低温胁迫对孕穗期水稻叶片内源激素的影响

2014-11-06李永辉熊宏亮黄仁良张景云沈显华

江西农业大学学报 2014年1期

朱珊，李永辉，熊宏亮，黄仁良，严松，张景云，沈显华*

(1.江西省农业科学院水稻研究所，江西南昌 330200;2.江西省超级水稻研究发展中心，江西南昌 330200;3.江西省农业科学院蔬菜花卉研究所，江西南昌 330200)

孕穗期是水稻产量形成的关键时期，此期研究水稻的低温耐冷性，对于稳定并提高水稻产量有着重要的现实意义［1－3］。低温影响花粉粒的正常发育，导致部分雄性不育，空壳率增加，从而引起结实率大大降低［4－5］。在江西省大部分地区，早稻在孕穗期易受低温(小满寒)影响，造成严重的损失［6］。植物叶片的生长发育在很大程度上受体内内源激素的调节，内源激素的含量甚微且对外界环境异常敏感［7－10］，当植物受到低温胁迫时，植物会通过体内激素含量的调节来适应外界环境变化［11－13］。关于低温对水稻影响方面的研究，前人已经做了大量工作［14－17］，有的报道侧重于株高、叶面积、干物质重等形态方面;有的报道侧重于气孔、叶绿素等生物化学方面;有的报道侧重于酶活性、蛋白质含量、电导率等生理指标等方面，但在低温胁迫下，有关内源激素含量变化的研究鲜有报道。本试验研究了低温胁迫下，孕穗期水稻叶片内源激素IAA、GA3、ABA含量水平及变化规律，旨在探讨水稻在激素水平上对低温胁迫的生理反应，为进一步了解水稻耐冷性奠定生理基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验以高产优质稻淦鑫203(国审稻200900)为试验材料。该品种属籼型三系杂交水稻，在长江中下游地区作双季早稻种植。试验于2011年和2012年在江西省农业科学院水稻研究所科研基地进行。浸种催芽后于3月21日播种，4月21日移栽，行株距为27.45 cm×25.50 cm，单本栽插。整个生育期的田间水肥管理和病虫防治按照高产栽培方式进行。在田间生长至进入分蘖期选取发育进程与长势基本一致的稻株带泥移入盆钵(内径16.5 cm×深度15.5 cm)培育10 d以上，每盆移栽1蔸。当盆钵中的稻株进入拔节期后(开始孕穗)，每天随机取5穗主茎，剥去稻株叶片，露出茎端生长点，用显微镜观察幼穗分化过程。在进入幼穗分化3期时移至PGX－450E－C智能光照培养箱(宁波海曙赛福实验仪器厂)，供低温处理之用。

1.2 处理方法

供试材料在人工气候箱中进行低温处理，每日光照12 h，黑暗12 h，光强8 000 lx，相对湿度70%。低温温度设置为15，17，19，21℃。其中，15℃、17℃的低温处理时间为1～3 d，19℃、21℃的低温处理时间为2～5 d。以在大田正常生长的盆钵中稻株作为对照，3次重复。按照处理天数，低温处理后的材料移回水稻大田，并将所有盆钵除去让其自然生长。在低温处理完毕当天、处理恢复生长2 d和处理恢复生长4 d的10:00左右，选取生长整齐一致的倒二叶叶片，样品置液氮中冷冻后迅速保存于－80℃超低温冰箱中，以供内源激素含量动态变化的测定。整个试验持续两年，整体重复两次。

1.3 内源激素测定方法

水稻叶片内源激素含量的测定，用酶联免疫吸附(ELISA)法分别测定吲哚乙酸(IAA)、赤霉素(GA3)和脱落酸(ABA)内源激素的含量［18－19］。试剂盒由中国农业大学化控研究室提供。

1.4 数据分析

原始数据的整理及分析采用Excel 2003、DPS软件完成。在对试验结果进行分析时，所有指标均用2011年数据，2012年数据与2011年数据趋势相同。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫对水稻叶片IAA含量的影响

经低温处理后，本试验中的IAA含量变化均呈现随着处理温度的降低和历时增长而降低的变化趋势。在15℃处理3 d时达最低值，说明此时低温处理对水稻幼穗分化影响最大。随着恢复生长时间的延长，IAA含量呈现逐渐升高变化趋势(图1)。各处理与对照均存在极显著差异，除21℃ 2～3 d高于对照外，其余各处理均低于对照(表1)。其原因可能是IAA可以通过增加细胞壁的可塑性，来增强细胞伸展性。在低温到来以后，IAA的合成受影响，其含量降低;随着低温胁迫的解除，IAA的含量逐渐升高。

