李其勇,朱從樺,李星月,易 軍,武丙琳,符慧娟,張 鴻
(1. 四川省農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所/農(nóng)業(yè)部西南作物有害生物綜合治理重點實驗室,四川 成都 610066; 2. 四川省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所,四川 成都 610066)
水稻是我國最主要的糧食作物之一,常年種植面積3 000萬公頃,產(chǎn)量2億噸左右,是世界上水稻產(chǎn)量第一、種植面積第二的國家[1]。水稻栽培耗水量大,有研究得出每生產(chǎn)1 kg谷粒需要3 000 L水[2], 而我國水資源十分貧乏,且時空分布極不均衡。水資源短缺和頻繁的干旱日益成為制約水稻生產(chǎn)的重要環(huán)境因素[3],測算研究表明干旱影響下,未來全球水稻產(chǎn)量的平均預期損失率可能達到13.1%(±0.4%),水稻干旱風險波動幅度和干旱風險增長的區(qū)域比例都將顯著增加[4]。干旱脅迫可導致水稻種子發(fā)芽率下降[5]、幼苗成苗率降低[6],在分蘗期、孕穗期、灌漿成熟期等主要生育期遭受干旱脅迫,水稻的光合生產(chǎn)能力顯著下降,產(chǎn)量和稻米品質(zhì)均有所降低[7-8],不利于大田生產(chǎn)。為應對日益嚴重的干旱風險對水稻生產(chǎn)的挑戰(zhàn),在水資源時空因素限制下,應用抗旱品種是解決抗旱栽培的重要途徑之一,而篩選鑒定抗旱水稻品種或育種材料,科學評價及準確預測水稻的抗旱性對水稻抗旱育種和栽培都具有重要意義。
水稻抗旱機制復雜,不同品種或材料在不同水分脅迫環(huán)境、不同生育階段,其表現(xiàn)出的抗旱機制也存在差異[9-11],水稻對水分脅迫適應亦是多種途徑共同作用的結(jié)果[12-14]。正由于此,不同研究者提出的水稻抗旱性鑒定指標很多,且不統(tǒng)一,主要包括抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)、產(chǎn)量相關(guān)指標、外觀形態(tài)表型指標(芽、根系、葉片等)、生長發(fā)育指標、生理生化代謝指標[15-18]。相較于全生育期干旱脅迫處理,苗期進行干旱脅迫處理可將抗旱鑒定工作前移,具有工作量小、耗時短、可大批量進行的特點,得到了較多關(guān)注。苗期主要采用反復干旱法進行干旱脅迫研究[6,19-20],篩選到了部分鑒定指標,如最大根長、根數(shù)、根鮮重、葉鮮重、超氧化物歧化酶(SOD)活性、還原性谷胱甘肽(GSH)含量等指標,并評價獲得了一批抗旱材料。但苗期進行抗旱鑒定評價指標仍未統(tǒng)一,且多是采用水稻品種,在分析過程中多是形態(tài)指標、生理指標,為進一步研究干旱脅迫對水稻材料苗期的影響并篩選抗旱鑒定指標,以5份近等基因?qū)胂导捌漭喕赜H本川香29B為材料,在溫室內(nèi)進行苗期反復干旱脅迫,測定苗期水稻在水分脅迫下的形態(tài)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、激素類物質(zhì)、保護酶活性等多類指標,分析指標與抗旱性關(guān)系,篩選水稻苗期抗旱性鑒定的指標,并利用入選指標建立水稻苗期抗旱預測方程,為水稻苗期抗旱性鑒定及預測提供參考。
