李贊堂　 王士銀　 姜雯宇,　 張　帥,　 張少斌　 徐　江,*

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所, 北京 100081; 2 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 遼寧沈陽 110866

籽粒灌漿是水稻(Oryza sativaL.)生育期重要的生理生化過程, 其實(shí)質(zhì)就是光合器官制造的同化物以蔗糖的形式運(yùn)入籽粒, 并經(jīng)一系列酶的催化作用轉(zhuǎn)化為淀粉的過程[1]。其能力的強(qiáng)弱最終決定了籽粒重量和稻米產(chǎn)量[2]。水稻籽粒灌漿受源強(qiáng)(source capacity)和庫強(qiáng)度(sink strength)的影響[3]。源強(qiáng)一般指生物量或貯藏在莖鞘中的碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)到穗中的能力[4], 研究認(rèn)為, 水稻籽粒灌漿的物質(zhì)來源于花前貯存的碳水化合物及花后新生成的同化物[5]。庫強(qiáng)度是指庫攝取同化物的能力[6], 可以用庫容(sink size)和庫活性(sink activity)來表示[6-7], 庫容一般指單位面積籽粒數(shù)與單個(gè)籽粒重的乘積[4], 庫活性指可溶性糖轉(zhuǎn)化為淀粉的生化效率[7-8]。庫容的增大對源有正反饋調(diào)節(jié)作用, 能夠增強(qiáng)源葉的光合作用, 促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累及其轉(zhuǎn)運(yùn)[4,9]; 但當(dāng)光合同化物供應(yīng)不足時(shí), 單純地增大庫容并不足以使水稻增產(chǎn), 如籽?？倲?shù)超過最適值, 產(chǎn)量將由于籽粒充實(shí)度的減小而降低[10]。因此, 通過增大庫容來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的提高必須建立在有足夠大的源強(qiáng)和庫活性的基礎(chǔ)上。

谷類作物的灌漿結(jié)實(shí)除受遺傳因子和光、溫、水、肥等諸多環(huán)境因素調(diào)控外, 還在很大程度上取決于植物激素的平衡和調(diào)節(jié)。因此人們也一直很重視對植物內(nèi)源激素和外源生長調(diào)節(jié)物質(zhì)與籽粒灌漿結(jié)實(shí)關(guān)系的研究和應(yīng)用[11]。油菜素甾醇類化合物(brassinosteroids, BRs)是一種甾醇類植物激素, 具有廣譜高效的生理活性, 對種子萌發(fā)、輸導(dǎo)組織的分化、株型構(gòu)成及生殖器官的生長發(fā)育、光形態(tài)建成和抗逆等均有調(diào)控作用[12]。BRs還可以調(diào)控水稻植株體內(nèi)糖類的代謝和轉(zhuǎn)運(yùn), 促進(jìn)蔗糖向籽粒運(yùn)輸,提高結(jié)實(shí)率和粒重[13]。24-表油菜素內(nèi)酯(24-epibrassinolid, EBR)是一種人工合成的高活性油菜素內(nèi)酯類似物[14], 噴施 EBR可以增加天竺葵的葉綠素含量、光合速率以及碳水化合物含量[15]。翁曉燕等[16]和王士銀等[17]在水稻孕穗末至始穗期噴施 EBR, 提高了水稻凈光合速率和源強(qiáng), 促使谷粒發(fā)育良好,從而增加了水稻產(chǎn)量。已有研究表明, 油菜素甾醇類化合物對水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量形成具有正向調(diào)節(jié)作用[12-13,16,18]。水稻產(chǎn)量與籽粒灌漿能力密切相關(guān),而籽粒灌漿能力的強(qiáng)弱受源和庫的影響。我們在穗分化期外施 EBR, 并研究分析源強(qiáng)、庫容和庫活性的變化, 以期明確其對水稻籽粒灌漿的影響及其生理機(jī)制。

1　材料與方法

1.1　材料與栽培概況

2013—2014年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所昌平試驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn), 試驗(yàn)地耕作層含有機(jī)質(zhì)23.08 g kg-1、全氮1.24 g kg-1、堿解氮109.35 mg kg-1、速效磷 102.14 mg kg-1、速效鉀 197.15 mg kg-1。供試材料為粳稻品種日本晴(Nipponbare), 于4月22日播種, 5月30日移栽插秧, 株行距為15 cm × 20 cm, 每穴1株。

