水稻脆莖突變體細胞壁組分與莖稈力學性能的研究

汪清焰，劉斌美，楊 陽，葉亞峰，任 艷，吳躍進

(1. 中國科學院 合肥物質科學研究院 技術生物與農業工程研究所，合肥 230031；2. 中國科學技術大學，合肥 230026)

脆莖突變是指植物在生長過程中其莖稈脆性增加的一種突變類型，其中以水稻的脆莖突變較為經典。脆莖突變對水稻有諸多優勢，首先脆莖突變會使水稻莖稈變脆易于破碎還田，減少農民因秸稈不易處置而直接就地焚燒的現象發生；其次是脆莖突變使得水稻莖稈纖維素相對含量降低，半纖維素和木質素相對含量升高，水稻莖稈的營養成分結構因此發生改變，從而有望成為一種適合反芻動物食用的新型飼料來源[1-2]；此外，脆莖突變能調控水稻的株高和莖粗壁厚，而水稻倒伏現象的發生主要與水稻的株高、節間長、莖粗以及壁厚等性狀有關[3-4]，這些性狀的差異使得水稻莖稈的抗折力、機械強度等力學性能發生一定的改變[5-6]，從而實現脆而不倒。將脆莖突變體水稻培育成谷稈兩用的經濟型作物，實現資源高效利用，對于綠色農業發展具有重要意義[7]。如何有針對性的選育脆莖突變體水稻，是本研究的研究目標。

本研究圍繞粳稻品種武運粳7號(野生型)以及重離子輻照背景下篩選的11個脆莖突變體材料開展研究，分析脆莖突變體材料相對其野生型在農藝性狀、莖稈細胞壁成分、相關力學性能等方面的差異，以期為進一步解析脆莖突變體的脆性機制提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

重離子輻照篩選得到的武運粳水稻脆莖突變體品種(wyj1、wyj2、wyj3、wyj4、wyj5、wyj6、wyj7、wyj8、wyj9、wyj10和wyj11)以及其野生型親本(wyjCK)，材料均種植于中科院合肥物質科學研究院技術生物與農業工程研究所分子育種實驗基地(117°9′E，31°54′N)。

1.2 方法

1.2.1 農藝性狀考察

從田間取回所需的水稻材料，每種材料取5株，考察株高、有效穗數、平均穗長、千粒重以及結實率[8]。

1.2.2 折斷試驗

將新鮮水稻材料莖鞘分離，徒手對莖稈進行折斷處理，觀察莖稈斷裂情況。

1.2.3 細胞壁成分測定

將水稻莖鞘分離，并將莖稈在105 ℃殺青2 h后轉至80 ℃烘6 h至絕干，再用旋風磨粉機磨成過40目篩的粉末，然后用范式(Van Soest)洗滌法[9]測定水稻莖稈細胞壁的纖維素、半纖維素、木質素以及灰分的相對含量。

1.2.4 莖稈力學性能測定

采用楊惠杰等[10]的方法，選取新鮮水稻莖稈中間段各10份，放置相距6 cm的支架上，用數顯式拉壓力計將莖稈壓至斷裂，記錄下拉壓力計上力的峰值，即為莖稈的抗折力。

將新鮮水稻莖鞘分離，并將莖稈夾持在萬能力學試驗機上，啟動萬能力學試驗機進行拉伸力的測定，并計算拉應力(拉伸力與截面積之比)。

1.2.5 莖稈彎曲強度計算

為了將莖稈抗折力與莖稈的直徑和壁厚兩個因素聯系起來，來表現單位橫截面積下不同品種所受力的大小，采用如下公式計算莖稈的彎曲強度[11]，測定原理示意圖見圖1:

圖1 水稻莖稈抗折力測定原理圖

其中：Mmax為B點的最大彎矩，N·m；Wz為水稻莖稈的截面系數；FA為支撐點A所承受的力，N；F為O點承受的力，即莖稈的抗折力，N；L為支撐點A、B之間的距離，mm；a為支撐點A與O點的距離，mm；D分別為水稻莖稈的外徑，mm；α為水稻莖稈內外徑之比。

1.2.6 分析方法

采用SAS 8.0對試驗數據進行差異性分析。

2 結果與分析

2.1 成熟期水稻表型觀察及農藝性狀

從圖2和表1可以看出，突變體材料的株高范圍在66.73 ～92.59 cm，低于野生型水稻的94.91 cm；突變體和野生型水稻的有效穗數、結實率、千粒重以及平均穗長沒有明顯大小關系，各品種之間互有差異，可以根據生產需要來選育所需的突變體材料。

各圖左側植株均為野生型(wyjCK)，右側植株分別為(A)wyj1、(B) wyj2、(C) wyj3、(D) wyj4、(E) wyj5、(F) wyj6、(G) wyj7、(H)wyj8、(I) wyj9、(J) wyj10、(K) wyj11和(L)wyjCK

