低温对不同耐冷性水稻品种秧苗生理特性及根尖解剖结构的影响*

吴立群，蔡志欢，张桂莲,2,3**，刘逸童，赵 瑞



低温对不同耐冷性水稻品种秧苗生理特性及根尖解剖结构的影响*

吴立群1，蔡志欢1，张桂莲1,2,3**，刘逸童1，赵 瑞1

（1．湖南农业大学农学院，长沙 410128；2．南方粮油作物协同创新中心，长沙 410128；3．湖南农业大学水稻油菜抗病育种湖南省重点实验室，长沙 410128）

以秧苗期耐冷性不同的2个水稻品种湘早籼45和三七十萝为材料，利用光照培养箱分别设适温（25℃，CK）和低温（10℃）两个处理，研究低温下水稻秧苗生理特性及根尖解剖结构的变化，以探明低温对水稻秧苗的影响机理。结果表明，与对照相比，低温下幼苗总根数、最长根长、根鲜重、根干重、根系总吸收面积、活跃吸收面积和根系活力下降，且随着处理时间的延长降低幅度增大，冷敏感品种湘早籼45幼苗的降幅大于耐冷品种三七十萝；低温下根系SOD活性、POD活性表现为先增加后降低的趋势，根系相对电导率、MDA含量增加，耐冷品种三七十萝根系SOD活性、POD活性、相对电导率、MDA含量变幅小于冷敏感品种湘早籼45；低温下根系分泌物游离氨基酸含量和可溶性糖含量呈现先增加后降低的趋势，耐冷性品种三七十萝变幅高于冷敏感品种湘早籼45；低温下冷敏感品种湘早籼45根尖薄壁细胞形状不规则，排列疏松，细胞间隙大，维管束结构不清晰，木质部排列紊乱，而耐冷品种三七十萝低温下根尖薄壁细胞形状较规则，细胞排列较紧密，细胞间隙小，维管束结构较清晰，木质部和韧皮部清晰可见。研究结果说明水稻幼苗受低温激发通过诱导不同生理和形态变化以应对低温的影响。

水稻；低温；秧苗；生理特性；根尖解剖结构

水稻幼苗生长的适宜温度在25～35℃，但在中国南方双季稻区早稻播种后经常遭遇寒潮天气，导致秧苗出现黄叶、生长迟缓，甚至卷叶和死苗现象，不仅使早稻产量受到影响，还由于生育期的推迟而影响晚稻的生产计划和产量[1−2]。根系作为水稻的重要吸收和代谢器官，其生长和活力大小直接影响水稻的生长发育，间接决定着水稻地上部产量和品质[3−4]。水稻根系生长的最适温度为28～32℃，温度低于28℃或高于32℃均不利于根系生长[5]，低于22℃次生根不能生长[6]。关于低温对水稻生长发育影响研究多集中在植株地上部[7−8]，对根系影响的研究相对较少。程建峰等[9]研究表明，根际温度主要影响水稻生长前期根系的形成和生长后期根系的衰竭，水温对水稻根系的影响远大于气温。龚明等[10]研究表明,水稻苗期根系对低温的反应比叶片更敏感，水稻品种间耐冷性的差异可能就表现在根系耐低温能力的强弱上。宋广树等[11]研究显示，苗期低温处理后，水稻根系活力下降，且处理时间越长、温度越低，下降幅度越大。低温下，水稻根系生长受阻，导致根系无法吸收足够的水分来满足地上部的需求，致使地上部分出现青枯或死苗，这可能是水稻苗期低温危害的重要原因之一。目前对低温下水稻根系形态和生理特性系统研究报道较少。因此，本试验以耐冷性水稻品种三七十萝和冷敏感品种湘早籼45为材料，拟通过苗期人工模拟低温，从根系形态指标及生理特性方面进行研究，旨在揭示低温胁迫对水稻根系的影响机理，以期为选育耐冷性水稻品种或改良现有超高产水稻品种的耐冷性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2016年和2017年在湖南农业大学水稻科学研究所进行。供试材料为耐冷性水稻品种“三七十萝”和冷敏感水稻品种“湘早籼45”，三七十萝由湖南农业大学提供，湘早籼45由湖南某种子公司提供。二叶一心期幼苗在8℃低温下持续处置5d，然后在适温条件下恢复5d，三七十萝和湘早籼45的死苗率分别为8.57%和100%，说明两品种苗期耐冷性差异显著[12]。