1.2　處理設(shè)置

在水稻穗分化期(80%以上的植株主莖已進(jìn)入第一苞原基分化期)開始噴施EBR, T0、T1、T2處理濃度分別為0、0.2和1.0 μmol L-1, 溶液中加入0.1%Tween-20作為展布劑。從7月19日開始, 每隔2 d噴施一次, 共3次。處理時(shí)間為 16：00—18：00, 均勻噴施至葉面的溶液不滴落為度, 噴施量約為120 mL m-2。采取隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì), 每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)小區(qū), 每個(gè)處理小區(qū)面積為1.5 m × 9.0 m, 其中每小區(qū)預(yù)留1.5 m2用于測產(chǎn)。

1.3　取樣方法

在水稻初花期和收獲期, 取長勢一致的代表性植株 6株, 將地上部分分為上三葉、莖鞘、穗和其余部分, 105℃殺青80℃烘干后分別稱重用于生物量的計(jì)算, 稱重后將上三葉、莖鞘粉碎, 用于NSC (可溶性糖+淀粉)含量的檢測。

在水稻開花盛期, 選穗型相對一致的單莖在穗頂部強(qiáng)勢穎花開花當(dāng)日掛牌, 標(biāo)記每小區(qū) 200個(gè)穗子。分別在花后6、12、18、24、30、36 d取樣, 每次取每個(gè)小區(qū)25個(gè)單莖, 取直接著生于穗頂部3個(gè)一次枝梗上的籽粒作為強(qiáng)勢粒樣本, 4個(gè)一次枝梗上直接著生于二次枝梗的籽粒作為弱勢粒, 并留其上三葉。分別將摘下的強(qiáng)勢粒、弱勢粒、葉片各分成2份, 其中1份(葉片去葉脈)用液氮速凍2 min后保存在-80℃超低溫冰箱用于酶活檢測, 另一份 105℃殺青 30 min, 80℃烘干至恒重用于碳水化合物的檢測。另外, 在收獲期取20個(gè)掛牌的穗子, 分為強(qiáng)、弱勢粒, 用于分析其糙米重和結(jié)實(shí)率。

1.4　測定項(xiàng)目及方法

1.4.1蔗糖、可溶性糖和淀粉含量的測定參考Yoshida等[19]的方法提取碳水化合物。稱量 0.05 g樣品至10 mL離心管中, 加入5 mL蒸餾水, 于100℃水浴40 min, 然后1370×g離心10 min, 取上清液,再重復(fù)上述步驟 2次, 然后將沉淀用蒸餾水清洗并離心, 最后將 3次離心所得上清液統(tǒng)一轉(zhuǎn)入 25 mL容量瓶, 用蒸餾水定容, 所得溶液用于可溶性糖和蔗糖含量的檢測。然后向上述沉淀中加入2 mL蒸餾水, 沸水浴糊化15 min, 冰水浴冷卻后, 加入2 mL濃度為9.2 mol L-1高氯酸, 震蕩酸解15 min, 然后加入2 mL蒸餾水混勻, 1790×g離心15 min, 取上清液, 向沉淀中再加入2 mL濃度為4.6 mol L-1的高氯酸, 重復(fù)上述操作。最后用蒸餾水清洗沉淀2次, 并離心, 將4次離心所得上清液一并轉(zhuǎn)入25 mL容量瓶, 用蒸餾水定容, 用于淀粉含量測定。采用間苯二酚法檢測蔗糖含量[20], 采用硫酸-蒽酮比色法測定可溶性糖和淀粉[21]。

1.4.2酶提取和檢測低溫環(huán)境下取樣品籽粒25粒(葉片約 0.2 g), 手工剝?nèi)シf殼, 在預(yù)先冷凍的研缽內(nèi)加2 mL提取液(50 mmol Hepes-NaOH, pH 7.5;5 mmol EDTA; 1 mmol DTT; 2 mmol KCl; 1%PVP-K30)研磨成勻漿, 轉(zhuǎn)入10 mL離心管, 再分別加2 mL 和1 mL提取液洗滌研缽2次, 將提取液一并轉(zhuǎn)入10 mL離心管, 4℃低溫下16 000×g離心15 min, 上清液即為酶粗提取液。參照 Hubbard等[22]和Miron等[23]的方法檢測蔗糖合酶(sucrose synthase,SS)和蔗糖磷酸合酶(sucrose phosphate synthase, SPS)活性, 參照 Zhu等[24]的方法檢測酸性轉(zhuǎn)化酶(acid invertase, AI)活性。

