稻蝦共作模式下噴施褪黑素對水稻產量形成和抗倒伏特性的影響

周影， 李京詠， 戴林秀， 敖弟彩， 李梓逸， 楊帆， 顧軍偉， 徐強，竇志， 高輝

（揚州大學農學院，江蘇省作物栽培生理重點實驗室，江蘇省作物遺傳生理重點實驗室，江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心，水稻產業工程技術研究院，江蘇 揚州 225009）

稻田綜合種養是水稻種植與水產養殖相結合的生態農業模式，其中稻蝦（克氏原螯蝦，俗稱小龍蝦）綜合種養發展規模最大[1-2]。《中國小龍蝦產業發展報告(2022)》[3]報道，2021 年全國稻蝦種養總面積已達140萬 hm2，占全國稻漁綜合種養總面積的52.95%。在稻蝦共作模式中，稻田水分管理相對于傳統水稻單作模式有所不同，通常需要維持30～40 cm 的水位1 個月以上，從而為小龍蝦提供適宜的生長環境[4]。然而，這種灌溉模式下長期淹水使得水稻基部莖稈的機械組織松軟，難以支撐植株，從而導致莖稈折斷，增長水稻倒伏風險[5-6]，這是制約稻蝦共作模式水稻優質、穩產的重要瓶頸問題。因此，研究稻蝦共作模式下水稻倒伏特性及調控措施對于稻田綜合種養產業的可持續、高質量發展至關重要。

水稻抗倒調控包括品種選育[7]、優化栽培管理措施[8]、土壤改良[9]和施用外源植物生長調節劑[10]等。其中，施用外源植物生長調節劑具有便捷、有效、低風險等優點，成為目前水稻抗倒伏的較優選擇之一。通過應用植物生長調節劑，可以有效改善莖稈的形態和生理特征，提高水稻抗倒伏能力。常見的植物生長調節劑有烯效唑[11]、多效唑[12]、抗倒酯[13]、調環酸鈣[14]和褪黑素[15]等，其中褪黑素是植物生長調節劑的新興研究對象。褪黑素作為一種抗氧化劑，對植物生長發育、生理調節及基因表達調控有重要作用，可以增強植物的抗寒性、耐鹽性等[16]。研究表明，通過浸種或噴施褪黑素，能夠促進小麥[17]和水稻[18]的根系發育，緩解低溫脅迫對水稻幼苗的影響[19]。Chen 等[15]研究表明，葉面噴施褪黑素能夠增強葉片光合作用，提高過氧化物酶和過氧化氫酶活性，從而減輕漬害對水稻產量的影響。褪黑素同樣被證實可以提高作物生產力和品質[20]，Fan 等[21]研究表明，外源褪黑素可以改變水稻籽粒中的淀粉組分和結構，從而影響水稻產量和品質。褪黑素在提高植物莖稈強度方面也有顯著作用，Zhao等[22]研究表明，噴施外源性褪黑素促進了芍藥花莖木質素生物合成相關基因的表達，進而增強莖稈強度。然而，目前褪黑素對水稻抗倒伏特性及產量構成影響的研究較少。基于此，本文在稻蝦共作模式下設置噴施褪黑素和對照試驗，研究噴施外源褪黑素對水稻產量形成和抗倒伏特性的影響，以期為稻蝦共作模式下水稻抗倒栽培調控提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 研究區與供試品種

試驗于2022 年在江蘇省盱眙縣揚州大學稻田綜合種養創新試驗基地（32° 59′55″N，118°40′17″E）開展。供試水稻品種為‘南粳5718’，于5月28日播種，采用塑料軟盤旱育壯秧；于6 月中下旬人工移栽，行株距為30 cm×12.4 cm，每穴3 苗。供試小龍蝦品種為‘克氏原螯蝦’（Procambarus clarkii），由江蘇盱眙龍蝦產業發展股份有限公司提供。供試藥劑為褪黑素粉劑（T8060，Solarbio，北京）。試驗期間氣象數據如圖1所示。

圖1 2022年研究區水稻生長季的平均溫度、風速和降雨量Fig. 1 Average temperature， wind speed and rainfall during the rice growing season in the study area in 2022

