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不同硅浓度对粳稻形态和光合生理机制的影响

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不同硅浓度对粳稻形态和光合生理机制的影响

安徽农业科学,JournalofAnhuiAgri.Sci.2012,40311510015102,15110责任编辑刘月娟责任校对卢瑶不同硅浓度对粳稻形态和光合生理机制的影响陈亮,丁枫,蔡丽萍,周彬,石妍,占怡玉,范智权,王淑琼,饶梦1.湖北师范学院生命科学学院,湖北黄石4350022.湖北省广播电视大学阳新分校,湖北阳新435200摘要目的为了探究不同硅浓度对粳稻形态和光合生理机制的影响。方法用不同硅浓度O、30、80、130、180mg/L硅酸钠溶液处理粳稻幼苗。采用钼蓝比色法测定不同硅浓度处理组水稻根、茎、叶的硅含量,使用测量工具测量不同硅浓度处理组水稻株高、根长、根系数目,采用丙酮提取法测定不同硅浓度处理组水稻叶、茎的叶绿素a,b的含量以及叶绿素a/b值。结果粳稻营养器官中硅含量从高到低依次是茎叶根当硅浓度为80mg/L时,粳稻株高最矮3硅浓度为30mg/L时,粳稻根长最短,根系数最少当硅浓度为30ms/L时,叶绿素a,b的含量均最高,且叶绿素a/b值在硅浓度为80mg/L时达到最大值。结论适当的硅浓度可提高粳稻的抗倒伏性以及粳稻的光合作用效率,进而提高粳稻产量。关键词粳稻硅浓度形态特征光合作用效率中图分类号511.22文献标识码A文章编号051766112012311510003EffectsofSiliconinDifferentConcentrationsonMorphologyandPhotosyntheticPhysiologicalMechanismofJaponicaRiceCHENLian譬etalCollegeofLifeSciences,HubeiNormalUniversity,Huangshi,Hubei435002AbstractlObjective1TI1eaimwastoexploretheeffectsofsiliconindifferentconcentrationsonmorphologyandphotosyntheticphysiologicalmechanismofjaponiearice.1Method1Seedlingsofjaponicariceweretreatedwithsiliconindifferentconcentrations0,3O,8O.130and180m【g/L.Siliconcontentsweremeasuredwithmolybdenumbluespectrophotometricmethodinroot.stemandlear.P1antheight.1engthandnumberofrootsystemindifierenttreatmentgroupsweremeasuredwithtools.Chlorophyllaandb.anda/binlearandstemofriceindifierentgroupsweremeasured.1ResultISiliconcontentsinvegetativeorganswereasfollowsstemlearroot.Whensiliconconcentrationwasat80mg/L,plantheightofjaponicaricewastheshortest.Whensiliconconcentrationwas30m【g/L,rootlengthofthericewastheshortestandrootnumberwastl1eleast.Whensiliconconcentrationwas30mg/L.thecontentsofchlorophyllaandbwerethehighestandehlorophy11a/ba.chievedthepeakwhensiliconconcentrationwasat80mg/L.1ConclusionISiliconatproperconcentrationwouldimprovelodgingresistanceandtheefficiencyofphotosynthesis。andenhancetheyieldofjaponicarice.KeywordsJaponicariceSiliconconcentrationMorphologicalcharacteristicsEfficiencyofphotosynthesis粳稻,植物界禾本科,是水稻的一种,为野生稻的变异型。其茎秆较矮,叶较窄,深绿色,较适宜生长在气候暖和的温带、热带高地,在我国主要分布于南部热带、亚热带的高地、华东太湖流域以及华北、西北、东北等温度较低的地区。在我国粳稻生产中,东北三省和江苏具有举足轻重的地位。硅是土壤中含量仅次于氧的元素,也是地球上大多数植物生活的重要矿质元素。植物含硅量最低为0.1%,与大量元素P、S和ca、Mg相当它的最高含量达到或超过10%,高于植物中最丰富的K和N。因此,硅是植物的一个重要的矿质成分。它在促进植物生长发育和营养吸收、提高植物对非生物逆境胁迫和生物逆境胁迫的抗性等方面都具有重要作用J。硅在水稻高产、稳产、抗病、抗虫、抗倒伏等方面也都具有有利作用,同时对Al和重金属元素的毒害有撷抗作用,能促进叶片对光最大限度地吸收,提高植物水分利用效率,影响植物纤维质量,影响植物对矿质元素的吸收和运输。另外,硅对水稻的形态结构产生影响。充足的硅可以减小水稻植株茎叶间张角,改善个体及群体的光照条件,有利于光合作用的进行。水稻吸收一定量的硅之后,植株较健壮表皮细胞上形成角质双硅层。这种双硅层可以减少叶面水分消耗,使茎秆强健,耐倒伏,并能加强植物对真菌和害虫的抵抗能力。供硅充足的水稻植株叶片增厚,维管束加粗,穗轴直径增大,叶细胞内线粒体较多且其中片层结构、基金项目作者简介收稿日期湖北省教育厅优秀中青年人才项目Q20102501。陈亮1971一,男,湖北麻城人,讲师,博士,从事植物生理学方面的研究,Emailchliang666yahoo.eom.cn。201207.31基粒增多,表现出旺盛的生长态势。目前,有关硅的研究主要集中在硅对植物抗病和抗金属毒害等研究上,而硅在植物营养器官的积累及其对生理特征影响的研究较少。因此,在实验室条件下,笔者用不同浓度的硅处理粳稻,研究其营养器官中硅含量的差异,进一步研究硅含量与植物形态特征、光合色素之间的关系,以期发现最适的硅浓度,使得粳稻的生长状态、光合产率达到最大值,用于指导粳稻的农业生产,提高单位面积粳稻的生产量。1材料与方法1.1试验材料供试粳稻品种为宁粳43号,市场购买。1.2试验方法水稻种子用浓度0.18%高锰酸钾溶液浸泡5min后,用水冲洗至无色。放在蒸馏水中浸泡8h,让水稻种子充分吸收水分。将消毒好的水稻种子均匀摆放在垫有湿润滤纸的培养皿中,在25的培养箱中进行发芽处理。用棉绳将竹签绑成一个带有方形小格的骨架,放在培养水稻的解剖盘中,然后把浓度3%琼脂倒入解剖盘内,包埋骨架。琼脂凝固后,取出琼脂块即培养床。将已经露出白芽的水稻种子整齐地摆放在培养床上,每粒种子相隔1am,然后将培养床悬浮在装有营养液的解剖盘内,放入30℃培养箱中培养。在培养过程中,每天补充2次蒸馏水防止水分蒸发而导致溶液浓度增大,并且每隔3d更换一次营养液。15d后水稻幼苗出现缺硅症状叶尖坏死,叶片萎蔫、下垂,对水稻进行不同硅浓度的处理。