花期低温对水稻叶鞘生理及结实率的影响

项洪涛，梁晓艳，郑殿峰，李 琬，王彤彤，王 畅，王立志，李 冰，齐德强

(1. 黑龙江省农业科学院博士后工作站，黑龙江 哈尔滨150086； 2. 黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所，黑龙江 哈尔滨150086；3.黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江 大庆163319)

水稻起源于热带，是世界第二大农作物，全球超过50%的人口以大米为主食[1]。水稻是喜温作物，从热带、亚热带到温带、甚至是寒冷地区都有种植[2]。水稻生长对水分、光照等气象条件具有一定的要求，尤其对温度条件非常敏感[3]。在全球气候变暖的背景下，极端天气事件出现的频率发生变化，呈现出增多增强的趋势[4]，近年来我国东北地区夏季频繁发生低温，对农业生产造成很大影响。与其他禾本科作物不同，水稻更容易受到低温伤害，营养生长阶段可推迟各生育时期并延迟抽穗[5]，生殖生长过程中能引起花粉不育、降低结实率并严重减产[6]，低温对水稻生产的影响一直是水稻气象研究的重点问题[4]。

1 材料与方法

1.1 材料与试验设计

1.2 测定项目与方法

1.2.1 取样 处理期间，对挂签标记稻穗的剑叶叶鞘进行取样，每天上午10∶30取样一次，连续取样5次，取样后迅速置入液氮中，之后放在-80℃冰箱中保存，供生理指标测定使用。低温处理后每天移至室外12盆，直至成熟，供结实率调查使用。

1.2.2 测定指标及方法 水稻花粉活力：取有代表性的挂签标识稻穗的颖花6朵，每个颖花取3个花药，将花药用I2-KI溶液染色后，观察3个视野的染色情况，计算花粉活力；结实率采用人工调查法；SOD、POD、CAT的酶活性及MDA含量按照李合生等[14]的方法；可溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝G-250染色法[14]；可溶性糖含量测定采用硫酸蒽酮比色法[15]；脯氨酸含量测定采用茚三酮比色法[15]；相对电导率测定采用张宪政[15]的方法。

1.3 数据处理

试验所有数据处理采用Excel 2010和SPSS 19.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 开花期低温对水稻生殖生长的影响

2.1.1 开花期低温对水稻花粉活力的影响 由表1可知，开花期低温处理后，水稻的花粉活力发生明显变化。低温处理后，LJ 11从2 d到5 d花粉活力下降的百分比率分别是16.10%、33.79%、45.68%和60.34%；而LD5分别是8.21%、15.30%、18.27%和25.04%，可以看出相同低温处理时间，LD5的花粉活力下降幅度低于LJ11，表明低温对LD5的影响小于LJ11。方差分析结果表明：处理1 d时，LJ 11和LD 5的花粉活力变化不显著；处理2 d开始， 2个水稻品种花粉活力都极显著降低。

2.1.2 开花期低温对水稻结实率的影响 由表2可知，开花期低温处理对水稻结实率的影响因水稻的耐冷性不同而存在差异。低温处理1 d到5 d，LJ11结实率下降的百分比率分别是4.88%、18.10%、24.39%、36.55%和49.66%；而LD5分别是0.03%、0.03%、0.06%、0.15%和0.19%，可以看出相同低温处理时间，LD5的结实率下降幅度低于LJ11。方差分析表明：LJ 11处理1 d时，结实率即发生极显著降低。LD 5经低温处理2 d内，其结实率变化差异不显著；处理3 d时结实率显著降低；处理4 d开始，结实率达极显著降低的差异水平。

