赤霉素對雜交水稻保持系金23B與V20B種子及穗發(fā)芽生理特性的影響

周述波， 賀立紅， 賀立靜， 林 偉

(1.海南熱帶海洋學(xué)院生物科學(xué)與農(nóng)學(xué)院，海南三亞 572022； 2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510225)

水稻占我國糧食總產(chǎn)量的40%，雜交水稻為我國糧食生產(chǎn)作出了重要貢獻(xiàn)。近年來，隨著育種工作者對新品種選育的加快，雜交水稻在制種與育種過程中，尤其在南方，常遇到高溫及長期陰雨天氣，水稻穗經(jīng)常在田間萌芽，造成種子產(chǎn)量降低，品質(zhì)下降，危害較大，年均稻穗萌芽率為2%～5%，特殊年份有時(shí)高達(dá)60%以上[1-2]。眾多研究者認(rèn)為，此現(xiàn)象可能歸因于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大量施用植物生長調(diào)節(jié)劑赤霉素，為確保父母本花期相遇，提高雜交制種與育種過程中種子產(chǎn)量，過量使用赤霉素引起田間稻穗種子萌發(fā)現(xiàn)象愈發(fā)普遍，這與赤霉素打破種子休眠有關(guān)[3]，而赤霉素對離體種子與大田稻穗種子萌芽的生理影響有差異，在離體種子中以提高發(fā)芽率的研究較多，在稻穗發(fā)芽上，廖泳祥等的研究主要集中在水稻自身穗發(fā)芽的生理過程中，認(rèn)為稻穗發(fā)芽既有種子萌發(fā)的特征，又與離體種子有差異，因?yàn)榇筇锏舅肷L過程更為復(fù)雜，是光合產(chǎn)物的積累與分解交錯(cuò)的過程[4]。而關(guān)于外源赤霉素引發(fā)的稻穗發(fā)芽生理原因的研究很少，為探索赤霉素對種子與稻穗發(fā)芽間的生理差異，本研究通過選取有發(fā)芽差異的2個(gè)親本材料V20B與金23B進(jìn)行探索，以期為將來選出田間稻穗不易萌芽的優(yōu)良親本提供理論參考，為研究顯著抑制稻穗萌芽的植物生長調(diào)節(jié)劑提供應(yīng)用依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料金23B和V20B親本由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻科學(xué)研究所提供，2份材料在田間稻穗種子萌芽差異顯著且生育期接近，前者稻穗不易萌芽，后者稻穗易萌芽。赤霉素(GA3，85%)由湖南亞華種業(yè)股份有限公司生物藥廠生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 室內(nèi)種子培養(yǎng) 選取大小一致且充實(shí)飽滿的金23B與V20B種子，用濃度為3%的次氯酸鈉消毒15 min后，用蒸餾水沖洗5次，在25 ℃條件下，分別用蒸餾水與110 mg/L(篩選出的濃度)赤霉素于暗處浸種24 h，然后用蒸餾水將種子沖洗干凈，每個(gè)處理作3 次重復(fù)。分別取用蒸餾水和赤霉素處理的種子各50粒，置于墊有濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中，在人工氣候光照培養(yǎng)箱(RQX-350，鄭州生元儀器有限生產(chǎn))中培養(yǎng)，溫度(30±1) ℃、相對濕度(85±5)%、光照度 93.6 μmol/(m2·s)、光照時(shí)間12 h，于培養(yǎng)0、24、48 h時(shí)計(jì)算發(fā)芽勢，發(fā)芽以胚根突破種皮露白作為標(biāo)準(zhǔn)，分別取樣后進(jìn)行發(fā)芽勢、α-淀粉酶活性、可溶性糖與可溶性蛋白含量等生理指標(biāo)的測定。

1.2.2 大田稻穗培養(yǎng)與處理 2015年4月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻科學(xué)研究所試驗(yàn)基地稻田進(jìn)行試驗(yàn)，小區(qū)面積7.52 m2，每小區(qū)種植稻苗225穴，種植密度為20.0 cm×16.7 cm。每小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列，作3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，與大田生產(chǎn)管理相同。

2015年6月，于始穗期選取整齊一致的稻穗350個(gè)并掛牌標(biāo)記，待齊穗后的第7天，用濃度為110 mg/L的赤霉素隨機(jī)區(qū)組噴施水稻，每小區(qū)噴赤霉素250 mL，以確保稻穗濕潤，同時(shí)有水珠滴下，用噴蒸餾水的稻穗作對照(CK)。

