短期淹水對水稻幼苗生長和根系氮代謝關鍵酶活性的影響

陳 靜，王朝云，易永健，汪洪鷹，易鎮邪，周晚來,3

(1.湖南農業大學 農學院，湖南 長沙 410128；2.中國農業科學院 麻類研究所，湖南 長沙 410205；3.中國農業科學院 都市農業研究所， 四川 成都 610213)

水稻屬沼澤性植物，具有發達的通氣組織，能將氧運輸到根部，滿足根系對氧的需求并改善根際環境，使其能夠適應漬水環境。盡管如此，缺氧仍是影響水稻生長發育的關鍵因子[1-2]。苗期缺氧毫無疑問會抑制根系有氧呼吸。徐春梅等[3]研究了水稻秧苗對低氧脅迫的響應，表明缺氧顯著降低秧苗根系的有氧呼吸作用，減少根系活動所需的能量供給，此外，在很多其他作物如番茄、黃瓜、甜茶、甜瓜、櫻桃、牡丹和絲瓜[4-9]上的缺氧栽培中也觀察到了根系有氧呼吸活動的急劇降低。根系的呼吸作用集物質代謝與能量代謝為一體，構成了地下部代謝的中心，而植物體內氮的吸收、還原和同化過程需要消耗呼吸作用釋放的能量(ATP)和碳架，且碳氮代謝需要共同的還原力，因此，缺氧條件下根系呼吸強度的降低必然會導致根系氮代謝的改變[10-12]。

根際缺氧對于水稻幼苗的影響可能尤為突出，原因在于：在濕潤育秧和水育秧中，三葉期前機插水稻育秧土中容易處于低氧或缺氧狀態，而此時秧苗植株內尚無暢通的氧氣下行通道[13]，根區環境氧是根系呼吸代謝氧的重要來源。水稻二葉一心期-三葉一心期時第一節位分蘗芽處于三幼一基期，是分化發育的敏感期[14]，根區缺氧對三葉期前水稻幼苗生長發育的重要性應有別于對大田期成苗的重要性。盡管如此，目前關于氧對水稻幼苗氮代謝影響的報道較少。

本研究以水稻幼苗為研究對象，通過在不同葉齡期實施短期的淹水處理，使水稻幼苗遭受短期缺氧脅迫，旨在探索水稻幼苗生長及根系氮代謝關鍵酶活性對短期缺氧處理的響應及其與葉齡的關系。

1 材料和方法

1.1 供試材料

試驗于2017年11月在湖南省長沙市中國農業科學院麻類研究所進行。分別在小拱棚自然光照條件下和人工氣候箱中進行。供試水稻品種為黃華占。將取自水稻田的土壤粉碎后作為育秧土，所用的稻田土是典型的粘土，其理化特性如下：有機質24.2 g/kg，全氮1.53 g/kg，全磷0.57 g/kg，全鉀59.0 g/kg，水解氮 31.2 mg/kg，速效磷48.4 mg/kg，速效鉀107.0 mg/kg。采用市場購買的12穴育苗盒育苗，育苗盒由儲水盒和穴孔盤組成，整體尺寸為19 cm(長)×14 cm(寬)×6 cm(高)，單個穴孔尺寸為4 cm(長)×4 cm(寬)×5 cm(高)。小拱棚中采用了自動控制地熱線，結合主動通風，控制棚內溫度為15～30 ℃。人工氣候箱光照周期為12 h晝/12 h夜，光強設定為16 000 lx，晝溫設定為35 ℃，夜溫20 ℃。試驗過程中環境溫度和光照變化見圖1。

1.2 試驗方法

1.2.1 處理設置 根據秧苗實施淹水時期的不同，共設置5個處理，分別為全程無淹水處理(CK)，一葉一心期至二葉一心期淹水處理(T1)，二葉一心期至三葉一心期淹水處理(T2)，三葉一心期至四葉一心期淹水處理(T3)，全程淹水處理(T4)。每個處理設置3次重復，即使用3盤秧苗。

1.2.2 淹水處理方法 將氮氣通入自來水中，并持續曝氣10 min，使得自來水中的氧濃度低于1 mg/L，成為低氧水，然后將儲水盒裝滿低氧水，將育苗穴盤慢慢置于儲水盒中，使低氧水浸沒育秧土，試驗過程中每天添加低氧水保持育秧土持續處于淹沒狀態。