1.2 试验设置

将饱满的水稻种子经常规消毒、浸种、催芽后，播于含有96孔的PCR板中（孔的底部剪掉），每间隔1孔播种1粒，每板播种48粒，播后放在1/2浓度的营养液中进行培养，营养液配方参考国际水稻研究所吉田昌一[13]，每3d换一次营养液。至幼苗生长至二叶一心期，将每品种10块PCR板含480株幼苗分别移入两个人工气候箱中进行处理，培养箱内光照为12000lx，空气相对湿度为70%～80%。培养箱内温度设两个水平，一个为低温处理（恒温10℃），另一个为适温处理（恒温25℃，CK），分别于处理24h、72d、120h取样进行各项生理指标的测定。试验设3次取样重复。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 幼苗生长状况

取10株幼苗进行单株总根数、最长根长、叶龄、株高的测量；取100株幼苗，将根与地上部分开，吸干表面水分后称鲜重，然后在恒温烘干箱108℃杀青30min，80℃烘干，冷却后称干重。

1.3.2 根系活力

取幼苗根系，参照李合生等[14]的方法，用DS-11 A型电导率仪测定根系电导率，用硫代巴比妥酸（TBA）法测定根系丙二醛含量，用TTC法测定根系活力，用甲烯蓝染色法测定根系总吸收面积和活跃吸收面积，用氮蓝四唑光还原法测定根系SOD活性，用愈创木酚法测定根系POD活性。

1.3.3 根系分泌物

取幼苗根系，参照李合生等[14]的方法，用蒽酮比色法测定可溶性糖含量，用茚三酮显色法测定游离氨基酸含量。

1.3.4 根尖显微结构

低温处理72h后取根尖，参照汪晓丽等[15]的方法进行根尖显微结构观察。用FAA液固定，经酒精脱水，二甲苯透明及石蜡包埋后进行连续横、纵向切片，切片经1.0%的番红和苯胺蓝染色。在显微镜下观察根系解剖结构并拍照。

1.4 数据处理

所有实验数据处理和方差分析采用Microsoft Excel和SPSS软件完成。为确保低温处理试验数据的可靠性，分别于2016年和2017年进行了两次相同试验材料的低温模拟试验，其中，2016年为预试验，以掌握光照培养箱进行低温设置的准确性，方差结果表明两年试验数据不存在显著差异，因此，文中采用2017年的试验数据进行差异变化分析。

2 结果与分析

2.1 低温对水稻幼苗根系形态和地上部形态的影响

由表1可见，在适温（CK）下，与冷敏感水稻品种湘早籼45相比，耐冷性水稻三七十萝幼苗的根条少但质量较好，长度和重量均相对较高，两品种的各根系形态指标均表现正常，随生育时间延长而增加。经过低温处理后，两品种的各根系形态指标（总根数、最长根长、根鲜重和根干重）均有一定程度的降低，且随着低温处理时间延长降低幅度逐渐增大。进一步分析可见，在低温处理24h、72h、120h后，湘早籼45的总根数、最长根长、根鲜重和根干重的降幅均大于三七十萝。表明苗期遭遇10℃低温会对水稻幼苗根系生长产生不利影响，且对冷敏感品种湘早籼45的影响大于耐冷性品种三七十萝。

表1 低温对两品种幼苗根系形态影响的比较（平均值±标准差）

注：CK为人工气候箱内适温（25℃）处理，LT为人工气候箱内低温（10℃）处理，Δ为两处理间的差值。XZX45为冷敏感水稻品种“湘早籼45”，SQSL为耐冷性水稻品种“三七十萝”。小写字母表示同品种不同时长处理间在0.05水平上的差异显著性。下同。

Note: CK: Optimal temperature treatment in artificial climate box (25℃); LT: low temperature treatment in artificial climate box (10℃), Δ: The difference between two treatments. XZX45: cold-sensitive cultivar Xiangzaoxian45, SQSL: cold-tolerant cultivar Sanqishiluo. Lowercase indicates the difference significance among the different time treatments of the same cultivar at 0.05 level. The same as below.

