不同壮秧剂对水稻幼苗生长及生理特性的影响

齐德强 冯乃杰1,,∗ 郑殿峰1,,∗ 梁晓艳

(1广东海洋大学农学院,广东湛江 524000;2黑龙江八一农垦大学化控研究室/黑龙江省高校寒地作物种质改良与栽培重点试验室,黑龙江大庆 163319)

水稻(Oryzasativa L.)作为我国重要的粮食作物之一,在保障我国粮食安全中占有极其重要的战略地位[1]。培育壮秧是水稻稳产高产的关键之一,除改善培育环境,提升培育技术外,使用壮秧剂已成为培育壮苗最直接和最有效的方法。

多效唑(paclobutrazol,MET)、烯效唑(uniconazole,S3307)和缩节胺(mepiquat chloride,DPC)属于植物生长延缓剂,具有延缓植株生长、增加茎粗、提高植株抗性和增加产量的特性[2-6]。研究表明,采用MET 浸种能够抑制主茎的伸长生长,促进增加茎粗,从而使幼苗矮壮、根系发达,增强抗倒伏能力[7-8];喷施S3307可以促进植株叶片中叶绿素含量的增加,提高净光合速率(net photosynthetic rate,Pn)[9],增加稻米内蛋白质含量和蛋白质产量[10];花期喷施DPC 可以有效抑制毛叶苕子主茎的伸长,提高籽粒产量[11]。萘乙酸(naphthalene acetic acid,NAA)、吲哚丁酸钾(indole-3-butyric acid potassium salt,IBAK) 和胺鲜酯(diethyl aminoethyl hexanoate,DTA-6)属于植物生长促进剂,具有促进细胞分裂、分化和伸长生长,促进植物营养器官生长及生殖器官发育的特性。其中,NAA 和IBAK能够促根壮苗,提升光合作用,促进细胞分裂,加速生长发育[12-14],增强植物的抗逆能力[15-16],显著促进植株根系干鲜重、根长和根数的增加[17];采用DTA-6 浸种可以提高水稻幼苗根冠比,显著提高叶片叶绿素含量和根系活力[18]。壳寡糖(chito-oligosaccharide,COS)是新型的植物调节剂。研究发现采用COS 浸种可以调控植物生长,促进水稻幼苗生长,提高水稻中超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过氧化物酶(peroxidase,POD)和过氧化氢酶(catalase,CAT)的活性,增强水稻幼苗的抗寒性[19-20]。脱落酸(abscisic acid,ABA)是具有重要生理活性的五大植物内源生长调节物质之一,被称为植物“抗逆诱导物质之王”。研究发现ABA 浸种可促进水稻幼苗生长,提高水稻秧苗素质[21];叶面喷施ABA 可以提高低温下水稻植株抗性酶活性、可溶性糖和可溶性蛋白的含量,进而提高水稻耐冷性[22]。CGR3[1-(3-甲酸甲酯-1,2,4-三唑)-基-3.3-二甲基-2-丁酮]为黑龙江八一农垦大学化控实验室自主研发的新型植物生长调节剂,前期室内试验研究发现CGR3具有促进植株根系发育的作用[23]。鉴于植物生长调节剂调控作物生长的优越性,以及目前优秀壮秧剂投入品的匮乏,亟需开发新型水稻壮秧剂产品。为此,本试验选用高效、低毒和低残留的调节剂,通过与壮秧肥配施,形成9 种新型壮秧剂产品,进一步研究不同壮秧剂对水稻幼苗生长发育的作用效应及机理,以期筛选出效果最佳的壮秧剂组方,为新型壮秧剂的研发以及水稻培育壮秧提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种：龙粳31 和垦稻24,分别由黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所、黑龙江农垦科学院水稻研究所提供。

