不同屬性特征基質(zhì)對早稻秧苗耐低溫的影響

朱春權(quán) 徐青山 曹小闖 朱練峰 孔亞麗 金千瑜 張均華

不同屬性特征基質(zhì)對早稻秧苗耐低溫的影響

朱春權(quán)#徐青山#曹小闖 朱練峰 孔亞麗 金千瑜 張均華*

(中國水稻研究所 水稻生物學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，杭州 310006；#共同第一作者；*通信聯(lián)系人，E-mail: zhangjunhua@caas.cn)

【目的】早稻育秧過程中易遭受低溫冷害，引起水稻減產(chǎn)。因此，有必要研究不同類型的基質(zhì)對早稻秧苗耐低溫的影響?！痉椒ā恳运咎镒匀槐韺油翞閷φ?，采用兩種代表性基質(zhì)(無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì))培育早稻秧苗，在水稻出芽6 d后進(jìn)行不同低溫處理，3 d后測定水稻的基本理化性質(zhì)指標(biāo)和基因表達(dá)，明確不同基質(zhì)對早稻秧苗耐低溫脅迫的調(diào)節(jié)作用?！窘Y(jié)果】1）無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)容重均顯著低于對照，電導(dǎo)率、通氣孔隙、堿解氮、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量顯著高于對照；發(fā)酵基質(zhì)育成的秧苗其根長、百株地上部干質(zhì)量和百株根部干質(zhì)量均顯著高于對照，無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)育成的秧苗根系和地上部的氮、磷、鉀養(yǎng)分含量顯著高于對照。2）隨著溫度的降低，水稻秧苗的生長和養(yǎng)分吸收均受到抑制。低溫對發(fā)酵基質(zhì)上生長的秧苗抑制作用較弱，無土基質(zhì)次之，對照受抑制較強(qiáng)。3）在低溫條件下(白天8℃/晚上4℃)，無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)中育成的秧苗丙二醛含量顯著低于對照，說明在寒冷條件下的細(xì)胞氧化損傷較少。其中，無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)育成的秧苗超氧化物歧化酶、過氧化氫酶活性，脯氨酸含量和可溶性蛋白含量均高于對照，發(fā)酵基質(zhì)育成的秧苗過氧化物酶活性高于對照，無土基質(zhì)育成的秧苗谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶活性高于對照。同時，無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)育成的秧苗、、和四個基因表達(dá)水平均顯著高于對照，提高了水稻耐低溫能力?！窘Y(jié)論】以上結(jié)果表明，無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)通過調(diào)控水稻秧苗的生理生化反應(yīng)和相關(guān)基因表達(dá)，提高秧苗耐低溫脅迫能力。

基質(zhì)；水稻；低溫脅迫；理化性質(zhì)；抗氧化酶；基因表達(dá)

水稻在糧食生產(chǎn)中占有重要地位，是全世界主要糧食作物之一[1]。在溫帶和高海拔地區(qū)，低溫脅迫是水稻生產(chǎn)中的重要障礙因素。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年約有0.15億hm2的水稻生產(chǎn)遭受低溫脅迫，因低溫冷害引起的稻谷損失約在30億～50億kg[2]。在旱育苗床上，持續(xù)低溫陰雨導(dǎo)致的立枯死苗，特別是雙季早稻旱育秧死苗已成為育秧過程中的一種毀滅性病害[3]。我國每年約有478.7萬hm2早稻[4]，如何有效減輕低溫脅迫對早稻生產(chǎn)的影響，尤其是育秧階段對秧苗的損傷，對提高早稻產(chǎn)量至關(guān)重要。

