水稻種子萌發(fā)出苗研究及直播生產(chǎn)上相關(guān)難題

鄭廣杰 陶怡 沈興連 葉昌 徐亞楠 褚光 徐春梅 王丹英

（1 中國(guó)水稻研究所/水稻生物育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311400；2 杭州余杭益民農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)專業(yè)合作社，杭州 311107；第一作者：981958946@qq.com；*通信作者：wangdanying@caas.cn）

長(zhǎng)期以來(lái)，具有控制雜草、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)的水稻移栽方式在我國(guó)水稻生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位，育種工作也以移栽稻為主要目標(biāo)，以此來(lái)保證水稻穩(wěn)定生產(chǎn)和糧食安全的目標(biāo)。然而，隨著人口轉(zhuǎn)移和生產(chǎn)土地集中化，勞動(dòng)力的減少和務(wù)農(nóng)人口的逐漸老齡化，水稻生產(chǎn)迫切需要一種兼具省時(shí)、省力、低成本、高效益的生產(chǎn)方式，因此以直播稻為主的水稻輕簡(jiǎn)化栽培方式逐漸被重視，推廣面積逐年增加[1-4]。在直播稻生產(chǎn)上，種子萌發(fā)出苗這一階段最為關(guān)鍵，種子在稻田的萌發(fā)率和出苗率關(guān)系到其最終產(chǎn)量。因此，研究種子的萌發(fā)出苗是直播稻生產(chǎn)至關(guān)重要的一環(huán)。

1 種子萌發(fā)和出苗

種子為適應(yīng)環(huán)境而進(jìn)入休眠狀態(tài)以保持自身繁殖能力，萌發(fā)則是種子打破休眠期進(jìn)入連續(xù)生長(zhǎng)狀態(tài)，并開始進(jìn)行新的遺傳表達(dá)、物質(zhì)同化和能量代謝過(guò)程[5]。萌發(fā)的種子是植物整個(gè)生活周期中最脆弱的階段，容易受到生物和環(huán)境逆境的影響。生理學(xué)上的種子萌發(fā)起始于水分吸收（吸脹），結(jié)束于胚軸伸出；而出苗是指種子發(fā)芽后成長(zhǎng)的幼苗露出地表面的過(guò)程。水稻種子的萌發(fā)出苗過(guò)程可分為吸脹、萌動(dòng)、發(fā)芽以及幼苗的形態(tài)建成[6]。

1.1 吸脹

此階段種子快速吸水，種子內(nèi)原生質(zhì)膠體吸水膨脹。種子吸脹是一物理過(guò)程，活種子和死種子都可以吸脹。種子吸脹能力的強(qiáng)弱可用吸脹率（吸脹的體積與干種子的體積比）表示，稻谷等淀粉類種子的吸脹率是130%~140%。吸脹階段進(jìn)行種子細(xì)胞的活化修復(fù)，種子內(nèi)部凝膠狀的細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)變?yōu)槿苣z狀態(tài)，種胚活細(xì)胞內(nèi)部的蛋白質(zhì)、酶等大分子和細(xì)胞器發(fā)生水合活化；原干種子中結(jié)構(gòu)被破壞的細(xì)胞膜、線粒體和DNA得到伸展與修復(fù)[7-8]。種子細(xì)胞活化和修復(fù)能力受環(huán)境的影響，并與種子活力密切相關(guān)[9]。

1.2 萌動(dòng)

此階段吸水停滯，但種子內(nèi)部的代謝活動(dòng)加強(qiáng)，種胚細(xì)胞在活化和修復(fù)基礎(chǔ)上出現(xiàn)細(xì)胞器和膜系統(tǒng)合成增殖，有新線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體形成。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)產(chǎn)生小液泡，小液泡的吸水脹大以及液泡間的融合，使胚根細(xì)胞體積增大，當(dāng)其擴(kuò)大伸展到一定程度，胚根尖端突破種皮，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上俗稱“露白”[6,9]。在適宜條件下，水稻種子從吸脹到萌動(dòng)所需的時(shí)間約為2 d。