供试壮秧剂：黑龙江八一农垦大学化控室自主研发。

1.2 试验设计

试验于2017年12月1日在黑龙江八一农垦大学农学院日光温室进行(日温28±2℃,夜温20±2℃;相对湿度80%±5%;光周期12 h),采用完全随机设计。设置9 种调节剂[多效唑、脱落酸、壳寡糖、萘乙酸、烯效唑、吲哚丁酸钾、缩节胺、1-(3-甲酸甲酯-1,2,4-三唑)-基-3.3-二甲基-2-丁酮和胺鲜酯]与壮秧肥配施的新型壮秧剂处理,以不添加调节剂的壮秧肥为对照(CK)。各壮秧剂内均含有氮、磷、钾等大量元素和中微量等肥料元素及杀菌剂,调节剂在壮秧剂中所占质量比分别为MET(0.025%)、ABA(0.005%)、COS(0.008%)、NAA (0.002%)、S3307(0.002%)、IBAK(0.008%)、DPC(0.016%)、DTA-6(0.001%)、CGR3(0.020%)。称取4.16 g 壮秧剂与400 g 秧土均匀混合装入塑料盒中(26 cm×15 cm×8 cm),每个处理重复3 次,共60 盒。选取颗粒饱满的种子,用0.5%次氯酸钠溶液消毒30 min,蒸馏水清洗干净,置于恒温(28℃)避光的温箱中清水浸种72 h,待芽长为2 mm时进行播种,每塑料盒播种量为13.75 g。待幼苗长至三叶一心时,进行形态、叶绿素和叶片根系生理指标的测定。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 水稻幼苗地上部形态指标的测定 取各处理的水稻幼苗根用蒸馏水冲洗干净后,每盒选取具有代表性的10 株幼苗,利用直尺测定株高(cm)和茎基宽(cm)。将上述10 株水稻幼苗作为一组,按照叶、叶鞘和根3 部分分开,利用Yaxm-1241 叶面积仪(北京雅欣理仪科技有限公司)测定幼苗整株叶面积,然后将叶、叶鞘和根3 部分于105℃杀青30 min,80℃烘干至恒重,分别测量叶(g)、叶鞘(g)和根的干重(g),按照公式分别计算根冠比(root to shoot ratio,R/S)、充实度和壮苗指数：

1.3.2 水稻叶片光合色素含量的测定 称取0.5 g新鲜叶片,加入10 mL 95%乙醇于暗处浸提24 h,利用UV-3600 紫外分光光度计(HITAHI,日本)分别在665、649 和470 nm 波长下测定吸光度值,按照公式分别计算叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和总叶绿素含量[24]：

1.3.3 水稻植株抗性酶活性、蔗糖和淀粉含量的测定参照Shah 等[25]的方法测定SOD、CAT 和POD 活性;参照Madore[26]的方法测定蔗糖和淀粉含量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 19.0 软件进行数据处理和方差分析。所有数据均为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 不同壮秧剂对幼苗生长的影响

由表1 可知,对龙粳31 而言,ABA、COS 和CGR3处理的株高均高于CK,其中COS 与CK 间差异显著,MET、S3307和DPC 处理的株高均显著低于CK;MET、ABA、COS、S3307、DPC 和CGR3处理下植株茎基宽均高于CK,但与CK 间均无显著差异;9 种壮秧剂处理下的叶面积均高于CK,说明其促进了龙粳31 叶片伸展,增加了叶片面积,其中S3307、IBAK、DPC 和DAT-6 分别较CK 显著高52.96%、38.79%、91.69%和85.56%。对垦稻24 而言,MET、S3307和DPC 处理的株高均显著低于CK,而ABA、NAA、IBAK 和CGR3处理的植株则均显著高于CK,但四者之间无显著差异;除DTA-6 和IBAK 外,各壮秧剂处理的水稻茎基宽均高于CK,其中MET 与CK 间差异显著;除NAA 和IBAK 外,各壮秧剂处理对垦稻24 的叶面积均有促进作用,其中COS、DTA-6 和CGR3均显著高于CK。

表1 不同水稻壮秧剂对龙粳31 和垦稻24 水稻幼苗地上部形态的影响Table 1 Effects of different rice seedling strengthening agents on rice seedling of Longjing 31 and Kendao 24