早稻生產(chǎn)中秧苗的耐冷性直接影響水稻成苗和稻谷產(chǎn)量。提高水稻苗期的耐低溫脅迫能力不僅提高水稻的成苗率，還進(jìn)一步提高水稻分蘗期和孕穗期的耐低溫脅迫能力，從而最終穩(wěn)定稻谷產(chǎn)量[5]。水稻在苗期遭受低溫脅迫后，根、莖、葉的生長顯著受抑，分蘗數(shù)降低，分蘗時間和抽穗時間延遲，而通過外源調(diào)控，比如添加外源鈣以后，可以顯著提高水稻苗期耐低溫脅迫能力，從而使遭受低溫脅迫的水稻秧苗生育期恢復(fù)正常，穗抽出度良好，最終提高冷害脅迫后水稻的產(chǎn)量[5-6]。水稻植株內(nèi)多種激素和信號分子參與抵抗低溫脅迫，比如ABA和油菜素內(nèi)酯。外源噴施ABA顯著提高水稻幼苗在低溫脅迫下的生物量和根系活力[7]，外源噴施2,4-表油菜素內(nèi)酯顯著提高水稻種子在低溫條件下的萌發(fā)率，降低水稻根系的氧化損傷[8]。水稻耐低溫脅迫受遺傳控制，但是屬于多基因還是單基因控制還未有定論。目前已發(fā)現(xiàn)37個與水稻耐冷相關(guān)的QTL和21個涉及水稻耐冷的基因[9]。比如過表達(dá)()基因顯著提高水稻脯氨酸含量和水稻的耐冷脅迫能力[10]。

不同屬性的基質(zhì)顯著影響水稻秧苗的生長。比如，不同生物炭和秸稈含量的基質(zhì)培養(yǎng)的水稻秧苗莖粗、根長、植株干質(zhì)量等存在顯著差異，合適的配比下(40%秸稈+20%生物炭)水稻秧苗綜合素質(zhì)最好[11]。添加淀粉芽孢桿菌的基質(zhì)中生長的水稻秧苗素質(zhì)顯著高于添加其余根際促生菌的基質(zhì)[12]。用不同基質(zhì)培養(yǎng)的秧苗移入大田測產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)，不同基質(zhì)培育的水稻秧苗產(chǎn)量存在顯著差異，分別為草炭土＞淤泥＞營養(yǎng)土[13]。隨著水稻全程機(jī)械化發(fā)展，水稻機(jī)械化育插秧已成為我國水稻現(xiàn)代農(nóng)藝生產(chǎn)一個重要環(huán)節(jié)[14-15]。設(shè)計生產(chǎn)用土少，甚至不用土的水稻育秧基質(zhì)成為當(dāng)前機(jī)插育秧中的熱點(diǎn)[16]。前人雖然已經(jīng)研究了不同基質(zhì)配比對寒地水稻秧苗素質(zhì)的影響[17]，但是并未研究不同的基質(zhì)配比對南方早稻秧苗耐低溫冷害的調(diào)節(jié)作用。本研究擬以自主設(shè)計的兩款育秧基質(zhì)作為實驗對象，以水稻田表層土作為對照，研究不同屬性的基質(zhì)對秧苗耐低溫能力的影響，從而解決早稻機(jī)插育秧過程中倒春寒等低溫脅迫對秧苗造成的傷害，最終提高早稻產(chǎn)量。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

供試材料“中早39”為秈型常規(guī)水稻品種，由中國水稻研究所育成。該品種于長江中下游作雙季早稻種植，全生育期112.2 d。

本研究所用秧盤為7寸秧盤，育秧基質(zhì)分別為自己研制的無土基質(zhì)、發(fā)酵基質(zhì)和稻田土。其中無土基質(zhì)以農(nóng)作物秸稈為主要原料，添加不同比例的生物質(zhì)材料、營養(yǎng)元素、保水劑、促根劑等制成。發(fā)酵基質(zhì)以水洗草炭為原料，利用微生物發(fā)酵以后，添加不同的生物質(zhì)材料、營養(yǎng)元素、保水劑和促根劑等制成。水稻土取浙江杭州富陽中國水稻研究所試驗田表層0―20 cm土壤風(fēng)干研磨，過5 mm篩后使用。將水稻種子催芽至露白后，每個秧盤播種90 g谷芽，2020年4月30日播種后在中國水稻研究所溫室大棚中正常培養(yǎng)，發(fā)芽率無土基質(zhì)為65.57%，發(fā)酵基質(zhì)為69.87%，水稻土為60.25%。5月6日在培養(yǎng)箱中進(jìn)行不同溫度處理，至5月9日取苗測定不同指標(biāo)。試驗設(shè)4個生物學(xué)重復(fù)，每個處理重復(fù)3次。不同溫度試驗設(shè)計見表1。

1.2 基質(zhì)理化性質(zhì)測定

育秧基質(zhì)pH值采用梅特勒SG8便攜式pH計測定；基質(zhì)的電導(dǎo)率采用雷磁電導(dǎo)率儀測定；基質(zhì)含水量、容重、總孔隙度、通氣孔隙、持水孔隙、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷和速效鉀含量均參照常規(guī)方法測定[18-19]。