向各组水稻分别加入0、30、80、130、180mg/L硅酸钠营养液。定期加水,并每隔3d更换一次不同浓度的硅酸钠营养液。在此条件下,对水稻幼苗进行为期14d的处理后,分别测定水稻的株高、根长、根40卷31期陈亮等不同硅浓度对粳稻形态和光合生理机制的影响15101系数目、叶绿素含量以及硅含量。1.3指标测定与方法1.3.1株高、根长、根系数目的测定。分别随机选取每个硅浓度下完整的水稻植株,用直尺测量出水稻的株高、根长,并且数出水稻的根系数目。1.3.2硅含量的测定。将水稻分为根、茎、叶3个部分,放在烘箱中烘干,再用剪刀剪碎,磨成粉状。置于烘箱中90℃烘6h后,称取100mg样品于100ml耐高压塑料管中,加入3rIll浓度50%NaOH溶液,盖上盖子,振荡器上摇匀,于高压灭菌锅中121oC下灭菌20min后,用漏斗转移至5Ornl容量瓶中,蒸馏水定容。吸取1ml样品至5OmJ容量瓶中,加入2OInl浓度20%冰醋酸,接着加入10ml钼酸铵溶液54g/L,pH7.0,摇匀5min后,快速加入5m1浓度20%酒石酸,接着快速加入1rnl还原试剂,最后用浓度20%冰醋酸定容至50rnl。30min以后,于650nm处比色,读取OD值。按AID法测定样品硅含量。1.3.3叶绿素含量的测定。取新鲜的水稻叶片,剪成碎块,称取0.5g放入研钵中,加纯丙酮5rnl、少许碳酸钙和石英砂,研磨成匀浆,再加入浓度80%丙酮5ml,将匀液转入离心管,并用适量浓度80%丙酮洗涤研钵,一并转入离心管,离心沉淀后弃沉淀,取上清液,用浓度80%丙酮定容至20rnl。取上述色素提取液1ml,加浓度80%丙酮4m1稀释后转入比色皿中,以浓度80%丙酮为对照,分别测定663、645nm处的光密度值。根据Lamberbeer定律C12.70D6632.69OD645,C622.90D6454.68OD,,分别计算出色素提取液中叶绿素a、叶绿素b的浓度及叶绿素a/b值。根据稀释倍数,计算出每克鲜重叶片色素的含量。2结果与分析2.1不同硅浓度对水稻根、茎、叶硅含量的影响从图1可以看出,硅含量的大小依次为茎、叶、根。当硅浓度为0~80mg/L时,水稻叶片的硅含量依次增加,而超过80mg/L时,水稻叶片的硅含量略有降低,但基本保持不变而茎的硅含量在硅浓度为80mg/L时最高,同样超过8Omg/L时茎的硅含量略有降低,并基本保持不变根的硅含量是最低的,并且同样是在硅浓度为80mg/L时含量最高。5O403o絮201O0浓度Ⅳmg/L图1不同硅浓度对粳稻根茎叶硅含量的影响2.2不同硅浓度对水稻形态特征的影响从图2可以看出,当硅浓度为80mg/L时株高最矮,而根长和根系数在硅浓度为30mg/L时处于最低值。因此,硅对植物形态特征的影响都有一个最适的浓度,并且这一阈值因水稻营养器官不同而有变化。35308g25磊。媾娶151O012108蓬420浓度孵/L图2不同硅浓度对粳稻株高、根长、根系数的影响经方差分析,不同浓度的硅对粳稻株高在0.01水平影响显著。在培养液硅浓度为80mg/L时,水稻幼苗植株最矮小。所以,外界的硅对植物的影响最终是通过转运到体内产生作用。对水稻株高与根、茎、叶的硅含量做相关分析。从图3可以看出,水稻株高与茎、根硅含量是相关的,而由于水稻幼苗叶片硅含量的积累不足,其相关性低于0.5。研究还表明,水稻株高与幼苗硅含量呈负相关,即水稻幼苗的硅含量越高,水稻植株越矮小。2.3不同硅浓度对水稻光合生理特征的影响叶片叶绿素a.b含量及a/b值是植物重要的光合生理特征。从图4可以看出,叶绿素a/b值的范围在2.1~2.3,与理论值相符叶绿素a/b值在硅浓度为80mg/L时最大。叶绿素含量在硅浓度为30、130mg/L时出现2个峰值,而在硅浓度为80mg/L时降低。这可能是因为在硅浓度为80mg/L时,水稻叶片的硅含量最高,影响水稻叶绿素axb的合成。