2.2 开花期低温对水稻叶鞘细胞膜抗性的影响

2.2.1 开花期低温对水稻叶鞘MDA含量的影响 由图1可知，开花期低温处理后，水稻叶鞘内MDA含量变化较大，随着处理时间变长，MDA含量随之增高，同时可以看出耐冷品种LD 5的MDA含量低于冷敏品种LJ 11。LJ 11的MDA含量呈先增加后降低的变化趋势，处理4 d时含量最高，较CK高83.12%，处理5 d时含量开始下降，较第4天降低了7.09%；方差分析结果表明处理2 d内，MDA含量显著提高，处理3 d开始MDA含量极显著提高。LD 5的MDA含量整体呈增加的变化规律，处理4 d和5 d时含量相同，较第1天高68.3%，处理5 d时含量较CK高90.57%；经方差分析可知，处理2 d时MDA含量显著增加，处理3 d开始，MDA含量极显著增加。

表1 开花期低温对水稻花粉活力的影响/%

注：平均数后的误差为标准差。采用新复极差法进行多重比较，同列不同小写字母表示处理间0.05水平差异显著，不同大写字母表示处理间0.01水平差异显著。下同。

Note：Errors following the mean values are standard error. Treatment means were separated using Duncan’s multiple range test. Different lowercases and capital letters in the same column indicate significant differences at 0.05 and 0.01 levels, respectively. The same below.

表2 开花期低温对水稻结实率的影响/%

2.2.2 开花期低温对水稻叶鞘脯氨酸含量的影响 由图2可知，低温处理能够影响水稻叶鞘中脯氨酸含量，不同品种间差异较大。耐冷品种LD 5的脯氨酸含量高于冷敏品种LJ 11，同时其变化幅度也高于LJ 11。LJ 11脯氨酸含量上升速率较慢，处理5 d与处理1 d相比较，其脯氨酸含量仅提高3.99%，处理第5天时，较CK相比脯氨酸增加25.06%；而LD 5的脯氨酸含量增加速率较快，处理5 d与处理1 d相比较，脯氨酸含量增加了35.76%，处理第5天时，脯氨酸含量较CK增加84.85%。方差分析结果表明，低温处理1 d开始，2个水稻品种叶鞘中脯氨酸含量就极显著增加。

2.2.3 开花期低温对水稻叶鞘相对电导率的影响 从图3可以看出，低温能够提高水稻叶鞘相对电导率，冷敏品种的变化幅度高于耐冷品种。经过方差分析可知，低温处理1 d后，2个水稻品种叶鞘相对电导率都显著或极显著增加。随着低温处理时间持续，冷敏品种LJ 11的相对电导率迅速升高，处理5 d与处理1 d相比较，其相对电导率提高了20.22%；而耐冷品种LD 5的相对电导率仅提高了5.42%。整体来看，耐冷品种的相对电导率低于冷敏品种。

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注：图中小写字母表示不同处理内0.05水平差异显著，大写字母表示处理内0.01水平差异显著，下同。Note：Different lowercases and capital letters within the same column indicate significant differences at 0.05 and 0.01 levels among treatments, respectively. The same below.图1 开花期低温对水稻叶鞘丙二醛(MDA)含量的影响Fig.1 Effects of low temperature during flowering stage on MDA content in rice leaf sheath

图2 开花期低温对水稻叶鞘脯氨酸含量的影响Fig.2 Effects of low temperature during flowering stage on proline content in rice leaf sheath

2.3 开花期低温对水稻叶鞘抗氧化系统酶活性的影响

2.3.1 开花期低温对水稻叶鞘SOD活性的影响 由图4可知，经低温处理后，水稻叶鞘的SOD活性先升高后降低。LJ 11在处理4 d时达到最高，与CK相比，其活性提高了9.23%；LD 5在处理3 d时达到最高，其活性较CK提高了14.90%。方差分析结果表明， LJ 11在处理3 d时，SOD酶活性显著高于CK，其它取样时期差异不显著； LD 5处理2 d内，SOD酶活性显著高于CK，处理3 d时，SOD酶活性极显著高于CK，到了第4天和第5天时，TR和CK之间没有显著差异。

