大穗型水稻品種剪葉處理后灌漿結實期源庫關系分析?

陳建珍，閆浩亮，楊前玉，田小海**

（1．長江大學農學院，荊州 434025；2．長江大學主要糧食作物產業化湖北省協同創新中心，荊州 434025；3．長江大學濕地生態與農業利用教育部工程研究中心，荊州 434025；4．湖北荃銀高科種業有限公司，荊州 434025）

水稻是主要糧食作物，其需求量巨大，培育大穗型水稻品種是實現水稻高產的有效途徑之一。現有的大穗型水稻穗粒數多，其葉面積指數高，干物質積累迅速，但是，灌漿結實不穩[1-4]。灌漿期是水稻籽粒灌漿結實的關鍵時期[5]，源的供應能力[6-8]、庫對源的抽提利用能力[9]，流的通暢與否[10]和籽粒的灌漿特征[11-13]等均是影響籽粒灌漿結實和產量形成的主要因素，但是，以往的研究多著重于某一個或兩個方面，未系統地從源庫互作的角度進行研究，源庫關系是否協調直接影響源的有效利用、庫的有效灌漿充實以及水稻高產潛力的實現[5，14-15]。Sonnewald 等[16]認為“調節源庫關系改良作物”是未來的一種育種策略。到目前為止，有關大穗型水稻品種源庫關系的協調性及其影響籽粒灌漿結實、制約高產潛力實現的機制等的研究報道較少[5，17-18]。剪葉處理可改變庫源比例（粒葉比，即每穗穎花數與單莖葉面積的比值），是以往研究作物源庫關系的一種常規方法[19-21]。許蓓蓓等[18]通過剪葉研究了源庫調節對常規粳稻花后營養器官碳水化合物及氮磷鉀轉運的影響，結果顯示，提高粒葉比可促進物質轉運，其中，粒葉比為1.5時轉運率達近似極限值。Shi等[5，17]運用灌漿期間源、庫變化的動態數據建立模型，研究了不同水稻品種的源庫關系及其與產量的關系，認為水稻育種和生產中應重點調控與籽粒庫相關的性狀。

大穗型水稻品種BL006和R-農白是從32 份水稻材料中選取的兩份有代表性的高結實率型大穗型水稻材料[22]，BL006和R-農白穗粒數高，穗頸和枝梗維管束發育好，群體干物質積累量大，灌漿速率高、用時短，粒重高，但是，BL006 葉片早衰嚴重，R-農白莖鞘干物質利用不充分，成熟期大量的干物質滯留在莖鞘[13]。

本研究通過剪葉處理比較灌漿期間兩個大穗型水稻品種籽粒（庫）的灌漿動態特征、葉片和莖鞘（源）的碳水化合物代謝及其轉運特征，分析兩個水稻品種的源庫關系及其對灌漿結實的影響，以期為超級雜交稻新品種的選育和高產栽培配套技術的建立提供理論依據和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為大穗型水稻品種BL006和R-農白，穗粒數分別為245.8粒和281.4粒，單穗重分別為5.4g和6.1g。

1.2 試驗設計

2015年在湖北省荊州市長江大學農學院試驗基地（112°31′E、30°21′N）的大田開展試驗，采用積溫法調整播種日期使供試材料在相近的日期抽穗開花，以便在大致相同的溫光條件下測試籽粒的灌漿動態及相關生理指標。土壤肥料狀況為全氮1.00g?kg-1，速效氮82.03mg?kg-1，速效鉀57.11mg?kg-1，速效磷33.25mg?kg-1，有機質11.00g?kg-1。試驗材料采用大田濕潤育秧，秧齡25d時移栽，四本栽，不同品種隨機區組排列，3 次重復，株行距為30cm×20cm，施氮量（以純N 計）為120kg?hm-2（N: P2O5:K2O=25:10:15），按照常規高產栽培要求進行灌溉和病蟲草防治等。

BL006和R-農白的播種日期分別為5月14日和5月21日，抽穗開花期分別為8月24日和8月21日。灌漿結實期間的氣候條件見表1。于穗頸節剛出葉鞘1.5cm時選取長勢一致的主穗600個，取一半稻株實行剪葉處理，既用剪刀剪去上三葉，另一半作對照，并掛牌標記。

