Ca2+對萌發成苗期水稻生長的影響

張雯霞， 諸文杰， 李偉， 王歡歡， 王欣彤， 閔煜， 張朱奕

(淮陰師范學院 生命科學學院，江蘇 淮安 223300)

鈣是植物必需的營養元素，在植物的生長發育過程中發揮極其重要的作用。Ca2+決定細胞壁的結構強度，其濃度升高抑制細胞伸長，而濃度降低促進細胞和組織生長[1]。Ca2+濃度控制細胞膜的通透性[1]。此外，Ca2+還是細胞內普遍存在的第二信使，在細胞信號轉導中發揮重要作用。植物細胞內存在各種Ca2+感受器，如鈣調蛋白(CaM)、鈣調蛋白類似蛋白(CaM-Like)、Ca2+依賴蛋白激酶、鈣調磷酸酶B類蛋白等[2]。這些Ca2+感受器在轉錄調控中的功能與它們的亞細胞分布有關。Ca2+濃度變化改變Ca2+感受器活性，進而調控轉錄因子，影響下游基因的表達。現已查明，Ca2+信號轉導參與植物細胞分裂、光合作用、酶活性調控等各種生物學過程，并與植物對生物和非生物逆境的應答密切相關[1-2]。

水稻是重要的糧食作物，我國一半以上的人口以稻米為主食。水稻也是單子葉植物分子生物學研究的模式生物。研究表明，用CaCl2溶液浸種或對水稻幼苗進行適當濃度的Ca2+處理能顯著促進幼苗生長、提高幼苗活力、增強幼苗對非生物脅迫的抗性。宋松泉等[3]對二葉期的雜交水稻幼苗進行不同濃度的Ca2+處理，發現低濃度的Ca2+能有效促進幼苗生長，提高葉片葉綠素含量、凈光合作用速率以及植株可溶性淀粉和蛋白質含量等。此外，植株的有效穗、結實率、千粒重和谷物產量也明顯增加。徐秋曼等[4]發現，低濃度的Ca2+能提高雜交稻幼苗的干物質重、健壯度、根系活力和過氧化氫酶活性。周焱等[5]也得到了相似的結果。Ca2+處理能有效提高鹽脅迫下水稻幼苗抗氧化酶的活性，增強活性氧的清除能力，增加細胞膜的穩定性，進而增強耐鹽性[6]。Ca2+處理能改善鹽脅迫下水稻幼苗的光合作用[7]。缺Ca2+的水稻幼苗在低溫下細胞膜結構和功能破壞嚴重，而加入適當濃度的Ca2+可顯著減輕低溫脅迫下稻苗的電解質滲漏，提高抗氧化酶的活性，降低丙二醛含量，保護葉綠體和線粒體超微結構免遭破壞[8]。用CaM抑制劑阻礙Ca2+-CaM信號轉導，降低干旱、鹽和低溫脅迫下水稻幼苗存活率、相對含水量和生長量，說明Ca2+-CaM信號系統在水稻幼苗抗逆性調控中發揮重要作用[9]。此外，將水稻種子用CaCl2浸種可提高幼苗的耐鹽[10]、耐旱[11]和耐冷性[12]。施用硅鈣鎂鉀肥和鈣鎂磷肥能顯著降低水稻糙米中的鎘含量[13]，提高水稻產量[14]。另一方面，高濃度的Ca2+(>5.5 mmol·L-1)會抑制水稻幼苗生長[5]。用150 mmol·L-1的Ca2+處理能誘導水稻愈傷組織細胞DNA片段化[15]。

目前，Ca2+對水稻效應的研究主要是通過CaCl2浸種或者對二葉期以上的幼苗用Ca2+處理來進行的。然而，水稻種子萌發后至二葉階段Ca2+的作用還不明確。本研究對水稻種子萌發后的幼苗進行不同濃度的Ca2+處理和生理分析，旨在為水稻中Ca2+的作用機制以及水稻栽培等提供參考。