2.2 低温胁迫对水稻叶片GA3含量的影响

经低温处理后，本试验中的GA3含量变化均呈现随着处理温度的降低和历时增长而降低的变化趋势。随着恢复生长时间的延长，GA3含量呈现逐渐升高变化趋势(图2)。各处理与对照均存在极显著差异，除21℃ 2～3 d高于对照外，其余各处理均低于对照(表1)。GA3具有促进植株株茎伸长的作用，植株受低温影响后，GA3的合成受影响，其含量降低;随着低温胁迫的解除，GA3的含量也逐渐升高。

图1 低温处理下水稻IAA含量变化Fig.1 Changes of the content of IAA with low temperature stress

图2 低温处理下水稻GA3含量变化Fig.2 Changes of the content of GA3with low temperature stress

2.3 低温胁迫对水稻叶片ABA含量的影响

经低温处理后，本试验中的ABA含量变化均呈现随着处理温度的降低和历时增长而升高的变化趋势。随着恢复生长时间的延长，ABA含量呈现逐渐降低变化趋势(图3)。各处理与对照均存在极显著差异(表1)。这可能是因为植物本身具有合成ABA的能力，ABA含量增加后，可有效保护植物，使其进入休眠状态，减少低温带来的伤害。

图3 低温处理下水稻ABA含量变化Fig.3 Changes of the content of ABA with low temperature stress

表1 低温处理下水稻激素含量与对照的比较Tab.1 The contents of endogenous hormones differences between CK and treatment with the low temperature stress

3 结论与讨论

“小满寒”亦称五月寒，是江西省双季早稻进入孕穗期(花粉母细胞减数分裂前后)遇到的连续3 d日平均气温低于20℃或连续2 d日平均气温低于20℃、日极端最低气温小于16℃的低温天气［6］。“小满寒”是早稻生育期间影响产量的主要农业气象灾害。低温能促使植物体内源激素的含量和活性发生变化，因此，通过研究内源激素含量的变化，对于客观地反应低温胁迫下水稻孕穗期具体的生理过程，揭示“小满寒”致灾机理具有重要意义。

吲哚乙酸(IAA)、赤霉素(GA3)、脱落酸(ABA)是植物激素的重要类型，它们对植物的生长发育、信号转导都有重要作用［20］。植物低温逆境条件下:一方面，细胞中的IAA、GA3含量降低，使植株生长速率减慢，以缓解低温造成的对植株完成正常生理活动的压力，对抗不利环境，使植物在逆境下生存下来［21］。分析认为其含量下降主要是抑制生长，同时通过促进气孔关闭的方式减少蒸腾作用，改变体内水分的利用方式，增强并维持叶绿素、蛋白质和核酸含量等生理生化效应做出适应环境的调节［22］。另一方面，细胞中的ABA会迅速积累，使水稻体内RNA和蛋白质合成减弱，细胞代谢活动变缓，从而使植株生长势降低，并通过ABA的信号转导对环境胁迫做出积极、主动的适应性反应［23］。分析认为ABA含量上升可以提高SOD、POD和CAT等酶的活性，使植物体内超氧自由基处于较低水平，最终减轻逆境胁迫对细胞光合膜系统造成的伤害［24］，同时可增加低温体内的水分平衡能力并促进某些抗冷物质的合成［25］。本试验研究结果表明，低温胁迫下水稻叶片生长活力下降，其内源激素水平发生了显著变化，即IAA、GA3的含量下降，ABA的含量升高。随着低温胁迫程度的加剧，叶片内部内源激素的变化越来越显著。随着恢复生长时间的延长，IAA、GA3含量呈现逐渐升高变化趋势;ABA含量呈现逐渐降低变化趋势。这与前人对于其他植物材料的研究结果基本一致［26－27］。IAA、GA3和ABA 3种内源激素均积极参与了水稻低温胁迫的应答反应，从对低温敏感性反应的角度分析，3种内源激素参与低温反应的时间较快，较敏感(IAA和GA3在处理完毕当天值达最低，ABA值达最高，各处理与对照均达极显著差异)。时效性也较长(恢复生长4 d时，各处理与对照差异仍达极显著)。

笔者在测定激素的过程中发现，对于测定水稻激素含量没有成熟的方法，只能借鉴其他作物的方法，并在实践中摸索，增加了人为误差，对最终的结果有一定的影响。本研究分析了孕穗期低温对水稻叶片内源激素的影响，但缺乏对于在低温下根系和茎秆内源激素的研究，低温胁迫究竟是通过何种方式来改变内源激素的含量也尚需探讨。拟在今后的研究中，从植株的整体水平上研究水稻内源激素对低温的响应特点。水稻的幼穗分化过程极其复杂，受到各种内外因素的调控，植物激素是重要调控因子。内源激素对植物的生长发育有着复杂的调控机制，不能单独孤立的看某一种激素作用，而更重要的是考虑各种激素之间的平衡关系，逆境可促使植物内源激素含量发生变化，并且通过这些变化影响其生理过程［28－29］。所以，低温胁迫对水稻内源激素的影响机理以及内源激素的调控机理还有待于进一步的研究。

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