孕穗期干旱及复水对水稻叶片生理生化和产量的影响

陈亮　汪本福　江元元　曹凑贵，　李萍，（华中农业大学植物科学技术学院，武汉　430070；长江大学主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心，湖北　荆州　43403；第一作者：03400479@qq.com；通讯作者：sleep0@mail.hzau.edu.cn）



孕穗期干旱及复水对水稻叶片生理生化和产量的影响

陈亮1汪本福1江元元1曹凑贵1，2李萍1，2*
（1华中农业大学植物科学技术学院，武汉430070；2长江大学主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心，湖北荆州434023；第一作者：1013400479@qq.com；*通讯作者：sleep1022@mail.hzau.edu.cn）

摘要：现有关于水稻干旱胁迫期间各项生理生化指标的变化和对叶片细胞的伤害机理方面的研究已经比较丰富和全面，但是对于干旱胁迫结束复水后的生理变化研究却较少。本文以水稻品种中旱3号和黄华占为材料，在孕穗期进行淹水、轻度干旱、中度干旱和重度干旱4个处理，研究了干旱胁迫对水稻叶片生理生化性状（光合作用和抗氧化酶活性等）和产量的影响。结果表明，中度和重度干旱使水稻叶片光合速率下降12.9%～43.9%，这主要与气孔导度变化有关；处理结束复水后，中旱3号的生理生化指标均能恢复到正常水平，而黄华占在重度干旱后，其光合速率、气孔导度以及抗氧化酶活性不能再恢复；干旱处理导致水稻产量降低14.3%～47.9%，主要是由于有效穗数和结实率的降低。

关键词：水稻；孕穗期；干旱胁迫；生理生化性状；产量

随着气候的变化，水稻在其生育期内遭受干旱胁迫越来越频繁，而且越来越严重，当水稻植株受到干旱胁迫时，其叶片会产生应答措施，比如叶片气孔关闭，减少蒸腾，光合作用减弱，叶绿素分解等［1-3］，而且细胞内会产生一系列活性自由氧等有毒物质，发生膜脂过氧化作用，其产物MDA含量的增加会损害细胞，而这些物质也会激发体内SOD、POD和CAT等抗氧化保护酶的大量增加来清除有毒物质。但是这些保护机制都是有限的，当发生严重干旱时，其调节能力会消失。大量研究证明，当干旱胁迫结束后复水，叶片的一些生理生化指标会迅速恢复，甚至有些会产生补偿效应［4-8］。对水稻叶片生理生化的影响会影响水稻的正常生长和发育，进而影响最终的籽粒产量，导致减产［9-12］。

虽然对于水稻干旱胁迫期间各项生理指标的变化和对叶片细胞的伤害机理方面的研究比较丰富和全面，但是对于干旱胁迫结束复水后的生理变化研究却较少，而且研究结果也不一致，特别是造成这些生理变化的机理还不清楚；对干旱导致水稻产量减少的原因分析不够深入，而且由于材料和环境以及干旱胁迫程度的不尽相同，减产幅度和减产原因也不太一致。本文将进一步研究干旱胁迫及复水措施对水稻叶片生理生化和籽粒产量的影响，旨在明确干旱胁迫下叶片生理生化的变化规律以及产量变化规律，为水稻抗旱机理提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验地点与供试材料

试验于2014年5月至11月在华中农业大学网室内（湖北武汉）进行。供试材料为中旱3号和黄华占，中旱3号为粳型常规旱稻，抗旱性3级，属于强抗旱性水稻品种；黄华占为籼型常规水稻，属于弱抗旱性水稻品种。供试土壤为水稻土，黏壤土，全氮0.46 mg/g，全钾0.72 mg/g，全磷0.47 mg/g，速效磷32.7 mg/kg，有机质15.2 mg/kg，pH值6.37。

1.2试验设计

试验采用盆栽种植，盆高29 cm，底部直径26 cm，盆面直径31 cm。设3个干旱胁迫处理水平，分别为轻度干旱胁迫（LD）、中度干旱胁迫（MD）和重度干旱胁迫（HD），以淹水灌溉为对照（CK）。每个处理12次重复，共3×4×12=144盆。控水前水分管理同对照，保持1～3cm水层，开始控水的前1d傍晚倒掉桶内积水，胁迫开始后停止浇水，视天气情况，每天测定2次体积含水量，当体积含水量接近或超过该胁迫程度体积含水量的下限时即补水，并维持此水分胁迫程度直到生育期结束并复水。控水范围为：轻度干旱胁迫（土壤饱和含水量的80%～90%）、中度干旱胁迫（65%～75%）和重度干旱胁迫（50%～60%）。土壤体积含水量由英国Delta-T Devices公司生产的HH2水分仪测得，探头长6 cm，所测土壤体积含水量范围通过土壤饱和含水量范围与土壤容重计算得出。表1是各水稻品种在不同时期的具体控水时间。

