低溫脅迫下增施鋅肥對(duì)水稻氮代謝與干物質(zhì)積累的影響

劉智蕾，蘇錦鎧，孟靜柔，李鵬飛，宋佳媚，張昊楠，陳志豪，于彩蓮，袁英才，彭顯龍*

（1 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150030；2 哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150040；3 黑龍江春雨智慧農(nóng)業(yè)科技有限公司，黑龍江哈爾濱 150030）

黑龍江省是典型的高緯度寒地稻作區(qū)，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期低溫是限制該地區(qū)水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要因子[1]。營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期低溫會(huì)產(chǎn)生大量活性氧自由基，導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化與丙二醛(MDA)積累，從而降低根系活力，抑制根部對(duì)養(yǎng)分的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，削弱干物質(zhì)合成及運(yùn)輸轉(zhuǎn)化過(guò)程，減少分蘗數(shù)量，導(dǎo)致生育期推遲，嚴(yán)重時(shí)可減產(chǎn)20%以上[2-4]。因此，探尋適宜措施緩解低溫對(duì)水稻的抑制對(duì)低溫年水稻穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

充足的養(yǎng)分與物質(zhì)積累，特別是抽穗后較高的養(yǎng)分與物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)是保證水稻高產(chǎn)的前提[5-6]。同時(shí)，適宜的養(yǎng)分與干物質(zhì)積累也能夠提高作物低溫抗性，加快脅迫后恢復(fù)生長(zhǎng)[2]。研究表明，低溫脅迫后水稻分蘗增加量與氮積累的增加量密切相關(guān)，低溫脅迫后氮積累量越多越有利于分蘗的發(fā)生[2,7-8]。雖然給予足夠的生長(zhǎng)時(shí)間，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期低溫量后干物質(zhì)與氮積累均能恢復(fù)至正常水平，但生育期的延遲將會(huì)增加水稻生育后期再次遭遇低溫的風(fēng)險(xiǎn)[7]。可見(jiàn)，促進(jìn)低溫后干物質(zhì)與氮積累的快速恢復(fù)是保證產(chǎn)量的關(guān)鍵。

鋅作為300多種酶的組分參與碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)、核酸等重要物質(zhì)的代謝過(guò)程，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起著重要作用[9-10]。逆境條件下，鋅可以通過(guò)增加超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化酶活性來(lái)清除活性氧與MDA等物質(zhì)的傷害，也能通過(guò)增加脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，提高光合作用與養(yǎng)分吸收能力等途徑來(lái)緩解逆境脅迫對(duì)植物的損傷[11-13]。在寒冷地區(qū)，施鋅能夠促進(jìn)水稻返青，提高水稻產(chǎn)量與品質(zhì)[14]。氮代謝強(qiáng)度受施鋅量的影響，在一定范圍內(nèi)谷氨酰胺合成酶(GS)與硝酸還原酶(NR)活性隨著施鋅量的增加而增加[15-16]。增加鋅肥的施用可以通過(guò)提高NR與GS活性，促進(jìn)蛋白質(zhì)的積累進(jìn)而緩解高溫脅迫對(duì)小麥產(chǎn)量與品質(zhì)的抑制[17]。然而，低溫下施鋅能否通過(guò)影響氮代謝促進(jìn)水稻氮與物質(zhì)積累的恢復(fù)目前尚不明晰。鑒于此，本研究采用水培試驗(yàn)，研究不同施鋅水平對(duì)水稻低溫抗性與物質(zhì)積累的影響，探明鋅在水稻抗低溫中的作用。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2019年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)進(jìn)行，以低溫敏感品種‘五優(yōu)稻4號(hào)’為供試材料，種子由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)裝置 試驗(yàn)用水培箱為長(zhǎng)方體無(wú)蓋容器，用聚乙烯材料制成，體積為8 L (長(zhǎng)40 cm×寬10 cm×高20 cm)，與水培箱橫截面相同大小的PVC板漂浮在營(yíng)養(yǎng)液上。PVC板上留有8個(gè)直徑為3.2 cm的小孔，孔中放入直徑3.2 cm×高3.5 cm定植籃固定幼苗，每個(gè)定植籃中移入8株水稻幼苗。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 設(shè)置營(yíng)養(yǎng)液ZnSO4·7H2O濃度為0.08、0.15和0.30 μmol/L 3個(gè)水平，分別代表低(Zn0.08)、常規(guī)(Zn0.15)和高(Zn0.30) 3個(gè)施鋅水平。在育秧棚中將水稻培養(yǎng)至三葉一心期，選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的水稻幼苗移栽至水培箱內(nèi)，生長(zhǎng)至五葉一心期時(shí)進(jìn)行低溫(12℃)處理，以常溫(20℃)為對(duì)照，溫度處理持續(xù)7天。人工氣候箱光照強(qiáng)度為20000 lx，時(shí)長(zhǎng)為晝/夜14 h/10 h，水稻營(yíng)養(yǎng)液采用國(guó)際水稻研究所(IRRI)配方，營(yíng)養(yǎng)液pH為5.5，每周更換一次。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理4次重復(fù)，每個(gè)水培箱為1次重復(fù)。

