稻虾共作模式下喷施褪黑素对水稻产量形成和抗倒伏特性的影响

周影， 李京咏， 戴林秀， 敖弟彩， 李梓逸， 杨帆， 顾军伟， 徐强，窦志， 高辉

（扬州大学农学院，江苏省作物栽培生理重点实验室，江苏省作物遗传生理重点实验室，江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，水稻产业工程技术研究院，江苏 扬州 225009）

稻田综合种养是水稻种植与水产养殖相结合的生态农业模式，其中稻虾（克氏原螯虾，俗称小龙虾）综合种养发展规模最大[1-2]。《中国小龙虾产业发展报告(2022)》[3]报道，2021 年全国稻虾种养总面积已达140万 hm2，占全国稻渔综合种养总面积的52.95%。在稻虾共作模式中，稻田水分管理相对于传统水稻单作模式有所不同，通常需要维持30～40 cm 的水位1 个月以上，从而为小龙虾提供适宜的生长环境[4]。然而，这种灌溉模式下长期淹水使得水稻基部茎秆的机械组织松软，难以支撑植株，从而导致茎秆折断，增长水稻倒伏风险[5-6]，这是制约稻虾共作模式水稻优质、稳产的重要瓶颈问题。因此，研究稻虾共作模式下水稻倒伏特性及调控措施对于稻田综合种养产业的可持续、高质量发展至关重要。

水稻抗倒调控包括品种选育[7]、优化栽培管理措施[8]、土壤改良[9]和施用外源植物生长调节剂[10]等。其中，施用外源植物生长调节剂具有便捷、有效、低风险等优点，成为目前水稻抗倒伏的较优选择之一。通过应用植物生长调节剂，可以有效改善茎秆的形态和生理特征，提高水稻抗倒伏能力。常见的植物生长调节剂有烯效唑[11]、多效唑[12]、抗倒酯[13]、调环酸钙[14]和褪黑素[15]等，其中褪黑素是植物生长调节剂的新兴研究对象。褪黑素作为一种抗氧化剂，对植物生长发育、生理调节及基因表达调控有重要作用，可以增强植物的抗寒性、耐盐性等[16]。研究表明，通过浸种或喷施褪黑素，能够促进小麦[17]和水稻[18]的根系发育，缓解低温胁迫对水稻幼苗的影响[19]。Chen 等[15]研究表明，叶面喷施褪黑素能够增强叶片光合作用，提高过氧化物酶和过氧化氢酶活性，从而减轻渍害对水稻产量的影响。褪黑素同样被证实可以提高作物生产力和品质[20]，Fan 等[21]研究表明，外源褪黑素可以改变水稻籽粒中的淀粉组分和结构，从而影响水稻产量和品质。褪黑素在提高植物茎秆强度方面也有显著作用，Zhao等[22]研究表明，喷施外源性褪黑素促进了芍药花茎木质素生物合成相关基因的表达，进而增强茎秆强度。然而，目前褪黑素对水稻抗倒伏特性及产量构成影响的研究较少。基于此，本文在稻虾共作模式下设置喷施褪黑素和对照试验，研究喷施外源褪黑素对水稻产量形成和抗倒伏特性的影响，以期为稻虾共作模式下水稻抗倒栽培调控提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 研究区与供试品种

试验于2022 年在江苏省盱眙县扬州大学稻田综合种养创新试验基地（32° 59′55″N，118°40′17″E）开展。供试水稻品种为‘南粳5718’，于5月28日播种，采用塑料软盘旱育壮秧；于6 月中下旬人工移栽，行株距为30 cm×12.4 cm，每穴3 苗。供试小龙虾品种为‘克氏原螯虾’（Procambarus clarkii），由江苏盱眙龙虾产业发展股份有限公司提供。供试药剂为褪黑素粉剂（T8060，Solarbio，北京）。试验期间气象数据如图1所示。

图1 2022年研究区水稻生长季的平均温度、风速和降雨量Fig. 1 Average temperature， wind speed and rainfall during the rice growing season in the study area in 2022