每盆装土沙混合物12.5 kg，土沙质量比为5∶1，每盆施复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）10 g作基肥，在水稻分蘖期和抽穗开花期每盆追施尿素1 g。育秧采用秧田水育秧，5月25日播种，6月10日移栽，每盆定植大小一致的秧苗3株，带土移栽。在干旱胁迫处理前和处理后统一管水，采用浅水层-湿润交替灌水模式。实时实地观察水稻病虫草害等发生情况，及时除草打药。

表1　干旱处理的具体时间

表2　不同干旱处理下叶片生理生化的比较

1.3测定项目与测定方法

1.3.1生理生化性状

光合参数（光合速率、气孔导度）测定：在测量日的9∶00-11∶00，采用LI-6400 XT光合仪，开放气路，人工光源，样本室内气流速率为500 μmol/s，光强设定为1500 μmol/（m2·s），选具有代表性的完全展开剑叶，其中在孕穗期处理选取倒2叶，测定叶的最宽部，计算出叶室内叶片面积，每处理测量3盆，每盆测量3次。

叶绿素含量（SPAD值）测定：手持SPAD仪，选具有代表性的完全展开剑叶，其中在孕穗期处理选取倒2叶，测定叶的最宽部，每处理测量3盆，每盆测量3次。

MDA、SOD、POD和CAT测定：参照王学奎的方法测定［13］。

测量或取样时间：以上生理生化指标均在处理结束前、复水后16 d、21 d和26 d分别测量或取样，其中抗氧化酶活性取样是在复水后26 d，中旱3号光合参数测定是在复水后26 d，黄华占则在复水后16 d、21 d 和26 d测量，SPAD值也在复水后16 d、21 d和26 d测量。取倒2叶，先用液氮处理，之后存入-80℃超低温冰箱中，每个处理取3盆，每盆取3片剑叶，每盆所取叶片测3次重复。

1.3.2产量及产量构成

在成熟期，将每个稻穗轻轻取回室内对每个穗子进行考察，每个处理取3盆进行考察，考察项目有一次枝梗数和二次枝梗数，一次枝梗实粒数、空秕粒数，二次枝梗实粒数、空秕粒数，并对实粒进行称重和水分计算，然后分别将其装入已经标记好的信封袋，晾晒后保存，3个月之后对其进行稻米品质测量。

1.4数据处理与分析

采用Excel 2007和SPSS 17.0进行数据计算和差异性分析。

2　结果与分析

2.1不同处理的叶片生理生化特性比较

由表2可知，在中度和重度干旱胁迫条件下，水稻叶片的光合速率均比对照显著降低，中旱3号分别比对照低32.0%和34.6%，黄华占分别比对照低19.1%和43.9%。对于气孔导度来说，在中度干旱胁迫条件下，抗旱性水稻品种中旱3号的叶片气孔导度没有发生显著变化，而弱抗旱性水稻品种黄华占则出现了显著下降，下降幅度达到37.2%；在重度干旱胁迫条件下，2个水稻品种叶片的气孔导度均比对照显著降低，幅度分别达19.3%和69.4%。在中度干旱胁迫条件下，抗旱性品种中旱3号叶片SPAD值有下降的趋势，但与对照差异不显著，弱抗旱性品种黄华占则显著下降；而在重度干旱胁迫条件下，2个品种的SPAD值均显著下降。

从表2可以看出，抗旱性品种中旱3号叶片SOD活性不同处理之间差异显著；弱抗旱性品种黄华占只有重度干旱胁迫时叶片SOD活性才显著高于对照。在重度干旱胁迫条件下，2个品种叶片POD活性显著升高，分别比对照升高24.2%和57.5%。与对照相比，2个品种叶片CAT活性在中度和重度干旱胁迫条件下均达到显著差异。在不同干旱处理下，抗旱性品种中旱3号叶片MDA含量没有显著变化，而弱抗旱性品种黄华占在中度和重度干旱处理下MDA含量显著升高，说明其细胞膜受到损害。

表3　不同干旱处理复水后（26 d）叶片生理生化的变化

2.2不同干旱处理复水后水稻生理生化特性的变化

从表3和图1至图3可以看出，在处理结束复水后，抗旱性品种中旱3号不同处理下叶片的各项生理生化指标与对照没有显著差异，说明干旱对其造成的影响复水后会逐渐消失，但是对于弱抗旱性品种黄华占来说，重度干旱处理下叶片光合速率、气孔导度、SOD活性、POD活性和CAT活性始终与对照有一定差距，不能恢复到正常状态。说明重度干旱对黄华占叶片的生理损害具有永久性，但是其叶绿素含量和MDA含量能恢复，说明其永久性损害并不是致命的。

