拔節(jié)期淹水脅迫對水稻葉片酶活性及產(chǎn)量的影響

徐 濤，才 碩，時 紅,2，時元智，謝亨旺 ，劉方平 ，梁 舉

(1.江西省灌溉試驗中心站 江西省高效節(jié)水與面源污染防治重點實驗室，南昌 330201；2.東華理工大學(xué)，南昌 330013；3. 南京水利科學(xué)研究院，南京 210029)

0 引 言

洪澇災(zāi)害是我國南方長江中下游地區(qū)主要的農(nóng)業(yè)災(zāi)害之一，洪澇災(zāi)害是一種自然災(zāi)害，對水稻生產(chǎn)危害很大，尤其是對處在幼穗分化至破口抽穗期的水稻受淹損失更大[1]。洪澇災(zāi)害中水稻產(chǎn)量損失與水稻淹水深度淹水時間密切相關(guān)[1-3]，有關(guān)淹水脅迫對水稻產(chǎn)生的影響在國內(nèi)外均進(jìn)行了相關(guān)研究，淹水脅迫下，敏感植株受到兩種激素赤霉素(GA)和乙烯(Eth)的調(diào)節(jié)而迅速伸長[4]，寧金花，彭克勤，李陽生等[5-9]人研究發(fā)現(xiàn)，淹水脅迫會引起水稻發(fā)生一系列形態(tài)和生理生化特征變化，如葉片綠葉數(shù)減少、葉鞘伸長、細(xì)胞膜脂過氧化作用加劇、丙二醛含量升高、體內(nèi)保護(hù)酶受損、光合速率降低、蒸騰作用減弱、籽粒結(jié)實率降低、充實度變差、產(chǎn)量下降等。Raskin 等[10-12]分析了深水稻耐淹澇脅迫的生理基礎(chǔ)及適應(yīng)機(jī)制，F(xiàn)ukao 等[13]研究了水稻的耐淹基因，Setter和Laureles[14]和Ito等[15]都證明了水稻在淹水脅迫期間的伸長程度與退水后的苗成活率呈極顯著的負(fù)相關(guān)，周大川等[16]在觀察中發(fā)現(xiàn)，水稻長時間沒頂，葉鞘、葉片在水中仍可生長伸出水面維持呼吸作用，淹水脅迫后，植物體新葉形成和發(fā)展受阻，葉片變黃，出現(xiàn)萎蔫、翻卷、下垂、染病等癥狀[17]。周永進(jìn)等[18]于孕穗期進(jìn)行淹水處理發(fā)現(xiàn)，淹水后植株受到傷害，從而使葉片迅速枯萎，致使單莖綠葉數(shù)及綠葉面積明顯減少雖然植株還可生長但后期葉片容易早衰。葉面積的降低可減少蒸騰蒸發(fā)量，但是另一方面，植物的光合面積也隨之降低了[19],不同溫度、不同時期淹水對不同品種水稻影響不一樣。水稻產(chǎn)量隨著淹水時間的延長而明顯下降。相關(guān)研究表明，抽穗開花期對淹水最為敏感，其次是孕穗期和幼穗分化期[20,21]，所以水稻處于受淹條件下不利于水稻的生存。這些研究主要集中于早稻上，且都是以水稻株高1/2、1/3和全淹等方式進(jìn)行處理，對中稻進(jìn)行不同固定淹水深度的處理未見報道。本試驗從水稻形態(tài)、抗逆性指標(biāo)和產(chǎn)量因子入手，研究了拔節(jié)期水稻受到淹水脅迫后分蘗、株高、葉片酶活性和產(chǎn)量構(gòu)成因素的變化情況，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了水稻產(chǎn)量與淹水深度和淹水時間之間的回歸模型，并得出相應(yīng)的排水指標(biāo)，旨在提出鄱陽湖流域水稻淹水脅迫后生理特性變化規(guī)律和植株葉片對淹水脅迫的響應(yīng)機(jī)理，以及不同淹水脅迫條件下水稻減產(chǎn)規(guī)律，為定量揭示淹水脅迫對水稻的影響、洪澇災(zāi)害致災(zāi)能力鑒定提供數(shù)據(jù)支撐，同時為洪澇期稻田排澇標(biāo)準(zhǔn)提供參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗在江西省灌溉試驗中心站試驗研究基地進(jìn)行，試驗基地處于贛撫平原灌區(qū)南昌縣向塘鎮(zhèn)，地理位置為東經(jīng)116°00′，北緯28°26′，海拔為22 m。贛撫平原灌區(qū)為典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)性氣候區(qū)，適合多種農(nóng)作物生長。灌區(qū)年平均氣溫可達(dá)17.5 ℃，年平均日照為1 720.8 h，年平均蒸發(fā)量1 139 mm，年平均降雨量1 747 mm。但降雨量全年分布不均，4至6月的降雨較多，占全年降雨量的48%，7至9月降雨較少，僅占全年降雨量的20%。

