野生稻長毛谷旺盛生命力解析及其對烯效唑的響應

韓春寧，鄭殿峰，b*，馮乃杰，b*，陳觀杰，張淑玉，周行

(廣東海洋大學 a濱海農業學院，b深圳研究院，廣東 深圳 518108)

水稻是全世界一半以上人口的主食，是最重要的谷類作物之一。作為云南省傳統栽培的一個農家有色稻種，長毛谷是我國農家品種的典型代表。它生長在沿海灘涂，谷粒呈紅色，外殼長著芒刺，相比其他常規稻，長毛谷還具有較高的秸稈、較發達的根系以及較長的生育期。此外，長毛谷比常規稻具有更高的營養價值。因而，研究其旺盛生命力的機制具有重要意義。

化學調控是以植物生長調節物質為手段，通過改變植物內源激素系統，調節作物生長發育，使其朝著人們預期的方向發生變化的技術[1]。植物生長調節劑在很低濃度時就能對植物的生長發育起調節作用。烯效唑是一種新型植物生長延緩劑，能抑制植物赤霉素的生物合成，具有矮化植株、增強抗逆性和提高產量等效果，常被應用于多種作物。研究表明，適宜濃度的烯效唑可以降低玉米[2]、甜葉菊[3]、番茄[4]和大豆[5]等作物的株高、增加莖粗，增強植株抗倒伏能力。烯效唑可有效抑制細胞伸長，縮短節間，降低油菜苗高、莖葉干重，提高根平均直徑、根長、側根數、根干重，從而形成壯苗；同時，還能提高葉綠素含量，提高葉片凈光合速率[6]?？紫樯萚7]研究表明，適宜濃度的烯效唑浸種能提高水稻的根冠比，增強植株生理代謝，達到壯苗的效果。此外，烯效唑還能調控油菜的倒伏指數[8]。有關烯效唑的研究大多集中于作物的生長特征和生理特性，對于其具體作用機理的研究，尤其是不同水稻品種間的差異性比較則鮮有報道。本研究以長毛谷和9311 2個不同基因型的水稻為研究對象，通過葉面噴施烯效唑比較品種間生長表型、抗氧化酶及光合特性的差異，旨在揭示水稻品種間生長差異以及烯效唑的具體作用機制，為指導實際生產應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗品種為長毛谷(野生稻)和9311(常規稻)，烯效唑由廣東海洋大學生理生態調控課題組提供。

1.2 試驗設計

將供試水稻種子用2.5%次氯酸鈉溶液消毒15 min，再用蒸餾水沖洗3～5次。于29 ℃恒溫培養箱中用蒸餾水浸種24 h，催芽24 h。將出芽一致的種子點播于上口徑×底徑×高為19.5 cm×14.5 cm×17.5 cm的塑料盆中，每盆含2.6 kg基質(磚紅壤∶細沙=3∶1，V/V)。播種前澆灌600 mL肥水(尿素0.209 g·L-1，磷酸二銨0.286 g·L-1，氯化鉀0.179 g·L-1)。幼苗長至二葉一心時，葉面噴施20 mg·L-1烯效唑溶液。于噴藥(烯效唑)后3、6、9、12、15 d取樣。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 水稻幼苗地上、地下部形態的測定

用直尺測定幼苗株高，用葉面積儀測定葉面積，并計算株高生長率和葉面積生長率[9]。利用根系掃描儀Epson Perfection V800 Photo(Epson Indonesia Inc.)掃描根系，并利用WinRHIZO根系分析軟件分析根系長度(RL)、根平均直徑(RAD)、根總表面積(RSA)和根總體積(RV)等根系形態指標。

1.3.2 水稻幼苗生物量的測定

用萬分之一天平測定幼苗的地上、地下部干重，并求算總干重。

1.3.3 水稻幼苗光合及熒光參數的測定

于噴藥后的3、6、9、12、15 d，使用美國LI-6800便攜式光合-熒光測定系統在上午9：00-11：00測定葉片的氣體交換參數，包括凈光合速率、蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度和氣孔導度。其中，光合有效輻射為1 000 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為400 μmol·mol-1。葉綠素熒光參數主要包括PSⅡ實際光化學效率、電子傳遞速率、光化學猝滅系數及非光化學猝滅系數。

