GA3、ABA和IBA对不同灌溉方式下水稻叶绿素荧光特性及产量构成的影响

屈 成，刘 芬，陈光辉，王 悦,2*

(1.湖南农业大学农学院, 湖南 长沙 410128； 2.水稻油菜抗病育种湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410128)

水稻是我国最主要的粮食作物之一，播种面积占全国粮食作物的1/4左右，约占粮食总产量的40%，其耗水量占全国总用水量的50%左右，占全国农业用水量的70%左右[1]。水稻在生长过程中若遭遇水分亏缺，将导致光合速率下降，干物质积累减少和产量下降，随着水分亏缺加重，植株损伤程度将不可修复，从而导致死亡[2]。传统灌溉模式不仅限制水稻高产潜力的挖掘，还会加剧农业用水的紧张程度，并且田间渗漏、地表排水等还会造成氮、磷等元素的污染[3]。因此，采用适宜的灌溉模式对保证我国粮食安全及农业可持续发展具有重要意义。

光合作用是水稻干物质生产和籽粒产量的主要来源，水稻70%-80%的灌浆物质来自抽穗后叶片的光合作用[4]。水稻叶片吸收的光能，主要以光化学电子传递和光合磷酸化转换为化学能，其余部分以荧光和热的形式耗散掉[5]。因此，在水稻生产实践过程中，可以用叶绿素荧光参数反映其光合效率的强弱，而光合系统II(PSII)是光合作用过程中进行光反应的重要结构[6]。叶绿素荧光参数可以快速、灵敏和无损伤地研究不同程度水分胁迫对光合作用的影响[7]，如在缺水条件下，大部分叶绿素荧光参数低于常规灌溉，水稻潜在光合活性、原初光能转化效率受到抑制[8]。在传统淹灌条件下，叶片光化学的启动和反应速率、光能利用效率和最大光合能力降低[9]。

激素在植物生长发育过程中起着重要作用，外源激素能够改变水稻内源激素的含量，缓解外界不同胁迫条件下对水稻生理代谢功能的损伤。范晓荣[10]等人研究表明，在淹水和干旱条件下，水稻叶片气孔开度与ABA含量密切相关，分蘖期ABA处理水稻叶片，能有效调节气孔的开闭。高志红[11]等人研究表明，外源GA3能改善水稻分蘖期水分胁迫的适应性，提高叶片含水量和叶绿素含量等生理指标。刘希财[12]等人研究表明，IBA能提高水稻秧苗素质等指标。苏爱娟[13]等人认为50 mg/L IBA能够提高光合色素含量，使Fv/Fm增加，气孔导度和蒸腾速率提高，从而提高光合作用。目前，不同灌溉方式下水氮、水密、水肥耦合、温室气体排放等研究较多，但在水稻叶绿素荧光方面研究较少，特别在外源激素对不同灌溉方式下水稻叶绿素荧光参数的影响，以及与产量指标相关关系的研究更是鲜有报道。为此，以南方稻作区具有代表性的淹水灌溉、干湿交替灌溉、干旱灌溉等3种灌溉方式作为研究对象，分析GA3、ABA和IBA在不同灌溉方式下水稻叶绿素荧光特性的差异及产量构成的相关关系，以明确GA3、ABA和IBA诱导水稻抗旱性的效果及其生理机制, 以期揭示水稻不同灌溉方式下的增产机理，为南方稻作区最优节水灌溉模式提供理论支撑和实践依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

试验材料为超级稻品种中嘉早17，由湖南农业大学水稻研究所提供。试验所用脱落酸(abscisic acid，ABA)、吲哚丁酸(indolebutyric acid，IBA)和赤霉素(gibberellin，GA3)购于Sigma公司。供试土壤采用湖南农业大学耘园试验基地的第四纪红壤，前茬作物为水稻，采集0～20 cm耕作层土壤，经风干、粉碎、混匀后，称取16 kg，用于盆栽试验。土壤基本理化性状为pH 5.52，全氮3.01 g·kg-1，有效磷14.18 mg·kg-1，速效钾143.6 mg·kg-1，有机质32.51 g·kg-1。