1.3 秧苗素質(zhì)和養(yǎng)分含量測定

處理后第3天(5月9日)選擇代表性秧苗4盤，每盤取代表性秧苗20株，測定秧苗葉齡、株高、根長、根數(shù)、莖基寬(距秧苗生根處1 cm)，每盤另取100株秧測定百株地上部干質(zhì)量、百株根質(zhì)量[20]。

處理后第3天選擇代表性秧苗4盤，分別收集水稻地上部鮮樣，用液氮研磨后保存至?80℃冰箱，用于后續(xù)測定水稻生理指標(biāo)。同時取水稻地上部和根部，烘干至恒重后研磨，利用濃硫酸和過氧化氫消煮后測定總氮、總磷和總鉀含量[19]。

1.4 水稻生理指標(biāo)的測定

可溶性蛋白含量的測定采用BCA法[21]；脯氨酸含量的測定采用茚三酮法[22]；MDA含量的測定采用硫代巴比妥酸法[23]；SOD酶活的測定采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法[24]；CAT酶活根據(jù)單位時間內(nèi)H2O2的消耗進(jìn)行測定[25]；POD酶活采用愈創(chuàng)木酚法進(jìn)行測定[26]；谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶根據(jù)單位時間內(nèi)還原型谷胱甘肽的減少量進(jìn)行測定[27]。

1.5 水稻耐冷基因表達(dá)測定

將水稻根系吸干水分后剪下，立即在液氮中研磨。利用TRizol法提取總RNA。在NanoDrop上測定RNA的含量，用瓊脂糖凝膠電泳法檢測RNA的完整性。運(yùn)用PrimeScript反轉(zhuǎn)錄試劑盒將RNA反轉(zhuǎn)成cDNA并用Sybgreen(TaKaRa，日本)進(jìn)行實時熒光定量PCR。文中目的基因和內(nèi)參基因的引物序列見參考文獻(xiàn)[10, 28-29]。

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 21.0.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析(單因素方差分析)，均數(shù)采用圖基(Tukey)檢驗統(tǒng)計學(xué)差異。圖表中不同字母表示處理間均值在< 0.05水平上有統(tǒng)計學(xué)差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 基質(zhì)理化性質(zhì)

基質(zhì)的速效養(yǎng)分含量決定了其對秧苗養(yǎng)分的供應(yīng)能力，影響秧苗生長速率。本研究中，無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)的速效養(yǎng)分含量均顯著高于對照，其中無土基質(zhì)的堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別高于對照1144.63%、72.78%和280.20%，發(fā)酵基質(zhì)的堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別比對照高440.39%、629.66%和718.86%。無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)的總氮和有機(jī)質(zhì)含量，發(fā)酵基質(zhì)的總磷含量均顯著高于對照(表2)。

表2 育秧基質(zhì)養(yǎng)分含量

基質(zhì)的理化性質(zhì)同樣決定水稻秧苗的長勢。本研究中的兩種基質(zhì)和對照的pH值都小于7.0，適宜水稻正常生長。電導(dǎo)率在一定范圍內(nèi)體現(xiàn)了基質(zhì)中養(yǎng)分含量。在本研究中，無土基質(zhì)的電導(dǎo)率為3.57 mS/cm，顯著高于發(fā)酵基質(zhì)的2.50 mS/cm和對照的0.13 mS/cm。容重代表一定體積的基質(zhì)的質(zhì)量，本研究中無土基質(zhì)的容重從小到大依次為無土基質(zhì)(0.29 g/cm3)、發(fā)酵基質(zhì)(0.61 g/cm3)和對照(0.92 g/cm3)。通氣孔隙代表基質(zhì)中的通氣程度，本研究中發(fā)酵基質(zhì)的通氣孔隙度最大(23.70%)，無土基質(zhì)次之(7.33%)，對照最小(6.13%)(表3)。

表3 育秧基質(zhì)理化性質(zhì)