1.3.4 水稻幼苗生理指標的測定

于噴藥后的3、6、9、12、15 d取樣。參照李唯[10]的方法，在665、649和470 nm波長下測定吸光度值計算葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總葉綠素含量。超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)的測定參照陳建勛等[11]的方法進行。

1.4 數據分析

用Excel 2013整理數據和制作圖表，使用SPSS 19.0軟件對相關數據進行單因素方差分析，用LSD法進行差異顯著性測驗。

2 結果與分析

2.1 長毛谷和9311株高生長率、葉面積生長率的差異

如圖1所示，正常條件(CK)下，2個水稻品種的株高生長率和葉面積生長率總體上呈升高-降低-升高的趨勢，在試驗的12 d，長毛谷的株高生長率最大(0.048%)，葉面積生長率最大值出現在6 d(0.110%)；9311的株高及葉面積生長率最大值均出現在6 d(0.071%、0.189%)。

“*”表示與CK相比有顯著差異(P<0.05)，“**”表示與CK相比達極顯著差異(P<0.01)。圖2～5同。圖1 烯效唑對長毛谷和9311株高生長率和葉面積生長率的影響Fig.1 Effect of propiconazole on plant height growth rate and leaf area growth rate of Changmaogu and 9311

與CK相比，烯效唑處理的6～12 d，長毛谷的株高生長率顯著降低，在噴藥后的12 d生長率最??；烯效唑處理下9311的株高生長率呈現先增加后降低的趨勢，相比CK，在12 d降低最顯著。同樣，長毛谷的葉面積生長率呈現先增加后下降的趨勢，相比CK，噴藥后的9～12 d，烯效唑處理的葉面積生長率增加；相比CK，噴藥后9 d，烯效唑處理的9311葉面積生長率增加約50%，12～15 d，其生長率顯著下降。

2.2 長毛谷和9311根系形態的差異

如表1所示，CK條件下，長毛谷和9311的根長、根表面積、根體積呈先增加后減小的趨勢，其最大值均出現在9～12 d；2個水稻品種的根平均直徑在12～15 d出現最大值。與CK相比，烯效唑處理顯著增加了長毛谷的根長(15 d除外)；同樣，烯效唑處理下9311的根長和根表面積增加，其中在3～9 d均顯著。除噴藥后3 d外，烯效唑處理下長毛谷的根表面積與對照相比差異不顯著。與CK相比，烯效唑處理下2個水稻品種的根體積差異不顯著。此外，噴藥后9和12 d，長毛谷的根平均直徑顯著增加；對于9311，噴藥后3～6 d，其根平均直徑極顯著增加。

表1 烯效唑對2個水稻品種根系形態的影響Table 1 Effect of propiconazole on root morphology of two rice varieties

2.3 長毛谷和9311幼苗生物量的差異

如圖2所示，CK條件下，2個水稻品種植株的地上部干重、地下部干重和總干重均呈現逐漸增加的趨勢。

圖2 烯效唑對2個水稻品種干重的影響Fig.2 Effect of propiconazole on dry weight of two rice varieties

2.4 長毛谷和9311葉綠素含量的差異

如圖3所示，CK條件下，2個水稻品種的光合色素含量呈先增加后減少的趨勢。其中，長毛谷的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量在9 d最大；相比之下，9311的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量在6 d最大。噴藥后6～15 d(除12 d外)，與CK相比，烯效唑處理下長毛谷的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量顯著增加，在9 d達到峰值；噴藥后12 d，其葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總葉綠素含量均顯著下降。噴藥后3、9、12、15 d，與CK相比，9311的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量增加，在9 d達到峰值；噴藥后6 d，其葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總葉綠素含量下降，但差異不顯著。

圖3 烯效唑對2個水稻品種光合色素含量的影響Fig.3 Effect of propiconazole on photosynthetic pigment content in two rice varieties

2.5 長毛谷和9311幼苗葉片光合特性的差異

如圖4所示，CK條件下，2個水稻品種的葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度呈增加-降低-增加的趨勢。其中，長毛谷的葉片凈光合速率、蒸騰速率、胞間二氧化碳濃度和氣孔導度在15 d最大，且在噴藥后的12～15 d均比9311大。

圖4 烯效唑對2個水稻品種光合參數的影響Fig.4 Effect of propiconazole on photosynthetic parameters in two rice varieties

