9個晚秈稻品種在紅壤中的耐酸性鑒定及有關保護酶活性的變化

楊 宙，曹豐生，熊運華，束愛萍，劉秀梅

(1.江西省農業科學院 水稻研究所/水稻國家工程實驗室(南昌)/國家水稻改良中心南昌分中心/江西省水稻生理及遺傳重點實驗室，江西 南昌 330200；2.江西省農業科學院 土壤肥料與資源環境研究所/國家紅壤改良工程技術研究中心，江西 南昌 330200)

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9個晚秈稻品種在紅壤中的耐酸性鑒定及有關保護酶活性的變化

楊 宙1，曹豐生1，熊運華1，束愛萍1，劉秀梅2*

(1.江西省農業科學院 水稻研究所/水稻國家工程實驗室(南昌)/國家水稻改良中心南昌分中心/江西省水稻生理及遺傳重點實驗室，江西 南昌 330200；2.江西省農業科學院 土壤肥料與資源環境研究所/國家紅壤改良工程技術研究中心，江西 南昌 330200)

摘要：為了研究水稻耐酸特性，選擇9個已在江西省推廣的晚秈稻品種，分別在填入了水稻土和酸性紅壤的水池中種植，測定了過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)等保護酶活性及丙二醛(MDA)含量等生理指標，考察了株高、產量等農藝性狀。結果表明，不同品種生理指標存在差異。酸脅迫下CAT活性和MDA含量降低，SOD活性升高，POD活性無明顯變化規律。MDA含量的變化與3種保護酶活性各自間均無明顯關聯，但可能受到它們的共同影響。酸脅迫下各品種農藝性狀呈現不同程度的變異，POD活性、MDA含量與單株產量變異幅度顯著相關，可以用于評價水稻耐酸特性。綜合看來，天豐優6418、深優957和躍新2號為具有較強耐酸特性水稻品種。

關鍵詞：水稻；紅壤；耐酸；酶活性；農藝性狀

我國南方約有218萬km2紅黃壤土地，占國土總面積的22.7%[1]。江西是我國紅壤分布主要省份之一，全省紅壤面積達到1.08×108hm2，占總土地面積的64%。紅壤有“酸、瘦、粘、瘠”這四大特性，是農業生產一個重要障礙，而且由于長期不合理的開發利用，我國南方紅壤區出現酸化面積增加、酸化程度和伴生鋁毒日益嚴重的趨勢[2]。

近十年來，江西省科研工作者篩選出了一些適合在紅壤中種植的耐酸性作物品種，包括油菜、芝麻和木薯等[3-7]。培育和篩選具有較強耐酸特性水稻品種，可以改良利用紅壤資源，實現農業可持續發展。目前，對水稻在紅壤中進行耐酸性研究和品種篩選工作還較少。本研究選擇9個已推廣種植的晚秈稻品種，分別在填充水稻土和紅壤水池中種植。通過測定過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性以及丙二醛(MDA)含量這4種與逆境相關的生理指標，分析酸脅迫對水稻的影響。最后考察產量性狀，評價各品種耐酸能力，篩選適合在紅壤中種植的水稻品種，為江西省紅壤改良利用提供技術支撐。

1材料與方法

1.1水稻品種

選用9個晚秈稻品種是贛晚秈37、天豐優6418、躍新2號、湘豐優186、金優207、金優299、黃華占、深優957和荊楚優148，分別由江西、湖南、廣東和湖北省培育，在江西省種植全生育期為110～127 d。

1.2試驗設計

試驗在江西省農業科學院水稻研究所網室進行。水稻7月1日播種，7月30日移栽。采用池栽法，1個水池中填入取自生產田的水稻土作為對照處理，土壤有機質含量為28.9 g/kg，有效氮149 mg/kg，速效磷9.81 mg/kg，速效鉀166 mg/kg。另一個水池中填入取自旱地的典型紅壤作為酸脅迫處理，土壤有機質含量為5.27 g/kg，有效氮35.7 mg/kg，速效磷9.42 mg/kg，速效鉀107 mg/kg。水池深0.4 m、長8.5 m、寬7.5 m，面積約60 m2。試驗前取樣，測定土壤的鹽浸pH值，然后加水灌溉。各水稻品種在池中按照隨機區組種植，3個重復，每個小區種植2行，每行12株，株距20 cm，行距26.7 cm，進行常規的水分管理和蟲害防治。