2.2 不同壮秧剂对水稻生物量积累及其根冠比的影响

由表2 可知,MET、ABA、COS、NAA 和DTA-6 均促进了龙粳31 幼苗总生物量的积累,分别较CK 高3.76%、2.09%、9.62%、2.93%和4.18%;MET、NAA、S3307、DPC 和DTA-6 均对龙粳31 叶片生物量的积累有促进作用;ABA 和COS 均促进了叶鞘生物量积累,但二者与CK 间均无显著差异。各壮秧剂处理均对龙粳31 根生物量积累有促进作用,除IBAK 和DPC 外,各壮秧剂处理的根生物量均显著高于CK;MET、ABA、COS、NAA 和DTA-6 处理的地上生物量均高于CK,但未达到显著水平,而IBAK 处理的地上生物量则显著低于CK,为0.178 g;分析根冠比可知,各壮秧剂处理的根冠比均显著高于CK(除DPC 外)。

由表3 可知,对垦稻24 而言,各壮秧剂处理的总生物量均高于CK,其中ABA、COS、DPC、DTA-6 和CGR3与CK 间均差异显著。MET、ABA、COS、S3307、IBAK 和DPC 处理均显著促进了根生物量的积累,分别较CK 提高35.00%、50.00%、65.00%、35.00%、45.00%和60.00%;ABA、COS、DPC、DTA-6 和CGR3处理地上生物量均显著高于CK;ABA、COS、DTA-6 和CGR3叶片生物量分别较 CK 显著高27.45%、32.35%、36.27%和37.25%;ABA、COS 和IBAK 处理的叶鞘生物量均显著高于CK;除NAA 外,各壮秧剂处理的根冠比均显著高于CK,以ABA 的根冠比值最大,为0.270。

综上,不同壮秧剂处理下,2 品种根冠比均表现为垦稻24＞龙粳31;MET、ABA 和COS 对植株总生物量的积累和根冠比的增加具有促进作用。

表2 不同壮秧剂对龙粳31 水稻生物量积累及其分布的影响Table 2 Effects of different seedling strengthening agents on Biomass accumulation and Distribution of Longjing 31

表3 不同壮秧剂对垦稻24 生物量积累及其分布的影响Table 3 Effects of different seedling strengthening agents on biomass accumulation and distribution of Kendao 24

2.3 不同壮秧剂对水稻幼苗充实度和壮苗指数的影响

由图1 可知, MET、NAA、S3307、DPC 和DTA-6 处理的龙粳31 充实度分别较CK 高22.54%、2.18%、12.28%、12.11%和4.03%,其中,MET 与CK 间差异显著。除NAA 和IBAK 处理的垦稻24 充实度显著低于CK 外,其他各壮秧剂处理均高于CK,分别较CK 高13.44%、9.69%、20.65%、10.27%、6.98%、8.11%和0.15%,其中COS 与CK 间差异显著。

由图2 可知,各壮秧剂处理下的龙粳31 和垦稻24 的壮苗指数均有所增加。除DPC 处理的龙粳31 及DTA-6 和CGR3处理的垦稻24 外,其他壮秧剂处理下2 个水稻品种的壮秧剂壮苗指数均与CK 间差异显著,其中COS 处理下2 个水稻品种的壮苗指数均为最大,分别为3.24 和3.94。结果表明,MET、COS、ABA 和S3307对龙粳31 和垦稻24 壮苗指数的作用效果更为明显。

2.4 不同壮秧剂对水稻叶片光合色素的影响

由图3 可知,除IBAK 外,各壮秧剂对龙粳31 叶片光合色素的增加均有显著的调控效果,其叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和总叶绿素含量均显著高于CK。其中NAA 处理的叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和总叶绿素含量均高于其他处理和CK,其叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和总叶绿素含量较CK 分别显著高79.35%、83.52%、80.89%和80.74%。

图1 不同壮秧剂对水稻幼苗充实度的影响Fig.1 Effect of different seedling strengthening agents on rice seedling plangt height ratio

图2 不同壮秧剂对水稻壮苗指数的影响Fig.2 Effect of different seedling strengthening agents on rice seedling strength index

图3 不同壮秧剂对水稻龙粳31 叶片叶绿素含量影响Fig.3 Effect of different seedling strengthening agents on chlorophyll content of Longjing 31

