鹽脅迫對水稻籽粒灌漿特性及產量形成的影響

韋還和 張 翔 朱 旺 耿孝宇 馬唯一 左博源 孟天瑤高平磊 陳英龍 許 軻 戴其根,*

1 江蘇省作物遺傳生理重點實驗室 / 江蘇省作物栽培生理重點實驗室 / 江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心 / 揚州大學水稻產業工程技術研究院 / 農業農村部鹽堿土改良與利用(濱海鹽堿地)重點實驗室 / 國家耐鹽堿水稻技術創新中心華東中心, 揚州大學, 江蘇揚州 225009; 2 揚州大學教育部農業與農產品安全國際合作聯合實驗室 / 揚州大學農業科技發展研究院, 揚州大學 225009

水稻是我國第一大口糧作物, 在糧食安全中起著舉足輕重的作用[1]。當前, 我國糧食安全面臨糧食需求迅速增長、耕地面積不斷減少、淡水資源日益稀缺等多重挑戰, “人、地、糧”矛盾依舊突出[2]。我國有234 萬公頃沿海灘涂和1 億公頃內陸鹽堿地, 是我國最重要的后備耕地資源, 綜合利用潛力巨大[3]。鹽脅迫對水稻生長發育和產量形成的影響一直備受關注。如鹽脅迫易破壞葉綠體結構, 降低葉綠素含量和葉片凈光合速率, 進而抑制植株光合作用和同化物積累, 不僅加劇光合產物在主莖與分蘗之間的競爭, 引起部分分蘗因難以獲得充足的養分而未能成穗; 而且加快植株衰老進程, 花后干物質積累量少, 庫容充實差, 最終導致產量損失[4-5]。我國正大力開發利用沿海灘涂發展水稻生產, 但沿海灘涂水稻產量低且穩產性差[6-7], 一個重要原因是對鹽脅迫下水稻生育特點和產量形成的研究不夠深入和全面。水稻籽粒灌漿是影響水稻籽粒充實程度和產量形成的重要生理過程[8-9]。前人根據穎花開花時期的先后和在穗部著生位置的不同劃分為強勢粒和弱勢粒。一般而言, 強勢粒著生在稻穗上部、開花早、灌漿快、充實好; 弱勢粒則著生在稻穗下部、開花遲、灌漿慢、充實差[10]。朱慶森等[11]采用Richards方程擬合了水稻強、弱勢粒的灌漿動態過程, 并對強、弱勢粒的灌漿特性及其與水稻產量形成的內在聯系進行了深入分析。已有研究基于Richards 方程擬合分析了鹽堿、高溫、干旱、低溫等非生物逆境脅迫對水稻籽粒灌漿特性的影響[12-15]。如左靜紅研究表明[13], 在輕、中、重度蘇打鹽堿脅迫條件下, 耐鹽堿水稻品種與鹽堿敏感水稻品種強勢粒灌漿特性受外界因子影響作用較弱勢粒小, 且一次枝梗性狀相對于二次枝梗性狀較為穩定。目前, 關于鹽脅迫下水稻籽粒灌漿特性及其與產量形成的關聯性研究較少, 且缺乏深入系統報道。本研究從籽粒灌漿特性角度深入探討鹽脅迫下水稻產量形成特征, 以期為江蘇沿海灘涂水稻豐產栽培和灌漿階段的管理調控提供理論與實踐依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以江蘇沿海灘涂主栽的常規粳稻南粳9108 和淮稻5 號為試驗材料; 南粳9108 和淮稻5 號抽穗期和成熟期以及全生育期天數均較為一致。

1.2 試驗設計與栽培管理

試驗于2021年和2022年在揚州大學農學院試驗農場鹽池進行, 共12個鹽池, 每個鹽池內長3.6 m、內寬1.5 m、內深0.5 m。設置3個鹽濃度梯度處理, 即對照(CK, 鹽濃度0)、中鹽(Medium-salinity stress,MS, 鹽濃度0.15%)和高鹽(High-salinity stress, HS,鹽濃度0.3%)。每處理小區面積5.4 m2(3.6 m × 1.5 m),2次重復。各鹽濃度處理小區按土壤體積、密度和鹽濃度計算出各小區應施用的海鹽重量(海鹽選用浙江藍海星鹽制品廠生產的Q/ZLY型速溶海水晶), 并水稻秧苗移栽前3 d, 將海鹽撒施至對應鹽池中, 充分攪拌均勻。鹽池上方建有遮雨棚, 以防因降雨引起池內鹽分變化。

