涂雯 安琪 何永剛 劉少佳 蔡海亞 章志宏



摘要:為了研究水稻(Oryza sativa L.)低節位早發分蘗與葉片形態、碳氮代謝之間的關系,并篩選低節位分蘗多、早期分蘗發生速率快且符合理想株型葉片形態的水稻品種(系),對31個秈亞種水稻品種(系)早期低節位的分蘗特性、葉片形態及碳氮代謝指標進行了相關性分析和聚類分析。結果表明,在正常栽培條件下,不同水稻品種(系)第一葉位成蘗率存在廣泛變異,而第二、第三葉位成蘗率達到100%;水稻低節位分蘗發生速率與秧苗前3片葉葉長呈正相關,分蘗數量與葉寬呈負相關,因此,在育種上,可以將水稻秧苗前3片葉較長且較窄作為篩選早發分蘗水稻品種的參考形態指標;水稻植株體內蔗糖含量只影響分蘗發生速率,但不影響分蘗數量;硝態氮含量既影響分蘗發生速率,也影響成蘗率,氮代謝酶谷氨酸合酶(NADH-GOGAT)和谷氨酸脫氫酶(NADH-GDH)的活性能促進水稻低節位分蘗的發生;將31份水稻品種(系)進行聚類,可分為A、B、C 3類,其中C類材料是分蘗發生較早且分蘗發生速率快、葉片形態更接近于理想株型葉片形態的優質育種材料。
關鍵詞:水稻(Oryza sativa L.);低節位分蘗;分蘗早發;葉片形態;碳氮代謝
中圖分類號:S511? ? ? ? ?文獻標識碼:A
文章編號:0439-8114(2019)21-0022-08
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.21.004
Abstract: In order to study early tillers at low-nodes and their association with leaf morphological characters and carbon and nitrogen metabolism, and to screen rice (Oryza sativa L.) varieties (lines) with many tillers at early low-nodes, high tillering rate and the leaf morphology of ideal plant architecture, the tillering characteristics at early low-nodes, seeding leaf morphology and carbon and nitrogen metabolism indexes in 31 indica rice varieties (lines) were studied by correlation analysis and cluster analysis. The results showed that under general cultivation conditions, the tillering rate of the first node in different rice varieties (lines) showed extensive variation, while the tillering rate of the second and third node reached 100%. The occurrence rate of tillers at low-nodes in rice was positively correlated with seeding leaf length, and tiller number was negatively correlated with leaf width. Therefore, in breeding, the first three leaves of rice seedlings which are longer and narrower can be used as morphological reference indexs for selecting rice varieties with early tillers. The sucrose content in rice seeding affected only the occurrence rate of tillers, but not affected tiller number. Nitrate content affected not only the occurrence rate of tillers, but also the tillering rate. The activity of nitrogen metabolic enzymes such as glutamate synthase (NADG-GOGAT) and glutamate dehydrogenase (NADG-GDH) could promote the formation of tillers at low-nodes in rice. The rice varieties(lines) investigated in the current study were clustered into three categories: classes A, B and C. Among them, materials in class C were high-quality breeding materials with early tillers, fast occurrence rate of tiller, and leaf morphology closer to that of ideal plant architecture.
