鄭 涵,丁文金,何招亮,侯 凡,戴彬鳳,鐘列權,張海鵬,*,楊 勇

(1.安徽農業(yè)大學 農學院,安徽 合肥 230036; 2.浙江省農業(yè)科學院 病毒學與生物技術研究所,農產品質量安全危害因子與風險防控國家重點實驗室,農業(yè)農村部和浙江省植保生物技術重點實驗室,浙江 杭州 310021; 3.浙江勿忘農種業(yè)股份有限公司,浙江 杭州 311200; 4.臺州市農業(yè)生態(tài)保護與質量安全中心,浙江 臺州 318000)

水稻(OryzasativaL.)是世界上最重要的糧食作物之一,自20世紀70年代以來我國長江中下游稻區(qū)單季稻種植面積逐年增加,該地區(qū)作為我國重要的水稻產地,對保障我國水稻產量有重要意義[1-2]。隨著工業(yè)化程度的不斷推進,溫室氣體的排放量逐年增加,高溫天氣出現的頻率和強度也呈現出上升趨勢[3]。長江中下游地區(qū)因其特殊的地理和環(huán)境因素,高溫和伏旱天氣在該地區(qū)夏季頻繁交替出現,而夏季又恰好是單季稻穗分化的關鍵時期,高頻率出現的高溫天氣已對該地區(qū)水稻的安全生產產生了極大威脅,不同水稻品種和生育期的不同對于穗分化期高溫的耐受性不同[4-6]。通常情況下穗分化期高溫會通過影響水稻幼穗形成、花粉發(fā)育、調控代謝生理指標等過程進而導致水稻減產。研究發(fā)現穗分化期高溫會顯著降低水稻每穗粒數與千粒重并因此導致水稻嚴重減產[6]。本文從穗分化期高溫導致水稻幼穗發(fā)育不良、花粉育性降低、產量和品質下降、生理代謝紊亂等方面綜述了穗分化期高溫對水稻生長發(fā)育的影響并提出相應的緩解措施和前景展望。以期為開展水稻逆境生理研究以及緩解措施的合理選擇提供依據。

1 穗分化期高溫對水稻生長發(fā)育的影響

穗分化期是水稻生長過程中非常重要的一個時期,一般情況下,根據水稻自身生長情況以及生產研究的實際又將穗分化期分為8個時期[7]。又根據水稻幼穗發(fā)育情況的不同,前4個時期被稱為幼穗形成期,后4個時期則被稱為孕穗期,高溫作用時間的不同會對水稻生長發(fā)育造成不同影響。以下將重點歸納穗分化期高溫對幼穗形成與發(fā)育、花藥的結構和花粉發(fā)育以及對水稻產量的影響3個方面。

1.1 對幼穗形成與發(fā)育的影響

幼穗形成與發(fā)育是水稻產量構成的基礎。水稻作為喜溫植物,需要在溫度較高的環(huán)境下才可進行正常的生長與發(fā)育,通常情況下環(huán)境溫度保持在26.0～33.1 ℃最有利于幼穗形成,低于或者高于此溫度范圍皆會造成水稻幼穗形成受阻[8-9]。研究顯示,高溫導致水稻穗分化期減數分裂的穎花和枝梗顯著退化,并且不同品種穗間位存在差異,造成水稻幼穗的不正常發(fā)育,使水稻幼穗分化畸形[10]。通常情況下,幼穗形成需要水稻提供大量的碳水化合物,因此碳水化合物合成與轉運的減少是影響幼穗發(fā)育的主要原因[11-12]。陳燕華等[13]研究發(fā)現,穗分化期高溫脅迫下水稻光合作用并未受到顯著影響,水稻幼穗發(fā)育受到制約是因為糖轉運受阻造成的,高溫脅迫顯著下調了蔗糖轉運基因OsSUT1、OsSUT2、OsSUT4,上調了細胞分裂素氧化酶基因OsCKX5、OsCKX9的表達,進而降低了幼穗中非結構性碳水化合物(NSC)的積累并最終抑制了水稻穎花的分化并加劇了穎花退化。Chen等[14]的研究進一步證實了這一觀點,即在穗分化期高溫脅迫下水稻干物質的積累并未受到影響,高溫通過降低細胞分裂素(CTK)、赤霉素(GA)、吲哚乙酸(IAA)等激素含量、抗氧化酶活性以及糖酵解和三羧酸循環(huán)相關酶活性,提高脫落酸(ABA)含量、CTK氧化分解基因OsLOGL2和OsLOGL3的表達量以及膜脂過氧化物含量,最終降低了水稻幼穗對于蔗糖的利用效力以及NSC的積累量。但是對于這一現象,有研究者卻發(fā)現穗分化期高溫不僅會影響到“流”(蔗糖轉運),同時“源”(葉片光合能力)也會受到影響和限制,并因此造成水稻幼穗發(fā)育不良[15]。穗分化后4個時期的高溫同樣會對水稻幼穗形成造成影響,后4個時期因為穎花分化已基本完成,因此在這一時期,高溫主要通過提高水稻穎花退化率進而影響水稻幼穗的形成[16]。王亞梁等[17]在水稻倒一葉期進行40 ℃高溫脅迫后發(fā)現水稻穎花退化顯著,并且隨著高溫時間的延長,穎花退化情況越明顯。綜上所述,高溫下水稻幼穗干物質積累量減少是造成幼穗發(fā)育不良的主要原因。

