（作物遗传育种专业论文）水稻耐高温遗传基础研究及基因表达谱分析.pdf

华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 匆 如需保密，解密时间年月日 是否保密 独创性声明 娩黼 帆汐7 日 = 嚣慧篡缘 獬嗍垆机。日摊嗍。严嘲 、 ，0 j 华中农业大学硕士研究生学位论文 目录 中文摘要。i a b s t r a c t i 缩写词v 前言1 日u舌l 1 文献综述1 1 1 高温对水稻各个生长发育期的影响1 1 1 1 高温对水稻幼穗分化期的影响2 1 1 2 高温对水稻抽穗开花期的影响2 1 1 3 高温对水稻灌浆成熟期的影响2 1 2 高温对水稻产量和稻米品质的影响3 1 2 1 高温对水稻产量的影响3 1 2 2 高温对稻米品质的影响4 1 3 植物对高温胁迫的响应5 1 3 1 光合系统5 1 3 2 生物膜系统6 1 3 3 抗氧化系统6 1 3 4 渗透调节系统6 1 3 5 热激蛋白7 1 3 6 植物激素7 1 4 水稻耐高温性鉴定和评价方法8 1 4 1 耐高温性鉴定方法8 1 4 2 耐高温性评价方法8 1 5 植物耐高温数量遗传学研究9 1 5 1 遗传标记的种类9 1 5 2 作图群体的种类9 1 5 3q t l 定位方法10 1 5 4 作物耐高温数量遗传研究11 1 6 生物芯片技术及其在植物抗逆中的应用1 l 1 6 1 生物芯片技术。l l 1 6 2 基因芯片技术在研究植物抗逆中的应用1 2 1 7 研究目的与意义1 3 2 供试与方法。1 5 2 1 供试材料15 2 2 抽穗开花期耐热性鉴定l5 2 3 大田试验材料的种植与管理1 6 2 4 抽穗开花期耐热性鉴定1 6 2 4 1 耐高温性鉴定的性状考察及数据处理1 6 2 4 2 大田试验材料性状考察及数据处理1 7 2 5 花粉在柱头上附着观察17 2 6 亲本多态性检测、群体基因型分析和遗传图谱的构建1 7 2 6 1d n a 的提取17 华中农业大学硕十研究生学位论文 2 6 2s s r 分析18 2 6 2 1p c r 反应体系1 8 2 6 2 2p c r 反应条件18 2 6 2 3 电泳18 2 6 2 4 染色和显影18 2 6 2 5 读带l8 2 6 3 遗传连锁图谱的构建18 2 7 水稻抽穗开花期耐热性q t l 分析。1 9 2 8 数据统计分析1 9 2 9 杂种优势分析1 9 2 9 1 超亲优势1 9 2 9 2 竞争优势19 2 1 0 芯片制备和表型值测定1 9 2 1 0 1 芯片样品的制备以及全基因组分析1 9 2 1 0 2 不同逆境下表型值的测定2 0 2 1 0 2 1 花粉育性观察2 0 2 10 2 2 光合速率测定2 0 2 1 0 2 3 相对含水量测定2 l 2 1 0 2 4 相对结实率测定2 1 3 结果与分析2 2 3 1 两群体及亲本在不同环境下结实率的比较2 2 3 1 1 亲本在高温条件下的结实率表现。2 2 3 1 2 群体在高温条件下的结实率比较2 3 3 1 3 群体在不同环境条件下的结实率比较。2 4 3 1 4 不同环境条件下群体结实率方差分析2 6 3 1 5 不同环境条件下结实率相关分析2 6 3 1 6 群体杂种优势分析2 7 3 2 水稻抽穗开花期耐热性q t l 检测3 0 3 3 水稻耐高温性近等基因系的建立3 1 3 3 1 各世代耐高温性鉴定3 1 3 3 2b c 2 f 2 遗传分析3 2 3 4 抽穗开花期基因表达差异分析3 2 3 4 1 不同逆境条件生理特征表现3 2 3 4 2 不同逆境条件下基因表达模式。3 4 3 4 3 差异表达基因功能分类3 8 4 讨论3 9 4 1 高温对水稻结实率的影响3 9 4 2 作图群体对q t l 定位的影响3 9 4 3 水稻耐高温研究存在的问题和对策4 0 4 4 水稻耐热性q t l 的真实性与利用一4 0 4 5 芯片技术与植物对逆境的多抗性4 1 文献综述4 2 致谢5 0 华中农业大学硕士研究生学位论文 中文摘要 随着“温室效应”不断加剧，全球气候极速变暖，全球许多国家和地区都在一定 的程度上遭受高温危害，高温已经成为限制水稻生产的主要环境因子之一。高温不仅 会导致水稻大量减产和稻米品质的降低，而且会使水稻整个种植制度发生改变。相对 于其他的逆境因子，水稻耐高温遗传研究起步较晚且遗传机制较为复杂，其易受环境 影响，是导致水稻耐高温遗传基础研究及耐高温育种工作相对缓慢的主要原因，提高 水稻品种的耐高温性以及加强耐高温遗传研究是今后提高水稻耐高温的主要方向之 一。