Key words: rice (Oryza sativa L.); low-node tillers; early tillers; leaf morphological characters; carbon and nitrogen metabolism
水稻(Oryza sativa L.)葉片形態與光合作用密切相關,作為植株的“源”器官,為植株的的生長發育提供必需的營養。水稻分蘗芽的伸長也需要母莖葉片為其提供養分才得以形成分蘗,而且對水稻產量的最終形成影響也較大[1,2]。碳氮代謝是植物最基本的物質和能量代謝,影響并決定植物光合產物的分配與利用、蛋白質的合成、礦物質的吸收等多種生命活動。其中,碳代謝為氮代謝提供碳骨架和能量,而氮代謝又為碳代謝提供必需的酶類;同時碳、氮代謝還需要相同的還原力、ATP和碳骨架[3,4]。二者相輔相成,相互合作又相互競爭,這兩者的協調程度不僅直接關系到植物正常的生長發育,也在很大程度上影響植物分枝的發生與生長。
近年來,在小麥和水稻中均發現蔗糖含量降低,分蘗芽無法正常生長[5,6]。在水稻營養生長期,氮供應不足時有效分蘗數會大量降低,而氮素供應充足則會促進分蘗的發生,因此氮素對水稻生長及其分蘗的發生起到了關鍵作用[7,8]。植物根系吸收的氮素主要來源于土壤中的無機氮,以硝態氮(NO3-)和銨態氮(NH4+)為主。植物吸收硝態氮后,少量硝態氮可在根系被同化為氨基酸和蛋白質,或被根部細胞的液泡暫時貯存,不被同化;大量硝態氮則是通過木質部向上運輸,進入葉片貯存或被同化[9]。硝態氮的還原主要由硝酸還原酶(Nitrate reductase,NR)和亞硝酸鹽還原酶(Nitrite reductase,NiR)催化完成,即硝態氮在胞質中被NR還原為亞硝態氮(Nitrite,NO2-),然后亞硝態氮被NiR還原成氨氣,氨氣溶于水變為銨根離子[10,11]。不論是直接來源于土壤或空氣中的氮,包括根系直接吸收的NH4+,根系直接吸收NO3-還原的NH4+以及生物固氮產生的NH4+,還是來源于植物自身代謝產生的NH4+, 包括葉片衰老時蛋白質降解產生的NH4+、種子萌發時產生的氮、光呼吸產生的NH4+以及木質素合成和氨基酸代謝產生的NH4+,都需要經過GS/GOGAT同化途徑:GS催化1分子的NH4+與1分子的谷氨酸(Glutamate,Glu)合成1分子的谷氨酰胺(Glutamine,Gln),GOGAT則催化1分子的Gln和1分子的α-酮戊二酸(2-Oxogluatarate,2-OG)形成2分子的谷氨酸,其中1分子谷氨酸作為GS的底物重新參與NH4+的同化,另一分子谷氨酸則合成各種氨基酸進入植物體內的氮代謝過程,這兩個反應偶合在一起,被稱為GS/GOGAT循環[12]。GS依賴ATP催化谷氨酸合成谷氨酰胺;GOGAT在鐵氧化還原蛋白(Fd)或者NADH的存在下催化Gln和2-OG合成Glu[12-17]。GS/GOGAT循環在無機氮同化為有機氮的過程中起到了至關重要的作用[18]。此外,谷氨酸脫氫酶(Glutamate dehydrogenase,GDH)在維持植物氮平衡中也起著重要作用。當植物體內氮素含量過高時,GDH 能催化NH4+與2-OG結合形成谷氨酸,并將谷氨酸轉運到植物體其他組織內貯存,以防止NH4+含量過高對植物產生毒害作用;當植物體氮素含量降低時,GDH分解谷氨酸為氮代謝反應提供氮素,從而保證氮代謝的正常運轉[19-21]。可溶性蛋白質是許多植物體內酶的重要組成部分,參與植物多種生理生化代謝過程的調控, 與植物的生長發育、成熟衰老和抗逆性等密切相關[22,23]。在植物體內,游離氨基酸是含氮有機化合物的主要形式,其含量變化影響著植物體的各種代謝反應,反映植物體對氮素的吸收、運輸和同化能力[24]。