供試品種為黃華占，該品種屬感溫型常規(guī)稻品種。全生育期129～131 d，比粵香占遲熟4 d。株型較好，植株較高，葉片長、直，轉(zhuǎn)色順調(diào)，結(jié)實率較高。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗于2017年進(jìn)行，以中稻為研究對象，試驗采用盆栽試驗，盆尺長×寬×高=40 cm×30 cm×20 cm，栽培方式采用直播方式，每盆均勻播種6穴，每穴選定發(fā)芽均勻的3粒種子播種，從水稻拔節(jié)期開始處理，試驗設(shè)定正常對照處理(CK)、和3個耐淹程度處理H1(20 cm)、H2(30 cm)、H3(40 cm)，4個淹水時間D1(1 d)、D3(3 d)、D5(5 d)、D7(7 d)處理，加正常對照共13個處理，每個處理3次重復(fù)。

試驗在水稻受澇試驗區(qū)進(jìn)行，試驗區(qū)縱剖面如圖1所示。共14個可升降平臺，均可以在0～80 cm范圍內(nèi)自由移動、且可固定高度，每個可升降平臺上放置3盆水稻樣品進(jìn)行試驗。

圖1 水稻受淹區(qū)縱剖面圖(單位：mm)Fig.1 Longitudinal profile of flooded rice area

1.3 觀測項目

(1)分蘗、株高調(diào)查：分別于水稻受淹開始和受淹結(jié)束(受淹開始后第8 d)時，調(diào)查測定各個受淹處理的水稻分蘗和株高，CK中的水稻進(jìn)行平行測定。

(2)葉片酶活性測定：于受淹試驗結(jié)束時(受淹開始后第8 d)測定各處理水稻劍葉中丙二醛(MDA)的質(zhì)量摩爾濃度及抗氧化酶(POD、SOD)的活性。測定方法：分別采用硫代巴比妥酸(TBA)比色測定丙二醛(MDA)質(zhì)量摩爾濃度；氮藍(lán)四唑(NBT)法測定酶超氧化物歧化酶(SOD)活性，以抑制NBT光化還原50%為1 個酶活性單位(U)表示；愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性，POD活性以470 nm處吸光度每分鐘變化0.01為1 個酶活性單位(U)表示，每個處理重復(fù)測3次取平均值[22]。

(3)產(chǎn)量和構(gòu)成因素調(diào)查：水稻成熟后，以盆為單位，每個處理記錄一盆水稻的穗長、穗數(shù)、穗粒數(shù)、空粒數(shù)、千粒重以及產(chǎn)量，剩余2盆，記錄產(chǎn)量情況。

1.4 數(shù)據(jù)分析

通過盆栽試驗，根據(jù)拔節(jié)期中稻對不同淹水處理的響應(yīng)，得到淹水時間、淹水深度與水稻相對產(chǎn)量的關(guān)系，為確定排澇標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并作圖，采用SPSS22.0軟件進(jìn)行方差分析和回歸分析，采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行處理間多重比較，以不同小寫字母表示達(dá)到P<0.05顯著差異水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同淹水處理對分蘗的影響

圖2給出的是不同淹水處理后水稻分蘗變化情況，淹水脅迫會抑制水稻分蘗數(shù)的增長，且隨著淹水深度和淹水時間的增加水稻分蘗增長受到抑制更嚴(yán)重，Duncan新復(fù)極差檢驗結(jié)果表明，當(dāng)淹水深度為40 cm時，淹水時間每增加2 d，分蘗數(shù)減少21.51%、9.59%和12.12%，淹水1 d較對照處理分蘗數(shù)減少7.92%。

