斯琴圖雅,張曉東,王 強,高德玉(.黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所,黑龍江哈爾濱50086;2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院,黑龍江哈爾濱5000;3.黑龍江省科學(xué)院,黑龍江哈爾濱5000)
中國的水稻產(chǎn)量居世界第一[1]。隨著全球氣候變暖,過去30多年中國水稻種植格局發(fā)生著相應(yīng)的變化,水稻種植重心和產(chǎn)量重心均在向東北遷移[2-3]。但是,東北是寒地稻作區(qū),水稻生長季內(nèi)溫度變幅大,在水稻營養(yǎng)生長的苗期內(nèi)常發(fā)生低溫冷害[4]。苗期冷害是指從第一完全葉開始的整個營養(yǎng)生長期受到低溫侵襲,導(dǎo)致秧苗失綠、發(fā)僵、分蘗減少、秧苗枯萎甚至死苗等,最終影響產(chǎn)量的一種冷害[5-6]。這種冷害也是國際性的問題。其冷害機理與控制技術(shù)研究也是國內(nèi)外研究的一個重要課題。目前研究最多的是水稻苗期抗寒種質(zhì)的篩選與鑒定[7-8]以及水稻耐冷性基因定位等[9-10]。通過耐冷稻種資源的篩選與育種途徑,把生產(chǎn)上應(yīng)用的水稻種耐冷性不斷進行改良和更新,培育出強耐冷性品種等。但是,水稻耐冷性機理復(fù)雜,育種技術(shù)還未很好地解決水稻冷害難題,因此應(yīng)同步發(fā)展其他能夠提高水稻耐冷性的技術(shù)。
利用電離輻射可以誘變育種,同時χ、γ射線和電子束等傳能線密度低的輻射也具有低劑量刺激效應(yīng)[11],即用低劑量射線輻射處理植株,能增強植株生理機能、加快新陳代謝和生長發(fā)育,最終提高作物產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)和增強作物抗逆性[12]。筆者利用低劑量電子射線播前輻射處理水稻種子,培育至三葉期,對其進行人工低溫脅迫,并評價其耐冷等級,測試分析可溶性糖、可溶性蛋白、SOD、POD、MDA等生化指標,解析低劑量電子射線對水稻苗期耐冷生理的影響,為輻射刺激提高水稻耐冷性相關(guān)研究提供科學(xué)依據(jù)。
1.1 材料 供試水稻品種為綏粳4號,由哈爾濱秀實種業(yè)有限公司提供。
1.2 輻射處理 每組選取均勻一致的水稻種子30粒(每個處理設(shè)3次重復(fù)),使用DD1.2高頻高壓電子加速器產(chǎn)生的電子射線輻射,輻射劑量分別為0、5、10、15、20、25 Gy,劑量率為0.125 Gy/s,能量為 0.9 MeV。
1.3 幼苗培養(yǎng) 將催芽的水稻種子移入裝有培養(yǎng)土的播秧盤內(nèi),橫6行、縱10列播種,每穴3粒種子。每個處理3次重復(fù)。
1.4 苗期低溫脅迫及耐冷性評價指標 在育苗至三葉期,進行苗期低溫脅迫。在低溫脅迫期間,日溫13℃,相對濕度40%,夜溫10℃,相對濕度60%。脅迫10 d后,將秧苗置于生長適宜環(huán)境中緩沖5 d。
苗期耐冷性的評價指標參考傅泰露[13]方法,具體為:1級,僅葉尖凋萎;2級,第2、3葉的葉片凋萎面積達1/3;3級,葉片凋萎面積達1/2;4級,葉片2/3面積凋萎;5級,第2、3葉的葉片全部凋萎,但葉尖仍綠色;6級,葉片和葉尖全部凋萎。
1.5 生化指標測定 可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法;可溶性蛋白含量的測定采用紫外吸收法;丙二醛(MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸(TBA)法;過氧化物酶(POD)活性的測定采用愈創(chuàng)木酚氧化比色法;超氧物歧化酶(SOD)活性的測定采用氮藍四唑(NBT)法[14]。
2.1 低劑量電子輻射對水稻苗期耐冷級別的影響 在水稻三葉期進行日溫13℃、夜溫10℃低溫脅迫10 d,緩沖5 d再依照傅泰露方法進行6級耐低溫評價。由圖1可知,隨著輻射劑量的增加,各輻射處理一級耐冷株所占比例呈先上升,15 Gy時上升最多,后呈下降趨勢;對照一級耐冷株所占比例為50%,15 Gy輻射處理一級耐冷株所占比例為60.89%。經(jīng)LSD方差分析,各處理與對照之間差異極顯著。15 Gy輻射處理不僅提高1級耐冷植株所占比例,而且所有植株耐冷等級均在3級以上。
圖1 低劑量電子輻射對水稻苗期耐冷級別的影響