供試材料為5份近等基因?qū)胂导捌漭喕赜H本川香29B(優(yōu)質(zhì)秈稻),由四川省農(nóng)業(yè)科學院作物所提供。以保持系川香29B(優(yōu)異秈稻保持系,已組配出多個優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)品種在生產(chǎn)上應用)為輪回親本,ASOMINORI(全球水稻分子育種計劃的核心種質(zhì),耐旱性強)作供體親本,從連續(xù)回交2代后再自交的材料中通過初步耐旱試驗獲得材料C1、C2和C3;從連續(xù)回交3代后再自交的材料中通過初步耐旱試驗獲得材料C4和C5。以此5份川香29B近等基因?qū)胂?Chuanxiang 29B NIILs)為供試材料,以保持系川香29B作為對照(表1)。
表1 川香29B近等基因?qū)胂挡牧霞熬幪朤able 1 Material codes of Chuanxiang 29B near-isogenic introgression lines
于2017年6—7月在中國水稻研究所富陽基地(30°5′N,119°55′E)溫室內(nèi)開展試驗,富陽屬中緯度亞熱帶季風氣候,6、7月的平均氣溫、降雨量、日照時長分別為26.5℃和28.6℃、112 mm和218 mm、98 h和220 h,試驗土質(zhì)為黏性水稻土。挑選籽粒飽滿的水稻種子,浸種48 h,于37℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽,待種子露白后播種。采用大缽育秧,每缽3粒,置于大棚培育出苗,每個材料播種12盤,每盤144缽,長至3葉1心時,選擇生長均勻一致的秧苗,進行干旱脅迫。采用T×C二因素完全隨機試驗設計,T因素為水分管理,設置2個水平,CK為正常澆水管理,T為定期進行干旱脅迫;C因素為供試材料,即6個供試水稻材料,見表1,共計12個處理,每個處理設置3次重復。干旱脅迫(T)包括2次干旱處理過程,其中第1次干旱處理,記為T1:每個材料選擇3盤,停止?jié)菜?,當所有品種葉片在干旱脅迫后中午前后出現(xiàn)萎蔫,葉片出現(xiàn)嚴重枯萎(所有葉片均嚴重卷曲成針狀),每個材料出現(xiàn)整株“暫時枯死”,作為第1次干旱脅迫結(jié)束點;第2次干旱處理,記為T2:第1次干旱取樣調(diào)查結(jié)束,立即澆透水,后續(xù)不再澆水,待所有品種再度萎蔫卷曲成針狀,50%葉尖出現(xiàn)枯黃,每個材料品種超過5%的植株出現(xiàn)整株“暫時枯死”,作為第2次干旱脅迫終點。
分別在第1次干旱處理結(jié)束、第2次干旱處理結(jié)束時,每個處理選取代表性植株進行取樣和測定。
1.3.1 株高、干物質(zhì)量和根系形態(tài)指標 每盤取30株秧苗,用直尺測定株高,將秧苗分為地上部和根系于105℃殺青30 min,80℃烘干至恒重,稱重計算地上部和根系干重,并計算根冠比;根系流水洗凈后采用Epson Expression 1000xl根系掃描儀,輔以WinRHIZO軟件,測量根系總長、總體積、總表面積和平均直徑。
1.3.2 葉片SPAD值和色素含量 每盤選取30株秧苗,用SPAD-502型葉綠素測定儀,測定SPAD值。然后剪取頂部第一展葉,混合后稱取0.1 g,加入10 ml提取液(乙醇∶丙酮=1∶1),浸提24 h后用分光光度法測定葉綠素a(Chlorophyll a)、葉綠素b(Chlorophyll b)、類胡蘿卜素(Carotenoid)含量。
1.3.3 葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗氧化物質(zhì) 各處理均選取秧苗頂部第1展葉測定。可溶性糖含量、游離氨基酸含量、脯氨酸(Proline, Pro)含量、丙二醛(MDA)含量、還原型谷胱甘肽(GSH)含量、可溶性蛋白含量采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司試劑盒以微量法測定,Vc含量采用上海源葉生物科技有限公司ELISA試劑盒測定,重復3次。
