丁國(guó)華,馬殿榮,楊　光,張鳳鳴,白良明,孫世臣 ，姜樹坤,2,王彤彤，夏天舒，陳溫福,*

1 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，哈爾濱　150086

2 中國(guó)科學(xué)院北方粳稻分子育種聯(lián)合研究中心，哈爾濱　150086

3 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，沈陽(yáng)　110866

4 遼寧省經(jīng)濟(jì)作物研究所，遼陽(yáng)　111000

耐旱雜草稻幼苗光合系統(tǒng)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)

丁國(guó)華1,2,3,馬殿榮3,楊光4,張鳳鳴1,白良明1,孫世臣1，姜樹坤1,2,王彤彤1，夏天舒1，陳溫福3,*

1 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所，哈爾濱150086

2 中國(guó)科學(xué)院北方粳稻分子育種聯(lián)合研究中心，哈爾濱150086

3 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所，沈陽(yáng)110866

4 遼寧省經(jīng)濟(jì)作物研究所，遼陽(yáng)111000

摘要:干旱脅迫是影響水稻生產(chǎn)最重要的非生物脅迫因子之一。雜草稻具有較強(qiáng)的抗非生物脅迫的能力，是栽培稻遺傳改良的重要種質(zhì)資源。以1份耐旱雜草稻HEB07- 2、1份普通雜草稻W(wǎng)R04- 6和栽培稻巴西陸稻(iapar9)和越富(yuefu)為材料，研究了雜草稻和栽培稻光合系統(tǒng)、葉溫及水分利用效率對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)差異。結(jié)果表明：PEG模擬干旱脅迫72 h后，旱敏感品種越富總?cè)~綠素含量顯著降低，而雜草稻HEB07- 2葉綠素含量上升，WR04- 6和iapar9總?cè)~綠素含量無(wú)顯著變化。干旱脅迫期間，供試材料初始熒光(Fo)上升，最大熒光(Fm)下降，旱敏感品種越富上升幅度最大，而HEB07- 2的Fo和 Fm上升和下降時(shí)間較其他試材晚，說明其受傷害時(shí)間延后。干旱脅迫使供試材料凈光合速率、氣孔導(dǎo)度下降，旱敏感品種越富下降幅度最大，HEB07- 2最小。利用紅外熱像儀測(cè)定群體溫度變化發(fā)現(xiàn)，越富和WR04- 6在干旱脅迫下葉溫顯著上升，而HEB07- 2和巴西陸稻葉溫?zé)o顯著變化。

關(guān)鍵詞：雜草稻；干旱脅迫；光合系統(tǒng)；葉溫

Responses of the photosynthetic system of drought-tolerance weedy rice to

drought stress at the seedling stage

干旱是世界上限制作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量發(fā)揮的最主要的非生物脅迫[1]。隨著全球氣候的變化，干旱發(fā)生得越來(lái)越頻繁[1]。眾所周知，光合作用是干旱影響植物生長(zhǎng)和代謝的首要環(huán)節(jié)[2]。干旱所導(dǎo)致的氣孔關(guān)閉，是植物應(yīng)對(duì)干旱的第一反應(yīng)[3]。有研究表明，氣孔關(guān)閉導(dǎo)致二氧化碳羧化效率降低和氣孔導(dǎo)度下降是光合作用下降的主要原因[4]。另有研究表明，干旱脅迫打破代謝平衡，降低Rubisco活性與RuBP再生速度[5]。干旱脅迫還可以引起葉綠體色素含量下降[6]。干旱脅迫顯著降低了水稻、向日葵的總?cè)~綠素、葉綠素a、葉綠素b的含量[7- 8]，這也會(huì)引起光合速率的降低。另外，雖然光合系統(tǒng)Ⅱ比較耐旱[9]，但是干旱脅迫還是會(huì)引起光系統(tǒng)Ⅱ受抑[10]。干旱脅迫下光系統(tǒng)Ⅱ放氧復(fù)合體遭到破壞[11]，反應(yīng)中心D1蛋白降解[12]，但干旱脅迫如何抑制電子傳遞的機(jī)制尚不清楚。干旱脅迫抑制了植物的蒸騰作用，這必定會(huì)導(dǎo)致葉片溫度發(fā)生變化。近年來(lái)人們利用葉溫判斷植物耐旱性的報(bào)道已經(jīng)較多[13]。

