孕穗期高温对水稻生理特性和产量性状影响研究

王 明，吴 辉，孙小成，蒋小军，雷干农，陶 卫，柏长青，徐 敏

（1永州市农业科学研究所，湖南永州 425100；2永州市零陵区农业农村局，湖南永州 425100）

0 引言

水稻作为中国重要粮食作物，对全国粮食安全保障有举足轻重的作用。然而，全球气温呈上升趋势，特别是近年高温极端天气频发，在水稻生产过程中遇高温天气的概率逐渐增大，严重影响水稻的产量和质量[1-2]。有报道发现高温对水稻产量有显著影响，在日最高温(28～35℃)、夜最低温(21～28℃)时，温度每增加1℃，水稻产量下降7%～8%[3-4]。近年来，长江流域夏季频繁出现高温极端天气，湖南、安徽等省份高温严重影响水稻产量[5-7]。因此研究温度对水稻生理特性和产量的影响，对水稻避免高温危害，稳定粮食生产安全具有重要的意义。关于水稻高温敏感时期，前人已做大量的研究，其中孕穗期、抽穗扬花期是最敏感时期之一[6]，此时遭高温天气对水稻的生理生化和产量造成重大影响。张桂莲等[8]、吴思佳等[9]研究表明在抽穗扬花期高温使水稻剑叶光合速率、叶绿素含量和气孔导度均不同程度下降，导致结实率和产量显著下降；同时王明等[10]研究表明高温下脯氨酸和丙二醛(MDA)含量上升，过氧化物酶(POD)活性呈先上升后下降的趋势。李兴华等[11]研究结果表明，高温显著降低水稻可育花粉率，同时造成结实率显著下降。章起明等[12]研究表明，水稻结实率和产量与孕穗期日平均温度、日最高温和高温时长呈显著负相关。也有研究表明孕穗、抽穗期35℃高温胁迫会造成结实率显著下降，且随胁迫的温度升高、时间延长，下降幅度增大[13-14]。目前，关于高温胁迫对水稻生理生化、光合特性和产量的影响研究较多，但大部分都是集中在水稻抽穗扬花期、灌浆期，且对生理生化的影响多在叶片，而对水稻孕穗期高温，特别是减数分裂期（幼穗分化Ⅳ-Ⅵ期）高温对水稻产量性状研究较少，同时对高温对水稻幼穗生理生化的研究也鲜见报道。本研究以‘泰优553’和‘隆晶优1212’为材料，在孕穗期通过人工气候室增温，设置不同温度处理，研究高温对水稻幼穗生理生化特性和产量性状的影响，探索高温危害机理，以期为降低水稻生长发育过程中孕穗期高温对水稻的危害提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为‘泰优553’和‘隆晶优1212’，‘泰优553’由金健种业有限公司提供，‘隆晶优1212’由亚华种业有限公司提供。

1.2 试验方法

试验于2020—2021年在永州市农业科学研究所试验基地进行。‘泰优553’和‘隆晶优1212’于2020年6月16日播种，进行大田育秧，于7月6日4.5～5.5叶移栽，株行距17 cm×17 cm，每穴均2株栽植，肥水统一标准管理。在主茎及大分蘖幼穗发育至Ⅱ～Ⅲ期时，从田间选取发育进度一致的单株带泥移至聚氯乙烯盆内，每盆3株，每个品种100盆，每盆施尿素0.5 g使单株正常生长发育。其他管理措施采取统一标准。

人工气候室设置 29、32、35、38℃ 4个温度水平，相对湿度75%～80%，植株冠层光通透量密度为835 μmol/(m2·s)，室内外CO2浓度一致，以同期大田自然温度作对照（平均温度30.6℃，CK）。在主穗及大分蘖穗幼穗发育到第Ⅴ期时开始处理，每个材料每种温度处理25盆（每盆3株），分别连续处理7天，处理后带盆移至自然大田，选取Ⅵ期末（叶枕±1 cm）单穗分别挂牌标记，选取发育一致的幼穗供生理生化指标测定，其他挂牌单穗供产量性状指标考查。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 花粉育性调查 待处理后的植株在自然大田条件下培养至抽穗开花期，每个处理选定5个原标记的单穗，连续3天进行花粉镜检，即每天上午取当天能开花的颖花3个，混合制片，用1%I2-KI液染色，10×10倍显微镜下观察3个视野，统计可育花粉数目的变化趋势，取花粉粒饱满、染色较深的花粉作为可育花粉。

