茉莉酸甲酯對(duì)高溫下抽穗揚(yáng)花期水稻葉片生理特性的影響

黃友明， 曾曉春

(宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，江西宜春 336000)

茉莉酸甲酯(MeJA)是植物體內(nèi)普遍存在的一種內(nèi)源調(diào)控物質(zhì)，與植物的抗逆性密切相關(guān)，主要參與高溫、低溫、干旱、鹽漬、病害和蟲(chóng)害等多種逆境的調(diào)控反應(yīng)。MeJA能有效提高超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)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(duì)水稻幼苗的危害作用。研究還發(fā)現(xiàn)，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(wěn)定，保護(hù)光合機(jī)構(gòu)不受損傷，從而提高光合能力[4]。也有研究發(fā)現(xiàn)，MeJA能通過(guò)提高干旱脅迫下水分的利用能力和抗氧化能力，達(dá)到提高小麥光合能力的效果[5]。關(guān)于MeJA在各種脅迫中的應(yīng)用研究較多，但MeJA對(duì)水稻抽穗楊花期的熱害緩解與防御效應(yīng)卻鮮有報(bào)道。

抽穗開(kāi)花期、孕穗期和灌漿期是水稻對(duì)高溫特別敏感的階段，尤其是抽穗揚(yáng)花期[6]。水稻高溫脅迫指在孕穗后期和抽穗開(kāi)花期連續(xù)長(zhǎng)時(shí)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(duì)濕度在70%以下的天氣對(duì)水稻造成的危害[7-8]。水稻高溫?zé)岷υ谖覈?guó)幾乎每年均有發(fā)生，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。以熱敏感型水稻華粳秈26為材料，在抽穗揚(yáng)花盛期設(shè)置高溫處理，通過(guò)葉面噴施MeJA，分時(shí)段隨機(jī)取樣，測(cè)定葉片內(nèi)源MeJA和脫落酸(ABA)水平，MDA和游離脯氨酸(Pro)含量，過(guò)氧化氫酶(CAT)、POD和SOD活性，并實(shí)時(shí)測(cè)量蒸騰速率(E)和光合速率(A)，研究MeJA在高溫條件下對(duì)抽穗揚(yáng)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(guān)鍵生理過(guò)程會(huì)發(fā)生哪些變化以及確定應(yīng)用MeJA緩解和防御熱害時(shí)，MeJA使用的最佳濃度。以期為水稻農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和雜交制種中抽穗揚(yáng)花期抵抗和避開(kāi)高溫危害等問(wèn)題提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(fā)到孕穗期于宜春學(xué)院校內(nèi)試驗(yàn)基地大田常規(guī)栽培管理。待孕穗末期將長(zhǎng)勢(shì)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(yíng)養(yǎng)缽中，移植前每個(gè)營(yíng)養(yǎng)缽中裝入2 kg自然風(fēng)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(gè)最大的分蘗[9]。

1.2 處理方法

將上述營(yíng)養(yǎng)缽迅速置于實(shí)驗(yàn)室4個(gè)編號(hào)分別為1、2、3、4，且型號(hào)相同的PRX-2000D型水稻智能人工氣候箱內(nèi)，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(dòng)控制溫度、濕度和光照強(qiáng)度。技術(shù)參數(shù)：溫度0～50 ℃(±1.0 ℃)，光照度為-30 000 lx，濕度為50%～95%相對(duì)溫度(±5%)。4個(gè)氣候箱均設(shè)置相同的溫度、光照度和濕度(表1)。待氣候箱內(nèi)的水稻抽穗開(kāi)花，于開(kāi)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(hào)氣候箱內(nèi)的水稻[10]，24 h后把1號(hào)箱各時(shí)段的溫度均調(diào)成28 ℃，把2、3、4號(hào)箱各時(shí)段的溫度均調(diào)成38 ℃，把光照度和濕度均調(diào)成并保持12：00的數(shù)據(jù)。在調(diào)控高溫處理后0、6、12、24 h對(duì)水稻葉片隨機(jī)取樣，測(cè)定葉片內(nèi)源MeJA和ABA水平，測(cè)定MDA和Pro含量以及CAT、POD、SOD活性，并實(shí)時(shí)測(cè)量蒸騰速率和光合速率，相同試驗(yàn)重復(fù)3次。

表1 智能人工氣候箱溫度、光照度和濕度的設(shè)置

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

1.3 測(cè)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(shè)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(cè)量E和A。

參照李宗霆等的方法[11-12]，水稻葉片內(nèi)源MeJA和ABA水平測(cè)試采用酶聯(lián)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(cè)定方法均參照陳建勛等的植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[13-14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