1.2.3 樣品采集 于低溫處理結(jié)束后取樣，水稻植株用自來(lái)水清洗干凈并用濾紙擦干后，一部分于烘箱80℃烘干至恒重，樣品粉碎后測(cè)定養(yǎng)分含量；另一部分放入?80℃冰箱保存，取主莖上數(shù)第一片完全展開(kāi)葉片用于測(cè)定酶活性與MDA含量等指標(biāo)。

1.2.4 根系活力測(cè)定 根系總吸收面積與根系活躍吸收面積采用甲烯藍(lán)法測(cè)定[18]。根系氧化力采用α-萘胺法測(cè)定[19]。以這3個(gè)指標(biāo)反映根系活力。

1.2.5 植株養(yǎng)分含量測(cè)定 植物樣品烘干粉碎后經(jīng)濃H2SO4-H2O2(開(kāi)氏法)消煮—流動(dòng)分析儀(Bran+Luebbe AA3，德國(guó))測(cè)定植株全氮含量；用1 mol/L HCl浸提—ICP-OES (Perkin Elmer Avio 500，美國(guó))測(cè)定植株鋅含量。

1.2.6 氮代謝酶活性測(cè)定 NR、GS活性按照Liu等[2]的方法測(cè)定。

1.2.7 MDA含量與抗氧化酶活性測(cè)定 MDA含量采用硫代巴比妥酸法[18]測(cè)定。SOD活性采用四唑氮藍(lán)(NBT)光化還原法[18]測(cè)定；過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法[18]測(cè)定；過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法[18]測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 22.0軟件進(jìn)行雙因素方差分析，通過(guò)新復(fù)極差法(Duncan法)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻生長(zhǎng)發(fā)育

溫度與施鋅水平對(duì)水稻分蘗數(shù)量有顯著交互作用(P< 0.05)，對(duì)水稻地上部與根系干重?zé)o顯著交互作用，但溫度與施鋅水平單獨(dú)對(duì)分蘗數(shù)和水稻干重均有顯著影響（鋅水平對(duì)根系干重的影響不顯著除外）。20°C常溫下，與Zn0.15處理相比，Zn0.30處理對(duì)分蘗數(shù)量無(wú)顯著影響，地上部干重增加6.48%(P< 0.05)；Zn0.08處理使分蘗數(shù)量減少8.57% (P<0.05)，地上部干重降低7.29% (P< 0.05)。與20°C常溫相比，12°C低溫抑制水稻分蘗生長(zhǎng)，降低水稻干重，但Zn0.30處理能夠緩解低溫對(duì)水稻生長(zhǎng)的抑制。12°C低溫下，Zn0.15處理水稻分蘗數(shù)量為2.7個(gè)/株，較20°C常溫下 Zn0.15處理減少22.86%(P< 0.05)，同時(shí)水稻地上部與根系干重較20°C常溫下 Zn0.15處理分別降低33.60% (P< 0.05)和28.42%(P< 0.05)。12°C低溫下，Zn0.30處理水稻分蘗數(shù)量為2.9個(gè)/株，雖然較20°C常溫下Zn0.15處理仍低17.14% (P< 0.05)，但較12°C低溫下Zn0.15處理增加7.41% (P< 0.05)，同時(shí)12°C低溫下Zn0.30處理水稻地上部干重較Zn0.15處理增加7.93% (P<0.05)。同一溫度下鋅水平對(duì)根系干重的影響較小，處理間差異不顯著(表1)。

表1 鋅對(duì)低溫脅迫下水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響Table 1 Effects of zinc on rice plant growth under low temperature stress

