?何曙光 李華平 戴力 劉洋 匡煒 方寶華 趙楊

摘 要：以早稻品種湘早秈42號為材料，研究不同濃度的PQQ溶液對低溫脅迫下早稻幼苗生理特性的影響。結(jié)果表明：低溫脅迫前葉面噴施0.5和1 μmol/L PQQ溶液，活苗率較對照大幅提高，分別達(dá)到40.23%和43.14%，與對照差異顯著;而PQQ溶液濃度≥25 μmol/L時活苗率反而降低;低溫脅迫前噴施0.5 μmol/L的PQQ，對株高、鮮重、干重和含水量的影響與對照差異不顯著;而低溫脅迫5 d時，PQQ處理過的幼苗電導(dǎo)率降低了7.19個百分點(diǎn)、MDA含量減少了5.23 nmol/g、脯氨酸和可溶性糖含量分別增加了8.02 μg/g和23.4 mg/g、SOD和POD酶活性分別提升了9.19%和11.45%，與對照的差異均達(dá)顯著水平。這表明PQQ可通過提高抗氧化酶活性和調(diào)節(jié)非酶促防御系統(tǒng)同時減輕低溫脅迫對水稻幼苗造成的傷害，提高水稻幼苗耐冷能力。

關(guān)鍵詞：水稻幼苗;低溫脅迫;PQQ;生理指標(biāo)

中圖分類號：Q946.885.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-060X（2020）05-0017-04

Effects of PQQ on Physiological Characteristics of Early Rice Seedlings Under Low Temperature Stress

HE Shu-guang1，LI Hua-ping1，DAI Li2，LIU Yang2，KUANG Wei2，F(xiàn)ANG Bao-hua2，ZHAO Yang2

（1. Linxiang Agricultural Bureau， Yueyang 414300， PRC; 2. Hunan Rice Research Institute， Changsha 410125， PRC）

Abstract： The effects of different concentrations of pyrroloquinoline quinone （PQQ） solution on physiological characteristics of early-rice seedlings were studied with Xiangzaoxian 42 as the material. The results showed that sprayed with 0.5μmol/L and 1μmol/L PQQ solutions on the leaf surface before low temperature stress， the live seedling rates of the treatments were significantly higher than those of the control， reaching 40.23% and 43.14%， respectively; when the PQQ concentration was ≥25μmol/L， the live seedling rates contrarily decreased. Through the analysis on agronomic characteristics and physiological indices of the cold-damaged seedlings， it was found that spraying PQQ before low temperature stress had no significant effects on plant height， fresh weight， dry weight and water content in contrast with the control. After 5d low temperature treatment， PQQ reduced the conductivity by 7.19 percent， decreased the MDA content by 5.23nmol/g， increased proline and soluble sugar contents， SOD and POD activities by 8.02μg/g ， 23.4 mg/g， 9.19% and 11.45%， respectively， all of which were significantly different from the control. It means that PQQ could reduce the damage caused by low temperature stress and improve the cold tolerance of rice seedlings by improving the activity of antioxidant enzymes and regulating non-enzymatic defense system.

Key words： rice seedlings; low temperature stress; PQQ; physiological index

水稻起源于熱帶，喜高溫多濕環(huán)境，栽培稻耐冷性強(qiáng)于野生稻，表明經(jīng)人類馴化后水稻耐冷性有一定提高，但仍較難適應(yīng)低溫。在全球氣候變暖的趨勢下，低溫對水稻的影響仍不能忽視[1-3]。水稻苗期生長最低溫度為12℃左右，最適生長溫度為25～35℃。湖南省早稻育苗期間常出現(xiàn)“倒春寒”天氣，而苗期低溫冷害可導(dǎo)致幼苗葉片褪色，引發(fā)幼苗感染綿腐病、立枯病和青枯病等疾病，甚至爛秧。氣候正常年份水稻的爛種爛秧比例較低，約為5%;低溫冷害輕微的年份爛種爛秧比例可達(dá)25%，而低溫冷害嚴(yán)重時爛種爛秧比例甚至可超過50%[4]。這種情況發(fā)生后必將延誤農(nóng)事季節(jié)，導(dǎo)致栽插面積無法按計(jì)劃完成，進(jìn)而影響水稻豐產(chǎn)群體的建立，打亂作物布局，使全年水稻生產(chǎn)陷于被動。有研究指出，苗期受低溫脅迫后可間接影響籽粒灌漿持續(xù)時間，進(jìn)而影響稻米品質(zhì)，主要表現(xiàn)為糙米率、精米率、糊化溫度和膠稠度等指標(biāo)大大降低[5]。