上述測(cè)試指標(biāo)均以3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值利用Microsoft Excel 2010制作成柱形圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 MeJA對(duì)高溫脅迫下抽穗揚(yáng)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(nèi)CAT、POD和SOD活性隨著時(shí)間推移整體均存在明顯降低的趨勢(shì)。與常溫(CK)處理相比，38 ℃ 0 mmol/L和45 ℃ 0 mmol/L MeJA處理各時(shí)間點(diǎn)水稻葉片內(nèi)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(shí)間點(diǎn)葉片內(nèi)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(shí)間點(diǎn)葉片內(nèi)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(nèi)MDA和游離Pro含量隨著時(shí)間推移整體均存在明顯升高的趨勢(shì)。與常溫處理相比，38 ℃ 0 mmol/L MeJA處理和45 ℃ 0 mmol/L MeJA處理各時(shí)間點(diǎn)水稻葉片內(nèi)MDA和游離Pro含量均明顯升高，且隨著時(shí)間推移越明顯。38 ℃和 45 ℃ 下，5 mmol/L和0 mmol/L MeJA處理各時(shí)間點(diǎn)葉片內(nèi)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(duì)高溫脅迫下抽穗揚(yáng)花期水稻葉片內(nèi)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(nèi)源MeJA和ABA水平隨著時(shí)間推移總體呈升高趨勢(shì)。與常溫處理相比，38 ℃ 0 mmol/L MeJA和45 ℃ 0 mmol/L MeJA下水稻葉片內(nèi)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(nèi)源MeJA水平，而1 mmol/L MeJA處理較0 mmol/L MeJA處理，內(nèi)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(nèi)源ABA水平， 且處理濃度越高內(nèi)源ABA水平越高。

2.3 MeJA對(duì)高溫脅迫下抽穗揚(yáng)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(dāng)，變化不明顯。

3 討論

Berry 等研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫致使水稻葉片類(lèi)囊體膜結(jié)構(gòu)受損以及細(xì)胞組分逐漸降解，對(duì)光合作用的影響最大[15]。研究還發(fā)現(xiàn)，高溫條件下水稻揚(yáng)花期劍葉的葉綠素含量和光合速率降低[16-17]。當(dāng)然，耐熱性不一樣的品種，高溫對(duì)其葉片光合特性的影響也不一樣。相對(duì)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(kāi)度雖減小，但MeJA維持光合相關(guān)酶活性在短時(shí)間內(nèi)仍然較高有關(guān)。

正常情況下，Pro主要參與蛋白質(zhì)的合成、作為氮庫(kù)、作為恢復(fù)生長(zhǎng)的能源以及起滲透調(diào)節(jié)作用。在水稻抽穗開(kāi)花期，高溫導(dǎo)致花藥和劍葉內(nèi)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(diào)節(jié)葉片滲透勢(shì)，穩(wěn)定細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，對(duì)增強(qiáng)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(nèi)游離Pro含量，表明MeJA在一定程度上能抑制蛋白質(zhì)分解，促進(jìn)蛋白質(zhì)合成。試驗(yàn)過(guò)程中保持相對(duì)濕度75%不變，故不至發(fā)生水分脅迫。

SOD、POD和CAT對(duì)防止膜脂過(guò)氧化、減輕脅迫造成的細(xì)胞膜傷害、延緩植物衰老等有重要作用[21]。MDA就是膜脂過(guò)氧化的典型產(chǎn)物之一，且MDA累積對(duì)細(xì)胞膜和細(xì)胞可造成更嚴(yán)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(zhì)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(nèi)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(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整性。

高溫條件下，水稻體內(nèi)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(qiáng)[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(nèi)源ABA水平，5 mmol/L MeJA處理能提高水稻葉片內(nèi)源MeJA水平，從而加強(qiáng)水稻的抗高溫能力。

4 結(jié)論

在38 ℃和45 ℃高溫脅迫下，對(duì)抽穗揚(yáng)花期水稻葉面噴施MeJA，能有效清除活性氧脅迫，保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整性，抑制蛋白質(zhì)分解，促進(jìn)蛋白質(zhì)合成，提高葉片內(nèi)源MeJA和ABA水平，從而加強(qiáng)水稻抗高溫能力，達(dá)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(dǎo)水稻等禾本科植物成熟穎花的開(kāi)放[10，24-28]，對(duì)不育系水稻更為明顯[29]。而外源ABA能促進(jìn)水稻已開(kāi)穎花的關(guān)閉[30]。結(jié)合并利用MeJA和ABA對(duì)水稻穎花開(kāi)放和關(guān)閉的效應(yīng)，為解決雜交水稻制種中父母本花時(shí)不遇，以及水稻農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和雜交制種中抽穗揚(yáng)花期抵抗和避開(kāi)高溫危害等問(wèn)題提供了新的視角，具有廣泛和潛在的應(yīng)用價(jià)值。