1.2.3 試驗過程 2017年11月6日播種，用粉碎的育秧土填充穴孔盤，并在每個穴孔里播種約15粒種子，共播種30盤，置于小拱棚中育苗，期間保持育秧土壤濕潤。至11月16日時，此時秧苗已經進入一葉一心期，此時將15盤秧苗轉移至人工氣候箱，另15盤繼續置于小拱棚中。并從此時開始開展淹水試驗，其中CK一直未做淹水處理，T1、T2和T3處理分別在11月16日、11月19日、11月22日開始實施淹水處理，并分別在11月19日、11月22日、11月25日結束淹水處理，T4在11月16日開始實施淹水處理，在11月25日結束淹水處理。 試驗期間，每隔3天從各處理中取樣分析(前期經歷理論上完全一致的處理合并取樣分析)，每次取樣時從每個穴盤中隨機取2穴秧苗，用于分析測定。從11月16日到12月1日每隔3 d取樣一次，共取樣6次。

1.3 測定指標和方法

1.3.1 秧苗生物量與株高 將秧苗仔細洗去土壤，相互分離，然后用吸水紙吸去植株表面水分，分別測定地上部和地下部單株鮮質量，同時測定秧苗株高(僅人工氣候箱試驗)。

1.3.2 根系呼吸代謝關鍵酶活性 將測定完鮮質量的秧苗根系儲存于零下4 ℃冰箱中，用以測定根系碳氮代謝關鍵酶活力。根系氮代謝關鍵酶包括硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)，上述酶活性均基于分光光度法，采用索萊寶公司生產的試劑盒測定。

1.4 數據處理

采用SAS 8.2和Excel 2013分析數據并制圖。

2 結果與分析

2.1 土壤氧濃度

從圖2可以看出，在淹水條件下，育秧土中的氧濃度迅速下降，在大約5 h后接近零。此后在淹水過程中，育秧土中持續保持在缺氧狀態。撤除淹水處理后，隨著土壤中重力水的流失，在不到5 h內，土壤中的氧濃度迅速升高至大氣氧濃度狀態。

2.2 秧苗株高

在整個試驗過程中，秧苗株高持續增加(圖3)。不管是在哪個時期實施的短期淹水處理，均促進了地上部生長，這種促進效果在淹水0～6 d內并不明顯，在淹水6～9 d后與對照秧苗的株高差異明顯，在11月28日取樣時，各淹水處理秧苗的株高均顯著高于對照，顯示淹水處理對秧苗株高的影響具有一定的滯后性。

2.3 秧苗生物量

在整個試驗過程中，秧苗地上部鮮質量持續增加。不管是在哪個時期實施的短期淹水處理，均在短期內促進了地上部生長，如在自然光照小拱棚試驗中(圖4-A)，從一葉一心期到二葉一心期，CK地上部單株鮮質量提高了3.6 mg/株，同時期T1和T4處理提高了8.3 mg/株；從二葉一心期到三葉一心期，CK地上部單株鮮質量提高了0.5 mg/株，同時期T2和T4處理分別提高了4.2，4.8 mg/株；從三葉一心期到四葉一心期，CK地上部單株鮮質量提高了11.4 mg/株，同時期T3和T4處理分別提高了17.1，11.9 mg/株。人工氣候箱試驗中秧苗地上部變化規律與小拱棚試驗中的基本一致(圖4-B)。

在自然光照小拱棚試驗中，從二葉一心期到三葉一心期，秧苗根系鮮質量明顯降低，除此之外，秧苗根系鮮質量總體上都是隨著秧齡增加而增加(圖5-A)。不管在哪個時期實施的短期淹水處理，均在短期內促進了根系的生長，如在自然光照小拱棚試驗中，從一葉一心期到二葉一心期，CK根系鮮質量基本沒變，同時期T1和T4處理提高了1.2 mg/株；從二葉一心期到三葉一心期，CK根系鮮質量降低了4.4 mg/株，同時期T2和T4處理分別只降低了3.0，1.3 mg/株；從三葉一心期到四葉一心期，CK根系鮮質量提高了3.8 mg/株，同時期T3和T4處理分別提高了5.5，5.8 mg/株。在2個試驗中，淹水處理對秧苗根系質量的影響基本一致。隨著淹水處理的撤除，其對根系的促進效應會繼續持續3 d到下一個取樣時期，但隨后根系的生長會受到持續約6 d的抑制，至第6次取樣時，除T4處理外，其余經歷淹水處理秧苗的根系質量均接近甚至低于對照(圖5-B)。