1.4.3產(chǎn)量分析收獲期隨機(jī)選取每小區(qū)3個(gè)樣方, 調(diào)查并計(jì)算有效穗數(shù), 取具有代表性的 10株考種, 統(tǒng)計(jì)其每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重。測量測產(chǎn)小區(qū)面積, 數(shù)取測產(chǎn)小區(qū)穗數(shù), 收割測產(chǎn)。將每穗粒數(shù)乘以單位面積穗數(shù)即為單位面積籽粒數(shù)。

1.5　數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2003處理數(shù)據(jù), 用SAS 9.2分析數(shù)據(jù), 用SigmaPlot 10.0繪圖。本文以2013年試驗(yàn)結(jié)果為主, 2014年對地上部分生物量、收獲期庫容及產(chǎn)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2　結(jié)果與分析

2.1　源強(qiáng)

2.1.1地上部分生物量由圖1可知與對照相比,在初花期, 2種濃度EBR處理均極顯著增加了水稻植株地上部分的生物量; 在收獲期, T2處理極顯著增加了水稻植株地上部分生物量, 而T1處理的地上部分生物量沒有顯著變化。

圖1　初花期和收獲期地上部分生物量Fig. 1　Aboveground biomass at flowering stage and harvesting stageA： 2013年地上部分生物量; B： 2014年地上部分生物量。FS： 初花期; HS： 收獲期。*和**表示在0.05和0.01水平上處理與對照相比有顯著性差異; T0、T1、T2分別表示0、0.2、1.0 μmol L-1的EBR處理。A： aboveground biomass in 2013, B： aboveground biomass in 2014, FS： flowering stage, HS： harvesting stage; * and **： significantly different between EBR treatments at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. T0, T1, and T2： 0, 0.2, and 1.0 μmol L-1 EBR treatments,respectively.

2.1.2各營養(yǎng)器官 NSC含量無論是初花期還是收獲期, 莖鞘作為同化物的貯藏器官, 其中的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(non-structure carbohydrate, NSC)含量都遠(yuǎn)高于葉片。相較初花期, 收獲期葉片中的NSC含量沒有太大變化, 而莖鞘中NSC含量則明顯減少。從不同 EBR處理間的情況來看, 初花期兩EBR處理均顯著增大了葉片和莖鞘內(nèi)的 NSC含量;而收獲期兩EBR處理對營養(yǎng)器官中NSC含量的影響卻不一致, T1處理顯著增大了葉片和莖鞘中的NSC含量, 而T2處理卻顯著降低了地上部分各營養(yǎng)器官的NSC含量(圖2), 推測T2處理可能更有效地促進(jìn)了生育后期同化物向籽粒的運(yùn)輸。

2.1.3灌漿期葉片中SPS活性及其蔗糖含量作為蔗糖合成的關(guān)鍵酶, 葉片中的蔗糖磷酸合酶(SPS)活性在灌漿期表現(xiàn)為先升高后降低的規(guī)律, 其最高活性出現(xiàn)在花后24 d (圖3-A)。雖然葉片中的蔗糖含量最大值也出現(xiàn)在花后 24 d, 但在整體趨勢上與SPS活性并不一致, 表現(xiàn)為降低—升高—降低的趨勢(圖3-B)。從比較結(jié)果來看, 兩EBR處理均顯著增大了葉片花后12～30 d的SPS活性和花后6～24 d的蔗糖含量。在花后36 d, 兩EBR處理水稻葉片中的SPS活性降低到與對照相同的水平, 而葉片中的蔗糖含量則顯著降低。這些結(jié)果表明在灌漿后期, EBR處理促進(jìn)蔗糖從葉片向外轉(zhuǎn)運(yùn)的作用大于促進(jìn)蔗糖合成的作用。

2.2　收獲期庫容及產(chǎn)量

圖2　葉片和莖鞘中的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)含量Fig. 2　Non-structure carbohydrate (NSC) content in vegetative organsA： 初花期的NSC含量; B： 收獲期的NSC含量。*和**表示在0.05和0.01水平上處理與對照相比有顯著性差異; T0、T1、T2分別表示 0、0.2、1.0 μmol L-1的 EBR 處理。A： NSC content at flowering stage; B： NSC content at harvesting stage. * and **： significantly different between EBR treatments at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; T0, T1, and T2： 0, 0.2, and 1.0 μmol L-1 EBR treatments, respectively.

