肖輝海, 郝小花, 吳小輝, 侯 姣

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不同早秈稻品種幼苗期的耐冷生理鑒定

肖輝海, 郝小花, 吳小輝, 侯 姣

(湖南文理學院 生命科學學院, 湖南 常德, 415000)

為了解4個早秈稻品種幼苗期耐冷性的生理特點, 在人工氣候箱內(nèi)經(jīng)26 ℃(對照)、12 ℃、10℃和6℃處理4 d后, 測定分析水稻幼苗過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性、丙二醛(MDA)含量、抗壞血酸(AsA)含量、可溶性蛋白質(zhì)含量及電解質(zhì)滲漏率6個生理指標的變化及其與抗冷性的關(guān)系. 結(jié)果表明, 在相同低溫脅迫條件下, 株兩優(yōu)120和金優(yōu)L2兩個早秈稻品種幼苗期POD活性、CAT活性、AsA含量及可溶性蛋白質(zhì)含量均高于準兩優(yōu)143和湘早秈45號, 而MDA含量及電解質(zhì)滲漏率均低于準兩優(yōu)143和湘早秈45號. 上述結(jié)果說明兩系法雜交稻株兩優(yōu)120的耐冷性最強, 三系雜交水稻金優(yōu)L2次之, 兩系法雜交稻準兩優(yōu)143和常規(guī)水稻湘早秈45號耐冷性稍差.

早秈稻; 幼苗耐冷性; 生理指標; 人工氣候箱

冷害是水稻生產(chǎn)中普遍發(fā)生的一種現(xiàn)象. 水稻苗期冷害是指: 在育秧期間, 遭到連續(xù)或短暫的低于秧苗正常生長發(fā)育溫度影響, 使生長發(fā)育發(fā)生障礙甚至死亡的現(xiàn)象. 冷脅迫條件下, 水稻幼苗體內(nèi)發(fā)生一系列適應(yīng)低溫的生理生化變化, 以增強其抗冷性和減小冷脅迫對其傷害[1-6]. 不同品種對低溫的忍耐能力差異較大, 其中, 秈稻對低溫的忍耐力明顯弱于粳稻, 不同秈稻品種之間也有一定差異. 我國南方早春寒潮入侵, 氣溫驟然下降, 大部分早秈稻品種的幼苗不能適應(yīng)這種變化無常的不良氣候環(huán)境, 從而導致早秈稻幼苗的傷害和死亡. 特別在湖南, 早春寒潮入侵不僅頻繁, 而且持續(xù)時間長, 更容易造成早秈稻幼苗嚴重凍害和死苗. 因此, 開展早秈稻苗期耐冷性的生理鑒定, 了解不同早秈稻品種幼苗對低溫的耐受能力, 對于促進湖南水稻生產(chǎn)具有十分重要的現(xiàn)實意義. 本研究利用人工氣候箱控溫條件, 在準兩優(yōu)143、株兩優(yōu)120、金優(yōu)L2和湘早秈45號4個早秈稻品種的幼苗期(3～4葉齡時)經(jīng)低溫處理后, 對幼苗組織中的過氧化物酶活性、過氧化氫酶活性、抗壞血酸含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、丙二醛含量及電解質(zhì)滲漏率等進行測定, 并以此作為鑒定水稻苗期耐冷性生理指標, 對上述品種(組合)作苗期生理耐冷性探討, 旨在為高產(chǎn)栽培上述品種(組合)提供指導.

1 材料與方法

1.1 材料

早秈稻品種(組合): 株兩優(yōu)120、金優(yōu)L2、準兩優(yōu)143和湘早秈45號, 均由湖南亞華種業(yè)有限公司提供.

