外源海藻糖對粳稻品系W1844籽粒灌漿特性及產量形成的影響

黃亞茹 徐鵬 王樂樂 賀一哲 王輝 柯健 何海兵 武立權,2 尤翠翠,*

外源海藻糖對粳稻品系W1844籽粒灌漿特性及產量形成的影響

黃亞茹1徐鵬1王樂樂1賀一哲1王輝1柯健1何海兵1武立權1,2尤翠翠1,*

(1安徽農業大學, 合肥 230036；2江蘇省現代作物生產協同創新中心, 南京 210095；*通信聯系人，email: youcuicui516@126.com)

【目的】明確外源海藻糖對大穗型粳稻籽粒灌漿結實的影響。【方法】以大穗型粳稻品系W1844為試驗材料，在孕穗末期葉面噴施濃度分別為0、15、30、50、70、100 mmol/L的海藻糖，分別標記為T0、T15、T30、T50、T70、T100。研究不同濃度海藻糖對大穗型粳稻W1844光合特性、莖鞘物質積累與轉運、籽粒灌漿特性和產量的影響。【結果】1）噴施不同濃度海藻糖均能提高水稻產量，以T50處理的水稻產量最高。與T0相比，T50處理下的產量平均增加7.71%，強勢粒的結實率與千粒重分別提高4.36%和5.92%，弱勢粒的結實率與千粒重分別提高11.98%和10.01%。由此可見，海藻糖對弱勢粒灌漿結實的改善效果更好。2）海藻糖處理改變了籽粒灌漿特性。與T0相比，T50處理下強、弱勢粒達到最大灌漿速率的時間分別縮短了3.70 d與3.93 d；灌漿前期強、弱勢粒的平均灌漿速率分別提高了16.57%、28.03%；灌漿中期強、弱勢粒平均灌漿速率分別提高了20.74%、24.54%。此外，T50處理下，強、弱勢粒達到最大灌漿速率時的粒重分別比T0增加了6.74%和7.36%。3）海藻糖處理顯著提高水稻劍葉的光合特性。T50處理下水稻葉片的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率分別比T0平均提高了31.08%、42.58%和10.42%。4）海藻糖處理促進了抽穗期莖鞘非結構性碳水化合物(NSC)的積累與轉運。與T0處理相比，T50處理下抽穗期莖鞘NSC含量平均增加11.63%，莖鞘物質轉運量平均提升28.52%，且對籽粒貢獻率增加18.18%。這可能是由于莖鞘蔗糖轉運基因和上調表達，促進了莖鞘的物質轉運。【結論】外源海藻糖可有效地改善大穗型粳稻的灌漿結實，這可能是由于海藻糖處理能提高劍葉凈光合速率，上調蔗糖轉運基因的表達，促進莖鞘NSC的積累與轉運，從而加快了強、弱勢粒的灌漿，提高了其結實率和粒重。在本研究條件下，50 mmol/L海藻糖處理對大穗型水稻W1844籽粒灌漿結實的改善效果最好。

大穗型粳稻；外源海藻糖；灌漿特性；NSC的積累與轉運；產量形成

水稻(L)是世界上最重要的糧食作物之一，隨著人口的增加和耕地面積的減少，只有通過挖掘單位面積水稻的產量潛力，才能實現在有限的土地上生產更多的水稻[1]。灌漿期是決定水稻產量的關鍵時期，水稻的灌漿結實與籽粒在穗上的著粒位置密切相關。一般來說，著生在稻穗中上部的籽粒開花早，稱為強勢粒；著生在稻穗下部的籽粒開花遲，稱為弱勢粒[2-4]。前人[5-7]研究發現水稻(特別是大穗型品種)強、弱勢粒的灌漿速率差異明顯，存在“兩段灌漿”現象，強勢粒灌漿速率較快、充實好和粒重高；而弱勢粒則相反，灌漿慢、充實差、粒重低且不足以產生優質籽粒。因此，找尋改善水稻灌漿結實的措施，對挖掘大穗型水稻高產潛力具有十分重要的意義。