1.3 發(fā)芽

此階段種子再次迅速吸水，此時(shí)的吸水為生理性吸水，胚細(xì)胞在分裂的同時(shí)也開始分化，進(jìn)而逐漸建成胚根、胚芽等器官。胚的生長(zhǎng)與水分供應(yīng)有關(guān)，水分較少時(shí)胚根先出，水分多時(shí)則胚芽先出，傳統(tǒng)上習(xí)慣把胚根與種子等長(zhǎng)，胚芽達(dá)種子長(zhǎng)的一半作為發(fā)芽的標(biāo)準(zhǔn)[6-7,9]。

1.4 幼苗的形態(tài)建成

種子發(fā)芽后根據(jù)其子葉出土狀況，可分為子葉出土型和子葉留土型。大部分單子葉植物種子屬于子葉留土型，其種子發(fā)芽時(shí)，穿土力較強(qiáng)。水稻種子出土的部分實(shí)際上是“子彈型”的胚芽鞘，胚芽鞘出土后在光照下開裂，內(nèi)部的真葉才逐漸伸出，進(jìn)行光合作用以及形態(tài)建成。

2 水稻種子萌發(fā)過(guò)程中貯藏物質(zhì)的分解與代謝

2.1 貯藏物質(zhì)的分解

在發(fā)芽過(guò)程中，水稻種子內(nèi)部豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被逐步分解和利用，一部分作為能量，另一部分代謝轉(zhuǎn)化成為新細(xì)胞的組成成分。貯藏在胚部的可溶性糖、氨基酸以及少量的蛋白，在種子吸脹萌動(dòng)階段首先被利用；貯藏在胚乳中的淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)在種子萌動(dòng)之后，先被水解酶水解成可溶性的小分子物質(zhì)，然后才被輸送到胚的生長(zhǎng)部位被進(jìn)一步分解和利用。

萌發(fā)種子的水解酶有兩種來(lái)源：一是已存在于種子中的束縛態(tài)酶的活化，如β-淀粉酶、磷酸化酶等；二是通過(guò)誘導(dǎo)合成新的酶，如α-淀粉酶、異檸檬酸酶、蛋白酶和酯酶等[9]。在水稻種子萌發(fā)過(guò)程中，受種胚產(chǎn)生的赤霉素調(diào)節(jié)，胚乳外圍的糊粉層細(xì)胞會(huì)合成核酸酶、蛋白酶和淀粉酶等水解酶，糊粉層細(xì)胞死亡后，水解酶被釋放到胚乳中，將胚乳中的貯藏物質(zhì)降解成小分子物質(zhì)[10]。

2.2 貯藏物質(zhì)的代謝

水稻種子貯藏物質(zhì)以碳水化合物和蛋白質(zhì)為主，碳水化合物（包括淀粉、纖維素、半纖維素和可溶性糖等）約占稻谷的65%左右，其中最多的是淀粉；稻谷的蛋白質(zhì)含量一般為8%~10%；水稻種子脂肪含量很低，僅約為2%[9]。

種子萌發(fā)過(guò)程中，在各種水解酶的作用下，淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N糖類。參與淀粉分解的酶有α-淀粉酶、β-淀粉酶、極限糊精酶和麥芽糖酶等[11]，其中β-淀粉酶是種子自帶的，位于谷物糊粉層細(xì)胞中，其活性在種子吸水過(guò)程中逐漸升高，與種子萌發(fā)顯著相關(guān)[12]；而α-淀粉酶主要是在種子萌發(fā)后期，即在形態(tài)建成階段，由于赤霉素的誘導(dǎo)而大量合成[13]。淀粉在α-淀粉酶和β-淀粉酶的作用下生成葡萄糖、麥芽糖和極限糊精，而后兩者又在酶的作用下生成葡萄糖，葡萄糖再經(jīng)過(guò)糖代謝過(guò)程中的中間產(chǎn)物與其他生物合成和代謝產(chǎn)生聯(lián)系。