成穗數是水稻產量的重要構成因素之一,而秧苗的有效分蘗數又是決定穗數的重要因素,過低或過高的分蘗數都會影響單位面積產量[2]。控制水稻的無效分蘗和提高成穗率是提高水稻產量的重要手段。水稻低節位(1~3節位)分蘗產生的時間早,伴隨主莖生長的時間長,一生總葉片數多,所產生分蘗又分布于群體的上層,受光條件好,有增加有效穗、葉面積和生物量的最大潛力,是培育高產水稻品種的重要研究內容之一[25]。水稻分蘗與理想株型、環境、植株生長、生理特性、生長調節因子和分蘗相關基因以及產量形成等方面已有較多研究,但針對低節位早發分蘗的研究還比較少。本研究考察了不同水稻品種(系)的分蘗特性及其葉片形態、碳氮代謝指標,并進行了相關分析和聚類分析。其研究結果將為篩選早期低節位分蘗多、分蘗發生速率快且符合理想株型葉片形態的優良水稻品種(系)提供理論依據。
1? 材料與方法
1.1? 試驗材料及其種植
試驗材料為31個秈亞種的水稻品種(系),分別為HR160、HD9802S、珍汕97B、岳4B、早優143、地谷、昌早2號、中嘉早17、天豐B、華占、H925S、R433、五三絲苗、R288、粵泰B、新香6號、窄葉青8號、揚兩優6號、廣粘63S、R900、特青、綿恢725、明恢63、IR64、C815S、9311/PAY1、W1111、鄂早18、R2257、R600、桂朝2號。
以上材料于2018年6—7月在武漢大學雜交水稻國家重點實驗室鄂州試驗基地試驗田內進行材料的種植以及取樣。
播種前,首先用清水選種,然后浸種,使用強氯精殺菌可防止種子帶病,最后催芽(三浸三濾),以提高發芽勢、發芽率和出苗整齊度。播種時,均采用秧盤(秧盤泥土取自翻耕后的試驗田)點播,秧盤每孔播1粒芽長一致的種子,按種子根朝下芽朝上播種。將秧盤按標簽依次擺放在試驗田,秧盤里面泥土保持濕潤。做好各種預防鳥害、鼠害措施。
試驗田翻耕前施德沃爾復合肥(N、P2O5、K2O含量均為16%,總養分≥48%,硝態氮含量≥7%)作為底肥,按照450 kg/hm2均勻施撒,然后翻耕整田,要求田面平整,最后用劃行器在試驗田里劃出大小一致的格子,選擇生長一致的一葉一心期幼苗移栽至試驗田,行距為20.0 cm,株距為16.7 cm。材料生長過程中,田面始終維持淺水層狀態,并嚴格控制病蟲害和雜草。試驗采用隨機區組設計,小區面積為96 m2(12 m×8 m),設置3次重復。
1.2? 水稻秧苗分蘗特性及相關農藝性狀的觀測
分別于播種后第13、17天統計每株材料各個葉位的分蘗情況,并計算出每份材料第一至第三葉位的成蘗率、單株一級分蘗數以及播種后第17天單株總分蘗數、播種后第13~17天的分蘗發生速率。考慮邊緣效應,每份材料每個重復均統計中間3行的18株。
2017年7月對生長至四葉期的試驗材料測定葉片形態。每份材料每個重復分別選取6株生長一致的植株,測定前3葉葉片長度和寬度(葉片最寬處)。將每份材料的前3葉剝取分別裝入牛皮紙袋并在牛皮紙袋上做標記。殺青后于80 ℃烘箱烘至恒重,分析天平分別稱量前3葉的干物質量。
比葉重=干物質量/(葉長×最大葉寬×0.75)
1.3? 水稻秧苗生理生化指標的測定
三葉一心期取地上部分置于牛皮紙袋中高溫暴曬殺青,80 ℃烘干至恒重,用于蔗糖、可溶性糖含量測定。三葉一心期取地上部分,用液氮保存并轉移至-80 ℃超低溫冰箱貯存,用于硝態氮、可溶性蛋白質、游離氨基酸含量及硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(NADH-GOGAT)、谷氨酸脫氫酶(NADH-GDH)活性的測定。