2.2 根系活力

根系吸收面積與根系氧化力是反映根系活力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。圖1顯示，溫度和施鋅水平對(duì)水稻根系總吸收面積、活躍吸收面積與根系氧化力無(wú)顯著交互作用，但溫度與施鋅水平單獨(dú)影響效應(yīng)均顯著。20°C常溫下，與Zn0.15處理相比，Zn0.30處理對(duì)根系活力影響不顯著。與20°C常溫相比，12°C低溫降低水稻根系活力，Zn0.15處理根系總吸收面積與活躍吸收面積較20°C常溫下 Zn0.15處理分別降低22.84% (P< 0.05)與24.58% (P< 0.05)，根系氧化力降低17.50% (P< 0.05)。12°C低溫下，Zn0.30處理水稻根系總吸收面積與活躍吸收面積較Zn 0.15處理分別增加19.47% (P< 0.05)與20.64% (P< 0.05)，根系氧化力增加12.31% (P< 0.05)，但與20°C常溫下 Zn0.15處理差異不顯著，而Zn0.08處理水稻根系總吸收面積、活躍吸收面積與根系氧化力顯著低于20°C常溫下Zn0.15處理（圖1）。

圖1 低溫脅迫下施用不同濃度鋅對(duì)水稻根系總吸收面積和根系活躍吸收面積與根系氧化力的影響Fig. 1 The total and active absorption area and oxidation activity of rice root as affected by Zn application level under low temperature stress

2.3 養(yǎng)分吸收

溫度和施鋅水平對(duì)水稻鋅吸收與氮吸收無(wú)顯著交互作用，溫度與施鋅水平單獨(dú)影響效應(yīng)均顯著。20°C常溫下，Zn0.30處理水稻根系鋅含量較Zn0.15處理增加15.79% (P< 0.05)，地上部和根系鋅積累量較Zn0.15處理分別增加8.96% (P< 0.05)和14.81% (P< 0.05)，但氮吸收與Zn0.15處理無(wú)顯著差異（表2）。與20°C常溫下 Zn 0.15處理相比，12°C低溫使Zn0.15處理水稻地上部與根系鋅含量分別增加16.73% (P< 0.05)與57.54% (P< 0.05)，氮含量分別增加7.78% (P< 0.05)與27.78% (P< 0.05)；水稻地上部鋅積累量與地上部、根系氮積累量顯著下降，但根系鋅積累量增加11.11% (P< 0.05)。12°C低溫下，與Zn0.15處理相比，Zn0.30處理顯著增加水稻養(yǎng)分吸收，水稻地上部和根系鋅積累分別增加15.09% (P< 0.05)和23.33% (P< 0.05)，氮積累量分別增加17.54% (P< 0.05)與21.43% (P< 0.05)，而Zn0.08處理根系鋅含量降低6.01% (P< 0.05)，根系氮含量降低4.78% (P< 0.05)。

表2 鋅對(duì)低溫脅迫下水稻養(yǎng)分吸收的影響Table 2 Effects of zinc on rice nutrient absorption under low temperature stress

2.4 氮代謝酶活性

溫度和施鋅水平對(duì)水稻NR與GS活性無(wú)顯著交互作用，但溫度、施鋅水平的單獨(dú)影響效應(yīng)均顯著(圖2)。施鋅促進(jìn)水稻氮代謝，20°C常溫下，與Zn0.15處理相比，Zn0.30處理對(duì)水稻NR、GS活性均有促進(jìn)作用，但差異不顯著，Zn0.08處理地上部GS活性較Zn 0.15處理降低25.00% (P< 0.05)。與20°C常溫下 Zn0.15處理相比，12°C低溫下Zn0.15處理水稻NR和GS活性分別增加65.07% (P< 0.05)和6.25%。12°C低溫下，Zn0.30處理NR和GS活性較Zn0.15處理分別增加18.82% (P<0.05)和29.41% (P< 0.05)，但Zn0.08處理GS活性較Zn0.15處理減少17.65% (P< 0.05)。

圖2 鋅對(duì)低溫下水稻葉片硝酸還原酶(NR)與谷氨酰胺合成酶(GS)活性的影響Fig. 2 Effects of zinc on NR and GS activities of rice leaves under low temperature stress

