茉莉酸甲酯對高溫下抽穗揚花期水稻葉片生理特性的影響

黃友明， 曾曉春

(宜春學院生命科學與資源環境學院，江西宜春 336000)

茉莉酸甲酯(MeJA)是植物體內普遍存在的一種內源調控物質，與植物的抗逆性密切相關，主要參與高溫、低溫、干旱、鹽漬、病害和蟲害等多種逆境的調控反應。MeJA能有效提高超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和苯丙氨酸解氨酶(PAL)等的活性，起到降低白葉枯病[1]和稻瘟病[2]對水稻幼苗的危害作用。研究還發現，MeJA可提高抗氧化酶活性，有效減少活性氧和丙二醛(MDA)的累積，起到提高水稻幼苗抗冷性的效果[3]。干旱條件下MeJA能維持葉綠素含量穩定，保護光合機構不受損傷，從而提高光合能力[4]。也有研究發現，MeJA能通過提高干旱脅迫下水分的利用能力和抗氧化能力，達到提高小麥光合能力的效果[5]。關于MeJA在各種脅迫中的應用研究較多，但MeJA對水稻抽穗楊花期的熱害緩解與防御效應卻鮮有報道。

抽穗開花期、孕穗期和灌漿期是水稻對高溫特別敏感的階段，尤其是抽穗揚花期[6]。水稻高溫脅迫指在孕穗后期和抽穗開花期連續長時間遭遇日平均氣溫高于30 ℃、日最高氣溫高于35 ℃，或極端最高氣溫高于38 ℃且相對濕度在70%以下的天氣對水稻造成的危害[7-8]。水稻高溫熱害在我國幾乎每年均有發生，造成了重大的經濟損失。以熱敏感型水稻華粳秈26為材料，在抽穗揚花盛期設置高溫處理，通過葉面噴施MeJA，分時段隨機取樣，測定葉片內源MeJA和脫落酸(ABA)水平，MDA和游離脯氨酸(Pro)含量，過氧化氫酶(CAT)、POD和SOD活性，并實時測量蒸騰速率(E)和光合速率(A)，研究MeJA在高溫條件下對抽穗揚花期水稻葉片生理特性的影響。為解決高溫脅迫下，MeJA處理水稻葉片后，涉及的關鍵生理過程會發生哪些變化以及確定應用MeJA緩解和防御熱害時，MeJA使用的最佳濃度。以期為水稻農業生產和雜交制種中抽穗揚花期抵抗和避開高溫危害等問題提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2021年6月以熱敏感型水稻華粳秈26為材料，從種子萌發到孕穗期于宜春學院校內試驗基地大田常規栽培管理。待孕穗末期將長勢基本一致的稻株從大田移植到直徑約18 cm、高度約16 cm的塑料營養缽中，移植前每個營養缽中裝入2 kg自然風干的稻田土，并加1 500 mL清水和施 N ∶P2O5∶K2O=12 ∶18 ∶15的肥料6 g。移植后，每株水稻僅保留 3個最大的分蘗[9]。

1.2 處理方法

將上述營養缽迅速置于實驗室4個編號分別為1、2、3、4，且型號相同的PRX-2000D型水稻智能人工氣候箱內，每箱若干缽。PRX-2000D型智能人工氣候箱的CMP4030微處理器可24 h自動控制溫度、濕度和光照強度。技術參數：溫度0～50 ℃(±1.0 ℃)，光照度為-30 000 lx，濕度為50%～95%相對溫度(±5%)。4個氣候箱均設置相同的溫度、光照度和濕度(表1)。待氣候箱內的水稻抽穗開花，于開花盛期某天12：00分別以適量清水、1 mmol/L MeJA和5 mmol/L MeJA均勻噴施上述1、2、3、4號氣候箱內的水稻[10]，24 h后把1號箱各時段的溫度均調成28 ℃，把2、3、4號箱各時段的溫度均調成38 ℃，把光照度和濕度均調成并保持12：00的數據。在調控高溫處理后0、6、12、24 h對水稻葉片隨機取樣，測定葉片內源MeJA和ABA水平，測定MDA和Pro含量以及CAT、POD、SOD活性，并實時測量蒸騰速率和光合速率，相同試驗重復3次。