2.4 根系硝酸還原酶活性

在自然光照小拱棚試驗中，從一葉一心期到三葉一心期，根系硝酸還原酶活性逐漸升高；三葉一心期后，根系硝酸還原酶活性逐漸降低(圖6-A)，而在人工氣候箱試驗期間，根系硝酸還原酶活性整體上呈持續降低趨勢(圖6-B)。在2個試驗中，淹水處理均迅速降低了根系硝酸還原酶活性，如在2個試驗中，第2次取樣時T1和T4處理均低于CK，第3次取樣時，T2處理均低于CK，第4次取樣時，T3處理均低于CK。在解除淹水處理之后，淹水處理對根系硝酸還原酶活性的降低效應慢慢消除，淹水處理秧苗的根系硝酸還原酶活性有一個逆勢回升過程，具體說來，在自然光照小拱棚試驗中，T1和T3處理從第5次取樣到第6次取樣時根系硝酸還原酶活性提高了，在人工氣候箱試驗中，T1、T2和T3處理均在淹水處理結束后3～6 d出現了根系硝酸還原酶活性的提高(同時期對照處理在降低)。

2.5 根系谷氨酰胺合成酶活性

在2個試驗中，淹水處理均在多數情況下迅速降低了根系谷氨酰胺合成酶活性(圖7)，如在自然光照小拱棚試驗中，第3次取樣時T2和T4處理均低于CK，第4次取樣時T3和T4處理均低于CK；在人工氣候箱試驗中，第2次取樣時，T1和T4處理均低于CK，第3次取樣時T2和T4處理均低于CK，第4次取樣時，T3處理低于CK。類似于硝酸還原酶活性，解除淹水處理后，秧苗的谷氨酰胺合成酶活性有一個迅速反彈過程，這在人工氣候箱試驗中尤為明顯。

2.6 根系谷氨酸合成酶活性

在自然光照小拱棚試驗中，從一葉一心期到三葉一心期，CK秧苗根系谷氨酸合成酶活性逐漸升高；三葉一心期后，CK秧苗根系谷氨酸合成酶活性逐漸降低(圖8-A)，而在人工氣候箱試驗期間，CK秧苗根系谷氨酸合成酶活性整體上呈持續降低趨勢(圖8-B)，在2個試驗中，淹水處理后秧苗根系谷氨酸合成酶活性變化趨勢與CK基本一致，但淹水處理的秧苗的谷氨酸合成酶活性在試驗后期都呈現了逆勢上升趨勢，在人工氣候箱試驗中尤為明顯。淹水處理均迅速降低了根系谷氨酸合成酶活性，表現為第2次取樣時2個試驗的T1和T4處理均低于CK，第3次取樣時，人工光照小拱棚試驗T2處理低于CK，第4次取樣時，2個試驗的T3處理均低于CK。

2.7 秧苗生物量與根系碳氮代謝酶活性的相關性分析

在自然光照小拱棚試驗中，秧苗的地上部鮮質量與谷氨酸合成酶活性存在中等負相關性(r=-0.598 0)，根系鮮質量與根系谷氨酰胺合成酶活性、硝酸還原酶活性、谷氨酸合成酶活性均存在負相關性(r=-0.381 0，-0.643 8，-0.824 6)，谷氨酸合成酶活性、谷氨酰胺合成酶活性、硝酸還原酶活性之間均存在中等正相關性(圖9)。

在人工氣候箱試驗中，秧苗的地上部鮮質量與硝酸還原酶活性和谷氨酸合成酶活性呈負相關性(r=-0.797 7，-0.559 0)，根系鮮質量與根系谷氨酰胺合成酶活性、硝酸還原酶活性、谷氨酸合成酶活性均呈負相關性(r分別為-0.572 6，-0.907 0，-0.741 5)，谷氨酸合成酶活性、谷氨酰胺合成酶活性、硝酸還原酶活性間呈正相關性(圖10)。