圖2 淹水脅迫對水稻分蘗的影響Fig.2 Effects of flooding stress on rice tillers 注：不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

除淹水深度20 cm淹水1 d處理外，其余處理與對照處理間差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，同一淹水深度隨著淹水時間的增加差異越顯著。

2.2 不同淹水處理對株高的影響

圖3是不同淹水處理后各處理的株高增長情況，由圖3可知，水稻受到淹水脅迫后，株高會迅速增長，當(dāng)淹水深度為40 cm時，淹水時間每增加2 d，株高分別增長了4.5%、2.9%和8.5%，在同一淹水時間條件下，淹水深度每增加10 cm，株高分別增加4.7%和5.9%，表明，在同一受淹深度條件下，水稻株高的增長速度與受淹時間成正比，在同一受淹時間條件下，水稻株高的增長速度與淹水深度成正比。Duncan新復(fù)極差檢驗結(jié)果表明受淹深度20 cm時，淹水時間在7 d時株高顯著高于對照處理(P<0.05)，但是淹水時間為1、3、5 d時與對照處理間差異不顯著(P>0.05)，在淹水深度為30 cm時，淹水時間3 d時株高就顯著高于對照處理(P<0.05)，在淹水深度為40 cm時，淹水時間1 d時株高就顯著高于對照處理(P<0.05)，且淹水時間3、5、7 d和對照處理間均達(dá)到顯著差異(P<0.05)。

圖3 淹水脅迫對水稻株高的影響Fig.3 Effects of flooding stress on rice plant height

2.3 淹水處理對劍葉膜脂過氧化作用的影響

丙二醛(MDA)作為脂質(zhì)過氧化程度的指標(biāo)，是脂質(zhì)過氧化的一種典型產(chǎn)物，MDA的積累可對膜和細(xì)胞造成進(jìn)一步的傷害，進(jìn)而引起一系列生理生化變化[10]。圖4是不同淹水處理條件下水稻劍葉MDA質(zhì)量摩爾濃度的變化情況，可知，在同一淹水時間條件下，水稻劍葉的MDA質(zhì)量摩爾濃度均隨著淹水深度的增加而增加(淹水時間1 d、淹水深度為20 cm時低于CK)，當(dāng)淹水時間為1、3、5 d時，淹水深度達(dá)到30 cm時，水稻劍葉的MDA質(zhì)量摩爾濃度開始顯著高于對照處理(P<0.05)，當(dāng)淹水時間為7 d時，各個淹水深度處理水稻劍葉的MDA質(zhì)量摩爾濃度均顯著高于對照處理(P<0.05)。

圖4 淹水脅迫對水稻劍葉中MDA質(zhì)量摩爾濃度的影響Fig.4 Effects of flooding stress on MDA concentration in the leaf blade of rice

2.4 淹水處理對水稻劍葉抗氧化酶活性的影響

植物體受到淹水脅迫后體內(nèi)活性氧代謝系統(tǒng)平衡會發(fā)生變化，一方面超氧化物陰離子自由基、羥基自由基、單線態(tài)氧和過氧化物等大量產(chǎn)生，抑制保護(hù)性酶的活性；另一方面POD、SOD等酶組成的防御身無活性氧毒害的酶保護(hù)系統(tǒng)，在植物體內(nèi)行駛清除活性氧的功能[23]，圖5、圖6分別給出了水稻淹水后劍葉中POD和SOD活性的變化情況，由圖可知，不同淹水時間條件下，劍葉中POD活性均隨著受淹深度增加先減小后增加；當(dāng)淹水時間為1、3、5 d時，SOD活性在劍葉中活性呈現(xiàn)持續(xù)升高趨勢，當(dāng)淹水時間達(dá)到7 d時，SOD活性隨淹水深度增加呈現(xiàn)降低趨勢，這可能是由于淹水時間過長水稻劍葉內(nèi)活性氧大量持續(xù)產(chǎn)生，破壞了酶系統(tǒng)平衡，從而影響了保護(hù)酶的產(chǎn)生，最終使得水稻生長受到不可逆的破壞，Duncan新復(fù)極差檢驗結(jié)果表明，當(dāng)淹水時間為1、5和7 d時，淹水深度達(dá)到30 cm后，水稻劍葉中POD活性較對照處理差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，而當(dāng)淹水時間為3 d時，淹水深度為20 cm和40 cm水稻劍葉中POD活性較對照處理差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；當(dāng)淹水時間為1 d時，只有淹水深度為20 cm時水稻劍葉中SOD活性較對照處理差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，當(dāng)淹水時間為3、5和7 d時，3個淹水深度處理中水稻劍葉中POD活性較對照處理差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