1.2 方法

1.2.1秧苗培育及低溫處理

水稻種子用病害防治劑強六精(內(nèi)含40%三氯異氰尿酸)500倍液浸種24 h, 30 ℃下催芽48 h, 5 d后將4個品種(組合)發(fā)芽一致(胚根1 cm, 胚芽0.5 cm)的稻種均勻播種在塑料盆中, 每塑料盆高10 cm、直徑20 cm、容積1.75 L, 內(nèi)裝過篩稻田壤土1.25 kg. 每個品種(組合)播種40盆, 每盆播150粒, 在28 ℃(晝)/24 ℃(夜)(即日平均溫度26 ℃)的人工氣候箱中培養(yǎng), 每天光照12 h(處理時為10 h), 光強8 000 lx, 相對濕度為75%～80%. 秧苗長至2葉1心后添加營養(yǎng)液, 每5 d換一次營養(yǎng)液. 當秧苗生長到3葉1心期, 將每個品種的秧苗分為4組進行溫度處理: 一組在原溫度(日平均溫度26 ℃)條件下培養(yǎng)作對照, 其余的分別進行3個水平的冷脅迫處理, 即各自在12 ℃、10 ℃和6 ℃的冷脅迫下連續(xù)處理4 d, 然后取幼苗進行抗寒生理指標的測定.

1.2.2抗寒生理指標的測定

過氧化物酶(POD)活性的測定采用愈創(chuàng)木酚法,過氧化氫酶(CAT)活性的測定采用高錳酸鉀滴定法, 電解質(zhì)滲透率的測定采用DDS-307型電導儀法, 丙二醛(MDA)含量用硫代巴妥酸(TBA)法測定. 抗壞血酸(AsA)含量用2, 6-二氯酚靛酚滴定法測定. 可溶性蛋白質(zhì)含量的測定采用考馬斯亮藍G-250法. 具體的操作都參照鄭炳松[7]的方法進行.

水稻幼苗各項生理生化指標所反映的變化情況以6 ℃、10 ℃、12 ℃測定值對26 ℃測定值的相對變化率來表示, 即: 相對變化率(%)= 6 ℃(或10 ℃或12 ℃)測定值-26 ℃測定值/26 ℃測定值×100%.

2 結(jié)果與分析

2.1 冷脅迫對早秈稻幼苗POD、CAT酶活性的影響

過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)是水稻幼苗體內(nèi)清除氧自由基、降低活性氧傷害的2種關(guān)鍵性酶, 它們的活性越高, 清除氧自由基的能力就越強, 對水稻幼苗的保護作用就越大, 反之則越小.

由表1可知, 在低溫脅迫下, 4個早秈稻品種(組合)幼苗的POD活性的變化趨勢基本一致, 即12 ℃和10 ℃下的POD活性都比26 ℃下的高, 其中以12 ℃下的POD活性最高; 而6 ℃下的POD活性都比26 ℃下的低(株兩優(yōu)120除外). 但4個早秈稻品種(組合)幼苗在低溫脅迫下的POD活性與各自在26℃下的POD活性的相對變化率相差較大. 與26 ℃下的POD活性相比較, 株兩優(yōu)120幼苗在12 ℃處理后的POD活性的相對變化值最大, 分別比金優(yōu)L2、準兩優(yōu)143和湘早秈45號高68.27%、100.06%和130.93%, 其次是金優(yōu)L2和準兩優(yōu)143, 湘早秈45號的相對變化值最小. 10 ℃處理后的POD活性的變化情況與12 ℃處理后的的基本一致, 即POD活性由大到小的順序是株兩優(yōu)120>金優(yōu)L2>準兩優(yōu)143>湘早秈45號. 6 ℃處理后, 金優(yōu)L2、準兩優(yōu)143和湘早秈45號幼苗的POD活性都比26 ℃下的低, 但下降幅度最大的是湘早秈45號, 其次是準兩優(yōu)143, 金優(yōu)L2下降幅度最小. 而株兩優(yōu)120則仍然比26 ℃下的高.

由表2可知, 在12 ℃、10 ℃和6 ℃條件下, 4個早秈稻品種(組合)幼苗的CAT活性都比各自在26 ℃下的高, 但相對變化率相差較大, 其中, 株兩優(yōu)120在3種低溫處理條件下的CAT活性相對變化值最大, 金優(yōu)L2和準兩優(yōu)143居中, 湘早秈45號的CAT活性的相對變化值最小.