水稻種子萌發(fā)過(guò)程中，非水溶性的貯藏蛋白首先被部分水解為分子量較小的可溶性蛋白質(zhì)，然后被肽鏈水解酶（包括肽鏈內(nèi)切酶、羧肽酶、氨肽酶）水解成氨基酸，成為合成新氨基酸和蛋白質(zhì)的原料[14]。禾谷類種子蛋白質(zhì)的分解主要發(fā)生在胚乳淀粉層、糊粉層、胚中軸和盾片。

2.3 呼吸作用和能量代謝

種子萌發(fā)需要足夠的能量供給。種子吸脹過(guò)程中ATP（腺苷三磷酸）含量迅速增加，萌動(dòng)階段ATP 含量進(jìn)一步上升，種子的萌發(fā)速度在ATP 含量達(dá)到最大值后加快[15]。種子萌發(fā)的能量刺激假說(shuō)認(rèn)為，ATP 含量的增加在種子萌發(fā)中起到原初作用[16]。

活種子吸脹后最明顯的生理特征是呼吸增強(qiáng)，主要的呼吸途徑包括糖酵解、三羧酸循環(huán)和磷酸戊糖途徑[8]。種子的呼吸底物在萌發(fā)初期以干種子預(yù)存的可溶性蔗糖、低聚糖為主，種子萌動(dòng)后則以貯藏物質(zhì)的水解產(chǎn)物為主。萌發(fā)初期，種子會(huì)經(jīng)歷短暫的無(wú)氧呼吸，此時(shí)糖酵解（EMP）和發(fā)酵途徑占據(jù)主導(dǎo)地位；當(dāng)細(xì)胞中線粒體修復(fù)完全后，無(wú)氧呼吸轉(zhuǎn)變?yōu)橛醒鹾粑?，此時(shí)經(jīng)糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸經(jīng)丙酮酸激酶復(fù)合體催化形成乙酰輔酶A 進(jìn)入三羧酸循環(huán)（TCA）進(jìn)行氧化分解并釋放能量[8,14]，而當(dāng)種子的呼吸方式由EMP-TCA 途徑轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿嵛焯峭緩讲⒒钴S時(shí)，休眠的種子才會(huì)萌發(fā)[17-18]。糖酵解途徑中的己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶是催化不可逆反應(yīng)的3 種酶，其中磷酸果糖激酶I 催化效率極低，是整個(gè)途徑的限速酶；而磷酸戊糖途徑的6-磷酸葡萄糖脫氫酶是該途徑的限速酶[8,14]。

種子萌發(fā)過(guò)程能量代謝受到本身活力、化學(xué)成分以及環(huán)境條件適宜程度等因素的影響。種子萌發(fā)過(guò)程中能量的利用可以用物質(zhì)效率衡量[19]。物質(zhì)效率（%）=（黑暗條件下長(zhǎng)成幼苗的干物質(zhì)量/種子發(fā)芽所消耗的干物質(zhì)量）×100%，同一作物高活力種子、適宜條件下發(fā)芽種子，其物質(zhì)效率較高。

3 影響種子萌發(fā)出苗的因素

3.1 環(huán)境因素

影響水稻種子萌發(fā)的主要環(huán)境因素有水分、溫度、氧氣和光照。

水稻種子發(fā)芽所需的最低吸水量，秈稻一般為其種子質(zhì)量的15%，粳稻為18%，即約相當(dāng)于種子飽和吸水量的60%，當(dāng)種子吸水達(dá)到飽和程度，即約相當(dāng)種子質(zhì)量的25%（秈）和30%（粳）發(fā)芽較快且整齊。水稻種子達(dá)到飽和含水量所需浸種的時(shí)間因水溫而異，水溫30 ℃時(shí)約需35 h，水溫20 ℃時(shí)約需60 h 以上，水溫10 ℃時(shí)則需80 h 以上。