海藻糖是一種非還原性雙糖，在植物體內廣泛存在[8]。海藻糖主要參與植物對非生物脅迫的響應，對提高植物在低溫[9]、干旱[10]、高溫[11]等脅迫條件下植株的生物量，增強抗逆能力有重要作用。李金花等[12]的研究表明，通過添加外源海藻糖，可以保護脅迫條件下生物體中蛋白質等大分子結構和功能的穩定，維持生物體的正常生命活動。此外，海藻糖還能作為信號物質影響植物光合作用，調控碳代謝。Wingler等[13]發現外源海藻糖強烈誘導擬南芥中淀粉合成基因的表達，導致子葉中淀粉積累過多，分配到根中的碳水化合物少，從而抑制根的伸長。在擬南芥中，外源海藻糖還可通過還原活化二磷酸腺苷葡萄糖焦磷酸酶(AGPase)，進而調節淀粉合成[14]。Iturriaga等[15]的研究表明，海藻糖在植物開花和種子形成的過程中，參與調節碳代謝和光合作用。然而，目前關于海藻糖調控水稻籽粒灌漿結實方面的研究并不多。

本研究以大穗型粳稻品系W1844為試驗材料，于孕穗末期葉面噴施不同濃度的海藻糖，探究外源海藻糖對水稻產量、灌漿特性、光合生理及莖鞘物質積累與轉運的影響，明確外源海藻糖與水稻籽粒灌漿特性及產量形成的關系，旨在為采用適宜栽培措施促進水稻籽粒灌漿，進而提高大穗型水稻產量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

大穗型粳稻W1844作為供試水稻材料，由南京農業大學水稻遺傳與種質創新國家重點實驗室提供。W1844是育種中間材料，具有穩定的遺傳特性。其每穗粒數超過250粒，屬于典型的大穗型水稻品系，具有強、弱勢粒灌漿差異顯著的特點。

1.2 試驗設計

試驗于2021和2022年在安徽農業大學皖中試驗站(31°28′55″N,117°13′55″E)進行。2021年于5月23日播種育秧，6月19日移栽；2022年于5月22日播種育秧，6月15日移栽。大田種植，每穴3苗，行株距為30 cm × 13.3 cm。小區規格為10 m × 7 m，三個小區作為重復，按照隨機區組設計。試驗地為砂壤土，全生育期施尿素330 kg/hm2、過磷酸鈣250 kg/hm2、氯化鉀300 kg/hm2。尿素按基肥∶分蘗肥∶穗肥=3∶3∶4施用，過磷酸鈣全部作基肥，氯化鉀按基肥∶穗肥=5∶5施用。基肥在移栽前施用，分蘗肥在移栽后7 d施用，穗肥在葉齡余數3.5時施用。栽培管理措施按當地大田生產技術要求進行。

海藻糖處理：在水稻孕穗末期(花粉母細胞減數分裂期，此時幼穗伸長至10 cm以上，穎花長度達最終長度的一半，花藥變為黃綠色)開展海藻糖葉面噴施試驗。2021年的海藻糖濃度分別為0、15、30、50、70、100 mmol/L，分別記為T0、T15、T30、T50、T70、T100。2022年的海藻糖濃度分別為0、30、50 mmol/L，分別記為T0、T30、T50。加入吐溫20作為展布劑，噴施量為200 mL/m2。2021和2022年水稻灌漿期間的溫度及降雨量，由試驗點附近的氣象站提供(圖1)。

圖1 2021與2022年水稻籽粒灌漿期間的溫度和降水量

1.3 取樣與測定

1.3.1 籽粒灌漿速率

于水稻抽穗開花期，選取在同一天開花且穗大小一致的主莖穗掛牌標記。自開花至花后50 d，每隔5 d取50個標記穗，區分強勢粒與弱勢粒。定義穗頂部3個一次枝梗上的籽粒為強勢粒；穗基部3個一次枝梗上的二次枝梗上著生的籽粒為弱勢粒[16]。將籽粒樣品放入烘箱內，105 ℃下殺青0.5 h后80 ℃下烘干至恒重，用于籽粒干質量的測定。用Richards[17]生長方程對籽粒灌漿過程進行擬合，計算灌漿速率及灌漿特征參數。Richards方程為=/(1+?kt)1/N1)

式中，為各期粒重(mg)，為終極生長量(mg)，為開花后的時間(d)，B、K、N 為方程參數。

對方程1)求導，得灌漿速率=?kt/(1+?kt)(N+1)/N2)

起始生長勢0=K/N 3)

最大灌漿速率GRmax=AK/(1+N)N+1/N4)

平均灌漿速率GRmean=AK/2(N+2) 5)