雜草稻通常生長(zhǎng)在水稻田的地頭田間，可能是栽培稻和其原始祖先的雜交后代[14]，與粳稻的血緣關(guān)系較近，對(duì)環(huán)境條件具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，具有耐鹽[15]、耐寒[16]、耐深播[17]、光合速率高[18]等特性，是亞洲栽培稻的一級(jí)基因源，是改良栽培稻性狀的優(yōu)良基因庫(kù)，唐亮等[19]研究表明，雜草稻可用于改良雜交粳稻的不育系和恢復(fù)系；王國(guó)嬌等[16]研究表明，雜草稻在苗期具有較強(qiáng)的抗寒性，是水稻抗寒性改良的種質(zhì)資源之一；Chang-sik Oh等[20]在耐冷雜草稻和冷敏感栽培稻構(gòu)建的重組自交系內(nèi)定位到了與抗冷性相關(guān)的QTL；王楠等[17]研究表明，雜草稻具有較強(qiáng)的拱土能力，這是水稻旱直播種子需要的優(yōu)良特性，但是對(duì)雜草稻光合系統(tǒng)耐旱性的研究較少，雜草稻作為亞洲栽培稻的一級(jí)基因源，能夠與亞洲栽培稻基因庫(kù)進(jìn)行交流，可以通過常規(guī)雜交育種或轉(zhuǎn)基因手段將雜草稻抗旱優(yōu)良基因轉(zhuǎn)移到栽培稻中，在大田和人工控制條件下對(duì)雜交后代或轉(zhuǎn)基因后代進(jìn)行表型鑒定，當(dāng)然最后還是要看產(chǎn)量高低，這些工作可以分為兩個(gè)方面來(lái)做：一個(gè)是基礎(chǔ)研究，配置群體，進(jìn)行基因定位，最后克隆雜草稻中耐旱相關(guān)基因；第二個(gè)就是與栽培稻進(jìn)行雜交對(duì)雜交后代的耐旱性進(jìn)行鑒定，選育耐旱品系，直接應(yīng)用。以往研究篩選出了苗期耐旱的雜草稻資源[21]，但雜草稻光合系統(tǒng)對(duì)干旱脅迫反應(yīng)的生理基礎(chǔ)尚不清楚，本文對(duì)耐旱雜草稻光合系統(tǒng)對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)和栽培稻的差異進(jìn)行探討，以期為雜草稻作為種質(zhì)資源培育耐旱水稻品種提供一定的理論參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以雜草稻(Oryzasativaf.spontanea)HEB07- 2(黑龍江)、雜草稻W(wǎng)R04- 6(遼寧)和栽培稻(Oryzasativa)巴西陸稻(iapar9)、越富(yuefu)為試材。

幼苗培養(yǎng)時(shí)選取飽滿的種子，經(jīng)過10%次氯酸鈉消毒后，于30 ℃恒溫催芽3 d，之后選取長(zhǎng)勢(shì)一致的種子播于96孔聚氯乙烯板中，并置于盆中(長(zhǎng)24 cm×寬24 cm×高10 cm)。

在RXZ- 500C人工氣候箱中進(jìn)行幼苗培養(yǎng)。在放入營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)之前放在水中培養(yǎng)，于第3周時(shí)置于木村B半營(yíng)養(yǎng)液中[22]，于第4周時(shí)放入木村B全營(yíng)養(yǎng)液中，將生長(zhǎng)4周的幼苗置于20%PEG- 6000(-0.6 MPa)中模擬干旱脅迫，分別處理5、24、72 h，以不進(jìn)行干旱脅迫營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)的幼苗為對(duì)照(CK)。人工氣候箱白天溫度設(shè)定為29 ℃，夜間設(shè)定為24 ℃，14 h光照/10 h黑暗，光照強(qiáng)度為80 μmol m-2s-1。脅迫結(jié)束后馬上測(cè)量并取葉片，用鋁箔紙包好，放入液氮中迅速冷凍，然后保存于-80 ℃超低溫冰箱中儲(chǔ)存，用于葉綠素的測(cè)定。

1.2測(cè)定項(xiàng)目與方法1.2.1葉綠體色素和類胡蘿卜素含量測(cè)定

稱取葉片0.05 g，剪碎后放入小玻璃瓶中，加入10 mL 95%乙醇，置于暗處保存72 h，期間每隔12 h搖動(dòng)小瓶，材料完全變白后，取上清液進(jìn)行測(cè)定665、649 nm和470 nm的吸光度。

1.2.2葉片溫度的測(cè)定

水稻葉溫采用美國(guó)FLUKE公司TI- 125型紅外熱像儀，測(cè)量范圍-20—350 ℃，精度為0.07 ℃。分別在脅迫0、5、24、72 h進(jìn)行測(cè)量，觀測(cè)時(shí)以盤為單位，3次重復(fù)，取其平均值為最終觀測(cè)值；測(cè)量時(shí)，將測(cè)溫儀置于幼苗上層10 cm，水平15°視角測(cè)定。

1.2.3葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定方法

采用OS5-FL調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈨x(美國(guó)Opti science 公司)測(cè)定。測(cè)定光適應(yīng)下最大熒光(Fm)、穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)和暗適應(yīng)20 min后的最大熒光(Fm)、初始熒光(Fo)，初始熒光以弱調(diào)制測(cè)量光(0.05 μmol m-2s-1)誘導(dǎo)產(chǎn)生，最大熒光以強(qiáng)飽和閃光(6000 μmol m-2s-1)激發(fā)，閃光2 s。光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)效Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm、光系統(tǒng)Ⅱ的實(shí)際光化學(xué)效率Yield=(Fm-Fs)/Fm。每處理重復(fù)測(cè)定心葉下一葉，共測(cè)定10片，取平均值。