由图4 可知, MET、ABA、COS、NAA、IBAK、DPC和CGR3处理促进了垦稻24 叶片叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和总叶绿素含量的增加。方差分析表明,MET和ABA 处理的光合色素含量与CK 间差异均达到显著水平,2 个处理的叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和总叶绿素含量分别为3.21 和2.49、1.36 和1.02、0.62 和0.55、4.57 和3.50 mg·L-1。MET 处理的光合色素含量均为最大。此外,COS、IBAK、DPC 和CGR3处理的垦稻24 叶黄素较CK 分别显著高24.54%、33.62%、19.99%和18.17%。其中,IBAK 处理的叶绿素a 和总叶绿素含量与CK 间差异均达到显著水平。

图4 不同壮秧剂对水稻垦稻24 叶片叶绿素含量影响Fig.4 Effect of different seedling strengthening agents on chlorophyll content of Kendao 24

2.5 不同壮秧剂对水稻植株抗性酶活性的影响

由表4 可知,不同壮秧剂对龙粳31 和垦稻24 植株SOD、POD 和CAT 活性的影响存在差异。ABA、COS 和DTA-6 壮秧剂处理的龙粳31 植株SOD 活性均高于CK,但未达到显著差异。ABA 和COS 促进了POD 活性的增加,其中ABA 与CK 间差异显著。除CGR3外,各处理的龙粳31 植株CAT 活性均高于CK,其中MET 和ABA 处理与CK 间差异达到显著水平,其余各处理与CK 间无显著差异。

分析壮秧剂对垦稻24 植株SOD、POD 和CAT 活性的影响可知,各壮秧剂处理均降低了垦稻24 植株中SOD 活性,其中S3307和IBAK 处理显著低于CK。ABA、COS、NAA、DTA-6 和CGR3处理均促进了POD活性的增加,其中COS 和NAA 显著高于CK。MET、COS、NAA、S3307和DTA-6 处理促进了植株CAT 活性的增加,但未达到显著水平。

表4 不同壮秧剂对龙粳3 和垦稻24 植株抗性酶活性的影响Table 4 Effects of different seedling strengthening agents on resistance enzyme activity of Longjing 31 and Kendao 24

2.6 不同水稻壮秧剂对水稻植株蔗糖含量的影响

不同壮秧剂对于龙粳31 和垦稻24 叶片和根系中蔗糖含量影响不同。由图5 可知, MET、COS、NAA 和CGR3处理促进了龙粳31 叶片光合产物的积累,其蔗糖含量分别较CK 高4.46%、8.82%、32.73% 和4.74%。其中NAA 与CK 间差异显著。分析不同处理对垦稻24 叶片蔗糖含量影响可知,ABA 处理促进了垦稻24 叶片中蔗糖含量的积累,其蔗糖含量较CK 显著高57.27%,其他各处理的蔗糖含量均低于CK。

由图6 可知,ABA、COS、NAA 和S3307处理的龙粳31 根系蔗糖含量分别较CK 高18.76%、6.38%、12.57%和43.90%。分析垦稻24 可知,各处理(除DTA-6)促进了地上光合产物的运输,根系蔗糖含量均高于CK,其中ABA、DPC 和CGR3处理与CK 间均差异显著。

图5 不同壮秧剂对水稻叶片蔗糖含量影响Fig.5 Effects of different rice seedling strengthening agents on sucrose content in rice leaves

2.7 不同壮秧剂对水稻植株淀粉含量的影响

由图7 可知,MET、NAA、S3307、DPC 和DTA-6 处理的龙粳31 叶片淀粉含量均高于CK,其中NAA 处理较CK 显著高56.56%。分析垦稻24 可知,IBAK 处理的叶片淀粉含量高于CK,但与CK 间未达到显著水平,DPC 和DTA-6 处理叶片淀粉含量均显著低于CK。

由图8 可知,MET、ABA、COS、NAA 和S3307处理促进了龙粳31 和垦稻24 根系生长,其根系淀粉含量均高于CK。其中,MET、COS 和DPC 处理垦稻24 根系淀粉含量均显著高于CK。NAA 处理的龙粳31 和MET 处理的垦稻24 的根系淀粉含量均达到最大,分别较CK 高35.51%和157.40%。