从表2可见，在适温（CK）下，两个品种幼苗地上部分形态指标均表现正常，随生育时间延长而增加。低温处理下，两个品种幼苗地上部分各形态指标（叶龄、株高、冠鲜重、冠干重）均有一定程度的降低，且随着低温时间延长降低幅度逐渐增大。进一步分析可见，在低温处理24h、72h、120h后，冷敏感品种湘早籼45的叶龄、株高、冠鲜重与冠干重降幅均大于耐冷品种三七十萝。表明苗期遭遇10℃低温会对水稻幼苗地上部生长产生不利影响，且对冷敏感品种湘早籼45的影响大于耐冷性品种三七十萝。

表2 低温对两品种幼苗地上部形态影响的比较（平均值±标准差）

2.2 低温对水稻幼苗根系吸收面积和根系活力的影响

由表3可见，在适温（CK）下，两品种根系生长正常，根系吸收面积随生育时间延长而增加。低温处理下，两品种幼苗的根系吸收面积指标（总吸收面积、活跃吸收面积、比面积）均有一定程度的降低，且随着处理时间延长降低幅度逐渐增大。进一步分析可见，在低温处理24h、72h、120h后，冷敏感品种湘早籼45的根系总吸收面积、活跃吸收面积、比面积的下降幅度均大于耐冷性品种三七十萝。表明苗期遭遇10℃低温会对水稻幼苗根系吸收面积产生不利影响，且对冷敏感品种湘早籼45的影响大于对耐冷性品种三七十萝。

由表4可知，在适温（CK）下，两品种幼苗根系生长正常，根系活力随生育时间延长而增加。低温处理下，两品种的根系活力降低，且随着处理时间延长降低幅度逐渐增大。进一步分析可见，在低温处理24h、72h、120h后，冷敏感品种湘早籼45的根系活力下降幅度大于耐冷性品种三七十萝。表明苗期遭遇10℃低温会对水稻幼苗根系活力产生不利影响，且对冷敏感品种湘早籼45的影响大于耐冷性品种三七十萝。

表3 低温对两个品种幼苗根系吸收面积影响的比较（平均值±标准差）

表4 低温对两个品种幼苗根系活力、相对电导率和丙二醛含量影响的比较（平均值±标准差）

2.3 苗期低温对根系相对电导率和丙二醛含量的影响

由表4可知，在适温（CK）下，两品种幼苗根系相对电导率随生育时间延长变幅不明显。低温处理下两个品种的根系相对电导率增加，且随着处理时间的延长增加幅度逐渐增大。进一步分析可见，在低温处理24h、72h、120h后，冷敏感品种湘早籼45根系相对电导率增加幅度均大于耐冷性品种三七十萝。表明苗期遭遇10℃低温对水稻幼苗根系产生了伤害，且对冷敏感品种湘早籼45的伤害程度大于耐冷性品种三七十萝。

由表4可看出，在适温（CK）下，两品种根系MDA含量随生育时间延长变幅不明显。低温处理下两个品种的根系MDA含量增加，且随着处理时间的延长增加幅度逐渐增大。进一步分析可见，在低温处理24h、72h、120h后，冷敏感品种湘早籼45根系MDA含量增加幅度均大于耐冷性品种三七十萝。表明苗期遭遇10℃低温对水稻幼苗根系产生伤害，且对冷敏感品种湘早籼45的伤害程度大于对耐冷性品种三七十萝的伤害程度。

2.4 苗期低温对幼苗根系SOD和POD活性的影响

由表5可看出，在适温（CK）下，两品种根系SOD活性和POD活性随生育时间延长变化幅度不明显。低温处理下，两品种根系SOD活性和POD活性表现为先增加后降低趋势，即处理初期根系SOD和 POD活性增加，但随着处理时间延长呈现降低趋势。进一步分析可见，在处理24h、72h、120h后，冷敏感品种湘早籼45根系SOD活性和POD活性变幅均大于耐冷品种三七十萝。表明低温对冷敏感品种湘早籼45根系SOD活性和POD活性的影响大于对耐冷性品种三七十萝的影响。

2.5 苗期低温对幼苗根系分泌物游离氨基酸含量和可溶性糖含量的影响

由表6可知，在适温（CK）下，两品种根系分泌物游离氨基酸含量随生育时间延长逐渐增加。低温下根系分泌物游离氨基酸含量呈现先增加后降低趋势，在低温处理24h、72h后，湘早籼45根系分泌物游离氨基酸含量分别比对照增加17.39%、40.00%，在处理120h后比对照增加14.29%；而三七十萝在低温处理24h、72h后，根系分泌物游离氨基酸含量分别比对照增加20.00%、46.43%，在处理120h后比对照增加26.67%，增加幅度大于湘早籼45。表明低温对冷敏感品种湘早籼45的影响大于对耐冷性品种三七十萝的影响。

表5 低温对两品种幼苗根系SOD活性和POD活性影响的比较（平均值±标准差）

由表6可知，低温胁迫下，根系分泌物可溶性糖含量变化趋势与游离氨基酸含量趋势基本一致。低温下三七十萝根系分泌物可溶性糖含量增加幅度大于湘早籼45，表明低温对冷敏感品种湘早籼45根系分泌物的影响大于对耐冷性品种三七十萝的影响。