1.3.4 葉片激素含量測定 各處理選取秧苗頂部第1展葉,采用上海源葉生物科技有限公司的ELISA試劑盒測定生長素(IAA)、脫落酸(ABA)、細胞分裂素(CTK)、赤霉素(GA)和乙烯(ETH)含量,重復3次。
1.3.5 葉片酶活性測定 各處理均選取秧苗頂部第1展葉測定。采用上海源葉生物科技有限公司ELISA檢測試劑盒測定1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(Pyrroline 5 carboxylate synthetase, P5CS)、鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶(Ornithine δ-aminotransferase, δ-OAT)、脯氨酸脫氫酶(Proline dehydrogenase, ProDH),采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司試劑盒以微量法測定超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性,均重復3次。
用Microsoft Office Excel 2013和DPS 14.50進行數(shù)據(jù)整理、運算和分析,用最小顯著差法LSD(P<0.05)檢驗,采用Orgin9.1作圖。
反復干旱存活率(%)=(第1次干旱后的存活率+第2次干旱后存活率)/2
相關(guān)性分析、回歸分析采用指標相對值進行分析,計算方法:
指標相對值=干旱脅迫處理指標測定值/正常水分處理指標測定值
從表2可得,第1次干旱脅迫后,6份供試材料平均株高比對照略有增加,兩次干旱脅迫后株高與CK均無顯著差異。兩次干旱脅迫均顯著降低了水稻地上部干重,第2次干旱脅迫后降低幅度更大;兩次干旱脅迫均顯著提高了水稻根系干重和根冠比,第2次干旱脅迫后增加幅度更大。從供試材料來說, C3、C4、C6的地上部干重在第1次干旱脅迫后表現(xiàn)增長,在第2次干旱脅迫后降低幅度較其他材料小,C4、C5、C6的根系干重在兩次干旱脅迫后增幅均排前三名,C1、C5、C6根冠比在兩次干旱脅迫后增幅均為前三名。綜上,干旱脅迫后秧苗地上部干物質(zhì)降低,而根系干重顯著增加,根冠比提高,這是水稻苗期適應干旱環(huán)境的重要途徑。
表2 干旱脅迫對川香29B近等基因?qū)胂得缙谥旮?、干物質(zhì)積累量及根冠比的影響Table 2 Effects of drought stress on plant height, dry matter accumulation and root-shoot ratio of Chuanxiang 29B NIILs at seedling stage
從表3可得,平均總根長在第1次干旱脅迫后顯著增長,在第2次干旱脅迫后顯著降低,根表面積、根粗、根體積在兩次干旱脅迫后均顯著降低,表明相對較輕的干旱處理(第1次干旱脅迫)促進了總根長的伸長,但對其他根系指標均為抑制作用,較重的干旱脅迫(第2次干旱脅迫)則對根系完全表現(xiàn)為抑制效應,但抑制效應存在材料差異。C1、C2、C6的總根長兩次干旱脅迫下均表現(xiàn)為增長,第1次干旱脅迫后增長幅度更高,同時這3份材料的根表面積在第1次干旱脅迫后增長,增幅為8.41%~31.44%;6份供試材料的根粗、根體積在兩次干旱脅迫后均表現(xiàn)減小。說明干旱脅迫下,水稻根粗、根體積均受抑,通過總根長和根表面積增大而適應干旱環(huán)境,但不同材料間適應能力不同。
表3 干旱脅迫對川香29B近等基因?qū)胂蹈敌螒B(tài)指標的影響Table 3 Effects of drought stress on root morphological indicators of Chuanxiang 29B NIILs