1.2 試驗設計與田間管理

試驗為單因素隨機區組設計，包括對照（CK）和噴施褪黑素（melatonin，MT）2個處理。根據課題組前期預實驗，褪黑素的噴施濃度為200 μmol·L-1時效果較好，故本研究MT 處理采用此濃度。將0.21 g 褪黑素溶解于4 500 mL 清水中，于拔節前一葉齡期選擇晴天上午9:00—10:00 進行葉面噴施，CK 處理噴施等量清水。噴灑褪黑素時，注意遮蔽，以防不同處理之間相互干擾。每處理3 次重復，共計6個試驗小區，每小區長寬分別為3 m×3 m。各處理施肥量保持一致，其中純氮施入量為210 kg·hm-2，按基肥∶分蘗肥∶穂肥=3∶4∶3 分3 次施入，所用氮肥均為尿素；磷肥和鉀肥分別以過磷酸鈣和氯化鉀的形式按照P2O5150 kg·hm-2和K2O 150 kg·hm-2基施。田間水分管理為：水稻移栽后保持1～3 cm 深水位；擱田期排水曬田7 d 左右；拔節期至小龍蝦收獲前水位保持30 cm 以上[5,23]，直至水稻成熟前10 d排出。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 莖稈形態學指標 分別于拔節期（jointing stage, JS）、抽穗期（heading stage, HS）、灌漿期（filling stage, FS）和成熟期（mature stage, MS）在田間選取長勢均等的4株水稻測量株高（cm）。抽穗后30 d 取水稻樣，在各小區選取12 根長勢一致的主莖，稱量單莖鮮重。從莖稈基部至穗頂端測量單莖株高（cm）；從莖稈基部至穗頸節測量穗頸高（cm）；將未脫水的莖稈放置在鉛筆上，左右移動至莖稈在鉛筆上保持平衡，測量莖稈基部至鉛筆高度記作重心高度（cm）；測量莖稈各節間長度（cm）；使用推拉力計壓斷莖稈后沿斷裂處剪下，記錄斷裂處至穗頂距離（length from breaking point to panicle top， SL，cm），并稱取該段鮮重（fresh weight，FW，g），將斷裂處的葉鞘剝去，使用游標卡尺測量莖稈內部的短軸外徑（a1，mm）、短軸內徑（a2，mm）、長軸外徑（b1，mm）、長軸內徑（b2，mm）。將節間從中部截斷，用數顯游標卡尺測量長軸外徑和短軸外徑，取平均值為節間粗度（mm），測量長軸和短軸與莖壁4 個交點處的厚度，取平均值為莖壁厚度（mm）。樣品置于105 ℃烘箱殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，稱重。計算基部第2 節間莖重比（mg·cm-1）和葉鞘重比（mg·cm-1），公式如下。

1.3.2 莖稈力學指標 將第2 節間葉鞘去除，使用鉛筆標記各節間，將第2 節間放置在間距8 cm（L）的支點上，使用推拉力計（RZ-5，AIKON，日本）在中心點垂直徐徐下壓，在莖稈剛好斷裂時即為該節間抗折力（F, N），記錄讀數。利用以下公式計算彎曲力矩（bending moment，WP，g·cm）、折斷彎矩（breaking strength，M，g·cm）、斷面系數（section modulus，Z，mm3）、彎曲應力（bending stress，BS，g·mm-2）、倒伏指數（lodging index，LI，%）[24]。

1.3.3 莖稈化學成分指標 于成熟期在各小區選取12根長勢一致的主莖，將其第2節間取下，莖鞘分開，測定非結構性碳水化合物（non structural carbohydrate，NSC）和結構性碳水化合物含量（structural carbohydrate，SC）。其中非結構性碳水化合物包括可溶性糖和淀粉；結構性碳水化合物包括纖維素和木質素。分別使用可溶性糖（KT-1-Y，科銘，蘇州）、淀粉（DF-1-Y，科銘，蘇州）、纖維素（BC4285，Solarbio，北京）和木質素含量檢測試劑盒（BC4205，Solarbio，北京）測定可溶性糖、淀粉、纖維素和木質素含量。

1.3.4 水稻產量及其構成因素 于10 月25 日進行小區測產。去除邊行后，每小區普查30 穴，統計有效穗數；并根據平均成穗數取10 穴進行考種，測定每穂粒數、結實率（%）和千粒重（g）。收割實產，測定水分，折算產量（14.5%含水量）。

1.3.5 木質素纖維素相關基因表達 由南京鐘鼎生物技術有限公司進行技術檢測，通過實時熒光定量PCR，以β-actin 為內參基因，對木質素生物合成關鍵基因OsCAD7、OsCoMT、Os4CL3及纖維素生物合成關鍵基因OsCesA4、OsCesA7和OsCesA9表達量進行檢測。熒光定量RT-PCR 引物表參考Zhang等[25]。