表6 低温对两品种幼苗根系分泌物游离氨基酸含量和可溶性糖含量影响的比较（平均值±标准差）

2.6 苗期低温对幼苗根尖解剖结构的影响

由图1可知，在适温（CK）下，两品种幼苗根尖细胞形态结构正常，薄壁细胞形状规则，排列紧密，细胞间隙小，维管束结构清晰。低温下两品种幼苗根尖细胞形态结构发生了变化。对冷敏感品种湘早籼45而言，低温下根尖薄壁细胞形状不规则，排列疏松，细胞间隙大，维管束结构不清晰，木质部排列紊乱；对于耐冷品种三七十萝而言，低温下根尖薄壁细胞形状较规则，细胞排列较紧密，细胞间隙小，维管束结构较清晰，木质部和韧皮部清晰可见。表明低温对耐冷品种三七十萝根尖形态结构的影响小于冷敏感品种湘早籼45。

1.适温下湘早籼45根尖横切面图；2.低温下湘早籼45根尖横切面图；3.适温下三七十萝根尖横切面图；4.低温下三七十萝根尖横切面图；5.适温下湘早籼45纵切面图；6.低温下湘早籼45纵切面图；7.适温下三七十萝纵切面图；8.低温下三七十萝纵切面图。

3 结论与讨论

根系是作物养分和水分吸收的重要器官，也是很多物质合成、转化的场所，在作物的生长发育和产量形成过程中发挥重要作用。根系性状和地上部的性状两者彼此联系，相互制约，构成一个统一的整体，根系的形态及机能与地上部具有非常紧密的关系。水稻根系数量和根系在土壤中的分布特征对地上部生长、产量有重要影响[16]。刘莹等[17]的研究发现，根系是植物最先感受逆境胁迫的器官，逆境胁迫下根系形态上的变化最为直观。本研究表明，与适温对照相比，低温处理下水稻幼苗根系生长受到影响，表现为根系的最长根长、总根数下降，根系活力、吸收面积降低，这与相关研究结果[18−20]相一致。不过不同耐冷性品种间受影响程度存在差异，冷敏感品种湘早籼45下降幅度大于耐冷品种三七十萝，说明低温胁迫阻碍了水稻幼苗根系的生长发育，耐冷品种三七十萝根系受低温影响较小，低温下仍能保持较高的根系活力和吸收能力，有利于为地上部分输送养分和水分。

低温下水稻幼苗根系发生了膜脂过氧化，产生大量的膜脂过氧化产物丙二醛（MDA），同时根系相对电导率升高，且随着处理时间的延长MDA含量和相对电导率增幅逐步增大。植物原生质膜是细胞与环境的一个界面结构，可有效截取各种逆境引起的伤损，低温下根系MDA含量增加，细胞质膜受损其质膜透性发生了变化，引起细胞内含物大量外渗，相对电导率上升，质膜透性越大根系受损越严重。这与相关研究结果[20,21−23]相一致。但耐冷性品种间受损程度存在显著差异，冷敏感品种湘早籼45根系MDA含量和相对电导率增加幅度大于耐冷品种三七十萝，说明冷敏感品种湘早籼45根系细胞质膜在低温下受损程度大于耐冷品种三七十萝。

SOD和POD是生物体内重要的保护酶, 可防御活性氧对细胞膜系统产生伤害，从而延缓细胞衰老[24−25]。低温初期，幼苗根系保护酶活性增加，可对细胞内的活性氧进行清除，但随着低温处理时间延长保护酶活性下降，清除能力降低，这与相关研究结果[18,20,26]相一致。但耐冷性不同品种间存在差异，冷敏感品种湘早籼45根系SOD、POD活性的变幅大于耐冷品种三七十萝，这说明耐冷性品种在胁迫下仍能保持较高的保护酶活性，清除代谢过程中产生的活性氧，减轻低温对细胞膜造成的伤害。

可溶性糖、游离氨基酸是根系分泌物的主要组分，这些组分的增加对植物起到一定的保护作用，从而缓解植物受环境胁迫的伤害[27]。低温下根系分泌物可溶性糖含量、游离氨基酸含量增加，但随着处理时间延长有所下降，这表明低温初期根系分泌物主要组分含量增加，随处理时间延长根系分泌能力受到抑制，其变化趋势与相关研究结果[27]基本一致。但耐冷性不同品种间存在差异，耐冷性品种可溶性糖含量、游离氨基酸含量变幅显著高于冷敏感品种。表明耐冷品种三七十萝根系分泌能力受抑制程度小于冷敏感品种湘早籼45。