表1 智能人工氣候箱溫度、光照度和濕度的設置

上述相同的操作，再次試驗45 ℃高溫條件下，MeJA對抽穗開花期水稻葉片生理生化的影響。

1.3 測試方法

采用便攜式AS.02-LCI-SD光合儀，選擇葉室窗口面積為5.8 cm2的窄葉葉室，設置CO2濃度為385 μL/L，光通量密度為800～1 000 μmol/(m2·s)，溫度為34～38 ℃，以水稻完整葉片為材料，閉路測量E和A。

參照李宗霆等的方法[11-12]，水稻葉片內源MeJA和ABA水平測試采用酶聯免疫吸附法(ELISA)。

MDA含量、游離Pro含量、CAT活性、POD活性和SOD活性等的測定方法均參照陳建勛等的植物生理學實驗指導[13-14]。

1.4 數據處理

上述測試指標均以3次重復試驗的平均值利用Microsoft Excel 2010制作成柱形圖。

2 結果與分析

2.1 MeJA對高溫脅迫下抽穗揚花期水稻葉片CAT、POD和SOD活性以及MDA和游離Pro含量的影響

由圖1、圖2、圖3可知，在38 ℃和45 ℃高溫脅迫下，除CK外各處理水稻葉片內CAT、POD和SOD活性隨著時間推移整體均存在明顯降低的趨勢。與常溫(CK)處理相比，38 ℃ 0 mmol/L和45 ℃ 0 mmol/L MeJA處理各時間點水稻葉片內CAT、POD和SOD活性均明顯降低。38 ℃和45 ℃下，1 mmol/L 和 5 mmol/L MeJA處理各時間點葉片內CAT和POD活性差異不大，前者略大，但均明顯高于0 mmol/L MeJA處理。38 ℃和45 ℃下，1 mmol/L和5 mmol/L MeJA處理各時間點葉片內SOD活性，前者高于后者(38 ℃處理后24 h除外)，但均非常明顯高于 0 mmol/L MeJA處理。

由圖4、圖5可知，在38 ℃和45 ℃高溫脅迫下，各處理水稻葉片內MDA和游離Pro含量隨著時間推移整體均存在明顯升高的趨勢。與常溫處理相比，38 ℃ 0 mmol/L MeJA處理和45 ℃ 0 mmol/L MeJA處理各時間點水稻葉片內MDA和游離Pro含量均明顯升高，且隨著時間推移越明顯。38 ℃和 45 ℃ 下，5 mmol/L和0 mmol/L MeJA處理各時間點葉片內MDA和游離Pro含量差異不大(38 ℃處理后 12 h 的丙二醛含量除外)，且均明顯高于 1 mmol/L MeJA處理。

2.2 MeJA對高溫脅迫下抽穗揚花期水稻葉片內源MeJA和ABA水平的影響

由圖6和圖7可知，在38 ℃和45 ℃高溫脅迫下，各處理水稻葉片內源MeJA和ABA水平隨著時間推移總體呈升高趨勢。與常溫處理相比，38 ℃ 0 mmol/L MeJA和45 ℃ 0 mmol/L MeJA下水稻葉片內源MeJA和ABA水平均升高。38 ℃和45 ℃高溫處理下，5 mmol/L MeJA處理較0 mmol/L MeJA處理能明顯提高內源MeJA水平，而1 mmol/L MeJA處理較0 mmol/L MeJA處理，內源MeJA水平相差不大。45 ℃高溫脅迫下，1 mmol/L和5 mmol/L較0 mmol/L MeJA處理能明顯提高內源ABA水平， 且處理濃度越高內源ABA水平越高。