2.3干旱处理下籽粒产量及构成因子的比较

由表4可知，在中度和重度胁迫条件下产量均比对照显著下降。其中，中旱3号中度和重度干旱处理分别下降17.4%和34.1%，黄华占则分别下降14.3%和47.9%；轻度干旱则没有显著差异。从产量构成因子来看，单株有效穗数和结实率显著下降，其中，中旱3号轻度、中度和重度干旱胁迫处理单株有效穗数分别下降16.1%、17.1%和28.1%，中度和重度干旱处理结实率分别下降10.2%和11.3%。黄华占中度和重度干旱处理单株有效穗数分别下降15.8%和29.7%，重度干旱胁迫结实率则下降34.6%。说明孕穗期干旱处理产量下降主要是由单株有效穗数和结实率下降引起的。

图1　干旱复水后不同处理下黄华占叶片光合速率的变化

图2　干旱复水后不同处理下黄华占叶片气孔导度的变化

图3　干旱复水后不同处理下叶片SPAD值的变化

表4　不同干旱处理下水稻产量的对比

表5　不同干旱处理对水稻一次枝梗的影响

表6　不同干旱处理对水稻二次枝梗的影响

表7　干旱处理条件下水稻产量与生理生化指标的相关性分析

由表5和表6得知，对于一次枝梗，中旱3号重度干旱处理每穗实粒重比对照减少11.3%，中度和重度处理结实率比对照分别减少12.4%和13.6%；黄华占重度干旱处理每穗实粒重和结实率分别比对照减少40.5%和32.5%。对于二次枝梗，中旱3号中度和重度干旱处理二次枝梗每穗实粒重分别比对照减少18.8% 和23.4%，每穗枝梗数减少5.8%和8.3%；黄华占轻度、中度和重度干旱处理每穗实粒重分别比对照减少17.6%、41.2%和43.1%，中度和重度干旱处理每穗枝梗数分别减少18.9%和38.4%。以上说明孕穗期干旱对穗部一、二次枝梗均有不同程度的影响，对一次枝梗的影响主要是结实率的下降，对二次枝梗的影响主要是每穗枝梗数的下降。

2.4相关性分析

由表7可以看出，产量与各项生理生化指标均没有显著的相关性，即在孕穗期干旱对产量的影响与叶片没有显著的关系。叶片的光合速率与气孔导度呈极显著正相关，这从很大程度上能够说明干旱导致光合速率下降的主要原因是气孔因素。另外，叶片的光合速率与SOD活性呈极显著负相关，这说明除了气孔因素之外还有非气孔因素的存在。

3　结论

本研究结果表明，中度和重度干旱处理均显著降低了2个水稻品种叶片的光合速率，而轻度干旱处理则没有显著变化，这与大部分学者的研究结果一致。叶绿素含量和叶片气孔导度与叶片光合速率大小有很大的关联性［4-5，13-14］，通过对本试验条件下各生理生化指标的相关性分析，笔者也得出在两个时期进行干旱处理水稻光合速率与气孔导度呈极显著正相关的结论。

大部分学者的研究都表明，随着干旱程度的加重，水稻叶片抗氧化酶活性先升高清除有毒物质自由氧而后系统崩溃下降，并且抗旱性的品种抵抗能力比弱抗旱性品种强［6，15-17］。而在本试验条件下，干旱使SOD、POD和CAT活性升高，耐旱性品种也表现出较好的抵御能力，但是并没有出现活性下降的情况，这可能因为干旱程度或者时间不够，也可能与干旱时湿度较大有关。另外，本研究表明，在两个时期干旱处理下水稻的MDA含量均没有显著变化，这与大部分的研究结果相悖，很多研究结果都表明干旱会使MDA含量增加，细胞膜受到损害，并且与品质的抗旱性负相关［6，17］，这可能是因为干旱程度没有达到使细胞受损的程度。

本试验对2个不同抗旱性水稻品种干旱及复水后光合速率和气孔导度的变化研究得出，不耐旱品种黄华占在重度干旱胁迫下光合速率和气孔导度不能恢复到对照水平，叶绿素含量在不同品种不同干旱处理及复水后均能够恢复到对照水平。这与大部分人的结论一致。对于补偿趋势没有达到显著水平可能是由于复水后，取样和测量时间延后导致处理与对照之间的差异随着时间的延长而消失。不耐旱品种黄华占在孕穗期重度干旱处理及复水后抗氧化酶活性不能恢复到对照水平，这与陈小荣等［18］的研究结果一致。中旱3号在不同干旱处理及复水条件下抗氧化酶活性均能恢复到对照水平，这与王泽杰等［19-20］的研究结果一致。