表1 2015年大穗型水稻品種灌漿結實期間的氣象條件Table1 Meteorological parameters during grain filling period for heavy panicle rice cultivars in 2015

1.3 調查項目與方法

1.3.1 千粒重

成熟期，每小區去除3 行邊行稻株，隨機選取20 穗人工脫粒，自然風干至核定含水量13.5%，用食指和拇指擠壓籽粒判斷受精與否，凡有結實觸感的籽粒計為受精粒[23]，從中隨機選取500 粒受精籽粒，用精度為1%的電子天平稱重，3 次重復，換算成籽粒千粒重。

1.3.2 籽粒灌漿動態

齊穗期開始取樣（9：00 前后），取樣時間為齊穗期后0d、5d、10d、15d、20d、26d、32d和37d，R-農白成熟較晚，齊穗期后40d 再取一次樣。每次取掛牌單莖20個，分解成穗、莖鞘和葉三部分。

以穗長為基準，將稻穗從穗軸中部等分成兩部分，然后按一、二次枝梗分開，形成上部一次枝梗、上部二次枝梗、下部一次枝梗和下部二次枝梗4 部分，對不同部位籽粒分開取樣和分裝[24]，置于80℃烘箱中連續烘干至衡重，測定籽粒干重。應用Richards 方程按朱慶森等[25]的方法對籽粒灌漿過程進行擬合，導出相關參數，分析籽粒灌漿特性。

1.3.3 非結構性碳水化合物（NSC）含量的測定

每次取樣后將葉和莖鞘分別按小區分裝在牛皮紙袋，105℃下殺青30min，80℃下烘干48h，恒溫時稱重、粉碎（過100 目篩），用自封袋分裝，待測非結構性碳水化合物（可溶性總糖+淀粉）含量。非結構性碳水化合物含量的提取、測定和計算參照Yoshinaga 等[12]的方法進行。可溶性糖含量和淀粉含量均采用蒽酮顯色法測定。

非結構性碳水化合物的轉運量、轉運率和對籽粒的貢獻率的計算為

式中，TNSC、NSCmax、NSCmin、TRNSC、CNSC分別表示NSC的凈轉運量(g·m-2)、轉運量最大值(g·m-2)、轉運量最小值(g·m-2)、轉運率（%）和對籽粒的貢獻率（%）。

2 結果與分析

2.1 剪葉處理對物質積累（庫）的影響

2.1.1 千粒重

從圖1可以看出，與對照相比，剪葉處理中，BL006和R-農白的千粒重分別降低24.34%和7.86%，其中，BL006 不同部位的千粒重均顯著降低，降幅分別為11.92%、50.27%、32.35%、39.09%，R-農白僅上部二次枝梗的千粒重顯著降低22.14%，其它部位均無顯著差異。說明剪葉處理中，籽粒千粒重降低，BL006 受影響程度和范圍大于R-農白。

2.1.2 籽粒灌漿動態

由圖2可以看出，在剪葉和未剪葉（對照）處理中，大穗型水稻品種整穗籽粒的粒重增長動態基本一致，均成S 型曲線，即齊穗期后0～5d 增重較慢，齊穗期后5～20d 進入快速增重期，之后逐漸趨于平緩。

圖1 大穗型水稻品種剪葉與不剪葉（對照）處理植株籽粒千粒重的比較Fig.1 Comparison of 1000-grain weight for heavy panicle rice cultivars between leaf-cutting and no leaf-cutting (CK)

圖2 大穗型水稻品種剪葉與不剪葉（對照）處理植株籽粒灌漿動態的比較Fig.2 Comparison of grain growth dynamic for heavy panicle rice cultivars between leaf-cutting and CK

就整穗而言，與對照相比，剪葉處理中，BL006的千粒重從齊穗期后10d 開始明顯降低，R-農白在齊穗期后0～20d 千粒重明顯提高，之后逐漸降低； 兩品種的灌漿速率明顯降低（R-農白起始灌漿速率明顯提高），到達灌漿峰值的時間提前，高速灌漿持續期縮短，籽粒增重趨于平緩的時間提前，最終粒重分別降低23.36%和8.68%。

