拔節期淹水脅迫對水稻葉片酶活性及產量的影響

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 江西省高效節水與面源污染防治重點實驗室，南昌 330201；2.東華理工大學，南昌 330013；3. 南京水利科學研究院，南京 210029)

0 引 言

洪澇災害是我國南方長江中下游地區主要的農業災害之一，洪澇災害是一種自然災害，對水稻生產危害很大，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]。洪澇災害中水稻產量損失與水稻淹水深度淹水時間密切相關[1-3]，有關淹水脅迫對水稻產生的影響在國內外均進行了相關研究，淹水脅迫下，敏感植株受到兩種激素赤霉素(GA)和乙烯(Eth)的調節而迅速伸長[4]，寧金花，彭克勤，李陽生等[5-9]人研究發現，淹水脅迫會引起水稻發生一系列形態和生理生化特征變化，如葉片綠葉數減少、葉鞘伸長、細胞膜脂過氧化作用加劇、丙二醛含量升高、體內保護酶受損、光合速率降低、蒸騰作用減弱、籽粒結實率降低、充實度變差、產量下降等。Raskin 等[10-12]分析了深水稻耐淹澇脅迫的生理基礎及適應機制，Fukao 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相關，周大川等[16]在觀察中發現，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展受阻，葉片變黃，出現萎蔫、翻卷、下垂、染病等癥狀[17]。周永進等[18]于孕穗期進行淹水處理發現，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。水稻產量隨著淹水時間的延長而明顯下降。相關研究表明，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和全淹等方式進行處理，對中稻進行不同固定淹水深度的處理未見報道。本試驗從水稻形態、抗逆性指標和產量因子入手，研究了拔節期水稻受到淹水脅迫后分蘗、株高、葉片酶活性和產量構成因素的變化情況，在此基礎上構建了水稻產量與淹水深度和淹水時間之間的回歸模型，并得出相應的排水指標，旨在提出鄱陽湖流域水稻淹水脅迫后生理特性變化規律和植株葉片對淹水脅迫的響應機理，以及不同淹水脅迫條件下水稻減產規律，為定量揭示淹水脅迫對水稻的影響、洪澇災害致災能力鑒定提供數據支撐，同時為洪澇期稻田排澇標準提供參考依據。

1 研究方法

1.1 試驗區概況

本試驗在江西省灌溉試驗中心站試驗研究基地進行，試驗基地處于贛撫平原灌區南昌縣向塘鎮，地理位置為東經116°00′，北緯28°26′，海拔為22 m。贛撫平原灌區為典型的亞熱帶濕潤季風性氣候區，適合多種農作物生長。灌區年平均氣溫可達17.5 ℃，年平均日照為1 720.8 h，年平均蒸發量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，轉色順調，結實率較高。

1.2 試驗設計

本試驗于2017年進行，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，每穴選定發芽均勻的3粒種子播種，從水稻拔節期開始處理，試驗設定正常對照處理(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。

試驗在水稻受澇試驗區進行，試驗區縱剖面如圖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盆水稻樣品進行試驗。

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

1.3 觀測項目

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

(2)葉片酶活性測定：于受淹試驗結束時(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)質量摩爾濃度；氮藍四唑(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，每個處理重復測3次取平均值[22]。

(3)產量和構成因素調查：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、穗粒數、空粒數、千粒重以及產量，剩余2盆，記錄產量情況。

1.4 數據分析

通過盆栽試驗，根據拔節期中稻對不同淹水處理的響應，得到淹水時間、淹水深度與水稻相對產量的關系，為確定排澇標準提供依據。

采用Microsoft Excel 2007軟件進行數據分析并作圖，采用SPSS22.0軟件進行方差分析和回歸分析，采用Duncan新復極差法進行處理間多重比較，以不同小寫字母表示達到P<0.05顯著差異水平。