另一方面，随着水稻全基因组测序的完成和基因芯片技术的发展，利用基因芯片 技术通过全基因组对不同逆境条件、不同组织器官进行基因表达谱分析，了解基因在 不同逆境条件下、不同组织中的表达模式，寻找和发现与抗逆相关基因，为水稻耐高 温基因的分子克隆提供有利的理论依据。 本研究主要包括3 个方面的内容：1 ) 以华2 0 1 s 和i i 3 2 a 为母本，分别与重组 自交系( t 2 1 9 t 2 2 6 ) 杂交配组并获得杂合遗传群体。了解杂合遗传群体在不同环境 结实率的表现，并在抽穗开花期对这两个群体进行耐高温鉴定以及耐高温q t l 分析； ，a 2 ) 以2 5 个材料为耐高温性供体亲本，以t 2 1 9 或t 2 2 6 为受体亲本，不断的进行杂。 交和回交，初步构建水稻耐高温近等基因系( n i l ) ，调查和分析各个回交世代结实率 的耐高温表现，并分析b c 2 f 2 世代是否符合孟德尔1 ：2 ：1 规律；3 ) 以t 2 1 9 和t 2 2 6 试验材料，在抽穗开花期对这两个试验材料进行高温、干旱以及高温和干旱逆境胁迫， 分析基因在不同逆境条件的表达模式以及在不同组织中的特异性表达。以上实验主要 研究结果如下： 1 对亲本t 2 1 9 和t 2 2 6 进行抽穗开花期耐高温鉴定，结果表明，两者在耐高温性 上存在明显差异，t 2 2 6 的结实率明显高于t 2 1 9 。但两者的花粉育性并未出现明 显的差异，但t 2 2 6 花粉在柱头上附着量明显多于高温敏感材料t 2 1 9 ，推测在 抽穗开花期，高温对结实率的影响并不受花粉育性的影响，而与花粉在柱头上 的附着量有一定的关系。 2 不同环境条件下，华2 0 1 s r i l ( t 2 1 9 t 2 2 6 ) 群体各株系间差异明显；且在3 种不 同的环境下，该群体的结实率都高于i i 3 2 a r i l ( t 2 1 9 t 2 2 6 ) 群体，说明在不同 的环境条件下华2 0 1 s r i l ( t 2 1 9 t 2 2 6 ) 群体结实率相对稳定。 3 相关性分析表明，群体在两两不同的环境条件下都呈极显著相关，说明环境对 华中农业大学硕士研究生学位论文 群体的结实率有明显的影响；另外群体在高温、盆栽以及田间条件下的结实率 都与父本表现极显著相关。 4 群体的结实率在一定程度上存在杂种优势，其中的正向或负向优势各有表现。 群体在竞争优势方面整体表现为负竞争优势居多，其中只有4 5 个组合表现为正 向竞争优势，占3 2 6 1 ；而群体在超亲优势上表现为正向优势，其中有6 4 个组 合表现为正向超亲优势，占4 6 3 8 。 5 利用人工气候室对两个群体进行抽穗开花期的耐高温处理，以耐高温系数为耐 高温指标，对水稻抽穗开花期耐热性进行了q t l 定位分析，两群体共定位4 个 耐热性q t l ，分别位于第4 、7 、l o 和1 1 染色体，其贡献率分别是5 0 1 、8 9 9 、 7 2 4 和7 3 4 。 6 对具有q h t 2 和q h t 3 两个q t l 为背景所构建的近等基因系b c 2 f 2 代进行遗传 分析，其遗传符合孟德尔遗传规律。 7 通过全基因组进行高温、干旱以及干旱与高温双重条件下，叶片和小穗组织的 表达谱分析。共有3 3 4 、5 9 5 以及1 0 9 个基因诱导上升表达，2 4 7 、5 7 以及1 8 4 个基因诱导下降表达，这些诱导基因的功能基本上是保护性蛋白和调控抗逆基 因表达的转录因子。 达谱 关键词：水稻；杂合遗传群体；耐高温；结实率；数量遗传基因座；基因表 华中农业大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go f “g r e e n h o u s eg a s ”，t h es u r f a c et e m p e r a t u r eo ft h ew o r l db e c o m e 1 1 i 曲e r , m a n yc o u n t r i e sa n dr e g i o n sw e r es u b j e c t e dt oh i g ht e m p e r a t u r es t r e s s ，w h i c hh a v ea s i g n i f i c a n tl i m i tt h ep r o d u c t i o no ff i c e h i 曲t e m p e r a t u r en o to n l yt or e d u c e dt h ey i e l da n d d e t e r i o r a t eq u a l i t yt r a i to fr i c e ，b u ta l s ot oc h a n g et h ep l a n t e ds y s t e