就粒位而言，與對照相比，剪葉處理中，上部一次枝梗籽粒的灌漿過程受影響較小，其它粒位受影響程度存在品種間差異，具體表現為BL006 上部二次枝梗和下部一、二次枝梗灌漿速率明顯降低，高速灌漿持續期分別縮短8d、3d和2d，最終粒重分別降低50.12%、31.34%和37.18%；R-農白上部二次枝梗籽粒的灌漿速率在齊穗期后0～11d 提高，之后顯著降低，高速灌漿持續期縮短3d，最終粒重降低22.68%，下部二次枝梗籽粒的灌漿速率在齊穗期后0～14d 明顯提高，之后顯著降低，最終粒重降低12.53%。

可見，剪葉處理中，籽粒的平均灌漿速率降低，到達灌漿峰值的時間提前，高速灌漿和總灌漿持續期縮短，最終粒重降低；一次枝梗受影響較小，二次枝梗受影響較大；Bl006 受影響程度和幅度大于R-農白。

2.2 剪葉處理對光合合成物（源）及其轉運的影響

2.2.1 葉片可溶性糖含量

由圖3可以看出，在剪葉和未剪葉（對照）兩處理中，BL006的葉片可溶性糖含量在齊穗期后10～15d 顯著升高，其余時段均不斷降低，R-農白的整體趨勢表現為先升高后降低。

與對照相比，剪葉處理中，BL006 齊穗期和齊穗期后15d-成熟期的葉片可溶性糖含量顯著降低22.21%和17.63%～55.14%；R-農白齊穗期后0～5d和成熟期的葉片可溶性糖含量顯著升高15.13%～66.05%和11.67%，其余時段的可溶性糖含量降低11.92%。可見，剪葉處理提高了R-農白剩余葉片灌漿起始時段的活性，總體上減弱了兩品種葉片的活性及源對庫的供應能力，BL006的降幅大于R-農白。

2.2.2 莖鞘非結構性碳水化合物含量

由圖4可以看出，齊穗期后，兩個水稻品種未剪葉處理（對照）中，莖鞘非結構性碳水化合物（NSC）含量隨生育進程的變化趨勢一致，即齊穗期后0～5d，NSC 迅速累積，含量顯著升高，之后隨著向外轉運而急劇降低；與對照相比，剪葉處理中，兩個水稻品種的莖鞘NSC 含量不但無初期的明顯積累過程，而且，R-農白的莖鞘NSC 從齊穗期開始輸出，但是該品種剪葉和未剪葉兩處理，在成熟期均出現NSC 再次積累的現象，致使其在灌漿期間NSC的降幅均小于BL006。

從表2可以看出，試驗期間剪葉后BL006和R-農白莖鞘NSC 轉運量較對照顯著降低23.32%和27.41%，轉運率分別提高6.93%和18.88%，籽粒干重顯著降低26.12%和15.11%，R-農白莖鞘NSC 對籽粒的貢獻率顯著降低2.14%。可見，剪葉處理中，大穗型水稻品種莖鞘NSC的轉運率提高，對源庫矛盾起到一定的緩解作用，但是，無法彌補葉源減少而引起的灌漿物質供應不足，導致籽粒干重顯著降低。

圖3 大穗型水稻品種剪葉與不剪葉（對照）處理植株葉片可溶性糖含量的比較Fig.3 Comparison of leaf soluble sugar content for heavy panicle rice cultivars between leaf-cutting and CK

圖4 大穗型水稻品種剪葉與不剪葉（對照）植株莖鞘非結構性碳水化合物含量的比較Fig.4 Comparison of non-structural carbohydrate(NSC) content of stem and sheath for heavy panicle rice cultivars between leaf-cutting and CK

表2 大穗型水稻品種剪葉與不剪葉（對照）植株莖鞘非結構性碳水化合物（NSC）轉運的比較Table2 Comparison of translocation of non-structural carbohydrate(NSC) of stem and sheath for heavy panicle rice cultivars between leaf-cutting and CK