水稻種子發(fā)芽的最低溫度一般在10 ℃~12 ℃，在此范圍內(nèi)秈稻發(fā)芽要求的溫度偏高，粳稻偏低。稻種發(fā)芽的最適溫度為28 ℃~32 ℃，最高溫度為40 ℃左右。發(fā)芽期間的溫度不僅影響發(fā)芽的快慢，對(duì)發(fā)芽的整齊度也有很大影響。不同水稻品種對(duì)種子發(fā)芽的溫度要求不盡相同。

氧氣是種子發(fā)芽不可缺少的條件，一般作物種子在氧濃度10%以上才能正常萌發(fā)[20]。種子發(fā)芽的需氧量存在作物間、品種間差異，通常水稻種子發(fā)芽的需氧量要少于旱地作物如小麥等。水稻種子萌發(fā)對(duì)氧氣的需求可以分為兩個(gè)階段：（1）從種子吸脹到破胸，以無(wú)氧呼吸（發(fā)酵作用）為主，此階段需能較少，無(wú)氧呼吸即可維持；（2）種子胚根突破種皮（破胸）后，以有氧呼吸為主，需要產(chǎn)生較多的能量和中間代謝產(chǎn)物以滿足種子根、芽的生長(zhǎng)需要。在缺氧條件下，由于無(wú)氧呼吸產(chǎn)生的中間物和能量少，加上無(wú)氧呼吸產(chǎn)生的乙醇和乳酸的毒害作用，種子形態(tài)建成受抑，出現(xiàn)芽鞘伸長(zhǎng)，而胚根和胚芽無(wú)法正常生長(zhǎng)的現(xiàn)象。

水稻育秧時(shí)種子上覆土，種子在黑暗且水溫合適環(huán)境下胚芽鞘迅速伸長(zhǎng)突破土表成苗，但在近年的水稻直播生產(chǎn)中，特別是利用行走式直播機(jī)和無(wú)人機(jī)進(jìn)行水稻直播作業(yè)時(shí)，種子是撒播于土表的。研究發(fā)現(xiàn)，光照條件下茉莉素（JA）會(huì)在水稻的中胚軸組織中積累，導(dǎo)致下胚軸伸長(zhǎng)停滯[21]，JA 的合成與中胚軸的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)負(fù)相關(guān)[22]。因此，光照可能也是影響直播稻出苗的一個(gè)環(huán)境因素。

除此之外，土壤、水質(zhì)和生物因素（如病、蟲、草等）對(duì)水稻種子的萌發(fā)也有一定影響。

3.2 內(nèi)部因素

水稻種子內(nèi)部的源—庫(kù)關(guān)系、激素、活性氧（ROS）等對(duì)種子的萌發(fā)和出苗有較大影響。

水稻種子萌發(fā)時(shí)，胚組織不能進(jìn)行自養(yǎng)，其所需的物質(zhì)幾乎完全由胚乳組織提供，此時(shí)，胚組織可視為“庫(kù)”、胚乳組織可視為“源”，因此水稻胚乳貯藏物質(zhì)的含量和分解速率，以及向胚細(xì)胞供給物質(zhì)的能力都能夠影響胚根、胚芽等“庫(kù)”器官的生長(zhǎng)，而營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)由胚乳組織向胚組織轉(zhuǎn)移的這一過(guò)程又受胚組織內(nèi)的激素種類和含量影響。