mi nr i c e c o m p a r e d w i t ho t h e rs t r e s s e s ，t h es t u d i e so nt h eg e n e t i cb a s i so f h i 【g ht e m p e r a t u r et o l e r a n c ei nd e e w a sl a t e r t h eg e n e t i cm e c h a n i s m so fh i g ht e m p e r a t u r et o l e r a n c ew a sv e r yc o m p l e x ，t h e p r o g r e s so fh i g ht o l e r a n c eb r e e d i n gw a sl i m i t e d i i m p r o v i n gt h eh i g ht e m p e r a t u r et o l e r a n c e o ff i c ev a r i e t ya n de n h a n c i n gt h es t u d i e do nh i 曲t e m p e r a t u r et o l e r a n c ei sp r i m a r ya i mf o r 1 1 i g ht e m p e r a t u r et o l e r a n c ei nr i c e o nt h eo t h e rh a n d ，t h ed e v e l o p m e n to fg e n ec h i p t e c h n o l o g yc a np r o v i d e dm o r es t r a t e g yt ot h eg e n e t i co fh i g ht e m p e r a t u r et o l e r a n c e u n d e r s t a n d i n gt h em o d e lo fe x p r e s s i o ng e n ea n di d e n t i f y i n gt h e s t r e s sg e n e su n d e r d i f f e r e n ts t r e s s e so ro r g a n sb yg e n ec h i p ，i ti su s e f u lf o rg e n ec l o n i n go fh i g ht e m p e r a t t 珥_ e i nt h i ss t u d y ：1 ) w eh a v ed e v e l o p e dt w oh e t e r o z y g o u sp o p u l a t i o n sd e r i v e df r o m , a c r o s sb e t w e e nr i l ( t 219 t 2 2 6 ) a n dt w om a l es t e r i l el i n e s ，h u a 2 01sa n di i - 3 2 a ，r e a l i z e d t h ee f f e c to fe n v i r o n m e n to ns e e ds e t t i n gr a t i o ( s r ) ，a n dt h e nt r e a t e dt h et w op o p u l a t i o n s u n d e rh i 曲t e m p e r a t u r et o l e r a n c ei ng r o w t hc h a m b e rd u r i n gt h ef l o w e r i n gs t a g et oa s s e s s t h eg e n e t i ce f f e c to fq u a n t i t a t i v et r a i t l o c i ( q t l ) o fh i 曲t e m p e r a t u r et o l e r a n c e ；2 ) i n v e s t i g a t e da n da n a l y s i st h ep h e n o t y p eo fl i n e so fn e a ri s o g e n i cl i n e su n d e rd i f f e r e n t g e n e r a t i o na n dt h eg e n e t i co fb c 2 f 2 ；3 ) g l o b a lg e n o m ee x p r e s s i o na n a l