達到最大灌漿速率的時間：

max=(lnB?lnN)/K 6)

活躍灌漿期：=[2(N+2)]/K 7)

灌漿階段前期(0–1)、中期(2–1)和后期(3–2)灌漿參數計算公式如下：

設1、2和3時的粒重分別為1、2和3，則前、中、后期的生長速率(MGR1、MGR2、MGR3)計算如下：

MGR1=1/111)

MGR2=(2?1)/(2?1) 12)

MGR3=(3?2)/(3?2) 13)

前、中、后期的貢獻率RGC1、RGC2、RGC3按以下公式計算：

RGC1=1/A×100% 14)

RGC2=(2?1)/A×100% 15)

RGC3=(3?2)/A×100% 16)

1.3.2 劍葉光合參數

于水稻抽穗期，利用LI-6400便攜式光合儀(美國，LI-COR公司)，選擇上午9:00?11:30測定水稻劍葉的凈光合速率(n)、胞間二氧化碳濃度(i)、氣孔導度(s)和蒸騰速率(r)[18]。采用內置紅藍光源，參數設定：光照強度1200 μmol/(m2·s)，CO2濃度400 μmol/mol，氣流為400 μmol/s，每個處理隨機選擇5片劍葉測定。

1.3.3 莖鞘NSC含量

抽穗期每小區取30個掛牌標記的主莖，將莖鞘、葉片以及穗分開，105 ℃下殺青30 min，80 ℃下恒溫烘干至恒重。將莖鞘干樣磨碎過100目篩。莖鞘中NSC含量參照 Yoshida 等[19]方法測定。稱100 mg樣品放入15 mL離心管中，加入10 mL 80%甲醇，在80 ℃下水浴提取30 min后6000 r/min下離心15 min并收集上清液，重復提取3次，合并所有上清液置于50 mL容量瓶并定容，用于可溶性糖含量測定。將殘渣烘干，加入2 mL的蒸餾水，沸水浴20 min，冷卻后加入2 mL 9.2 mol/LHClO4震蕩20 min，加入6 mL蒸餾水，6000 r/min下離心15 min并收集上清液，重復提取3次，合并上清液并用蒸餾水定容至50 mL，用于測定淀粉含量。莖鞘NSC含量為可溶性糖和淀粉之和。并計算抽穗期的糖花比，抽穗期與成熟期的莖鞘NSC積累量、莖鞘NSC轉運量、轉運率及對籽粒的貢獻率，計算公式如下：

表1 實時熒光定量PCR引物

糖花比(mg/spikelet)=抽穗期莖和葉鞘中NSC積累量/總穎花量；

莖鞘NSC轉運量(g/m2)=抽穗期莖鞘NSC積累量?成熟期莖鞘NSC殘留量；

莖鞘NSC轉運率(%)=莖鞘NSC轉運量/抽穗期莖鞘NSC積累量×100；

莖鞘NSC對籽粒的貢獻率(%)=莖鞘NSC轉運量/籽粒干質量×100。

1.3.4 RNA的提取及半定量分析

蔗糖轉運基因主要包括、、、。基因轉錄水平的檢測主要包括RNA提取、cDNA的制備及qRT-PCR。使用試劑盒(DP432)對莖鞘中總RNA進行抽提。隨后使用cDNA合成試劑盒(TaKaRa, Code No.RR037A)進行RNA的反轉錄。再用實時熒光定量PCR系統(ABI 7300)及核酸染液(SYBR Green, TaKaRa, Code No. RR420A)對基因的轉錄水平進行測定。基因引物的序列號及序列見表1，由通用生物(安徽)股份有限公司合成。

1.3.5 產量及其構成因素測定

成熟期每小區隨機選取掛牌標記的300穗，將穗子取下裝入網袋中，風干后分強勢粒與弱勢粒，分別考查其千粒重與結實率。每小區選擇相同面積對水稻進行收割，單獨晾曬、揚凈、稱重，測定實產。結實率計算公式如下：結實率＝實粒數/總粒數×100%。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2019整理數據和作圖，用SPSS 22.0對試驗數據進行統計分析，處理間平均數差異的顯著性檢驗用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 外源海藻糖對水稻產量及其構成因素的影響