圖3　灌漿期葉片蔗糖磷酸合酶(SPS)活性及其蔗糖含量Fig. 3　Activity of sucrose phosphate synthase (SPS) and content of sucrose in leaves*和**分別代表T1在0.05和0.01水平上的顯著性; +和++分別代表T2在0.05和0.01水平上的顯著性。T0、T1、T2分別表示0、0.2、1.0 μmol L-1的 EBR 處理。* and ** represent the significance of T1 at the 0.05 and 0.01 probability levels; + and ++ represent the significance of T2 at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively; T0, T1, and T2： 0, 0.2, and 1.0 μmol L-1 EBR treatments, respectively.

T1處理顯著增加了籽粒的千粒重, 在 2013年和 2014年分別增大 9.2%和 4.2%, 平均增加 6.7%,對單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和籽粒數(shù)影響不顯著。T2處理對千粒重的增加不顯著, 但卻顯著增加了單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù), 并極顯著地增加了單位面積籽粒數(shù), 2013年和2014年單位面積籽粒數(shù)分別增加了28.0%和26.9%, 平均增加27.45% (表1)。通過以上分析發(fā)現(xiàn)T1處理和T2處理均顯著增大了水稻的庫容, 但在庫容的增大方式上存在差異, T1處理主要通過提高千粒重增大水稻庫容; 而T2處理主要通過增加單位面積的穗數(shù)和穗粒數(shù)增大水稻庫容。

表1　2013年和2014年不同處理庫容變化Table 1　Sink size of different treatments in 2013 and 2014

兩EBR處理的增產(chǎn)效果均達(dá)到了顯著或極顯著水平, 在 2013年和2014年 T1處理分別增產(chǎn) 8.3%和2.9%, 平均增產(chǎn)5.6%; T2處理分別增產(chǎn)17.5%和12.9%, 平均增產(chǎn)15.2%。相比之下, T2處理對產(chǎn)量的影響更大, 在2013年和2014年分別比T1處理增產(chǎn)8.5%和9.7%, 平均增產(chǎn)9.1%。

2.3　強(qiáng)、弱勢粒庫活性

2.3.1強(qiáng)、弱勢粒中蔗糖裂解酶活性蔗糖合酶(SS)和酸性轉(zhuǎn)化酶(AI)是催化蔗糖裂解的兩個(gè)重要酶。在灌漿期, 強(qiáng)勢粒(圖4-A)和弱勢粒SS活性(圖4-B)均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢, 其活性的最高點(diǎn)分別出現(xiàn)在花后18 d和24 d。兩EBR處理的SS活性均表現(xiàn)出較對照增加的趨勢。

從花后強(qiáng)、弱勢粒AI酶活性變化的結(jié)果(圖4-C,D)看, 各處理間的整體趨勢一致。對于強(qiáng)勢粒, T1和T2處理除了顯著增加花后6 d和36 d AI活性外,其余時(shí)間差異不顯著; 對于弱勢粒, T1和T2處理顯著增加了花后的AI活性。因此, EBR處理對弱勢粒AI酶活性的影響較大, 對強(qiáng)勢粒的影響相對較小。2.3.2強(qiáng)、弱勢粒中的NSC含量隨著灌漿的進(jìn)行, 籽粒的NSC含量均表現(xiàn)出增加的趨勢(圖5)。兩EBR處理顯著增加了花后12 d至24 d強(qiáng)勢粒的NSC含量, 但之后影響不顯著, 花后 6 d強(qiáng)勢粒的 NSC含量甚至有所降低。而對于弱勢粒, 兩EBR處理顯著增加了花后12 d到36 d的NSC含量; T2處理顯著降低了花后6 d的NSC含量。因此, 相較強(qiáng)勢粒, 兩EBR處理更顯著地促進(jìn)了弱勢粒中光合產(chǎn)物的積累。2.3.3強(qiáng)、弱勢粒中淀粉含量灌漿過程中, 籽粒的淀粉含量表現(xiàn)出增加趨勢(圖6)。相較對照, 兩EBR處理使花后12 d到24 d強(qiáng)勢粒的淀粉含量有不同程度升高, 但總體趨勢差異不甚顯著。而對于弱勢粒, 雖然兩EBR處理顯著降低了花后6 d籽粒的淀粉含量, 但顯著增加了花后12 d到36 d籽粒的淀粉含量。因此, 與強(qiáng)、弱勢粒的NSC含量變化結(jié)果相似, 兩EBR處理更顯著增加了弱勢粒的淀粉合成和積累。