1.2 對花藥結構和花粉發(fā)育的影響

1.2.1 對花藥結構的影響

水稻花藥是水稻穎花的重要組成部分之一,也是可育花粉形成的基礎[18]。穗分化期高溫下水稻花藥結構受損嚴重、花粉發(fā)育受阻,其中絨氈層形態(tài)異常、花藥表皮角質層結構以及花藥壁加厚都是影響花藥結構發(fā)育的重要原因[19]。水稻花藥絨氈層是花藥中供給花粉發(fā)育營養(yǎng)物質的重要器官,其上分泌的脂類物質對于花粉壁形成以及花粉的正常發(fā)育皆具有重要作用[20]。高溫下,絨氈層結構可通過UPR(未折疊蛋白)反應來感知高溫并促使內質網結構改變進而提高花藥對高溫的耐受性[21]。但是同時,高溫也會通過增加花藥內ABA含量、下調NADPH氧化酶調控基因OsPDIL1-1以及超氧化物歧化酶(SOD)調控基因Cu/Zn-SODa基因的表達、降低SOD、過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶活性導致水稻花藥中的活性氧(ROS)含量激增進而阻礙花藥絨氈層細胞的程序性死亡(PCD)過程,PCD過程的受阻則直接導致了花藥絨氈層功能的缺失[22-25]。目前有研究發(fā)現bHLH轉錄因子、PHD-finger結構域蛋白質等轉錄因子與絨氈層的PCD過程密切相關[26-27]。但是目前的相關研究仍缺少高溫下相關轉錄因子與絨氈層PCD相互關系的研究,未來可就此作為創(chuàng)新點展開深入研究。此外,作為花藥重要組成部分的藥隔維管束在水稻花器官的發(fā)育過程中起著營養(yǎng)物質傳輸通道的重要作用,張桂蓮等[28]在對水稻進行高溫脅迫后發(fā)現,水稻花藥中的藥隔維管束結構被破壞,阻礙了營養(yǎng)物質運輸,造成花器管發(fā)育不良。

1.2.2 對花粉發(fā)育的影響

穗分化期高溫影響水稻花藥結構,進而導致水稻花粉發(fā)育過程中營養(yǎng)物質供給不足是致使水稻花粉發(fā)育不良、育性降低的主要原因之一。除此之外,高溫也會影響水稻花粉細胞的分裂過程從而造成花粉不育[29]。孕穗期是水稻花粉形成的重要時期,花粉母細胞首先經過一次減數分裂形成小孢子,小孢子在經過一次有絲分裂后形成生殖細胞,最后生殖細胞再經過一次有絲分裂才可形成具有育性的花粉細胞[30-31]。這時期的高溫主要通過影響減數分裂以及有絲分裂的進程從而造成水稻花粉育性降低。例如,在水稻花粉母細胞進行第一次減數分裂期間,若此時遭遇高溫則會影響減數分裂進程,致使同源染色體基因重組的概率增加,在減數分裂的后期同源染色體分裂失敗,最終在形態(tài)上表現為形成異常小孢子[32-33]。同時Pan等[34]在分子層面對此進行了研究和分析,結果顯示,穗分化期高溫會通過影響調控多種鋅指蛋白、多嘧啶束結合蛋白以及DEAD/DEAH盒RNA解旋酶等相關基因的表達進而影響水稻正常的減數分裂過程。此外,小孢子第一次有絲分裂是一次非極性的有絲分裂,通常情況下小孢子會分裂為一個生殖細胞以及一個營養(yǎng)細胞,若此時經歷高溫則會導致蔗糖轉化酶(INV)活性降低,INV基因表達下調,淀粉積累異常并最終導致小孢子發(fā)育異常,分化異常[35-36]。綜上所述,高溫會通過影響水稻花粉細胞分裂過程進而造成水稻花粉發(fā)育異常甚至數量減少。