1.2 试验设计与田间管理

试验为单因素随机区组设计，包括对照（CK）和喷施褪黑素（melatonin，MT）2个处理。根据课题组前期预实验，褪黑素的喷施浓度为200 μmol·L-1时效果较好，故本研究MT 处理采用此浓度。将0.21 g 褪黑素溶解于4 500 mL 清水中，于拔节前一叶龄期选择晴天上午9:00—10:00 进行叶面喷施，CK 处理喷施等量清水。喷洒褪黑素时，注意遮蔽，以防不同处理之间相互干扰。每处理3 次重复，共计6个试验小区，每小区长宽分别为3 m×3 m。各处理施肥量保持一致，其中纯氮施入量为210 kg·hm-2，按基肥∶分蘖肥∶穂肥=3∶4∶3 分3 次施入，所用氮肥均为尿素；磷肥和钾肥分别以过磷酸钙和氯化钾的形式按照P2O5150 kg·hm-2和K2O 150 kg·hm-2基施。田间水分管理为：水稻移栽后保持1～3 cm 深水位；搁田期排水晒田7 d 左右；拔节期至小龙虾收获前水位保持30 cm 以上[5,23]，直至水稻成熟前10 d排出。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 茎秆形态学指标 分别于拔节期（jointing stage, JS）、抽穗期（heading stage, HS）、灌浆期（filling stage, FS）和成熟期（mature stage, MS）在田间选取长势均等的4株水稻测量株高（cm）。抽穗后30 d 取水稻样，在各小区选取12 根长势一致的主茎，称量单茎鲜重。从茎秆基部至穗顶端测量单茎株高（cm）；从茎秆基部至穗颈节测量穗颈高（cm）；将未脱水的茎秆放置在铅笔上，左右移动至茎秆在铅笔上保持平衡，测量茎秆基部至铅笔高度记作重心高度（cm）；测量茎秆各节间长度（cm）；使用推拉力计压断茎秆后沿断裂处剪下，记录断裂处至穗顶距离（length from breaking point to panicle top， SL，cm），并称取该段鲜重（fresh weight，FW，g），将断裂处的叶鞘剥去，使用游标卡尺测量茎秆内部的短轴外径（a1，mm）、短轴内径（a2，mm）、长轴外径（b1，mm）、长轴内径（b2，mm）。将节间从中部截断，用数显游标卡尺测量长轴外径和短轴外径，取平均值为节间粗度（mm），测量长轴和短轴与茎壁4 个交点处的厚度，取平均值为茎壁厚度（mm）。样品置于105 ℃烘箱杀青30 min，70 ℃烘干至恒重，称重。计算基部第2 节间茎重比（mg·cm-1）和叶鞘重比（mg·cm-1），公式如下。

1.3.2 茎秆力学指标 将第2 节间叶鞘去除，使用铅笔标记各节间，将第2 节间放置在间距8 cm（L）的支点上，使用推拉力计（RZ-5，AIKON，日本）在中心点垂直徐徐下压，在茎秆刚好断裂时即为该节间抗折力（F, N），记录读数。利用以下公式计算弯曲力矩（bending moment，WP，g·cm）、折断弯矩（breaking strength，M，g·cm）、断面系数（section modulus，Z，mm3）、弯曲应力（bending stress，BS，g·mm-2）、倒伏指数（lodging index，LI，%）[24]。

1.3.3 茎秆化学成分指标 于成熟期在各小区选取12根长势一致的主茎，将其第2节间取下，茎鞘分开，测定非结构性碳水化合物（non structural carbohydrate，NSC）和结构性碳水化合物含量（structural carbohydrate，SC）。其中非结构性碳水化合物包括可溶性糖和淀粉；结构性碳水化合物包括纤维素和木质素。分别使用可溶性糖（KT-1-Y，科铭，苏州）、淀粉（DF-1-Y，科铭，苏州）、纤维素（BC4285，Solarbio，北京）和木质素含量检测试剂盒（BC4205，Solarbio，北京）测定可溶性糖、淀粉、纤维素和木质素含量。

1.3.4 水稻产量及其构成因素 于10 月25 日进行小区测产。去除边行后，每小区普查30 穴，统计有效穗数；并根据平均成穗数取10 穴进行考种，测定每穂粒数、结实率（%）和千粒重（g）。收割实产，测定水分，折算产量（14.5%含水量）。

1.3.5 木质素纤维素相关基因表达 由南京钟鼎生物技术有限公司进行技术检测，通过实时荧光定量PCR，以β-actin 为内参基因，对木质素生物合成关键基因OsCAD7、OsCoMT、Os4CL3及纤维素生物合成关键基因OsCesA4、OsCesA7和OsCesA9表达量进行检测。荧光定量RT-PCR 引物表参考Zhang等[25]。