3 結論與討論

3.1 討論

灌漿的物質來源和灌漿過程直接決定水稻籽粒灌漿的好壞。前人研究發現，不同水稻品種的灌漿差異明顯，秈粳雜交稻粒重較大主要與灌漿時間較長有關[17，26-27]。Shi 等[5]研究發現，高溫處理下，水稻品種Gharib和PHBRc4的粒重較低分別與灌漿持續期縮短和灌漿速率降低有關。本研究結果顯示，剪葉處理中，籽粒的平均灌漿速率降低，到達灌漿峰值的時間提前，高速灌漿和總灌漿持續期縮短，籽粒千粒重降低；其中，BL006 不同部位的千粒重均顯著降低，R-農白僅上部二次枝梗的千粒重顯著降低，BL006的降幅較R-農白高16.68%。可能原因是：（1）剪葉處理中，BL006 不同部位籽粒的灌漿速率從齊穗期開始明顯降低；R-農白不同部位籽粒齊穗期后0～15d的灌漿速率明顯提高，之后逐漸降低，說明提高齊穗期后0～15d的灌漿速率有利于大穗型水稻粒重增加。劉紅杰等[28]研究發現，灌漿中、后期的速率對冬小麥千粒重起決定性作用，該觀點是否適用于大穗型水稻還需進一步研究。（2）本試驗剪葉處理中，庫源比增大，BL006的粒葉比由0.59增至1.08，R-農白由0.75 增至1.34，灌漿初始階段R-農白剩余葉片的可溶性糖含量、莖鞘NSC的輸出、穗部“流”的活性、籽粒的灌漿速率均提高，促進了光合產物及時向籽粒庫輸送[29]，緩解了剪葉（減源）引起的同化物供應不足。

BL006 穗頸和枝梗維管束發育較好，從結構上保持了“流”的通暢，有利于同化物向籽粒的運輸[13]。本試驗未剪葉處理中，BL006 籽粒的灌漿速率在齊穗期后5～15d 迅速提高，對源的需求量增大，但是，光合產物轉運不暢，甚至出現明顯的積累；剪葉處理中，粒葉比增加，籽粒的灌漿速率在齊穗期后0～13d 迅速提高，庫對源的抽提能力增加，源輸送的通暢性提高，但是，源的輸出仍滯后于庫的需求且光合產物仍有明顯的積累。據此推測，BL006 葉片早衰的原因可能是：該品種一次枝梗比例較大[22]，不同部位籽粒屬于快速同步灌漿型，灌漿前期籽粒（庫）對源的競爭較大，而源的輸出滯后于庫的需求，之后，因需求減少、輸出受阻而大量積累，反饋抑制了流（維管束）的活性和葉源的光合能力。

綜合R-農白維管束的解剖結構[13]、剪葉和未剪葉處理中源（葉片和莖鞘）、庫（籽粒）的變化動態可知，R-農白源的光合能力較強，在灌漿后期仍維持較高水平，成熟期莖鞘NSC 儲存量較大；剪葉處理中，籽粒起始灌漿速率提高，莖鞘NSC的輸出提前、轉運率提高，剩余葉片的光合補償能力增強，籽粒干重的降幅較小。說明R-農白籽粒庫較小是成熟期大量NSC 滯留在莖鞘的原因之一；R-農白庫對源的反饋調節能力以及自我調節能力較強，源庫供需同步，產量提升空間較大。

3.2 結論

剪葉處理中，大穗型水稻品種的千粒重顯著降低，BL006 不同部位的千粒重均顯著降低，R-農白僅上部二次枝梗的千粒重顯著降低，BL006的降幅明顯高于R-農白；籽粒千粒重的降低主要與灌漿速率降低、灌漿時間縮短有關；粒葉比增加，庫對源的抽提力增加，促進了葉片和莖鞘碳水化合物的輸出，減少了成熟期莖鞘NSC的滯留量。籽粒的起始灌漿速率提高，剩余葉片光合補償能力增強，莖鞘NSC的輸出提前、輸出率增加，源庫供需同步，這可能是R-農白剪葉處理中籽粒千粒重降幅較小的原因之一。水稻培育中應選擇源-流-庫協調、自我調節能力較強、源庫供需同步的水稻品種，栽培上應注重粒肥或葉面肥的施用，延長葉片光合時間，以發揮大穗型水稻品種的高產潛力。