3 討論與結論

3.1 短期淹水處理對秧苗地上部和地下部生長的影響

在本研究的2個試驗中，短期淹水處理對秧苗地上部和地下部生長的影響基本一致，短期淹水處理迅速促進了秧苗地上部和地下部的生長，但在撤除淹水處理后，秧苗根系的生長速率會低于同時期對照的，長遠看來，淹水處理反倒降低了秧苗根系生物量，相應地降低了秧苗根冠比。馬麗峰等[15]對處于二葉一心期的水稻幼苗實施沒頂淹水處理，發現淹水處理秧苗的地上部和地下部干質量均增加，根冠比提高，而在撤除淹水處理后，秧苗地上部地下部的生長都出現停滯，根冠比甚至低于對照，這與本研究中觀察到的現象完全一致。徐春梅等[3]對三葉一心的水稻秧苗實施連續12 d的低氧處理，最終導致了秧苗地上部、地下部生物量以及根冠比的降低，與本研究中淹水處理最終降低了秧苗生物量的結果一致。大量研究表明，淹水脅迫下，水稻莖稈會迅速伸長，株高增加[3, 16-18]，這與本研究中的結果一致。一般認為這是水稻應對淹水脅迫的避逆型策略，通過莖稈伸長使植株上部露出水面，從而進行有氧新陳代謝和光合作用[2, 19]。淹水脅迫下秧苗地上部生物量的增加可能主要是由于莖稈的伸長生長導致的，而根系的快速生長可能是一種與之類似的避逆型策略，即通過根系的快速生長，擴大根系的延伸范圍，從而最大可能獲得氧氣。乙烯被認為是誘導水稻低氧脅迫反應的關鍵激素。Kende等[20]認為，淹澇促進水稻節間伸長是由于節間組織中低濃度氧誘導ACC(1-氨基環丙烷-1-羧酸)的合成，從而加速乙烯的合成，高濃度乙烯可以改變水稻組織對低濃度內源赤霉素(GA3)反應的臨界值和擴大反應的量，提高莖組織對低濃度GA3的響應，促進居間分生組織細胞的分裂活動，增加節間細胞的長度，從而導致稻株的伸長生長。此外，低氧脅迫處理誘導根系乙烯和 ABA含量的增加，從而抑制地上部生長素(IAA)向根部運輸，導致地上部 IAA 積累，而莖節基部 IAA 的積累可以促進莖稈徒長[21]，這也是短期低氧脅迫處理后水稻幼苗株高反而增加的原因。這種避逆機制在促進秧苗生物迅速增加的過程中消耗大量的能量，導致植株內儲存的碳氮物質含量降低[16-17]。此外，缺氧條件下水稻根系的有氧呼吸被嚴重抑制，大大降低了能量供應，減少根系對營養元素的吸收[3,5]，可能正是由于這些原因，使得即使在撤除淹水處理后，秧苗的生長依然會出現一定的停滯，最終使得淹水處理秧苗的生物量接近甚至低于對照。

3.2 短期淹水處理對秧苗根系NR、GS和GOGAT活性的影響

3.3 不同葉齡期短期淹水處理對秧苗的影響的差異

從秧苗根系鮮質量的變化來看，不同葉齡期短期淹水處理對秧苗的影響存在一定的差異，一葉一心期的影響似乎更為持久和強烈，表現為在2個試驗的后期，一葉一心期淹水處理的秧苗地上部鮮質量和根系鮮質量總體上都是低于其他處理的，根系鮮質量尤為明顯，然而，由于本研究試驗結束時二葉一心期和三葉一心期淹水處理對根系生物量的抑制作用可能未完全顯現，因此，T1處理的秧苗根系鮮質量可能只是臨時低于其他淹水處理的。從秧苗根系硝酸還原酶活性、谷氨酰胺合成酶活性以及谷氨酸合成酶活性的變化來看，不同葉齡期短期淹水處理秧苗的這些酶活性在撤銷淹水處理后都出現了反彈過程，表明淹水處理的影響是短期的、可恢復的。綜上，不同葉齡期短期淹水處理對秧苗的影響可能并無明顯差別，盡管如此，根據前面的分析，三葉期前短期缺氧處理對水稻幼苗根系氮代謝酶活性的短期影響還是顯著不同于分蘗期及后期短期缺氧處理。

不管是從哪個葉齡期開始，三葉期前短期淹水處理在短期內促進了水稻秧苗生長，其地上部、地下部鮮質量均比對照增加了，但試驗后期，水稻秧苗的生物量并未增加，反倒有降低的趨勢。不同葉齡期實施的短期淹水處理對各種氮代謝關鍵酶活性的影響基本一致，多數情況下降低了各種氮代謝酶的活性。不同葉齡期短期淹水處理對秧苗的影響并無明顯差別，盡管如此，三葉期前短期缺氧處理對水稻幼苗根系氮代謝酶活性的短期影響不同于分蘗期及后期短期缺氧處理的影響。