1.3逆境相關生理指標測定

在水稻種植過程中，天豐優6418、贛晚秈37和黃華占3個品種在9月23～26日抽穗，其余6個品種在9月12～19日抽穗。紅壤中種植的水稻品種抽穗期比水稻土中早1～2 d。在水稻抽穗期選3個正常單株，取劍葉作為樣品，測定CAT、SOD和POD這3種酶的活性以及MDA含量。9個品種分兩批取樣，不同的處理同時取樣。CAT、SOD和POD樣品用0.1 mol/L磷酸緩沖液在冰浴中研磨抽提，MDA樣品用10%三氯乙酸研磨抽提。CAT、SOD和POD活性以及MDA含量分別用南京建成科技有限公司試劑盒A007、A001-3、A084-3和A003-1測定。測定操作過程參考試劑盒說明書進行，反應結束后用蘇州島津儀器有限公司UV-1800型紫外可見分光光度計讀取相應波長下的吸光度值，最后根據說明書提供的公式計算水稻樣品中酶活性或物質含量。

1.4水稻產量性狀考察

觀察各水稻品種整個生長發育階段的表現，記錄抽穗開花期。成熟后從每個小區收獲5個代表性單株考種，考察株高、有效穗數、每穗實粒數、結實率、千粒重和單株產量。

1.5數據統計與分析

相同品種在不同處理下的結果用成組數據t測驗比較，酸脅迫處理對水稻生理指標的影響用成對數據t測驗比較，數據用SPSS16.0軟件進行統計分析。

2結果與分析

2.1酸脅迫對CAT活性的影響

試驗所用水稻土和紅壤pH值經測定分別為5.20和4.04，相差1.16。9個水稻品種在水稻土中的CAT活性為136.8～193.2 U/(g·min)，在紅壤中為123.9～158.9 U/(g·min)。成對數據t測驗結果表明，對水稻品種整體而言，紅壤中CAT活性極顯著低于水稻土中的活性。成組數據t測驗結果表明，不同基因型水稻之間的CAT活性存在一定差異。同時，3個品種的CAT活性在酸脅迫下均極顯著降低(圖1)。

*、**分別表示兩處理相比有顯著、極顯著差異。下同。

2.2酸脅迫對SOD活性的影響

9個水稻品種在水稻土中SOD活性為69.1～124.3 U/g，在紅壤中為81.0～126.9 U/g。對水稻品種整體而言，紅壤中SOD活性顯著高于水稻土中的活性。不同基因型水稻之間的SOD活性存在較大差異，兩個品種的SOD活性在酸脅迫下顯著升高(圖2)。

2.3酸脅迫對POD活性的影響

9個水稻品種在水稻土中POD活性為19.1～32.3 U/g，在紅壤中為23.3～32.0 U/g。對水稻品種整體而言，紅壤中水稻葉片POD活性與水稻土中無顯著差異。不同基因型水稻之間的POD活性存在一定差異，4個品種的POD活性在酸脅迫下出現顯著差異，但是變化趨勢不一致(圖3)。

圖2　2種處理下的水稻葉片SOD活性

2.4酸脅迫對MDA含量的影響

9個水稻品種在水稻土中MDA含量為35.8～44.0 μmol/g，在紅壤中為32.9～40.7 μmol/g。對水稻品種整體而言，紅壤中MDA含量顯著低于水稻土中的含量。不同基因型水稻之間的MDA含量存在一定差異，5個品種的MDA含量在酸脅迫下顯著降低(圖4)。水稻品種的MDA含量變異幅度與前面3種保護酶活性的變異幅度均無顯著相關性。

2.5酸脅迫對農藝性狀的影響

與水稻土種植相比，紅壤酸性脅迫下水稻的株高普遍增加，其中6個品種達到顯著水平。紅壤中部分品種有效穗數和結實率顯著降低，而每穗實粒數的變異相對較小。3個品種千粒重顯著增加，金優207千粒重顯著降低，其余的無變化。躍新2號、天豐優6418和深優957等3個品種的單株產量在兩種處理下無顯著差異，表現出耐酸特性，其余6個品種單株產量受酸脅迫影響顯著(表1)。結合生理指標分析發現，水稻品種的單株產量變異幅度與POD活性的變異幅度呈顯著正相關，與MDA含量的變異幅度呈顯著負相關。