粗酶液提取及保存參考盧永恩[18]的方法;蔗糖、可溶性糖、硝態氮、可溶性蛋白質、游離氨基酸含量及硝酸還原酶活性的測定參考文獻[26,27];谷氨酰胺合成酶活性檢測參考Rhodes等[28]報道的方法;NADH-GOGAT活性測定參照Hecht等[29]的方法;NADH-GDH活性測定參照Turano等[30]的方法進行。
1.4? 數據分析
利用Excel軟件和SPSS 20.0軟件進行相關性分析,以篩選出與秈稻低節位早發分蘗密切相關的指標。統計性狀依次為第一葉位成蘗率、第二葉位成蘗率、第三葉位成蘗率、播種后第13天單株一級分蘗數、播種后第17天單株一級分蘗數、播種后第17天單株總分蘗數、播種后第13~17天的分蘗發生速率、第一葉葉長、第一葉葉寬、第一葉干物質量、第一葉比葉重、第二葉葉長、第二葉葉寬、第二葉干物質量、第二葉比葉重、第三葉葉長、第三葉葉寬、第三葉干物質量、第三葉比葉重、蔗糖含量、可溶性糖含量、硝態氮含量、可溶性蛋白質含量、游離氨基酸含量、硝酸還原酶(NR)活性、谷氨酰胺合成酶(GS)活性、谷氨酸合酶(NADH-GOGAT)活性、谷氨酸脫氫酶(NADH-GDH)活性共28個指標。以這些指標為基礎數據,并利用R軟件進行聚類分析[31]。
2? 結果與分析
2.1? 不同水稻品種(系)第一至第三葉位成蘗率
為了研究水稻品種低節位早發分蘗的發生情況,觀測了31個水稻品種(系)第一至第三葉位的成蘗率。由圖1可知,第一葉位成蘗率極高(96%~100%)的水稻品種(系)有9個,分別是廣粘63S、HR160、C815S、岳4B、早優143、窄葉青8號、揚兩優6號、綿恢725和R600;第一葉位成蘗率較高(81%~93%)的水稻品種(系)有10個,分別是R288、H925S、新香6號、R433、五三絲苗、明恢63、桂朝2號、鄂早18、HD9802S和IR64;第一葉位成蘗率居中(56%~78%)的水稻品種(系)有6個,分別是華占、天豐B、R2257、9311/PAY1、特青、粵泰B;第一葉位成蘗率較低(39%~49%)的水稻品種(系)有3個,分別是昌早2號、地谷和W1111;其余的3個水稻品種(系)第一葉位成蘗率極低(11%~20%),分別是R900、中嘉早17和珍汕97B。由此可見,在正常栽培條件下,不同水稻品種(系)第一葉位成蘗率存在廣泛變異,而第二、第三葉位成蘗率均達到100%。雖然水稻分蘗能力強弱存在品種間差異,但本研究結果表明,在正常培養條件下,不同水稻品種早發分蘗的差異葉位主要體現在第一葉位上。
2.2? 水稻品種(系)分蘗特性與前3葉形態性狀之間的相關性分析
為了探究不同水稻品種低節位早發分蘗與水稻秧苗前3葉形態性狀之間的聯系,對31個水稻品種(系)分蘗特性和前3葉形態性狀進行了相關性分析,結果(表1)顯示,第一葉位成蘗率與第一葉葉長、第二葉葉長、第二葉比葉重都呈極顯著正相關,相關系數分別為0.549、0.458和0.484;與第二葉葉寬呈顯著負相關,相關系數為-0.452;與第一葉干物質量呈顯著正相關,相關系數為0.381。播種后第13天單株一級分蘗數與第一葉葉寬、第一葉干物質量、第二葉干物質量都呈顯著負相關,相關系數分別為 -0.451、-0.375和-0.512;與第三葉葉寬、第三葉干物質量都呈極顯著負相關,相關系數分別為-0.556和-0.592。播種后第17天單株一級分蘗數與第一葉、第二葉、第三葉的葉寬都呈極顯著負相關,相關系數分別為-0.496、-0.504和-0.613;與第三葉干物質量呈顯著負相關,相關系數為-0.403。播種后第17天單株總分蘗數與第一葉、第二葉、第三葉葉寬呈極顯著負相關,相關系數分別為-0.461、-0.470和-0.573;與第三葉干物質量呈顯著負相關,相關系數為-0.422。由于二級分蘗發生得比較少,播種后第17天單株一級分蘗數和總分蘗數與前3葉葉片形態相關性一致。播種后第13~17天分蘗發生速率與第二葉葉長、第三葉葉長、第二葉干物質量都呈極顯著正相關,相關系數分別為0.468、0.513和0.409;與第一葉葉長、第二葉比葉重、第三葉干物質量都呈顯著正相關,相關系數分別為0.373、0.366和0.402。以上結果表明,水稻秧苗前3葉的葉片形態是影響水稻低節位早發分蘗形成的重要因素之一。
