分蘖期低温胁迫下施用外源物质对寒地粳稻生长发育及产量形成的影响

赵宏伟，张 妍，贾 琰，瞿炤珺，王 喆，李 晓，张盛楠，吴志强，高文硕

（东北农业大学水稻研究所，哈尔滨 150030）

全球气候变化导致自然气象灾害频发，低温冷害是限制作物生长发育主要逆境之一。黑龙江省是我国粳稻种植大省，分蘖期低温冷害时常发生，严重影响寒地粳稻生长发育及产量形成。王立志等研究表明，分蘖期低温胁迫下水稻分蘖数减少，最高分蘖数、分蘖发生速度和分蘖消亡速度下降[1]；叶面积指数、高效叶面积和叶片生长速度显著降低，干物质积累和产量显著下降[2]。王艳春等认为分蘖期低温冷害造成水稻代谢机能紊乱，生育期推迟，穗数和粒数减少，且低温胁迫时间越长，危害越重[3]。耿立清等认为分蘖期低温胁迫下稻株叶色变淡，有效分蘖终止期延迟，产量下降[4]。因此，开展水稻分蘖期低温冷害防控研究对黑龙江省水稻生产具有重要意义。

逆境胁迫下GABA、SA和Pro对作物生长发育起重要调节作用[5-7]。GABA广泛存在于植物中，与其抗逆性密切相关[8]；施用GABA可减轻小麦幼苗因寒冷而引起的氧化损伤[9]。SA是一种植物内源酚类物质，具有抵抗逆境作用[10]；徐芬芬等研究表明低温条件下施用SA影响水稻幼苗生理生化特征，提高水稻抗冷性[11-12]。低温时Pro可稳定植物物质代谢[13]，增强水稻耐冷性[14]。综上所述，低温胁迫下外源施用GABA、SA和Pro可调控作物生长发育过程，提高其耐冷性。外源物质通常具有浓度效应，并与作物类型、发育阶段、胁迫强度和施用方式等有关，目前缺乏GABA、SA和Pro对分蘖期低温胁迫下寒地粳稻调控效应相关报道。因此，本文在分蘖期低温胁迫下叶面喷施3种外源物质，通过寒地粳稻生长发育及产量确定最适浓度，为建立寒地粳稻耐低温胁迫化控栽培技术提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料

东农428属耐冷型品种，冷水处理空壳率为7.93%～9.00%；松粳10属冷敏感品种，冷水处理空壳率为14.98%[15]。

1.2 试验设计

2017年在东北农业大学阿城实验实习基地开展试验。采用3个独立裂区设计，分别以GABA、SA和Pro施用浓度为主区（外源物质浓度见表1），水稻品种为副区。4月18日播种，5月24日移栽。行距30 cm，穴距13.3 cm，每穴3株，每区面积15 m2，各区之间留有保护行。

表1 外源物质及浓度Table 1 Exogenous substancesand concentrations

试验以正常灌溉为对照（CK），水稻分蘖始期以10 d 15℃冷水灌溉[16-17]作低温处理，每日6:00～20:00，用Pt100温度计每隔5 min测量各区水温，每隔30 min计算平均水温，通过调节冷水灌入量及水流速度，冷水处理各区水温维持15℃[18]。于冷水灌溉第1天15:00～15:30（晴朗无风），叶面喷施不同浓度外源物质（各溶液均含0.1%（V/V）Tween-20附着剂），0.5 L·m-2。其他管理同一般大田生产。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 分蘖

水稻返青后各区定点选取3穴整齐一致稻株挂牌标记，自低温处理第1天结束后每5 d调查一次，至抽穗期结束。

1.3.2 株高

水稻返青后各区定点选取3穴整齐一致稻株挂牌标记，自低温处理第1天结束后每5 d调查一次，至齐穗期结束。

1.3.3 干物质

水稻返青后各区选取整齐一致稻株挂牌标记，分别于分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、乳熟期，成熟期取样，每处理取3穴，测定全株干物重。

1.3.4 叶面积

水稻返青后各区定点选取3穴整齐一致稻株挂牌标记，分别于分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、乳熟期，成熟期测量叶长和最大叶宽，计算叶面积指数。抽穗期测定时，叶面积分为总叶面积（所有绿叶面积）、高效叶面积（有效茎蘖顶三叶的叶面积）和有效叶面积（有效茎蘖的叶面积）。