由于叶绿素axb含量与植物的光合作用相关,并且在一定范围内叶绿素a/b值越大,植物光合作用越强。虽然水稻在硅浓度为80mg/L时,叶绿素a.b含量较低,但是可通过提高叶绿素a/b值以提高自身的光合作用。因此,3O~130me/L硅浓度有利于水稻进行光合作用。水稻不同器官的硅含量对粳稻叶绿素a/b值有不同的影响。从图5可以看出,根、茎的硅含量与叶绿素a/b没有相关性,而叶硅含量与叶绿素a/b值显著相关R0.5780.5。这说明根、茎硅含量对叶绿素光合作用的影响不显著,而叶片硅含量对叶绿素光合作用的影响显著。因此,通过提高水稻叶片内的硅含量可以提高水稻叶绿素a/b值,从而提高水稻的光合作用效率。当叶绿素含量在80mg/L时,叶绿素a.b的含量较低。这可能是由于叶片硅含量较高,抑制了叶绿素a、b的合成,导致叶片硅含量与叶绿素a、b的相关性并不显著。3讨论当pH9时,植物根系从土壤溶液中吸收不带电荷的水溶性单硅酸。单硅酸通过蒸腾流以液态硅酸的形式转运到15102安徽农业科学2012生吕≈幄媾2O}1.0粕攀n5O茎硅舍量Ⅳ毗根磕舍量Ⅳ鸸,gI图3粳稻叶、茎、根的硅含量与株高的相关性03080130180浓度日崛/L图4不同硅浓度对粳稻叶绿素a,b含量及a/b值的影响篓t叶硅舍量Ⅱ琨/g攀攀植株地上部分,然后单硅酸脱水聚合为无定形二氧化硅SiOnH0,并沉积在植物组织内。营养液中的硅主要通过水稻的根部吸收并运输到水稻的地上部分,根部只起到一个吸收和运输的作用,并非储藏硅的器官。因此,在整个水稻幼苗中,根部硅含量最低。杨秉耀等发现,水稻抗性品种的剑叶表皮硅化细胞数量多J。水稻的硅主要集中在表皮。而该研究中,硅含量最多的是茎部分。这可能是由于水稻幼苗叶片对硅的积累量不多,没有形成过多的硅化细胞,而硅的运输途径又是从茎到叶片中。对水稻、黄瓜和番茄这3种地上部分硅含量相差大的植物的硅吸收机制研究表明,硅径向运输中高密度的转运蛋白SIT1,包括Lsi1和茎硅含量Ⅳ嘴/g攀图5粳稻叶、茎、根的硅含量与叶绿素a/b的相关性Lsi2含量和木质部卸载中转运蛋白SIT2,包括Lsi6的存在在80mg/L硅培养液环境下,水稻叶绿素a/b值最大,是水稻硅含量高的重要因素。由于水稻的运输需要转运并且在30130mg/L硅培养液环境下,叶绿素a.b含量都较蛋白,而运转蛋白存在一个阈值,当营养液中的硅含量超过高。研究表明,叶绿素含量及消长与光合作用强度密切相一定数值时,水稻的硅含量不随营养液硅含量的增加而增关,即净光合速率随单位质量叶绿素含量的增加而增大。加。因此,80mg/L可能是转运蛋白的一个阈值,在硅含量超叶绿素存在于光合作用重要器官叶绿体中,其含量影响过8Omg/L时根、茎、叶的硅含量出现减少,但含量基本保持着对光能的吸收和转换,而光合作用中光能转化是在一定的一致。水稻幼苗的硅含量越高,水稻植株越矮。由培养液的硅含量与水稻植株根、茎、叶的关系可知,当水稻的幼苗生长在80mg/L硅溶液中时,水稻植株的硅含量最高,水稻植株最矮小而硅能在植物叶片、茎秆、根系的表皮组织内沉积,形成硅化细胞和角质一硅双层结构,使组织硅质化,水稻的韧性增加。通过增加水稻植株的硅含量,既可以使水稻植株矮小,又可以通过形成硅化细胞和角质一硅双层结构,提高水稻的韧性。因此,水稻生长在80mg/L硅培养液环境下,水稻的抗倒伏性得到有效提高。膜结构及一定的分子排列中进行的。光合膜上嵌载有整个捕获太阳光能并转化成化学能所必需的色蛋白和酶,合膜系发达,特别是基质类囊体膜的垛叠,意味着捕获光能的机构高度密集,光能转化效率高u引。通过提高水稻叶绿素a/b值及叶绿素a、b的含量,可以提高水稻的光合作用。因此,水稻叶片硅含量能提高植株光合作用效率,并且在80mg/L硅培养液环境下水稻的光合作用效率最高。