大穗型水稻品种剪叶处理后灌浆结实期源库关系分析∗

陈建珍，闫浩亮，杨前玉，田小海**

（1．长江大学农学院，荆州 434025；2．长江大学主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心，荆州 434025；3．长江大学湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，荆州 434025；4．湖北荃银高科种业有限公司，荆州 434025）

水稻是主要粮食作物，其需求量巨大，培育大穗型水稻品种是实现水稻高产的有效途径之一。现有的大穗型水稻穗粒数多，其叶面积指数高，干物质积累迅速，但是，灌浆结实不稳[1-4]。灌浆期是水稻籽粒灌浆结实的关键时期[5]，源的供应能力[6-8]、库对源的抽提利用能力[9]，流的通畅与否[10]和籽粒的灌浆特征[11-13]等均是影响籽粒灌浆结实和产量形成的主要因素，但是，以往的研究多着重于某一个或两个方面，未系统地从源库互作的角度进行研究，源库关系是否协调直接影响源的有效利用、库的有效灌浆充实以及水稻高产潜力的实现[5，14-15]。Sonnewald 等[16]认为“调节源库关系改良作物”是未来的一种育种策略。到目前为止，有关大穗型水稻品种源库关系的协调性及其影响籽粒灌浆结实、制约高产潜力实现的机制等的研究报道较少[5，17-18]。剪叶处理可改变库源比例（粒叶比，即每穗颖花数与单茎叶面积的比值），是以往研究作物源库关系的一种常规方法[19-21]。许蓓蓓等[18]通过剪叶研究了源库调节对常规粳稻花后营养器官碳水化合物及氮磷钾转运的影响，结果显示，提高粒叶比可促进物质转运，其中，粒叶比为1.5时转运率达近似极限值。Shi等[5，17]运用灌浆期间源、库变化的动态数据建立模型，研究了不同水稻品种的源库关系及其与产量的关系，认为水稻育种和生产中应重点调控与籽粒库相关的性状。

大穗型水稻品种BL006和R-农白是从32 份水稻材料中选取的两份有代表性的高结实率型大穗型水稻材料[22]，BL006和R-农白穗粒数高，穗颈和枝梗维管束发育好，群体干物质积累量大，灌浆速率高、用时短，粒重高，但是，BL006 叶片早衰严重，R-农白茎鞘干物质利用不充分，成熟期大量的干物质滞留在茎鞘[13]。

本研究通过剪叶处理比较灌浆期间两个大穗型水稻品种籽粒（库）的灌浆动态特征、叶片和茎鞘（源）的碳水化合物代谢及其转运特征，分析两个水稻品种的源库关系及其对灌浆结实的影响，以期为超级杂交稻新品种的选育和高产栽培配套技术的建立提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为大穗型水稻品种BL006和R-农白，穗粒数分别为245.8粒和281.4粒，单穗重分别为5.4g和6.1g。

1.2 试验设计

2015年在湖北省荆州市长江大学农学院试验基地（112°31′E、30°21′N）的大田开展试验，采用积温法调整播种日期使供试材料在相近的日期抽穗开花，以便在大致相同的温光条件下测试籽粒的灌浆动态及相关生理指标。土壤肥料状况为全氮1.00g⋅kg-1，速效氮82.03mg⋅kg-1，速效钾57.11mg⋅kg-1，速效磷33.25mg⋅kg-1，有机质11.00g⋅kg-1。试验材料采用大田湿润育秧，秧龄25d时移栽，四本栽，不同品种随机区组排列，3 次重复，株行距为30cm×20cm，施氮量（以纯N 计）为120kg⋅hm-2（N: P2O5:K2O=25:10:15），按照常规高产栽培要求进行灌溉和病虫草防治等。

BL006和R-农白的播种日期分别为5月14日和5月21日，抽穗开花期分别为8月24日和8月21日。灌浆结实期间的气候条件见表1。于穗颈节刚出叶鞘1.5cm时选取长势一致的主穗600个，取一半稻株实行剪叶处理，既用剪刀剪去上三叶，另一半作对照，并挂牌标记。