2 年中參試水稻品種均于5 月21 日播種, 采用塑料軟盤旱育秧, 6 月 10 日移栽。栽插密度為33.3 hill m-2(25 cm×12 cm), 每穴4 苗栽插?？偸┑?70 kg hm-2, 基蘗肥∶穗肥 = 6∶4, 其中基肥在移栽前1 d 施用, 分蘗肥于移栽后10 d 施用, 穗肥于倒四葉、倒二葉等量施用。施過磷酸鈣(含12% P2O5)1125 kg hm-2, 作基肥一次施用; 鉀肥50%作為基肥,50%于倒四葉施用。秧苗移栽后采用濕潤灌溉; 有效分蘗臨界葉齡期的前1 個葉齡, 開始控水擱田; 拔節至成熟期實行干濕交替灌溉。病蟲草害防治按常規高產栽培要求進行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 干物重 于拔節期、抽穗期和成熟期進行取樣, 每個處理取4穴。取樣植株分成葉、莖鞘、穗3個部分放入烘箱中, 在80℃下進行恒溫烘干, 待達到恒重后稱重。

1.3.2 凈光合速率和相對葉綠素含量 于抽穗后15 d和30 d, 選擇晴天上午09:00—11:00, 利用Li-6400XT (Li-Cor, Lincoln Inc. 美國)便攜式光合儀測定劍葉光合速率, 重復測定3次計算平均值。采用SPAD-520葉綠素儀測定葉片相對葉綠素含量。

1.3.3 籽粒灌漿動態 于抽穗期一次選擇并標記同日始花、生長基本一致的稻穗250穗, 自開花至成熟期每隔4 d取標記穗8個, 按強勢粒(穗頂部一次枝梗的籽粒)和弱勢粒(穗基部2次枝梗的籽粒)分類。將取好的籽粒在80℃烘72 h至恒重, 然后剝殼稱重,測定籽粒增重動態。

參照朱慶森等[11]的方法, 采用Richards 方法對籽粒灌漿過程進行擬合, 并計算相應的灌漿特征參數, 分析籽粒灌漿特性。以米粒重量W(去除谷殼)為因變量、開花后天數為自變量(開花當天為0), 用非線性最小平方法配成Richards 方程:

式中,W為各期米粒重量(mg),A為終極生長量(mg),t為開花后天數(d),B、N、K為方程參數。

籽粒灌漿特征參數的具體計算公式為:

灌漿階段前期(0-t1)、中期(t2-t1)和后期(t3-t2)灌漿參數計算公式為:

1.3.4 強、弱勢粒淀粉合成關鍵酶活性 各處理分別于穗后15、30 和45 d, 取標記穗5 個, 按強勢粒(穗頂部一次枝梗的籽粒)和弱勢粒(穗基部2 次枝梗的籽粒)分類, 于液氮中速凍3 min, 放入-70℃冰箱內保存, 按程方民等[16]的方法測定強、弱勢粒籽粒的腺苷二磷酸焦磷酸化酶(AGPase)、淀粉合成酶(SSS)和顆粒型淀粉合成酶(GBSS)活性; 按照李太貴等[17]方法測定強、弱勢粒籽粒的淀粉分支酶(SBE)活性。

1.3.5 產量測定 成熟期每處理調查100 穴, 計算有效穗數; 取20 穴調查每穗粒數、結實率和測定千粒重, 對每穗強勢粒和弱勢粒的籽粒數、結實率和千粒重進行測定。每小區實產收割50 穴, 脫粒后晾曬并稱重。