關(guān)于如何提高水稻苗期耐冷性，許多學(xué)者做了大量研究，除培育耐冷品種外，發(fā)現(xiàn)外源施用某些物質(zhì)可一定程度提高水稻耐冷性。近年來，吡咯喹啉醌在微生物界、動物界和植物界引起廣泛關(guān)注。吡咯喹啉醌化學(xué)名稱為4，5-二氫-4，5-二氧-1-氫吡咯（2，3-f）醌-2，7，9-三羧酸，簡稱PQQ，是繼黃素核苷酸和煙酰胺核苷酸之后，在細(xì)菌脫氫酶中發(fā)現(xiàn)的第三種輔基，號稱為“第十四種維生素”。該輔酶于20世紀(jì)60年代首次被發(fā)現(xiàn)，1979年Duine和 Salisbury 等確定其結(jié)構(gòu)式[6-8]。國內(nèi)外對PQQ的研究多限于微生物與動物領(lǐng)域，而PQQ作為生物體內(nèi)的一種活性因子在植物體內(nèi)的效應(yīng)如何，報道甚少。研究以PQQ為研究對象，探討低溫脅迫下外源施用PQQ對水稻幼苗耐冷性和其他生理特性的影響。這對于水稻耐冷種質(zhì)的篩選及耐冷機(jī)理研究都有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為冷敏感水稻品種湘早秈42號。種子經(jīng)0.08%三氯異氰尿酸消毒浸種48 h催芽后，將發(fā)芽一致的種子播種于塑料盆（17.0 cm×11.5 cm×6.5 cm）中，內(nèi)裝稻田土，每盆50～60株。當(dāng)幼苗生長至2葉一心時進(jìn)行處理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 PQQ處理濃度篩選 選取長勢基本一致的2葉一心水稻幼苗，用小型噴霧器將不同濃度的PQQ溶液（含0.2%吐溫）均勻噴撒至水稻幼苗葉片上。處理濃度分別為0（CK）、0.1、0.25、0.5、1、25、50、100、500 μmol/L，每個處理用量為30 mL，每種濃度噴施3盆。噴施12 h后，移入低溫培養(yǎng)箱（MLR-352-PC，松下電器）。低溫脅迫的初始溫度為26.0℃，以2℃/h的速度降溫至8.0±1.0℃，連續(xù)處理3 d;每天7：00 —19：00光照12 h，光照強(qiáng)度為8 400 lx，相對濕度為70%～80%。處理結(jié)束后，將幼苗移至自然條件下繼續(xù)生長9 d，統(tǒng)計(jì)低溫活苗率。低溫活苗率（%）=（活幼苗數(shù)/總幼苗數(shù)）×100%。

1.2.2 低溫脅迫下PQQ對早稻幼苗生理特性的影響試驗(yàn) 設(shè)2個處理，試驗(yàn)組為適宜濃度的PQQ處理，對照組為等量蒸餾水（含0.2%吐溫），均勻噴灑在2葉一心水稻幼苗葉片上，每各處理噴施3盆，噴施12 h后，移入低溫培養(yǎng)箱。低溫脅迫的初始溫度為26.0℃，以2℃/h的速度降溫至10.0±1.0℃，連續(xù)處理5 d;每天7：00—19：00光照12 h，光照強(qiáng)度為8 400 lx，相對濕度為70%～80%。