從表4可得,兩次干旱脅迫下水稻幼苗葉片SPAD值、葉綠素a含量、葉綠素b含量平均值均顯著降低,第1次干旱脅迫后類胡蘿卜素含量顯著降低,而第2次干旱脅迫后類胡蘿卜素含量顯著提高。從供試材料來說,6份供試材料的葉片SPAD值、葉綠素a含量、葉綠素b含量在兩次干旱脅迫后均表現(xiàn)降低,表現(xiàn)出明顯的抑制效應;C2的類胡蘿卜素含量在兩次干旱脅迫后均表現(xiàn)增長,C3的類胡蘿卜素含量在第1次干旱脅迫后增長,在第2次干旱脅迫后減少,C4、C5、C6則正好相反。說明干旱脅迫降低葉片SPAD值、葉綠素a含量、葉綠素b含量,導致干物質(zhì)合成減弱而抑制幼苗生長。
表4 干旱脅迫對川香29B近等基因?qū)胂等~片SPAD值和色素含量的影響Table 4 Effects of drought stress on SPAD value and pigment content in leaves of Chuanxiang 29B NIILs
從表5可得,兩次干旱脅迫下,水稻幼苗可溶性糖、氨基酸平均值均表現(xiàn)降低,第1次干旱脅迫后降幅大于第2次干旱脅迫;可溶性蛋白含量、脯氨酸含量平均值均表現(xiàn)增長,第1次干旱脅迫后差異均達顯著水平;還原型谷胱甘肽含量第1次干旱脅迫后顯著提高,在第2次干旱脅迫后顯著降低;Vc含量在兩次干旱脅迫后均顯著降低,第2次干旱脅迫降幅更大;丙二醛含量在兩次干旱脅迫后均顯著提高,第1次干旱脅迫增幅更大。
從表6可得,干旱脅迫下,生長素、細胞分裂素、赤霉素均表現(xiàn)降低,其中赤霉素兩次干旱脅迫后均顯著降低,脫落酸、乙烯均表現(xiàn)為顯著升高,5個指標在第2次干旱脅迫后差異均達顯著水平。從供試材料來說,6份材料的生長素、細胞分裂素、赤霉素在兩次干旱脅迫后均表現(xiàn)降低,而脫落酸、乙烯在兩次干旱脅迫后均表現(xiàn)為增加。
從表7可得,干旱脅迫均顯著提高了水稻幼苗葉片中各類保護性酶活性,其中CAT、SOD、POD在第1次干旱脅迫后增幅高于第2次干旱脅迫,而吡咯碄-5-羧酸合成酶、鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶、脯氨酸脫氫酶則是第2次干旱脅迫后增幅高于第1次干旱脅迫。所有供試材料的6個保護性酶活性在兩次干旱脅迫后均表現(xiàn)為增長。說明干旱脅迫下,幼苗葉片保護性酶活性提高,以此抵御環(huán)境的不利影響。
表7 干旱脅迫對川香29B近等基因?qū)胂等~片保護性酶活性的影響Table 7 Effects of drought stress on the activities of protective enzymes in Chuanxiang 29B NIILs leaves
從圖1可以看出,參試材料經(jīng)干旱脅迫后,存活率均存在不同幅度下降,兩次干旱脅迫后各材料存活率排序較為一致。第1次干旱脅迫后,6份材料干旱存活率在74.88%~90.86%之間,C1干旱存活率顯著高于其他5份材料,C2、C5、C6干旱存活率居中;第2次干旱存活率在66.34%~82.86%之間,C1干旱存活率最高,C2、C5、C6干旱存活率居中,C3、C4干旱存活率顯著低于前述4份材料;對于反復干旱存活率,C1反復干旱存活率顯著高于其他5份材料,C3、C4反復存活率顯著低于其他4份材料。據(jù)此可得,C1抗旱性最強, C3、C4抗旱性最弱,C2、C5和C6抗旱性中等。
注:不同小寫字母表示同一指標不同材料間的差異顯著(P<0.05)。Note: The different lowercase letters indicate significant differences among different materials within the same index (P<0.05). 圖1 干旱脅迫對川香29B近等基因?qū)胂涤酌绺珊荡婊盥实挠绊慒ig.1 Effects of drought stress on drought survival rate of Chuanxiang 29B NIILs seedlings