2.2 秧苗生長和養(yǎng)分含量

在不同溫度處理3 d后，水稻的株高、根長、干物質(zhì)量以及莖基寬等指標(biāo)展現(xiàn)了不同的變化趨勢(表4)。在正常溫度下(白天18℃/晚上10℃)，無土基質(zhì)培育的水稻秧苗株高顯著高于發(fā)酵基質(zhì)和對照，分別高出5.82%和8.01%。發(fā)酵基質(zhì)培育的水稻秧苗根長分別較無土基質(zhì)和對照高54.67%與42.43%。無土基質(zhì)上生長的水稻百株地上部干質(zhì)量比發(fā)酵基質(zhì)和對照分別高15.56%和31.65%；發(fā)酵基質(zhì)培育的水稻秧苗，百株根系干質(zhì)量比無土基質(zhì)和對照分別高52.38%和18.52%。在本研究中，無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)培育的秧苗與對照的莖基寬無顯著差異(表4)。

表4 不同溫度處理對水稻根系和地上部生長特征的影響

處理代號與表1相同。

Treatment symbols are listed in Table 1.

隨著培養(yǎng)溫度降低，水稻秧苗除葉齡指標(biāo)外，其余各指標(biāo)值均顯著下降。在較低溫處理(白天13℃/晚上7℃)下，發(fā)酵基質(zhì)培育的水稻秧苗株高、根長、百株地上部干質(zhì)量、百株根部干質(zhì)量和莖基寬均顯著高于對照，分別高出8.65%、26.83%、3.22%、12.50%以及3.45%。在最低溫處理下(白天8℃/晚上4℃)，發(fā)酵基質(zhì)下生長的水稻株高、根長、百株地上部干質(zhì)量、百株根部干質(zhì)量和莖基寬分別高于對照17.79%、18.29%、5.66%、15.00%以及2.94%。無土基質(zhì)的地上部表現(xiàn)較好，株高和地上部百株質(zhì)量在最低溫條件下(白天8℃/晚上4℃)分別高于對照8.33%和11.32%，然而根系長度卻低于對照(表4)。

水稻秧苗養(yǎng)分含量測定結(jié)果表明，在正常溫度條件(白天18℃/晚上10℃)下，水稻地上部和根系的氮、磷、鉀含量與基質(zhì)中的速效養(yǎng)分含量呈顯著正相關(guān)(表6)。其中，無土基質(zhì)培養(yǎng)的水稻秧苗地上部和根系的氮含量最高(分別為47.93 g/kg和30.56 g/kg)，發(fā)酵基質(zhì)次之(分別為34.60 g/kg和16.89 g/kg)，對照最低(分別為29.09 g/kg和14.69 g/kg)。發(fā)酵基質(zhì)培育的水稻秧苗地上部和根系的磷含量顯著高于無土基質(zhì)和對照，分別高于無土基質(zhì)5.63%和17.84%，高于對照21.85%和45.20%。發(fā)酵基質(zhì)培育的秧苗地上部和根系的鉀含量同樣顯著高于無土基質(zhì)和對照，分別高于無土基質(zhì)36.51%和44.90%，高于對照31.46%和76.20%(表5)。

不同類型基質(zhì)培育的水稻秧苗，其植株氮、磷、鉀養(yǎng)分含量均隨著溫度的下降而下降，當(dāng)培養(yǎng)溫度從白天18℃/晚上10℃下降至白天8℃/晚上4℃后，養(yǎng)分含量均呈現(xiàn)顯著下降趨勢(對照組的根系磷含量除外)。但是不同類型基質(zhì)之間水稻秧苗的氮、磷、鉀含量總體趨勢與常溫條件下沒有差異，仍然是無土基質(zhì)處理組水稻氮含量最高，發(fā)酵基質(zhì)處理組的水稻磷和鉀含量最高(表5)。

表5 不同溫度處理后水稻植株養(yǎng)分含量

2.3 秧苗抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量

脯氨酸參與植物滲透調(diào)節(jié)，與植物抗逆相關(guān)。本研究中隨著溫度的降低，水稻秧苗脯氨酸含量顯著上升，在最低處理溫度(白天8℃/晚上4℃)下水稻的脯氨酸含量達(dá)到最高值。相比正常溫度(白天18℃/晚上10℃)下的脯氨酸含量，在最低處理溫度(白天8℃/晚上4℃)下無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)處理組的水稻秧苗體內(nèi)脯氨酸含量分別增加了214.28%和280.65%，顯著高于對照處理組的增加量78.43%。同時，編碼參與脯氨酸的合成酶的基因表達(dá)量與脯氨酸含量表現(xiàn)出類似的趨勢，在最低處理溫度(白天8℃/晚上4℃)下，無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)培育的水稻秧苗的基因表達(dá)量分別增加了4.62和11.36倍，顯著高于對照處理組的2.20倍(圖1～2)。

柱上不同字母表示處理間在P＜0.05水平上差異顯著。

Fig.1.Proline content (A) and soluble protein contents (B) in rice under different temperature treatments.