1.2.4光合參數(shù)測(cè)定方法

采用美國(guó)生產(chǎn)LI- 6400光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)后，計(jì)算瞬時(shí)水分利用效率(Pn/Tr)，3次重復(fù)，讀數(shù)之前進(jìn)行光適應(yīng)20 min，采用外置紅藍(lán)光源。

1.3數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)。每個(gè)供試材料不同處理之間進(jìn)行方差分析(ANOVA)，采用Duncan法(P<0.05)以0 h的數(shù)據(jù)為對(duì)照進(jìn)行多重比較。

2結(jié)果與分析

2.1干旱脅迫對(duì)幼苗葉片光合色素含量的影響

葉綠素在綠色植物光合作用中起著吸收和傳遞光能的重要作用，其合成與分解代謝對(duì)光合作用具有重要影響。脅迫5 h后，除HEB07- 2總?cè)~綠素含量顯著大于對(duì)照外，其他參試材料總?cè)~綠素含量與對(duì)照比略有下降，但差異不顯著。脅迫24 h后，HEB07- 2總?cè)~綠素含量繼續(xù)上升，與對(duì)照差異顯著。WR04- 6總?cè)~綠素含量與脅迫5 h比略有上升，與對(duì)照無(wú)顯著差異；巴西陸稻總?cè)~綠素含量大于對(duì)照，未達(dá)顯著差異。越富總?cè)~綠素含量繼續(xù)下降，與對(duì)照未達(dá)顯著差異。參試材料在脅迫72 h后總?cè)~綠素含量均下降，除HEB07- 2顯著大于對(duì)照，越富顯著小于對(duì)照外，其他材料均未達(dá)到顯著差異(圖1)。

脅迫5 h后，HEB07- 2葉綠素a含量顯著大于對(duì)照，其他參試材料總?cè)~綠素含量與對(duì)照比略有下降，但差異不顯著。HEB07- 2脅迫24 h后葉綠素a含量又有上升，且顯著大于脅迫5 h后葉綠素a含量，之后下降，顯著大于對(duì)照。WR04- 6在脅迫24 h后葉綠素a含量與脅迫5 h比略有上升，之后下降，均與對(duì)照差異不顯著。巴西陸稻葉綠素a含量脅迫24 h后上升，之后下降，與對(duì)照比差異不顯著。越富葉綠素a含量在脅迫72 h后顯著小于對(duì)照(圖2)。

圖1　葉片總?cè)~綠素含量Fig.1　Total chlorophyll content in leaves

圖2　葉片葉綠素a含量Fig.2　Chlorophyll a content in leaves

HEB07- 2在脅迫5 h后葉綠素b含量顯著上升，其他供試材料葉綠素b含量略有下降，與對(duì)照比差異均未達(dá)顯著。脅迫24 h后，HEB07- 2葉綠素b含量繼續(xù)上升，顯著大于對(duì)照；WR04- 6、巴西陸稻葉綠素b含量與脅迫5 h比略有上升，與對(duì)照差異不顯著。越富葉綠素b含量在脅迫24 h后下降，顯著小于對(duì)照。脅迫72 h后，供試材料葉綠素b含量都呈下降趨勢(shì)，其中HEB07- 2葉綠素b含量顯著大于對(duì)照；WR04- 6、巴西陸稻葉綠素b含量與對(duì)照比差異不顯著；越富葉綠素b含量顯著低于對(duì)照(圖3)。

在干旱脅迫期間所有供試材料a/b值都呈上升趨勢(shì)，說明干旱脅迫對(duì)葉綠素b影響更大，葉綠素a合成速度大于葉綠素b或葉綠素b降解的速度高于葉綠素a。干旱脅迫期間，HEB07- 2、WR04- 6葉綠素a/b值逐漸上升，但都與對(duì)照無(wú)顯著差異；巴西陸稻脅迫72 h后，葉綠素a/b值顯著高于對(duì)照；越富葉綠素a/b值在各干旱處理下均顯著大于對(duì)照(圖4)。說明耐旱性差的品種葉綠素b降低速度更快，從而影響葉片對(duì)光能的捕獲進(jìn)而降低光合作用，影響葉片生理功能的發(fā)揮。