從表8可知,水稻苗期反復干旱存活率與第1次干旱脅迫后葉片中游離氨基酸含量、脫落酸含量的相對值呈顯著正相關(guān)關(guān)系;與第2次干旱脅迫根表面積的相對值呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與根粗、過氧化物酶、葉片可溶性糖含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系。
表8 苗期生理形態(tài)指標相對值與反復干旱存活率的相關(guān)系數(shù)Table 8 Correlation coefficient between the relative values of physiological morphological indicators and repeated drought survival rate at seedling stage
以反復干旱存活率作為因變量,第2次干旱脅迫后指標的相對值作自變量,通過逐步回歸分析,得回歸方程:
Y=98.90-6.82X1+20.20X2+7.08X3-33.80X4
式中,X1、X2、X3、X4分別代表第2次干旱脅迫后總根長、根表面積、葉片中GSH和POD酶活性的相對值,方程決定系數(shù)R2=0.999,F(xiàn)=794.53**,達極顯著。利用回歸方程對觀察值進行擬合計算,擬合相對誤差在0.003%~0.019%之間??捎眠@4項指標作為反復干旱后預測水稻早期抗旱性的指標。
干旱脅迫信號傳遞到水稻根系,首先引發(fā)根系變化,相關(guān)抗旱基因開始表達[21-22],同時信號進一步向地上部分傳遞,進而調(diào)控地上部光合生產(chǎn)、物質(zhì)轉(zhuǎn)運、形態(tài)建成等生理生化過程,進而影響產(chǎn)量形成。根系是植株吸收水分的重要器官,根系健壯發(fā)達可提高植株吸水能力,減輕干旱脅迫效應,因此根系發(fā)達程度常被作為抗旱鑒定指標。前人研究表明,根體積、總根長、最長根長、根干重、根冠比、根系相對含水量等根系相關(guān)指標可作為抗旱性鑒定的指標[23-25]。本研究中,水稻苗期兩次干旱脅迫后,供試材料根系干重、根冠比均比對照增加,在第1次干旱脅迫后,抗旱性較強的品種C1、C2和C6總根長、根表面積比對照增加,在第2次干旱脅迫后,C1、C6總根長、根表面積呈增加趨勢,表明根系變長、面積擴大是水稻早期適應干旱環(huán)境的重要形態(tài)變化。相關(guān)分析表明,第2次干旱脅迫后根表面積相對值與反復干旱存活率顯著正相關(guān),逐步回歸分析中第2次干旱脅迫后總根長、根表面積納入預測方程。綜上可得,根表面積、總根長可以作為鑒定水稻抗旱性的形態(tài)指標。
干旱脅迫降低植株的葉綠素含量,但類胡蘿卜素含量隨時間呈增加趨勢[26],本研究中C2、C4、C6在第2次干旱脅迫后類胡蘿卜素含量高于對照,與前人研究結(jié)果一致。在干旱脅迫下,植株可溶性蛋白質(zhì)、游離氨基酸、可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)增加[27],AsA、GSH等抗氧化物質(zhì)含量提高[6],SOD、CAT、POD等保護性酶活性上調(diào)[28-29],并通過植物激素類調(diào)節(jié)抗旱性[30-32],這些物質(zhì)變化一定程度上反映了植株應對干旱脅迫的能力。前人研究得出可溶性蛋白質(zhì)、FAA、AsA、GSH和MDA含量及POD、SOD、CAT活性的相對值與反復干旱存活率呈顯著或極顯著的相關(guān)性,可作為水稻苗期抗旱性鑒定的生理生化指標[6, 33]。