表6 基質(zhì)速效養(yǎng)分與水稻植株內(nèi)養(yǎng)分含量的相關(guān)性分析

**表示在0.01水平具有顯著性意義。

**Significantly correlated at 0.01 level.

可溶性蛋白含量同樣與植物抵抗低溫脅迫密切相關(guān)。相較于正常溫度(白天18℃/晚上10℃)，在最低處理溫度(白天8℃/晚上4℃)下無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)處理組水稻植株內(nèi)的可溶性蛋白含量分別增加了210.09%和211.77%，顯著高于對照處理組的增幅(140.96%)(圖1)。

在低溫脅迫下，水稻植株內(nèi)的抗氧化酶活性發(fā)生變化，幫助植物清除因低溫脅迫產(chǎn)生的過氧化物。本研究下，相較于正常溫度條件(白天18℃/晚上10℃)，最低溫脅迫(白天8℃/晚上4℃)時無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)處理組水稻秧苗的超氧化物歧化酶活性分別增加了8.80%和11.11%，顯著高于對照處理組(3.06%)(表7)。同時，研究超氧化物歧化酶基因的表達(dá)展示出相同的規(guī)律。無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)培育的水稻秧苗，低溫脅迫(白天8℃/晚上4℃)下基因表達(dá)量分別增加了16.76和22.45倍，顯著高于對照處理組(4.04倍)(圖2)。實驗結(jié)果顯示，相較于正常溫度條件(白天18℃/晚上10℃)，低溫脅迫(白天8℃/晚上4℃)下無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)處理組水稻秧苗體內(nèi)的過氧化氫酶活性分別增加了521.01%和529.73%，顯著高于對照處理組的284.86%(表7)。本研究中，在最低溫度脅迫下，無土基質(zhì)、發(fā)酵基質(zhì)和對照處理組水稻植株內(nèi)的過氧化物酶活性均顯著增加，分別增加了80.93%，93.43%和99.17%(表7)。本研究發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫可在一定程度上提高水稻體內(nèi)GST酶的活性，特別是發(fā)酵基質(zhì)處理組的水稻秧苗在最低溫(白天8℃/晚上4℃)脅迫時，GST活性從1020.68 nmol/(g·min)提高到了1404.21 nmol/(g·min) (表7)。低溫脅迫下(白天8℃/晚上4℃)，無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)處理組的水稻秧苗丙二醛含量分別增加了21.50%和9.87%，顯著低于對照處理組(37.25%)(表7)。

2.4 秧苗耐冷基因表達(dá)

植物體內(nèi)已經(jīng)鑒定到多個與植物耐冷脅迫相關(guān)的基因，其中包括和基因。本研究結(jié)果顯示，在最低溫脅迫時(白天8℃/晚上4℃)，無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)處理組水稻秧苗的基因的表達(dá)量分別增加了2.79倍和3.09倍，高于對照處理組水稻秧苗的增幅(2.49倍)。耐冷基因的表達(dá)量在最低溫(白天8℃/晚上4℃)脅迫時表現(xiàn)出同樣的變化規(guī)律，其中發(fā)酵基質(zhì)處理組的增加倍數(shù)最高，為94.58倍，無土基質(zhì)處理組次之，為2.78倍，對照處理組的基因表達(dá)變化最小，為2.05倍(圖2)。

圖2 不同溫度處理后水稻耐冷基因表達(dá)水平

Fig.2.Expression levels of chilling tolerance genes in rice under different temperature treatments.