大量研究表明，種子萌發(fā)主要受赤霉素（GA）和脫落酸（ABA）這兩種激素調(diào)控，GA/ABA 比值升高，種子萌發(fā)，反之則休眠。生長(zhǎng)素（IAA）、油菜素內(nèi)酯（BRs）、茉莉素（JAs）等植物激素也可通過(guò)與GA、ABA 的協(xié)同或拮抗作用來(lái)影響種子萌發(fā)[23-26]，種子萌發(fā)時(shí)，與激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的基因在萌發(fā)前期大量表達(dá)[27]。在萌發(fā)前期，IAA 和ABA 信號(hào)傳導(dǎo)途徑中的負(fù)調(diào)控基因大量表達(dá)[28]，萌發(fā)后期，胚中GA 大量合成，糊粉層細(xì)胞接受GA 的信號(hào)，合成α-淀粉酶并釋放進(jìn)入胚乳組織，使淀粉水解成麥芽糖和葡萄糖，促進(jìn)種子的萌發(fā)和胚的生長(zhǎng)[10,29]，但與此同時(shí)，若胚不能及時(shí)利用麥芽糖或葡萄糖等而造成其含量的積累，會(huì)抑制脫落酸（ABA）的降解[30]，在降低淀粉分解速度的同時(shí)，也會(huì)抑制α-淀粉酶在糊粉層中的合成。

活性氧（Reactive oxygen species ，ROS）是活性細(xì)胞產(chǎn)生的含氧（O）高化學(xué)反應(yīng)活性物質(zhì)，有超氧陰離子自由基（O2·－）、過(guò)氧化氫（H2O2）、單線態(tài)氧（1O2）、羥基自由基（·OH）等[31]，其中H2O2因其穩(wěn)定性好、半衰期長(zhǎng)，在細(xì)胞內(nèi)存在時(shí)間較長(zhǎng)，因而被視為能夠作為信號(hào)分子的物質(zhì)[32]。最初的觀點(diǎn)認(rèn)為，ROS 是對(duì)植物有害的物質(zhì)，然而隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)低濃度的ROS 是種子萌發(fā)所必需的[33-34]。種子萌發(fā)過(guò)程中，ROS 主要來(lái)自線粒體和細(xì)胞質(zhì)中的NADPH 氧化酶[35-36]，其通過(guò)激活種子中的α-淀粉酶以及其他水解酶的合成來(lái)促進(jìn)種子萌發(fā)[37]，在一定范圍的ROS 濃度內(nèi)，種子的發(fā)芽率與水稻種子胚中的ROS 濃度呈顯著正相關(guān)[38]。然而，當(dāng)信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程完成后，ROS 的清除則需依賴于由超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）、過(guò)氧化物酶（POD）等組成的酶促抗氧化系統(tǒng)和由谷胱甘肽（GSH）、抗壞血酸（AsA）及谷胱甘肽還原酶（GR）、抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）等組成GSH-AsA 循環(huán)的非酶促抗氧化系統(tǒng)[20]。若累積的大量ROS 不能被及時(shí)清除，也會(huì)對(duì)細(xì)胞內(nèi)的生物大分子造成損傷，不利于種子的萌發(fā)[34]。

生產(chǎn)上，為衡量種子質(zhì)量，反映在廣泛環(huán)境條件下種子出苗和長(zhǎng)成正常幼苗的潛在能力，提出了種子活力的概念。種子活力是一綜合概念，涵蓋種子的發(fā)芽和幼苗的生長(zhǎng)潛勢(shì)、種子在不利環(huán)境下的出苗能力和種子貯藏后能保持發(fā)芽力的性能等。種子的活力同時(shí)受內(nèi)因和外因影響。內(nèi)因包括種子的遺傳背景和生理生化活性[39-41]，通過(guò)激素和ROS 等來(lái)調(diào)控種子的活力[42-44]，外因則是種子生產(chǎn)、儲(chǔ)藏時(shí)的生態(tài)條件[45-47]，一般高活力的種子田間發(fā)芽成苗率高，但在生產(chǎn)實(shí)踐上，室內(nèi)發(fā)芽率與田間出苗率之間往往存在很大差距。