2.3? 水稻品種(系)分蘗特性與碳氮代謝指標之間的相關性分析
為了探索不同水稻品種(系)分蘗特性和碳氮代謝之間的聯系,對31個水稻品種(系)分蘗特性和碳氮代謝指標進行了相關性分析,結果(表2)表明,第一葉位成蘗率與秧苗硝態氮含量呈顯著負相關,相關系數為-0.415;與秧苗可溶性蛋白質含量和NADH-GOGAT活性都呈顯著正相關,相關系數分別為0.378和0.410;與NADH-GDH活性呈極顯著正相關,相關系數為0.475。播種后第13天單株一級分蘗數與NADH-GDH活性呈顯著正相關,相關系數為0.411。播種后第17天單株一級分蘗數與NADH-GOGAT活性呈極顯著正相關、與NADH-GDH活性呈顯著正相關,相關系數分別為0.424和0.366。播種后第17天單株總分蘗數與NADH-GOGAT活性、NADH-GDH活性都呈顯著正相關,相關系數分別為0.395和0.415。播種后第13~17天分蘗發生速率與蔗糖含量呈極顯著正相關,相關系數為0.497;與硝態氮含量呈極顯著負相關,相關系數為-0.520。播種后第13~17 d分蘗發生速率與植株蔗糖含量呈正相關,說明光合作用貯存的碳水化合物促進了水稻分蘗芽的正常生長和伸長。在早期低節位分蘗發生過程中,硝態氮含量與第一葉位成蘗率、播種后第13~17天分蘗發生速率呈負相關,同時氮同化酶NADH-GOGAT和NADH-GDH活性始終與分蘗數呈正相關,說明植株體內硝態氮被大量消耗還原成NH4+,氮同化酶進一步將NH4+同化為促進分蘗生長的各種有機態氮。由此可見,氮代謝對低節位早發分蘗至關重要。以上研究表明,水稻植株體內蔗糖影響分蘗發生速率,但不影響分蘗數量;硝態氮含量既影響分蘗發生速率,也影響水稻分蘗數量,氮代謝酶NADG-GOGAT和NADG-GDH的活性能促進水稻低節位分蘗的發生。
2.4? 基于水稻分蘗特性、前3葉形態性狀和碳氮代謝指標的水稻品種(系)聚類分析
為了更清楚地了解各水稻品種(系)早發分蘗的情況,以分蘗特性、前3葉形態性狀和碳氮代謝指標等28個不同的性狀為基礎,采用系統聚類法中的最長距離法對主要性狀進行聚類,將31個水稻品種(系)分為A類、B類、C類3大類(圖2),可以看出3類群間的距離大于類群內的距離,符合聚類分析的原則。其中,A類包括中嘉早17、珍汕97B、地谷、C815S、岳4B、窄葉青8號、IR64、天豐B、鄂早18、R288、桂朝2號、粵泰B、特青、W1111;B類包括R900、9311/PAY1;C類包括廣粘63S、早優143、揚兩優6號、R433、R600、R2257、HD9802S、昌早2號、H925S、明恢63、華占、五三絲苗、新香6號、HR160、綿恢725。
基于以上聚類結果,求出各類水稻材料不同性狀的平均值,并在各類品種間做方差分析,以便進一步比較3類水稻材料不同性狀之間的差異(圖3)。其中,A類和C類材料第一葉位成蘗率、播種后第13天單株一級分蘗數、播種后第17天單株一級分蘗數、播種后第17天單株總分蘗數均較高,但A類材料播種后第13~17天分蘗發生速率較低,而C類材料播種后第13~17天分蘗發生速率較高。A類材料前3葉葉長均較短,葉寬均較窄,干物質量均較低。C類材料前3葉葉長均較長,葉寬均較窄,干物質量均較高。B類材料第一葉位成蘗率、播種后第13天單株一級分蘗數、播種后第17天單株一級分蘗數、播種后第17天單株總分蘗數以及播種后第13~17天分蘗發生速率均較低,前3葉葉寬均較寬。以上結果表明,C類材料是分蘗發生較早且分蘗發生速率快、葉片形態更接近于理想株型葉片形態的優質育種材料。