圖3　葉片葉綠素b含量Fig.3　Chlorophyll b content in leaves

圖4　葉綠素a/b比值Fig.4　 Chlorophyll b content in leaves

2.2干旱脅迫對(duì)幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

脅迫條件下，HEB07- 2與越富Fv/Fm變化規(guī)律一致，即先降再升后又下降；WR04- 6變化規(guī)律為先略微上升后下降；巴西陸稻Fv/Fm隨著脅迫程度的加深不斷下降。脅迫5、24 h后，HEB07- 2的Fv/Fm與對(duì)照比均未達(dá)到顯著，脅迫72 h后Fv/Fm顯著小于對(duì)照。越富脅迫72 h后Fv/Fm顯著小于對(duì)照，且顯著小于其他試材。WR04- 6脅迫72 h后Fv/Fm顯著小于對(duì)照。巴西陸稻脅迫24、72后Fv/Fm顯著降低(圖5)。

Fv/Fo代表PSⅡ潛在活性，是Fv/Fm另一種表達(dá)形式，一些處理引起的Fv/Fo變化幅度比Fv/Fm變化幅度大得多，所以Fv/Fo在一些情況下是表達(dá)結(jié)果的好形式。干旱脅迫期間，HEB07- 2與越富Fv/Fo值趨勢(shì)一致，HEB07- 2、越富脅迫5 h后Fv/Fo值下降，24 h后上升，均與對(duì)照差異不顯著，脅迫72 h后均顯著小于對(duì)照。WR04- 6脅迫5 h后Fv/Fo值略有上升，與對(duì)照無(wú)顯著差異，之后下降，脅迫72 h后顯著小于對(duì)照。巴西陸稻Fv/Fo值逐漸下降，各脅迫處理均顯著低于對(duì)照(圖6)。

圖5　PSⅡ最大光化學(xué)效率 Fig.5　Fv/Fm ratio

圖6　PSⅡ潛在活性Fig.6　Fv/Foratio

2.3干旱脅迫對(duì)幼苗光合參數(shù)的影響

干旱脅迫(5、24、72 h)后，各供試材料凈光合速率均下降(圖7)。HEB07- 2凈光合速率分別下降到對(duì)照的86%、69%、20%，脅迫24、72 h后凈光合速率顯著小于對(duì)照。WR04- 6分別下降到對(duì)照的99%、48%、11%，脅迫24、72 h后顯著小于對(duì)照；巴西陸稻凈光合速率分別為對(duì)照的76%、41%、12%倍，均顯著小于對(duì)照；越富凈光合速率下降到對(duì)照的94%、38%、8%，脅迫24、72 h后顯著小于對(duì)照。

氣孔導(dǎo)度呈現(xiàn)與光合速率相似的變化規(guī)律(圖8)。干旱脅迫后HEB07- 2氣孔導(dǎo)度分別下降到對(duì)照的82%、59%、37%，均與對(duì)照差異顯著；WR04- 6氣孔導(dǎo)度分別為對(duì)照的84%、44%、25%，都顯著小于對(duì)照；巴西陸稻氣孔導(dǎo)度則為對(duì)照91%、61%、26%，均顯著小于對(duì)照；越富氣孔導(dǎo)度分別為對(duì)照的63%、29%、9%，均與對(duì)照差異顯著。脅迫72 h后越富氣孔導(dǎo)度顯著小于其他品種。

圖7　葉片凈光合速率Fig.7　Leaf net photosynthetic rate

圖8　葉片氣孔導(dǎo)度Fig.8　Leaf stomatal conductance

干旱脅迫期間，供試材料胞間二氧化碳濃度逐漸上升，脅迫5、24 h后，HEB07- 2胞間二氧化碳濃度上升較小，脅迫72 h后，上升幅度較大，由266.5 μmol/mol上升到381.6 μmol/mol，WR04- 6胞間二氧化碳濃度變化規(guī)律與HEB07- 2相似，脅迫72 h上升幅度最大，由339.1 μmol/mol上升到470.1 μmol/mol，巴西陸稻脅迫期間胞間二氧化碳濃度則由266.3 μmol/mol上升到393.7 μmol/ mol，越富胞間二氧化碳濃度則由271.9 μmol/mol上升到486.6 μmol/mol(圖9)。

干旱脅迫期間，蒸騰速率不斷下降(圖10)，HEB07- 2脅迫5、24、72 h后，蒸騰速率分別下降為對(duì)照的88%、63%、27%，均與對(duì)照差異顯著；WR04- 6蒸騰速率分別下降為對(duì)照的67%、37%、13%，均顯著小于對(duì)照；巴西陸稻蒸騰速率脅迫后分別為對(duì)照的72%、54%、26%，均與對(duì)照差異顯著；越富蒸騰速率在脅迫后，分別為對(duì)照的74%、31%、11%，均顯著小于對(duì)照，且脅迫72 h后蒸騰速率顯著小于HEB07- 2和巴西陸稻。