1.3 測定指標(biāo)及方法

分別于低溫處理0、1、3和5 d時取樣，測定幼苗株高、鮮重、干重和含水量4項(xiàng)農(nóng)藝性狀指標(biāo)和電導(dǎo)率、丙二醛（MDA）、脯氨酸（PRO）、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性和過氧化物酶（POD）活性6項(xiàng)生理指標(biāo)。采用電導(dǎo)率儀法[9]測定電導(dǎo)率，硫代巴比妥酸比色法[9]測定MDA含量，酸性茚三酮法[9]測定PRO含量，蒽酮比色法測[10]定可溶性糖含量，氮藍(lán)四唑法[10]測定SOD活性，愈創(chuàng)木酚法[10]測定POD活性;每個處理設(shè)3次重復(fù)，每個樣品重復(fù)測定4次，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 和SPSS 10.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 最適PQQ處理濃度

如圖1所示，低溫脅迫下，隨著PQQ濃度的增加，活苗率呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)濃度為0.5和1 μmol/L時，活苗率大幅提高，分別達(dá)到40.23%和43.14%，較對照增加15.28和18.19個百分點(diǎn)，差異顯著。而當(dāng)PQQ濃度增加至25 μmol/L以上時，活苗率降為30%左右。因此，從活苗率和成本2個方面考慮，后續(xù)研究中采用濃度0.5 μmol/L的PQQ溶液繼續(xù)試驗(yàn)。

2.2 低溫處理下PQQ對幼苗農(nóng)藝性狀的影響

從圖2中可以看出，隨著低溫處理時間的延長，水稻幼苗的鮮重和含水量呈降低趨勢，干重呈增加趨勢，表明幼苗通過降低植株水分含量、增加干物質(zhì)重來抵御低溫冷害，但試驗(yàn)組與對照組之間的差異均不顯著;處理5 d時，試驗(yàn)組（噴施PQQ）水稻幼苗的鮮重、含水量和干重分別為處理前的56.25%、65.23%、121.43%。從圖2中還可以看出，株高隨低溫脅迫時間的延長呈小幅降低趨勢。這可能與含水量降低導(dǎo)致植株萎蔫有關(guān)，也是幼苗抵御低溫逆境的保護(hù)性反應(yīng)。

2.3 低溫處理下PQQ對幼苗生理指標(biāo)的影響

由表1可知，隨著低溫處理時間的延長，水稻幼苗細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)或功能受損，電解質(zhì)外滲，電導(dǎo)率不斷增大;脅迫5 d時，試驗(yàn)組的電導(dǎo)率較對照組低7.19個百分點(diǎn)，差異顯著。這表明噴施PQQ溶液可以減輕低溫對細(xì)胞膜的損害。另一個反映細(xì)胞膜受損的指標(biāo)——膜脂過氧化積累產(chǎn)物丙二醛（MDA）具有同樣的變化趨勢，隨著低溫時間的延長，MDA含量不斷增加;脅迫3 d時，試驗(yàn)組的MDA含量比對照組低4.85 nmol/g;脅迫5 d時，試驗(yàn)組的MDA含量比對照組低5.23 nmol/g;差異均達(dá)顯著水平。這表明噴施PQQ溶液可在一定程度上保護(hù)細(xì)胞膜，減輕膜脂過氧化作用。脯氨酸和可溶性糖這2種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在低溫脅迫下可大量積累來提高細(xì)胞溶質(zhì)濃度，使細(xì)胞保持一定的滲透壓，防止水分散失，提高細(xì)胞持水力。低溫脅迫1、3、5 d時，試驗(yàn)組的脯氨酸含量較對照組分別增加6.23、10.02和8.02 μg/g，差異均達(dá)顯著水平;低溫脅迫1和3 d時，試驗(yàn)組的可溶性糖含量較對照組分別增加5.0和23.4 mg/g，差異均達(dá)顯著水平。這表明PQQ溶液可促使細(xì)胞積累更多的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，保持細(xì)胞水分，從而提高幼苗耐冷能力。