1.4 統計方法

使用Microsoft Excel 2016 處理數據，對不同處理的水稻產量及其構成因素和抗倒伏各項指標進行t檢驗，采用IBM SPSS Statistics 23 進行相關性分析，使用R 4.2 軟件Corrplot 包繪制相關分析熱圖。

2 結果與分析

2.1 噴施褪黑素對水稻產量及其構成因素的影響

由表1 可知，MT 處理的有效穗數和結實率較CK 分別顯著降低9.09%和1.88%，而穗粒數顯著增加10.01%。MT 處理對有效穗數、穗粒數影響極顯著（P＜0.01），對結實率影響顯著（P＜0.05）。2 個處理水稻的千粒重差異不顯著。MT 處理的稻谷產量為9 261 kg·hm-2，與CK差異不顯著。

表1 不同處理下的水稻產量及其構成因素Table 1 Yield and yield factors under different treatments

2.2 噴施褪黑素對水稻倒伏特性的影響

2.2.1 植株形態特征 MT 處理的株高、穂頸高度、重心高分別為85.92、69.42、35.72 cm，較CK 極顯著降低13.04%、14.91%、22.93%；而鮮重和單穗重與CK 差異不顯著（表2）。其中，2 處理的株高均隨著生育期的延長逐漸增加，除拔節期外其他生育期的差異均達到顯著水平（P＜0.01）（圖2）。盡管2個處理的莖粗和壁厚差異不顯著，但MT處理基部節間的莖重比顯著大于CK 處理，表明MT處理的莖充實度增加，極大提高了植株的抗倒能力。總體上，MT處理對于株高、重心高度、穗頸高度和莖重比影響極顯著（P＜0.01）。對于第2 節間徑長，MT處理的長軸外徑、短軸外徑、長軸內徑和短軸內徑與CK 差異均不顯著；但MT 處理后各節間長度均有下降，其中在N3～N4、N6～N7 節間MT與CK處理間差異顯著（圖2）。

表2 不同處理下的水稻植株形態特性Table 2 Morphological traits of rice plants under different treatments

圖2 不同處理下水稻植株形態特征Fig. 2 Morphological traits of rice plants under different treatments

2.2.2 莖稈力學特性及倒伏指數 噴施褪黑素對莖稈基部第2 節間力學特性及倒伏指數的影響如表3 所示。MT 處理的抗折力、折斷彎矩分別較CK 處理顯著增加22.39%和22.34%，而折斷部位至穗頂的距離、彎曲力矩、倒伏指數分別顯著減小13.05%、20.61%、35.03%。噴施褪黑素對斷面系數、彎曲應力、折斷部位至穗頂的鮮重影響不顯著。

表3 不同處理下莖稈基部第2節間力學特性Table 3 Mechanical traits of internode N2 of rice stem under different treatments

2.2.3 莖稈化學成分 噴施褪黑素對水稻莖稈基部第2節間化學成分的影響如表4所示。MT處理鞘中可溶性糖含量及莖中淀粉含量與CK差異不顯著，而鞘中的淀粉含量較CK 顯著增加102.47%。噴施褪黑素后，莖、鞘中的木質素含量分別較CK顯著增加60.62%和66.74%，莖、鞘中的纖維素含量較CK分別顯著增加63.54%和63.54%。

表4 不同處理下水稻莖稈基部第2節間化學成分Table 4 Chemical composition of Internode N2 of rice stem under different treatments

2.2.4 莖稈木質素、纖維素相關基因表達 噴施褪黑素對水稻莖稈基部第2 節間中木質素、纖維素生物合成關鍵基因表達量的影響如圖3 所示。OsCAD7、OsCoMT和Os4CL3是調控木質素生物合成的重要基因。在拔節期，MT 處理下這3 個基因的表達量均低于CK；抽穗30 d 后，3 個基因的表達量均低于拔節期，不同處理間差異較小，其中，OsCoMT在MT 處理下的表達量較CK 上調。OsCesA4、OsCesA7和OsCesA9是調控細胞壁中纖維素生物合成的3 個關鍵基因。拔節期至抽穗后30 d，CK處理3個基因的表達量均呈下調趨勢；而MT 處理呈上調趨勢。由于水稻從營養生長逐漸轉換為生殖生長，莖稈中木質素和纖維素生物合成相關基因的表達量普遍下降，但噴施褪黑素后，OsCoMT、OsCesA4、OsCesA7、OsCesA9基因的表達量仍保持較高水平，由此表明，噴施褪黑素有利于基部節間莖稈的厚壁組織及維管束區域積累充足的木質素和纖維素，增強機械組織結構，從而降低水稻的倒伏風險。