1.3.5 产量及产量构成因素

每区另取代表性稻株3穴，室内考种，测定产量构成因素并计算理论产量。

1.3.6 相关计算

① 光合势（m2·d·m-2）=1/2（LAI1+LAI2）（t2-t1），LAI1和LAI2为前后2次测定叶面积指数，t1和t2为前后2次测定时间（d）

②有效叶面积率（%）=（有效叶面积指数/最大叶面积指数）×100%

③高效叶面积率（%）=（高效叶面积指数/最大叶面积指数）×100%

1.4 数据整理与分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS19.0作数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 对寒地粳稻分蘖影响

由图1～3可知，与分蘖期低温胁迫相比，外源GABA、SA、Pro处理下寒地粳稻分蘖数均显著增加，东农428峰值提前（7月8日），其中2 mmol·L-1GABA、2 mmol·L-1SA和30 mmol·L-1Pro处理下寒地粳稻最高分蘖数增幅最大。与正常灌溉水平相比，施用2 mmol·L-1SA东农428和松粳10最高分蘖数均高于正常灌溉水平；施用2 mmol·L-1GABA和30 mmol·L-1Pro东农428和松粳10最高分蘖数与正常灌溉水平差异不显著。

2.2 对寒地粳稻株高影响

由表2～4可知，寒地粳稻株高随水稻生育期增加，齐穗期（8月12日）达最大，此后趋于稳定。与分蘖期低温胁迫相比，3种外源物质均提高低温胁迫下寒地粳稻株高。低温胁迫下分别施用2 mmol·L-1GABA和30 mmol·L-1Pro，东农428和松粳10株高均高于正常灌溉水平；施用1～2 mmol·L-1SA，东农428株高高于正常灌溉水平；施用2 mmol·L-1SA，松粳10株高高于正常灌溉水平。

2.3 对寒地粳稻叶面积影响

由表5～6可知，寒地粳稻叶面积指数呈先升后降趋势，抽穗期达最大值。与分蘖期低温胁迫相比，外源GABA、SA、Pro显著提高低温胁迫下寒地粳稻抽穗期叶面积指数、高效叶面积率和有效叶面积率。

与分蘖期低温胁迫相比，外源GABA处理下东农428抽穗期叶面积指数、高效叶面积率和有效叶面积率增幅分别为15.72%～42.80%，4.13%～11.53%和3.38%～11.22%；松粳10分别增幅为23.77%～53.83%，4.56%～12.36%和2.87%～10.26%；其中2 mmol·L-1GABA处理下两品种抽穗期叶面积指数、高效叶面积率和有效叶面积率增幅最大，该处理下两品种抽穗期叶面积指数均显著高于正常灌溉水平，高效叶面积率和有效叶面积率与正常灌溉水平差异不显著。

与分蘖期低温胁迫相比，外源SA处理下东农428抽穗期叶面积指数、高效叶面积率和有效叶面积率增幅分别为13.45%～25.95%，3.30%～12.23%和4.22%～13.88%；松粳10增幅分别为16.11%～36.54%，2.05%～15.84%和2.30%～12.10%；其中2 mmol·L-1SA处理下两品种抽穗期叶面积指数、高效叶面积率和有效叶面积率增幅最大。与正常灌溉水平相比，2 mmol·L-1SA处理下东农428和松粳10抽穗期叶面积指数均高于正常灌溉水平，高效叶面积率和有效叶面积率与正常灌溉水平差异不显著。

图1 分蘖期低温胁迫下施用GABA对寒地粳稻分蘖影响Fig.1 Effect of exogenousapplication GABA on tillersof rice in cold-region under low-temperature stress at tillering stage

图2 分蘖期低温胁迫下施用SA对寒地粳稻分蘖影响Fig.2 Effect of exogenousapplication SA on tillersof ricein cold-region under low-temperaturestressat tillering stage

与分蘖期低温胁迫相比，外源Pro处理下东农428抽穗期叶面积指数、高效叶面积率和有效叶面积率增幅分别为6.25%～22.73%，3.06%～8.68%和0.74%～13.67%；松粳10增幅分别为17.09%～23.97%， 4.56%～12.36%和 2.87%～10.26%；其中30 mmol·L-1Pro处理下两品种抽穗期叶面积指数、高效叶面积率和有效叶面积率增幅最大，且与正常灌溉水平差异不显著。

图3 分蘖期低温胁迫下施用Pro对寒地粳稻分蘖影响Fig.3 Effect of exogenousapplication Pro on tillers of rice in cold-region under low-temperaturestressat tillering stage