3 讨论

充实度和壮苗指数是衡量水稻幼苗生长的综合形态指标。研究表明,壮秧剂可以显著提高水稻植株的充实度[27],且植株充实度与壮苗指数成正比,充实度越大,茎秆机械强度越强,壮苗指数越高[28]。本研究中,MET、COS 和ABA 处理的龙粳31 和垦稻24 幼苗的充实度均高于CK,三者处理的2 品种壮苗指数均与CK 达到显著差异水平;COS 和ABA 处理促进了龙粳31 和垦稻24 茎基宽的增加,MET 处理促进水稻茎基宽的同时,抑制了植株茎生长,显著降低了龙粳31 和垦稻24 植株株高。这与前人研究结果一致[3,29]。此外,本研究发现MET、COS 和ABA 处理促进了水稻植株总生物积累,其根生物量积累量均显著高于CK,同时显著提高了水稻幼苗根冠比,对幼苗生长起到了“促下控上”的作用,其中COS 处理对根生物量和地上生物量的作用效果均优于MET 和ABA 处理。

图7 不同壮秧剂对水稻叶片淀粉含量影响Fig.7 Effect of different seedling agent on starch content in rice leaves

图8 不同壮秧剂对水稻根系淀粉含量的影响Fig.8 Effect of different seedling agent on starch content in rice roots

SOD、POD 和CAT 作为作物维持活性氧的清除和平衡的重要酶类[30],是衡量植株抗性的重要指标,而抗性好坏是水稻壮苗评价的重要评价标准之一。本研究中,COS 和ABA 处理后龙粳31 植株SOD、POD 和CAT 活性均高于CK;COS 和ABA 处理后垦稻24 植株POD 和CAT 活性也均高于CK,这与前人研究结果一致[19-21]。本研究还发现,MET 处理后龙粳31 和垦稻24 植株CAT 活性均高于其他处理,其中MET 处理后龙粳31 植株CAT 活性与CK 差异显著,但MET 对幼苗SOD 和POD 活性的提高未产生明显的促进效果。本研究发现壮秧剂对水稻苗期抗性调控存在品种间差异性,这与前人研究调节剂对其他作物抗性生理的结果相符[31-32]。

水稻产量的95%来源于叶片的光合作用产物,光合作用是由叶绿体内的光合色素(叶绿素a 和b、类胡萝卜素)来完成,叶黄素在光合作用中捕获光能,调节植物生长和发育[33-35]。前人研究表明,壮秧剂可以显著提高水稻植株光合能力,增加叶片光合色素含量,叶色浓绿可促进植物光合产物的积累和转运,提高植株干鲜重[27,36]。本研究与前人研究结果一致。本研究结果表明,MET、COS 和ABA 处理显著增加了龙粳31和垦稻24 叶绿素a、叶绿素b、叶黄素和总叶绿素含量,ABA 和COS 处理加快了水稻叶片光合产物的合成和运输, ABA 和COS 处理后龙粳31 和垦稻24 根中蔗糖和淀粉含量均高于CK。MET 处理不仅增加了龙粳31 叶片蔗糖含量,还对龙粳31、垦稻24 叶片和根系的淀粉含量起到了促进作用。

本研究采用2 个品种验证不同壮秧剂的调控效果,综合壮秧剂在不同秧苗性状表现可知,壮秧剂对垦稻24 幼苗的调控效果优于龙粳31。前人研究表明,拌种剂处理可提高水稻出苗率和提高水稻秧苗素质,其作用程度在品种间存在一定差异[37]。本研究中,不同壮秧剂处理在相同指标的表现效果不一致,这可能与不同品种对调节剂的响应存在敏感性差异有关。因此,有必要深入开展复合型调节剂在壮秧剂中的组方研究及应用。

4 结论

本研究结果表明,不同壮秧剂对水稻秧幼苗的调控效果不同。其中,MET、ABA 和COS 3 种壮秧剂的壮秧效果优于其他处理,能够促进水稻幼苗生长,增加生物量积累,提高幼苗根冠比,促进水稻幼苗充实度和壮苗指数,提高水稻幼苗抗性。本研究仅测定了水稻秧苗性状的指标,无法全面反映不同壮秧剂的对水稻的调控效果,今后应结合秧苗移栽后本田植株性状和最终产量及品质等方面的作用效果综合评价不同壮秧剂的优劣。