2.2 低劑量電子輻射對水稻幼苗可溶性蛋白含量的影響 在三葉期低溫脅迫前,低溫脅迫10 d和緩沖5 d后各測定水稻葉片中可溶性蛋白含量。由圖2可知,在低溫脅迫前,各處理可溶性蛋白含量較接近;當(dāng)?shù)蜏孛{迫10 d時,各處理可溶性蛋白含量均有所上升,其中10 Gy和15 Gy輻射處理可溶性蛋白質(zhì)含量上升最多,比對照提高了71%以上;除5 Gy輻射處理之外,其他輻射處理與對照比差異均在0.01水平顯著;緩沖5 d后,各輻射處理的可溶性蛋白含量有所下降,但高于低溫脅迫前含量。
圖2 低劑量電子輻射對水稻幼苗可溶性蛋白質(zhì)含量的影響
2.3 低劑量電子輻射對水稻幼苗可溶性糖含量的影響 由圖3可知,在低溫脅迫前,水稻幼苗葉片中可溶性糖含量隨輻射劑量的增加緩慢上升,到最高點后緩慢下降,但變化幅度較小;當(dāng)?shù)蜏孛{迫10 d時,隨輻射劑量的增加,可溶性糖含量明顯上升,到達頂峰后又開始迅速下降,15 Gy輻射處理可溶性糖含量比對照提高88%,10~20 Gy輻射處理與對照間差異在0.01水平顯著;在緩沖5 d后,各處理可溶性糖含量有所下降,變化趨勢與未脅迫前趨勢較一致,但整體含量比脅迫前要高。
圖3 低劑量電子輻射對水稻幼苗可溶性糖含量的影響
2.4 低劑量電子輻射對水稻幼苗SOD活性的影響 由圖4可知,低溫脅迫前各處理SOD活性彼此相近;在緩沖5 d后各處理SOD活性較相近,但整體高于低溫脅迫前的SOD活性;當(dāng)?shù)蜏孛{迫10 d時,各處理SOD活性隨著輻射劑量的增加明顯上升,15 Gy時達到最高值,然后隨輻射劑量的增加快速下降,除25 Gy輻射處理外,其他處理與對照間的差異在0.01 水平顯著。
圖4 低劑量電子輻射對水稻幼苗SOD活性的影響
2.5 低劑量電子輻射對水稻幼苗POD活性的影響 由圖5可知,低溫脅迫前水稻幼苗的POD活性隨輻射劑量的增加緩慢上升,但上升幅度較小;當(dāng)?shù)蜏孛{迫10 d時,各處理POD活性與低溫脅迫前相比均明顯上升,但各處理間的差異較小,與對照相比10 Gy輻射處理差異顯著,15 Gy輻射處理差異在0.01水平顯著;緩沖5 d后各處理的POD活性又下降明顯,但均高于低溫脅迫前活性。
圖5 低劑量電子輻射對水稻幼苗POD活性的影響
2.6 低劑量電子輻射對水稻幼苗MDA含量的影響 由圖6可知,在低溫脅迫前水稻幼苗的MDA含量隨輻射劑量的增加緩慢上升;當(dāng)?shù)蜏孛{迫10 d時,各處理MDA含量發(fā)生非常明顯的變化,對照和5 Gy輻射處理MDA含量高于低溫脅迫前水平,10、20和25 Gy輻射處理MDA含量與低溫脅迫前相近,15 Gy輻射處理MDA含量明顯低于低溫脅迫前,并且低于對照的80%;與其他各處理相比,差異在0.05水平顯著;緩沖5 d后各處理MDA含量間彼此較相近,但比低溫脅迫前高。
圖6 低劑量電子輻射對水稻幼苗MDA含量的影響
逆境脅迫會對植物造成一定程度的傷害,而植物可通過代謝反應(yīng)阻止、降低或修復(fù)由逆境所造成的損傷,使其在逆境下仍保持正常的生理活動。若遇低溫,植物細胞內(nèi)的滲透物質(zhì)則會增加,以提高細胞抗性[15]。可溶性蛋白是重要的滲透調(diào)節(jié)物,其含量的高低影響細胞滲透勢。高濃度的可溶性蛋白能維持較低的滲透勢,有助于提高植物抗逆能力。禾本科植物中可溶性糖在滲透調(diào)節(jié)中占主導(dǎo)地位。在逆境脅迫下,可溶性糖能穩(wěn)定細胞膜和原生膠體,在細胞內(nèi)當(dāng)無機離子含量高時還可以保護物質(zhì)免受脅迫[16]。MDA是因脂過氧化所產(chǎn)生的,表示膜脂過氧化的傷害程度[17]。研究中,低溫脅迫時輻射處理可溶性糖和可溶性蛋白含量均隨輻射劑量的增加而明顯增加,可溶性蛋白含量在10~15 Gy處理中增加最多,可溶性糖含量在5~20 Gy處理中增加最明顯;MDA含量隨輻射劑量的增加呈下降趨勢,在15 Gy處下降最明顯。綜上所述,低劑量輻射可以通過提高水稻植株可溶性糖和可溶性蛋白含量來保護膜結(jié)構(gòu)的完整性。
在通常情況下,植物體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧(O2-、H2O2、O2等)不足以使植物受傷害。這是因為植物體內(nèi)有一套行之有效的清除系統(tǒng),即細胞膜的保護酶類如SOD、POD、CAT等。但是,一旦植物遭受低溫等環(huán)境脅迫,活性氧的產(chǎn)生和清除平衡體系即被破壞,自由基的增加便會導(dǎo)致植物細胞的傷害。冷害對組織的傷害首先是對細胞膜系的傷害,繼而發(fā)生生理學(xué)的、代謝的及生物化學(xué)的功能障礙[18]。研究中,當(dāng)?shù)蜏孛{迫時,隨輻射劑量的增加,SOD活性上升明顯,而POD活性的變化只有在10、15 Gy輻射處理較明顯。結(jié)合MDA含量的變化趨勢,發(fā)現(xiàn)在低溫脅迫時輻射能夠誘導(dǎo)SOD、POD等保護性酶活性的增加來很好地抵抗植物體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧傷害。
