃度甜菜堿能提高低溫脅迫下水稻成苗率和秧苗農(nóng)藝性狀，并篩選出甜菜堿的最適濃度（20 mmol/L）。

噴施外源甜菜堿提高對鹽脅迫下枸杞、小麥、水稻等作物的光合作用能力，增加過氧化物酶活性，延緩葉片葉綠素含量減少的趨勢，并提高耐鹽性，高濃度則抑制;噴施外源甜菜堿能緩解水分脅迫對茶葉、棉花、小麥等作物的危害，增加葉片脯氨酸含量等，提高其抗干旱能力[16-20]。本研究也表明，噴施外源甜菜堿提高了水稻秧苗期的抗寒能力;使養(yǎng)分向根系流轉(zhuǎn)，提高水稻根系活力及吸收養(yǎng)分能力，增加地上部和根系干物質(zhì)積累，提高葉綠素含量使葉面發(fā)綠，增強(qiáng)光合速率;但在高濃度（60 mmol/L）下效果不佳，不能起到保護(hù)水稻秧苗的作用。

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