4 水稻生產(chǎn)中萌發(fā)出苗相關(guān)難題

水稻直播即將水稻種子直接播于大田上進(jìn)行生產(chǎn)的一種方式，根據(jù)播種時(shí)大田水分含量狀態(tài)可將直播分為旱直播、濕潤(rùn)直播和水直播。旱直播一般應(yīng)用于水分較少地區(qū)，水直播則因?yàn)檠退婢秤绊懛N子的發(fā)芽特性使得應(yīng)用較少，因此直播稻生產(chǎn)上大都采用濕潤(rùn)直播的方式。不同于移栽育秧有良好的水、溫、土環(huán)境，直播稻萌發(fā)出苗過(guò)程中的田間環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致直播出苗率不穩(wěn)定[48-51]，無(wú)法保證出苗成苗率，其中發(fā)芽出苗期兩種最主要的逆境是芽苗期淹水和低溫。

4.1 水稻芽苗期耐淹水

水稻對(duì)淹水脅迫的適應(yīng)性表現(xiàn)出兩種相反的策略，一種是生長(zhǎng)緩慢甚至停止，減少碳水化合物、能量的消耗，以此來(lái)抵御淹水逆境；另一種則是迅速生長(zhǎng)突破水面，以此獲取氧氣[52-53]。第1 種策略只適合短期淹水且退水快的逆境，而在田間生產(chǎn)上要求直播稻出苗快且齊，催芽后播種的種子更適合第2 種耐淹策略。

研究發(fā)現(xiàn)，具有耐淹性的種子在淹水逆境中萌發(fā)表現(xiàn)為胚芽鞘的迅速伸長(zhǎng)[54]，當(dāng)胚芽鞘突破水面后，第1 片葉、根系開始生長(zhǎng)，同時(shí)胚芽鞘基部也會(huì)出現(xiàn)一些不定根[55-56]。對(duì)耐淹品種芽期的激素分析發(fā)現(xiàn)，淹水降低植株組織間氧氣濃度，誘導(dǎo)乙烯合成前體1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（ACC）的大量合成，ACC 氧化酶（ACO）基因表達(dá)增強(qiáng)，將ACC 氧化成乙烯，植物組織中乙烯含量不斷積累，而高濃度的乙烯又能夠介導(dǎo)調(diào)控組織對(duì)GA 信號(hào)的響應(yīng)，同時(shí)也能降低ABA 的含量，以此共同來(lái)調(diào)控胚芽鞘組織的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)[57-58]。

當(dāng)激素信號(hào)傳遞完成之后，細(xì)胞內(nèi)開始一系列的生物合成代謝過(guò)程。研究表明，α-淀粉酶的活性與胚芽鞘的伸長(zhǎng)之間存在正相關(guān)性[55]，α-淀粉酶促進(jìn)淀粉降解生成葡萄糖等碳水化合物，此過(guò)程受到糖濃度的調(diào)控[59]；葡萄糖通過(guò)糖酵解產(chǎn)生ATP 和丙酮酸，磷酸果糖激酶（PKI）是此過(guò)程的限速酶，胚芽鞘生長(zhǎng)速度也受其活性的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，6-磷酸果糖是水稻種子響應(yīng)低氧條件胚芽鞘生長(zhǎng)的重要代謝物，耐低氧的水稻品種具有更高的糖酵解速率[60]，在低氧條件下其含量明顯上調(diào)。淹水的低氧環(huán)境中，因糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸無(wú)法進(jìn)入三羧酸循環(huán)繼續(xù)氧化分解，耐淹品種表現(xiàn)出較高的丙酮酸脫羧酶、乙醇脫氫酶活性[55,61]，不僅能夠?qū)⒈徂D(zhuǎn)化成乙醛，并消耗NADH 完成NAD+的再生，促進(jìn)糖酵解進(jìn)行來(lái)不斷提供能量；還能再將乙醛轉(zhuǎn)化成乙醇，減少乙醛對(duì)細(xì)胞的毒害，同時(shí)，淹水脅迫也會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞線粒體上的乙醛脫氫酶基因表達(dá)[62]，將乙醛氧化成乙酸，因此，水稻種子淹水初期會(huì)散發(fā)酒味和酸味，其程度因品種而異。然而，乙酸也能作為水稻細(xì)胞代謝的碳源[63]，耐淹品種代謝產(chǎn)生的乙酸能在乙酰輔酶A 合成酶（ACS）催化下生成乙酰CoA 進(jìn)入乙醛酸循環(huán)，在異檸檬酸裂解酶（ICL）、蘋果酸合酶（MS）等一系列酶作用下，最終轉(zhuǎn)變成草酰乙酸[14]，為生物合成提供碳骨架。碳源的高利用效率或許是耐淹品種的種子異味較輕，且胚芽鞘能夠快速伸長(zhǎng)的原因。