y s i si nr e s p o n s et o d r o u g h t ，h i g ht e m p e r a t u r ea n dc o m b i n a t i o no fd r o u g h ta n dh i g ht e m p e r a t u r es t r e s ss t r e s s e s i nf l a gl e a fa n dp a n i c l eo fr i c e ，t 219a n dt 2 2 6 t h em a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e da s f o l l o w i n g ： 1 t h er e s u l to fh i g ht e m p e r a t u r et r e a t e da tf l o w e r i n gs t a g eo ft 219a n dt 2 2 6s h o w e d t h a tt h ep o l l e nf e r t i l i z a t i o ns h o w e dn od i f f e r e n ti nt w or i c e ，b u tt h en u m b e ro f p o l l e no ns t i g m aa n dt h es ro ft 2 2 6w a ss i g n i f i c a n tb e n e rt h a nt h a ti nt 2 19 ，a n d w ec a np r e s u m et h a tt h er e d u c eo fs ru n d e rh i 曲t e m p e r a t u r es t r e s si nh e a d i n g s t a g ew a s n o td e t e r m i n e db yt h ep o l l e nf e r t i l i z a t i o nb u tt h en u m b e ro fp o l l e no nt h e s t i g m a 2 t h e r ew e r ee v i d e n td i f f e r e n t i nd i f f e r e n tl i n e so fh u a 2 0 1s r i l ( t 219 t 2 2 6 ) i i i 华中农业大学硕士研究生学位论文 p o p u l a t i o n , a n dt h es ro f h u a 2 01s r i l ( t 219 t 2 2 6 ) w a sb e t t e rt h a nt h ep o p u l a t i o n o fi i 一3 2 a r i l ( t 219 t 2 2 6 ) i te x p l a i n e dt h a tt h es ro fh u a 2 01s r i l ( t 219 t 2 2 6 ) w a ss t a b l eu n d e rd i f f e r e n te n v i r o n m e n t 3 e n v i r o n m e n t sm a yh a se f f e c tt ot h ep o p u l a t i o na n dt h er e l a t i o n s h i pa n a l y s e s r e v e a l e dt h a ta l lo ft h et w op o p u l a t i o n si nd i f f e r e n te n v i r o n m e n tc o n d i t i o nm o s t e v i d e n t l yc o r r e l a t i o nt o g e t h e ra n ds ru n d e rh i g ht e m p e r a t u r es t r e s sw a sp o s i t i v e + c o r r e l a t i o nw i t ht h e i rp a r e n t si nh y b r i dr i c e 4 t h e r ee x i s t e dv a r y i n gd e g r e e so fp o s i t i v eo rn e g a t i v et ot h eh e t e r o s i sa d v a n t a g e a m o n gt h e s ec r o s s e s f o rc o m p e t i t i v eh e t e r