由表2可知，不同濃度海藻糖處理均能顯著提高水稻產量，且外源海藻糖處理下，每穗粒數以及強、弱勢粒的結實率和千粒重均有不同程度提高。其中，以T50處理效果最為顯著。與T0相比，2021年T50處理下產量顯著提升8.55%；2022年T50處理下產量顯著提高6.86%。通過產量構成因素的分析可知，與T0相比，2021年T50處理下強、弱勢粒結實率分別提高5.21%和11.72%，強、弱勢粒千粒重分別增加5.05%、7.81%；2022年T50處理下強、弱勢粒結實率分別提高3.43%、12.20%；強、弱勢粒千粒重分別增加6.64%、12.21%，且差異均達顯著水平，年度間具有相同趨勢。各處理之間每穗粒數無顯著差異，與T0相比差異顯著。其中，T50處理兩年的每穗粒數較T0平均增加約11粒/穗。粒位間比較發現，外源海藻糖對弱勢粒結實率和千粒重的提升幅度較強勢粒大。

SS－強勢粒; IS－弱勢粒; T0、T15、T30、T50、T70和T100分別表示海藻糖噴施濃度為0、15、30、50、70和100 mmol/L。

表2 外源海藻糖對水稻產量及其構成因素的影響

SS－強勢粒; IS－弱勢粒; T0、T15、T30、T50、T70和T100分別表示海藻糖噴施濃度為0、15、30、50、70和100 mmol/L。平均數±標準差 (=3)，同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

SS, Superior spikelets; IS, Inferior spikelets; T0, T15, T30, T50, T70and T100represent that the spraying concentrations of trehalose are 0, 15, 30, 50, 70, and 100 mmol/L. The data are means ± SD of three biological replicates. Different lowercase letters after the data in the same column indicate significant difference between treatments at the 0.05 level.

2.2 外源海藻糖對水稻粒重動態及灌漿速率的影響

以開花后天數為自變量，各自對應的粒重為因變量，對各處理強、弱勢粒的灌漿過程用Richards方程擬合，兩年的粒重動態以及灌漿速率變化如圖2、圖3所示。由圖2-A和圖3-A可知，整個灌漿過程強﹑弱勢粒粒重差異顯著，強勢粒的粒重在整個灌漿期間始終高于弱勢粒，且粒重在開花后迅速增加，在花后35 d左右達到最大值，之后趨于穩定。而弱勢粒在花后較長時間內基本呈現緩慢增加的趨勢，在花后50 d左右才達到峰值。而外源海藻糖能顯著改變灌漿期間粒重，各處理強、弱勢粒粒重曲線均位于T0上方，其中以T50處理表現最為顯著，曲線位于最上方，其弱勢粒較T0在花后20 d便已進入粒重迅速增大期，2021和2022年度不同處理下的粒重變化趨勢一致。

外源海藻糖處理下籽粒灌漿速率如圖2-B和3-B所示，隨著灌漿進程的推進，強、弱勢粒灌漿速率均呈先升后降的趨勢。W1844為明顯的異步灌漿，強勢粒灌漿速率在花后15～20 d快速達到灌漿速率峰值，而后迅速下降，而弱勢粒灌漿速率增加緩慢，在花后25～30 d灌漿速率達到峰值，且到達峰值后灌漿速率下降比強勢粒緩慢。各海藻糖濃度處理下籽粒灌漿速率較T0均有提高。其中，T50處理下強、弱勢粒的灌漿速率曲線在達峰值前均位于其他處理及T0之上，其最大灌漿速率顯著高于T0。且兩年間W1844籽粒灌漿速率曲線趨勢一致。據灌漿速率曲線，推斷T50處理灌漿啟動快。