圖9　胞間二氧化碳濃度Fig.9　Intercellular CO2 concentration of leaf

圖10　蒸騰速率Fig.10　Transpiration rate of leaf

2.4干旱脅迫對(duì)葉片溫度和水分利用效率的影響

干旱脅迫期間HEB07- 2和巴西陸稻葉片溫度先降后升，而WR04- 6和越富葉片溫度則逐漸上升。脅迫5 h后，HEB07- 2葉片溫度下降，顯著小于對(duì)照，脅迫24、72 h后葉片溫度上升，與對(duì)照無(wú)顯著差異。巴西陸稻脅迫5 h后葉片溫度顯著小于對(duì)照，24、72 h后溫度上升，均與對(duì)照無(wú)顯著差異。WR04- 6脅迫5、24 h后葉片溫度上升，但與對(duì)照差異不顯著，72 h后顯著大于對(duì)照。越富脅迫5 h葉溫與對(duì)照無(wú)顯著差異，脅迫24、72 h后溫度繼續(xù)上升顯著大于對(duì)照(圖11)。

干旱脅迫期間，各供試材料水分利用效率都是先升后降，脅迫初期各材料水分利用效率上升，而當(dāng)脅迫程度加深時(shí)，各試材水分利用效率有所下降(圖12)。干旱脅迫5、24 h后HEB07- 2水分利用效率上升，但與對(duì)照無(wú)顯著差異，脅迫72 h后顯著小于對(duì)照；WR04- 6在脅迫5 h后水分利用效率顯著上升，脅迫24 h后有所下降，但仍顯著大于對(duì)照，之后繼續(xù)下降，與對(duì)照差異不顯著；巴西陸稻脅迫5 h后水分利用效率上升，與對(duì)照無(wú)顯著差異，之后下降，脅迫24、72 h后顯著小于對(duì)照(圖12)。

圖11　葉片溫度Fig.11　Leaf temperature

圖12　水分利用效率Fig.12　Water use efficiency

2.5干旱脅迫對(duì)葉片丙二醛含量和類胡蘿卜素含量的影響

從圖13中可以看出，HEB07- 2在脅迫5、24、72 h后，葉片MDA含量分別為對(duì)照的1.82、1.6、1.84倍，均顯著大于對(duì)照；WR04- 6則為1.73、2.02、2.18倍，均與對(duì)照達(dá)到顯著差異；巴西陸稻為1.51、1.76、1.95倍，都顯著大于對(duì)照；越富則為2.13、3.59、3.77倍，均與對(duì)照差異顯著，且脅迫24、72 h后顯著大于其他材料。HEB07- 2脅迫72 h后葉片MDA含量顯著小于其他試材。

干旱脅迫期間，HEB07- 2類胡蘿卜素含量呈先上升后下降趨勢(shì)，均顯著大于對(duì)照；WR04- 6類胡蘿卜素含量各處理間均無(wú)顯著差異；巴西陸稻類胡蘿卜素含量在脅迫期間呈上升趨勢(shì)，脅迫24、72 h后顯著大于對(duì)照；越富在脅迫期間類胡蘿卜素含量與對(duì)照比無(wú)顯著差異(圖14)。

圖13　葉片丙二醛含量Fig.13　MDA content in leaves

圖14　葉片類胡蘿卜素含量Fig.14　Carotenoid content in leaves

3結(jié)論與討論

高等植物通過葉綠體將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，為其生長(zhǎng)發(fā)育提供能量，然而其光合器官也同樣要承擔(dān)發(fā)生氧化損傷的風(fēng)險(xiǎn)[22]。因?yàn)槿~綠體中的類囊體膜系統(tǒng)包含了所有光合作用的組件，葉綠體中產(chǎn)生的O2能通過光合系統(tǒng)的電子傳遞鏈接受電子形成O-2，這將對(duì)光合色素和生物膜產(chǎn)生氧化傷害。干旱脅迫同樣會(huì)導(dǎo)致ROS的大量產(chǎn)生，所以干旱脅迫下葉綠素的含量不僅與光合能力的大小有關(guān)，而且與植物的耐旱性也有一定關(guān)系。在本研究中，干旱脅迫下HEB07- 2和巴西陸稻總?cè)~綠素含量從干旱脅迫5 h開始上升，脅迫72 h下降，但HEB07- 2總?cè)~綠素含量顯著大于對(duì)照，巴西陸稻總?cè)~綠素含量與對(duì)照比無(wú)顯著差異。越富總?cè)~綠素含量在干旱脅迫5 h開始下降，72 h后顯著小于對(duì)照，而WR04- 6總?cè)~綠素含量雖呈下降趨勢(shì)，但是與對(duì)照比差異不顯著。HEB07- 2葉片總?cè)~綠素含量在干旱脅迫5 h上升機(jī)制尚不明確，需進(jìn)一步研究。類胡蘿卜素在光合組織中不僅作為輔助補(bǔ)光色素有效地?cái)U(kuò)大吸收光的范圍，有吸收傳遞光能的作用，同時(shí)能夠清除葉綠體中的氧自由基，保護(hù)葉綠素分子，避免光氧化的發(fā)生，在強(qiáng)光下逸散能量[22]。干旱脅迫下HEB07- 2和巴西陸稻類胡蘿卜含量不斷增加，而越富和WR04- 6類胡蘿卜含量則逐漸下降，HEB07- 2類胡蘿卜含量在脅迫期間顯著大于對(duì)照，巴西陸稻脅迫24、72 h后顯著大于對(duì)照。這表明HEB07- 2和巴西陸稻具有一定的干旱保護(hù)機(jī)制維持葉綠體的完整、穩(wěn)定，而WR04- 6和越富這樣的能力較弱。

