噴施不同化學制劑對高溫脅迫水稻干物質積累與碳氮代謝的影響

江曉東 華夢飛 費日超 姜琳琳 楊沈斌 郭建茂

（1南京信息工程大學/江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室/氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044；2中國氣象局農(nóng)業(yè)氣象保障與應用技術重點開放實驗室，鄭州450003；3沂南縣氣象局，山東沂南276300；第一作者：jiangxd＠126．com）

在全球氣候變暖的背景下，近100年來我國氣溫上升明顯，升溫幅度約為 0．5℃～0．8℃，高于同期全球平均水平，并表現(xiàn)出極端高溫發(fā)生頻率和強度增加的特點[1]。水稻是我國主要的糧食作物，高溫熱害是水稻主要的農(nóng)業(yè)氣象災害之一。一般認為，當水稻在孕穗開花期遇到日平均氣溫≥30℃或日最高氣溫≥35℃，持續(xù)日數(shù)大于3 d為就會發(fā)生高溫熱害[2]。高溫熱害會對水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量造成顯著影響。張桂蓮等[3]研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫會導致水稻花藥開裂率、花粉活力下降；鄭建初等[4]研究指出，水稻在抽穗期遭遇持續(xù)3 d高于35℃的氣溫，結實率就會降到70%以下；CRAFTSBRANDNER等[5]研究結果表明，高溫脅迫發(fā)生時，光合作用關鍵酶Rubisco活性下降，CO2同化能力降低，光合速率顯著下降；楊再強等[6]研究表明，高溫脅迫會導致水稻葉片凈光合速率、PSⅡ最大光能轉化效率和PSⅡ實際量子產(chǎn)量下降；湯日圣等[7－8]研究指出，高溫熱害使水稻葉片SOD、POD、CAT活性降低，MDA含量增加，葉片衰老加速；謝曉金等[9－11]研究指出，高溫會導致水稻每穗粒數(shù)、結實率和千粒重下降，稻米品質變劣。噴施外源化學制劑是增強水稻的耐熱性、減輕高溫危害的有效手段。噴施外源化學制劑可以提高水稻的授粉量，提高結實率[12]，可以提高水稻葉片的抗氧化酶活性，降低MDA含量，減輕葉片的衰老程度[8，13]，提高葉片的光合速率[14]和水稻產(chǎn)量。

長江中下游是我國主要的水稻產(chǎn)區(qū)，水稻產(chǎn)量約占我國水稻總產(chǎn)量的50%[15]，受地理位置和副熱帶高壓的影響，該地區(qū)每年7—8月容易出現(xiàn)持續(xù)高溫天氣，在氣候變暖的背景下，該地區(qū)水稻高溫熱害的發(fā)生頻率和強度有增加的趨勢，對水稻生產(chǎn)產(chǎn)生嚴重影響[16－18]。目前有關噴施化學制劑提高水稻抗高溫能力的研究較多，但大多基于單一化學制劑，對不同種類化學制劑之間的對比研究較少。為此，在本課題組前期的研究基礎上[8]，本研究選取KH2PO4和CaCl2兩種化學制劑，比較不同化學制劑對高溫脅迫下水稻干物質積累與碳氮代謝的影響，以期為長江中下游水稻生產(chǎn)應對高溫熱害提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

圖1 不同處理對水稻葉片干物質積累的影響

圖2 不同處理對水稻莖稈干物質積累的影響

試驗于2016年在南京信息工程大學農(nóng)業(yè)氣象試驗站進行，以早稻品種陵兩優(yōu)268為研究對象，進行盆栽試驗。4月20日播種，3葉1心期選擇均勻一致的壯苗移栽于內直徑20 cm、高30 cm的塑料盆中，每盆3株，等邊三角形種植，植株離盆沿5 cm。在水稻拔節(jié)末期（6月20日）連續(xù)3 d每日17∶00對處理植株分別噴施22.04 mmol/L KH2PO4溶液和20.00 mmol/L CaCl2溶液，以噴施蒸餾水為對照（CK），噴施至溶液液滴均勻布滿葉片為止。試驗共計3個處理，每個處理種植9盆，共計27盆。6月23日9∶00將盆栽水稻放入人工氣候箱（TPG1260，Australian）進行連續(xù)5 d的高溫處理，處理方法為：6∶00—18∶00 溫度 40℃±0.5℃，18∶00—次日6∶00溫度為 30℃±0.5℃，日平均氣溫 35℃，光照強度為1 000 μmol/（m·s），空氣相對濕度為60%。6月28日9∶00將所有處理水稻移至室外自然生長直至成熟。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 干物質

