低溫脅迫對(duì)水稻幼苗葉片生理生化特性的影響

王亞男 范思靜

摘要[目的]研究低溫脅迫對(duì)水稻葉片生理生化特性的影響。[方法]以水稻品種兩優(yōu)5916為試驗(yàn)材料，研究低溫脅迫過(guò)程中水稻幼苗葉片的光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、抗氧化系統(tǒng)酶活和丙二醛含量的變化。[結(jié)果]低溫脅迫下，水稻的凈光合效率、氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率均明顯下降，葉綠素?zé)晒鈪?shù)光合系統(tǒng) Ⅱ 最大潛在光化學(xué)效率（Fv/Fm）與光化學(xué)轉(zhuǎn)換的實(shí)際量子效率（ФPSⅡ）也顯著降低，初始最小熒光（Fo）與光合系統(tǒng) Ⅱ 非調(diào)控能量耗散系數(shù)（ФNO）升高。對(duì)抗氧化系統(tǒng)酶活的測(cè)定結(jié)果表明，在低溫處理過(guò)程中水稻幼苗葉片的抗氧化系統(tǒng)SOD、POD、CAT酶活呈先升高后降低的趨勢(shì)，丙二醛含量則逐步升高。[結(jié)論]在低溫脅迫下，水稻對(duì)光能的吸收轉(zhuǎn)換效率降低，而蒸騰速率與氣孔導(dǎo)度的降低導(dǎo)致葉片凈光合速率的降低，由于葉片抗氧化系統(tǒng)酶活的降低以及MDA含量的增加，葉片光合系統(tǒng) Ⅱ 受到了不可逆的損傷。

關(guān)鍵詞水稻；低溫冷害；光合作用；葉綠素?zé)晒鈪?shù)；抗氧化系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)S501文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）05-0008-02

Abstract[Objective] To study the effects of lowtemperature stress on the physiological and biochemical characteristics of rice seedling leaves. [Method] Taking rice cultivar Liangyou 5916 as test materials， the changes of photosynthesis parameters， chlorophyll fluorescence parameters， enzyme activities of antioxidant system and MDA content in the process of lowtemperature stress were studied. [Result] Under lowtemperature stress， the net photosynthesis rate， stomatal conductance and transpiration rate obviously decreased， and chlorophyll fluorescence parameters Fv/Fm， ФPSⅡ obviously decreased， but Fo and ФNO increased. The determination results of the activities of SOD， POD and CAT enzymes firstly increased and then decreased， MDA content gradually increased. [Conclusion] Under lowtemperature stress， photochemical conversion efficiency decreased， the net photosynthesis rate decreased by the decrease of stomatal conductance and transpiration rate. PSⅡ was damaged because enzymes activities of antioxidant system decreased and MDA content increased.

Key wordsRice；Cold damage；Photosynthesis；Chlorophyll fluorescence parameters；Antioxidant system

基金項(xiàng)目安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（1501031111）。

作者簡(jiǎn)介王亞男（1983—），女，安徽青陽(yáng)人，農(nóng)藝師，碩士，從事作物遺傳育種研究。

收稿日期2016-12-24

水稻在前期育苗生產(chǎn)過(guò)程中常常會(huì)遭遇低溫的影響，導(dǎo)致苗期遭遇冷害，水稻生長(zhǎng)緩慢或停滯[1-3]。研究表明，當(dāng)環(huán)境溫度低于10 ℃時(shí)，水稻的生理代謝過(guò)程就會(huì)受到傷害，如膜透性增加、葉綠素合成受到抑制、引起光合作用系統(tǒng)對(duì)光能的吸收轉(zhuǎn)換與利用效率降低，直接影響水稻幼苗的生長(zhǎng)[4]。筆者通過(guò)測(cè)定低溫脅迫下水稻葉片的光合參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)以及抗氧化系統(tǒng)酶活與丙二醛（MDA）含量，研究低溫脅迫對(duì)水稻品種兩優(yōu)5916的影響，分析水稻對(duì)低溫脅迫的生理生化應(yīng)激反應(yīng)，旨在為進(jìn)一步探討低溫影響水稻生長(zhǎng)的內(nèi)在機(jī)制提供理論參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料及其處理