植物依靠光合作用生產(chǎn)有機(jī)物進(jìn)行生長(zhǎng)，對(duì)生物和非生物脅迫都比較敏感。葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)為我們研究逆境脅迫下植物的生長(zhǎng)狀況提供了無(wú)損傷的探針。利用葉綠素?zé)晒?Fv/Fo，F(xiàn)v/Fm)可以測(cè)量植物葉片光合器官的狀況和完整性[23]，并能夠快速、準(zhǔn)確、定量衡量植物耐旱性[24]。眾多研究表明，葉綠素?zé)晒鈪?shù)值與植物適應(yīng)環(huán)境脅迫狀況密切相關(guān)[25- 26]，是一種衡量脅迫傷害程度的可靠指標(biāo)[27]。Fv/Fm在非脅迫條件下變化極小，不受物種和生長(zhǎng)條件的影響，但在脅迫條件下顯著下降[28]。HEB07- 2的Fv/Fm值脅迫下呈現(xiàn)下降—上升—下降的趨勢(shì)，越富變化規(guī)律與其相同，只是越富在脅迫72 h后Fv/Fm值顯著下降，HEB07- 2下降不明顯。WR04- 6和巴西陸稻Fv/Fm值在脅迫條件下一直下降，但是下降幅度小于越富。這表明雖然HEB07- 2和越富Fv/Fm值變化規(guī)律一致，但是它們對(duì)干旱脅迫適應(yīng)能力卻不相同，雜草稻在干旱脅迫下Fv/Fm值下降較小，說明耐旱雜草稻光系統(tǒng)Ⅱ在干旱脅迫下受害較栽培稻延遲，這可能是雜草稻光合系統(tǒng)適應(yīng)干旱脅迫的原因之一。

供試材料葉片的光合速率在PEG模擬的水分脅迫下都顯著下降。脅迫5 h，氣孔導(dǎo)度下降幅度較小，Ci變化不明顯，這表明光合速率的下降并不是氣孔因素導(dǎo)致的。結(jié)合PSⅡ熒光參數(shù)，此時(shí)各熒光參數(shù)變化也不大，說明植物吸收光能、電子傳遞等過程都在正常進(jìn)行；PSⅡ反應(yīng)中心和光合膜也未受損，所以，在此處理下光合速率的下降，只能歸因?yàn)轸然枇Φ脑黾印ｋS著干旱脅迫程度加重，氣孔導(dǎo)度進(jìn)一步下降，而Ci進(jìn)一步上升，光合速率迅速降低，這可能是由于嚴(yán)重的干旱脅迫引起葉片光合機(jī)構(gòu)及光合相關(guān)酶系統(tǒng)破壞。由此推測(cè)，脅迫5 h，羧化阻力增加是光合速率下降的主要原因，而脅迫72 h后，非氣孔因素則成為光合速率下降的主要原因。水分利用效率隨著水分脅迫的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，脅迫5、24 h后HEB07- 2水分利用效率上升，WR04- 6、巴西陸稻脅迫5 h后水分利用效率上升，之后下降；越富水分利用效率一直處于較低水平，脅迫5 h后略有上升，之后顯著下降，這說明HEB07- 2在脅迫條件下能夠有效利用水分。

干旱脅迫能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生大量的活性氧，導(dǎo)致膜質(zhì)過氧化，破壞細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，產(chǎn)生丙二醛。Supratim Basu等[29]研究表明在PEG模擬干旱脅迫下耐旱水稻品種中丙二醛含量積累較少，而旱敏感品種積累較多。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫使供試品種葉片中的丙二醛含量顯著增加，但HEB07- 2葉中丙二醛含量在干旱脅迫下上升幅度最小，脅迫72 h后顯著小于WR04- 6和越富，這可能是由于干旱脅迫下其具有較高的抗氧化酶活力所致，有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，耐旱雜草稻HEB07- 2在干旱脅迫下光系統(tǒng)受傷害較巴西陸稻和越富延遲且受傷害程度小，葉片膜質(zhì)過氧化程度較低，這可能是因?yàn)槟秃惦s草稻類胡蘿卜素含量較高，且抗氧化酶系統(tǒng)活性較強(qiáng)能夠及時(shí)清除過多的活性氧。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]IPCC. Intergovernmental panel on climate change // Watson R T, Core Writing Team, eds. Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2001: 398- 398.