在高溫處理5 d（6月28日）、高溫處理結束后5 d（7月3日）和成熟期各取樣一次樣品，將葉片、莖稈和穗分開裝袋，然后置于105℃的烘箱中殺青30 min后，75℃烘干稱重。

1.2.2 產(chǎn)量

在成熟期取樣，進行室內考種，計數(shù)每穗粒數(shù)、結實粒數(shù)和千粒重，并計算結實率。

1.2.3 劍葉光合速率

在高溫處理第5 d（7月9日）和高溫處理結束后第5 d（7月14日），采用LI-6400型光合儀（LI-COR，USA）對各處理劍葉進行測定，每個處理重復測定3次。

1.2.4 含氮量

采用“硫酸銅-硫酸鉀-硒粉”聯(lián)合催化劑濃硫酸消煮法測定，使用KDY9820型凱氏定氮儀（KETUO，中國）按半微量凱氏定氮法測定全氮含量[19]。

1.2.5 可溶性糖含量

采用蒽酮比色法測定[19]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel和DPS軟件進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 高溫脅迫下不同化學制劑對水稻干物質積累的影響

由圖1可以看出，在高溫處理5 d后，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻葉片干物質量顯著高于CK，其中，KH2PO4溶液處理最大，比CK高0.099 g/莖，也顯著高于CaCl2溶液處理，說明KH2PO4溶液處理的水稻葉片的抗高溫能力強，光合作用高，干物質積累能力強，而CK的水稻葉片受高溫脅迫影響大，干物質生產(chǎn)和積累受到抑制?；謴? d后，KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻葉片干物質量仍顯著高于CK，但KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理之間差異不顯著，說明CaCl2溶液處理的水稻葉片在高溫脅迫后機能恢復較快，CK恢復緩慢。在水稻成熟期，CK的葉片干物質量分別比KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理高0.043 g/莖和0.034 g/莖，差異到達顯著水平，表明KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理可促使水稻葉片積累的干物質在成熟期向籽粒中轉移，提高水稻產(chǎn)量。

圖3 不同處理對水稻莖葉干物質積累的影響

圖4 不同處理對水稻劍葉凈光合速率（Pn）的影響

圖5 不同處理對水稻劍葉蒸騰速率（Tr）的影響

從圖2可以看出，在高溫處理5 d后，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻莖稈干物質量比CK高0.105 g/莖和0.082 g/莖，差異顯著，表明在高溫脅迫下，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理后的水稻莖稈生長受高溫影響較CK小，能貯存更多的有機物。高溫處理結束恢復5 d后，KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻莖稈干物質量仍顯著高于CK，分別比CK高0．157 g/莖和 0．107 g/莖，KH2PO4溶液處理也顯著高于CaCl2溶液處理，說明KH2PO4處理更能促進恢復期水稻莖稈的生長，有利于莖稈中有機物的運輸和存儲，莖稈生長健壯。在成熟期，CK的莖稈干物質量顯著高于KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理，分別比KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理高 0．375 g/莖和 0．223 g/莖，KH2PO4溶液處理的莖稈質量最低，這表明，噴施外源化學制劑，能夠顯著促進水稻莖稈積累的干物質再分配到籽粒中，有利于產(chǎn)量的增加。

從圖3可見，噴施不同化學制劑對水稻植株莖葉干物質積累影響顯著。在高溫處理5 d后，水稻莖稈干物質量KH2PO4溶液處理＞CaCl2溶液處理＞CK，處理之間差異顯著，表明KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理水稻植株受高溫脅迫影響小，KH2PO4處理的水稻植株受影響程度最小。恢復5 d，3個處理莖葉干物質積累量高于高溫處理5 d，表明水稻在進行恢復性生長，干物質積累量仍表現(xiàn)為KH2PO4溶液處理＞CaCl2溶液處理＞CK，處理之間差異顯著，說明用KH2PO4溶液處理水稻受高溫脅迫后恢復速度快，植株生長量大，用CaCl2溶液處理次之。在成熟期，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理水稻植株莖葉干物質積累量分別比CK低0．218 g/莖和 0．116 g/莖，說明用 KH2PO4溶液和 CaCl2溶液處理可以使莖葉積累的干物質更多的轉運到籽粒中，KH2PO4溶液處理對莖稈運轉量的促進作用大于CaCl2溶液處理。