2.3.2 开花期低温对水稻叶鞘POD活性的影响 由图5可知，低温处理后，水稻叶鞘POD活性变化规律呈单峰曲线。LJ 11处理1 d后，POD活性明显提高，比CK高出49.18%，处理第3天时，POD活性达到最大值，与CK相比提高了86.26%，处理第5天时，POD活性降到最低，但仍较CK高出19.47%；方差分析结果表明低温4 d时，LJ 11处理的POD活性显著高于CK，其他取样时间，低温处理的POD活性极显著高于CK。LD5经低温处理后，叶鞘内的POD活性变化规律同LJ11相同，都是第3天达到最高值，此时处理的POD活性较CK高出68.71%，而后POD活性下降，处理第5天时POD活性降到最低，此时处理的POD活性较CK高出32.14%;方差分析结果表明低温处理后，LD5叶鞘的POD活性极显著高于CK。

2.3.3 开花期低温对水稻叶鞘CAT活性的影响 由图6可知，低温处理后水稻叶鞘内的CAT活性与CK相比呈增加的变化趋势。LJ 11的CAT活性在处理3 d时达到最大值，与CK相比，CAT活性提高17.73%，处理4 d后，CAT活性开始下降；方差分析结果表明低温1 d到5 d，处理均可极显著提高CAT活性。LD 5经低温处理1 d时，CAT活性增加，经方差分析可知差异达到显著水平，处理2 d时，CAT活性迅速上升，较处理1 d时，活性增加了18.14%，处理2～5 d之间，叶鞘的CAT活性变化较小。方差分析结果表明，2个品种处理2～5 d的CAT活性都极显著高于CK。整体来看，耐冷品种的CAT活性高于冷敏品种，并且低温处理后，耐冷品种CAT活性上升较早、较快，而且比较稳定。

图3 开花期低温对水稻叶鞘相对电导率的影响Fig.3 Effects of low temperature during flowering stage on relative conductivity in rice leaf sheath

图4 开花期低温对水稻叶鞘SOD活性的影响Fig.4 Effects of low temperature during flowering stage on SOD activity in rice leaf sheath

图5 开花期低温对水稻叶鞘POD活性的影响Fig.5 Effects of low temperature during flowering stage on POD activity in rice leaf sheath

图6 开花期低温对水稻叶鞘CAT活性的影响Fig.6 Effects of low temperature during flowering stage on CAT activity in rice leaf sheath

2.4 开花期低温对水稻叶鞘可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响

2.4.1 开花期低温对水稻叶鞘可溶性糖的影响 从图7可以看出，低温对水稻叶鞘可溶性糖含量具有一定影响，可溶性糖含量呈先增加后降低的变化趋势。LJ 11的可溶性糖含量在处理3 d时达最大值，较CK增加了34.06%，方差分析结果表明此时处理的可溶性糖含量极显著高于CK，而其他4个取样时期处理和CK之间无显著性差异。LD 5经低温处理后，可溶性糖含量先增加后降低，处理1 d时，上升幅度较小，处理2～4 d间，可溶性糖含量上升比例较大，并维持在同一较高范围内，处理第5天开始下降。经过方差分析可知，除处理第5天时，TR和CK之间差异不显著，其他时期都达到极显著的差异水平。这与可溶性糖能提高作物抗逆性的特性有关。

2.4.2 开花期低温对水稻叶鞘可溶性蛋白的影响 图8表明低温能提高水稻叶鞘内可溶性蛋白含量，随着处理时间延长，可溶性糖含量整体呈上升的规律。低温处理1 d时，2个水稻品种的上升幅度都较小，方差分析结果表明差异不显著。LJ 11从处理2 d开始，可溶性蛋白含量上升幅度较大，2～5 d分别较CK增加了9.92%、21.00%、25.45%和25.82%；方差分析结果表明处理2～5 d，低温处理的可溶性蛋白含量都极显著高于CK。LD 5从处理2 d开始，可溶性蛋白上升幅度开始增大，2～5 d分别较CK增加了11.27%、19.00%、22.71%和23.63%；方差分析结果表明，处理2 d时，低温处理的可溶性蛋白含量显著高于CK；低温第3天开始，处理的可溶性蛋白含量极显著高于CK。整体来看，无论是室外CK还是室内低温处理，耐冷品种LD 5的可溶性蛋白含量都高于冷敏品种LJ 11，这与其耐冷的特性相关。