圖5 淹水脅迫對水稻劍葉中POD活性的影響Fig.5 Effects of flooding stress on POD concentration in the leaf blade of rice

圖6 淹水脅迫對水稻劍葉中SOD活性的影響Fig.6 Effects of flooding stress on SOD concentration in the leaf blade of rice

2.5 淹水脅迫對水稻產(chǎn)量的影響

由表1可知，淹水深度為20 cm時，受淹1、3、5和7 d的產(chǎn)量分別較對照減少0.03%、4.07%、12.18%和17.60%，其中淹水時間為3、5和7 d相對對照均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，淹水深度為30 cm時，淹水時間為1、3、5和7 d的產(chǎn)量分別較對照減少7.45%、10.23%、16.63%和22.47%，其中淹水時間為1、3、5和7 d相對對照分別均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，淹水深度為40 cm時，淹水時間為1、3、5和7 d的產(chǎn)量分別較對照減少12.64%、15.37%、23.42%和28.75%，其中淹水時間為1、3、5和7 d相對對照亦均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。所有受淹處理中，以淹水深度40 cm、7 d歷時減產(chǎn)最大，達(dá)到28.75%，減產(chǎn)最小的處理為20 cm淹水深度、1 d淹水歷時，僅為0.03%，基本不影響產(chǎn)量，說明水稻適當(dāng)受淹并不影響最終產(chǎn)量形成，但是隨著淹水時間增加會對產(chǎn)量影響達(dá)到極顯著水平，所以在洪澇期要提前做好防澇減災(zāi)工作。

2.6 淹水脅迫后排水指標(biāo)研究

以水稻受淹狀況作為除澇控制指標(biāo)，建立其與水稻產(chǎn)量的關(guān)系，采用以下兩種模式進(jìn)行模型建立[24]。

(1)以淹水深度(H)和淹水歷時(D)作為衡量水稻受澇程度控制指標(biāo)，建立水稻產(chǎn)量與受澇程度的關(guān)系模型：

Ry=f(H,D)

(1)

(2)以水稻受澇時期(不同受淹天數(shù))內(nèi)累積淹水深度(SFW)作為衡量受澇災(zāi)害的控制指標(biāo)，建立水稻產(chǎn)量與受澇程度的關(guān)系模型：

表1 淹水脅迫對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響Tab.1 Effects of flooding stress on rice yield and its composition

(2)

式中：n為水稻受淹天數(shù)；hi為第i天的淹水深度。

表2給出的是淹水時間和淹水深度與實際產(chǎn)量及構(gòu)成因素之間的相關(guān)系數(shù)，以實際產(chǎn)量為參數(shù)建立的回歸方程能極顯著地展示實際產(chǎn)量與淹水時間(D)、淹水深度(H)以及水稻受澇時期內(nèi)累積淹水深度(SFW)之間的關(guān)系(表3)，綜合考慮各影響因子與水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成之間的相關(guān)性，可選取實際產(chǎn)量與受淹時間D和受淹深度H之間的回歸模型作為中稻拔節(jié)期的排澇關(guān)系方程。若以水稻減產(chǎn)20%為排水指標(biāo)，當(dāng)中稻拔節(jié)期淹水深度為20、30和40 cm時，應(yīng)在8.5、 6.5和3.5 d 內(nèi)將田面澇水排到其田面正常蓄水深度(10 cm左右)。

表2 淹水時間和淹水深度與實際產(chǎn)量及構(gòu)成因素之間的相關(guān)性Tab.2 Correlation between water logging duration and flooding depth and actual yield

表3 淹水脅迫條件下中稻產(chǎn)量與影響因子之間模型建立Tab.3 Regression relationship between yield and influencing factors under flooding stress