由表2可知，試驗(yàn)組和對照組水稻幼苗的抗氧化酶活性在短時低溫脅迫下差異不顯著，低溫脅迫3 d時，試驗(yàn)組的SOD和POD酶活性分別較對照組增加9.57%和14.73%;低溫脅迫5 d，試驗(yàn)組的SOD和POD酶活性分別較對照組增加9.19% 和11.45%。這表明噴施PQQ溶液更有利于增加水稻幼苗的SOD和POD酶活性，達(dá)到清除過剩自由基、減少膜脂過氧化作用、穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)的目的。

3 結(jié)論與討論

PQQ是一種氧化還原酶輔基，參與生物體內(nèi)氧化還原反應(yīng)，能有效地清除體內(nèi)的自由基，減少自由基對生物體的傷害，保護(hù)機(jī)體組織。它也是一種生長因子，可刺激生物生長，微量的PQQ就能提高生物體組織的代謝能力和生長機(jī)能[11]。該試驗(yàn)在低溫脅迫下葉面噴施PQQ能夠明顯提高水稻幼苗的成活率，但不同濃度的PQQ對活苗率提升的幅度有所差異。PQQ濃度增加，幼苗活苗率不斷上升，但當(dāng)濃度低于0.5 μmol/L時，處理的活苗率與對照差異不顯著;當(dāng)PQQ濃度增加至0.5和1 μmol/L時，活苗率大幅提升，幼苗耐冷能力最強(qiáng);PQQ濃度繼續(xù)增加，活苗率又呈降低趨勢，這與朱云集等[12]和衛(wèi)秀英等[13]的研究結(jié)果一致。因此，筆者認(rèn)為低溫脅迫下噴施適當(dāng)濃度的PQQ，可提高水稻幼苗抵御低溫冷害的能力。

植物受低溫脅迫后，植株體內(nèi)會發(fā)生一系列生理變化，如提高產(chǎn)量構(gòu)成因素[14]、增加抗氧化酶活性、積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、改變激素水平等。PQQ作為生理活性物質(zhì)，不但有較強(qiáng)的氧化還原能力，還有保護(hù)酶和巰基的作用。在逆境脅迫中植物體內(nèi)酶促和非酶促防御系統(tǒng)共同作用維持植物體內(nèi)自由基的平衡，才使生物體具有正常的生理機(jī)能[15]。劉衛(wèi)群等[16]報道了低溫脅迫下葉片噴施和根灌PQQ能提高黃瓜幼苗子葉超氧化物歧化酶和抗壞血酸過氧化物酶的活性，增加谷胱甘肽含量，緩解電解質(zhì)泄漏，減緩膜脂過氧化作用，表明PQQ通過直接消除和間接酶促反應(yīng)2個方面的作用調(diào)節(jié)植物細(xì)胞內(nèi)的活性氧濃度，進(jìn)而增強(qiáng)植物的抗逆性，是一個多因素的復(fù)雜效應(yīng)。在半固體培養(yǎng)基中添加PQQ能明顯提高煙草花粉萌發(fā)率、花粉管生長速率和花粉萌發(fā)時的呼吸速率，可能也是在花粉萌發(fā)過程中刺激某種酶、增強(qiáng)酶活性所致[17-19]。

該研究結(jié)果顯示，在低溫脅迫前噴施0.5 μmol/L的PQQ溶液，對幼苗農(nóng)藝性狀產(chǎn)生的影響較小，與對照差異不顯著，但是引發(fā)了一系列生理特性變化。與對照相比，噴施PQQ能夠有效防治細(xì)胞電解質(zhì)外

滲，減少過氧化產(chǎn)物MDA的積累，增加滲透調(diào)節(jié)物脯氨酸和可溶性糖的含量，提高SOD和POD活性。這說明PQQ處理的水稻幼苗細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)較完整，體內(nèi)自由基含量較低，抗氧化能力較強(qiáng)，膜脂過氧化作用輕，細(xì)胞滲透勢低，細(xì)胞保水力較強(qiáng)，細(xì)胞膨壓保持在正常范圍，有助于維持幼苗的正常生理代謝。

參考文獻(xiàn)：

[1] Shimono H. Earlier rice phenology as a result of climate change can increase the risk of cold damage during reproductive growth in northern Japan[J]. Agriculture，Ecosystems & Environment，2011，144（1）：201-207.