一当水稻的幼苗生长在80mg/L时,水稻植株的硅含量最高,水稻植株硅的积累量最高。研究表明,硅能提高植物对下转第15110页5O5O5O5Z2LLn015110安徽农业科学分供试品种叶片干重增加,或在某一遮荫率下干重达到最大值,随着遮荫度的继续增加叶片干重开始降低,而疏头过路黄除了在75%遮荫度处理外,其他处理间叶片干重均不存在显著差异。对照红花酢酱草在全日照及各遮荫处理下叶片干重均不存在显著差异。该结果说明大部分供试品种具有一定耐荫性,在轻度荫蔽环境下可充分利用光能进行物质积累。红纹过路黄、白花堇菜和蔓茎堇菜在全日照及低遮荫率处理下具有较高的含水量,在高遮荫率处理下显著降低,红花酢酱草则表现出波动的变化趋势。此外,大部分野生观赏地被随着遮荫程度的增加,其叶片含水量升高。可能的原因是随着遮荫度的增加,植物叶片蒸腾减小,致使叶片含水量升高。2.3不同光强处理下植物物候期的比较从表4可以看出,同一品种地被植物在不同的遮荫处理下物候期表现不同。同一品种地被植物遮荫处理的萌芽期早于未加遮荫处理的遮荫处理的落叶期则晚于未遮荫处理的遮荫处理的现蕾期和开花期则晚于未遮荫处理的。可见,在遮荫条件下,供试地被植物的生长期延长。这与光照对植物的影响有重大关系。3结论与讨论植物在不同光照强度下表现出不同的生长状况。不同遮荫处理下地被植物的覆盖面积与形态特征能很好地反映地被植物的耐荫性J。研究表明,l0种供试植物均表现出较卜一卜n卜卜卜强的耐荫性,但不同植物在不同指标上的表现呈现多样性。综合各指标因子,活血丹、红纹过路黄表现出最强的耐荫性,而梓木草、三叶萎陵菜在供试植物中耐荫性相对较弱。在实际应用中,可根据不同的环境条件与需求选择不同的地被植物。在城市绿化美化中,多样化的物种选择在景观和生态等方面均发挥重要的作用。参考文献1GOULETF,BELLEFLUOURP.LeafmorphologyplasticityinresponsetoligI1tenvironmentindeciduoustreespeciesmiditsimplicationonforestsuccessionJ.CanJforRes,1986,16411921195.2UBASE,CARPENIRSB.Effectofshadeonthegrowth,leafmorpholopyandphotosyntheticcapacityofanAmericansycamoreJ.Castanea,1980.45191227.3刘东焕,赵世伟,宋金艳.北京10种乡J.园林植物,2O09128892.及应用4陈丽飞,王克凤,金鹏,等.不同遮荫处理对大花萱草形态及生物量的影响J.安徽农业科学,2011,39291780817810.5李兰芳,包维楷.植物叶片形态结构对环境变化的影响与适应J.植物学通报,2OO5,22s1118127.6王陆军,洗后海,蔡新玲,等.熊掌木等3种植物耐荫『生的比较研究J.安徽林业科技,2011,3721619.7吴永华,许宏刚,廖伟彪,等.1O种地被植物的耐荫性比较研究J.甘肃林业科技,2010,3534758.8张林青,周青,肖程岭.园林植物耐荫}生研究进展J.安徽农业科学,2O06,341948514853.9杨渺,毛凯,马金星l遮荫生境下假俭草的形态变化与能量分配研究J.中国草地,2004,2624448.【10曾小平,赵平,蔡锡安,等.25种南亚热带植物耐荫性的初步研究J.北京林业大学学报,2OO6,2848895.上接第15102页金属离子毒害的抗性,缓解盐胁迫,增强水稻抗倒性、抗旱性、抗高低温和抗紫外线辐射等。在生物胁迫方面,硅可增强植物的抗病性和抗虫性等,。因此,水稻生长在8Omg/L硅培养液环境下可有效地提高水稻的抗病性和抗虫性。