表1 2015年大穗型水稻品种灌浆结实期间的气象条件Table1 Meteorological parameters during grain filling period for heavy panicle rice cultivars in 2015

1.3 调查项目与方法

1.3.1 千粒重

成熟期，每小区去除3 行边行稻株，随机选取20 穗人工脱粒，自然风干至核定含水量13.5%，用食指和拇指挤压籽粒判断受精与否，凡有结实触感的籽粒计为受精粒[23]，从中随机选取500 粒受精籽粒，用精度为1%的电子天平称重，3 次重复，换算成籽粒千粒重。

1.3.2 籽粒灌浆动态

齐穗期开始取样（9：00 前后），取样时间为齐穗期后0d、5d、10d、15d、20d、26d、32d和37d，R-农白成熟较晚，齐穗期后40d 再取一次样。每次取挂牌单茎20个，分解成穗、茎鞘和叶三部分。

以穗长为基准，将稻穗从穗轴中部等分成两部分，然后按一、二次枝梗分开，形成上部一次枝梗、上部二次枝梗、下部一次枝梗和下部二次枝梗4 部分，对不同部位籽粒分开取样和分装[24]，置于80℃烘箱中连续烘干至衡重，测定籽粒干重。应用Richards 方程按朱庆森等[25]的方法对籽粒灌浆过程进行拟合，导出相关参数，分析籽粒灌浆特性。

1.3.3 非结构性碳水化合物（NSC）含量的测定

每次取样后将叶和茎鞘分别按小区分装在牛皮纸袋，105℃下杀青30min，80℃下烘干48h，恒温时称重、粉碎（过100 目筛），用自封袋分装，待测非结构性碳水化合物（可溶性总糖+淀粉）含量。非结构性碳水化合物含量的提取、测定和计算参照Yoshinaga 等[12]的方法进行。可溶性糖含量和淀粉含量均采用蒽酮显色法测定。

非结构性碳水化合物的转运量、转运率和对籽粒的贡献率的计算为

式中，TNSC、NSCmax、NSCmin、TRNSC、CNSC分别表示NSC的净转运量(g·m-2)、转运量最大值(g·m-2)、转运量最小值(g·m-2)、转运率（%）和对籽粒的贡献率（%）。

2 结果与分析

2.1 剪叶处理对物质积累（库）的影响

2.1.1 千粒重

从图1可以看出，与对照相比，剪叶处理中，BL006和R-农白的千粒重分别降低24.34%和7.86%，其中，BL006 不同部位的千粒重均显著降低，降幅分别为11.92%、50.27%、32.35%、39.09%，R-农白仅上部二次枝梗的千粒重显著降低22.14%，其它部位均无显著差异。说明剪叶处理中，籽粒千粒重降低，BL006 受影响程度和范围大于R-农白。

2.1.2 籽粒灌浆动态

由图2可以看出，在剪叶和未剪叶（对照）处理中，大穗型水稻品种整穗籽粒的粒重增长动态基本一致，均成S 型曲线，即齐穗期后0～5d 增重较慢，齐穗期后5～20d 进入快速增重期，之后逐渐趋于平缓。

图1 大穗型水稻品种剪叶与不剪叶（对照）处理植株籽粒千粒重的比较Fig.1 Comparison of 1000-grain weight for heavy panicle rice cultivars between leaf-cutting and no leaf-cutting (CK)

图2 大穗型水稻品种剪叶与不剪叶（对照）处理植株籽粒灌浆动态的比较Fig.2 Comparison of grain growth dynamic for heavy panicle rice cultivars between leaf-cutting and CK

就整穗而言，与对照相比，剪叶处理中，BL006的千粒重从齐穗期后10d 开始明显降低，R-农白在齐穗期后0～20d 千粒重明显提高，之后逐渐降低； 两品种的灌浆速率明显降低（R-农白起始灌浆速率明显提高），到达灌浆峰值的时间提前，高速灌浆持续期缩短，籽粒增重趋于平缓的时间提前，最终粒重分别降低23.36%和8.68%。