1.3 對水稻產量與品質形成的影響

水稻產量主要是由有效穗數、每穗粒數、結實率、千粒重4大因素構成的,穗分化期高溫主要通過影響幼穗與花粉粒的形成發(fā)育進而影響產量。穗分化高溫影響水稻穎花的分化與退化過程,導致水稻每穗粒數降低并最終影響產量[37]。同時,水稻花粉粒發(fā)育不良則會導致水稻結實率下降進而造成減產[38]。而關于水稻千粒重的變化,宋有金等[6]和陳燕華等[13]的試驗則均顯示水稻千粒重在穗分化期高溫脅迫下均出現不同程度的降低。如表1顯示穗分化期高溫對水稻產量的影響。綜上所述,根據目前的研究結果來看,穗分化期高溫主要通過影響每穗粒數、結實率以及千粒重的方式來降低水稻產量。穗分化期高溫也會對稻米品質造成影響,Mohammed等[39]研究發(fā)現,孕穗期夜間高溫會降低籽粒的粒寬,提高堊白度,從而降低稻米品質。

表1 穗分化期高溫對水稻產量的影響

2 穗分化期高溫對水稻生理特性的影響

穗分化期高溫所引起的水稻生理變化是影響水稻生長發(fā)育的重要因素,其中光合特性、內源激素、抗氧化性的變化是其中最主要的幾個原因。

2.1 對光合特性的影響

光合作用是植物進行生長發(fā)育和生理代謝的最重要環(huán)節(jié),是水稻進行正常干物質同化和積累的基礎[41-43]。Tang等[44]研究發(fā)現,穗分化期高溫脅迫下水稻氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)以及光系統(tǒng)Ⅱ實際光化學效率(ΦPSII)顯著下降。Gs、Tr以及ΦPSII是衡量水稻光合效率的幾個重要指標。一般情況下水稻冠層溫度與Gs和Tr關系密切,較低的冠層溫度是保證穎花育性的基礎,耐熱性品種通常具有較高的Gs、Tr水平以保證對于高溫的耐受性[44-45]。ΦPSII是關系水稻凈光合速率(Pn)的重要指標,有研究發(fā)現穗分化期高溫脅迫下,水稻葉片的Pn、SPAD、葉綠素含量、光系統(tǒng)Ⅱ最大光化學效率(Fv/Fm)、ΦPSⅡ、光化學猝滅系數(qP),以及非光化學猝滅系數(NPQ)均呈現不同程度的降低[46-47]。以上指標的變化顯示出穗分化期高溫脅迫下,水稻葉片的光合能力受到損傷,同化物合成以及固定能力減弱。唐匯春等[48]的研究顯示,孕穗期高溫脅迫下水稻Pn顯著下降,Pn顯著下降的同時伴隨著水稻干物量積累以及轉運量的減少,而干物質量積累與轉運不足則直接導致了水稻產量的下降。又因為糖消耗的減少是導致水稻幼穗形成與發(fā)育的主要原因[37],所以據此可以推斷出光合能力的減弱對于水稻穗分化期干物質積累以及幼穗發(fā)育有著較大關聯。但是在本文前期的相關描述中,對于穗分化期高溫對水稻光合的減弱程度以及干物質量積累還是轉運二者誰是影響此時期水稻生長的最主要因素,目前研究仍存在著爭議。Li等[49]研究發(fā)現,適度的高溫條件下,水稻生長受到抑制的主要原因是呼吸作用加強而并不是光合能力減弱所導致的。結合前人的研究結果來看,供試品種本身對于高溫的耐受性以及怎樣的溫度設置的確有可能是現今光合作用在穗分化期高溫下作用機理存在差異的一個重要原因。