[2] Liu X F，Zhang Z，Shuai J B，et al. Impact of chilling injury and global warming on rice yield in Heilongjiang Province[J]. Journal of Geographical Sciences，2013，23（1）：85-97.

[3] Wang P，Zhang Z，Song X，et al. Temperature variations and rice yields in China：historical contributions and future trends[J]. Climatic Change，2014，124（4）：777-789.

[4] 高柏群. 早稻爛秧的原因與防治方法[J]. 中國植保導(dǎo)刊，2004，24（3）：26-27.

[5] Huang M，Jiang L G，Zou Y B，et al. On-farm assessment of effect of low temperature at seedling stage on early-season rice quality[J]. Field Crops Research，2013，141：63-68.

[6] Duine J A，F(xiàn)rank J J，Verwiel P E J. Structure and activity of the prosthetic group of methanol dehydrogenase[J]. European Journal of Biochemistry，1980，108（1）：187-192.

[7] Duine J A，F(xiàn)rank J J，Van Zeeland J K，et al. Glucose dehydrogenase from Acinetobacter calcoaceticus：a quinoprotein [J]. FEBS Letters，1979，108（2）：443-446.

[8] Salisbury S A，F(xiàn)orrest H S，Cruse W B T，et al. A novel coenzyme from bacterial primary alcohol dehydrogenases[J]. Nature，1979，280（5725）：843-844.

[9] 簫浪濤，王三根. 植物生理學(xué)試驗(yàn)技術(shù)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2005.

[10] 陳建勛，王曉峰. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2006.

[11] Ludue?a L M，Anzuay M S，Angelini J G，et al. Role of bacterial pyrroloquinoline quinone in phosphate solubilizing ability and in plant growth promotion on strain Serratia sp. S119[J]. Symbiosis，2017，72（1）：31-43.

[12] 朱云集，王永華，郭天財，等. 吡咯喹啉醌對冬小麥某些生理特性和穗部性狀的影響（簡報）[J]. 植物生理學(xué)通訊，2000，36（4）：330-332.

[13] 衛(wèi)秀英，李秀菊，朱坤華. 吡咯喹啉醌對蘋果花粉萌發(fā)和花粉管生長的影響（簡報）[J]. 植物生理學(xué)通訊，2000，36（4）：320-321.

[14] 匡 煒，劉 洋，李 強(qiáng)，等. PQQ對水稻產(chǎn)量及主要農(nóng)藝性狀的影響[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017（12）：40-42.

[15] Choi O，Kim J，Kim J G，et al. Pyrroloquinoline quinone is a plant growth promotion factor produced by Pseudomonas fluorescens B16[J]. Plant physiology，2008，146（2）：657-668.

[16] 劉衛(wèi)群，朱云集，王永華，等. 低溫脅迫下PQQ對黃瓜幼苗子葉防御系統(tǒng)的影響[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1998，44（4）：485-488.

[17] 劉衛(wèi)群，韓錦峰，彭文博，等. 吡咯喹啉醌對煙草種子萌發(fā)的生理效應(yīng)[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1993，27（3）：223-226.

[18] 劉衛(wèi)群，楊鐵釗，李 文，等. 吡咯喹啉醌對煙草幼苗中IAA和玉米素加玉米素核苷及核酸含量的影響（簡報）[J].植物生理學(xué)通訊，1998，34（4）：259-260.

[19] 劉衛(wèi)群，楊鐵釗，丁永樂，等. 吡咯喹啉醌對煙草花粉萌發(fā)和花粉管生長的效應(yīng)（簡報）[J]. 植物生理學(xué)通訊，1996，32（6）：419-420.

（責(zé)任編輯：成 平）

收稿日期：2020-03-17

基金項(xiàng)目：湖南省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新資金項(xiàng)目（2018QN07）

作者簡介：何曙光（1970—），男，湖南岳陽市人，農(nóng)藝師，主要從事作物栽培研究。

通信作者：趙 楊