綏粳4號水稻三葉期進行的6級耐冷等級評價結(jié)果表明,輻射處理提高了一級耐冷株所占比例,尤以15 Gy輻射處理表現(xiàn)最好。結(jié)合其生化指標的測試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)適宜劑量的輻射可以提高水稻耐冷性。
[1]鄔亞文,夏小東,職桂葉,等.基于文獻的國內(nèi)外水稻研究發(fā)展態(tài)勢分析[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,44(20):4129 -4141.
[2]曲輝輝,姜麗霞,王冬冬.氣候變化對黑龍江省水稻障礙型冷害的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2015,36(3):1 -9.
[3]劉珍環(huán),李正國,唐鵬欽,等.近30年中國水稻種植區(qū)域與產(chǎn)量時空變化分析[J].地理學(xué)報,2013,68(5):680 -693.
[4]王曉群,張宇.黑龍江省水稻低溫冷害風(fēng)險評估[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(1):263 -266.
[5]LINCOLN T,EDUARDO Z.Plant physiology[M].Beijing:Science Press,2009.
[6]汪紹武,馬樹慶,陳莉,等.低溫冷害[M].北京:氣象出版社,2009.
[7]王蘭,龍云銘,田華,等.水稻苗期抗寒種質(zhì)的篩選與鑒定[J].核農(nóng)學(xué)報,2011,25(2):208 -213.
[8]李霞,戴傳超,程睿,等.不同生育期水稻耐冷性的鑒定及耐冷性差異的生理機制[J].作物學(xué)報,2006,32(1):76 -83.
[9]周勇,王中德,陶亞軍,等.水稻苗期耐冷性相關(guān)QTL qCTS3-1的鑒定和分子定位[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報,2013,29(6):1181 -1186.
[10]馬增鳳,劉馳,張月雄,等.低溫寡照自然條件對不同水稻材料苗期耐寒性的影響[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報,2015,28(2):447 -452.
[11]MOKOBIA C E,ANOMOHANRAN O.The effect of gamma irradiation on the germination and growth of certain Nigerian agricultural crops[J].J Radiol Prot,2005,25(2):181 -188.
[12]孫志增,周平坤.低劑量電離輻射效應(yīng)[J].國外醫(yī)學(xué)(放射醫(yī)學(xué)核醫(yī)學(xué)分冊),2004,28(2):82 -85.
[13]傅泰露.水稻不同生育期的耐冷性及鑒定指標的篩選[D].雅安:四川農(nóng)業(yè)大學(xué),2008.
[14]李合生.植物生理生化實驗原理和技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2000.
[15]王忠.植物生理學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2010.
[16]邵紅雨,孔廣超,齊軍倉,等.植物耐鹽生理生化特性的研究進展[J].安徽農(nóng)學(xué)通報,2006,12(9):51 -53.
[17]郝建軍,康宗利,于洋.植物生理學(xué)實驗技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.
[18]劉鵬,劉慶忠,王勇,等.喜溫作物的低溫損傷及其抗冷性的研究進展[J].山東農(nóng)業(yè)科學(xué),2004(1):74-79.