就粒位而言，与对照相比，剪叶处理中，上部一次枝梗籽粒的灌浆过程受影响较小，其它粒位受影响程度存在品种间差异，具体表现为BL006 上部二次枝梗和下部一、二次枝梗灌浆速率明显降低，高速灌浆持续期分别缩短8d、3d和2d，最终粒重分别降低50.12%、31.34%和37.18%；R-农白上部二次枝梗籽粒的灌浆速率在齐穗期后0～11d 提高，之后显著降低，高速灌浆持续期缩短3d，最终粒重降低22.68%，下部二次枝梗籽粒的灌浆速率在齐穗期后0～14d 明显提高，之后显著降低，最终粒重降低12.53%。

可见，剪叶处理中，籽粒的平均灌浆速率降低，到达灌浆峰值的时间提前，高速灌浆和总灌浆持续期缩短，最终粒重降低；一次枝梗受影响较小，二次枝梗受影响较大；Bl006 受影响程度和幅度大于R-农白。

2.2 剪叶处理对光合合成物（源）及其转运的影响

2.2.1 叶片可溶性糖含量

由图3可以看出，在剪叶和未剪叶（对照）两处理中，BL006的叶片可溶性糖含量在齐穗期后10～15d 显著升高，其余时段均不断降低，R-农白的整体趋势表现为先升高后降低。

与对照相比，剪叶处理中，BL006 齐穗期和齐穗期后15d-成熟期的叶片可溶性糖含量显著降低22.21%和17.63%～55.14%；R-农白齐穗期后0～5d和成熟期的叶片可溶性糖含量显著升高15.13%～66.05%和11.67%，其余时段的可溶性糖含量降低11.92%。可见，剪叶处理提高了R-农白剩余叶片灌浆起始时段的活性，总体上减弱了两品种叶片的活性及源对库的供应能力，BL006的降幅大于R-农白。

2.2.2 茎鞘非结构性碳水化合物含量

由图4可以看出，齐穗期后，两个水稻品种未剪叶处理（对照）中，茎鞘非结构性碳水化合物（NSC）含量随生育进程的变化趋势一致，即齐穗期后0～5d，NSC 迅速累积，含量显著升高，之后随着向外转运而急剧降低；与对照相比，剪叶处理中，两个水稻品种的茎鞘NSC 含量不但无初期的明显积累过程，而且，R-农白的茎鞘NSC 从齐穗期开始输出，但是该品种剪叶和未剪叶两处理，在成熟期均出现NSC 再次积累的现象，致使其在灌浆期间NSC的降幅均小于BL006。

从表2可以看出，试验期间剪叶后BL006和R-农白茎鞘NSC 转运量较对照显著降低23.32%和27.41%，转运率分别提高6.93%和18.88%，籽粒干重显著降低26.12%和15.11%，R-农白茎鞘NSC 对籽粒的贡献率显著降低2.14%。可见，剪叶处理中，大穗型水稻品种茎鞘NSC的转运率提高，对源库矛盾起到一定的缓解作用，但是，无法弥补叶源减少而引起的灌浆物质供应不足，导致籽粒干重显著降低。

图3 大穗型水稻品种剪叶与不剪叶（对照）处理植株叶片可溶性糖含量的比较Fig.3 Comparison of leaf soluble sugar content for heavy panicle rice cultivars between leaf-cutting and CK

图4 大穗型水稻品种剪叶与不剪叶（对照）植株茎鞘非结构性碳水化合物含量的比较Fig.4 Comparison of non-structural carbohydrate(NSC) content of stem and sheath for heavy panicle rice cultivars between leaf-cutting and CK

表2 大穗型水稻品种剪叶与不剪叶（对照）植株茎鞘非结构性碳水化合物（NSC）转运的比较Table2 Comparison of translocation of non-structural carbohydrate(NSC) of stem and sheath for heavy panicle rice cultivars between leaf-cutting and CK

