鹽脅迫對水稻穎花形成及籽粒充實的影響

韋還和 張徐彬 葛佳琳 陳 熙 孟天瑤 楊 洋 熊 飛 陳英龍 戴其根,,*

1 江蘇省作物遺傳生理重點實驗室 / 江蘇省作物栽培生理重點實驗室 / 江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心 / 揚州大學水稻產業工程技術研究院, 江蘇揚州 225009; 2 揚州大學教育部農業與農產品安全國際合作聯合實驗室 / 揚州大學農業科技發展研究院, 江蘇揚州225009; 3 揚州大學生物科學與技術學院, 江蘇揚州 225009

我國有234萬公頃沿海灘涂和1億公頃內陸鹽堿地, 是我國最重要的后備耕地資源[1]。水稻常作為鹽土改良的重要糧食作物, 有關鹽脅迫下水稻生長發育與產量形成特征一直備受關注[2-3]。研究表明,鹽脅迫對水稻植株生長發育的傷害主要包括滲透脅迫和離子脅迫。滲透脅迫主要是由于土壤中高濃度的鹽分降低了土壤水勢, 使植株吸水困難, 抑制植株生長; 離子脅迫則是由于植株葉片中Na+的過量積累常導致K+、Ca2+和磷素吸收受抑, 從而產生單鹽毒害[4-5]。鹽脅迫下, 水稻植株光合作用受到抑制,不僅加劇了光合產物在主莖與分蘗之間的競爭, 引起部分分蘗困難且也難以獲得充足的養分而未能成穗; 而且加快了花后植株衰老進程, 導致群體庫容充實差、產量低[6-8]。當前, 我國正大力開發利用沿海灘涂和內陸鹽堿地發展水稻生產[9-10]。但總體上,沿海灘涂和內陸鹽堿地種植的水稻產量偏低且穩產性較差[11-12]。每穗穎花數是決定水稻豐產性與穩產性的重要因子, 取決于穎花的分化與退化2個過程。水稻穗部穎花分化和退化, 既受植株營養物質供應的多寡、碳/氮比值的平衡以及幼穗器官生理活性高低等諸多內在生理因素的影響[13-15], 也易受外在環境條件和栽培措施的影響[16-18]。環境條件方面, 王亞梁等[16]研究表明, 水稻穗分化期高溫脅迫會加劇穎花退化, 造成每穗穎花量顯著下降; 抑制花藥發育, 降低花粉活力, 導致籽粒充實性狀差。栽培措施方面, 陳培峰等[17]研究表明, 與淺水灌溉相比, 輕干濕交替灌溉利于促進稻穗枝粳和穎花的分化, 尤其是促進稻穗中下部二次穎花的現存數的增加, 顯著提高了中、弱勢粒的粒重和充實度。目前, 關于鹽脅迫下水稻穗部穎花分化與退化及籽粒充實的報道較少, 且缺少系統研究。為此, 本研究以江蘇沿海灘涂大面積種植的常規粳稻南粳9108和鹽稻12為試材, 研究分析鹽脅迫對稻穗穎花形成、花器官發育及籽粒充實的影響, 旨在為沿海灘涂水稻高產栽培與調控措施提供理論與實踐支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以江蘇沿海灘涂大面積種植的常規粳稻南粳9108和鹽稻12為供試材料。

1.2 試驗設計與栽培管理

2019—2020年, 在揚州大學農學院試驗農場進行盆栽試驗, 盆缽直徑25 cm、高30 cm。盆缽所裝土壤取自試驗農場稻田耕層, 土壤類型為沙壤土,20 cm土壤耕層中含全氮0.13%、堿解氮89.4 mg kg–1、速效磷32.9 mg kg–1、速效鉀80.1 mg kg–1, 每盆裝土18 kg。