2.2 高溫脅迫下不同化學制劑對水稻光合特性的影響

噴施不同化學制劑對高溫脅迫處理下和恢復期的水稻產(chǎn)生了顯著的影響。由圖4可見，抽穗期高溫脅迫處理5 d，KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻劍葉凈光合速率（Pn）分別比CK高14．00 μmol/（m2·s）和10．58 μmol/（m2·s），說明噴施不同化學制劑后水稻葉片在高溫脅迫下仍能保持較高的光合速率。恢復5 d各處理的Pn較高溫脅迫處理5 d時有明顯提高，KH2PO4溶液處理、CaCl2溶液處理的凈光合速率顯著高于CK，分別比CK高10．43 μmol/（m2·s）和5．68 μmol/（m2·s），說明噴施不同化學制劑能夠促進水稻葉片在遭受高溫脅迫傷害后快速恢復光合機能。不同化學制劑之間比較，KH2PO4溶液處理的葉片受高溫脅迫的影響小、光合速率高。

從圖5可見，高溫脅迫處理5 d，KH2PO4溶液處理、CaCl2溶液處理的水稻劍葉蒸騰速率（Tr）顯著高于CK，分別比CK高16．99 mmol/（m2·s）和12．45 mmol/（m2·s）；在高溫處理結束后恢復5 d，各處理的 Tr皆有提高，KH2PO4溶液處理、CaCl2溶液處理葉片Tr仍顯著高于CK，分別比CK高15．45 mmol/（m2·s）和15．91 mmol/（m2·s）?？梢?，噴施不同化學制劑可以提高高溫脅迫時和恢復后葉片的Tr，降低葉片溫度，提高水稻葉片的耐高溫能力，KH2PO4溶液處理效果更顯著。

2.3 高溫脅迫下不同化學制劑對水稻植株氮素含量的影響

圖6 不同處理對水稻植株氮含量的影響

圖7 不同處理對水稻植株可溶性糖含量的影響

氮是植物體內蛋白質、氨基酸、酰胺、核酸、輔酶、葉綠素等的組成元素，其含量可以指征植物的生理代謝活性[20]。高溫脅迫顯著影響了水稻植株氮代謝過程。從圖6可以看出，不管是在高溫處理后還是在恢復期，CK葉片和莖稈的氮含量都顯著低于KH2PO4溶液處理和CaCl2溶液處理，表明高溫脅迫嚴重抑制了水稻的氮素代謝活性，噴施不同化學制劑可以顯著促進水稻植株的氮代謝。在高溫處理5 d后，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻葉片和莖稈的氮含量顯著高于CK，葉片氮含量分別比CK高13.59%和11.96%，莖稈氮含量分別比CK高21.11%和14.44%，表明噴施化學制劑可以顯著提高高溫脅迫條件下水稻的氮素積累，減緩氮素的分解，植株生理活性高。在恢復5 d后，水稻葉片和莖稈的氮含量仍高于CK，說明噴施化學制劑可以促進恢復期水稻植株的氮素吸收與蛋白質的合成，提高植株的氮素代謝能力。在成熟期，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻葉片和莖稈中的氮含量仍顯著高于CK，葉片氮素含量分別比CK高58.99%和40.29%，莖稈氮含量分別比CK高44.23%和42.31%，這表明在成熟期CK植株中葉片和莖稈的含氮物質大量分解代謝，植株衰老嚴重，而KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻葉片和莖稈仍然保持一定的生理活性，保證了稻穗正常的落黃和成熟?？傮w而言，KH2PO4溶液處理對促進高溫脅迫下水稻氮代謝的能力高于CaCl2溶液處理。

2.4 高溫脅迫下不同化學制劑對水稻植株可溶性糖含量的影響

植物組織中的可溶性糖主要包括葡萄糖、果糖（單糖）和蔗糖（雙糖），是光合作用碳反應的主要產(chǎn)物，還是植物體內碳水化合物轉化、運輸、儲藏和再利用的主要形式[20]。噴施不同化學制劑同樣影響了高溫脅迫下水稻的碳代謝。由圖7可知，在高溫處理5 d后，KH2PO4溶液處理顯著提高了水稻葉片和莖稈的可溶性糖含量，分別比CK高24.40 μg/g 和 108.51 μg/g，葉片光合性能高，并且轉運效率高，莖稈中貯藏的可溶性糖含量高，CaCl2溶液處理與CK處理無顯著差異。在恢復5 d后，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的葉片可溶性糖含量分別比CK高 191.50 μg/g 和 105.87 μg/g，差異顯著，表明這 2 種化學制劑均促進了水稻植株在高溫熱害后的恢復，葉片光合碳代謝旺盛；KH2PO4溶液處理莖稈可溶性糖含量顯著高于CK，而CaCl2溶液處理與CK無顯著差異，這表明CaCl2溶液處理葉片輸出的光合產(chǎn)物較KH2PO4處理少。在成熟期，用KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的葉片和莖稈可溶性糖含量顯著高于CK，說明KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理水稻葉片在生育末期仍保持較高的光合活性，保證了水稻后期籽粒灌漿的需要。從植株碳代謝的角度分析，KH2PO4溶液處理對提高水稻抗高溫能力的促進作用大于CaCl2溶液處理。