2.5 MDA含量與抗氧化酶活性

溫度和施鋅水平對(duì)水稻葉片MDA含量無(wú)顯著交互作用，溫度與施鋅水平單獨(dú)影響效應(yīng)均顯著。施鋅可以降低水稻中MDA含量(圖3)，20°C常溫下，與Zn0.15處理相比，Zn0.30處理水稻MDA含量低13.06%，Zn0.08處理水稻MDA含量增加18.33%。12°C低溫下Zn0.15處理MDA含量較20°C常溫下Zn0.15處理增加25.28% (P< 0.05)。12°C低溫下，Zn0.30處理MDA含量較Zn0.15鋅處理降低26.39%(P< 0.05)，但與20°C常溫下 Zn0.15處理無(wú)顯著差異；Zn0.08處理水稻MDA含量較Zn0.15處理增加19.96% (P< 0.05)。

圖3 鋅對(duì)低溫下水稻葉片MDA含量與抗氧化酶活性的影響Fig. 3 Effect of zinc on MDA concentration and antioxidant enzymes activities of rice leaves

溫度和施鋅水平對(duì)水稻葉片SOD、POD和CAT活性單獨(dú)影響效應(yīng)均顯著，對(duì)SOD活性和POD活性無(wú)顯著交互作用，但對(duì)CAT活性有顯著交互作用(P< 0.05) (圖3)。增加施鋅量能提高水稻抗氧化酶活性，且對(duì)SOD活性的促進(jìn)作用更加顯著。20°C常溫下，Zn0.30處理水稻 SOD活性較Zn0.15處理增加9.58%，Zn0.08處理水稻SOD活性較Zn 0.15處理減少10.47% (P< 0.05)，鋅水平對(duì)POD活性和CAT活性無(wú)顯著影響。12°C低溫下Zn0.15處理較20°C常溫下 Zn0.15處理POD活性增加11.44% (P< 0.05)，CAT活性增加19.43% (P<0.05)，SOD活性增加5.96% (P> 0.05)。12°C低溫下，Zn0.30處理水稻SOD、POD和CAT活性均顯著高于Zn0.15鋅處理，但Zn0.08處理與Zn0.15處理無(wú)顯著差異。

3 討論

低溫脅迫導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧含量的升高，增加了植物細(xì)胞膜透性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡[19]。鋅作為Cu/Zn-SOD酶的金屬組分，能有效清除來(lái)控制氧自由基的產(chǎn)生，可以有效降低植物體內(nèi)活性氧的累積，保護(hù)細(xì)胞膜的穩(wěn)定性[10]。干旱與鹽堿脅迫等逆境條件下，施鋅可以提高植物中SOD與POD等抗氧化酶的活性，減少氧化脅迫損傷、MDA的積累以及電解質(zhì)的外滲[11-12,20]。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，低溫下0.30 μmol/L的高施鋅量使水稻體內(nèi)MDA含量顯著降低，SOD、POD與CAT活性顯著增加(圖3)，這說(shuō)明鋅能夠通過(guò)提高抗氧化酶活性增強(qiáng)水稻對(duì)低溫的抗性。

根系是植物吸收養(yǎng)分的重要器官，其活力的強(qiáng)弱反映植物對(duì)逆境的適應(yīng)與養(yǎng)分吸收能力，較高的根系活力有助于協(xié)調(diào)高產(chǎn)與根系早衰之間的矛盾[21-22]。對(duì)于溫度的變化，根系較地上部更為敏感，低溫脅迫下水稻根系活力降低，且根系活力隨低溫脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，低溫脅迫時(shí)間越久，根系活力下降的幅度越大[23-24]。在本試驗(yàn)條件下，與常溫20℃相比，12℃低溫也會(huì)導(dǎo)致根系總吸收面積和活躍吸收面積減少，根系氧化力顯著下降(圖1)。同時(shí)，低溫也導(dǎo)致水稻根系含鋅量增加57.54% (P< 0.05)，但地上部鋅積累量卻顯著下降(表2)，這說(shuō)明低溫下MDA等有害物質(zhì)大量積累增加膜透性，阻礙了根系吸收的養(yǎng)分向地上部的運(yùn)輸，導(dǎo)致養(yǎng)分在根系大量積累。鋅能促進(jìn)根系生長(zhǎng)，增加根系活力[25-26]，適宜的鋅水平能促進(jìn)根系生長(zhǎng)，提高根系總根長(zhǎng)、總表面積，改善幼苗根系形態(tài)，從而有利于水稻生長(zhǎng)[27]。本試驗(yàn)結(jié)果證明，12℃低溫脅迫下0.30 μmol/L高鋅處理水稻根系總吸收面積、根系活躍吸收面積與根系氧化力均顯著增加，基本維持在20℃常溫下0.15 μmol/L常規(guī)鋅處理水平(圖1)，同時(shí)0.30 μmol/L高鋅促進(jìn)了養(yǎng)分從根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，增加地上部對(duì)氮與鋅的吸收與積累(表2)。主要原因一方面是施鋅提高了水稻的低溫抗性，減少活性氧毒害；另一方面低溫抑制鋅的吸收，改變生長(zhǎng)素的合成與分配，從而影響根系的生長(zhǎng)[28-29]，高鋅有利于維持正常的生長(zhǎng)素代謝[30]，對(duì)根系影響低于未增施鋅處理。因此，增施鋅可以減輕低溫對(duì)水稻根系的傷害，使根系活力在低溫條件下仍有較高活性，保證了較強(qiáng)養(yǎng)分吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)的能力。