2 結果與分析

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重，Duncan新復極差檢驗結果表明，當淹水深度為40 cm時，淹水時間每增加2 d，分蘗數減少21.51%、9.59%和12.12%，淹水1 d較對照處理分蘗數減少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新復極差檢驗結果表明受淹深度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)作為脂質過氧化程度的指標，是脂質過氧化的一種典型產物，MDA的積累可對膜和細胞造成進一步的傷害，進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)，當淹水時間為1、3、5 d時，淹水深度達到30 cm時，水稻劍葉的MDA質量摩爾濃度開始顯著高于對照處理(P<0.05)，當淹水時間為7 d時，各個淹水深度處理水稻劍葉的MDA質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活性氧代謝系統平衡會發生變化，一方面超氧化物陰離子自由基、羥基自由基、單線態氧和過氧化物等大量產生，抑制保護性酶的活性；另一方面POD、SOD等酶組成的防御身無活性氧毒害的酶保護系統，在植物體內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；當淹水時間為1、3、5 d時，SOD活性在劍葉中活性呈現持續升高趨勢，當淹水時間達到7 d時，SOD活性隨淹水深度增加呈現降低趨勢，這可能是由于淹水時間過長水稻劍葉內活性氧大量持續產生，破壞了酶系統平衡，從而影響了保護酶的產生，最終使得水稻生長受到不可逆的破壞，Duncan新復極差檢驗結果表明，當淹水時間為1、5和7 d時，淹水深度達到30 cm后，水稻劍葉中POD活性較對照處理差異均達到顯著水平(P<0.05)，而當淹水時間為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到顯著水平(P<0.05)；當淹水時間為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到顯著水平(P<0.05)，當淹水時間為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歷時減產最大，達到28.75%，減產最小的處理為20 cm淹水深度、1 d淹水歷時，僅為0.03%，基本不影響產量，說明水稻適當受淹并不影響最終產量形成，但是隨著淹水時間增加會對產量影響達到極顯著水平，所以在洪澇期要提前做好防澇減災工作。

2.6 淹水脅迫后排水指標研究

以水稻受淹狀況作為除澇控制指標，建立其與水稻產量的關系，采用以下兩種模式進行模型建立[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，建立水稻產量與受澇程度的關系模型：

Ry=f(H,D)

(1)

(2)以水稻受澇時期(不同受淹天數)內累積淹水深度(SFW)作為衡量受澇災害的控制指標，建立水稻產量與受澇程度的關系模型：

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

(2)

式中：n為水稻受淹天數；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量及構成因素之間的相關系數，以實際產量為參數建立的回歸方程能極顯著地展示實際產量與淹水時間(D)、淹水深度(H)以及水稻受澇時期內累積淹水深度(SFW)之間的關系(表3)，綜合考慮各影響因子與水稻產量及產量構成之間的相關性，可選取實際產量與受淹時間D和受淹深度H之間的回歸模型作為中稻拔節期的排澇關系方程。若以水稻減產20%為排水指標，當中稻拔節期淹水深度為20、30和40 cm時，應在8.5、 6.5和3.5 d 內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量及構成因素之間的相關性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碳[15]，史濟林等[25]對10個水稻材料的淹水試驗結果表明，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雜，赤霉素(GA)是與淹水脅迫下水稻的伸長生長反應直接相關的激素，能促進水稻節間的伸長生長。

3.2 中稻葉片酶對淹水脅迫響應機理

水稻受到淹水脅迫后，生理特性會發生一系列的變化，這種反應是植物體對逆境的反應和適應，本試驗研究表明，中稻拔節期淹水脅迫后，水稻劍葉中的MDA質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，當淹水深度達到30 cm時，劍葉中POD酶活性顯著高于對照處理；劍葉中SOD酶活性表現為：當淹水天時為1、3、5 d時，隨著淹水深度的增加而升高，當淹水時間達到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達到無法自我修復的損傷[23]。

3.3 淹水脅迫對中稻產量性狀的影響

水稻受到淹水脅迫后產量和構成因素會發生變化，不同生育時期水稻受到淹水脅迫后各產量構成要素的變化不一致。寧金花等[6]研究認為早稻不同淹水脅迫后對產量的影響均表現為空秕粒率低、千粒質量低和結實粒數低，受淹深度2/3 淹9 d 對產量的影響最明顯，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]等研究認為有效穗數、結實率和千粒重降低是淹水脅迫造成水稻減產的主要原因，本研究表明，水稻適當受淹并不影響最終產量形成，但是隨著受淹時間和深度增加對產量影響會越來越大，當淹水時間達到3 d時，淹水深度為達到20 cm后產量與對照處理差異就達到極顯著水平，淹水深度達到為40 cm時，受淹3 d產量與對照處理差異即達到極顯著水平。這主要原因可能是由于水稻拔節期間幼穗在逐漸形成，當遇到淹水脅迫后，水稻幼穗分化受阻，從而導致產量急劇下降。

3.4 淹水脅迫條件下中稻排水指標研究

該試驗構建了水稻產量與淹水時間和淹水深度之間模型，若以水稻減產20%為排水指標，當中稻拔節期淹水深度為20、30和40 cm時，應在8.5、6.5和3.5 d 內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，試驗只進行一年，因此在大田試驗條件下的效果還有待于進一步確定和驗證。