o s i s ，m e a n so fs e e ds e t t i n gr a t i ow a s 5 1 4 ，a n do n l y4 5 o f1 3 8c r o s s e ss h o w e dp o s i t i v eh e t e r o s i s ，3 2 6 1 o f p r o p o r t i o n a n df o ro v e rp a r e n th e t e r o s i s ，6 4c r o s s e ss h o w e dp o s i t i v eh e t e r o s i s ， 4 6 38 o f p r o p o r t i o n 5 t r e a t e dt h et w op o p u l a t i o n su n d e rh i g ht e m p e r a t u r es t r e s si ng r o w t hc h a m b e ra n d m e a s u r e dh i g ht e m p e r a t u r et o l e r a n c ew i t ht h er e l a t i v er a t i oo ff l o w e r i n g f e r t i l i z a t i o n ，a n dq t l sf o rh i l g ht e m p e r a t u r et o l e r a n c ed u r i n gf l o w e r i n gs t a g e t h e r ew e r ef o u rm a i ne f f e c tw e r em a p p e dw h i c hl o c a t e di nc h r o m o s o m e4 ，7 ，10 a n d11 ，r e s p e c t i v e l y t h ev a r a n c e sw e r e5 0 1 ，8 9 9 ，7 2 4 a n d7 3 4 ， r e s p e c t i v e l y 6 t h ei n h e r i t a n c ea n a l y s i so ft h eb c 2 f 2f o rn i l s ，a n dt h er e s u l ts h o w e dt h a tt h e i n h e r i t a n c eo ft h eb c 2 f 2o ft h et w on i l s ，q h t 2a n dq h t 3 ，w a sa c c o r d e dw i t h m e n d e l sl a wb y 贮t e s t 7 g l o b a lg e n o m ee x p r e s s i o na n a l y s i si nr e s p o n s et od r o u g h t ，h i g ht e m p e r a t u r ea n d c o m b i n a t i o no fd r o u g h ta n dh i g ht e m p e r a t u r es t r e s ss t r e s s e si nf l a gl e a fa n dy o n g p a n i c l eo fr i c e ，a n dt h e r ew e r e3 3 4 、5 9 5a n d1 0 9g e n e sf o ru pr e g u l a t i n gt h e e x p r e s s i o na n d2 4 7 、 5 7a n d18 4g e n ed o w nr e g u l a t e d ，t h ef u n c t i o no fg e n e sw e r e a n dp r o t e c t e dp r o t e i na n dt r a n s f e rf a c t o r s k e y w o r d s ：r i c e ；h e t e r o z y g o u sp o p u l a t i o n s ；h i g ht e m p e r a t u r et o l e r a n c e ；s e e ds e t t i n g r a t i o ；q t l ；g e n ee x p r e s s i o np r o f i l e i v 华中农业大学硕士研究生学位论文 略词表 v 华中农业大学硕士研究生学位论文 日i j舌 1 文献综述 水稻作为世界上最重要的粮食作物之一，广泛种植于亚洲、非洲以及拉丁美洲 等一些发展中国家。