3 結(jié)論與討論

3.1 淹水脅迫對中稻分蘗和株高的影響

水稻在長期受淹條件下，水稻分蘗生長會受到抑制，株高會明顯增長使得葉片露出水面，以保證水稻正常光合作用和確保獲得有機(jī)碳[15]，史濟(jì)林等[25]對10個水稻材料的淹水試驗結(jié)果表明，10個材料在孕穗期72 h的淹水期間平均株高比正常高4.7 cm。本試驗研究表明，淹水脅迫會抑制水稻分蘗數(shù)的增長，且隨著淹水深度和淹水時間的增加水稻分蘗增長受到抑制更嚴(yán)重，在同一受淹深度條件下，水稻株高的增長速度與受淹時間成正比，在同一受淹時間條件下，水稻株高的增長速度與受淹深度成正比，淹水脅迫使水稻株高變化的生理原因比較復(fù)雜，赤霉素(GA)是與淹水脅迫下水稻的伸長生長反應(yīng)直接相關(guān)的激素，能促進(jìn)水稻節(jié)間的伸長生長。

3.2 中稻葉片酶對淹水脅迫響應(yīng)機(jī)理

水稻受到淹水脅迫后，生理特性會發(fā)生一系列的變化，這種反應(yīng)是植物體對逆境的反應(yīng)和適應(yīng)，本試驗研究表明，中稻拔節(jié)期淹水脅迫后，水稻劍葉中的MDA質(zhì)量摩爾濃度隨著淹水時間和淹水深度的增加會逐步升高；劍葉中POD酶活性隨著淹水時間的增加會逐步增加，隨著淹水深度先降低后顯著升高，當(dāng)淹水深度達(dá)到30 cm時，劍葉中POD酶活性顯著高于對照處理；劍葉中SOD酶活性表現(xiàn)為：當(dāng)淹水天時為1、3、5 d時，隨著淹水深度的增加而升高，當(dāng)淹水時間達(dá)到7 d時，隨淹水深度增加反而降低，這可能由于水稻淹水七天后水稻劍葉已經(jīng)達(dá)到無法自我修復(fù)的損傷[23]。

3.3 淹水脅迫對中稻產(chǎn)量性狀的影響

水稻受到淹水脅迫后產(chǎn)量和構(gòu)成因素會發(fā)生變化，不同生育時期水稻受到淹水脅迫后各產(chǎn)量構(gòu)成要素的變化不一致。寧金花等[6]研究認(rèn)為早稻不同淹水脅迫后對產(chǎn)量的影響均表現(xiàn)為空秕粒率低、千粒質(zhì)量低和結(jié)實粒數(shù)低，受淹深度2/3 淹9 d 對產(chǎn)量的影響最明顯，朱崇基研究證實水稻孕穗期對淹水脅迫最敏感，其次是開花期、乳熟期[26]，陳永華等[27]等研究認(rèn)為有效穗數(shù)、結(jié)實率和千粒重降低是淹水脅迫造成水稻減產(chǎn)的主要原因，本研究表明，水稻適當(dāng)受淹并不影響最終產(chǎn)量形成，但是隨著受淹時間和深度增加對產(chǎn)量影響會越來越大，當(dāng)淹水時間達(dá)到3 d時，淹水深度為達(dá)到20 cm后產(chǎn)量與對照處理差異就達(dá)到極顯著水平，淹水深度達(dá)到為40 cm時，受淹3 d產(chǎn)量與對照處理差異即達(dá)到極顯著水平。這主要原因可能是由于水稻拔節(jié)期間幼穗在逐漸形成，當(dāng)遇到淹水脅迫后，水稻幼穗分化受阻，從而導(dǎo)致產(chǎn)量急劇下降。

3.4 淹水脅迫條件下中稻排水指標(biāo)研究

該試驗構(gòu)建了水稻產(chǎn)量與淹水時間和淹水深度之間模型，若以水稻減產(chǎn)20%為排水指標(biāo)，當(dāng)中稻拔節(jié)期淹水深度為20、30和40 cm時，應(yīng)在8.5、6.5和3.5 d 內(nèi)將田面澇水排到其田面正常蓄水深度(10 cm左右)。但是本試驗是在盆栽中進(jìn)行，其試驗條件是可控的，影響因子也只單純考慮了淹水時間和淹水深度，試驗只進(jìn)行一年，因此在大田試驗條件下的效果還有待于進(jìn)一步確定和驗證。