2.3 外源海藻糖對水稻籽粒灌漿特征參數的影響

根據Richards方程計算得出的大穗型粳稻品系W1844在2021－2022年間不同濃度海藻糖處理下強、弱勢粒灌漿特征參數(表3)。由表3可知，外源海藻糖處理對各特征參數均有不同程度的影響。海藻糖處理下強、弱勢粒的起始生長勢 (0)、最大灌漿速率(GRmax)、平均灌漿速率(GRmean)以及達到最大灌漿速率時的粒重(max)均高于T0，且海藻糖處理均縮短了強、弱勢粒活躍灌漿期()，強、弱勢粒達到最大灌漿速率的時間(max)也有縮短，即實際灌漿時間縮短。與T0相比，2021年T50處理下強勢粒的GRmax和GRmean分別提高了21.53%和22.97%，弱勢粒GRmax和GRmean分別提高23.49%和24.29%；2022年強勢粒GRmax和GRmean分別提高21.43%和24.79%，弱勢粒GRmax和GRmean分別提高20.13%和24.79%。與T0相比，2021年T50處理下強、弱勢粒max分別縮短3.02 d和3.34 d左右；2022年T50處理下強、弱勢粒max較T0分別縮短4.37 d和4.52 d。T50處理下兩年間的強、弱勢籽粒的max較T0分別增加5.91%～10.67%和4.05%～7.56%；兩年強、弱勢粒平均縮短3.23～3.89 d、4.18～4.20 d。綜上所述，海藻糖處理下活躍灌漿期縮短，但在灌漿起始具有較高的潛勢，且在整個灌漿過程中均能保持較高的灌漿速率，故與T0相比，仍能獲得較高的粒重；且年度間規律一致。

SS－強勢粒; IS－弱勢粒; T0、T15、T30、T50、T70和T100分別表示海藻糖噴施濃度為0、15、30、50、70和100 mmol/L。

表3 水稻籽粒灌漿過程的Richards方程參數

SS－強勢粒；IS－弱勢粒；T0、T15、T30、T50、T70和T100分別表示海藻糖噴施濃度為0、15、30、50、70和100 mmol/L。

SS, Superior spikelets; IS, Inferior spikelets; T0,T15, T30, T50, T70and T100, represent that the spraying concentrations of trehalose are 0, 15, 30, 50, 70, and 100 mmol/L;0, Initial grain filling potential; GRmax, Maximum grain filling rate;max, Time reaching the maximum grain filling rate; GRmean, Mean grain filling rate;max, Weight of a grain at maximum grain filling rate;, Time of grain filling reaching 99%.

2.4 外源海藻糖對水稻籽粒階段性灌漿特征參數的影響

根據灌漿速率曲線的2個拐點，將籽粒灌漿過程劃分為前期、中期和后期3個階段。由表4可知，各處理強勢粒的灌漿前、中、后期天數均短于弱勢粒，平均灌漿速率(MGR)和貢獻率(RGC)均表現為中期>前期>后期，且前、中、后期強勢粒的MGR均顯著大于弱勢粒。外源海藻糖對水稻強、弱勢粒灌漿各階段持續天數、MGR和RGC有較大影響。T50影響最為顯著，與T0相比，2021年T50處理下強、弱勢粒灌漿歷時縮短，在灌漿前期分別縮短了2.55 d、2.79 d，中期分別縮短了0.92 d、1.10 d；2022年灌漿前期天數分別縮短0.58 d、1.86 d，中期分別縮短1.31 d、1.27 d；而在灌漿后期，2021年強勢粒灌漿延長了1.95 d，弱勢粒灌漿天數與T0無較大差別。2021年T50處理下，灌漿前期、弱勢粒的MGR較T0分別提高了15.94%、 26.32%，灌漿中期強、弱勢粒的MGR較T0分別提高21.05%、23.21%；而對灌漿前期的RGC，強勢粒影響較弱勢粒大，較T0降低了24.79%，而灌漿中期強、弱勢粒的RGC分別提升3.49%、2.16%；在灌漿后期，MGR和RCG對強、弱勢粒灌漿影響較小。2022年T50處理下，灌漿前期強、弱勢粒的MGR較T0分別提高了17.19%、29.73%，灌漿中期強、弱勢粒的MGR較T0分別提高20.43%、25.86%；而在灌漿后期，MGR和RCG對強、弱勢粒灌漿影響較小。此外，各處理灌漿前、中、后期強勢粒灌漿持續時間呈增加趨勢，平均灌漿速率前、中、后期呈下降趨勢，RGC總體以灌漿中期最大，貢獻率主要在前、中期，后期顯著下降，且年度間規律一致。

表4 外源海藻糖處理下水稻籽粒灌漿前期、中期和后期特征參數

SS－強勢粒; IS－弱勢粒；T0、T15、T30、T50、T70和T100分別表示海藻糖噴施濃度為0、15、30、50、70和100 mmol/L。

SS, Superior spikelets; IS, Inferior spikelets; T0, T15, T30, T50, T70and T100represent that the spraying concentrations of trehalose are 0, 15, 30, 50, 70, and 100 mmol·/L. MGR, Mean grain filling rate; RGC, Ratio of the grain filling contributed to the final grain weight.

