茉莉酸甲酯对高温下抽穗扬花期水稻叶片生理特性的影响

黄友明， 曾晓春

(宜春学院生命科学与资源环境学院，江西宜春 336000)

茉莉酸甲酯(MeJA)是植物体内普遍存在的一种内源调控物质，与植物的抗逆性密切相关，主要参与高温、低温、干旱、盐渍、病害和虫害等多种逆境的调控反应。MeJA能有效提高超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和苯丙氨酸解氨酶(PAL)等的活性，起到降低白叶枯病[1]和稻瘟病[2]对水稻幼苗的危害作用。研究还发现，MeJA可提高抗氧化酶活性，有效减少活性氧和丙二醛(MDA)的累积，起到提高水稻幼苗抗冷性的效果[3]。干旱条件下MeJA能维持叶绿素含量稳定，保护光合机构不受损伤，从而提高光合能力[4]。也有研究发现，MeJA能通过提高干旱胁迫下水分的利用能力和抗氧化能力，达到提高小麦光合能力的效果[5]。关于MeJA在各种胁迫中的应用研究较多，但MeJA对水稻抽穗杨花期的热害缓解与防御效应却鲜有报道。

抽穗开花期、孕穗期和灌浆期是水稻对高温特别敏感的阶段，尤其是抽穗扬花期[6]。水稻高温胁迫指在孕穗后期和抽穗开花期连续长时间遭遇日平均气温高于30 ℃、日最高气温高于35 ℃，或极端最高气温高于38 ℃且相对湿度在70%以下的天气对水稻造成的危害[7-8]。水稻高温热害在我国几乎每年均有发生，造成了重大的经济损失。以热敏感型水稻华粳籼26为材料，在抽穗扬花盛期设置高温处理，通过叶面喷施MeJA，分时段随机取样，测定叶片内源MeJA和脱落酸(ABA)水平，MDA和游离脯氨酸(Pro)含量，过氧化氢酶(CAT)、POD和SOD活性，并实时测量蒸腾速率(E)和光合速率(A)，研究MeJA在高温条件下对抽穗扬花期水稻叶片生理特性的影响。为解决高温胁迫下，MeJA处理水稻叶片后，涉及的关键生理过程会发生哪些变化以及确定应用MeJA缓解和防御热害时，MeJA使用的最佳浓度。以期为水稻农业生产和杂交制种中抽穗扬花期抵抗和避开高温危害等问题提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2021年6月以热敏感型水稻华粳籼26为材料，从种子萌发到孕穗期于宜春学院校内试验基地大田常规栽培管理。待孕穗末期将长势基本一致的稻株从大田移植到直径约18 cm、高度约16 cm的塑料营养钵中，移植前每个营养钵中装入2 kg自然风干的稻田土，并加1 500 mL清水和施 N ∶P2O5∶K2O=12 ∶18 ∶15的肥料6 g。移植后，每株水稻仅保留 3个最大的分蘖[9]。

1.2 处理方法

将上述营养钵迅速置于实验室4个编号分别为1、2、3、4，且型号相同的PRX-2000D型水稻智能人工气候箱内，每箱若干钵。PRX-2000D型智能人工气候箱的CMP4030微处理器可24 h自动控制温度、湿度和光照强度。技术参数：温度0～50 ℃(±1.0 ℃)，光照度为-30 000 lx，湿度为50%～95%相对温度(±5%)。4个气候箱均设置相同的温度、光照度和湿度(表1)。待气候箱内的水稻抽穗开花，于开花盛期某天12：00分别以适量清水、1 mmol/L MeJA和5 mmol/L MeJA均匀喷施上述1、2、3、4号气候箱内的水稻[10]，24 h后把1号箱各时段的温度均调成28 ℃，把2、3、4号箱各时段的温度均调成38 ℃，把光照度和湿度均调成并保持12：00的数据。在调控高温处理后0、6、12、24 h对水稻叶片随机取样，测定叶片内源MeJA和ABA水平，测定MDA和Pro含量以及CAT、POD、SOD活性，并实时测量蒸腾速率和光合速率，相同试验重复3次。