1.3.2 生理生化指标测定 高温处理后，采取发育进度一致的幼穗（Ⅵ期末，叶枕±1 cm），立即用液氮固定，于-80℃的冰箱中保存，用于生理生化指标的测定。每个处理15穗。采用磺基水杨酸法测定脯氨酸含量[15]，釆用愈创木酚法测定POD活性[16]，采用硫代巴比妥酸（显色法）测定MDA含量[15]。

1.3.3 产量性状测定 处理后移至自然大田环境，成熟后每处理选取5盆考察有效穗、穗粒数、千粒重和结实率，同时每处理选取5盆单独测产。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2007和DPS7.05软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 高温对花粉育性的影响

由表1可知，温度对水稻花粉育性有一定影响，随温度的升高可育花粉和可育花粉率呈下降趋势。‘泰优553’在29℃和CK处理下可育花粉数较高，分别为86.7、85.9个，处理间差异不明显，但分别显著高于其他处理，其中在38℃处理时可育花粉数最少为28.7个，显著低于其他处理，可育率相对CK下降了60.2%；‘隆晶优1212’在29℃、32℃和CK处理下可育花粉数较高，分别为83.6、82.7、82.8个，处理间差异不明显，其中在38℃处理时可育花粉数最少为32.6个，显著低于其他处理，可育率相对CK下降了54.7%。以上分析可知不同品种间对高温的敏感性存在差异，‘泰优553’在32℃处理下的可育花粉数显著低于CK，‘隆晶优1212’在35℃处理下的可育花粉数显著低于CK。

表1 高温对水稻花粉育性的影响

2.2 高温对幼穗脯氨酸含量的影响

由表2可知，‘泰优553’和‘隆晶优1212’的幼穗脯氨酸含量均随温度的升高呈上升趋势。‘泰优553’在38℃处理下脯氨酸的含量最高，达38.89 μg/g，显著高于其他温度处理，其中在32℃处理下脯氨酸含量达29.26 μg/g，显著高于CK和29℃处理。‘隆晶优1212’在35℃和38℃处理下的脯氨酸含量较高，分别为34.54、36.15 μg/g，两者间无显著差异，但显著高于CK和其他温度处理，其中在32℃处理下的脯氨酸含量达27.16 μg/g，显著高于CK，但与29℃处理无显著差异。

表2 高温对幼穗脯氨酸含量的影响

2.3 高温对幼穗POD活性的影响

由表3可知，‘泰优553’和‘隆晶优1212’的幼穗POD活性随着处理温度的升高呈先上升后下降的趋势。2个品种均以35℃处理的POD活性最高，分别为60.65、61.12 U/(g·min)，显著高于CK和其他处理。但不同品种对温度表现有差异，其中‘泰优553’在32℃处理下的POD活性为43.95 U/(g·min)，显著高于CK和29℃处理下的POD活性；‘隆晶优1212’在32℃处理下的POD活性为45.14 U/(g·min)，与CK和29℃处理下的POD活性无显著差异。

表3 高温对幼穗POD活性的影响

2.4 高温对幼穗MDA含量的影响

由表4可知，‘泰优553’和‘隆晶优1212’的MDA含量随温度的升高均呈上升趋势。2个品种均在38℃处理下MDA含量最高，分别为12.43、10.79 nmol/g，显著高于CK和29、32、35℃处理的MDA含量；但不同品种对温度表现有差异，其中‘泰优553’在32℃处理下的MDA含量为7.75 nmol/g，显著高于CK和29℃处理下的MDA含量，‘隆晶优1212’在32℃处理下的MDA含量为5.96 nmol/g，与CK和29℃无差异。

表4 高温对幼穗MDA含量的影响

2.5 高温对产量构成因素的影响

由表5可知，高温对有效穗的影响较少，‘泰优553’和‘隆晶优1212’各温度处理间有效穗的差异均不显著。但高温对结实率、千粒重和产量有显著影响，‘泰优553’以35℃和38℃处理的结实率较低，分别为63.12%和58.66%，两者之间差异不显著，但显著低于CK和其他处理，其中32℃处理下的结实率为70.16%，显著低于CK和29℃处理下的结实率；‘隆晶优1212’以38℃处理的结实率最低，为54.49%，显著低于CK和其他处理，其中32℃处理下的结实率为81.63%，但与CK和29℃处理下的结实率无显著差异。‘泰优553’和‘隆晶优1212’均以35℃和38℃处理的千粒重较低，分别为19.42、19.06 g和23.87、23.03 g，处理间无显著差异，但均显著低于CK和其他处理。