上述結(jié)果表明, 4個早秈稻品種(組合)在12 ℃、10 ℃和6 ℃ 3種低溫脅迫下, 株兩優(yōu)120幼苗體內(nèi)均保持相對高的POD、CAT活性, 金優(yōu)L2和準兩優(yōu)143次之, 而湘早秈45號幼苗體內(nèi)的POD和CAT活性相對較低.

表1 低溫脅迫下早秈稻幼苗POD活性的變化

表2 低溫脅迫下早秈稻幼苗CAT活性

2.2 冷脅迫對早秈稻幼苗丙二醛含量和電解質(zhì)滲漏率的影響

植物在冷脅迫下的普遍反應(yīng)是自由基清除系統(tǒng)物質(zhì)(如POD、CAT等)的含量或活性下降, 膜脂過氧化產(chǎn)物(如丙二醛)含量上升, 電解質(zhì)滲漏率增加. 因此, 丙二醛(MDA)含量和電解質(zhì)滲漏率的變化可以反映植物遭受冷脅迫傷害的程度. 由表2可知, 在12 ℃、10 ℃和6 ℃條件下, 4個早秈稻品種(組合)幼苗的MDA含量和電解質(zhì)滲漏率的變化趨勢基本一致, 即隨處理溫度降低, 幼苗體內(nèi)的MDA含量增加, 組織電解質(zhì)滲漏率增大. 但4個早秈稻品種(組合)幼苗在相同低溫處理下的MDA含量和電解質(zhì)滲漏率與各自在26℃下的相比, 增加程度很不一致. 與各自在26℃下的MDA含量和電解質(zhì)滲漏率相比較, 在相同低溫處理下, 湘早秈45號的MDA含量和電解質(zhì)滲漏率的相對變化值最大, 其次是準兩優(yōu)143, 再次是金優(yōu)L2, 而株兩優(yōu)120的MDA含量和電解質(zhì)滲漏率的相對變化值最小. 綜上所述, 在冷脅迫下, 4個早秈稻品種(組合)幼苗體內(nèi)的MDA含量和電解質(zhì)滲漏率大小是: 湘早秈45號>準兩優(yōu)143>金優(yōu)L2>株兩優(yōu)120. 說明在相同冷脅迫條件下, 湘早秈45號幼苗遭受冷脅迫傷害的程度最大, 準兩優(yōu)143和金優(yōu)L2次之, 株兩優(yōu)120最小.

表3 低溫脅迫下早秈稻幼苗中丙二醛含量的變化

2.3 冷脅迫對早秈稻幼苗抗壞血酸、可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

冷脅迫傷害的主要特征是低溫對植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的破壞. 在冷脅迫條件下, 植物細胞產(chǎn)生自溶水解酶, 加速蛋白質(zhì)的分解過程, 造成蛋白質(zhì)缺乏. 而抗壞血酸是植物體內(nèi)普遍存在的一種抗氧化劑, 可降低或緩解植物因低溫造成的傷害. 因此, 在冷脅迫下, 植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、抗壞血酸含量的高低, 在一定程度上反映了植物的耐冷性的大小.

由表5可知, 4個早秈稻品種(組合)幼苗體內(nèi)的抗壞血酸含量與各自在26 ℃下的相比較, 經(jīng)12 ℃處理后, 株兩優(yōu)120、金優(yōu)L2和準兩優(yōu)143幼苗的抗壞血酸含量比對照的高, 其中以株兩優(yōu)120提高的幅度最大, 金優(yōu)L2次之, 準兩優(yōu)143提高的幅度最小, 而湘早秈45號則比對照的低. 在10 ℃和6 ℃下, 4個早秈稻品種(組合)幼苗抗壞血酸含量都比各自在26 ℃下的低, 下降幅度由大到小的順序是: 湘早秈45號>準兩優(yōu)143>金優(yōu)L2>株兩優(yōu)120. 說明12 ℃下4個早秈稻品種(組合)中, 株兩優(yōu)120和金優(yōu)L2(尤其是株兩優(yōu)120)幼苗受冷傷害的程度最小, 準兩優(yōu)143次之, 而湘早秈45號受幼苗冷傷害的程度最大.