但干旱、低温、高温等一系列的非生物逆境严重影响了植物的 生长和发育，甚至严重限制了农作物的产量。尤其是近几年来，随着全球“温室效应” 的不断加剧，全球气候以更快的速度变暖，地球表面均温不断升高，在许多国家和 地区，高温己成为影响粮食作物生长发育的主要因素之一( 张桂莲，2 0 0 5 ) 。高温所带 来的直接的影响是导致整个作物的生产布局和结构发生根本性的变化( w a s s m a n n a n dd o b e r m a n n , 2 0 0 7 ) ；农业生产的不稳定性；产量下降和品质的降低；以及由于高 温所带来的水分的流失而引起例如干旱等其他的非生物逆境胁迫将进一步加深对作 物的生产和产量的危害。对水稻而言，高温主要对水稻的雄性器官造成伤害，花粉 育性降低，花药不正常开裂或开裂不完整，散粉到柱头上的花粉数不足，降低结实 率，最终导致了产量的下降。中国长江流域稻作区是受高温危害的重灾区，其发生 频率高、受害面积广，受害程度深，而且随着温度的进一步升高呈现出日益加剧的 趋势，对中国长江流域水稻的安全生产产生严重影响。2 0 0 3 年夏季，我国长江流域 出现了极为罕见的高温天气，部分地区水稻受到严重的高温热害影响，持续的高温 对正处在幼穗分化和抽穗开花期的水稻造成了严重的危害，给我国水稻产量造成了 极大的损失( 杨惠成等，2 0 0 3 ) 。而且预计到本世纪末地球表面温度将会升高1 4 5 8 ，高温将会对水稻乃至整个农作物产生严重的影响，全球农业生产将面临巨大 的挑战( i p c c ，2 0 0 1 ) 。因此，通过分子育种和生物技术等方法开展水稻耐高温研究以 及选育水稻耐高温品种对水稻稳产和高产具有重要的意义。 1 1 高温对水稻各个生长发育期的影响 水稻在整个生长发育期间，都需要一定的温度，环境温度是水稻完成自身生命 周期的主要因子之一。不同的发育时期或生命活动过程都有一定的最低、适宜以及 最高临界温度，较高的温度可以加快水稻生长和发育，从而使整个生育期变短，但 是极端温度会对水稻生长产生一定的阻碍，不利于干物质的生产，从而导致作物生 产潜力的下降。高温对水稻各个生长时期都会产生影响，但因不同发育时期而表现 各异，其中水稻幼穗分化期和抽穗开花期是对高温最敏感的两个重要时期。 华中农业大学硕士研究生学位论文 1 1 1 高温对幼穗分化的影响 幼穗分化期是小穗发育的关键时期，此时期易受到外界环境因子的影响，特别 是花粉母细胞减数分裂期，最适宜的温度是2 8 3 2 。c 。如遇到高温，幼穗发育将会出 现严重的生理障碍，影响小花的正常发育，花粉不育性增加，引起结实率的普遍下 降，降低水稻产量。已有研究表明，幼穗分化遇到高温，花药中的正常花粉数减少， 花粉活力降低，自交结实率降低，并且高温时间越长，危害越重( 王伟平等，2 0 0 5 ) 。 水稻孕穗期间出现连续高温天气，会造成花粉发育不良，并且在开花后引起受精不 良，导致水稻空壳率的增a n ( 方先文等，2 0 0 6 ) 。 1 1 2 高温对抽穗开花的影响 水稻在抽穗开花阶段对高温特别敏感，也是受危害最为严重的时期。相比较幼 穗分化和灌浆期，抽穗期遇高温主要的影响是导致小穗育性降低( 图1 ) ，同时还会导 致花粉数量减少、花药开裂不完全以及花粉在柱头上不能萌发，且随着温度的不断 升高，小穗不育性显著增加，结实率明显下降( 李训贞等，2 0 0 5 ；j a g a d i s he ta 1 ，2 0 0 7 ) ； 另有学者认为，高温条件下小穗不育主要与花粉囊开裂有关，而且不同的品种之间 有很大的差异( m a t s u ie ta 1 ，2 0 0 5 ) ；对于不同的品种类型而言，高温对籼稻当天开花 影响最大，而粳稻则不同，高温除了当天影响以外，开花次日对小穗的不育也有影 响，籼稻相对于粳稻更具有耐热性( m a t s u ie ta 1 ，2 0 0 1 ) 。一般情况下，杂交稻相比于 常规品种对高温的敏感程度更大，田间条件下发生高温危害时，受害范围更大且更 为严重。自然高温对杂交稻的开花主要是影响授粉受精，降低结实率；在高温条件 下，不同杂交稻之间存在一定的差异，受害最敏感时期是在开花当日和开花后1 3 天，而且随着温度的不断升高，对水稻结实率的影响逐渐增大( 曾汉来等，2 0 0 0 ；许 传桢等，1 9 8 2 ) 。同时，上海植物生理研究所( 1 9 7 7 ) 研究认为，在早籼稻开花结实期间， 3 0 。c 的温度处理可引起明显的伤害，高于3 5 。c 有可能会出现大量秕粒，3 8 则不能 形成实粒。因此，在生产实践当中，应当着重通过调整种植制度以及栽培技术的改 良，使水稻在抽穗开花期尽量避开极端高温天气，全面提高植株的耐高温能力，提 高作物的产量。 