齊穗后27 d，隨機(jī)選取處理后各小區(qū)長勢一致，且籽粒飽滿、稻穗較多的田間水稻盆栽移植于人工氣候光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，溫度(30±1) ℃，相對濕度(90±5)%，光照度 93.6 μmol/(m2·s)，光照時(shí)間12 h，為讓水稻模擬處于陰雨環(huán)境中，每天共補(bǔ)噴750 mL清水，每次250 mL，分早、中、晚共3次噴灑，于培養(yǎng)24、48、72 h時(shí)計(jì)算發(fā)芽勢并分別檢測稻穗種子萌芽過程中生理生化的變化。

1.2.3 指標(biāo)測定 材料取樣選取人工氣候箱中各處理小區(qū)的盆栽稻穗8穗，去除病粒與秕粒，然后將籽粒混合，部分籽粒于液氮中冷凍30 s后進(jìn)行冷凍干燥，于-70 ℃超低溫冰箱中保存，用于稻穗種子萌芽發(fā)生的相關(guān)生理生化指標(biāo)測定；另一部分籽粒立即進(jìn)行酶活性測定

可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍(lán)法[5]；α-淀粉酶活性測定采用3，5-二硝基水楊酸法[6]；可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法[6]。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 19.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 赤霉素對金23B和V20B種子和田間稻穗種子發(fā)芽勢的影響

由表1、表2可知，赤霉素處理顯著提高了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)種子的發(fā)芽勢，處理水稻稻苗后，同樣提高了稻穗種子的發(fā)芽勢，表明赤霉素通過打破休眠提高了離體種子與大田稻穗種子的發(fā)芽勢。這與目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上制育種過程中為提高母本柱頭外露率達(dá)到花期相遇，在苗期噴施赤霉素打破包頸以提高雜交育種的制種產(chǎn)量，在陰雨天氣，殘留于稻穗種子內(nèi)的赤霉素可誘發(fā)田間稻穗種子萌芽的現(xiàn)象一致。

表1 赤霉素對金23B和V20B種子發(fā)芽勢的影響

注：*表示與對照相比在0.05水平上差異顯著。表2同。

表2 赤霉素對金23B和V20B稻穗種子發(fā)芽勢的影響

2.2 赤霉素對金23B和V20B種子和田間稻穗種子α-淀粉酶活性的影響

由圖1、圖2可知，實(shí)驗(yàn)室與大田2個(gè)不同階段同對照相比均提高了2個(gè)品種種子內(nèi)α-淀粉酶活性，與趙玉錦等研究水稻種子萌發(fā)過程中赤霉素有誘導(dǎo)α-淀粉酶活性、促進(jìn)種子萌發(fā)的結(jié)論[7]一致。在種子萌發(fā)浸種的24 h(培養(yǎng) 0 h)、培養(yǎng)24 h與大田培養(yǎng)24、48 h相比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)種子萌發(fā)處理比大田培養(yǎng)中α-淀粉酶活性要高，同時(shí)種子的發(fā)芽率也是前者高于后者，表明種子的萌發(fā)與α-淀粉酶活性呈正相關(guān)，與前人研究結(jié)論[7]一致。但是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)種子萌發(fā)培養(yǎng)的48 h與大田培養(yǎng)的72 h相比，α-淀粉酶活性在2個(gè)品種中前者基本上低于后者，而發(fā)芽率前者高于后者，可知離體種子萌發(fā)過程與水稻在田間稻穗萌芽過程不是由α-淀粉酶活性單因素控制的，而是隨著種子萌發(fā)生長，其機(jī)制變?yōu)橐粋€(gè)相對更為復(fù)雜的過程。在早期48 h內(nèi)，用赤霉素處理種子，對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)促進(jìn)離體種子發(fā)芽的效果比大田培育整株植株的效果要好。

2.3 赤霉素對金23B和V20B種子和田間稻穗種子可溶性糖含量變化的影響

由圖3、圖4可知，用赤霉素處理后，在實(shí)驗(yàn)室與大田2個(gè)不同階段，均提高了2個(gè)品種種子內(nèi)可溶性糖的含量，且2個(gè)材料品種在2個(gè)階段其可溶性糖含量變化規(guī)律相同，均呈現(xiàn)出先升后降的變化趨勢，2個(gè)品種實(shí)驗(yàn)室種子萌發(fā)可溶性糖含量高于大田稻穗萌芽的相應(yīng)含量，這與種子發(fā)芽率一致，可溶性糖含量越高，越易促進(jìn)發(fā)芽，與楊浚等認(rèn)為可溶性糖含量較高更易導(dǎo)致稻穗萌芽的結(jié)論[8]相吻合，但不同品種間，處理后的V20B種子中可溶性糖含量反而比金23B低，這可能與金23B在種子萌芽時(shí)需要提供更多的能源物質(zhì)滿足發(fā)芽的生理代謝有關(guān)。