以安徽金培因公司選育的水稻品種兩優(yōu)5916為試驗(yàn)材料，挑取顆粒飽滿(mǎn)的種子，用水浸泡后，用70%乙醇消毒5 min，用水沖洗后在水中浸泡24 h，然后播種于裝有營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的培養(yǎng)盤(pán)中，置于氣候培養(yǎng)箱中進(jìn)行育苗，溫度28 ℃、濕度80%、光照強(qiáng)度120 μmol/（m2〖DK〗·s），白天10 h，夜晚14 h，進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)。待幼苗生長(zhǎng)至4葉期，選取表型基本一致的植株進(jìn)行試驗(yàn)，以正常處理為對(duì)照，處理組處理溫度為8 ℃，連續(xù)處理24 h，濕度80%、光照強(qiáng)度120 μmol/（m2〖DK〗·s），白天10 h，夜間14 h，每個(gè)處理設(shè)5次重復(fù)，以正常處理為對(duì)照，低溫處理4、8、12和24 h后取樣，進(jìn)行相關(guān)生理生化指標(biāo)的測(cè)定。

1.2光合參數(shù)的測(cè)定

使用美國(guó)LI-COR公司的Li-6400光合測(cè)定儀進(jìn)行光合參數(shù)的測(cè)定，設(shè)定開(kāi)放式氣路，光照強(qiáng)度設(shè)定為1 200 μmol/（m2〖DK〗·s），CO2濃度約為390 μmol/mol，葉室溫度設(shè)定為28 ℃，測(cè)定倒3葉的凈光合速率（Net photosynthetic rate，Pn）、氣孔導(dǎo)度（Stomatal conductance，Gs）、蒸騰速率（Transpiration rate，Tr）。取3片完全伸展的葉片進(jìn)行測(cè)定，取平均值。

1.3葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定

使用德國(guó)WALZ公司的PAM-2500便攜式脈沖可調(diào)制式熒光測(cè)定儀進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定，設(shè)定飽和脈沖時(shí)間為800 ms，脈沖頻率為20 s，脈沖光強(qiáng)3 000 μmol/（m2〖DK〗·s），測(cè)量光強(qiáng)100 μmol/（m2〖DK〗·s），作用光強(qiáng)為150 μmol/（m2〖DK〗·s），測(cè)定低溫處理過(guò)程中水稻幼苗葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)。取3片完全伸展的葉片進(jìn)行測(cè)定，取平均值。采用在線(xiàn)慢誘導(dǎo)模式測(cè)定初始熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、光系統(tǒng) Ⅱ（PS Ⅱ）最大光化學(xué)效率（Fv/ Fm）。光化學(xué)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的實(shí)際量子效率（ФPSⅡ）、非調(diào)控能量耗散系數(shù)（ФNO）與可調(diào)控能量耗散系數(shù)（ФNPQ）參照Genty等[5]、Kramer等[6]和Calatayud等[7]的方法，根據(jù)“puddle model” 和“l(fā)ake model”進(jìn)行計(jì)算。使用DPS 2000軟件，按照Turkey多重比較對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析[8]。

1.4抗氧化系統(tǒng)酶活與丙二醛含量的測(cè)定

抗氧化系統(tǒng)酶SOD、POD與CAT活性以及丙二醛含量使用南京建成生物工程研究所提供的試劑盒進(jìn)行測(cè)定。

2結(jié)果與分析

2.1低溫脅迫下水稻葉片光合參數(shù)的變化

從圖1可以看出，低溫脅迫下水稻葉片的光合作用參數(shù)凈光合效率、氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率均明顯下降，與對(duì)照（CK）相比，低溫處理4 h后凈光合效率、氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率先迅速下降，然后緩慢下降；低溫處理12～24 h，葉片的凈光合效率、氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率逐漸趨于穩(wěn)定。以上結(jié)果表明，水稻葉片的光合作用系統(tǒng)在遭遇冷害處理的早期反應(yīng)較為敏感，光合參數(shù)下降較快，中后期光合作用已經(jīng)很微弱，光合參數(shù)降至最低值。