水稻根的后生木质部导管属于大型导管，位于中柱内侧，稻根通过导管将从外界环境中吸收的水分输送到植株体内，导管的数目和大小是反映根的水分疏导能力指标[28]。刘恒等[29]研究表明，根木质部导管与作物抗逆性密切相关。本研究结果表明，低温胁迫下，耐冷品种三七十萝根尖仍能维持较好的维管组织, 从而保证水分和营养物质的正常供给；对冷敏感品种湘早籼45，低温胁迫下根尖薄壁细胞形状不规则，排列疏松，细胞间隙大，维管束结构不清晰，木质部排列紊乱，从而引起输导功能障碍, 使地上部得不到充足的水分和养分供应，导致植株地上部分失水萎蔫。根尖是根系生理活性最活跃的部分，根尖细胞的内质网、线粒体、高尔基体、核糖体、液泡、微体和质膜ATPase等对根的功能发挥具有重要作用[30]。有关低温下水稻幼苗根尖的超微结构变化有待进一步研究。

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Effects of Low Temperature on Physiological Characteristics of Rice Seedlings with Different Cold Tolerance and Anatomical Structure of Root Tip

WU Li-qun1, CAI Zhi-huan1, ZHANG Gui-lian1,2,3, LIU Yi-tong1, ZHAO Rui1

(1.College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crop, Changsha 410128; 3.Hunan Provincial Key Laboratory of Rice and Rapseed Breeding for Disease Resistance, Hunan Agricultural University, Changsha 410128)

In order to explore the influence mechanism of low temperature on rice seedlings, a hydroponics experiment was conducted using 2 rice varieties with different cold tolerance at seedling stage including the cold-tolerant cultivar Sanqishiluo and cold sensitive cultivar Xiangzaoxian45, cultivated in light incubator under two different temperature treatments, the two temperature treatments were optimal temperature treatment (25℃,taken as control，CK) and low temperature treatment(10℃), respectively. The effects of low temperature on the physiological characteristics of rice seedlings and anatomical structure of root apex were studied. The results showed that compared with the control, total root number, longest root length, root fresh weight, root dry weight, root total absorption area, root active absorption area,and root activity decreased under low temperature treatment, and the decrease extent was increased with the increase of treatment time, the reduced range of cold-sensitive cultivar Xiangzaoxian45 was greater than that of cold-tolerant cultivar Sanqishiluo. The activity of SOD and POD increased first and then decreased, and relative conductivity and MDA content increased. The change range of SOD activity, POD activity, relative conductivity and MDA content in cold-tolerant cultivar Sanqishiluo was less than that of cold sensitive cultivar Xiangzaoxian45. The contents of free amino acids and soluble sugar in root increased first and then decreased under low temperature, the change range of cold-tolerant cultivar Sanqishiluo was higher than that of cold sensitive cultivar Xiangzaoxian45. Under low temperature, epidern cell of root tip wall in cold-sensitive cultivar Xiangzaoxian45 arranged irregularly and untightly, vascular bundle of connective tissue was seriously destroyed, and vascular bundle sheath cell arranged irregularly, xylem and phloem were unclear. While epidern cell of root tip wall in vascular bundle of connective tissue in cold-tolerant cultivar Sanqishiluo arranged regularly and tightly, vascularbundle sheath cell and parenchyma cells arranged regularly, xylem and phloem were clear. Results showed that the different physiological and morphological changes were inspired and induced by low temperature, and by applying physiological and morphologica changes to reply synthetically the influence of low temperature on rice seedlings.

Rice；Low temperature；Seedling；Physiological characteristics；Anatomical structure of root tip

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.12.005

吴立群,蔡志欢,张桂莲,等.低温对不同耐冷性水稻品种秧苗生理特性及根尖解剖结构的影响[J].中国农业气象,2018,39(12):805-813

收稿日期：2018−05−24

通讯作者。E-mail：zgl604@163.com

国家自然科学基金（30900874）；湖南省重点研发计划项目（2017NK2013）；湖南省教育厅重点项目（17A100）；作物学开放基金项目（ZWKF201504）；湖南农业大学大学生创新计划项目（XCX17085）

吴立群（1997−），学士，研究方向为作物抗逆生理。E-mail：wuliqun@163.com

共同第一作者：蔡志欢（1993−），硕士，研究方向为作物抗逆生理。E-mail：caizhihuan@163.com