設置對照(check, CK, 鹽濃度0%)、中鹽(medium-salinity stress, MS, 鹽濃度0.15%)和高鹽(high-salinity stress, HS, 鹽濃度0.3%)共3個鹽濃度梯度處理, 每處理50盆。根據試驗設計的含鹽量梯度和盆缽土的重量來計算NaCl海鹽的重量, 移栽前3 d將對應重量的Q/ZLY型速溶海水晶(浙江藍海星鹽制品廠生產, 天然海水曬制, 基本保留了海水的主要成分)均勻撒施在對應處理盆缽中, 并與土壤充分攪拌均勻。盆栽場上方建有遮雨棚, 以防因降雨引起池內鹽分變化。2年中, 南粳9108和鹽稻12均于5月20日播種, 采用塑料軟盤旱育秧, 秧齡25 d后移至盆缽, 每盆4穴, 每穴4株苗。每盆基施2 g尿素和0.5 g磷酸二氫鉀, 移栽后7 d每盆施0.5 g尿素, 穗分化期每盆施0.6 g尿素。移栽后, 各盆栽處理建立1~2 cm淺水層, 以濕潤灌溉為主; 穗分化階段與抽穗揚花期始終保持2~3 cm水層; 灌漿結實期實行干濕交替, 自1~2 cm淺水層自然落干至土壤水勢–15 kPa, 然后灌1~2 cm淺水層, 再落干, 如此循環,直至成熟。盆缽內安裝真空表式負壓計(中國科學院南京土壤研究所生產)監測土壤水勢。按常規高產栽培管理病蟲草害。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 主莖穗穎花分化與退化及穎花大小 于抽穗期, 集中取樣1次, 各處理選取大小一致主莖穗20個。以單莖為單位, 觀察每穗一次和二次枝粳上的穎花現存數與退化數, 退化的穎花為具有白色的小穎花狀薄膜痕跡, 部分可用肉眼觀察計數, 部分穎花退化數痕跡較小在體視顯微鏡(OLYMPUS,SZX16)下觀察計數。借助萬深考種儀(SC-G)測量主莖穗穎花大小。

穎花現存(退化)數 = 一次枝粳穎花現存(退化)數 + 二次枝粳穎花現存(退化)數;

穎花分化數 = 穎花現存數 + 穎花退化數;

穎花退化率(%) = (穎花退化數 / 穎花分化數)×100;

一次(二次)枝粳穎花分化數 = 一次(二次)枝粳穎花現存數 + 一次(二次)枝粳穎花退化數;

一次(二次)枝粳穎花退化率 = 一次(二次)枝粳穎花退化數×100 / 一次(二次)枝粳穎花分化數。

1.3.2 主莖穗花藥形態 于主莖稻穗抽出約20%~30%時集中取樣1次。各處理選取當天開放的花藥30個, 在體視顯微鏡下(OLYMPUS, SZX16)觀察花藥形態, 并照相。之后, 利用測微尺測量花藥長度(length, L)和寬度(width, W)?；ㄋ庴w積(V)按公式V = 0.34LW2計算[19]。

1.3.3 主莖穗花藥開裂率 取樣方法與時期同1.3.2。各處理選取當天開放的花藥30個, 在體視顯微鏡下(OLYMPUS, SZX16)觀察花藥開裂情況, 計算花藥開裂率。

花藥開裂率(%) = (完全開裂花藥數+部分開裂花藥數) / 鏡檢花藥總數×100。

1.3.4 主莖穗花粉活力 取樣方法與時期同1.3.2。各處理選取當天開放的穎花3枚, 用鑷子取下每枚穎花上的全部花藥擠碎, 用1% I2-KI溶液染色并于生物顯微鏡下(OLYMPUS, BX61)選取3個視野統計可染率, 能染色的花粉即具有活力的花粉。

1.3.5 主莖穗穗部性狀與實產 于成熟期, 各處理選取大小一致主莖穗40個, 測定單穗重、每穗粒數、結實率和粒重。各處理選取植株長勢基本均勻,且未經取樣測定的10盆稻株, 每盆單獨手工脫粒計產。