細(xì)胞的生長(zhǎng)不僅需要碳源，還需要氮源。水稻種子中的氮素來(lái)源于貯藏蛋白降解成的可溶性蛋白以及游離氨基酸，氨基酸與糖代謝的中間產(chǎn)物丙酮酸、草酰乙酸等有機(jī)酸發(fā)生生物合成反應(yīng)。目前氮代謝與水稻芽苗期的耐逆研究報(bào)道很少，其具體機(jī)理仍不明確。

除此之外，淹水逆境會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞產(chǎn)生大量ROS，當(dāng)ROS 含量超過(guò)細(xì)胞對(duì)ROS 的清除能力之后，過(guò)量的ROS 便會(huì)與膜脂產(chǎn)生過(guò)氧化作用，對(duì)細(xì)胞膜造成損傷，進(jìn)而生成丙二醛（MDA）對(duì)生物大分子造成損傷[64]。研究發(fā)現(xiàn)，淹水環(huán)境中，水稻芽期組織中的MDA 含量顯著增加，但耐淹品種的MDA 增加幅度要低于不耐淹品種，而SOD、POD 活性則顯著高于不耐淹品種[65]。因此，萌發(fā)種子的抗氧化能力也是胚芽鞘在淹水脅迫中存活并生長(zhǎng)的重要指標(biāo)。

4.2 水稻芽苗期耐低溫

直播水稻播種時(shí)要求日平均氣溫穩(wěn)定在12 ℃以上，長(zhǎng)江流域的播種時(shí)間一般為4 月上中旬，但由于早春的氣溫波動(dòng)較大，早稻直播時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到低溫的影響。

低溫脅迫影響細(xì)胞膜系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性，導(dǎo)致胞內(nèi)溶質(zhì)外滲[20]。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞膜系統(tǒng)的膜脂不飽和脂肪酸含量與水稻的耐冷性有正相關(guān)關(guān)系，不飽和脂肪酸影響膜脂的相變溫度，進(jìn)而影響其流動(dòng)性，膜系統(tǒng)的流動(dòng)性越高，低溫對(duì)水稻造成的傷害就越低[66]。同時(shí)，低溫影響SOD、POD、CAT 等抗氧化酶的活性和非酶促抗氧化系統(tǒng)，使得細(xì)胞內(nèi)ROS 的代謝失衡[67]，產(chǎn)生大量的MDA，影響膜系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，耐冷品種水稻幼苗的抗氧化酶活性、抗氧化物質(zhì)AsA、GSH 含量變化明顯小于不耐冷水稻品種[66]。細(xì)胞內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸等也會(huì)參與細(xì)胞的低溫應(yīng)答來(lái)抵御逆境，其含量的增加可以提高細(xì)胞液的滲透勢(shì)、降低細(xì)胞液冰點(diǎn)，從而增強(qiáng)細(xì)胞的保水能力[20]。