图7 开花期低温对水稻叶鞘可溶性糖含量的影响Fig.7 Effects of low temperature during flowering stage on soluble sugar content in rice leaf sheath

图8 开花期低温对水稻叶鞘可溶性蛋白含量的影响Fig.8 Effects of low temperature during flowering stage on soluble protein content in rice leaf sheath

3 讨 论

3.1 开花期低温对水稻生殖生长的影响

温度能限制农业生产发展[16]，是影响水稻生长发育的关键气象因素之一[17]，在生育期遭受低温，可引起植物体内生理代谢发生变化[18]。同种作物的不同品种间耐冷性存在很大区别[19]，同品种不同低温持续时间和低温强度对作物结实率的影响也完全不同[20]。如水稻生殖生长过程遇到低温，可导致发生障碍型冷害，引起幼穗分化生理机能发生紊乱，生殖生长活动受阻，结实率下降[21]。叶昌荣等[22]研究指出水稻孕穗期受到低温冷害后，花药缩小，花药内可育花粉数量减少，不育花粉数量增多，结实率下降。邓化冰[11]等研究开花期低温对水稻的影响，指出开花期低温胁迫使得水稻代谢过程遭到破坏，降低了花粉的生活力和可育性，导致水稻花粉萌发率显著降低，最终造成结实率下降。本研究结果与上述结论一致，开花期低温降低了水稻的花粉活力以及结实率，随着低温时间的延长，花粉活力降低越大；但不同品种之间存在明显的差异，耐冷品种LD 5和冷敏品种LJ 11对低温的应答不同，LD 5下降的速率较慢，受到的伤害程度也相对较轻，这与赵国珍等[23]的观点相同，他们指出冷胁迫可使水稻结实率显著降低，造成不同程度减产，但不同品种间存在较大差异。

3.2 开花期低温对水稻叶鞘生理性状的影响

多数研究表明低温影响作物逆境生理指标，比如可溶性物质含量[12]、活性氧类物质含量[24]，膜透性物质含量[13]、抗氧化酶系统[25]等，在对水稻的研究过程中，多数研究都集中在根系和叶片，对叶鞘的研究较少。此外，研究的受害时期以孕穗期居多，研究开花期的较少。本研究结果表明，开花期低温能够显著影响水稻叶鞘的生理性状。

3.2.1 开花期低温影响水稻叶鞘细胞膜抗性 本研究结果表明水稻开花期低温处理能够提高叶鞘内MDA含量，脯氨酸含量以及相对电导率。随着低温处理时间的延长，叶鞘内的MDA含量、脯氨酸含量以及相对电导率都呈逐渐增高的趋势，这与邓化冰等[11]对水稻叶片的研究结果相似，其指出低温导致水稻叶片MDA含量和相对电导率显著增加，说明低温降低了植物体防御活性氧的酶促和非酶促保护系统能力，提高了自由基浓度，加剧了膜脂过氧化，导致膜结构破坏，质膜透性加大，电解质外渗，从而影响了叶片的生理生化机能，同时也指出耐冷品种能够相对保持较低的MDA和膜透性，使其膜结构及功能保持相对稳定，从而减轻了低温对水稻的伤害。另外，本研究结果还表明不同耐冷性水稻品种之间的差异较大，耐冷品种的脯氨酸含量高于冷敏品种，而MDA含量和相对电导率则低于冷敏品种，这些现象可能都是水稻叶鞘对低温抵御的反应。