2.5 外源海藻糖對水稻劍葉光合特性的影響

對外源海藻糖處理下水稻抽穗期劍葉進行光合指標測定，結果如圖4所示。外源海藻糖處理下水稻劍葉凈光合速率(n)、氣孔導度(s)較T0均顯著提高，r和i在處理間表現不一。其中T50處理下n顯著高于其他處理。與T0相比，2021－2022年T50處理下n提升幅度在28.66%～33.49%，s提高了25.15%～60%，且均達顯著差異水平。2021年T50處理下r相較于T0提高了9.76%；而2022年T50處理下r較T0增加1.43%。各處理的i無明顯規律，且年度間表現一致。

SS－強勢粒; IS－弱勢粒; T0、T15、T30、T50、T70和T100分別表示海藻糖噴施濃度為0、15、30、50、70和100 mmol/L; 豎線代表均值±標準誤,不同字母表示不同處理間差異顯著（P<0.05）。

2.6 外源海藻糖對水稻莖鞘NSC積累與轉運以及糖花比的影響

由表5可知，外源海藻糖處理提高了水稻的糖花比。與T0相比，2021年T50處理下糖花比提高了6.30%，2022年T50處理下糖花比提高7.06%，且均呈顯著差異。外源海藻糖處理顯著提高抽穗期莖鞘NSC的積累與轉運，積累量總體表現為T50>T30>T0，且年度間規律一致。與T0相比，2021年T50處理下抽穗期莖鞘NSC積累量提高12.18%， NSC轉運量增加29.62%，NSC轉運率提高15.56%，對籽粒的貢獻率提高15.57%；2022年T50處理下抽穗期莖鞘NSC積累量提高11.08%，NSC轉運量增加27.42%，NSC轉運率提高14.80%，對籽粒的貢獻率提高19.15%。

表5 外源海藻糖對水稻莖鞘NSC的積累與轉運的影響

SS－強勢粒; IS－弱勢粒; T0、T15、T30、T50、T70和T100分別表示噴施濃度為0、15、30、50、70和100 mmol/L的海藻糖。

SS, Superior spikelets; IS, Inferior spikelets; T0,T15, T30, T50, T70and T100represent the spraying concentrations of trehalose are 0, 15, 30, 50, 70, and 100 mmol/L; TMNSC, Total biomass of NSC in stems and sheaths;NSC, Translocation of NSC from stems and sheaths to grains during grain filling stage; TRNSC, Translocation rate of NSC from stems and sheaths to grains;NSC, Contribution of NSC of stems and sheath to grains.

2.7 外源海藻糖處理下水稻莖鞘NSC積累量及轉運量與產量及結實性的關系

由圖5可知，2021年莖鞘NSC積累量(TMNSC)和表觀轉運量(NSC)與產量及強、弱勢粒的結實率和千粒重大多呈顯著正相關。其中，產量與TMNSC和NSC均呈極顯著正相關；TMNSC與強、弱勢粒的結實率、千粒重均呈極顯著正相關；NSC與強弱勢粒結實率均呈顯著相關，與弱勢粒的千粒重呈極顯著相關，而與強勢粒千粒重相關未達顯著。由此可見，莖鞘NSC積累量和表觀轉運量對大穗型粳稻弱勢粒的結實率和千粒重影響更大。

2.8 外源海藻糖處理對水稻莖鞘蔗糖轉運基因OsSUT表達水平的影響

圖6是外源海藻糖處理下W1844不同時期莖鞘蔗糖轉運基因、、、的表達水平。比較4個基因的表達量，發現、的表達量顯著高于和。進一步比較不同時期的和基因的表達量發現，和的表達水平表現為花后5 d最高，花后15 d次之，花后25 d最低。不同處理的和基因相對表達量總體表現為T50>T30>T0，其中，T50處理的基因較T0上調了1.66～6.70倍，而基因上調幅度達14.25%～54.01%。結合莖鞘NSC轉運率(表5)可知，外源海藻糖通過提高水稻莖鞘蔗糖轉運基因的表達，從而促進莖鞘物質向籽粒轉運。