表1 智能人工气候箱温度、光照度和湿度的设置

上述相同的操作，再次试验45 ℃高温条件下，MeJA对抽穗开花期水稻叶片生理生化的影响。

1.3 测试方法

采用便携式AS.02-LCI-SD光合仪，选择叶室窗口面积为5.8 cm2的窄叶叶室，设置CO2浓度为385 μL/L，光通量密度为800～1 000 μmol/(m2·s)，温度为34～38 ℃，以水稻完整叶片为材料，闭路测量E和A。

参照李宗霆等的方法[11-12]，水稻叶片内源MeJA和ABA水平测试采用酶联免疫吸附法(ELISA)。

MDA含量、游离Pro含量、CAT活性、POD活性和SOD活性等的测定方法均参照陈建勋等的植物生理学实验指导[13-14]。

1.4 数据处理

上述测试指标均以3次重复试验的平均值利用Microsoft Excel 2010制作成柱形图。

2 结果与分析

2.1 MeJA对高温胁迫下抽穗扬花期水稻叶片CAT、POD和SOD活性以及MDA和游离Pro含量的影响

由图1、图2、图3可知，在38 ℃和45 ℃高温胁迫下，除CK外各处理水稻叶片内CAT、POD和SOD活性随着时间推移整体均存在明显降低的趋势。与常温(CK)处理相比，38 ℃ 0 mmol/L和45 ℃ 0 mmol/L MeJA处理各时间点水稻叶片内CAT、POD和SOD活性均明显降低。38 ℃和45 ℃下，1 mmol/L 和 5 mmol/L MeJA处理各时间点叶片内CAT和POD活性差异不大，前者略大，但均明显高于0 mmol/L MeJA处理。38 ℃和45 ℃下，1 mmol/L和5 mmol/L MeJA处理各时间点叶片内SOD活性，前者高于后者(38 ℃处理后24 h除外)，但均非常明显高于 0 mmol/L MeJA处理。

由图4、图5可知，在38 ℃和45 ℃高温胁迫下，各处理水稻叶片内MDA和游离Pro含量随着时间推移整体均存在明显升高的趋势。与常温处理相比，38 ℃ 0 mmol/L MeJA处理和45 ℃ 0 mmol/L MeJA处理各时间点水稻叶片内MDA和游离Pro含量均明显升高，且随着时间推移越明显。38 ℃和 45 ℃ 下，5 mmol/L和0 mmol/L MeJA处理各时间点叶片内MDA和游离Pro含量差异不大(38 ℃处理后 12 h 的丙二醛含量除外)，且均明显高于 1 mmol/L MeJA处理。

2.2 MeJA对高温胁迫下抽穗扬花期水稻叶片内源MeJA和ABA水平的影响

由图6和图7可知，在38 ℃和45 ℃高温胁迫下，各处理水稻叶片内源MeJA和ABA水平随着时间推移总体呈升高趋势。与常温处理相比，38 ℃ 0 mmol/L MeJA和45 ℃ 0 mmol/L MeJA下水稻叶片内源MeJA和ABA水平均升高。38 ℃和45 ℃高温处理下，5 mmol/L MeJA处理较0 mmol/L MeJA处理能明显提高内源MeJA水平，而1 mmol/L MeJA处理较0 mmol/L MeJA处理，内源MeJA水平相差不大。45 ℃高温胁迫下，1 mmol/L和5 mmol/L较0 mmol/L MeJA处理能明显提高内源ABA水平， 且处理浓度越高内源ABA水平越高。