1.2 试验设计

试验于2017在湖南农业大学水稻研究所遮雨网室进行，于3月25号播种，4月23号移栽，将长势一致秧苗移栽到长×宽×高为54 cm×40 cm×25 cm的塑料盆内，每盆4穴，每穴5株，设置5个重复。试验设置3种灌溉方式：1) W1：淹水灌溉(continuous flooding irrigation, CFI)，即全生育期保持3～5 cm水层；2)W2：干湿交替灌溉(alternate wetting and drying irrigation, AWD)，即当土壤自然落干至饱和含水量的65%左右时，灌水3～5 cm，如此循环；3)W3：干旱灌溉(drying irrigation, DI)，即当土壤含水量为10%复水3～5 cm水层。在水稻分蘖期和孕穗期分别采用10 mg/L GA3、50 mg/L ABA、50 mg/L IBA进行喷施处理，喷施液中加入0.1%的吐温20，连续喷施3天，同时以喷施清水为对照处理。移栽前一次性施用396 kg/hm2复合肥(N+P2O5+K2O≥45%，15-15-15)作基肥，移栽七天后追施95 kg/hm2尿素，溶于水后浇灌。其他管理按湖南中部稻区高产栽培进行。

1.3 测定项目及方法

1.3.1叶绿素荧光动力学参数的测定

分别在水稻分蘖期和孕穗期选取主茎倒二叶，采用捷克FluorPen FP 100-MAX便携式叶绿素荧光仪测定水稻叶绿素荧光参数，每个处理3次重复。测定前首先将叶片暗适应20 min，再将仪器对准叶夹子(用于遮光)，抽开叶夹上的遮光片，饱和脉冲约3 000 μmol m-2s-1,光化光1 200 μmol m-2s-1，分别计算最大光量子效率Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm、实际光量子效率ФPSⅡ=(Fm’-Fs)/Fm’、非光化学猝灭NPQ=(Fm-Fm’)/Fm’、光化学猝灭qP=(Fm’-Fs)/(Fm’-F0) 、暗适应下的最小荧光F0等荧光参数。

1.3.2 水稻产量及产量构成分析

水稻收获期测量每穴有效穗数，并考察产量及产量构成因素，包括株高、穗长、有效穗数、每穗粒数、千粒重、结实率等指标。

1.4 数据处理与分析

运用Excel 2010软件对数据进行统计分析，以算术平均数来表征不同处理间相关指标的平均水平，用SPSS 12.0软件进行方差分析、显著性检验分析，用GraphPad Prism 5.0绘图。

2 结果分析

2.1 GA3、ABA和IBA对不同灌溉方式下水稻叶绿素荧光参数的影响

2.1.1 水稻PSⅡ最大光化学量子产量(Fv/Fm)的变化

Fv/Fm值能够反映PSⅡ吸收的光能用于还原QA的最大效率。由图1可知，分蘖期和孕穗期的Fv/Fm值在不同灌溉方式和激素处理下变化趋势一致，表现为W2>W1>W3，其中，在干旱条件下分蘖期和孕穗期的Fv/Fm值分别比干湿交替和淹水降低了1.3%、1.0%和6.5%、3.1%。不同激素处理之间比较发现，ABA在分蘖期和孕穗期均能显著提高Fv/Fm值，比对照增加1.9%和3.6%，而IBA在孕穗期淹水条件下的Fv/Fm值显著低于对照，为0.759，但其他处理条件下与对照均无显著差异。

2.1.2 水稻PSⅡ实际光量子效率(ФPSⅡ)的变化

ФPSⅡ能够反映PSⅡ吸收的光能用于还原QA的效率。由图2可知，三种灌溉条件下分蘖期和孕穗期的ФPSⅡ表现出一致的趋势，均以W2>W1>W3。相比对照，ABA、IBA和GA3处理均能提高分蘖期的ФPSⅡ，分别达2.1%、4.9%和4.1%；而孕穗期在W1和W2条件下，ABA、IBA均能显著降低了ФPSⅡ，分别达3.4%-3.8%和0.7%-2.1%。

图1 GA3、ABA和IBA对不同灌溉方式下水稻分蘖期(A)和孕穗期(B) Fv/Fm的影响Fig.1 Effects of GA3, ABA and IBA on Fv/Fm at the tillering stage (A) and booting stage (B) under different irrigation regimes in rice 注：不同小写字母表示处理间差异达到5%显著水平，下同。Note：Different lowercase letters indicate that the difference between treatments reaches a significant level of 5%, the same below.

