不同非生物脅迫對秈稻9311根生長的影響

陳昶旭，TCHINGA TCHINGA Jeffree Berchmens，施力銘，陳曉榮，周旭人，查笑君

(浙江師范大學 化學與生命科學學院，浙江 金華 321004)

水稻是人類賴以生存的重要糧食作物之一。水稻非生物脅迫的耐受性是近幾十年研究的熱點與重點之一。非生物脅迫包括干旱脅迫、鹽脅迫、重金屬脅迫、低溫脅迫等。而除了低溫脅迫外，脅迫液濃度一直是脅迫試驗前需要考慮的主要因素之一，脅迫液濃度過低可能達不到脅迫效果；脅迫液濃度過高則不能滿足植物的基本生長條件，引起植物發生病變甚至死亡從而無法進行后期試驗。相對根長能反映植株受脅迫的程度，通過計算在各種脅迫下水稻苗期的相對根長，可比較得出各類脅迫下水稻苗根系承受脅迫的最佳濃度。若水稻苗相對根長低于50%，則可判定為脅迫過度，不利于測定在該種脅迫下的各類生理指標；而若相對根長高于50%，可判定脅迫過小或已產生一定抗性，導致水稻苗不能表現出足夠的脅迫性狀，也會對生理生化指標的測定造成誤差。當相對根長等于50%時，脅迫程度適中，此時脅迫濃度可作為最佳脅迫濃度。

目前對水稻脅迫的研究主要有干旱、鹽、重金屬及有害離子等，脅迫濃度可以為水稻各類脅迫研究提供試驗基礎，為開發水稻的耐旱、耐鹽、抗重金屬或富集能力以及抵御有害離子的能力提供參考，更是為挖掘新型抗性基因的發現與檢測提供前期條件。因此，筆者擬用PEG6000模擬干旱環境，以NaCl作為鹽脅迫，以CuSO4和CdCl2溶液分別模擬重金屬脅迫。當相對根長為50%時，脅迫程度適中，此時的脅迫濃度為最佳脅迫濃度。旨在測定野生型秈稻9311水稻(OryzasativaL.ssp.Indica)在干旱、重鹽、銅、鎘等非生物脅迫的最佳脅迫濃度，以期為秈稻9311推廣種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用秈稻9311作為試驗材料，所用種子均由浙江師范大學遺傳發育實驗室提供。

1.2 試驗設計

1.2.1 種子的萌發及幼苗培育 挑選約600 粒顆粒飽滿的種子，進行萌發處理。先用30% NaClO 溶液將種子表面消毒30 min，再用自來水沖洗3～4次，然后將種子放入信封袋中置于37℃培養箱中進行催芽。待種子露白時(3 d左右)，再將發芽的種子插入已標記的96孔板中，將其移入光照培養箱內水培3～4 d。培養箱培養條件：光照28℃，14 h；黑暗25℃，10 h。催芽及水培期間均需每天換水。

1.2.2 逆境脅迫最佳濃度的確定 取長勢較一致的水稻幼苗，根據表1的不同處理液及濃度處理，不同濃度脅迫液處理的水稻幼苗均分成3組，每組10株。處理24 h后，用直尺測量處理前后(包括空白對照組)的初生根長度。以RER接近50%時為脅迫最佳濃度。計算公式：RER=(LT1-LT0)/(Lmock1-Lmock0)×100%

其中，LT1和LT0分別表示脅迫液處理前后的初生根長度，Lmock1和Lmock0分別表示空白對照組處理前后的初生根長度。

1.3 統計分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2007進行整理和圖表繪制，部分數據采用SPSS 22.0 進行統計分析。

表1 不同脅迫處理所用試劑及脅迫液濃度梯度

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下水稻的根長

如圖1所示，在PEG6000的質量分數為15%時，脅迫前后水稻幼苗的根伸長量和相對根長最小，而PEG6000在10%與20%的試驗組根長較長，推測10%的濃度未達到脅迫的理想效果，作用不明顯；而在20%濃度下，因脅迫過高而產生一定抗性，非最佳脅迫濃度。表明，PEG6000在濃度為15%左右時對水稻初生根生長的抑制作用最大，相對根長在質量分數為15%附近能夠達到50%RER(逆境最佳濃度)，但逆境最佳濃度還需要進一步在15%左右濃度范圍的對照試驗中驗證。

注：圖中柱狀圖上端的“**”“*”符號分別表示差異達極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)水平，下同。