1.4 數據處理

運用Microsoft Excel軟件錄入數據、計算, DPS軟件作統計分析, SigmaPlot軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 產量與主莖穗部性狀

與對照相比, 鹽脅迫顯著降低了南粳9108和鹽稻12產量。中鹽脅迫下, 南粳9108和鹽稻12產量降幅分別為18.7%和24.3%; 高鹽脅迫下, 南粳9108和鹽稻12產量降幅分別為54.5%和58.6% (表1)。鹽脅迫處理下水稻主莖單穗重和每穗粒數顯著低于對照。2年中, 中鹽和高鹽脅迫下南粳9108每穗粒數較對照分別低8.6%和19.8%, 鹽稻12較對照分別低8.0%和25.9%; 穗部籽粒充實性狀方面, 鹽脅迫處理顯著降低了南粳9108和鹽稻12穗部籽粒的結實率和粒重, 2年中, 中鹽和高鹽脅迫下鹽稻12穗部粒重分別為24.4 mg和22.9 mg, 較對照分別低1.2 mg和2.7 mg (表2)。

表1 鹽脅迫對水稻產量的影響Table 1 Effects of salinity stress on grain yield in rice

表2 鹽脅迫對水稻主莖穗部性狀的影響Table 2 Effects of salinity stress on panicle traits of the main stem in rice

2.2 主莖穗部穎花分化與退化

與對照相比, 鹽脅迫處理降低了水稻主莖穎花分化數和穎花現存數。中鹽脅迫下南粳9108和鹽稻12主莖穎花分化數較對照分別降低了4.4%和3.5%,高鹽處理下則分別降低了12.1%和11.2%。鹽脅迫處理顯著提高了主莖穎花退化數與退化率; 2年中, 中鹽和高鹽脅迫下南粳9108主莖穎花退化數分別為15.2和22.3, 較對照分別增加了72.7%和153.4% (表3)。對南粳9108和鹽稻12而言, 中鹽脅迫下一次枝粳上穎花分化數和穎花現存數均與對照差異不顯著,高鹽脅迫下一次枝粳上穎花分化數和穎花現存數則顯著低于對照。與對照相比, 中鹽和高鹽脅迫處理提高了主莖一次枝粳穎花退化數與退化率(表4)。中鹽和高鹽脅迫下, 主莖二次枝粳穎花分化數與穎花現存數均顯著低于對照, 穎花退化數與穎花退化率則顯著高于對照。中鹽和高鹽脅迫下, 南粳9108主莖二次枝粳穎花退化數較對照分別增加了52.7%和112.7%, 鹽稻12主莖二次枝粳穎花退化率則較對照分別增加了51.7%和108.8% (表5)。

表3 鹽脅迫對水稻主莖穗部穎花分化與退化的影響Table 3 Effects of salinity stress on differentiated and retrograded spikelets of the main stem in rice

表4 鹽脅迫對水稻主莖一次枝粳穎花分化與退化的影響Table 4 Effects of salinity stress on differentiated and retrograded spikelets of the primary branches on the main stem of rice

表5 鹽脅迫對水稻主莖二次枝粳穎花分化與退化的影響Table 5 Effects of salinity stress on differentiated and retrograded spikelets of the secondary branches on the main stem in rice