噴藥后15 d，與CK相比，烯效唑處理下長毛谷的葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度均顯著提高。噴藥后9 d，烯效唑處理下9311的葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度均顯著提高。與CK相比，烯效唑處理下長毛谷的葉片胞間二氧化碳濃度在3、6 d顯著增加；對于9311，各處理間胞間二氧化碳濃度差異不顯著。

2.6 長毛谷和9311葉片葉綠素熒光參數的差異

為評估PSⅡ的性能，采用葉綠素熒光技術測定部分葉綠素熒光參數。如表2所示，2個水稻品種葉片PSⅡ實際光化學效率、電子傳遞速率和光化學猝滅系數總體上呈先降低后提高的趨勢。CK條件下，3、6、12 d時長毛谷的PSⅡ實際光化學效率、電子傳遞速率和光化學猝滅系數均比9311大。與CK相比，烯效唑處理下長毛谷葉片PSⅡ實際光化學效率(9 d除外)和電子傳遞速率增加(6 d除外)。

表2 烯效唑對2個水稻品種葉綠素熒光參數的影響Table 2 Effect of propiconazole on chlorophyll fluorescence parameters in two rice varieties

噴藥后12 d，9311的光化學猝滅系數和非猝滅光化學系數均顯著增加；對于長毛谷，其光化學猝滅系數和非猝滅光化學系數差異不顯著。

2.7 長毛谷和9311幼苗葉片抗氧化酶活性的差異

如圖5所示，噴藥后3～12 d，長毛谷的葉片CAT活性比9311高(CK條件下)；除3 d外，9311的葉片POD、APX活性均比長毛谷高。此外，12～15 d，長毛谷的葉片SOD活性高于9311。與CK相比，葉面噴施烯效唑提高了長毛谷和9311的葉片CAT、POD、APX和SOD活性。

圖5 烯效唑對2個水稻品種葉片抗氧化酶活性的影響Fig.5 Effect of propiconazole on antioxidant enzyme activity in the leaves of two rice varieties

3 結論與討論

長毛谷是一種古老的原生水稻品種，具有諸多優良生長特性，是育種的寶貴資源，比常規稻具有更高的營養價值，研究其旺盛生命力機制具有重要意義[12]。本研究發現，在CK條件下，長毛谷(植株本身較高)表現出較低的株高生長率，相比之下9311的株高生長率較大，發現在幼苗生長后期(噴藥后的15 d)，其葉面積生長率逐漸降低，而長毛谷能維持相對較穩定的葉面積生長率，有利于維持植株的葉綠素含量，提高光合作用。另外，相比9311，長毛谷具有較大的根表面積、根體積及根系平均直徑，有利于增強對水分和養分的吸收，促進植株旺盛生長。其次，發現在噴藥后的12～15 d，CK條件下長毛谷的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總葉綠素含量比9311高，保證了植株較高的光合色素含量供應，使植株在生長前期(3～6 d)維持較高的凈光合速率，在后期(15 d)具有較高的蒸騰速率和氣孔導度，有利于增強長毛谷的氣體交換，提高水分利用率，合成更多的光合產物，這也與本研究結果中長毛谷積累了更多的地上部及總生物量對應。此外，本研究還測定了部分熒光參數，發現長毛谷的光化學及非光化學猝滅系數較9311高，這有利于提高植株的光能利用率。

研究[13-15]表明，多數植物矮化劑都是在內源赤霉素的合成通路中起到抑制作用，即矮化劑通過抑制如古巴焦磷酸合成酶(CPS)、內根-貝殼杉烯合成酶(KS)、內根-貝殼杉烯氧化酶(KO)、內根-貝殼杉烯酸氧化酶(KAO)、GA13ox、GA20ox、GA3ox和GA2ox等赤霉素合成過程中酶的活性，阻礙中間產物的合成，進而減少赤霉素的產生，從而使植株矮化。通過上述分析，推測長毛谷較強的生命力是由于其體內赤霉素所主導，因而，利用烯效唑(一種矮化劑)進一步探索其調控機制。