2.2 對內源激素的影響

內源激素含量變化是穗分化期高溫影響水稻生長發(fā)育的又一個重要原因,IAA、CTK、GA、油菜素甾醇類化合物(BR)、ABA作為植物體內最主要的幾類激素在此階段表現出了不同的時空變化特征。IAA在花粉的發(fā)育過程中充當著重要作用,Tang等[50]研究發(fā)現,高溫下IAA含量下降,水稻花粉育性降低,因此IAA含量的變化是導致水稻發(fā)育不良的主要原因。Cecchetti等[51]的研究結果顯示,植物花藥的發(fā)育后期中層IAA含量增加,若此時缺少對于IAA的感知能力,則會導致附近組織中的IAA含量積累加劇,最終引起花藥發(fā)育不良、花粉失活。因此,IAA影響水稻花粉育性不僅在于含量變化,也在于空間上的變化。CTK是水稻幼穗發(fā)育過程中的關鍵激素,穗分化期高溫會通過降低水稻幼穗中的CTK含量、抑制異戊烯基轉移酶和細胞色素P450單氧化酶等CTK合成酶的活性、增強細胞分裂素氧化酶/脫氫酶的活性的方式降低幼穗中的CTK含量及其利用效率進而造成水稻幼穗發(fā)育不良[52-53]。GA和BR同樣是兩種參與水稻幼穗和花粉發(fā)育的重要激素,高溫會降低這兩種激素的含量從而導致幼穗與花粉的發(fā)育進程減緩[54-55]。穗分化期高溫顯著降低了內源BR含量,進而導致水稻幼穗中蔗糖轉運基因OsSUT1、OsSUT2和OsSUT4的表達量下降,參與蔗糖水解、糖酵解和三羧酸循環(huán)的關鍵酶活性降低,最終導致幼穗發(fā)育中的糖分供給不足,發(fā)育不良[56]。事實上,IAA、CTK、GA以及BR通常在水稻穗分化過程中發(fā)揮著協(xié)同效應,但ABA卻與以上激素之間呈現出拮抗作用。例如曹云英等[57]研究發(fā)現,水稻減數分裂期高溫脅迫下,水稻幼穗中IAA、CTK等激素含量下降,ABA含量卻呈現上升趨勢。ABA作為一種逆境激素,在植物的應激反應中充當著重要角色,少量ABA對于植物抵御逆境有著積極作用,但大量ABA的積聚則會造成植物抗逆性減弱[58-59]。在水稻穗發(fā)育的過程中,高溫誘導ABA在花藥中大量積聚,造成ROS含量在花藥中急速增加,影響絨氈層PCD過程,并最終致使花藥結構被破壞,花粉發(fā)育不良[60]。各種激素在水稻穗分化期的生長過程中均充當著重要角色,并且在高溫環(huán)境下,通常存在著幾類激素間的協(xié)同或拮抗作用。

2.3 對氧化與抗氧化性的影響

3 穗分化期高溫的緩解措施

選用合理的緩解措施是水稻抵御高溫危害、維持產量的最有效方法?，F主要有調整栽培模式、噴施外源物質、選育耐熱品種等措施可供選擇。

3.1 調整栽培模式

調整合理的栽培模式是抵御水稻穗分化期高溫脅迫的有效措施之一。穗分化期高溫會通過影響水稻的冠層溫度進而導致穎花育性降低。在實際的生產過程中,可以通過調整灌溉模式來降低土壤和水稻的冠層溫度,保證水稻穎花育性[68]。同時合理施肥也是水稻穗分化期抵御高溫的有效措施。Yang等[69]研究發(fā)現穗分化后期高溫脅迫下,與低施氮相比,高氮肥處理顯著提高了水稻的光合作用能力以及改善了水稻的生理內環(huán)境。因此,在實際的生產過程中,在大田栽培的模式下可以通過適當調整水肥管理和栽培模式的方法緩解穗分化期高溫造成的水稻減產問題。

3.2 噴施外源物質

合理噴施外源物質是增強水稻抗逆性,提高水稻產量的重要措施。合理噴施外源物質對于水稻在穗分化期高溫下的葉片光合作用、蔗糖轉運與利用效率、抗氧化能力均有不同程度的提高[70-71]。例如穗分化期高溫脅迫下外源噴施IAA可顯著降低水稻體內的H2O2以及MDA含量、提高葉片葉綠素和脯氨酸含量進而提高水稻葉片的光合和抗氧化能力,降低水稻細胞在高溫逆境下的膜脂過氧化程度[72]。陳燕華等[13]研究發(fā)現,穗分化期高溫脅迫下BR有利于提高蔗糖的轉運與利用效率以及水稻的抗氧化能力。同時,外源噴施水楊酸和褪黑素對于水稻緩解高溫熱害也具有顯著的效果,可提高水稻的耐熱性[73-74]。油菜素內酯可誘導植物激素相關合成基因的表達,增加內源BR、CTK、GA和ABA的含量,從而促進幼穗中蔗糖的分解和利用,增強超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶的活性,減少幼穗中H2O2和MDA的積累,可提高幼穗對蔗糖的利用[14]。水稻減數分裂期高溫下,外源噴施ABA可顯著提高水稻幼穗中可溶性糖、淀粉和NSC含量,增加熱激蛋白(HSP24.1、HSP71.1)的相對表達,上調糖代謝和運輸相關基因SUT、蔗糖合成酶(SUS)基因和INV基因的表達以及水稻幼穗的增強抗氧化能力[75]。因此,在實際的生產過程中可以通過合理選用外源噴施物質的方式緩解水稻穗分化期高溫對水稻生長發(fā)育的損傷。