2.5 高溫脅迫下不同化學制劑對水稻產(chǎn)量的影響

從表1可見，不同處理之間水稻千粒重無顯著差異，但穗粒數(shù)和結實率處理之間差異顯著。KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的穗粒數(shù)分別比CK多21.00粒和18.66粒，結實率分別比CK高10.83%和5.90%，差異均顯著。穗粒數(shù)和結實率的改變影響了水稻的穗粒重，KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的穗粒重分別比CK高0.44 g和0.36 g，3個處理間差異達顯著水平。這說明，高溫脅迫下噴施不同化學制劑，水稻產(chǎn)量的提高主要是因為穗粒數(shù)和結實率的提高，KH2PO4溶液處理對產(chǎn)量的促進作用大于CaCl2溶液處理。

3 討論

大量研究表明，高溫脅迫可以抑制水稻的光合作用、加速葉片衰老、降低水稻結實率和千粒重，致使水稻減產(chǎn)[3-13，16-17]。本研究表明，高溫脅迫下，水稻葉片Pn和Tr顯著降低，植株干物質積累量和向籽粒中的轉運量、葉片和莖稈中氮素含量和可溶性糖含量顯著減少，穗粒數(shù)和結實率顯著降低，導致水稻減產(chǎn)顯著。噴施外源化學制劑后，水稻植株氮素含量和可溶性糖含量顯著上升，表明水稻的碳氮代謝活躍，受高溫脅迫抑制作用小。蛋白氮是植物組織氮素的主要來源，葉片中的蛋白質主要由酶蛋白組成，Rubisco是葉片蛋白質的主要組成成分，直接參與光合作用的調控[20]。本試驗中，KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻葉片氮素含量顯著上升，葉片氮素代謝活躍，葉片中參與光合作用的酶類含量高，與2個處理水稻葉片光合速率顯著高于CK相互驗證。植物的可溶性糖主要來源于光合作用，KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的葉片和莖稈可溶性糖含量顯著高于CK，也是光合作用增強的直接結果，同時，可溶性糖還是淀粉、纖維素等多糖合成以及呼吸作用的底物，其含量的增加直接促進了植株干物質積累和籽粒千粒重的增加，提高了產(chǎn)量。滲透調節(jié)是植物應對逆境的重要生理機制，可溶性糖與蛋白質、游離脯氨酸等是主要的滲透調節(jié)物質[20]。本研究結果表明，KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理的水稻葉片氮素和可溶性糖含量高，說明葉片細胞的滲透調節(jié)能力強，對高溫脅迫的抵抗能力強，同時，高溫脅迫下噴外源制劑處理葉片的蒸騰速率顯著提高，水分蒸散消耗的熱量增加，降低了葉片溫度，減輕了高溫脅迫對葉片的損傷，也驗證了前人的研究結果[7-8，13]。所以，植株碳氮代謝旺盛、光合作用強、受高溫脅迫損傷小，是KH2PO4溶液和CaCl2溶液處理水稻干物質積累增加、產(chǎn)量提高的主要原因。

表1 不同處理對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素的影響

K是植物必需的三大元素之一，直接參與植物的各項生理活動。K既可以調節(jié)氣孔運動，改變葉片的蒸騰速率和光合速率，又可以參與滲透調節(jié)，維護細胞的正常功能，還可以促進光合產(chǎn)物的轉化和運輸，維持植物良好的庫源關系[20-22]。Ca主要以結合態(tài)存在于植物的細胞壁和細胞質中，其對植物的調節(jié)作用主要通過與受體蛋白CaM形成的鈣信使系統(tǒng)進行[20，23]，這可能是本試驗中KH2PO4溶液處理調控效果優(yōu)于CaCl2溶液處理的原因。本試驗是在人工控制下采用盆栽試驗得出的結果，需要大田試驗進一步驗證。

4 結論

在高溫脅迫下和高溫結束后的恢復過程中，噴施22.04 mmol/L KH2PO4溶液和20.00 mmol/L CaCl2溶液均能提高水稻葉片和莖稈的干物質積累量、含氮量和可溶性糖含量、葉片的Pn和Tr，植株受高溫脅迫損傷小，光合速率高，碳氮代謝活躍；噴施2種化學制劑均能提高水稻的穗粒數(shù)和結實率，提高水稻產(chǎn)量。噴施22.04 mmol/L KH2PO4溶液提高水稻抗高溫熱害的能力好于20.00 mmol/L CaCl2溶液。