表2 分蘖期低温胁迫下施用GABA对寒地粳稻株高影响Table 2 Effect of exogenous application GABA on plant height of rice in cold-region under low-temperaturestressat tillering stage (cm)

表3 分蘖期低温胁迫下施用SA对寒地粳稻株高影响Table 3 Effect of exogenousapplication SA on plant height of rice in cold-region under low-temperature stress at tillering stage (cm)

表4 分蘖期低温胁迫下施用Pro对寒地粳稻株高影响Table4 Effect of exogenous application Pro on plant height of rice in cold-region under low-temperature stress at tillering stage (cm)

表5 分蘖期低温胁迫下施用GABA对寒地粳稻叶面积影响Table 5 Effect of exogenous application GABA on leaf area of rice in cold-region under low-temperature stress at tillering stage

表6 分蘖期低温胁迫下施用SA对寒地粳稻叶面积影响Table 6 Effect of exogenousapplication SA on leaf area of ricein cold-region under low-temperature stress at tillering stage

表7 分蘖期低温胁迫下施用Pro对寒地粳稻叶面积影响Table 7 Effect of exogenous application Pro on leaf area of rice in cold-region under low-temperaturestressat tillering stage

2.4 对寒地粳稻光合势影响

由图4～6可知，与分蘖期低温胁迫相比，外源GABA、SA、Pro提高低温胁迫下寒地粳稻不同生育阶段光合势，其中2 mmol·L-1GABA、2 mmol·L-1SA和30 mmol·L-1Pro处理下寒地粳稻光合势增幅最大。与正常灌溉水平相比，低温胁迫下施用2 mmol·L-1GABA，两品种各生育阶段光合势大于正常灌溉水平（除乳熟期至成熟期松粳10光合势）；分别施用2 mmol·L-1SA和30 mmol·L-1Pro东农428各生育阶段光合势均大于正常灌溉。

2.5 对寒地粳稻干物质积累影响

由图7～9可知，随生育进程寒地粳稻干物质积累量逐渐增加。与分蘖期低温胁迫相比，外源GABA、SA、Pro处理均显著提高低温胁迫下寒地粳稻成熟期干物质积累量。

与分蘖期低温胁迫相比，外源GABA处理下东农428和松粳10成熟期干物质积累量增幅分别为18.67%～36.44%和11.12%～32.54%,其中2 mmol·L-1GABA处理下东农428和松粳10干物质积累量增幅最大。低温胁迫下施用2 mmol·L-1GABA，东农428和松粳10成熟期干物质积累量均高于正常灌溉。

与分蘖期低温胁迫相比，外源SA处理下东农428和松粳10成熟期干物质积累量增幅分别为23.67%～34.92%和8.32%～32.21%；其中2 mmol·L-1SA处理下东农428和松粳10干物质积累量增幅最大。低温胁迫下施用2 mmol·L-1SA，东农428和松粳10成熟期干物质积累量均高于正常灌溉。

与分蘖期低温胁迫相比，外源Pro处理下东农428和松粳10成熟期干物质积累量增幅为18.30%～28.99%和12.53%～26.96%；其中30 mmol·L-1Pro处理下东农428和松粳10干物质积累量增幅最大。低温胁迫下施用30 mmol·L-1Pro，东农428和松粳10成熟期干物质积累量与正常灌溉水平差异不显著。

图4 分蘖期低温胁迫下施用GABA对寒地粳稻光合势影响Fig.4 Effect of exogenous application GABA on photosynthetic potential of rice in cold-region under low-temperature stress at tillering stage

图5 分蘖期低温胁迫下施用SA对寒地粳稻光合势影响Fig.5 Effect of exogenousapplication SA on photosynthetic potential of ricein cold-region under low-temperature stress at tillering stage

2.6 对寒地粳稻产量及产量构成因素影响

由表8～10可知，与分蘖期低温胁迫相比，外源施用GABA、SA、Pro均显著提高低温胁迫下寒地粳稻产量。与分蘖期低温胁迫相比，外源GABA处理下东农428和松粳10产量增幅分别为21.51%～45.88%和15.15%～44.49%，其中2 mmol·L-1GABA处理下东农428和松粳10产量增幅最大，且显著提高两品种有效穗数、每穗粒数、千粒重以及松粳10结实率。低温胁迫下施用2 mmol·L-1GABA，东农428和松粳10产量与正常灌溉差异不显著。

图6 分蘖期低温胁迫下施用Pro对寒地粳稻光合势影响Fig.6 Effect of exogenous application Pro on photosynthetic potential of rice in cold-region under low-temperature stressat tillering stage