2.3 主莖花藥性狀、花粉活力與穎花大小

與對照相比, 鹽脅迫處理降低了水稻主莖花藥長度、寬度與體積。中鹽和高鹽脅迫下, 南粳9108花藥長度2年平均為1.71 mm和1.60 mm, 較對照分別下降了4.7%和11.1%; 鹽稻12花藥長度2年平均為1.80 mm和1.66 mm, 較對照分別下降了6.5%和13.8% (表6)。中鹽和高鹽脅迫下南粳9108花藥開裂率分別為69.9%和55.6%, 鹽稻12則分別為68.0%和54.0%, 均顯著低于對照(圖1)。對于南粳9108和鹽稻12而言, 鹽脅迫處理均顯著降低了花粉活力。中鹽和高鹽脅迫下南粳9108花粉活力分別為81.6%和64.7%, 較對照分別降低了13.6%和31.5% (圖2)。與對照相比, 鹽脅迫處理降低了水稻主莖穗部穎花的長度和寬度。以南粳9108為例, 高鹽脅迫下主莖穗部穎花長度和寬度分別為6.63 mm和3.49 mm, 較對照處理分別低6.5%和6.1% (表7)。

表7 鹽脅迫對水稻主莖穗穎花大小的影響Table 7 Effects of salinity stress on size of spikelets on the main stem in rice

表6 鹽脅迫對水稻主莖花藥大小的影響Table 6 Effects of salinity stress on size of anther of the main stem in rice

2.4 相關性分析

相關性分析結果表明, 穎花長度與產量、每穗粒數、結實率和粒重呈極顯著正相關。一次和二次枝粳穎花分化數和現存數與產量、每穗粒數、結實率和粒重呈極顯著正相關, 穎花退化數和穎花退化率則與產量、每穗粒數、結實率和粒重呈極顯著負相關。此外, 花藥長度與寬度、花藥開裂率、花粉活力與產量、每穗粒數、結實率和粒重均呈顯著或極顯著正相關(表8)。

表8 鹽脅迫處理下水稻穗部性狀的相關性分析Table 8 Correlation analysis of panicle traits under salinity stress in rice

3 討論

本試驗條件下, 南粳9108和鹽稻12在中鹽和高鹽脅迫下產量降幅分別為1 8.7%~2 4.3%和54.5%~58.6% (表1), 表明鹽脅迫顯著降低了水稻產量, 這與此前的研究結果基本一致[6,8,20]。有關鹽脅迫對水稻產量構成因素的影響已有較多研究報道,但研究結果并不完全一致。周根友等[6]、孫現軍等[21]研究表明, 與非鹽脅迫相比, 鹽脅迫導致水稻產量顯著下降的主要原因是每穗粒數和粒重的降低; 而胡博文等[22]、荊培培等[23]研究表明, 鹽脅迫下水稻群體穗數、每穗粒數、結實率和粒重均降低, 從而使水稻產量顯著下降。本試驗條件下, 與對照相比,中鹽和高鹽脅迫均顯著降低了南粳9108和鹽稻12的每穗粒數、結實率和粒重(表2); 此外, 筆者此前的研究表明[8], 鹽脅迫下水稻分蘗發生率與成穗率均較低, 單株與群體成穗數少。因此, 庫容量偏小與庫容充實差共同制約了鹽脅迫下水稻產量的提升,這與胡博文等[22]、荊培培等[23]的研究結果基本一致。

目前有關鹽脅迫影響水稻穎花形成的研究報道較少。本研究結果表明, 與對照相比, 鹽脅迫處理降低了水稻穎花分化數, 提高了穎花退化數, 每穗穎花數顯著下降; 從影響過程來看, 鹽脅迫下南粳9108和鹽稻12穎花退化數的增加幅度高于穎花分化數的下降幅度, 因此, 鹽脅迫下穎花退化數的增加是導致每穗穎花數下降的關鍵因素(表2和表3)。鹽脅迫導致水稻穗部穎花數增加的原因可能有以下2點: (1) 植株內源激素比例失衡。水稻植株內源激素平衡程度是影響穎花退化的關鍵因素之一。水稻穗分化期尤其是減數分裂期較低的內源油菜素甾醇(BRs)和多胺(PAs)水平以及較高的乙烯水平與穎花退化密切相關, 提高BRs、PAs水平或PAs與乙烯的比值可有效減少穎花退化[24-25]。此前研究表明[26-27],鹽脅迫下水稻植株乙烯釋放量急劇上升, PAs水平和PAs與乙烯的比值則顯著下降, 加劇了穗部穎花的退化。(2) 鹽脅迫易造成植株能荷水平過低及活性氧過度積累, 使得膜脂過氧化傷害和小穗程序性細胞死亡, 導致穎花退化數的增加[28-29]。