[2]Lawlor D W. The effects of water deficit on photosynthesis // Smirnoff N, ed. Environment and Plant Metabolism: Flexibility and Acclimation. Oxford: BIOS Scientific, 1995: 129- 160.

[3]Yordanov I, Velikova V, Tsonev T. Plant responses to drought, acclimation, and stress tolerance. Photosynthetica, 2000, 38(2): 171- 186.

[4]Flexas J, Bota J, Galmés J, Medrano H, Ribas-Carbó M. Keeping a positive carbon balance under adverse conditions: responses of photosynthesis and respiration to water stress. Physiologia Plantarum, 2006, 127(3): 343- 352.

[5]Dias M C, Brüggemann W. Differential inhibition of photosynthesis under drought stress inFlaveriaspecieswith different degrees of development of the C4syndrome. Photosynthetica, 2007, 45(1): 75- 84.

[6]Ommen O E, Donnelly A, Vanhoutvin S, van Oijen M, Manderscheid R. Chlorophyll content of spring wheat flag leaves grown under elevated CO2concentrations and other environmental stresses within the ‘ESPACE-wheat’ project. European Journal of Agronomy, 1999, 10(3/4): 197- 203.

[7]孫駿威, 楊勇, 黃宗安, 金松恒, 蔣德安. 聚乙二醇誘導(dǎo)水分脅迫引起水稻光合下降的原因探討. 中國(guó)水稻科學(xué), 2004, 18(6): 539- 543.

[8]Manivannan P, Jaleel C A, Sankar B, Kishorekumar A, Somasundaram R, Lakshmanan G M A, Panneerselvam R. Growth, biochemical modifications and praline metabolism inHelianthusannuusL. as induced by drought stress. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2007, 59(2): 141- 149.

[9]Yordanov I, V Velikova, Tsonev T. Plant responses to drought and stress tolerance. Bulgarian Journal of Plant Physiology, 2003, (S): 187- 206.

[10]Chakir S, Jensen M. How doesLobariapulmonariaregulate Photosystem Ⅱ during progressive desiccation and osmotic water stress?. Physiologia Plantarum, 1999, 105(2): 256- 264.

[12]Chen Y H, Hsu B D. Effect of dehydration on the electron transport ofChlorella. An in vivo fluorescence study. Photosynthesis Research, 1995, 46(1/2): 295- 299.

[13]Fukuoka M, Iwama K, Jitsuyama Y. Difference between canopy temperature and air temperature as a criterion for drought avoidance in upland rice varieties under field conditions in Japan. Japanese Journal of Crop Science, 2006, 75(1): 57- 67.

[14]Londo J P, Schaal B A. Origins and population genetics of weedy red rice in the USA. Molecular Ecology, 2007, 16(21): 4523- 4535.

[15]余柳青, Mortimer A M, 玄松南, 陸永良, 周勇軍. 雜草稻落粒粳的抗逆境特性研究. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2005, 16(4): 717- 720.

[16]Wang G J, Miao W, Wang J Y, Ma D R, Li J Q, Chen W F. Effects of exogenous abscisic acid on antioxidant system in weedy and cultivated rice with different chilling sensitivity under chilling stress. Journal of Agronomy and Crop Science, 2012, 199(3): 200- 208.

[17]王楠, 馬殿榮, 賈德濤, 王瑩, 陳溫福. 北方雜草稻出苗特性的研究. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 26(6): 755- 758.

[18]高齊, 馬殿榮, 孔德秀, 王文嘉, 佟卉, 趙明輝, 徐正進(jìn), 陳溫福. 中國(guó)北方雜草稻光合與水分生理特性. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 24(11): 3131- 3136.

[19]Tang L, Ma D R, Xu Z J, Deng H F, Chen W F, Yuan L P. Utilization of weedy rice for development of japonica hybrid rice (OryzasativaL.). Plant Science, 2011, 180(5): 733- 740.

[20]Oh C S, Choi Y H, Lee S J, Yoon D B, Moon H P, Ahn S N. Mapping of quantitative trait loci for cold tolerance in weedy rice. Breeding Science, 2004, 54(4): 373- 380.

[21]丁國(guó)華, 馬殿榮, 馬巍, 張麗麗, 陳溫福. 雜草稻幼苗期耐旱性的初步篩選與評(píng)價(jià). 北方水稻, 2010, 40(1): 11- 14.

[22]許明學(xué), 樸昌浩, 金瀅完. 水稻在不同營(yíng)養(yǎng)液中生育情況的研究. 延邊農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào), 1984, (1): 14- 20.

[23]Gill S S, Tuteja N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiology and Biochemistry, 2010, 48(12): 909- 930.

[24]Clark A J, Landolt W, Bucher J B, Strasser R J. Beech (Fagussylvatica) response to ozone exposure assessed with a chlorophyll a fluorescence performance index. Environmental Pollution, 2000, 109(3): 501- 507.