圖3 不同處理下水稻莖稈基部第2節間木質素和纖維素生物合成相關基因相對表達量Fig. 3 Relative expression of genes related to lignin and cellulose biosynthesis in internode N2 of rice stems under different treatments

2.2.5 莖稈性狀與倒伏特性的相關性 在MT 處理下，莖稈抗折力與莖壁厚度和折斷彎矩呈極顯著正相關（P＜0.01），與折斷部位至穗頂鮮重呈顯著正相關（P＜0.05）（圖4）。折斷彎矩與莖壁厚度呈極顯著正相關（P＜0.01），與折斷部位至穗頂鮮重呈顯著正相關（P＜0.05）。倒伏指數與株高、穗頸高度和折斷部位至穗頂距離呈極顯著正相關（P＜0.01），而與抗折力、折斷彎矩和彎曲應力呈顯著負相關（P＜0.05）。

圖4 噴施褪黑素處理下水稻莖稈特性與倒伏特性的相關性分析Fig. 4 Correlation analysis between culm and lodging characteristics of rice under melatonin treatment

3 討論

作物產量主要來源于光合產物，施用外源褪黑素可以刺激植株內源褪黑素合成，促進光合作用，調節光合產物轉運，緩解非生物脅迫，從而提高作物產量及品質。Jiang 等[26]研究表明，在100～300 μmol·L-1褪黑素處理下，水稻的籽粒產量顯著提高36.0%～43.3%。單莉莉[27]研究表明，孕穗期噴施100 μmol·L-1外源褪黑素使龍粳11的結實率較對照顯著提高3.1%～16.6%。每穗粒數是構成產量因素的關鍵，研究表明，外源施用褪黑素能夠促進根系活力，減少小穗退化，促進每穗粒數形成[18,28]。本研究表明，噴施褪黑素顯著增加了每穗粒數，但其有效穗數和結實率顯著降低，因此MT處理的水稻產量與CK 差異不顯著。這可能是由于稻蝦共作模式下深水脅迫與噴施褪黑素產生了交互作用，具體的原因有待進一步分析。

外源植物生長調節劑顯著影響水稻抗倒伏能力，但噴施褪黑素對水稻倒伏特性影響的研究還十分有限。文廷剛等[10]研究表明，乙烯利和勁豐能顯著降低水稻株高、穗頸節和莖桿長，而多效唑影響不顯著。姜龍等[29]研究表明，矮壯素、烯效唑和多效唑的抗倒伏作用機制是通過增加植株的莖壁厚度以及抗折力，對株高無影響。本研究表明，MT 處理的株高、穗頸高和重心高分別較CK 顯著降低13.0%～22.9%，且莖充實度顯著提高。水稻莖稈的抗倒伏能力主要和莖稈的機械強度相關，目前評判作物莖稈機械強度的主要指標為彎曲力矩、抗折力以及倒伏指數[11]。Zhang 等[11]研究了烯效唑對水稻抗倒伏特性的影響，結果表明，噴施烯效唑使基部節間降低38.9%～51.4%，折斷部位至穗頂的鮮重和折斷部位至穗頂的距離平均降低6.3%～17.9%，倒伏指數降低21.1%～33.9%。這是由于倒伏指數的差異主要與基部節間的折斷彎矩相關[24]。本研究表明，噴施褪黑素主要是通過增加莖稈折斷彎矩降低了水稻倒伏指數，與前人研究結果一致[11]。此外，莖稈機械強度與莖稈化學組分密切相關。抗倒伏能力強的水稻莖稈基部節間的非結構性碳水化合物含量通常較高，其較高的淀粉和可溶性糖含量有利于提高水稻莖稈機械強度。纖維素和木質素含量對于增強水稻莖稈抗倒伏能力起關鍵作用。本研究對不同處理下水稻莖稈纖維素和木質素生物合成相關基因的表達量進行研究發現，褪黑素處理下OsCoMT、OsCesA4、OsCesA7和OsCesA9基因在抽穗后30 d 的表達量上調，從而促進莖稈機械組織內纖維素和木質素的積累，增強了水稻莖稈的抗倒伏能力。總之，葉面噴施褪黑素可以在一定程度上減輕稻蝦共作模式下深水脅迫對水稻抗倒伏能力的影響。未來應進一步探索稻蝦共作模式下適宜的外源性褪黑素施用水平，以達到水稻穩產和抗倒伏“雙贏”。