本试验研究结果表明，在孕穗期干旱导致减产的主要原因是有效穗数和结实率的下降，这与汪妮娜等［21］的结果较为相似。本试验过程中，在孕穗期水稻茎蘖数最高峰时期已过进入到定穗阶段，而且由于在处理时期连续阴雨天气使得植株生长缓慢，定穗过程被延长，此时干旱处理可能使一些原本会成为有效穗的小穗枝梗和颖花退化或者花粉败育不能正常受精导致大量空粒而成为无效穗［22-24］，使有效穗数减少。由于有效穗数的减少，植株原本用在减少茎蘖部分的水分将用在剩余的茎蘖穗的生长上，这可能会缓解植株的旱情，使得每穗粒数没有受到显著的影响。对一、二次枝梗的继续分析发现，一次枝梗的结实率下降，枝梗数和枝梗粒数等均没有显著变化，而二次枝梗的结实率没有显著变化，枝梗数却减少了。这很可能是因为干旱导致减数分裂受到影响而使花粉败育，继而使空粒增多，二次枝梗的退化则加速了结实率的下降。在对灌浆期水稻叶片生理生化指标的测量中笔者发现，除了黄华占在重度干旱处理下，其他干旱处理并没有造成叶片光合能力的下降，这就保证了水稻在后期灌浆中“源”没有受到影响，即使黄华占在重度干旱胁迫下叶片光合能力受损，但由于受精籽粒库容小，所以叶片的“源”能够满足籽粒库容所需，这可能也是干旱对千粒重没有显著影响的原因。

4　讨论

在本试验条件下，孕穗期干旱使水稻叶片光合速率下降，气孔关闭，叶绿素分解，抗氧化酶活性升高，MDA含量升高，细胞受损。不同抗旱性水稻品种叶片生理生化反应不同。在干旱结束复水后，弱抗旱性水稻在重度干旱条件下可能会出现部分生理生化指标不能恢复到正常状态，而在孕穗期干旱导致减产的主要原因可能是有效穗数和结实率的降低。

由于本次试验只有1年，而干旱复水后叶片的生理生化反应又是一个相互关联的复杂过程，因此，对于干旱复水后水稻叶片生理生化的变化规律和机理需要深入的长期的定位研究。另外，对于干旱导致减产的原因还要从穗部结构进行深入的研究。

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Effects of Drought and Re -watering on Rice Physiological and Biochemical Indexes of Leaves and Grain Yield at Booting Stage

CHEN Liang1，WANG Benfu1，JIANG Yuanyuan1，CAO Cougui1，2，LI Ping1，2 *
（1College of Plant Science and Technology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China；2Hubei Collaborative Innovation Center for Grain Industry，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434023，China；1st author：1013400479@qq.com；*Corresponding author：sleep1022@mail.hzau.edu.cn）

Abstract：Although the study on drought damage mechanism of leaf cells and physiological and biochemical indexes of rice is rich and comprehensive，the study on the subsequent physiological changes after re-watering is still less.In this study，two rice varieties with different drought resistance ability，Zhonghan3（resistant）and Huanghuazhan（non-resistant），were used.Four treatments including flooding（CK），low drought stress（LD），moderate drought stress（MD）and high drought stress（HD）were implemented at booting stage.The effects of drought stress on rice leaf physiological and biochemical traits（photosynthesis，GS，SPAD，antioxidant enzyme activity，and MDA）and grain yield were studied.The main results are as follows：1）In MD and HD treatments，Pn of rice leaves decreased by 12.9%～43.9%which mainly related to Gs，while LD treatment have no significant difference in physiological and biochemical traits of leaf compared to CK.2）After re-watering，all indices of leaf physiology and biochemistry for Zhonghan 3 could return to normal status under all treatments，whereas in Huanghuazhan，the target traits under LD and MD treatments could return to normal，and the HD influence could not recover after re-watering.3）Drought stress made grain yield reduced by 14.3%～47.9%which mainly caused by the significant reduction of effective panicles and seed setting rate.

Key words：rice；booting stage；drought stress；physiological and biochemical traits；grain yield

中图分类号：S511.071

文献标识码：A

文章编号：1006-8082（2016）01-0059-06

收稿日期：2015－09－25

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20130146120033）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2014QC026）