2.3.4強(qiáng)、弱勢粒糙米重和結(jié)實(shí)率由圖7可知,無論是糙米重還是結(jié)實(shí)率, 強(qiáng)勢粒都高于弱勢粒。從 EBR處理的效果來看, 對弱勢粒的影響更大, 能顯著增加其糙米重和結(jié)實(shí)率, 而對于強(qiáng)勢粒則作用不明顯, 僅T1處理顯著增加了強(qiáng)勢粒的糙米重。

3　討論

穗分化期外施 EBR能夠顯著增加水稻的產(chǎn)量,但兩種濃度的EBR處理對水稻的調(diào)控效果存在顯著差異。因此, 我們從源強(qiáng)、庫容和庫活性等方面分析兩EBR處理, 闡述其促進(jìn)水稻增產(chǎn)的生理機(jī)制。

3.1　EBR處理通過增加光合產(chǎn)物的合成和轉(zhuǎn)運(yùn)提高水稻源強(qiáng)

源強(qiáng)一般指生物量或貯藏在莖鞘中的碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)到穗中的能力[4]; 而籽粒灌漿物質(zhì)主要來自抽穗前的莖鞘貯藏物和抽穗后的光合產(chǎn)物[25-26]。因此, 源強(qiáng)可從光合產(chǎn)物的合成能力和轉(zhuǎn)運(yùn)能力兩方面衡量。

圖4　灌漿期強(qiáng)、弱勢粒中蔗糖裂解酶的活性Fig. 4　Sucrose lyase activity in superior grains and inferior grains at filling stage A： 強(qiáng)勢粒中的SS(蔗糖合酶)活性; B： 弱勢粒中的SS活性; C： 強(qiáng)勢粒中的AI (酸性轉(zhuǎn)化酶)活性; D： 弱勢粒中的AI活性。*和**分別代表T1在0.05和0.01水平上的顯著性, +和++分別代表T2在0.05和0.01水平上的顯著性。T0、T1、T2分別表示0、0.2、1.0 μmol L-1的EBR處理。A： SS (sucrose synthase) activity in superior grains; B： SS activity in inferior grains; C： AI (acid invertase) activity in superior grains; D： AI activity in inferior grains. * and ** represent the significance of T1 at the 0.05 and 0.01 probability levels; + and ++ represent the significance of T2 at the 0.05 and 0.01 probability levels. T0, T1, and T2： 0, 0.2, and 1.0 μmol L-1 EBR treatments, respectively.

圖5　灌漿期強(qiáng)、弱勢粒中NSC積累Fig. 5　NSC accumulation in superior grains and inferior grains at filling stageA： 強(qiáng)勢粒中的NSC積累; B： 弱勢粒中的NSC積累。*和**表示在0.05和0.01水平上處理與對照相比有顯著差異。T0、T1、T2分別表示0、0.2、1.0 μmol L-1的EBR處理。A： NSC accumulation in superior grains; B： NSC accumulation in inferior grains. * and **： significantly different from that of T0 at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. T0, T1, and T2： 0, 0.2, and 1.0 μmol L-1 EBR treatments, respectively.

圖6　灌漿期強(qiáng)、弱勢粒中淀粉積累Fig. 6　Starch accumulation in superior grains and inferior grains at filling stageA： 強(qiáng)勢粒中的淀粉積累; B： 弱勢粒中的淀粉積累。*和**表示在0.05和0.01水平上處理與對照相比有顯著差異。T0、T1、T2分別表示 0、0.2、1.0 μmol L-1的 EBR 處理。A： starch accumulation in superior grains; B： starch accumulation in inferior grains. * and **： significantly different from that of T0 at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. T0, T1, and T2： 0, 0.2, and 1.0 μmol L-1 EBR treatments, respectively.