2.4 赤霉素對金23B和V20B種子和田間稻穗種子可溶性蛋白含量的影響

由圖5、圖6可知，用赤霉素處理后，在實(shí)驗(yàn)室離體種子萌發(fā)過程中，增加了金23B中可溶性蛋白含量，減少了V20B中可溶性蛋白含量。在大田稻穗形成過程中，金23B可溶性蛋白含量雖然變化規(guī)律與對照相同，對可溶性蛋白含量的影響呈現(xiàn)出先升再降的變化規(guī)律，而對照可溶性蛋白含量在 48 h 低于處理組。V20B對照可溶性蛋白含量變化規(guī)律是先升后降，而處理后的V20B變?yōu)橄冉岛笊囊?guī)律，即對可溶性蛋白含量的影響先促進(jìn)再降低。可知種子萌發(fā)與可溶性蛋白含量在不同品種間、同一品種不同階段，其變化規(guī)律不是簡單的相關(guān)，而是一個(gè)相對更為復(fù)雜的過程。

3 結(jié)論與討論

赤霉素的生理作用有促進(jìn)種子萌發(fā)、打破休眠、誘導(dǎo) α-淀粉酶的合成等[9-12]，本試驗(yàn)用濃度為110 mg/L的外源赤霉素處理離體種子與大田稻苗，促進(jìn)了種子的發(fā)芽與提高了大田稻穗種子的萌芽率，印證了目前雜交水稻在大田制育種過程中為解除不育系包頸，以提高母本柱頭外露率，大量施用赤霉素，達(dá)到母本與父本花期相遇而提高制育種過程中種子產(chǎn)量，殘留于種子中的赤霉素，遇陰雨天氣時(shí)引起田間稻穗發(fā)生萌芽的現(xiàn)象相吻合[13]。

外源赤霉素處理促進(jìn)離體種子與大田稻穗的萌發(fā)主要是通過改變種子內(nèi)生理特性。研究發(fā)現(xiàn)，在大田栽培與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)2個(gè)不同階段，處理同對照相比，促進(jìn)了種子內(nèi)α-淀粉酶活性，為胚乳中更多的淀粉在α-淀粉酶的作用下分解為更多的可溶性糖類物質(zhì)，以滿足胚生長發(fā)育，與相關(guān)研究提出的赤霉素有促進(jìn)種子內(nèi)α-淀粉酶活性的提高、加快種子的代謝，從而提高種子發(fā)芽率結(jié)論[14-17]相一致。

2個(gè)品種在不同時(shí)期，處理與對照比較，明顯促進(jìn)了種子內(nèi)可溶性糖含量，且其含量越高，越有利于種子的萌芽，故可溶性糖是直接影響種子萌發(fā)的最主要因素，楊浚等認(rèn)為可溶性糖含量可以作為穗發(fā)芽抗性選擇的一個(gè)指標(biāo)[18]，朱美榮等認(rèn)為小麥穗萌的生理特點(diǎn)主要?dú)w因于籽粒內(nèi)部長時(shí)間較高濃度的可溶性糖、α-淀粉酶、多酚氧化酶等的存在[18]。但是不同品種間，水稻易穗萌的V20B品種受赤霉素處理后可溶性糖含量反而低于金23B，其原因還有待進(jìn)一步研究。

可溶性蛋白含量處理與對照比較，同一品種在不同階段，2個(gè)不同品種，其變化規(guī)律不是呈簡單的相關(guān)，而其生理變化過程更為復(fù)雜，受多因素同時(shí)影響。

外源赤霉素處理種子與稻穗苗都具有促進(jìn)種子萌發(fā)的作用，但對兩者產(chǎn)生的生理影響卻有一定的差異，對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)離體種子的萌發(fā)產(chǎn)生的效果比大田稻穗促進(jìn)萌發(fā)的效果要好，由于種子萌芽過程相對較為簡單，是由靜態(tài)向活躍態(tài)轉(zhuǎn)變的一個(gè)過程，而田間稻穗種子的萌芽，除有種子萌芽的生理規(guī)律，還受稻株母體自身的生理代謝與調(diào)控影響，是有機(jī)物質(zhì)向種子中不斷轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)又不斷對貯藏有機(jī)物質(zhì)消耗的過程，是一個(gè)由動(dòng)態(tài)向動(dòng)態(tài)變化的過程。田間稻穗萌芽率低于離體種子的萌發(fā)率可能還與稻穗種子田間穎殼有發(fā)芽抑制物、自身胚未完成后熟、穗部結(jié)構(gòu)[19]等均有關(guān)，有時(shí)環(huán)境中的濕度與晝夜溫度的變化[20]等多因素都會對稻穗的萌芽產(chǎn)生影響，田間稻穗的萌發(fā)雖然比種子萌發(fā)過程要復(fù)雜得多，但是雜交制育種過程中使用外源赤霉素是引起田間稻穗萌發(fā)的主要因素之一。

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