表4 低溫脅迫下早秈稻幼苗電解質(zhì)滲漏率的變化

表6顯示, 在12℃下, 株兩優(yōu)120和金優(yōu)L2幼苗的可溶性蛋白質(zhì)含量比各自在26 ℃下的高, 且株兩優(yōu)120提高的幅度大于金優(yōu)L2, 準兩優(yōu)143和湘早秈45號幼苗的可溶性蛋白質(zhì)含量都比各自在26 ℃下的低, 但準兩優(yōu)143下降的幅度小于湘早秈45號. 在10 ℃和6 ℃下, 4個早秈稻品種(組合)幼苗的可溶性蛋白質(zhì)含量都比各自在26 ℃下的低, 下降幅度由小到大的順序是: 株兩優(yōu)120>金優(yōu)L2>準兩優(yōu)143>湘早秈45號.

綜上所述, 在冷脅迫下, 在供試的4個早秈稻品種(組合)中, 株兩優(yōu)120幼苗體內(nèi)保持相對高的抗壞血酸含量和可溶性蛋白質(zhì)含量, 抗冷性較強, 金優(yōu)L2和準兩優(yōu)143次之, 而湘早秈45號幼苗體內(nèi)的抗壞血酸含量和可溶性蛋白質(zhì)含量水平相對較低, 抗冷性相對較弱.

表5 低溫脅迫下早秈稻幼苗抗壞血酸含量的變化

表6 低溫脅迫下早秈稻幼苗可溶性蛋白質(zhì)含量的變化

3 討論

大量研究表明, 在正常情況下, 植物體內(nèi)自由基的產(chǎn)生和清除之間處于平衡狀態(tài), 自由基水平很低, 不會傷害細胞. 但在低溫冷害條件下, 自由基產(chǎn)生明顯增加, 而自由基清除量下降, 導致自由基積累. 當自由基的積累超過域值時, 就會引起膜脂過氧化, 結(jié)果丙二醛 (MDA) 含量上升, 電解質(zhì)滲漏率增加, 造成細胞酶保護系統(tǒng)的嚴重破壞[8-11]. 在水稻苗期如果遭遇冷害, 則導致秧苗失綠, 發(fā)僵, 分蘗減少, 秧苗枯萎甚至死苗等[12]. 因此, 在冷脅迫下, 水稻幼苗體內(nèi)過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)等保護酶活性, 抗壞血酸(AsA)、還原型谷胱甘肽(GSH)等抗氧化劑含量, 以及MDA含量和電解質(zhì)滲漏率等一系列生理生化指標的高低在一定程度上反映了水稻的抗冷性大小.

劉鴻先等[13]研究表明, 水稻幼苗中的SDS、POD、CAT活性隨溫度的降低而下降, 在耐冷性強的品種中其下降的程度小于耐冷性弱的品種. 同時GSH、AsA的含量也存在強耐冷品種的下降幅度小于耐冷性弱的品種的現(xiàn)象. 戴玉池等[14]研究發(fā)現(xiàn), 在相同低溫(6 ℃)脅迫條件下, 耐寒性強的品種金優(yōu)402無論是電解質(zhì)滲透率, 還是MDA的含量均低于耐寒性弱的品種新香優(yōu)63和9910, 而可溶性糖含量、總?cè)~綠素含量卻明顯高于新香優(yōu)63和9910. 王晨光等[15]研究表明, 低溫冷脅迫處理后, 抗寒性弱的品種黑粳7和龍盾94-652的POD活性顯著低于抗寒性強的品種合江19, 且細胞膜透性增加, 細胞電解質(zhì)滲透率大大增加. 傅泰露等[6]研究了5個不同類型水稻品種幼苗可溶性蛋白質(zhì)含量與品種存活率(即耐冷性)之間的關(guān)系, 結(jié)果顯示, 低溫(8-10 ℃)脅迫下耐冷性較強的品種(如岡優(yōu)527和岡優(yōu)202)幼苗可溶性蛋白質(zhì)含量高, 幼苗存活率也高; 反之, 耐冷性較弱的品種(如D優(yōu)128和汕優(yōu)63)幼苗可溶性蛋白質(zhì)含量低, 幼苗存活率也低. 可溶性蛋白質(zhì)含量相對值與品種的存活率(即耐冷性)呈極顯著正相關(guān).