表7 不同溫度處理后水稻體內(nèi)抗氧化酶活性

3 討論

3.1 基質(zhì)類型對秧苗素質(zhì)的影響

水稻育秧基質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)與秧苗生長密切相關(guān)，比如適宜水稻秧苗生長的最適pH為弱酸性；基質(zhì)的電導(dǎo)率反映其養(yǎng)分供應(yīng)潛力并且適宜范圍為0.75～3.00 mS/cm[30]；水稻育秧基質(zhì)的合理容重為0.1～0.8 mg/L，在此容重區(qū)間既能固定水稻根系又適宜于長途運(yùn)輸[31]；基質(zhì)的總孔隙度中，空氣占比25%～40%、水分占比60%～75%對秧苗根系生長較好[31-32]。在本研究中，兩種基質(zhì)的酸堿度均小于7.0，符合水稻生長的最適條件。無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)的容重均處于最適范圍，而對照的容重超出最適范圍，不方便運(yùn)輸(表2)。無土基質(zhì)的總孔隙度處于理想的范圍(70%～90%)，發(fā)酵基質(zhì)的通氣孔隙度優(yōu)于無土基質(zhì)和對照，利于根系氧氣吸收(表2)。此外，良好的基質(zhì)還應(yīng)有合適的養(yǎng)分供應(yīng)能力。其中，速效氮含量需大于100 mg/kg才能保證秧苗的正常生長。本研究中，無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)堿解氮的含量顯著高于100 mg/kg，對照的堿解氮含量顯著低于100 mg/kg，限制了水稻秧苗的正常生長(表3和表4)。同時，無土基質(zhì)和發(fā)酵基質(zhì)中的速效磷和速效鉀含量顯著高于對照，從而保證水稻在正常溫度條件下的生長(表3和表4)。

水稻不耐低溫，低溫冷害顯著抑制水稻的生長和發(fā)育[33-36]。在本研究中，隨著培養(yǎng)溫度的降低，不同類型基質(zhì)培育的水稻秧苗生長受到顯著抑制(表4)，其中，株高、根長、地上部和根部干物質(zhì)量以及莖基寬均顯著下降，但是不同基質(zhì)培育的水稻秧苗，受低溫的抑制作用不盡相同(表4)。在最低溫處理(白天8℃/晚上4℃)下，發(fā)酵基質(zhì)培育的水稻秧苗表現(xiàn)最優(yōu)，其次是無土基質(zhì)，對照表現(xiàn)最差(表4)。說明不同基質(zhì)類型顯著影響水稻秧苗耐低溫能力。

3.2 養(yǎng)分對秧苗抵抗低溫脅迫的影響

培養(yǎng)基質(zhì)中養(yǎng)分含量的差異與水稻耐低溫脅迫能力相關(guān)，比如外源施加磷肥，可以顯著提高低溫條件下水稻幼苗的光合速率，最終提高其耐低溫能力[37]。本研究中不同基質(zhì)上秧苗的氮、磷、鉀含量存在顯著差異(表5)，并且與培養(yǎng)基質(zhì)中的速效養(yǎng)分含量呈顯著正相關(guān)(表6)，說明基質(zhì)中原始速效養(yǎng)分含量越高越有利于水稻對其的吸收。雖然低溫脅迫顯著降低水稻對養(yǎng)分的吸收，但發(fā)酵基質(zhì)和無土基質(zhì)培育的秧苗其體內(nèi)養(yǎng)分含量仍然大于對照(表5)。在不同溫度條件下，發(fā)酵基質(zhì)培育的水稻秧苗其根系和地上部的磷含量顯著高于無土基質(zhì)，并進(jìn)一步高于對照(表5)，水稻磷含量的差異與秧苗長勢表現(xiàn)一致，進(jìn)一步驗證了磷對秧苗抵抗低溫脅迫的作用。

3.3 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對秧苗抵抗低溫脅迫的影響

可溶性蛋白的含量與水稻的抗寒性呈顯著正相關(guān)，其含量越高，水稻抗寒性越強(qiáng)[38]。其作用機(jī)理在于可溶性蛋白具有較強(qiáng)的親水性，在低溫條件下增加植株可溶性蛋白含量一方面可以增加細(xì)胞的持水能力，使原生質(zhì)體不至于過度失水；另一方面，可溶性蛋白還能和可溶性糖一起聚集在重要的細(xì)胞器(比如葉綠體)周圍保護(hù)其免受冷害[38]。本研究中，在最低溫條件(白天8℃/晚上4℃)下，發(fā)酵基質(zhì)培育的秧苗可溶性蛋白含量最高，其次為無土基質(zhì)，對照最低(圖1)。這種結(jié)果與低溫條件下水稻在不同基質(zhì)上的生長表現(xiàn)基本一致(表4)，說明可溶性蛋白參與調(diào)控水稻耐低溫脅迫能力。