3 討論

大穗型水稻的強勢粒與弱勢粒的發育存在顯著的時空差異。一般而言，強勢粒位于頂端初級分枝上，開花早、灌漿快、粒重高；而弱勢粒位于近端下部次級分枝上，開花晚、灌漿慢、粒重低[22-23]。因此，改善弱勢粒的灌漿，對于充分發揮大穗型水稻的產量潛力具有重要意義。Khater等[26]研究表明，中度干旱脅迫下，葉面噴施海藻糖，可顯著提高豇豆的產量。本研究也發現這一現象，大穗型粳稻W1844弱勢粒的千粒重與結實率都比強勢粒的低，外源海藻糖處理顯著增加了W1844強勢粒及弱勢粒的千粒重、結實率及產量(表3)。其中，T50處理下產量增加最為顯著，且2021年產量提升幅度高于2022年，通過對兩年氣象數據(圖1)分析發現，2022年水稻灌漿前期溫度較高，影響灌漿啟動，降低結實率及千粒重(表2)，導致其產量低于2021年。同時，本研究還發現，外源海藻糖處理下，弱勢粒結實率和千粒重的提升幅度高于強勢粒。由此可見，海藻糖對弱勢粒的效果優于強勢粒。

水稻籽粒灌漿過程影響最終的產量[32]。與強勢粒相比，弱勢粒的0、max和mean較低，灌漿前期持續時間長，弱勢粒進入灌漿盛期遲，灌漿緩慢[33-34]。本研究中，大穗型粳稻W1844弱勢粒的0、max和mean均低于強勢粒，且從階段灌漿參數來看，弱勢粒灌漿前期持續時間明顯長于強勢粒(表5)。水稻的籽粒灌漿速率和灌漿持續的時間都是影響粒重形成的重要因素[35]。李哲等[8]研究表明，在高溫脅迫下，外源海藻糖提高了小麥籽粒的灌漿速率，增加了粒重，提高了產量。Teng等[36]也發現在中度干旱下，外源海藻糖處理可顯著提高水稻弱勢粒灌漿。本研究發現，外源海藻糖處理下，W1844的強、弱勢粒在灌漿前、中、后期的平均灌漿速率以及最大灌漿速率均有不同程度的提高。其中，弱勢粒平均灌漿速率及最大灌漿速率的提升幅度高于強勢粒，導致弱勢粒的粒重的增加幅度也高于強勢粒，最終提高了W1844的產量。

T0、T30、T50分別表示海藻糖噴施濃度為0、30、50 mmol/L。5d, 15d, 25d分別表示花后5d, 15d和25d。

籽粒灌漿是由復雜的庫源關系決定的[37]。葉片的光合作用和莖鞘中貯存NSC的重新分配可以決定籽粒灌漿的質量和最終產量[38-41]。一般來說，弱勢粒灌漿慢和粒重低被認為受到同化物供應的限制[7,42-43]。有效地協調“源”(光合同化產物)能力、碳水化合物運輸效率(“流”)和“庫活”，可以促進水稻產量的提高。海藻糖積累可提高水稻在應激和無應激條件下的光合能力[44]。Shahbaz等[45]發現鹽脅迫下，噴施外源海藻糖提高了水稻凈光合速率。本研究中，海藻糖處理可顯著提高抽穗期水稻劍葉的凈光合速率和氣孔導度，但對蒸騰速率和胞間CO2濃度的影響無明顯規律。這可能與測定時的溫度和光照有關。水稻灌漿物質來自抽穗前莖鞘貯存碳水化合物和抽穗后葉片光合產物[38, 46]。在弱光條件下，海藻糖影響玉米干物質在各器官中的積累與分配[47]。在高溫脅迫下，海藻糖能提高小麥花前干物質轉運量及花后干物質積累量[8]。本研究發現外源海藻糖處理下，抽穗期莖鞘NSC積累量、轉運量以及轉運率均得到顯著提高。相關性分析表明，莖鞘NSC積累量和轉運量分別與產量、弱勢粒的結實率及千粒重均極顯正相關。由此可見，海藻糖處理能促進莖鞘NSC的積累及其向籽粒的轉運。基因在蔗糖的感應、“源”器官裝載、韌皮部長距離運輸和“庫”器官卸載等過程中都發揮著重要作用[48-49]。在本研究中，海藻糖處理通過提高莖鞘基因的表達，促進了莖鞘物質的轉運。綜上所述，外源噴施海藻糖主要通過提高水稻的凈光合速率，增加抽穗期莖鞘物質的積累和轉運，促進了強勢粒與弱勢粒的灌漿，提高其千粒重和結實率，最終達到增產的效果。