水稻幼苗期耐冷性評價方法多以形態(tài)特征(如葉赤枯度)的主觀評價和分級為主,準確性不高. 所以, 常通過測定與抗寒性相關(guān)的生理生化指標來進一步完善耐冷性鑒定體系,并通過分析抗寒相關(guān)生理生化指標和形態(tài)特征之間的關(guān)系來提高鑒定的準確性, 達到抗寒性鑒定的目的. 冷脅迫下水稻形態(tài)發(fā)生的變化, 源于其體內(nèi)所發(fā)生的一系列生理上的變化, 因此, 本實驗選用6個常用的抗性生理指標作為早秈稻幼苗期抗冷生理指標, 與實際相符. 從本實驗采用的6個常見的抗寒生理指標的變化規(guī)律可見, 這6個指標皆呈規(guī)律性變化, 其中細胞電解質(zhì)滲透率的變化幅度最大, 是反映早秈稻幼苗抗寒性的最靈敏的指標. 綜合本實驗6個生理指標可見, 在低溫脅迫下, 4個供試早秈稻品種(組合)中, 兩系法雜交早秈稻株兩優(yōu)120幼苗體內(nèi)仍維持相對高的過氧化物酶和過氧化氫酶活性以及可溶性蛋白質(zhì)和抗壞血酸含量, 而丙二醛含量和細胞電解質(zhì)滲透率相對較低, 抗冷性最強, 其次為三系雜交早秈稻金優(yōu)L2和兩系法雜交早秈稻準兩優(yōu)143, 常規(guī)早秈稻湘早秈45號幼苗體內(nèi)的POD活性、CAT活性、可溶性蛋白質(zhì)含量及AsA含量最低, 而MDA含量及細胞電解質(zhì)滲透率最高, 其抗冷性最弱.

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Identification of chilling-tolerance physiology in different earlyrice seedings

XIAO Hui-hai , HAO Xiao-hua , WU xiao-hui , HOU jiao

(Department of Biology, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

In order to understand the physiological characteristics of chilling tolerance of 4 early indica rice varieties at seedlingstage, changes of 6 physiological indicators [peroxidase (POD) activity, catalase(CAT) activity, ascorbic acid(AsA) content, soluble protein content, malondialdehyde(MDA) content and electrolyte leakage rate ] of rice seedlings and the relations of them to cold-resistance ability from 4 earlyrice varieties were studied 4 days after 26 ℃(CK)、12 ℃、10℃ and 6℃ treatment by using phytotron. The results show that the early indica rice varieties Zhuliangyou 120 and Jinyou L2 are obviously higher than the early indica rice varieties Zhunliangyou 143 and Xiangzaoxian 45 in POD activities, CAT activities, AsA contents and soluble protein contents under the same low temperature stress, but are obviously lower than the earlyrice varieties Zhunliangyou 143 and Xiangzaoxian 45 in the MDA contents and electrolyte leakage rates. The above results indicate that the two-line hybrid combination Zhuliangyou 120 had the greatest chilling tolerance and less in descending order three-line hybrid combination Jinyou L2, two-line hybrid combination Zhunliangyou 143 and conventional variety Xiangzaoxian 45.

earlyrice; chilling-tolerance of seedlings; physionogical indicators; phytotron

S 511

1672-6146(2012)01-0046-05

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.01.013

2012-03-09

湖南省教育廳重點項目(09A066); 湖南省科技廳科技計劃項目(2008FJ3066); 常德市博士創(chuàng)新計劃重點項目(2010BS06)

肖輝海(1962-), 男, 博士, 教授, 主要從事植物發(fā)育生物學研究. E-mail: xxh-07@126.com

(責任編校: 譚長貴)