脯氨酸作為一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，除了可以維持細(xì)胞的正常pH值，穩(wěn)定細(xì)胞膜外，還可以增加抗氧化酶活性，保護(hù)線粒體電子傳遞鏈和清除活性氧，從而保護(hù)植物并抵抗外界脅迫[39]。在低溫條件下，植物體內(nèi)的脯氨酸含量顯著上升[40]。本研究中，在最低溫脅迫(白天8℃/晚上4℃)下，發(fā)酵基質(zhì)培育的水稻秧苗其體內(nèi)脯氨酸含量最高，其次為無土基質(zhì)，對照最低(圖1)，說明不同類型基質(zhì)調(diào)控水稻秧苗脯氨酸的合成，從而調(diào)控水稻響應(yīng)低溫脅迫。脯氨酸合成相關(guān)基因(負(fù)責(zé)編碼一個Δ-1-吡咯啉-5-羧酸鹽，參與脯氨酸的合成[40])的表達(dá)呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即在最低溫條件(白天8℃/晚上4℃)下，發(fā)酵基質(zhì)培育的秧苗其表達(dá)量大于無土基質(zhì)和對照(圖2)，進(jìn)一步驗證了不同育秧基質(zhì)通過調(diào)控秧苗脯氨酸含量調(diào)節(jié)其耐低溫脅迫能力。

3.4 抗氧化酶系統(tǒng)對秧苗抵抗低溫脅迫的影響

低溫脅迫降低細(xì)胞膜的流動性，引起脂膜過氧化損傷，產(chǎn)生MDA[39, 41]。植物體內(nèi)存在不同類型的抗氧化物酶，通過不同分工維持較低水平的超氧陰離子和過氧化物含量。比如SOD催化植物體內(nèi)的超氧陰離子發(fā)生歧化反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化成氧化性較弱的過氧化氫；CAT則負(fù)責(zé)分解植物體內(nèi)多余的過氧化氫；POD參與植物體內(nèi)過氧化物的分解。逆境條件下，水稻通過以上三種酶的共同作用可以將植株內(nèi)自由基維持在正常水平[42]。本研究結(jié)果顯示，最低溫條件(白天8℃/晚上4℃)下，以上三種酶的活性在發(fā)酵基質(zhì)培育的水稻秧苗中均最大，其次為無土基質(zhì)，對照中的活性最低。相應(yīng)地，丙二醛含量變化趨勢則正好相反(表7)。說明發(fā)酵基質(zhì)中的水稻通過調(diào)控三種抗氧化酶的活性使水稻在低溫條件下維持正常水平的超氧陰離子和過氧化物含量，從而免受過氧化損傷?；蚓幋a超氧化物歧化酶B，緩解植物逆境脅迫下超氧化物帶來的損傷，維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性[43]。最低溫條件下，其在水稻秧苗體內(nèi)的表達(dá)也為發(fā)酵基質(zhì)＞無土基質(zhì)＞對照，進(jìn)一步說明了超氧化物歧化酶在三種基質(zhì)調(diào)控水稻耐冷脅迫過程中的作用。

除此之外，通過谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(GST)調(diào)控植物體內(nèi)的谷胱甘肽含量同樣可以降低植物在脅迫條件下遭受氧化損傷[44]。本研究中，發(fā)酵基質(zhì)和無土基質(zhì)培育的水稻秧苗GST活性均在低溫脅迫下顯著增加，然而對照中GST活性沒有顯著變化(表7)，說明發(fā)酵基質(zhì)和無土基質(zhì)還通過調(diào)控水稻體內(nèi)的谷胱甘肽含量降低低溫脅迫對水稻帶來的過氧化損傷。

3.5 耐低溫基因表達(dá)對秧苗抵抗低溫脅迫的影響

目前已經(jīng)鑒定到一些與水稻耐冷相關(guān)的基因，提高相應(yīng)基因的表達(dá)可以顯著增強(qiáng)水稻的耐冷脅迫能力?；蚓幋a一個位于細(xì)胞膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的G蛋白信號調(diào)節(jié)子與G蛋白互作激活鈣離子通道，從而激活GTP酶提高水稻耐低溫能力。過表達(dá)基因顯著提高水稻在低溫條件下存活率[28]。()基因編碼一個位于細(xì)胞核和細(xì)胞膜上的鋅指蛋白，該基因在低溫條件下表達(dá)顯著上升，通過調(diào)控脯氨酸的合成幫助水稻提高冷脅迫抵抗能力[10]。本研究中，在最低溫脅迫下，以上兩個基因在水稻秧苗中的表達(dá)均為發(fā)酵基質(zhì)>無土基質(zhì)>對照(圖2)，說明發(fā)酵基質(zhì)和無土基質(zhì)還通過調(diào)控水稻秧苗體內(nèi)耐冷基因的表達(dá)調(diào)控其耐低溫脅迫能力。