[25]Faraloni C, Cutino I, Petruccelli R, Leva A R, Lazzeri S, Torzillo G. Chlorophyll fluorescence technique as a rapid tool forinvitroscreening of olive cultivars (OleaeuropaeaL.) tolerant to drought stress. Environmental and Experimental Botany, 2011, 73: 49- 56.

[26]Greaves J A, Wilson J M. Chlorophyll fluorescence analysis-an aid to plant breeders. Biologist, 1987, 34: 209- 214.

[27]Valladares F, Dobarro I, Sánchez-Gómez D, Pearcy R W. Photoinhibition and drought in Mediterranean woody saplings: scaling effects and interactions in sun and shade phenotypes. Journal of Experimental Botany, 2005, 56(411): 483- 494.

[28]Baker N R, Rosenqvist E. Applications of chlorophyll fluorescence can improve crop production strategies: an examination of future possibilities. Journal of Experimental Botany, 2004, 55(403): 1607- 1621.

[29]Basu S, Roychoudhury A, Saha P P, Sengupta D N. Differential antioxidative responses of indica rice cultivars to drought stress. Plant Growth Regulation, 2010, 60(1): 51- 59.

DING Guohua1,2,3, MA Dianrong3, YANG Guang4, ZHANG Fengming1, BAI Liangming1, SUN Shichen1, JIANG Shukun1,2, WANG Tongtong1, XIA Tianshu1, CHEN Wenfu3,*

1CropTillageandCultivationInstitute,HeilongjiangAcademyofAgriculturalSciences,Harbin150086,China

2NorthernJaponicaRiceMolecularBreedingJointResearchCenter,Harbin150086,China

3RiceResearchInstituteofShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China

4InstitudeofEconomicCropofLiaoning,Liaoyang111000,China

Abstract：Drought is the most important abiotic stress constraint responsible for reducing yield in most rice-producing areas. Weedy rice is considered an important germplasm resource for rice improvement, because it has many useful genes conferring abiotic stress tolerance. The objective of this study was to elucidate the different drought-stress responses of drought-tolerance weedy rice (HEB07- 2), common weedy rice (WR04- 6), upland rice (iapar9), and drought-sensitive cultivated rice (yuefu), with respect to the photosystem, leaf temperature, and water use efficiency after 5, 24, or 72 h of treatment. The results show that 72 h of drought stress has almost no effect on the total chlorophyll content of iapar9 or WR04- 6, but reduced the chlorophyll content of the drought-sensitive variety, and increased the chlorophyll content of HEB07- 2. Maximum fluorescence (Fm) and maximum quantum efficiency (Fv/Fm) were both reduced in plants exposed to drought, whereas the initial fluorescence (Fo) was elevated. Our analysis indicated that under drought conditions, photosystem Ⅱ was damaged, with the injury to the drought-sensitive variety yuefu being much more serious than that incurred by the drought-tolerance weedy rice HEB07- 2. The start time of Foincreased and that of Fmdecreased, being later in HEB07- 2 than in other genotypes. This indicates that HEB07- 2 was injured later than others. The photosynthetic rate and stomatal conductance decreased with increased drought, but the change occurred more slowly in weedy rice HEB07- 2 than in the cultivar yuefu. Plant population temperature changes were measured using an infrared camera, with the leaf temperature of yuefu and WR04- 6 increasing significantly under drought stress, while that of HEB07- 2 and the upland rice cultivar iapar9 did not change significantly. Under drought stress, the malondialdehyde (MDA) content of yuefu increased much more than that of other genotypes. MDA content of HEB07- 2 increased the least, indicating that it experienced less severe injury. The results indicate that HEB07- 2 and iapar9 were the most drought-tolerant, and yuefu was the least drought-tolerant. In conclusion, the variation among the weedy rice and cultivated rice cultivars tested suggests that there are valuable genetic resources for improving the drought-tolerance of rice.

Key Words:weedy rice; drought stress; photosystem; leaf temperature

DOI:10.5846/stxb201406201276

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wfchen5512@yahoo.com.cn

收稿日期:2014- 06- 20; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 07- 16

基金項(xiàng)目:哈爾濱市科技局(2014RFQYJ125)；黑龍江省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程(2014QN006)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2011BAD16B11)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2011-BAD35B)

丁國(guó)華,馬殿榮,楊光,張鳳鳴,白良明,孫世臣，姜樹坤,王彤彤，夏天舒，陳溫福.耐旱雜草稻幼苗光合系統(tǒng)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(1):226- 234.

Ding G H, Ma D R, Yang G, Zhang F M, Bai L M, Sun S C, Jiang S K, Wang T T, Xia T S, Chen W F.Responses of the photosynthetic system of drought-tolerance weedy rice to drought stress at the seedling stage.Acta Ecologica Sinica,2016,36(1):226- 234.