3 结论与讨论

3.1 讨论

灌浆的物质来源和灌浆过程直接决定水稻籽粒灌浆的好坏。前人研究发现，不同水稻品种的灌浆差异明显，籼粳杂交稻粒重较大主要与灌浆时间较长有关[17，26-27]。Shi 等[5]研究发现，高温处理下，水稻品种Gharib和PHBRc4的粒重较低分别与灌浆持续期缩短和灌浆速率降低有关。本研究结果显示，剪叶处理中，籽粒的平均灌浆速率降低，到达灌浆峰值的时间提前，高速灌浆和总灌浆持续期缩短，籽粒千粒重降低；其中，BL006 不同部位的千粒重均显著降低，R-农白仅上部二次枝梗的千粒重显著降低，BL006的降幅较R-农白高16.68%。可能原因是：（1）剪叶处理中，BL006 不同部位籽粒的灌浆速率从齐穗期开始明显降低；R-农白不同部位籽粒齐穗期后0～15d的灌浆速率明显提高，之后逐渐降低，说明提高齐穗期后0～15d的灌浆速率有利于大穗型水稻粒重增加。刘红杰等[28]研究发现，灌浆中、后期的速率对冬小麦千粒重起决定性作用，该观点是否适用于大穗型水稻还需进一步研究。（2）本试验剪叶处理中，库源比增大，BL006的粒叶比由0.59增至1.08，R-农白由0.75 增至1.34，灌浆初始阶段R-农白剩余叶片的可溶性糖含量、茎鞘NSC的输出、穗部“流”的活性、籽粒的灌浆速率均提高，促进了光合产物及时向籽粒库输送[29]，缓解了剪叶（减源）引起的同化物供应不足。

BL006 穗颈和枝梗维管束发育较好，从结构上保持了“流”的通畅，有利于同化物向籽粒的运输[13]。本试验未剪叶处理中，BL006 籽粒的灌浆速率在齐穗期后5～15d 迅速提高，对源的需求量增大，但是，光合产物转运不畅，甚至出现明显的积累；剪叶处理中，粒叶比增加，籽粒的灌浆速率在齐穗期后0～13d 迅速提高，库对源的抽提能力增加，源输送的通畅性提高，但是，源的输出仍滞后于库的需求且光合产物仍有明显的积累。据此推测，BL006 叶片早衰的原因可能是：该品种一次枝梗比例较大[22]，不同部位籽粒属于快速同步灌浆型，灌浆前期籽粒（库）对源的竞争较大，而源的输出滞后于库的需求，之后，因需求减少、输出受阻而大量积累，反馈抑制了流（维管束）的活性和叶源的光合能力。

综合R-农白维管束的解剖结构[13]、剪叶和未剪叶处理中源（叶片和茎鞘）、库（籽粒）的变化动态可知，R-农白源的光合能力较强，在灌浆后期仍维持较高水平，成熟期茎鞘NSC 储存量较大；剪叶处理中，籽粒起始灌浆速率提高，茎鞘NSC的输出提前、转运率提高，剩余叶片的光合补偿能力增强，籽粒干重的降幅较小。说明R-农白籽粒库较小是成熟期大量NSC 滞留在茎鞘的原因之一；R-农白库对源的反馈调节能力以及自我调节能力较强，源库供需同步，产量提升空间较大。

3.2 结论

剪叶处理中，大穗型水稻品种的千粒重显著降低，BL006 不同部位的千粒重均显著降低，R-农白仅上部二次枝梗的千粒重显著降低，BL006的降幅明显高于R-农白；籽粒千粒重的降低主要与灌浆速率降低、灌浆时间缩短有关；粒叶比增加，库对源的抽提力增加，促进了叶片和茎鞘碳水化合物的输出，减少了成熟期茎鞘NSC的滞留量。籽粒的起始灌浆速率提高，剩余叶片光合补偿能力增强，茎鞘NSC的输出提前、输出率增加，源库供需同步，这可能是R-农白剪叶处理中籽粒千粒重降幅较小的原因之一。水稻培育中应选择源-流-库协调、自我调节能力较强、源库供需同步的水稻品种，栽培上应注重粒肥或叶面肥的施用，延长叶片光合时间，以发挥大穗型水稻品种的高产潜力。