2.3 MeJA对高温胁迫下抽穗扬花期水稻叶片蒸腾速率和光合速率的影响

由图8和图9可知，与常温处理相比，38 ℃ 0 mmol/L MeJA下水稻叶片的E和A均升高，而 45 ℃ 高温胁迫下0 mmol/L MeJA处理整体均降低。38 ℃ 高温胁迫下，1 mmol/L和5 mmol/L MeJA处理较0 mmol/L MeJA处理均能明显提高水稻叶片的E和A，且浓度越高增幅越大。45 ℃高温处理下，除处理后0 d外，1 mmol/L 和5 mmol/L MeJA处理较0 mmol/L MeJA处理明显降低水稻叶片的E，且浓度越高E降幅越大。45 ℃高温处理后6、12、24 h，1 mmol/L 较 0 mmol/L MeJA处理，水稻叶片的A明显降低，而 5 mmol/L 与0 mmol/L MeJA处理的A相当，变化不明显。

3 讨论

Berry 等研究发现，高温胁迫致使水稻叶片类囊体膜结构受损以及细胞组分逐渐降解，对光合作用的影响最大[15]。研究还发现，高温条件下水稻扬花期剑叶的叶绿素含量和光合速率降低[16-17]。当然，耐热性不一样的品种，高温对其叶片光合特性的影响也不一样。相对热敏感品种，耐热品种在高温条件下能保持较好的光合特性，所受伤害较小。1 mmol/L 和5 mmol/L MeJA处理均能提高水稻叶片在38 ℃高温下的E和A，极端高温45 ℃下，6 h后5 mmol/L与1 mmol/L MeJA处理相比E降低，可能与气孔开度虽减小，但MeJA维持光合相关酶活性在短时间内仍然较高有关。

正常情况下，Pro主要参与蛋白质的合成、作为氮库、作为恢复生长的能源以及起渗透调节作用。在水稻抽穗开花期，高温导致花药和剑叶内游离Pro和游离氨基酸(FAA)总量和Pro/FAA 比值增大[16，18-20]。这有利于调节叶片渗透势，稳定细胞膜结构，对增强其耐热性具有重要意义。38 ℃和 45 ℃ 高温胁迫下，1 mmol/L和5 mmol/L MeJA处理均能降低水稻叶片内游离Pro含量，表明MeJA在一定程度上能抑制蛋白质分解，促进蛋白质合成。试验过程中保持相对湿度75%不变，故不至发生水分胁迫。

SOD、POD和CAT对防止膜脂过氧化、减轻胁迫造成的细胞膜伤害、延缓植物衰老等有重要作用[21]。MDA就是膜脂过氧化的典型产物之一，且MDA累积对细胞膜和细胞可造成更严重的损伤[18，22]。热害使水稻剑叶的SOD活性明显下降，而MDA含量和质膜透性却明显增加[23]。38 ℃和 45 ℃ 高温胁迫下，1 mmol/L和5 mmol/L MeJA处理均能提高水稻叶片内CAT、POD和SOD活性，而降低MDA含量，表明MeJA能有效清除活性氧危害，保护细胞膜结构完整性。

高温条件下，水稻体内的激素平衡遭受破坏，逆境激素ABA和MeJA水平增加，抗逆能力增强[18]。38 ℃和45 ℃高温胁迫下，1 mmol/L和 5 mmol/L MeJA处理均能提高水稻叶片内源ABA水平，5 mmol/L MeJA处理能提高水稻叶片内源MeJA水平，从而加强水稻的抗高温能力。

4 结论

在38 ℃和45 ℃高温胁迫下，对抽穗扬花期水稻叶面喷施MeJA，能有效清除活性氧胁迫，保护细胞膜结构完整性，抑制蛋白质分解，促进蛋白质合成，提高叶片内源MeJA和ABA水平，从而加强水稻抗高温能力，达到提高蒸腾速率和光合速率的效果。

外源茉莉酸(JA)及MeJA能诱导水稻等禾本科植物成熟颖花的开放[10，24-28]，对不育系水稻更为明显[29]。而外源ABA能促进水稻已开颖花的关闭[30]。结合并利用MeJA和ABA对水稻颖花开放和关闭的效应，为解决杂交水稻制种中父母本花时不遇，以及水稻农业生产和杂交制种中抽穗扬花期抵抗和避开高温危害等问题提供了新的视角，具有广泛和潜在的应用价值。