图2 GA3、ABA和IBA对不同灌溉方式下水稻分蘖期(A)和孕穗期(B) ФPSⅡ的影响Fig.2 Effects of GA3, ABA and IBA on ФPSII at the tillering stage (A) and booting stage (B) under different irrigation regimes in rice

2.1.3 水稻非光化学猝灭(NPQ)与光化学猝灭(qP)的变化

NPQ和qP分别反映PSⅡ散热状况和PSⅡ反应中心开放比例。由图3可知，分蘖期水稻非光化学猝灭小于孕穗期，不同灌溉方式在分蘖期和孕穗期NPQ也表现W2>W1>W3的趋势。ABA、IBA在分蘖期和孕穗期均显著降低了NPQ，相比对照分别降低了18.5%-34.6%和10.7%-58.8%，而GA3处理在分蘖期和孕穗期的NPQ表现出一定的差异。由图4可知，GA3、ABA和IBA对不同灌溉方式下水稻分蘖期和孕穗期的qP影响表现出一定的趋势，均表现为W3>W1>W2。GA3处理后qP在分蘖期显著高于对照，在孕穗期与对照差异不大；而IBA处理均能显著提高qP，增加1.8%-2.1%，ABA与对照无显著差异。

图3 GA3、ABA和IBA对不同灌溉方式下水稻分蘖期(A)和孕穗期(B)NPQ影响Fig.3 Effects of GA3, ABA and IBA on NPQ at the tillering stage (A) and booting stage (B) under different irrigation regimes in rice

2.1.4 水稻初始荧光(F0)的变化

F0是PSⅡ反应中心处于完全开放时的荧光产量。由图5可知，初始荧光F0在水稻分蘖期大于孕穗期，增加了11.7%，就不同灌溉方式而言，F0在水稻分蘖期和孕穗期均表现为W3>W1>W2。GA3处理在分蘖期和孕穗期均能显著提高F0，分别达6.5%-12.8%和14.1%-21.2%；ABA和IBA则在分蘖期和孕穗期的W1和W3条件下与对照无显著差异，在分蘖期W2条件下，ABA能显著降低F0，达3.6%，而在孕穗期ABA和IBA相比对照，能显著提高F0，分别达5.7%-6.6%和3.6%-3.9%。

2.2 GA3、ABA和IBA对不同灌溉方式下水稻产量及产量构成的影响

2.2.1 对产量的影响

由表1可知，从产量上看，灌溉方式和激素处理对水稻处理的影响达显著水平或极显著水平，但互作效应不显著，灌溉方式上以W1处理最高，分蘖期分别较W2和W3增幅3%和46%，孕穗期分别较W2和W3增幅29%和49%，激素处理上以对照效果最佳，表现为CK>ABA>IBA>GA3；分蘖期和孕穗期在灌溉方式和激素互作上发现产量以W1结合IBA处理较高，达80.89 g/盆，而分蘖期处理产量总体高于孕穗期。

图4 GA3、ABA和IBA对不同灌溉方式下水稻分蘖期(A)和孕穗期(B)qP影响Fig.4 Effects of GA3, ABA and IBA on qP at the tillering stage (A) and booting stage (B) under different irrigation regimes in rice

图5 GA3、ABA和IBA对不同灌溉方式下水稻分蘖期(A)和孕穗期(B) F0的影响Fig.5 Effects of GA3, ABA and IBA on F0 at the tillering stage (A) and booting stage (B) under different irrigation regimes in rice

2.2.2 对产量构成的影响

由表1可知，分蘖期和孕穗期不同灌溉方式对有效穗的影响均没有达到显著水平，但均以W1条件下有效穗最多，外源激素在分蘖期和孕穗期表现出生育期差异，在分蘖期表现为CK>ABA>IBA>GA3，孕穗期表现为IBA>CK>GA3>ABA，灌溉方式和激素互作效应对有效穗的影响不显著，在孕穗期W3下GA3处理有效穗最多，为12穗/株，在分蘖期处理下以W3处理下以CK最高，为14穗/株。分蘖期不同灌溉方式和孕穗期外源激素处理显著影响每穗粒数，每穗粒数在不同灌溉方式和激素处理表现出生育期差异，分蘖期处理以W1>W2>W3，ABA>CK>IBA>GA3，孕穗期处理以W1>W3>W2，IBA>CK>ABA>GA3，灌溉方式和激素互作效应对每穗粒数影响不显著。灌溉方式和外源激素对结实率的影响均达显著水平，孕穗期灌溉方式和激素处理互作效应对结实率的影响也达显著水平，分蘖期和孕穗期对结实率的影响一致，都表现为W2>W1>W3,ABA>CK>IBA>GA3，孕穗期W3能降低结实率，且ABA提高结实率的作用相比分蘖期更显著。分蘖期不同灌溉方式和外源激素对千粒重的影响达显著水平，孕穗期不同灌溉方式对千粒重影响显著和外源激素对千粒重影响则不显著，但分蘖期和孕穗期总体趋势都表现为不同灌溉方式均以W2>W1>W3，不同外源激素均以ABA>CK>IBA>GA3。