1 1 3 高温对灌浆成熟的影响 灌浆成熟期是水稻产量和品质形成的关键时期。在众多的环境因子当中，温度 2 华中农业大学硕士研究生学位论文 是影响灌浆结实期稻米品质的首要因子( 莫惠栋，1 9 9 3 ) 。灌浆期遇到短暂的高温可以 促进水稻灌浆速度，缩短灌浆时间，但是持续的高温会导致水稻灌浆速率明显下降， 籽粒的充实度受到影响，使得产量和粒重都显著降低。如果灌浆期遇到3 5 以上高 温时，胚、胚乳停止发育，籽粒灌浆不饱满，充实度不够，形成半实粒，甚至空粒， 粒重减轻，产量降低；而且会造成米粒质地疏松、碎米率提高、腹白扩大、千粒重 降低、米质变劣( 李木英等，2 0 0 6 ) 。但在灌浆期，高温对水稻的影响因品种的差异而 表现不同。一些敏感型品种受到高温胁迫后最大灌浆速率下降，灌浆高峰提前，灌 浆持续期缩短；而耐高温品种却能正常维持其子粒灌浆进程和灌浆速率，且灌浆持 续期趋向于变长，从而在灌浆期表现出对高温胁迫的适应性( 张桂莲，2 0 0 5 ) 。 1o o 嚣8 0 量6 0 - 一 密 蔓4 0 兰 ( 1 2 0 o 图1 高温对各个时期小穗育性的影响( s a t a k ea n dy o s h i d a 。1 9 7 8 ) 鼍， f i 9 1 t h ee f f e c to fh i g ht e m p e r a t u r eo ns p i k e l e tf e r t i l i t yu n d e r d i f f e r e n ts t a g e s 1 2 高温胁迫对水稻主要性状的影响 当环境温度高于植物正常生长的温度所造成的危害称为热害( h e a ts t r e s s ) 或者高 温胁迫( h i 曲t e m p e r a t u r es t r e s s ) 。在高温胁迫下，作物的产量以及产量构成因子将会 受到严重的影响，降低作物的产量；同时，高温胁迫对于稻米品质也会造成严重的 影响。 1 2 1 高温胁迫对水稻产量相关性状的影响 非生物逆境胁迫下产量以及产量构成因子的表现和稳定性是评价作物抗逆的最 为重要的性状指标。对于水稻而言，水稻单位面积产量一般是由有效穗数、每穗粒 数、结实率以及千粒重4 个因素所构成。4 个因素相互协调，共同达到一定的水平， 才能获得高产，在这4 个因素当中结实率对高温最敏感，每穗粒数次之，千粒重第三， 3 华中农业大学硕士研究生学位论文 有效穗数最小( 曾翔等，2 0 0 3 ；杨晓春等，2 0 0 6 ) 。张效忠等( 1 9 9 8 ) 研究认为，高温条件 下，幼穗分化时间缩短，从而使第一枝梗数、茎叶干重以及幼穗颖花数减小。西南 农业大学农学系( 1 9 8 4 ) 水稻栽培课题组研究认为，高温导致花药开裂困难，柱头上 花粉量及萌发花粉量减少，花粉管停止伸长，畸形花粉粒增多，影响正常授粉受精 过程，导致结实率降低。郑建初等( 2 0 0 5 ) 在抽穗期对6 个品种进行高温处理，发现抽 穗期高温会显著降低水稻结实率，但对穗粒数和千粒重影响不显著。粒重是水稻产 量的重要构成因素，最终的籽粒产量通过品种遗传特性和环境及栽培因素的共同作 用而表现出来。陈双龙等( 2 0 0 5 ) 通过分期播种的方法，对5 个不同的水稻品种在自然 高温条件下进行耐热性鉴定，结果表明：抽穗开花时，当温度连续6 天3 5 时，5 个品种均不同程度受到高温伤害，相比较于自然条件下，结实率平均下降1 5 左右， 平均产量和千粒重也明显降低。 1 2 2 高温胁迫对稻米品质的影响 稻米品质性状是个综合性状，它是许多单个具体特征特性的总称，一般包括碾 米品质( 糙米率、精米率、整精米率) 、外观品质( 垩白米率、垩白面积、透明度) 、蒸 煮食用品质( 糊化温度、直链淀粉含量、胶稠度) 、营养品质( 蛋白质含量、必需氨基 酸含量) 及特异品质( 香味、色素、微量元素及维生素含量) 等5 个不同方面。稻米品质 的好坏是水稻自身的遗传因素与环境条件综合作用的结果。而在众多的环境因子中， 灌浆结实期的温度是影响稻米品质的重要因子之一。研究表明，抽穗至成熟阶段高 温会加快灌浆速率，缩短灌浆的持续期，加速植株老化，使籽粒的充实度受到影响。 在外观品质方面，高温会导致米粒背部、基部或横断面中部的细胞生长和淀粉的积 累减少，籽粒光合产物不足，籽粒充实度不够，细胞间隙加大，从而使米粒垩白增 加，透明度变差( 黎用朝等，1 9 9 8 ；贺浩华等，1 9 9 7 ；伏军，1 9 8 7 ；孟亚丽和周治国， 1 9 9 7 ) 。而且还会造成灌浆早期胚乳细胞生长和米粒充实度加速，周缘物质积累过快， 从而导致垩白面积增a n ( 沈波和陈能，1 9 9 7 ) 。有研究表明，灌浆结实前2 0 天如出现高 温天气将会造成稻米垩白度的显著增a n ( 程方民等，1 9 9 6 ) 。