3? 討論
水稻分蘗芽處于二幼一基期之前對外界環境因素不敏感,但其后續生長發育就會受環境因素影響,光、溫、水、肥都會影響水稻分蘗的發生,水稻分蘗芽在三幼一基期對環境最為敏感,分蘗芽度過三幼一基期進入四幼一基期后,即使是生長條件稍惡劣,也可出蘗形成正常分蘗[32]。由于秧盤播種和田間施加適宜的底肥,田間維持淺水層狀態,且溫度高、日照充足、營養生長旺盛,使得多數秈亞種水稻品種(系)第一至第三葉位的分蘗芽順利度過三幼一基期,各個材料低節位分蘗均發生得多且快。
葉片是植物進行光合作用和呼吸作用的主要場所,是株型構成的重要組成部分,而株型與作物產量又密不可分。同時,葉片作為植株的“源”器官,提供谷粒構成所必需的大部分有機物。許多育種家提出不同生態型的超高產水稻理想株型模式,如楊守仁等[33]的“理想株型”及陳溫福[34]的直立穗型、黃耀祥等[35,36]的半矮稈叢生快長超高產株型模式、周開達等[37]的重穗型和袁隆平[38]的超級稻形態模式,都對葉片形態提出了詳細的量化指標。在株型育種中,窄葉性狀是一個極為重要的葉片性狀,特別是在長江中下游稻區,光照條件比較充足,窄葉能更為充分地利用光能,水稻株型也表現得較為緊湊,易達到高產。葉片適度變窄變卷,有利于葉片更好地適應強光并減少其體內水分的蒸發,增加光合作用效率,進而達到高產的目的。水稻葉片形態與光合作用強度密切相關,葉長和葉寬都能決定葉片的受光面積,從而影響其營養物質的積累情況,而分蘗能否生長在很大程度上與營養是否充足有關。本研究發現早期低節位分蘗發生速率與前3葉葉長呈正相關,分蘗數與前3葉葉寬呈負相關,說明前3葉葉長和葉寬是決定低節位分蘗能力的因素之一。在育種上,建議將幼苗前3片葉較長且較窄作為篩選早發分蘗水稻品種的參考形態指標,一定程度上為株型育種提供了理論支撐。
植物的生長發育與其自身穩定的內環境密不可分。水稻植株碳氮代謝與分蘗發生、生長、衰亡密切相關,碳代謝為植株提供能量、碳源及碳骨架。Frank等[39]研究發現,在水稻莖稈中,可溶性碳水化合物含量可以決定分蘗存活率和總莖蘗數。在植物體中,糖類物質遠距離運輸的主要形式是蔗糖。Michael等[40]在豌豆去頂試驗中發現,去除莖尖后,腋芽開始生長,腋芽內生長素含量未發生變化,而糖開始重新分配,蔗糖開始積累,說明側芽生長的起始不受頂端生長素供應的影響,蔗糖在這個過程中起到了關鍵作用。有研究[5,6]證實,蔗糖含量降低,分蘗芽無法正常生長。Koumoto等[6]研究發現,與野生型水稻相比,moc2突變體的蔗糖合成途徑中關鍵酶胞質FBP1酶的活性缺失,導致蔗糖供應不足,分蘗芽的生長受到抑制,生長速率減緩,表現為單莖的表型。本研究中發現蔗糖含量與低節位的分蘗發生速率呈極顯著正相關,與前人研究基本一致,說明早期低節位分蘗芽的伸長受糖含量調控,水稻植株碳代謝影響分蘗發生快慢,但不影響分蘗多少。Tabuchi等[41]認為氮素是植物生長所必需的大量元素之一,也是決定植物生物量和作物產量的主要限制因素,人們常常通過施用過量的氮肥來保證氮供應充足。Liu等[7]研究發現,在水稻營養生長期,氮供應不足會導致有效分蘗數大量減少,充足的氮素可以促進分蘗。本研究發現,硝態氮含量與低節位分蘗發生速率呈極顯著負相關,氮同化酶活性與分蘗數呈顯著或極顯著正相關,說明氮代謝既影響低節位分蘗發生速率,也影響水稻低節位分蘗數量。在生產上,建議適量使用含氮素的復合肥,確保水稻低節位分蘗早發,成大穗,達到高產的目的。
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