表1 GA3、ABA和IBA对不同灌溉方式下水稻分蘖期和孕穗期产量构成的影响Tab.1 Effects of GA3, ABA and IBA on the yield components of rice in the tillering and booting stages under different irrigation regimes

注：同栏内同列数据后标有不同字母表示在5%水平上差异显著，*，**分别表示在0.05 和0.01水平上差异显著。W：灌水方式；V：激素种类；W×V：灌水方式和激素种类互作。
Note: Values with a column followed by different letters are significantly different atP<0.05;*, ** Significantly different at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. W: Irrigation method;V: phytohormone types； W×V: Water-densit interaction.

2.2.3 对株高和穗长的影响

从株高上看，分蘖期和孕穗期处理对株高的影响差异明显，分蘖期不同灌溉方式、外源激素及两者的互作效应均呈极显著影响株高，孕穗期不同激素处理对株高影响呈极显著，分蘖期表现为W3>W2>W1，GA3>ABA>IBA>CK，孕穗期表现为W2>W3>W1，GA3>CK>IBA>ABA。综合来看，在分蘖期以W3条件下结合ABA最高为99.61 cm，孕穗期以W3结合GA3最高，为96.75 cm。不同灌溉方式、外源激素及两者的互作效应对穗长影响均不显著，分蘖期W3和W1处理穗长均低于孕穗期，而分蘖期W2处理穗长高于孕穗期，不同外源激素在两时期对穗长有促进作用，GA3、ABA分别在分蘖期和孕穗期提高3.8%和3.3%、2.4%和0.4%。

3 讨论

水稻叶绿素含量及叶片冠层结构变化等会影响植物光系统PSⅡ对光能的吸收及利用[13,14]。已有研究表明，Fv/Fm、ΦPSⅡ、NPQ和qP受抑制程度与水分胁迫呈显著相关，因此，可实现水分胁迫下叶绿素荧光参数变化对水稻进行监测[15,16]。本研究表明，干旱胁迫下分蘖期和孕穗期均能降低Fv/Fm、ΦPSⅡ和NPQ，提高qP和F0，说明水稻在遭受干旱时，实际光化学效率受到严重抑制，使光合传递速率和光合同化速率下降，光合效率减弱，这与前人的研究结果一致[17,18]。因此，虽然干湿交替灌溉下水稻光合作用被抑制，但没有导致光合机构受损或者不可逆失活[19]，Fv/Fm、ΦPSⅡ和NPQ等参数会逐步回升，但回升之后与淹水灌溉相比依然较低[20]，可能与植株受到胁迫复苏后的自身修复机制有关。

水稻产量由单位面积有效穗、每穗粒数、结实率和千粒重构成。王成瑷等人研究表明，干旱灌溉会降低光合作用，但可增加千粒重与结实率，孕穗期是水分亏缺最敏感的时期[21]，本试验表明，分蘖期干旱可通过降低功能叶片的PSⅡ最大光化学量子产量、实际光量子效率，减少了营养器官的有机物向生殖器官转移，对结实率影响较大，孕穗期水分亏缺灌溉对光化学淬灭系数和初始荧光影响较大，并容易降低单株有效穗和穗粒数。目前，对于干湿交替对水稻增产稳产的报道不一致。张玉屏[22]等人研究表明分蘖期干湿交替灌溉水稻是最节水的生育时期，并能增加每穗粒数，提高平均单产。Tabbal[23]等人研究表明干湿交替能增加水分生产力，随着水分投入越少，减产越明显。本试验结果表明干湿交替灌溉能够降低有效茎蘖数和每穗粒数，提高千粒重和结实率，但增加的籽粒充实度不足以弥补单位面积穗粒数的损失，最终造成减产。本研究还表明，在分蘖期和孕穗期，10 mg/L GA3、50 mg/L IBA对水稻生长及产量形成都具有不利影响，这可能是因为GA3、IBA不仅影响了植物內源激素的合成、运输与代谢[24]，还影响了籽粒灌浆过程中的酶活性、茎鞘物质转运等方面调控水稻产量[25]。杨建昌[26]等人认为，GA3处理后，ABA与GA3的比值减少及淀粉合成酶的活性降低、淀粉含量减少，最终降低了产量。50 mg/L ABA 在淹水条件下产量与对照差异不大，在水分亏缺的条件下，同比增加水稻产量，这与外源ABA作用增加了籽粒中內源ABA含量，抑制了淀粉水解酶的活性等[27]，从而增加千粒重和结实率。