图7 分蘖期低温胁迫下施用GABA对寒地粳稻干物质积累影响Fig.7 Effect of exogenous application GABA on dry matter accumulation of rice in cold-region under low-temperature stress at tillering stage

与分蘖期低温胁迫相比，外源SA处理下东农428和松粳10产量增幅分别为24.37%～48.67%和22.01%～45.76%；其中2 mmol·L-1SA处理下东农428和松粳10产量增幅最大，且显著提高两品种有效穗数、每穗粒数、千粒重和结实率。低温胁迫下施用2 mmol·L-1SA，东农428和松粳10产量与正常灌溉水平差异不显著。

与分蘖期低温胁迫相比，外源Pro处理下东农428和松粳10产量增幅分别为16.31%～47.24%和15.30%～44.88%；其中30 mmol·L-1Pro处理下东农428和松粳10产量增幅最大，且显著提高两品种有效穗数、每穗粒数、千粒重和结实率。与正常灌溉水平相比，施用20～30 mmol·L-1Pro东农428和松粳10产量差异不显著。

图8 分蘖期低温胁迫下施用SA对寒地粳稻干物质积累影响Fig.8 Effect of exogenous application SA on dry matter accumulation of rice in cold-region under low-temperaturestressat tillering stage

图9 分蘖期低温胁迫下施用Pro对寒地粳稻干物质积累影响Fig.9 Effect of exogenousapplication Pro on dry matter accumulation of ricein cold-region under low-temperature stress at tillering stage

表8 分蘖期低温胁迫下施用GABA对寒地粳稻产量及产量构成因素影响Table8 Effect of exogenous application GABA on yield and yield components of rice in cold-region under low-temperaturestressat tillering stage

表9 分蘖期低温胁迫下施用SA对寒地粳稻产量及产量构成因素影响Table 9 Effect of exogenousapplication SA on yield and yield components of rice in cold-region under low-temperature stressat tillering stage

表10 分蘖期低温胁迫下施用Pro对寒地粳稻产量及产量构成因素影响Table 10 Effect of exogenous application Pro on yield and yield components of rice in cold-region under low-temperature stressat tillering stage

3 讨论与结论

王晓冬等研究表明外源GABA、SA、Pro可调节逆境条件下作物生长发育及产量形成[19-21]。黄娟研究表明低温条件下，10 mmol·L-1GABA浸种可显著改善黄瓜幼苗生长状况[22]。代其林研究发现SA可提高水稻幼苗抵御低温胁迫能力，且最适施用浓度为1 mmol·L-1[23]。Posmyk等指出5℃低温下，5 mmol·L-1Pro水溶液有助于豇豆种子生长发育[24]。本研究表明，外源GABA、SA和Pro缓解水稻分蘖期低温胁迫最适浓度分别为2、2和30 mmol·L-1，与前人报道最适浓度不同，进一步证实外源物质有效性与作物类型、发育阶段和胁迫强度有关。

Jia等研究表明逆境胁迫下外源GABA、SA、Pro缓解逆境胁迫对作物叶片光合特性影响，增强其耐逆性[25-27]。本研究中外源GABA、SA和Pro缓解低温胁迫对寒地粳稻叶面积指数、抽穗期高效叶面积率和有效叶面积率抑制作用，促进光合产物积累，尤其促进抽穗后期干物质积累。叶片光合作用改善是否为有效抵御低温胁迫主因，有待进一步探究。

3种外源物质对低温胁迫下东农428产量增幅大于松粳10，由此推断分蘖期低温胁迫下耐冷性强品种东农428可塑性较强。3种外源物质中，SA处理下寒地粳稻分蘖数、有效穗数形成最多，产量增幅最大，故SA施用效果最好。东北农业大学农学院水稻研究所课题组前期研究证实SA对盐胁迫下水稻调控作用大于GABA和Pro，且利用3种外源物质复配可有效提高水稻耐盐性[28]。3种外源物质复配对水稻耐低温胁迫是否具有协同增效作用有待进一步研究。此外，3种外源物质缓解水稻低温胁迫生理机制及最佳喷施时期尚待明确。

外源GABA、SA和Pro有效缓解分蘖期低温胁迫对寒地粳稻生长发育及产量形成抑制作用。3种外源物质最适浓度分别为2 mmol·L-1GABA、2 mmol·L-1SA和30 mmol·L-1Pro。本研究可为寒地粳稻分蘖期防御低温冷害化控栽培技术制定提供理论依据和技术支持，对黑龙江省水稻生产可持续发展具有参考价值。