1.4 统计方法

使用Microsoft Excel 2016 处理数据，对不同处理的水稻产量及其构成因素和抗倒伏各项指标进行t检验，采用IBM SPSS Statistics 23 进行相关性分析，使用R 4.2 软件Corrplot 包绘制相关分析热图。

2 结果与分析

2.1 喷施褪黑素对水稻产量及其构成因素的影响

由表1 可知，MT 处理的有效穗数和结实率较CK 分别显著降低9.09%和1.88%，而穗粒数显著增加10.01%。MT 处理对有效穗数、穗粒数影响极显著（P＜0.01），对结实率影响显著（P＜0.05）。2 个处理水稻的千粒重差异不显著。MT 处理的稻谷产量为9 261 kg·hm-2，与CK差异不显著。

表1 不同处理下的水稻产量及其构成因素Table 1 Yield and yield factors under different treatments

2.2 喷施褪黑素对水稻倒伏特性的影响

2.2.1 植株形态特征 MT 处理的株高、穂颈高度、重心高分别为85.92、69.42、35.72 cm，较CK 极显著降低13.04%、14.91%、22.93%；而鲜重和单穗重与CK 差异不显著（表2）。其中，2 处理的株高均随着生育期的延长逐渐增加，除拔节期外其他生育期的差异均达到显著水平（P＜0.01）（图2）。尽管2个处理的茎粗和壁厚差异不显著，但MT处理基部节间的茎重比显著大于CK 处理，表明MT处理的茎充实度增加，极大提高了植株的抗倒能力。总体上，MT处理对于株高、重心高度、穗颈高度和茎重比影响极显著（P＜0.01）。对于第2 节间径长，MT处理的长轴外径、短轴外径、长轴内径和短轴内径与CK 差异均不显著；但MT 处理后各节间长度均有下降，其中在N3～N4、N6～N7 节间MT与CK处理间差异显著（图2）。

表2 不同处理下的水稻植株形态特性Table 2 Morphological traits of rice plants under different treatments

图2 不同处理下水稻植株形态特征Fig. 2 Morphological traits of rice plants under different treatments

2.2.2 茎秆力学特性及倒伏指数 喷施褪黑素对茎秆基部第2 节间力学特性及倒伏指数的影响如表3 所示。MT 处理的抗折力、折断弯矩分别较CK 处理显著增加22.39%和22.34%，而折断部位至穗顶的距离、弯曲力矩、倒伏指数分别显著减小13.05%、20.61%、35.03%。喷施褪黑素对断面系数、弯曲应力、折断部位至穗顶的鲜重影响不显著。

表3 不同处理下茎秆基部第2节间力学特性Table 3 Mechanical traits of internode N2 of rice stem under different treatments

2.2.3 茎秆化学成分 喷施褪黑素对水稻茎秆基部第2节间化学成分的影响如表4所示。MT处理鞘中可溶性糖含量及茎中淀粉含量与CK差异不显著，而鞘中的淀粉含量较CK 显著增加102.47%。喷施褪黑素后，茎、鞘中的木质素含量分别较CK显著增加60.62%和66.74%，茎、鞘中的纤维素含量较CK分别显著增加63.54%和63.54%。

表4 不同处理下水稻茎秆基部第2节间化学成分Table 4 Chemical composition of Internode N2 of rice stem under different treatments

2.2.4 茎秆木质素、纤维素相关基因表达 喷施褪黑素对水稻茎秆基部第2 节间中木质素、纤维素生物合成关键基因表达量的影响如图3 所示。OsCAD7、OsCoMT和Os4CL3是调控木质素生物合成的重要基因。在拔节期，MT 处理下这3 个基因的表达量均低于CK；抽穗30 d 后，3 个基因的表达量均低于拔节期，不同处理间差异较小，其中，OsCoMT在MT 处理下的表达量较CK 上调。OsCesA4、OsCesA7和OsCesA9是调控细胞壁中纤维素生物合成的3 个关键基因。拔节期至抽穗后30 d，CK处理3个基因的表达量均呈下调趋势；而MT 处理呈上调趋势。由于水稻从营养生长逐渐转换为生殖生长，茎秆中木质素和纤维素生物合成相关基因的表达量普遍下降，但喷施褪黑素后，OsCoMT、OsCesA4、OsCesA7、OsCesA9基因的表达量仍保持较高水平，由此表明，喷施褪黑素有利于基部节间茎秆的厚壁组织及维管束区域积累充足的木质素和纤维素，增强机械组织结构，从而降低水稻的倒伏风险。