参考文献1OKUDAA,TAKAHASHIE.TheroleofsiliconM//ProceedingsofSymposiumonMineralNutritionofRicePlant.ManilaIRRI,1964123146.12lMAJF,TAKAHASHIE.Soil,fertilizer,andplantsiliconresearchinJapanM.Amsterdam,nleNetherlandsElsevierScience,20O2.3IDRISM,HOSSAINMM,CHOUDHURYFA.TheeffectofsilicononlodgingofriceinpresenceofaddednitrogenJ.PlantSoil,1975,43691一∞5.141uEW.KWONYW,SOHCH.LodgingliabilityandresponsetoPaclobutrazolapplicationofhiSheatingqualityjaponiearicevarietiesJ.KoreanJCropSci,1987,32224233.f51BALASTAMLFC,PERECM.EffectsofsilicalevelonsomepropertiesofOryzasativaL.strawandhulllJ1.CanJBot,1989,6723562363.6高丹,陈基宁,蔡昆争,等.硅在植物体内的分布和吸收及其在病害逆境肋迫中的}亢乍用J.生态学报,2010,301027452755.7杨秉耀,陈新芳,刘向东,等.水稻不同品种叶表面硅质细胞的扫描电镜观察J.电子显微学报,2006,252146150.8戴伟明,张勤,段彬武,等.测定水稻硅含量的一种简易方法J.中国水稻科学,2OO5,195460462.9张志良,瞿伟菁.植物生理学实验指导M.北京高等教育出版社,20086770.【1O叶济宁.关于叶绿素含量测定中的Arnon计算公式J.植物生理学通讯,1985669.11TAKAHASHIE,HINOK.SilicauptakebyplantwithspecialreferencetotheformsofdissolvedsilicaJ.JournaloftheScienceofSoilandManure,1978,49357360.12水茂兴,陈德富,秦遂初,等.水稻新嫩组织的硅质化及其与稻瘟病抗性的关系J.植物营养与肥料学报,1999,54352358.13MITANIN,MAJF.UptakesystemofsiliconindifferentplantspeciesIJj.JournalofExperimentalBotany,2OO5,5641412551261.14刘贞琦,刘振亚,马达鸦,等.水稻叶绿素含量及其光合速率关系的研究J.作物学报,1984,1015761.15左宝玉,李世仪,匡廷云,等.玉米不同层次叶片叶绿体的超微结构和叶绿素含量变化J.作物学报,l9873213217,267268.16ADERSONJM,GOODCHILDDT,BORDMANNK.CompositionofthephotosystemsandcomplaststmctureinextremeshadeplantsJ.BioclaimBiophysActa,1973,325573585.17张国良,戴其根,张洪程.施硅增强水稻对纹枯病的抗性J.植物生理与分子生物学学报,2O06,325600606.18文晓慧,蔡昆争,葛少彬,等.硅对镉和锌复合胁迫下水稻幼苗生长及重金属吸收的影响J.华北农学报,20115153158.19张岩,宋玉霞,陈虞超,等.硅元素对水稻生长的影响概述J.宁夏农林科技,2010,5168588.

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