3.2.2 开花期低温影响水稻叶鞘保护酶活性 邓化冰等研究指出开花期低温胁迫可导致水稻膜脂过氧化物含量迅速上升，随之体内的保护酶活性也产生变化，SOD、POD、CAT的活性呈先上升后降低的变化趋势[24]，保护酶维持较高的活性以尽量保护植株，减少低温带来的伤害。

本研究结果表明水稻开花期低温处理能够影响叶鞘保护酶活性，SOD、POD、CAT的活性呈先上升后降低的变化趋势。其中LD 5的SOD活性总体表现出显著或极显著提高(1～4 d)，随着处理时间增长，到处理5 d时，其活性与CK之间差异不显著；而LJ 11的SOD活性仅在处理第3天时与CK之间差异显著，随后活性开始降低。LJ 11和LD 5的POD活性，从处理第1天开始就极显著提高，在处理第3天时达到最大值，随后开始下降。处理3 d是一个水稻叶鞘POD活性改变的临界时间，其开始下降就意味着低温造成不可逆的伤害。就CAT活性来看，LJ 11响应迅速，自处理开始就极显著提高；而LD 5则是处理第2天才开始极显著提高。整体来看，低温可以导致水稻叶鞘SOD、POD、CAT活性提高，但不同品种之间存在明显差别，耐冷品种高于冷敏品种，耐冷品种SOD和CAT活性维持较高水平时间持续较长，这可能是其之所以耐冷的一个主要原因。李春燕等[26]指出低温处理一段时间后，保护酶活性表现出持续下降的趋势，这与本研究的结果一致，同时李春燕等[26]也表明这种持续下降的现象是由于低温对作物造成了不可恢复的伤害。就本研究结果而言，耐冷品种处理前期(1～2 d)SOD活性上升较快，中期(2～4 d)POD活性较高，后期(4～5 d)CAT活性较高，这也充分证明了SOD、POD和CAT三者协同作用可抵抗逆境伤害的观点。

3.2.3 开花期低温提高水稻叶鞘可溶性糖和可溶性蛋白含量 逆境条件下，植物为了减缓由胁迫造成的生理代谢不平衡，在细胞内大量累积一些小分子有机化合物，通过渗透调节来降低水势，以维持较高的渗透压，保证细胞的正常生理功能[27]。可溶性糖和可溶性蛋白质是低温诱导的小分子溶质，这些物质可以参与渗透调节，并可能在维持植物蛋白质稳定方面起到重要作用[27]。低温胁迫下可溶性糖和可溶性蛋白在植物体内会大量积累，可溶性糖通过某些糖代谢途径形成保护性物质，提高植物抵抗低温的能力[13]。本研究结果表明，低温导致水稻叶鞘内可溶性物质含量增加，耐冷品种的可溶性糖和可溶性蛋白含量均高于冷敏品种，这与相关研究结果相似，刘祖琪等[28]表明抗寒性强的植物体内的可溶性糖含量也相对较高。

4 结 论

1)开花期低温影响水稻生殖生长，可导致水稻花粉活力降低，同时还引起结实率降低；低温时间越长，受害程度越大，花粉活力和结实率降低的幅度越大。

2)开花期低温胁迫使得水稻叶鞘的生理性状发生改变，引起叶鞘MDA含量、脯氨酸含量和相对电导率等膜透性指标显著提高；同时低温诱导保护系统开启，叶鞘内SOD、POD、CAT活性都发生相应变化，3种保护酶协同作用清除过剩的自由基，防御或减缓低温的伤害；低温处理后，叶鞘内的可溶性糖和可溶性蛋白含量在一定时间内迅速增加，提高了水稻叶鞘抵御低温的能力。

3)开花期低温处理后，耐冷品种比冷敏品种的花粉活力和结实率要高；耐冷品种的脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量高于冷敏品种，而MDA含量和相对电导率低于冷敏品种；耐冷品种的保护酶活性也高于冷敏品种。