圖3　2種處理下的水稻葉片POD活性

圖4　2種處理下的水稻葉片MDA含量

3討論與結論

CAT、SOD和POD活性以及MDA含量是評價植物耐逆境的主要生理指標，其中3種保護酶活性一般會隨著逆境脅迫程度加深而先上升后下降，MDA含量的變化則相反[8-9]。在本研究的酸脅迫處理下，不同基因型水稻中保護酶活性和MDA含量均存在差異。對所有品種進行成對比較發現，相差1.16個pH值的酸脅迫促使CAT活性和MDA含量降低，SOD活性升高，POD活性在各品種中無一致的變化規律。這些結果說明水稻中此3種保護酶活性對酸脅迫的敏感性存在差異，其中CAT最為敏感，POD其次，SOD敏感性較低。MDA含量變異幅度與此3種保護酶活性均無顯著相關性，可能是受此3種保護酶的共同影響。

表1　酸脅迫下的水稻農藝性狀及其變異

酸脅迫導致水稻的農藝性狀不同程度劣變，其中株高增加，有效穗數、每穗實粒數和結實率減少，部分品種千粒重的增加則是由每穗實粒數減少引起。最終，只有躍新2號、天豐優6418和深優957這3個品種的產量沒有受到影響，表現出耐酸特性。酸脅迫下CAT和SOD活性有各自的變化趨勢，但是與水稻產量變異無相關性，說明它們的活性變化可能是水稻對酸性逆境的一種普遍反映，難以體現各基因型之間耐酸特性差別。POD活性雖然沒有出現一致的變化趨勢，但是其變異與產量變異顯著相關，可以與MDA含量一起，作為評價水稻耐酸特性的指標。

土壤酸度直接決定礦質營養元素分解利用以及微生物活動，是影響植物生長的重要因素[10]。高濃度酸對植物形態發生、生理功能和生態特性均有危害。對于水稻耐酸性，主要研究了其種子萌發對模擬酸雨響應，發現其多種生理生化指標均受到影響[11-12]。另外，在pH值低于5.5的紅壤中，活性鋁會析出，破壞了植物微觀結構、生理活動和代謝平衡，最明顯的表現為根生長受到影響[13-14]。水稻是最耐鋁毒禾本科農作物之一，研究人員從中克隆到2個耐鋁毒有關基因STAR1和STAR2，以及1個參與去鋁毒過程轉錄因子ART1，為闡明水稻耐酸鋁機制提供了依據[15-16]。

江西稻區土壤類型以酸性的紅壤水稻土為主，分布于山地和丘陵，肥力較低，養分不均衡。研究表明，加強有機肥的應用，并與無機肥合理配施，能夠有效提高紅壤水稻土的有機碳和全氮含量，促進水稻高產[17-18]。在水稻育種上，可以注重耐酸種質資源的發掘利用以及選育過程中的耐酸性評價，育成的品種在紅壤區將有更好的適應性和豐產性。

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(責任編輯：許晶晶)

Acid Tolerance Identification and Changes of Protective Enzyme Activities of Nine LateIndicaRice Varieties in Red Soil

YANG Zhou1, CAO Feng-sheng1, XIONG Yun-hua1, SHU Ai-ping1, LIU Xiu-mei2*

(1. Rice Research Institute, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences / National Engineering Laboratory for Rice (Nanchang) / Nanchang Sub-center, National Rice Improvement Center / Jiangxi Provincial Key Laboratory of Rice Physiology and Genetics, Nanchang 330200, China; 2. Institute of Soil and Fertilizer & Resources and Environment, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences / National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang 330200, China)

Abstract：In order to research the acid tolerance of rice, nine late indica rice varieties having been commercialized in Jiangxi Province were screened out and planted in two pools filled with paddy soil and red soil respectively. Activities of protective enzymes including catalase (CAT), superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (POD), and malindialdehyde (MDA) content were measured. The agronomic traits, such as plant height and yield, were investigated. The results indicated that the physiological indexes of different rice varieties were various. CAT activity and MDA content decreased under acid stress, while SOD activity rose and POD activity didn’t show evident variations. The variations of MDA content were not obviously correlated with activity of any one of the three enzymes, but maybe influenced by them simultaneously. The agronomic traits of rice varieties under acid stress varied in different extent. POD activity and MDA content were correlated with the extent of variations of yield per plant, and could be used to evaluate the acid tolerance of rice. On the whole, Tianfengyou 6418, Shenyou 957 and Yuexin 2 were considered as rice varieties with excellent acid tolerance.

Key words：Rice; Red soil; Acid tolerance; Enzyme activity; Agronomic trait

中圖分類號：S511

文獻標志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)02-0027-04

作者簡介：楊宙(1981─)，男，湖北荊門人，博士，主要從事水稻遺傳育種工作。*通訊作者：劉秀梅。

基金項目：國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAD41B01)；江西省科技支撐重大項目(20133ACF60002)。

收稿日期：2015-07-26