1.4 數據處理

運用Microsoft Excel軟件錄入數據、計算, 用DPS軟件作統計分析。

2 結果與分析

2.1 產量與穗部特征

由表1 可知, 鹽脅迫處理顯著降低水稻產量。與對照相比, 中鹽和高鹽脅迫下南粳9108 產量的降幅分別為23.8%～28.6%和56.4%～58.9%, 而淮稻5號的降幅依次為24.2%～27.8%和56.8%～ 58.9%。產量構成因素方面, 鹽脅迫顯著降低了穗數和每穗粒數。與對照相比, 南粳9108 中鹽和高鹽脅迫下穗數分別下降8.5%和20.7%, 每穗粒數分別下降13.9%和32.3%; 淮稻5 號中鹽和高鹽脅迫下穗數分別下降4.6%和19.6%, 每穗粒數分別下降16.6%和36.7%(2 年平均值)。就結實率和千粒重而言, 中鹽和高鹽處理下的結實率和千粒重均低于對照。方差分析結果表明, 水稻產量及其構成因素在處理間存在顯著、極顯著差異, 而在年份、年份 × 品種、年份 ×處理間均無顯著差異(表1)。因此, 若無特殊說明,下文數據以2 年數據的平均值進行整理分析。

表1 鹽脅迫對水稻產量及其構成因素的影響Table 1 Effects of salinity stress on rice grain yield and its components

中鹽和高鹽處理下水稻穗長較對照分別下降9.3%～9.6%和12.3%～12.5%。對南粳9108 和淮稻5號而言, 每穗強勢粒的籽粒數均低于弱勢粒的籽粒數, 結實率和千粒重則呈相反趨勢。與對照相比, 中鹽和高鹽脅迫均降低了每穗強勢粒和弱勢粒的籽粒數、結實率和千粒重。鹽脅迫下每穗強勢粒的結實率和千粒重的降幅均低于弱勢粒。如中鹽和高鹽脅迫下淮稻5 號每穗強勢粒的千粒重的降幅分別為1.3 g(4.7%)和2.9 g (10.4%), 均低于中鹽和高鹽脅迫下弱勢粒的降幅(1.6 g 和6.7%; 3.3 g 和13.9%) (表2)。

表2 鹽脅迫對水稻穗部特征的影響Table 2 Effects of salinity stress on rice panicle traits

2.2 干物重和葉片光合特性

不同處理之間在拔節期、抽穗期和成熟期干物重差異均顯著。與對照相比, 中鹽和高鹽脅迫下植株拔節期干物重分別低29.3%和51.1%; 抽穗期分別低26.7%和58.2%; 成熟期則分別低29.4%和61.0%(兩品種平均)。與對照相比, 鹽脅迫顯著降低拔節期至抽穗期和抽穗期至成熟期干物質積累量。中鹽和高鹽脅迫下拔節期至抽穗期干物質積累量較對照分別低24.7%和63.6%, 抽穗期至成熟期干物質積累量則分別下降33.9%和65.5% (兩品種平均)。對南粳9108 和淮稻5 號而言, 高鹽和中鹽脅迫下收獲指數分別為0.538和0.519, 均顯著高于對照(0.497) (表3)。

表3 鹽脅迫對水稻干物重和收獲指數的影響Table 3 Effects of salinity stress on dry matter weight and harvest index of rice

鹽脅迫下水稻抽穗后15 d 和30 d 葉片凈光合速率均低于對照。中鹽和高鹽脅迫下水稻抽穗后15 d葉片凈光合速率(μmol m-2s-1)分別為21.5 和19.0,較對照(23.1)分別低7.1%和18.0% (兩品種平均); 水稻抽穗后30 d 葉片凈光合速率較對照分別低6.4%和20.2% (兩品種平均)。與之類似, 鹽脅迫下水稻抽穗后15 d 和30 d 葉片相對葉綠素含量均顯著低于對照(表4)。

表4 鹽脅迫對水稻抽穗后葉片凈光合速率和相對葉綠素含量的影響Table 4 Effects of salinity stress on leaf photosynthetic rate and SPAD values of rice after heading

2.3 籽粒增重動態及擬合方程

由圖1 可知, 對照和鹽脅迫下水稻穗部強勢粒粒抽穗后籽粒灌漿動態較為相似, 弱勢粒亦呈類似趨勢。對照和鹽脅迫下水稻強勢粒灌漿呈先快速上升后趨于平緩, 弱勢粒籽粒灌漿曲線更近于直線(圖1)。以抽穗后天數為自變量, 對應的米粒重為依變量, 擬合分析對照和鹽脅迫下南粳9108 和淮稻5號穗部強、弱勢粒籽粒增重過程, 各自最適的擬合曲線見表5。由表5 可知, 對照和鹽脅迫處理下南粳9108 和淮稻5 號穗部強、弱勢粒籽粒灌漿過程均以Richards 方程擬合較為適宜, 擬合系數一般都在0.980 左右(表5)。