2.2低溫脅迫下水稻葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化

從圖2可以看出，低溫脅迫下初始最小熒光（Fo）與初始最大熒光（Fm）呈逐漸增加的趨勢(shì)，而光合系統(tǒng) Ⅱ 的潛在最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）則逐漸降低，表明低溫處理?yè)p傷了光合系統(tǒng) Ⅱ，導(dǎo)致初始熒光參數(shù)（Fo）的增加，最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）的降低。對(duì)水稻葉片光合系統(tǒng) Ⅱ 的進(jìn)一步研究表明，低溫處理導(dǎo)致光合系統(tǒng) Ⅱ 的光化學(xué)轉(zhuǎn)換的實(shí)際量子效率ФPSⅡ降低，光合系統(tǒng) Ⅱ 可調(diào)控能量耗散系數(shù)（ФNPQ）先升高后降低，低溫處理4 h后達(dá)到最大值，此后逐漸降低，而光合系統(tǒng) Ⅱ 非調(diào)控能量耗散系數(shù)（ФNO）則呈逐漸上升的趨勢(shì)，低溫處理8 h后葉片ФNO在0.6以上，表明水稻葉片光合系統(tǒng) Ⅱ 遭受了不可逆的傷害（表1）。

2.3低溫脅迫下水稻葉片抗氧化系統(tǒng)酶活與丙二醛含量的變化

從表2可以看出，低溫處理過(guò)程中水稻葉片抗氧化系統(tǒng)酶SOD、POD與CAT活性呈先升后降的趨勢(shì)，在低溫處理8 h時(shí)達(dá)到最大值；低溫處理24 h時(shí)，SOD、POD與CAT活性顯著低于對(duì)照（CK）。隨著低溫處理時(shí)間的延長(zhǎng)，丙二醛含量呈逐步增加的趨勢(shì)，低溫處理24 h時(shí)丙二醛含量達(dá)到最大值。

3討論與結(jié)論

低溫冷害是水稻苗期常遭受的逆境脅迫主要因子之一[9]。近年來(lái)，由于極度天氣頻發(fā)，南方地區(qū)常常因低溫連陰雨導(dǎo)致水稻停滯生長(zhǎng)，甚至秧苗死亡，已逐漸成為水稻減產(chǎn)的主要原因之一[10-11]。該研究圍繞水稻遭遇低溫冷害的應(yīng)激反應(yīng)，研究低溫冷害處理過(guò)程中水稻光合作用系統(tǒng)以及抗氧化系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)的變化，結(jié)果表明低溫處理降低了水稻葉片的凈光合速率、蒸騰速率與氣孔導(dǎo)度，低溫引起葉片初始最小熒光（Fo）與光合系統(tǒng) Ⅱ 非調(diào)控能量耗散系數(shù)（ФNO）的升高，葉片光合系統(tǒng) Ⅱ 最大潛在光化學(xué)效率（Fv/Fm）與光化學(xué)轉(zhuǎn)換的實(shí)際量子效率（ФPSⅡ）的降低。這表明水稻葉片在遭遇低溫脅迫時(shí)，水稻對(duì)光能的吸收轉(zhuǎn)換效率降低，蒸騰速率與氣孔導(dǎo)度的降低會(huì)導(dǎo)致葉片凈光合速率的降低，由于葉片抗氧化系統(tǒng)酶活的降低以及MDA含量的增加，可能導(dǎo)致葉片單線(xiàn)態(tài)氧與膜脂過(guò)氧化程度的增加，對(duì)葉片光合系統(tǒng) Ⅱ 產(chǎn)生了不可逆的損傷。

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