本研究結(jié)果表明,干旱脅迫導致水稻葉片SPAD值降低,葉綠素a和葉綠素b含量顯著減少,幼苗葉片可溶性糖、氨基酸和Vc含量顯著下降,可溶性蛋白質(zhì)、脯氨酸和MDA含量明顯上升,第1次干旱脅迫后GSH含量增加,第2次干旱脅迫后GSH含量降低,生長素、細胞分裂素、赤霉素兩次干旱脅迫下均降低,脫落酸、乙烯均表現(xiàn)升高,SOD、POD、CAT、吡咯碄-5-羧酸合成酶、鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶、脯氨酸脫氫酶兩次干旱脅迫后均升高,表明干旱脅迫下水稻幼苗在滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、氧化還原物質(zhì)上產(chǎn)生了相應變化,并在激素、保護性酶的作用下進行調(diào)節(jié)以抵御不良環(huán)境因子。經(jīng)過回歸分析,葉片中GSH和POD的相對值進入回歸方程,作為反復干旱后預測水稻早期抗旱性的指標。
苗期采用反復干旱法進行干旱脅迫可以鑒定作物的抗旱性[34],操作簡便、直觀快速,得到了大量應用。本研究采用反復干旱存活率評價,得出供試材料抗旱性強弱排序為:C1>C5>C6>C2>C4>C3,這個結(jié)果與全生育期評價結(jié)果并不一致,王興榮等[35]對大豆種質(zhì)資源研究得出苗期和全生育期抗旱性呈不顯著負相關(guān),這與本研究結(jié)果類似,與小麥抗旱性的研究結(jié)果[36]相似。不同時期的評價結(jié)果不一致,可能是由于植株處于營養(yǎng)生長、生殖生長的不同階段其生長發(fā)育的中心活動并不相同,苗期重在保持存活和植株生長,成熟期則在產(chǎn)量形成,其受干旱影響的后果并不相同,不同時期干旱脅迫下用于評價的指標也并不盡相同,由此造成評價結(jié)果的差異。同時,作物抗旱性是遺傳與環(huán)境互作而決定的多基因性狀,同時通過對評價抗旱性所采用的形態(tài)學性狀、產(chǎn)量和產(chǎn)量相關(guān)性狀以及根部性狀的遺傳分析表明,這些性狀屬于多基因控制的復雜性狀,具有顯著的加性、顯性及上位性遺傳效應,并與環(huán)境互作作用顯著[37],這進一步增加了評價工作的復雜性。潘雅姣等[38]通過研究對水稻材料在苗期和分蘗期進行干旱脅迫前后DNA甲基化情況,得出干旱脅迫會引起水稻DNA甲基化水平及狀態(tài)發(fā)生改變,且這種改變具有一定品種特異性和時空特異性,同一材料在不同時期下都會存在差異。因此,水稻抗旱性決定機制復雜,不同生育時期間、不同環(huán)境條件下都存在差異,而苗期與全生育期存在的差異原因有待于更深一步研究,明確其不同生育期干旱下的內(nèi)在聯(lián)系,以便更準確地開展抗旱性鑒定。
1)反復干旱存活率可以直觀、快速地鑒定水稻苗期抗旱性,可作為苗期抗旱鑒定首要指標。通過反復干旱法進行苗期脅迫,以反復干旱存活率評價,苗期川香29B/ASOMINORI//川香29B///川香29B(C1)抗旱性最強。
2)通過相關(guān)分析和回歸分析表明,根表面積、總根長、根粗可作為水稻苗期抗旱鑒定的形態(tài)指標,葉片中GSH含量和POD活性的相對值等可作為鑒定水稻苗期抗旱性的生理生化指標。
干旱對糧食作物生產(chǎn)帶來的巨大影響難以忽視,必須總結(jié)形成相應的問題化解方案,近年來在抗旱品種選育、抗旱基因資源挖掘、抗旱生理生化機制等方面開展了很多研究,育成抗旱品種是應對干旱因子的重要手段,如何科學、準確、統(tǒng)一地鑒定評價品種、材料的抗旱性,從而對不同作物材料、品種等形成標準化的抗旱鑒定結(jié)果以便于橫向比較,是十分必要的,這有待更全面深入研究。