表5 鹽脅迫下水稻籽粒灌漿過程的擬合方程Table 5 Stimulation equations of grain-filling process of rice under salinity stress

2.4 籽粒灌漿特征參數

對照和鹽脅迫下水稻穗部強勢粒和弱勢粒灌漿速率均呈先增加后下降趨勢。與對照相比, 鹽脅迫處理降低了強勢粒和弱勢粒灌漿階段的最大灌漿速率和平均灌漿速率。如中鹽和高鹽脅迫下強勢粒灌漿階段的最大灌漿速率(mg grain-1d-1)分別為1.25和1.19 (兩品種平均), 較對照(1.37)分別下降8.8%和13.1%。鹽脅迫處理下強勢粒和弱勢粒達最大灌漿速率的時間和有效灌漿天數均高于對照。如中鹽脅迫處理下強勢粒和弱勢粒達最大灌漿速率的時間和有效灌漿天數(d)分別為17.9 d 和29.2 d, 較對照(15.0和24.3)分別高19.3%和20.2% (兩品種平均) (圖2 和表6)。

圖2 鹽脅迫下水稻籽粒灌漿階段的灌漿速率Fig. 2 Dynamics in grain-filling rate of rice under salinity stress

表6 鹽脅迫下水稻籽粒灌漿特征參數Table 6 Grain-filling parameters of rice under salinity stress

根據灌漿速率曲線的2 個拐點, 將籽粒灌漿過程劃分為前期、中期和后期3 個階段(表7)。就強勢粒和弱勢粒而言, 強勢粒在灌漿前、中、后期的平均灌漿速率均高于弱勢粒, 灌漿前、中、后期的天數和灌漿量則呈相反趨勢; 且強、弱勢粒灌漿前、中、后期的灌漿量差異隨鹽脅迫程度的增加呈下降趨勢。鹽脅迫處理下強勢粒和弱勢粒灌漿前、中、后期的天數均高于對照, 平均灌漿速率和灌漿量則低于對照。如中鹽和高鹽脅迫下水稻灌漿中期強勢粒的灌漿量(mg)分別為121.6 和109.0, 較對照(145.5)分別低16.4%和25.1% (兩品種平均) (表7)。

表7 鹽脅迫下水稻籽粒灌漿前、中、后期3 個階段的特征Table 7 Grain-filling characteristics of early, middle, and late stages of rice under salinity stress

2.5 淀粉合成關鍵酶活性

水稻強、弱勢粒中AGPase、SBE、GBSS 和SSS酶活性在抽穗后呈先升高后下降的單峰曲線變化,以花后30 d 的AGPase、SBE、GBSS 和SSS 酶活性最高。與對照相比, 中鹽和高鹽脅迫顯著降低了水稻強、弱勢粒中AGPase、SBE、GBSS 和SSS 酶活性, 且在高鹽脅迫下AGPase、SBE、GBSS 和SSS酶活性的下降幅度更大。如與對照相比, 中鹽脅迫下南粳9108 花后30 d 的AGPase、SBE、GBSS 和SSS 酶活性分別降低34.5%、23.5%、21.2%和21.3%,高鹽脅迫下則分別下降 45.9%、44.1%、34.9%和39.3%。對照和鹽脅迫處理下弱勢粒AGPase、SBE、GBSS 和SSS 酶活性均顯著低于強勢粒, 且鹽脅迫下弱勢粒AGPase、SBE、GBSS 和SSS 酶活性的降幅亦高于強勢粒。如與對照相比, 高鹽脅迫下淮稻5 號強勢?；ê?5 d 的AGPase、SBE、GBSS 和SSS 酶活性分別降低52.6%、41.9%、55.3%和48.3%, 弱勢粒則分別下降57.8%、57.1%、63.0%和64.8% (表8)。

表8 鹽脅迫對水稻籽粒淀粉合成關鍵酶活性的影響Table 8 Effects of salinity stress on key enzymes activities involved in starch synthesis of rice grains