圖21 干旱脅迫下水稻根伸長量與相對根長

2.2 鹽脅迫下水稻的根長

如圖2所示，濃度在50～95 mmol/L間根的伸長量以及相對根長呈波動狀，對照組相對根長均比脅迫長，其中65 mmol/L和95 mmol/L伸長量以及相對根長最低，而相對根長均未達到50%RER(逆境最佳濃度)。在80 mmol/L濃度脅迫下，相對根長最接近50%，推測在其附近可能會出現逆境最佳濃度的相對根長，具體逆境最佳濃度的確認還需要在65 mmol/L和95 mmol/L范圍內另設對照組進行試驗。

2.3 鎘脅迫下水稻的根長

如圖3所示，根的生長在大于0.01 mg/L時就受到較強的脅迫，其相對根長均低于50%RER(逆境最佳濃度)，而在0.001 mg/L時根的相對根長大大超過50%RER。推測，CdCl2的逆境最佳濃度應在0.001～0.01 mg/L。試驗可先測定0.005 mg/L的相對根長，再根據其數據劃定區間分組對照，確定濃度范圍以達到接近逆境最佳濃度。

2.4 銅脅迫下水稻的根長

如圖4所示，各濃度CuSO4溶液對水稻根的生長抑制強度均較大，以至于相對根長均在20%及以下。觀察相對根長曲線圖，在曲線的兩側均有上升的趨勢，推測相對根長50%RER(逆境最佳濃度)相對應的CuSO4溶液濃度在大于200 mg/L或小于25 mg/L，具體逆境最佳濃度的確認還需要在濃度區間內另設對照組進行驗證。

3 結論與討論

水稻的根系是水肥吸收的重要部位，其長度與茂盛程度均可作為水稻生長發育狀況的衡量標準。試驗針對苗期的形態，將此指標測定值轉化為更具可比性的相對值，更能體現抗旱性的內涵[1]。以上試驗結果表明，當受到非生物脅迫時，水稻苗根系伸長量會受到影響。

PEG兼具惰性、非離子型、親水性強等特點，可作為滲透調節劑人為模擬干旱脅迫環境[2]。試驗研究發現，在PEG6000質量分數為15%左右時，相對根長達50%，為最佳脅迫濃度，在此濃度下開展有關水稻幼苗干旱脅迫的試驗最佳。

種子的萌發和幼苗的建成是水稻對鹽脅迫相對敏感的時期[2]。在高鹽環境中，水稻的生長受限從而會降低其產量和品質。研究選用不同濃度的NaCl溶液模擬鹽脅迫環境，分析種子萌發及幼苗建成差異。在鹽脅迫的各濃度中，未發現相對根長在50%的梯度，而可據試驗結果推測，在NaCl濃度為50～80 mmol/L存在最適脅迫濃度。

鎘(Cd2+)是一種有害的重金屬離子。重金屬鎘易在水環境中遷移，在生物體內富集[3]。土壤中過量的鎘被植物吸收并在植物各器官中積累，輕度脅迫導致植物葉片干枯萎黃、根系縮短，降低營養元素的吸收；重度脅迫則會破壞植物細胞，抑制植物光合作用和蒸騰作用、干擾植物的代謝過程，進而顯著抑制植物生長[4-5]。同時，鎘通過植物吸收進入食物鏈，嚴重威脅人類健康和生命安全[6-7]且會在植物中富集而進入人體。研究顯示，水稻在含鎘環境下的生長情況不容樂觀，因此對水稻展開重金屬脅迫的研究意義重大。在鎘脅迫中，可確定0.01 mg/L濃度為最佳脅迫濃度，在此條件下測定生理生化指標可對水稻幼苗的耐鎘性進行研究。另外，在銅離子脅迫中，200 mg/L體現出了50%的相對根長，表明此濃度為開展水稻幼苗有關銅脅迫研究的最佳濃度。銅離子為一類對植物生長有害的重金屬離子。Cu脅迫能夠同時誘導水稻根系木質素和過氧化氫的積累[8]，不利于水稻根系的生長。有研究發現，當Cu2+濃度過低時反而能夠促進植物的生長[9]。

試驗設置各類脅迫梯度，測定出鹽脅迫、干旱脅迫、鎘脅迫及銅離子脅迫的最佳脅迫濃度，有利于后期測定在這些脅迫下的生理生化指標，為有關水稻的耐受性質研究打下基礎，以期為水稻新特性的開發做出貢獻。