2.3 MeJA對高溫脅迫下抽穗揚花期水稻葉片蒸騰速率和光合速率的影響

由圖8和圖9可知，與常溫處理相比，38 ℃ 0 mmol/L MeJA下水稻葉片的E和A均升高，而 45 ℃ 高溫脅迫下0 mmol/L MeJA處理整體均降低。38 ℃ 高溫脅迫下，1 mmol/L和5 mmol/L MeJA處理較0 mmol/L MeJA處理均能明顯提高水稻葉片的E和A，且濃度越高增幅越大。45 ℃高溫處理下，除處理后0 d外，1 mmol/L 和5 mmol/L MeJA處理較0 mmol/L MeJA處理明顯降低水稻葉片的E，且濃度越高E降幅越大。45 ℃高溫處理后6、12、24 h，1 mmol/L 較 0 mmol/L MeJA處理，水稻葉片的A明顯降低，而 5 mmol/L 與0 mmol/L MeJA處理的A相當，變化不明顯。

3 討論

Berry 等研究發現，高溫脅迫致使水稻葉片類囊體膜結構受損以及細胞組分逐漸降解，對光合作用的影響最大[15]。研究還發現，高溫條件下水稻揚花期劍葉的葉綠素含量和光合速率降低[16-17]。當然，耐熱性不一樣的品種，高溫對其葉片光合特性的影響也不一樣。相對熱敏感品種，耐熱品種在高溫條件下能保持較好的光合特性，所受傷害較小。1 mmol/L 和5 mmol/L MeJA處理均能提高水稻葉片在38 ℃高溫下的E和A，極端高溫45 ℃下，6 h后5 mmol/L與1 mmol/L MeJA處理相比E降低，可能與氣孔開度雖減小，但MeJA維持光合相關酶活性在短時間內仍然較高有關。

正常情況下，Pro主要參與蛋白質的合成、作為氮庫、作為恢復生長的能源以及起滲透調節作用。在水稻抽穗開花期，高溫導致花藥和劍葉內游離Pro和游離氨基酸(FAA)總量和Pro/FAA 比值增大[16，18-20]。這有利于調節葉片滲透勢，穩定細胞膜結構，對增強其耐熱性具有重要意義。38 ℃和 45 ℃ 高溫脅迫下，1 mmol/L和5 mmol/L MeJA處理均能降低水稻葉片內游離Pro含量，表明MeJA在一定程度上能抑制蛋白質分解，促進蛋白質合成。試驗過程中保持相對濕度75%不變，故不至發生水分脅迫。

SOD、POD和CAT對防止膜脂過氧化、減輕脅迫造成的細胞膜傷害、延緩植物衰老等有重要作用[21]。MDA就是膜脂過氧化的典型產物之一，且MDA累積對細胞膜和細胞可造成更嚴重的損傷[18，22]。熱害使水稻劍葉的SOD活性明顯下降，而MDA含量和質膜透性卻明顯增加[23]。38 ℃和 45 ℃ 高溫脅迫下，1 mmol/L和5 mmol/L MeJA處理均能提高水稻葉片內CAT、POD和SOD活性，而降低MDA含量，表明MeJA能有效清除活性氧危害，保護細胞膜結構完整性。

高溫條件下，水稻體內的激素平衡遭受破壞，逆境激素ABA和MeJA水平增加，抗逆能力增強[18]。38 ℃和45 ℃高溫脅迫下，1 mmol/L和 5 mmol/L MeJA處理均能提高水稻葉片內源ABA水平，5 mmol/L MeJA處理能提高水稻葉片內源MeJA水平，從而加強水稻的抗高溫能力。

4 結論

在38 ℃和45 ℃高溫脅迫下，對抽穗揚花期水稻葉面噴施MeJA，能有效清除活性氧脅迫，保護細胞膜結構完整性，抑制蛋白質分解，促進蛋白質合成，提高葉片內源MeJA和ABA水平，從而加強水稻抗高溫能力，達到提高蒸騰速率和光合速率的效果。

外源茉莉酸(JA)及MeJA能誘導水稻等禾本科植物成熟穎花的開放[10，24-28]，對不育系水稻更為明顯[29]。而外源ABA能促進水稻已開穎花的關閉[30]。結合并利用MeJA和ABA對水稻穎花開放和關閉的效應，為解決雜交水稻制種中父母本花時不遇，以及水稻農業生產和雜交制種中抽穗揚花期抵抗和避開高溫危害等問題提供了新的視角，具有廣泛和潛在的應用價值。