圖7　收獲期強(qiáng)、弱勢粒糙米重和結(jié)實(shí)率Fig. 7　Brown rice weight and seed-setting rate of superior grains and inferior grains at harvesting stageA： 糙米重; B： 結(jié)實(shí)率。*和**表示在0.05和0.01水平上處理與對照相比有顯著差異。T0、T1、T2分別表示0、0.2、1.0 μmol L-1的EBR處理。A： brown rice weight; B： seed-setting rate. * and **： significantly different from that of T0 at the 0.05 and 0.01 probability levels,respectively; T0, T1, and T2： 0, 0.2, and 1.0 μmol L-1 EBR treatments, respectively.

在初花期, T1處理和T2處理均顯著增加了地上部分的生物量和營養(yǎng)器官的 NSC含量。在收獲期,T1處理雖然沒有顯著增加地上部分生物量, 但顯著提高了營養(yǎng)器官的NSC含量; T2處理顯著增加了地上部分生物量。因此, 穗分化期外施EBR能夠提高光合產(chǎn)物的合成。已有大量文獻(xiàn)報(bào)道BRs能同時(shí)促進(jìn)光系統(tǒng)II反應(yīng)中心的電子傳遞和Rubisco的羧化活性, 從而有助于增加 CO2的同化[27-28], 本研究結(jié)果雖然顯示EBR處理可以導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)性碳水化合物在營養(yǎng)器官中的累積, 但是目前還無法確知EBR處理在多大程度上提高了水稻葉片的光合速率, 對此,我們將在后續(xù)研究中進(jìn)一步試驗(yàn)分析和探討。

前人研究認(rèn)為, 水稻籽粒灌漿物質(zhì)的20%～40%來源于抽穗前莖鞘中貯存的物質(zhì)[29]。初花期莖鞘中貯藏的NSC不僅是灌漿物質(zhì)的一部分, 而且對提高灌漿初期籽粒的庫活性、啟動和促進(jìn)籽粒灌漿起著重要作用[30-31]。Fu等[32]研究表明, 初花期莖鞘中較高的NSC含量有利于提高灌漿期籽粒的庫活性, 尤其是對弱勢粒作用更明顯。在我們試驗(yàn)中, 兩 EBR處理均提高了初花期營養(yǎng)器官的NSC含量, 為后期灌漿提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

EBR處理不僅提高了光合物質(zhì)的合成, 還提高了其轉(zhuǎn)運(yùn)能力。蔗糖是高等植物光合作用的主要產(chǎn)物之一, 是碳水化合物運(yùn)輸?shù)闹饕问? 也是“庫”代謝的主要基質(zhì)[33]。SPS是蔗糖合成的限速酶, 是增強(qiáng)蔗糖生物合成的主要調(diào)控目標(biāo)[34], SPS活性的提高有助于增加光合產(chǎn)物從營養(yǎng)器官向籽粒的運(yùn)輸[35]。我們的研究表明, 兩EBR處理均提高了花后6～30 d功能葉的SPS活性, 增加了葉片中的蔗糖含量。

灌漿期葉片中的蔗糖含量是由其合成速率和轉(zhuǎn)運(yùn)速率共同決定的。本試驗(yàn)中, EBR處理使花后6～30 d功能葉中的 SPS活性顯著提高, 此時(shí)蔗糖的合成速率大于轉(zhuǎn)運(yùn)速率, 葉片中蔗糖含量顯著提高; 到花后36 d, 兩EBR處理的功能葉SPS活性降低到與對照相同的水平, 此時(shí)蔗糖的合成小于轉(zhuǎn)運(yùn), 因此葉片的蔗糖含量顯著低于對照。

3.2　EBR處理能夠增大水稻收獲期的庫容

以BRs合成缺陷型或BRs不敏感型水稻突變體為材料的研究表明, BRs對水稻籽粒數(shù)量、大小和粒重有正向的調(diào)控作用[36]。有研究表明, 通過轉(zhuǎn)基因手段增加水稻莖鞘和根中的 BRs含量時(shí), 轉(zhuǎn)基因材料分蘗數(shù)、單株籽粒數(shù)和粒重均增大, 單株增產(chǎn)15%～40%[13]。在光合物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)效率不高的情況下, 籽粒數(shù)的增加往往導(dǎo)致粒重的降低。從我們對庫容的研究結(jié)果看, T1處理顯著增大了水稻的千粒重, 但單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)增加不顯著; 而 T2處理顯著增加了單位面積的穗數(shù)和穗粒數(shù), 千粒重卻沒有顯著增大。因此, 在水稻穗分化期噴施 EBR能夠增大水稻的庫容, 但不同濃度間作用方式存在差異。