4 結(jié)論

在水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化背景下，水稻育秧基質(zhì)的研發(fā)至關(guān)重要。適用早稻生產(chǎn)的育秧基質(zhì)，在低溫條件下不僅能提高水稻秧苗的素質(zhì)，還能保障我國的糧食安全。通過設(shè)置不同的低溫條件，我們自主研制的發(fā)酵基質(zhì)和無土基質(zhì)均能通過調(diào)控水稻養(yǎng)分吸收、過氧化酶活性系統(tǒng)、滲透物質(zhì)含量以及耐冷基因表達(dá)等促進(jìn)水稻秧苗在低溫條件下的生長，其中，發(fā)酵基質(zhì)的總體表現(xiàn)優(yōu)于無土基質(zhì)。本研究結(jié)果初步奠定了早稻生產(chǎn)中耐低溫基質(zhì)研制的方向，后期可通過進(jìn)一步優(yōu)化原料挑選和合理組配，滿足我國早稻育秧對優(yōu)質(zhì)基質(zhì)的需求，提高糧食產(chǎn)量。

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Effects of Substrates with Different Properties on Chilling Tolerance of Early Rice Seedlings

ZHU Chunquan#, XU Qingshan#, CAO Xiaochuang, ZHU Lianfeng, KONG Yali, JIN Qianyu, ZHANG Junhua*

(,,,;These authors contributed equally to this work; Corresponding author,:)

【Objective】Early rice is easy to suffer from chilling damage during seedling raising, resulting in yield reduction.Therefore, it is necessary to reveal the effects of different types of substrates on early rice chilling tolerance.【Method】To clarify the regulatory effect of different substrates on the tolerance of early rice seedlings to chilling stress, two representative substrates (soilless substrate and fermentation substrate) and paddy soil (as control) were used in present study.Six-day-old rice seedlings were subjected to different low temperature treatments, and the basic physicochemical properties and gene expression levels of rice were determined after 3 days of treatment.【Result】1) The bulk density of soilless and fermentation substrates was significantly lower than that of the control, however, the electrical conductivity, aeration porosity, and the contents of alkali hydrolyzable nitrogen (N), available phosphorus (P), available potassium (K) and organic matter were significantly higher than those of the control.The root length, shoot and root dry weight per 100 rice seedlings grown in the fermentation substrate exceeded those of the control group, and the nutrient contents (shoot and root N, P, K contents) of seedlings grown in the soilless substrate and fermentation substrate were significantly higher than those of the control group.2) With the decreasing temperature, the growth and nutrient uptake of rice seedlings were both inhibited.The low temperature exerted a slight influence on the growth of seedlings on the fermentation substrate, followed by soilless substrate, and the control was strongly inhibited.3) The MDA content in the seedlings grown in soilless substrate and fermentation substrate was significantly lower than that in the control under low temperature (day 8℃/ night 4℃) treatment, indicating the lower oxidative damage induced by low temperature.The activities of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), proline content and soluble protein content were higher in the seedlings grown in soilless substrate and fermentation substrate than those in the control.The peroxidase (POD) activity in the seedlings grown in fermentation substrate was higher than that of the control, and the activity of glutathione transferase (GST) was higher in the seedlings grown in soilless substrate than that in control.At the same time, the expression levels of,,andwere significantly higher in the seedlings grown in soilless and fermentation substrate than those of the control, which improved the tolerance to low temperature.【Conclusion】The above results showed that the physiological and biochemical reactions and related gene expression were regulated by fermentation substrate and soilless substrate, leading to improved tolerance of rice seedlings to low temperature stress.

substrate; rice; cold stress; physical and chemical properties; antioxidant enzymes; gene expression

10.16819/j.1001-7216.2021.200909

2020-09-14；

2020-12-31。

國家自然科學(xué)基金青年項目(31901452)；國家自然科學(xué)基金面上項目(31872857，31771733)；浙江省自然科學(xué)基金資助項目(LQ19C020007)。