3 討論

當前, 我國正大力開發利用沿海灘涂發展水稻生產。有關鹽脅迫下水稻產量形成特征的研究備受關注。與對照相比, 中鹽和高鹽脅迫下水稻產量較對照分別下降26.3%和57.7% (兩品種平均) (表1)。表明鹽脅迫處理顯著降低水稻產量, 這與前人的研究結果基本一致[6,18-19]。因試驗條件和鹽脅迫濃度等差異, 有關鹽脅迫對水稻產量構成因素的影響結果并不完全一致[20-22]。如周根友等[20]研究表明, 在池栽條件下, 鹽脅迫顯著降低了水稻每穗粒數和千粒重, 此二者為鹽脅迫下水稻減產的主導因素。周振玲等[22]在盆栽條件下發現鹽脅迫逆境下耐鹽水稻產量下降主要是由于穗數和每穗粒數的顯著下降, 而結實率降幅較小; 鹽敏感水稻產量的下降則主要是由于穗數、每穗粒數和結實率的同時下降。鹽脅迫對耐鹽水稻和鹽敏感水稻的千粒重的影響差異均較小。本試驗條件下(池栽), 鹽脅迫下水稻穗數、每穗粒數、結實率和千粒重均顯著低于對照(表1)。表明鹽脅迫顯著抑制水稻群體庫容量及其庫容充實性狀,進而引起產量顯著下降。

本試驗條件下, 鹽脅迫顯著降低了水稻拔節期、抽穗期和成熟期干物重以及拔節期至抽穗期、抽穗期至成熟期干物重積累量(表3)。表明鹽脅迫逆境限制抑制植株干物質積累, 這與前人研究結果基本一致[23-24]。鹽脅迫下植株干物重降低與葉片光合作用易受鹽脅迫的抑制緊密相關。研究表明[22,25-26],植株光合作用對鹽脅迫異常敏感, 鹽濃度越高、脅迫時間越長, 對于植株光合作用的抑制程度就越大。本試驗條件下, 鹽脅迫處理下抽穗后植株葉片光合速率和SPAD 值均顯著低于對照(表4); 表明鹽脅迫顯著抑制植株葉片光合生理, 進而降低光合同化物積累。有關鹽脅迫對水稻收獲指數的影響已有較多研究報道, 但研究結果并非完全一致[18,27-28]。如Meng 等[18]研究表明, 鹽脅迫逆境顯著提高了秈粳雜交稻、常規粳稻和雜交秈稻的收獲指數; 而Joshi等[28]研究表明鹽脅迫顯著降低水稻成熟期干物重和收獲指數。本試驗條件下, 與對照相比, 鹽脅迫下顯著提高水稻收獲指數(表3), 這與Meng 等[18]的研究結果一致。表明成熟期干物重下降是鹽脅迫下水稻產量下降的主要原因, 而非收獲指數。本研究中鹽脅迫下水稻收獲指數有所增加可能與植株抽穗后同化物轉運緊密相關。如前所述, 鹽脅迫顯著降低葉片凈光合速率和SPAD 值(表4), 植株衰老進程大為加快, 促進營養器官同化物向穗部器官的過多轉運,因而提高水稻收獲指數[18,29]。

水稻籽粒充實度與其穗上著生的部位有關; 一般稻穗中上部早開花的強勢粒, 灌漿快、充實好、粒重高; 稻穗下部遲開花的弱勢粒, 灌漿慢、充實差、粒重低[10,30]。本研究中, 對照和鹽脅迫下南粳9108 和淮稻5 號的每穗強勢粒的千粒重和結實率均高于弱勢粒。與對照相比, 中鹽和高鹽脅迫降低了每穗強勢粒和弱勢粒的籽粒數、結實率和千粒重;且鹽脅迫下每穗強勢粒的結實率和千粒重的降幅低于弱勢粒(表2)。表明, 鹽脅迫逆境易造成每穗強勢粒和弱勢粒的下降, 且顯著抑制強、弱勢粒的充實特性, 尤其是對于弱勢粒。關于水稻籽粒灌漿類型,顧世梁等[31]根據強、弱勢粒達到最大灌漿速率的時間間隔劃分同步灌漿與異步灌漿, 提出時間間隔在5～10 d 以上的為異步灌漿, 小于5 d 的為同步灌漿。本試驗條件下, 對照和鹽脅迫下南粳9108 和淮稻5號的強、弱勢粒達到最大灌漿速率的時間間隔均在5～10 d 以上(表6), 表明鹽脅迫并未影響水稻強、弱勢粒的灌漿類型。此外, 鹽脅迫降低了強、弱勢粒最大灌漿速率和平均灌漿速率, 增加了強、弱勢粒達最大灌漿速率的時間和有效灌漿天數(表6)。表明鹽脅迫下水稻籽粒灌漿起步慢、強度小、延遲整個灌漿進程, 進而引起結實率和千粒重的顯著下降,進而造成產量大幅下降。