Kato[37]認(rèn)為限制水稻弱勢粒灌漿的不是源, 而是庫容。收獲期籽粒充實(shí)度的提高和粒重的增加有助于產(chǎn)量的提高[38]; 但由于籽粒數(shù)量比籽粒重有更大的可塑性[39], 即籽粒數(shù)量比籽粒重對產(chǎn)量的影響更大[40]。我們對庫容的研究發(fā)現(xiàn), 相比可使籽粒重量顯著增大的T1處理, T2處理使籽粒數(shù)量顯著增加,對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)更大。因此, 在足夠的源強(qiáng)條件下,EBR處理可能通過影響水稻的穎花發(fā)育, 促進(jìn)水稻的籽粒形成, 進(jìn)而增大庫容, 提高產(chǎn)量。

花前光合同化物的增加能夠減少籽粒敗育, 進(jìn)而提高籽粒的數(shù)量[10]。因此, 本試驗(yàn)中T2處理收獲期穗數(shù)和穗粒數(shù)顯著增加可能是其生物量和NSC含量增大帶來的。

3.3　EBR處理對強(qiáng)、弱勢粒蔗糖裂解酶活性和物質(zhì)分配的影響

蔗糖向籽粒中的運(yùn)輸速率很大程度上取決于籽粒的庫強(qiáng)度, 庫強(qiáng)度的一個(gè)重要生化指標(biāo)是與糖代謝相關(guān)的關(guān)鍵酶活性, 為了維持源、庫之間蔗糖濃度梯度, 一個(gè)重要的調(diào)節(jié)方式就是蔗糖在進(jìn)入籽粒后轉(zhuǎn)化為其他化合物; 因此, 籽粒中的蔗糖如何被高效地分解為可被進(jìn)一步利用的單糖, 往往是反映庫活性的重要標(biāo)志。蔗糖合酶(SS)和酸性轉(zhuǎn)化酶(AI)是降解蔗糖的 2個(gè)主要酶, 其活性常與蔗糖輸入庫組織的速率緊密相關(guān)[41]。調(diào)節(jié)這兩個(gè)蔗糖裂解酶在籽粒中的活性, 會改變蔗糖輸入速率及同化物的分配情況。

Jiang等[42]報(bào)道外施EBR可通過提高黃瓜SPS、SS和 AI等糖代謝酶活性增加可溶性糖、蔗糖、己糖和淀粉含量。劉海英等[18]在小麥開花期噴施表油菜素內(nèi)酯(EBR)增強(qiáng)了籽粒中 SS活性, 加速了籽粒中蔗糖的降解。從本實(shí)驗(yàn)籽粒中蔗糖裂解酶的活性看, 兩 EBR處理同時(shí)提高了強(qiáng)勢粒和弱勢粒的 SS活性, 也同時(shí)提高了強(qiáng)、弱勢粒的AI活性, 但對弱勢粒影響更大。籽粒灌漿實(shí)質(zhì)上就是光合產(chǎn)物在籽粒中合成淀粉的過程[43]。從灌漿期籽粒中NSC和淀粉積累情況看, 相較強(qiáng)勢粒, 兩 EBR處理對弱勢粒的影響更大, 這可能與弱勢粒較強(qiáng)的AI活性有關(guān)。因此, EBR處理可以提高籽粒, 尤其是弱勢粒中的蔗糖裂解酶活性, 進(jìn)而促進(jìn)蔗糖向籽粒的運(yùn)輸。

弱勢粒結(jié)實(shí)率不高往往是限制產(chǎn)量的一個(gè)主要因素[33,44]。本試驗(yàn)中兩EBR處理后結(jié)實(shí)率升高, 尤其是弱勢粒的結(jié)實(shí)率增高更為顯著, 原因可能是EBR處理使蔗糖裂解酶活性提高, 促進(jìn)了籽粒充實(shí)。