氮代謝強(qiáng)弱對(duì)水稻生長(zhǎng)及抗低溫能力的提高尤為重要，鋅能夠影響氮代謝的谷氨酸脫氫酶、蛋白酶、RNA聚合酶等多種酶活性，同時(shí)還是核糖和蛋白質(zhì)的組成成分，因此施鋅能夠促進(jìn)植物氮代謝[31]。鋅能通過(guò)促進(jìn)根系生長(zhǎng)、增大根系表面積、提高根系活力等直接促進(jìn)植株對(duì)氮素的吸收，也能有效促進(jìn)氮素向“庫(kù)”的積累與分配，顯著提高植物氮素的積累[32-33]。水稻鋅含量與氮含量呈顯著正相關(guān)[34]，并且在一定鋅含量范圍內(nèi)，NR活性隨著施鋅量增加而提高，從而促進(jìn)氮在植株體內(nèi)的同化[16]。本研究結(jié)果顯示，0.30 μmol/L的高鋅不僅促進(jìn)水稻對(duì)鋅的吸收，還能夠增強(qiáng)水稻氮代謝酶NR和GS活性(圖2)，提高水稻氮含量，促進(jìn)氮的吸收與積累(表2)，且這一作用在低溫脅迫下更加明顯，常規(guī)量基礎(chǔ)上減少施鋅量時(shí)水稻的氮代謝明顯受到抑制。可見(jiàn)，低溫下0.30 μmol/L的高鋅能夠通過(guò)提高氮代謝酶活性增強(qiáng)水稻氮代謝，保證水稻生長(zhǎng)有足夠的氮素營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。

營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期充足的物質(zhì)積累有利于后期生殖生長(zhǎng)期分蘗成穗與產(chǎn)量的形成。分蘗期低溫會(huì)減少水稻干物質(zhì)積累量與分蘗數(shù)量，且與低溫持續(xù)時(shí)間及強(qiáng)度有關(guān)[7]。鋅能延長(zhǎng)植物干物質(zhì)積累的時(shí)間和快速積累的時(shí)期，促進(jìn)干物質(zhì)積累量的增加，并增加分蘗數(shù)量[30,35]。在逆境條件下適量增加鋅的施用也能提高植物干重[13]。本研究結(jié)果也得出，雖然0.30 μmol/L高鋅處理的水稻地上部干重在12℃低溫脅迫下顯著低于20℃常溫，但與12℃低溫下0.15 μmol/L常規(guī)施鋅處理相比地上部干重與分蘗期數(shù)量顯著增加(表1)。說(shuō)明12℃低溫條件下0.30 μmol/L的高施鋅量能夠增加水稻分蘗數(shù)量與干重，緩解低溫脅迫對(duì)水稻的傷害，這主要是施鋅增強(qiáng)了水稻的低溫抗性，保證水稻有較強(qiáng)根系活力，使根系維持較強(qiáng)養(yǎng)分吸收能力，進(jìn)而增加水稻養(yǎng)分吸收并促進(jìn)氮代謝過(guò)程。因此，在低溫年或寒冷地區(qū)可適當(dāng)增加苗期鋅肥的施用量以提高水稻低溫抗性，尤其是含鋅量較低的土壤。然而，對(duì)于不同肥力土壤低溫條件下適宜的鋅肥用量還需要進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期低溫導(dǎo)致活性氧毒害，降低根系活力，從而阻礙根系吸收的養(yǎng)分向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，減少物質(zhì)積累與分蘗數(shù)量。水稻苗期增加施鋅量可有效防止?fàn)I養(yǎng)生長(zhǎng)期低溫對(duì)細(xì)胞膜的破壞，提高根系活力，增強(qiáng)氮代謝，維持較高的干物質(zhì)積累量，從而緩解低溫對(duì)水稻的危害。