4 結論

大穗型粳稻品系W1844強、弱勢粒間的粒重與灌漿速率差異較大。外源噴施海藻糖可有效地提高強勢粒與弱勢粒的灌漿起始勢、平均灌漿速率和最大灌漿速率，進而提高了強、弱勢粒的結實率和千粒重。其中，海藻糖對弱勢粒灌漿結實的提升幅度高于強勢粒。在所有處理中，以50 mmol/L濃度的海藻糖處理效果最為顯著。外源海藻糖可能是通過提高水稻劍葉凈光合速率，促進莖鞘物質的積累與轉運，改善籽粒尤其是弱勢粒的灌漿結實，從而實現大穗型水稻的增產。

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Effects of Exogenous Trehalose on Grain Filling Characteristics and Yield Formation ofRice Cultivar W1844

HUANG Yaru1, XU Peng1, WANG Lele1, HE Yizhe1, WANG Hui1, KE Jian1, HE Haibing1, WU Liquan1,2, YOU Cuicui1, *

(College of Agronomy, ; Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Crop Production, Nanjing 210095, China; *Corresponding author, email: youcuicui516@126.com)

【Objective】It is very importantto clarify the effect of exogenous trehalose on grain filling and seed setting of large-paniclerice. 【Method】The effects of different concentrations of trehalose on photosynthetic characteristics, dry matter accumulation and translocation of stems and sheath, grain filling characteristics and yield of large-paniclerice W1844 were investigated by foliar spraying of various concentrations of trehalose (T0, T15, T30, T50, T70and T100, 0, 15, 30, 50, 70, 100mmol/L, respectively) at the end of booting stage. 【Result】1) Trehalose exposure increased grain yield, and the highest yield was obtained under T50treatment. Compared with T0, the yield under T50treatment increased by 7.71% on average, and the yield and thousand grain weight of superiorspikelets increased by 4.36% and 5.92%, respectively, while the yield and thousand grain weight of inferior spikelets increased by 11.98% and 10.01%, respectively. Trehalose had a better effect on the improvement of grain filling and seed-setting of the inferior spikelets. 2) Trehalose treatment changed the grain filling characteristics. Compared with T0, the time to the maximum filling rate of superior and inferior spikelets was shortened by 3.70 and 3.93 d under T50treatment; the average filling rates of superior and inferior spikelets were increased by 16.57% and 28.03% in the early stage of filling; the average filling rates of superior and inferior spikelets were increased by 20.74% and 24.54% in the middle of grain filling. In addition, compared with T0, the grain weight of superior and inferior spikelets at maximum filling rate increased by 6.74% and 7.36%, respectively. The net photosynthetic rate, stomatal conductance and transpiration rate of rice leaves under T50treatment increased by 31.08%, 42.58% and 10.42% on average, respectively as compared with T0. 4) Trehalose treatment promoted the accumulation and translocation of non-structural carbohydrates (NSC) in stem and sheath during the heading stage. Compared with T0, the NSC content in stem and sheath at the heading stage increased by 11.63% on average under T50treatment, and the translocation of dry matter in stems and sheaths increased by 28.52% on average, and the contribution rate to seeds increased by 18.18%. This might be due to the up-regulated expression level of sucrose transporter genes,andin stems and sheaths, which promoted dry matter transport in stems and sheaths.【Conclusion】Exogenous trehalose could effectively improve grain filling and seed setting of large-paniclerice, which might be due to the fact that trehalose treatment could increase the net photosynthetic rate of flag leaf, up-regulate the expression of sucrose transporter genes, and promote the accumulation and translocation of NSC in the stems and sheaths, thus increasing the grain filling rate, seed-setting rate and grain weight of superior and inferior grains. Under the present experimental conditions, 50 mmol/L is the most effective in improving grain filling and seed setting in large-panicle rice W1844.

large-paniclerice; exogenous trehalose; grain filling characteristics; stem and sheath NSC accumulation and translocation; yield formation

10.16819/j.1001-7216.2023.220712

2022-07-29；

2023-01-26。

安徽省高等學校科學研究項目(2022AH050902)；國家自然科學基金資助項目(31801286)；安徽省自然科學基金資助項目(1808085QC70)。