另外, AI也被認(rèn)為參與了植物的生長和器官建成, 為植物體合成各種重要化合物提供原料。一般在植物的分生組織和快速生長的幼嫩組織和器官中AI活性較高[45-46]。灌漿初期, EBR處理在花后6 d強(qiáng)、弱勢粒中總的NSC含量和淀粉含量有降低趨勢,推測灌漿初期 AI的主要作用是為結(jié)構(gòu)性物質(zhì)的生成提供原料, 即 EBR處理提高了灌漿初期 AI的活性, 促使更多轉(zhuǎn)運(yùn)的同化物用于結(jié)構(gòu)性物質(zhì)的生成,從而減少了灌漿初期NSC的含量及淀粉的合成。

3.4　EBR處理在水稻源強(qiáng)、庫容和庫活性中的協(xié)調(diào)作用

庫容對葉片光合產(chǎn)物的運(yùn)轉(zhuǎn)(流)有很大的調(diào)控作用。楊建昌等[47]用14C同位素示蹤的方法研究表明,庫源比越大, 葉片光合產(chǎn)物向穗粒中運(yùn)輸?shù)迷蕉?。因? 只有在庫容足夠大的基礎(chǔ)上, 源強(qiáng)的增加才能帶來產(chǎn)量的顯著提高; 否則, 抽穗后生產(chǎn)的光合物質(zhì)更多地積累在葉片和莖鞘中, 并不能有效地轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。本試驗(yàn)中, 低濃度的T1處理對收獲期的生物量影響不顯著, 卻顯著增加了營養(yǎng)器官的NSC含量; 而高濃度的T2處理不僅顯著提高了地上部分的生物量, 而且還顯著降低了營養(yǎng)器官的 NSC含量。我們分析認(rèn)為, T1處理雖然提高了源強(qiáng)和庫活性, 千粒重也有所提高, 但穗數(shù)和穗粒數(shù)變化不大, 庫容增加幅度較小, 限制了其對光合產(chǎn)物的充分利用, 未被轉(zhuǎn)運(yùn)的同化物又被重新貯存在營養(yǎng)器官中, 這往往限制籽粒灌漿和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的提高[48]。而T2處理穗數(shù)和穗粒數(shù)顯著增加, 相較T1處理庫容進(jìn)一步增大, 促使?fàn)I養(yǎng)器官中的光合產(chǎn)物更高效地向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn), 促進(jìn)了高效的籽粒灌漿和產(chǎn)量的顯著提高。

3.5　EBR處理在水稻上的應(yīng)用價(jià)值分析

為便于后期深入系統(tǒng)地研究EBR處理對水稻影響的生理生化和分子機(jī)制, 本試驗(yàn)選用全基因組測序已經(jīng)完成的粳稻日本晴作為研究材料, 揭示了穗分化期外施EBR能增加粳稻日本晴干物質(zhì)生產(chǎn)、增大庫容、提高產(chǎn)量的作用及其生理機(jī)制。本研究所獲得的最佳EBR處理濃度雖不能適用于所有水稻品種, 但對其他品種所用最佳濃度的篩選、作用機(jī)理解析等具有參考價(jià)值。后續(xù)工作可以此為基礎(chǔ)逐步深入展開。

4　結(jié)論

兩種濃度的EBR處理增加了灌漿前植株的生物量和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物在營養(yǎng)器官的累積, 并促進(jìn)了灌漿期蔗糖的合成與轉(zhuǎn)運(yùn), 增大了源強(qiáng), 且顯著增大了水稻的庫容。T1處理顯著增大了水稻千粒重, T2處理顯著增大了水稻的籽粒數(shù)。兩種濃度的EBR處理均提高了水稻強(qiáng)、弱勢粒的蔗糖裂解酶活性, 尤其對弱勢粒AI活性影響更大, 使更多的光合產(chǎn)物向弱勢粒分配, 提高了弱勢粒的充實(shí)度, 避免了庫容增大帶來的結(jié)實(shí)率降低等問題。在光合物質(zhì)積累充足和庫活性足夠強(qiáng)的基礎(chǔ)上, 庫容將決定產(chǎn)量。T2處理比 T1處理庫容進(jìn)一步增大, 能更充分地利用光合產(chǎn)物并加速籽粒灌漿, 進(jìn)而更顯著提高水稻產(chǎn)量。

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