3.3 培育和選用耐熱品種

耐熱品種的選育是目前作物遺傳育種專業(yè)研究的熱點與難點?，F代生物技術的發(fā)展為耐熱水稻品種的選育提供了新思路。水稻穗分化期高溫對水稻花藥絨氈層結構影響較大,而在水稻絨氈層發(fā)育的過程中,MADS、bHLH和PHD-finger是幾種控制絨氈層發(fā)育的重要的轉錄因子[76]。同時,bZIP、MYB/MYC、WRKY、AP2/EREBP和NAC等轉錄因子在水稻抗逆反應中也發(fā)揮著重要作用[77]。此外,在現今的生產過程中選用耐熱性較強的水稻品種也是抵御穗分化高溫的有效辦法。例如,宋有金等[6]研究發(fā)現,汕優(yōu)63在穗分化期、花期、灌漿期都表現出了較強的耐熱性,而N22和兩優(yōu)培九均表現出了對于穗分化期高溫的敏感性。因此,在實際生產中,種植戶可以選用例如汕優(yōu)63這樣具有強耐熱性的水稻品種,以此提高水稻產量。

4 總結與展望

穗分化期是決定水稻穎花數和結實率的關鍵時期。因此,夏季高溫天氣的頻發(fā)與水稻最終的產量有著密切的關系。穗分化期高溫對水稻生長發(fā)育的影響是復雜而多面的,首先對水稻的形態(tài)特征有所改變,使得水稻株高下降,葉鞘長度增加,柱頭花粉數量降低,花藥結構異常,籽粒外形改變等。其次,水稻的生理指標也有所變化,水稻氣孔導度和蒸騰速率顯著下降,高溫脅迫下造成水稻葉片的葉綠素含量、凈光合速率等指標不同程度下降,可溶性糖含量下降,細胞內源激素IAA、CTK、GA 等下降,ABA大量積累,活性氧含量增加,抗氧化酶活性降低等。通過對其代謝調控生理的研究表明,高溫可影響水稻蔗糖轉運蛋白基因OsSUT1、OsSUT2、OsSUT4等的表達,熱激蛋白、蔗糖合成酶基因、糖代謝以及運轉基因表達異常,而且高溫導致幼穗內內源激素代謝紊亂,幼穗細胞分裂素含量顯著下降,花粉內生長素含量減少,導致碳水化合物運轉利用低下。最后,水稻的每穗粒數下降,結實率下降,千粒重下降,堊白度增加,影響稻米產量和品質。就目前的研究來看,學者普遍認為穗分化期高溫導致水稻產量下降主要是由于碳水化合物供給和分配不平衡等原因導致的。針對這一現象,從不同角度解釋了穗分化期高溫導致水稻產量下降的原因并提出了相應的緩解措施(圖1)。

圖1 穗分化期高溫對水稻生長發(fā)育的影響及其緩解措施Fig.1 Effects of high temperature on rice growth and development during panicle differentiation stage and its mitigation measures

目前,穗分化期高溫導致長江中下游稻區(qū)水稻幼穗發(fā)育不良,穎花育性降低,造成水稻大幅度減產的問題依然存在。結合國內外對穗分化期高溫對水稻生長發(fā)育以及生理特性的研究,筆者認為噴施外源調節(jié)物質能夠快速且有效的緩解高溫對水稻產生的傷害,但外源調節(jié)劑的調控效率外源生長調節(jié)劑種類、噴施濃度和噴施時間的影響較大,此方法適用于試驗操作,但不適于在實際農田中進行。通過調節(jié)氮素穗肥是目前最為合理的舉措之一,不僅可以有效提升穎花育性和花藥蔗糖濃度,而且促進氮素向籽粒分配,進而提高產量。另外,轉錄組學以及代謝組學等新興技術的崛起也為相關機理的研究提供了新思路,選育選用耐高溫的水稻品種以抵御穗分化期高溫,深入研究水稻中的抗逆轉錄因子也是研究前沿。