高温对加工品质的主要影 响表现为灌浆结实期高温导致糙米率、精米率和整精米率的下降( 程方民和朱碧岩， 1 9 9 8 ) 。在高温条件下，籽粒物质灌浆速度过快，灌浆时间的缩短，籽粒不充实，干 粒重降低，胚乳糊粉层细胞数量增加，糠层变厚，从而影响稻米的加工品质( 高如嵩， 1 9 9 3 ) 。h a ( 1 9 9 4 ) 对5 个粳稻品种进行人工控温试验表明，结实期日均温度由2 0 c 升 4 华中农业大学硕士研究生学位论文 至3 0 时，整精米率下降可达2 4 3 5 之多。在稻米的蒸煮食用品质方面，温度对 直链淀粉的影响较为复杂且与水稻品种有关。在高温条件下，呼吸消耗速度加快， 物质积累减少，对于高或中等直链淀粉含量的品种则随着温度升高而使其直链淀粉 下降，而低或极低直链淀粉含量的品种随温度的升高，支链淀粉含量减少，直链淀 粉相对上升( 马国辉，1 9 9 8 ：n o r m i t ae ta 1 ，1 9 8 9 ；g o m e z ，1 9 7 9 ；雷东阳等，2 0 0 4 ；z h o n g c ta 1 2 0 0 5 ) 。稻米中蛋白质和氨基酸的含量及其组成，是衡量和评价稻米营养品质 的重要指标。在高温条件下，水稻灌浆成熟期间的蛋白质酶浓度保持较高水平，且 对其活性增加有利，从而蛋白质很快转化为氨基酸提供可溶性氮化物向籽粒运输， 增加籽粒的氨基酸含量，从而促进蛋白质合成，最终促进籽粒蛋白质含量的升高( 李 欣等，1 9 8 9 ；唐湘如和余铁桥，1 9 9 1 ；王守海，1 9 8 7 ；周广洽等，1 9 9 7 ) 。 1 3 植物对高温胁迫的响应 不利于植物生长和生存的环境统称为逆境( a d v e r s i t ys t r e s s ) ，包括非生物胁迫，。 ( a b i o t i cs t r e s s ) 如冷、热、干旱、盐等各种物理化学胁迫和生物胁迫( b i o t i cs t r e s s ) 如病、虫、杂草等生存竞争胁迫。在逆境条件下，植物会受到不同程度的伤害，发 生一系列的生理生化和形态特征变化，而且这种变化是不可逆的。但植物体在漫长。： 生物进化过程中，长期的逆境胁迫使植物自身也进化产生了一系列抵抗不良环境的 机制，即植物的逆境适应性，主要包括避逆性和抗逆性。避逆性是指植物整个发育，磬：! 过程不与逆境相遇或在逆境胁迫前完成其生育周期；抗逆性是指植物具有的对环境 胁迫忍耐和抵抗的能力，抗逆性是绝大多数植物响应环境胁迫的普遍方式，具体包 括光合系统调节、生物膜系统、抗氧化系统、渗透调节、功能蛋白以及植物激素参 与的直接对抗逆境伤害的各种抗逆性反应( 齐宏飞和阳小成，2 0 0 8 ) 。 1 3 1 光合系统 光合作用是维持植物体正常生长和能量代谢的重要过程。高温对光合生理的影 响主要表现在，一是光合作用功能的破坏，另一方面是由于光呼吸与呼吸作用增强 而使光合速率降低。光合作用系统中光系统i i ( p si i ) 是对温度变化最敏感的部位 ( b e r r ya n db j o r k m a n ，1 9 8 0 ；b a k e r , 1 9 9 1 ) 。已有研究显示，高温可以导致外周天线与 p si i 反应中心脱落以及天线的构象发生变化，而且高温使p si i 的放氧复合物失活、 脱落，最终影响光合线性电子传递，从而抑制植物的光合作用( n a s ha n dm i y a o ，1 9 8 5 ) 。 5 华中农业大学硕士研究生学位论文 光呼吸被认为是保护光合作用机制免遭伤害的一种有效机n ( w ue ta l ，1 9 9 1 ) 。 对高温的研究表明，在高温条件下，气孔关闭，光呼吸增强，从而可提高细胞间二 氧化碳的浓度；同时光呼吸有效的消耗了部分积累的光合产物，减轻了反馈抑制， 使得植物的p si i 复合物的电子传递受抑制轻。 同时，在干旱、盐等其他的逆境中，可以导致植物的光合作用途径从正常的c 3 途径向c 4 途径转变，以提高植物的光合速率，增加对逆境的抗性，但在高温胁迫下， 类似代谢途径的转变是否会发生还需进一步的深入研究。 1 3 2 生物膜系统 细胞膜主要由脂质的基质和膜蛋白组成，在植物抵抗逆境胁迫中起重要作用。 脂质是细胞膜的重要组成部分，也是能量储存的重要方式，对细胞的正常生命活动 有重要的意义。植物体质膜透性的增加是高温伤害的原因之- - ( m a r t i n e a ua n ds p e c h t ， 1 9 7 9 ) 。高温胁迫下，细胞膜脂发生过氧化作用，膜脂不饱和脂肪酸发生一系列的自 由基反应，使质膜的结构发生变化，使膜的电解质渗透率增加，膜的稳定性变差( 郑 小林和董任瑞，1 9 9 7 ；陈少裕，1 9 8 9 ) 。研究表明