表5 高温对产量构成因素的影响

产量表现与结实率表现趋势一致，‘泰优553’和‘隆晶优1212’均在38℃处理的产量最低，为57.65、67.28 g/盆，显著低于CK和其他处理，其中‘泰优553’32℃处理的产量为84.26 g/盆，显著低于CK和29℃处理下的产量，‘隆晶优1212’32℃处理的产量为115.96g/盆，但与CK和29℃处理下的产量无显著差异。

3 结论

孕穗期高温可在一定程度上降低水稻可育花粉数和可育率，致使结实率、千粒重和产量性状均有显著下降；生理指标分析表明，2个品种幼穗脯氨酸和MDA含量随温度升高呈上升趋势，且在高温处理下，脯氨酸和MDA含量显著高于CK处理，POD活性随温度的升高呈先上升后下降的趋势。同时不同品种对高温表现差异，在32℃处理下，‘泰优553’的可育花粉数、可育率、结实率、千粒重和产量均显著低于CK和29℃温度处理，而‘隆晶优1212’在32℃温度处理下与对照和29℃温度处理差异不显著。

4 讨论

在水稻整个生长发育过程都受高温的影响，其中在孕穗期和抽穗扬花期对高温最为敏感，高温易对结实率、千粒重有较大影响，造成严重减产[17]。研究表明[18-19]在孕穗期高温胁迫，结实率、千粒重和产量均显著下降，且随高温胁迫时间延长，下降幅度更大。本研究表明2个品种在35℃和38℃的结实率、千粒重和产量均显著低于自然对照温度和其他温度处理，且随着温度的增高，下降幅度加大，这与甄博等[20]、谢晓金等[21]的研究结果一致，而对有效穗影响较少，各处理间无显著差异，这与曹云英等[19]研究结果一致。关于孕穗期高温显著降低水稻结实率的原因，前人已做大量研究，张桂莲等[17]、李训贞等[22]研究结果显示，由于高温对水稻雄性器官造成损害，导致花粉活力下降，破坏授精过程，形成大量空壳，造成结实率下降。本研究表明在38℃高温处理下，可育花粉数量和可育率显著低于自然对照温度和其他处理温度，从而造成结实率下降。而关于孕穗期高温对千粒重的影响，前人也有大量研究，结果显示高温抑制了水稻叶片PSⅡ反应中心活性，降低了PSⅡ反应中心电子传递效率，从而影响光合产物生产和积累量，导致千粒重下降[8,23]。

脯氨酸作为生物一种渗透调节物质，可以反映生物逆境状况。前人关于植物在逆境条件下体脯氨酸含量的变化已做了大量研究，但研究结果不一。有研究表明，在水稻抽穗扬花期高温处理，脯氨酸含量显著高于自然温度，且随温度的增高，其增加幅度越大[24-25]。而汤日圣等[26]、李萍萍等[27]研究表明，水稻灌浆期高温处理脯氨酸含量明显下降。造成结果不一的原因可能是高温处理时期和品种不同造成的。本研究表明，随着温度的上升，2个品种幼穗脯氨酸含量呈上升趋势，在38℃高温处理下，脯氨酸含量显著高于自然对照温度和其他处理温度，这与曹云英等[24]研究结果一致。

MDA是反映植物在逆境条件下细胞膜过氧化作用强弱和质膜破坏程度的重要指标。本研究表明，2个品种MDA含量随处理温度的升高呈上升趋势，在35℃和38℃高温处理下，脯氨酸含量显著增加，可能是孕穗期高温对水稻幼穗造成伤害，造成幼穗膜脂过氧化程度加剧，这与曹云英等[24]、汤日圣等[26]的研究结果一致。POD是植物体内重要的抗氧化酶，主要作用是清除植物体能由于逆境而增加的H2O2，本研究表明2个品种POD活性在29～35℃温度处理下，随温度的升高呈上升趋势，在35～38℃温度处理下，随温度的升高呈下降趋势，可能是在温度开始上升阶段，POD活性上升是对幼穗的一种保护作用，而随着温度的继续上升，POD活性呈下降趋势，可能是高温对幼穗造成伤害的结果，这与张桂莲[28]的研究结果一致。