烯效唑是一種高效、低毒的三唑類植物生長延緩劑，具有延緩植物生長、抑制節間伸長、增加干物質積累、促進花芽分化、提高抗逆性等作用[16]。研究[17]表明，植物株高的形成最主要是依靠內源赤霉素來調節，它通過細胞壁伸長來調節莖節間的長度從而影響植株的株高。劉松年等[18]研究表明，葉面噴施烯效唑能降低辣椒株高，增加干物質量；馮勝杰等[3]研究表明，葉面噴施烯效唑能降低甜葉菊株高、增加莖粗。本研究中烯效唑顯著抑制了2個水稻品種的株高，葉面積有所增加，長毛谷的株高生長率呈先降低后增加的趨勢，相比CK，其株高生長率顯著降低(6～12 d)，葉面積生長率增加；同時也發現9311的株高生長率在9 d降低，葉面積生長率顯著升高，表明葉面噴施烯效唑有利于降低植株的株高生長率，提高其葉面積生長率(長毛谷更明顯)，這有利于理想株型的形成。推測是由于烯效唑通過降低赤霉素活性，抑制細胞伸長，株高降低，且前期對長毛谷的抑制程度更大。此外，本研究發現烯效唑處理能使水稻幼苗的根長增加，其中長毛谷的根平均直徑顯著增加，表明長毛谷能夠通過增加其根系對水分和養分的吸收面積，改善自身的營養條件，這與張盼盼等[19]的研究結果相似。另外，烯效唑使9311的根表面積增大，有利于促進水分吸收，進而促進細胞分裂過程和細胞增大，從而導致根長和根系生物量增加。類似的結果也在甜葉菊[3]和甜菜[20]中發現。

光合色素被組織成LHCⅡ和光系統復合物，并反映植物的光合作用能力[21]。本研究發現，噴藥后的3～12 d，2個水稻品種的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量呈現先增加后降低的趨勢，這與董志君等[22]的研究結果相似?？赡苁怯捎谙┬н蛱岣吡诉@些光合色素合成酶的活性[23]，抑制葉綠素酶活性的增加，從而有利于提高水稻幼苗對水分和營養物質的吸收運輸能力，促進植物的生長發育，有利于根長和根平均直徑的增加。我們發現噴藥后的9 d，長毛谷的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量增加的速率均比9311高，這也可能與品種特性有關。陳英花等[20]研究表明，葉面噴施烯效唑能顯著提高甜菜的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度，增加干物質質量；烯效唑還可以有效調控作物葉片光合性能，提高光能利用率，促進碳代謝及相關酶的合成[24]。本研究結果表明，烯效唑處理顯著提高了2個水稻品種的凈光合速率、蒸騰速率等光合參數，其中9311在噴藥后9 d光合活性達到最大，相比之下，長毛谷在15 d光合活性達到最大，維持了較高的光合速率，保證了一定的有機碳供應，為植株提供充足的能量來源。

PSⅡ實際光化學效率為PSⅡ反應中心部分關閉時的實際原初光能捕獲效率，表征作用光下PSⅡ吸收光能用于原初醌電子受體還原的實際運行效率。本研究表明，相比9311，長毛谷能維持較高的熒光效應，且烯效唑處理下均提高了這2個品種的PSⅡ實際光化學效率和電子傳遞速率(長毛谷更明顯)，有利于促進葉綠素的吸收轉化過程，充分利用光能轉化為化學能，同時能夠把過剩的光能以熱能的形式散發，有效避免了光抑制[25]，從而保證植株維持較高的光合活性。烯效唑不僅能提高光合作用，促進光合產物增加，還可有效增加保護酶活性[26]。研究[27]表明，水稻秧苗在噴施100～150 mg·L-1的烯效唑時，可提高秧苗的SOD和POD活性；張盼盼等[19]研究表明，葉面噴施烯效唑能增強葉片SOD和CAT活性。本研究表明，烯效唑處理增強了2個水稻品種葉片的CAT、POD、APX和SOD活性，表明外源烯效唑能增強抗氧化酶活性，及時清除ROS的過度積累，保護細胞膜免受氧化損傷。

本研究通過盆栽試驗從生長表型及生理特性方面揭示了長毛谷和9311生長發育的差異，以及烯效唑對水稻幼苗的作用機理，在未來的研究中，將從內源激素及分子代謝層面深入揭示水稻品種之間生長差異的原因，構建長毛谷旺盛生命力的調控網絡及基于烯效唑的調控機制，塑造長毛谷理想株型。