目前溫度脅迫(高溫、低溫)和干旱等逆境下水稻籽粒灌漿特性及其與產量形成的關系已有較多研究報道[12-15,32-33], 但鹽脅迫的相關研究相對較少。如陳紅陽等研究表明[32], 結實期低溫脅迫顯著降低了水稻的千粒重、結實率和產量, 且隨低溫處理天數的增加降幅逐漸增大。結實期低溫脅迫對弱勢粒中淀粉合成關鍵酶活性變化影響大于強勢粒, 弱勢粒淀粉合成積累減慢, 含量降低, 導致水稻千粒重顯著下降, 產量降低。王新鵬[33]研究表明, 孕穗期干旱脅迫顯著降低寒地粳稻籽粒灌漿速率, 輕度干旱脅迫顯著延長了強勢粒灌漿活躍期, 但隨著干旱脅迫程度加重, 強勢粒灌漿活躍期縮短; 干旱脅迫顯著延長了弱勢粒灌漿活躍期。干旱脅迫顯著降低強、弱勢粒灌漿速率, 進而通過影響千粒重間接影響產量,尤其是弱勢粒的灌漿速率對千粒重的影響更大。本試驗條件下, 與對照相比, 鹽脅迫處理提高了強勢粒和弱勢粒灌漿前、中、后期的天數, 灌漿前、中、后期的平均灌漿速率和灌漿量則顯著下降。表明鹽脅迫下強、弱勢粒灌漿前、中、后期的籽粒灌漿速率下降幅度明顯高于灌漿前、中、后期灌漿天數的增加幅度, 從而使籽粒充實性狀明顯變劣、粒重和產量顯著下降。本研究還發現, 鹽脅迫處理對弱勢粒灌漿速率和灌漿量的抑制效應高于強勢粒。水稻籽粒中淀粉占最終糙米干質量的80～90, 水稻籽粒灌漿及粒重增重的本質是淀粉合成與積累的過程;水稻籽粒淀粉的合成與積累受到AGPase、SBE、GBSS 和SSS 酶活性變化的調控[34]。與強勢粒相比,處于劣勢位的弱勢粒維管束小, 生理結構薄弱, 鹽逆境脅迫下爭奪光合同化物的能力差, 沒有充足的底物供應[18,35]; 同時弱勢粒籽粒淀粉合成關鍵酶活性也因鹽脅迫而受到限制(表8)。表明弱勢粒對鹽脅迫更為敏感, 鹽脅迫對弱勢粒淀粉合成影響更為明顯, 最終造成弱勢粒籽粒充實特性(結實率和千粒重)顯著變劣。

4 結論

鹽脅迫對水稻籽粒灌漿特性和產量形成有顯著影響。與對照相比, 鹽脅迫顯著降低水稻產量; 中鹽和高鹽脅迫下產量降幅分別為26.3%和57.7%。鹽脅迫降低水稻產量主要是由于穗數、每穗粒數、結實率和千粒重的顯著下降。鹽脅迫抑制植株葉片光合生理特性, 降低了抽穗后干物質積累量和成熟期干物重。盡管鹽脅迫逆境增加了水稻強勢粒和弱勢粒灌漿天數, 但大幅降低了強勢粒和弱勢粒灌漿速率及其淀粉合成關鍵酶活性, 劣化籽粒充實性狀, 顯著降低粒重和產量。鹽脅迫處理對弱勢粒灌漿速率和灌漿量的抑制效應高于強勢粒。