低溫也影響糖代謝相關(guān)酶的活性。低溫脅迫下，參與淀粉水解的α-淀粉酶、參與糖酵解的己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的活性以及可溶性糖含量都顯著降低，其中，α-淀粉酶的活性對(duì)溫度非常敏感，低溫下其活性僅為最適溫度下酶活的1/5[68]。呼吸速率的降低導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ATP 的供應(yīng)量不足，然而，也有研究認(rèn)為，水稻對(duì)低溫的耐受性差異并不是ATP 供給的不足，而是ATP 利用能力差異導(dǎo)致，一些耐冷性水稻品種雖然細(xì)胞內(nèi)ATP 含量較低，但ATP 酶活性較高，而一些冷敏感品種細(xì)胞內(nèi)雖然ATP 含量較高，但ATP 酶活性卻很低[69]。

長(zhǎng)期以來(lái)，ABA 被視為是一種重要的逆境激素，能夠增強(qiáng)植物的抗逆性。研究發(fā)現(xiàn)，在低溫脅迫下，耐冷性強(qiáng)的水稻品種中ABA 含量顯著高于不耐冷的水稻品種[70]，但研究還發(fā)現(xiàn)，水稻種子參與低溫應(yīng)答的信號(hào)途徑不僅有依賴ABA 的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，還有不依賴ABA 的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[71]，ABA 是否是水稻種子耐低溫成苗的必要因素仍需進(jìn)一步研究。

4.3 直播稻生產(chǎn)難題解決措施

直播稻生產(chǎn)上農(nóng)戶往往加大播種量以確保足夠的基本苗，但若遇良好的條件時(shí)成苗率提高，又會(huì)導(dǎo)致水稻群體太大，給中后期管理帶來(lái)困難[72]。目前，在播種量確定的前提下，提高水稻直播的出苗成苗率主要措施有：1）好氧耕整地，提高耕整地質(zhì)量。生產(chǎn)實(shí)踐表明，旱耕水整可以有效提高耕層含氧量，緩解秸稈大量還田導(dǎo)致的還原性增加對(duì)種子成苗的不利影響；利用耕整配套裝備如激光平地機(jī)等提高水田平整度，消除漬水低洼，可有效提高田塊的出苗均勻性。2）篩選和培育適合直播的水稻品種，提高水稻種子的抗逆性。目前出現(xiàn)了一些耐淹、耐低溫的水稻品種，如雜交稻耘兩優(yōu)玖48，其發(fā)芽的種子在淹水條件下的成苗率可以達(dá)到80%以上。然而，生產(chǎn)上的環(huán)境條件并不是一成不變的，一個(gè)品種很難保證能夠同時(shí)應(yīng)對(duì)多種逆境，再加上種子內(nèi)部的生理、分子機(jī)制網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜，選育優(yōu)良直播水稻品種的工作還有很長(zhǎng)的路要走。3）通過(guò)種子預(yù)處理或外源物質(zhì)提高種子活力，增加芽苗期的耐漬性、耐寒性，促進(jìn)早生快發(fā)。研究表明，破胸露白播種要比干種子出苗率高[73]；引發(fā)種子可有效加強(qiáng)其內(nèi)部生理代謝，提高發(fā)芽率、發(fā)芽速度和芽苗整齊度[74]；用特殊材料包衣的種子可增強(qiáng)其出苗階段的抗逆性，例如，抗寒種衣劑能夠提高秧苗的抗寒性，促進(jìn)幼苗的存活[75]；過(guò)氧化鈣包衣種子可以促進(jìn)種子在淹水逆境下的出苗[76]，且種子的發(fā)芽率隨過(guò)氧化鈣含量的增加而增加[77]。

5 展望

水稻直播具有諸多優(yōu)點(diǎn)，特別是目前，無(wú)人機(jī)直播發(fā)展勢(shì)頭驚人，深入研究水稻種子發(fā)芽出苗特性，解決水稻直播面臨的出苗成苗齊苗難題，對(duì)于推動(dòng)直播稻發(fā)展意義重大。