圖2野生型和脆莖突變體水稻植株株高比較

Figure 2 Comparison of the plant height of wild-type and brittle mutants

2.2 水稻莖稈折斷情況

由圖3可以看出，野生型水稻(A)的莖稈只有折痕而沒有斷裂，而其他幾個脆莖突變體材料(B～L)則呈現不同的斷裂狀態，可知脆莖突變體水稻更加容易折斷，突變體水稻的莖稈脆性大于野生型水稻。

各品種依次為野生型(A)wyjCK和11種脆莖突變體(B)wyj1、(C) wyj2、(D) wyj3、(E) wyj4、(F) wyj5、(G) wyj6、(H) wyj7、(I)wyj8、(J) wyj9、(K) wyj10和(L) wyj11

圖3水稻野生型和脆莖突變體莖稈折斷情況

Figure 3 The broken stems of wild-type and brittle mutants

2.3 成熟期水稻莖稈抗折性能與莖稈成分

從表2可以看出，突變體材料莖稈纖維素相對含量范圍為16.99%～24.46%，低于野生型水稻的25.60%，半纖維素相對含量(19.40%～25.24%)高于野生型水稻(15.68%)，木質素和灰分則有不同程度的差異，并且野生型水稻莖稈抗折力和彎曲強度明顯比突變體材料大。

表1‘武運粳7號’野生型與其脆莖突變體的農藝性狀對比

注：同列帶有不同字母的數值具有顯著差異(P<0.05)；下同

表2 野生型和脆莖突變體水稻莖稈成分和力學性能

圖4水稻莖稈成分含量與彎曲強度的關系

Figure 4 Relationship between stem components and bending strength

圖4表明：彎曲強度與莖稈細胞壁中的纖維素相對含量呈顯著的正相關，相關系數R=0.9342，與半纖維素、木質素和灰分的相對含量沒有明顯的相關關系。這說明隨著水稻莖稈細胞壁纖維素相對含量減少，其莖稈的彎曲強度也減小，莖稈變得更脆。

圖5表示的是水稻莖稈各節間拉應力與纖維素含量的線性關系。從圖5可以看出，水稻莖稈各節間均與纖維素含量呈較明顯的正相關關系，相關系數分別為R1=0.8475，R2=0.9212，R3=0.8791，R4=0.9203；這也證明了莖稈細胞壁組分中的纖維素含量在一定程度上決定著莖稈力學性能的強弱。

圖6表示的是水稻莖稈經過范式法洗滌之后不溶性物質(纖維素、半纖維素、木質素和灰分)和可溶性物質所占比例之和?？梢钥闯鲆吧退厩o稈中不溶性物質的含量(49.33%)比突變體水稻低(50.05%～57.87%)，剩余部分則是莖稈中的可溶性物質(包括脂肪、淀粉和可溶性糖等物質)，可知野生型水稻莖稈中可溶性物質的含量(50.67%)比突變體水稻(42.13%～49.95%)高，而野生型水稻的力學性能比突變體材料好，這意味著莖稈力學性能與莖稈中填充的可溶性物質有一定的關系[12]。

D1、D2、D3、D4分別為水稻莖稈的倒一節、倒二節、倒三節和倒四節

圖5莖稈拉應力與纖維素含量的關系

Figure 5 Relationship between stem tensile stress and cellulose content

同一成分帶有不同字母的數值具有顯著差異(P<0.05)

圖6‘武運粳7號’野生型及其脆莖變突體莖桿成分

Figure 6 Stem components in the wild-type and brittle mutants of ‘Wuyunjing 7’

3 討論與結論

本研究得出了‘武運粳7號’突變體材料莖稈變脆與細胞壁組成成分有關，將彎曲強度和拉應力等力學性能指標與纖維素含量做線性分析，結果表明莖稈彎曲強度和拉應力與其細胞壁纖維素的相對含量呈顯著正相關。在細胞壁結構中，纖維素、半纖維素和木質素等成分起到了維持細胞形態的作用，并賦予了一定的力學性能，其中纖維素是細胞壁的核心組成部分。對于水稻莖稈來說，纖維素直接影響到整個莖稈的力學性能，但從細胞的整體性來考慮，脆稈水稻莖稈力學強度降低也可能是與莖稈粗纖維含量減少，纖維細胞壁變薄有關[13]，而纖維素含量的變化也可能與之有關。

本研究還發現野生型水稻莖稈細胞壁中半纖維素含量要比所有的突變體水稻低，雖然與莖稈的力學性能沒有明顯的線性關系，但不意味著半纖維素的含量與莖稈脆性沒有關系，或許跟半纖維素、木質素與纖維素的氫鍵結合水平程度有關[14]。此外，用范式法測定莖稈細胞壁組分的過程中發現突變體水稻洗滌出來的可溶性物質較野生型少，這可能與莖稈的充實度[15-16](可溶性糖、脂肪以及淀粉等)等其他因素有關[17]，武運粳系列脆莖突變體水稻在整個生育后期表現出較為明顯脆性的機理還待于進一步研究。