關于不同枝粳上穎花分化與退化變化的比較已有相關研究報道[15,18,30]。董明輝等[18]研究表明, 麥秸還田與施氮量處理均對枝梗與穎花分化數、退化數/率、現存數產生顯著影響, 對二次枝梗和二次穎花的影響大于一次枝梗和一次穎花。王亞梁等[30]研究表明, 穗分化期高溫脅迫抑制水稻穎花分化, 加劇穎花退化; 高溫對二次枝粳上穎花分化與退化的影響大于一次枝粳。本試驗條件下, 鹽脅迫處理降低了一次和二次枝粳穎花分化數和現存數, 增加了一次和二次枝粳穎花退化數; 鹽脅迫下二次枝粳穎花分化數和現存數的下降幅度和穎花退化數的增加幅度均高于一次枝粳(表4和表5), 表明鹽脅迫對一次和二次枝粳穎花形成的影響存在差異, 以對二次枝粳穎花形成的影響更大。

本研究表明, 與對照相比, 鹽脅迫處理下水稻籽粒充實性狀(結實率和粒重)顯著變劣(表2)。水稻花器官正常發育是籽粒充實飽滿以及獲取高產的關鍵因素之一。花器官的發育極易受到環境脅迫因子的影響[14-15,19,31]。溫度脅迫方面, 張榮萍等[19]研究表明, 開花期低溫脅迫影響水稻結實率的主要原因是低溫脅迫影響花藥發育成熟, 使花藥不能正常開裂、散粉不足, 可育花粉率和柱頭花粉萌發率降低,直接影響了受精結實。水稻抽穗揚花期遇到高溫脅迫, 對水稻的花粉粒直徑、花粉活力和花藥開裂率等均會產生不同程度的影響[14,31]。本試驗條件下, 與對照相比, 鹽脅迫降低了花藥大小及其開裂率與花粉活力(表6, 圖1, 圖2), 表明鹽脅迫下水稻花器官受到傷害, 使花藥開裂受阻, 導致散發到柱頭上的花粉量不足, 進而影響授粉受精, 引起結實率下降(表8)。水稻粒重取決于穎花大小和籽粒飽滿度, 前者決定了庫容潛力, 后者跟同化物的供應有關[32-33]。本研究結果表明, 與對照相比, 鹽脅迫處理降低了水稻穎花長度和寬度(表7), 抑制了庫容潛力的提升;此外, 鹽脅迫下植物光合作用受到抑制, 植株衰老進程加快, 花后干物質積累量少, 導致籽粒充實飽滿度差[8,34]。因此, 鹽脅迫抑制了水稻庫容和籽粒充實飽滿度的提升, 從而顯著降低了粒重(表2)。

本研究在盆栽條件下, 模擬研究了不同鹽脅迫濃度下水稻穎花分化與退化的變化趨勢及花器官發育特點, 明確了鹽脅迫對水稻穎花形成及籽粒充實的影響, 研究結果對于沿海灘涂水稻高產栽培與調控措施具有一定指導意義。考慮到盆栽條件與大田實際條件的差異, 本研究中的部分研究結果仍需進一步在沿海灘涂田間試驗中加以驗證。

4 結論

鹽脅迫對水稻穎花形成及籽粒充實有顯著影響。與對照相比, 鹽脅迫抑制水稻穎花分化, 促進穎花退化, 每穗穎花數顯著下降。影響花器官正常發育, 花藥大小、花藥開裂率和花粉活力下降; 縮短穎花長度和寬度, 降低籽粒飽滿度, 使籽粒充實性狀顯著變劣。