1 材料與方法

1.1 水稻幼苗Ca2+處理

本實驗使用的水稻材料為粳稻品種中花11(Oryzasativassp.japonica)。水稻種子用5%的次氯酸鈉溶液滅菌20 min后，用去離子水沖洗干凈，于37 ℃黑暗條件下浸種48 h。將露白的水稻種子播種于培養皿內濕潤的濾紙上，于14 h/10 h(白天/黑夜)光周期、30 ℃/25 ℃(白天/黑夜)溫度周期、500 μmol·m-2·s-1光照強度、70%相對濕度的光照培養箱中培養2 d，根長達到0.5 cm后，取生長一致的幼苗進行不同濃度的Ca2+處理。Ca2+處理在去離子水內進行，分別設置0、0.5、1.0、6.0 mmol·L-14個Ca2+濃度，Ca2+以CaCl2的形式加入。隨后，幼苗在上述培養條件下繼續培養7 d后取樣測量相關性狀。

1.2 生物量的測量

每處理取30棵幼苗，用吸水紙吸干水分，分別測定枝條長、根長、枝條鮮重和根鮮重。隨后，將枝條和根樣品在105 ℃下殺青30 min，80 ℃烘干至恒重后，稱量不同處理、不同組織的干重。

1.3 色素含量的測定

每份樣品稱取0.06 g葉片，剪碎后轉入50 mL離心管中，加入20 mL 80%的丙酮，于室溫避光放置48 h，期間多次混勻。用25 mL容量瓶定容，利用Turner掃描分光光度計(美國)分別測定663、645和470 nm下的吸光度。利用Arnon公式計算葉綠素和類胡蘿卜素的含量。

1.4 統計分析

利用IBM SPSS Statistics 23.0進行單因素方差分析，顯著性水平設置為0.05。

2 結果與分析

2.1 Ca2+對幼苗生長的影響

不同濃度的Ca2+處理以后，幼苗的枝條長顯著下降，且濃度越高，枝條長下降越明顯(圖1和圖2)。然而，低濃度的Ca2+(0.5和1.0 mmol·L-1)處理后，幼苗的根長顯著增加，而高濃度Ca2+(6.0 mmol·L1)處理下幼苗根長顯著下降。

圖1 不同濃度Ca2+處理下植株表型

柱間無相同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖3 同。

不同濃度的Ca2+處理以后，幼苗枝條的鮮重均顯著下降，而根鮮重在0.5 mmol·L-1Ca2+處理下顯著增加，但在1 mmol·L-1Ca2+處理下與對照無顯著差異，并在6 mmol·L-1Ca2+處理下顯著下降。不同組織干重變化與鮮重一致。

2.2 Ca2+對幼苗葉片色素含量的影響

不同濃度Ca2+處理后，幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量均顯著下降，且Ca2+濃度越高，下降越明顯。然而，Ca2+處理后葉片葉綠素a/b升高。此外，Ca2+處理后葉片類胡蘿卜素含量均顯著下降(圖3)。

圖3 不同濃度Ca2+處理后幼苗葉片色素含量

3 小結與討論

Ca2+是植物必需的營養元素，是細胞信號轉導的重要信號分子，在植物生長發育和環境適應中發揮著重要作用。缺少Ca2+的水稻幼苗干物質量、葉綠素含量、根系活力等均下降[3-5]。然而，過量的Ca2+會造成脅迫，抑制種子萌發、影響光合作用、干擾Ca2+信號轉導等，進而抑制植物生長[16]。本研究在水稻萌發成苗前進行不同濃度的Ca2+處理，發現即使是低濃度的Ca2+(0.5 mmol·L-1)也會抑制枝條生長，降低葉片色素含量。但低濃度的Ca2+(0.5 mmol·L-1)處理促進了根的生長。

水稻種子萌發至二葉期主要由胚乳提供生長所需物質。因此，在此時期補充外源Ca2+可能對枝條生長有一定的抑制作用。此外，過量的Ca2+可能造成細胞代謝紊亂，干擾葉綠素的合成。雖然Ca2+抑制枝條的生長，但卻促進根的生長[1]。本研究表明，在水稻萌發成苗階段可能不需要補充外源Ca2+。