图3 不同处理下水稻茎秆基部第2节间木质素和纤维素生物合成相关基因相对表达量Fig. 3 Relative expression of genes related to lignin and cellulose biosynthesis in internode N2 of rice stems under different treatments

2.2.5 茎秆性状与倒伏特性的相关性 在MT 处理下，茎秆抗折力与茎壁厚度和折断弯矩呈极显著正相关（P＜0.01），与折断部位至穗顶鲜重呈显著正相关（P＜0.05）（图4）。折断弯矩与茎壁厚度呈极显著正相关（P＜0.01），与折断部位至穗顶鲜重呈显著正相关（P＜0.05）。倒伏指数与株高、穗颈高度和折断部位至穗顶距离呈极显著正相关（P＜0.01），而与抗折力、折断弯矩和弯曲应力呈显著负相关（P＜0.05）。

图4 喷施褪黑素处理下水稻茎秆特性与倒伏特性的相关性分析Fig. 4 Correlation analysis between culm and lodging characteristics of rice under melatonin treatment

3 讨论

作物产量主要来源于光合产物，施用外源褪黑素可以刺激植株内源褪黑素合成，促进光合作用，调节光合产物转运，缓解非生物胁迫，从而提高作物产量及品质。Jiang 等[26]研究表明，在100～300 μmol·L-1褪黑素处理下，水稻的籽粒产量显著提高36.0%～43.3%。单莉莉[27]研究表明，孕穗期喷施100 μmol·L-1外源褪黑素使龙粳11的结实率较对照显著提高3.1%～16.6%。每穗粒数是构成产量因素的关键，研究表明，外源施用褪黑素能够促进根系活力，减少小穗退化，促进每穗粒数形成[18,28]。本研究表明，喷施褪黑素显著增加了每穗粒数，但其有效穗数和结实率显著降低，因此MT处理的水稻产量与CK 差异不显著。这可能是由于稻虾共作模式下深水胁迫与喷施褪黑素产生了交互作用，具体的原因有待进一步分析。

外源植物生长调节剂显著影响水稻抗倒伏能力，但喷施褪黑素对水稻倒伏特性影响的研究还十分有限。文廷刚等[10]研究表明，乙烯利和劲丰能显著降低水稻株高、穗颈节和茎杆长，而多效唑影响不显著。姜龙等[29]研究表明，矮壮素、烯效唑和多效唑的抗倒伏作用机制是通过增加植株的茎壁厚度以及抗折力，对株高无影响。本研究表明，MT 处理的株高、穗颈高和重心高分别较CK 显著降低13.0%～22.9%，且茎充实度显著提高。水稻茎秆的抗倒伏能力主要和茎秆的机械强度相关，目前评判作物茎秆机械强度的主要指标为弯曲力矩、抗折力以及倒伏指数[11]。Zhang 等[11]研究了烯效唑对水稻抗倒伏特性的影响，结果表明，喷施烯效唑使基部节间降低38.9%～51.4%，折断部位至穗顶的鲜重和折断部位至穗顶的距离平均降低6.3%～17.9%，倒伏指数降低21.1%～33.9%。这是由于倒伏指数的差异主要与基部节间的折断弯矩相关[24]。本研究表明，喷施褪黑素主要是通过增加茎秆折断弯矩降低了水稻倒伏指数，与前人研究结果一致[11]。此外，茎秆机械强度与茎秆化学组分密切相关。抗倒伏能力强的水稻茎秆基部节间的非结构性碳水化合物含量通常较高，其较高的淀粉和可溶性糖含量有利于提高水稻茎秆机械强度。纤维素和木质素含量对于增强水稻茎秆抗倒伏能力起关键作用。本研究对不同处理下水稻茎秆纤维素和木质素生物合成相关基因的表达量进行研究发现，褪黑素处理下OsCoMT、OsCesA4、OsCesA7和OsCesA9基因在抽穗后30 d 的表达量上调，从而促进茎秆机械组织内纤维素和木质素的积累，增强了水稻茎秆的抗倒伏能力。总之，叶面喷施褪黑素可以在一定程度上减轻稻虾共作模式下深水胁迫对水稻抗倒伏能力的影响。未来应进一步探索稻虾共作模式下适宜的外源性褪黑素施用水平，以达到水稻稳产和抗倒伏“双赢”。