（作物栽培学与耕作学专业论文）水稻生育后期耐热性机理及其鉴定指标的筛选.pdf

摘要 在高温、大田对照两种条件下用不同品种分别对水稻开花期、灌浆期和全生 育期的生长发育和生理生化等性状特征进行了系统研究和分析，初步建立了水稻 开花期和灌浆期的耐热性鉴定指标，深入研究了高温胁迫对水稻生理、生化、产 量等指标的影响，充分论证了高温胁迫下水稻生理生化特性与品种耐热性的关 系，揭示了决定水稻耐热性的关健生理生化机制。主要结果如下： 1 水稻开花期高温胁迫降低了叶片光合速率、叶绿素含量，增加了可溶性糖、 游离脯氨酸、m d a 含量及超氧化物歧化酶( s o d ) 、过氧化氢酶( c a t ) 和过氧化 物酶( p o d ) 的活性。通过相关分析表明，开花期高温胁迫与对照条件下的叶绿 素、游离脯氨酸、m d a 含量和s o d 活性的变化幅度与品种的热敏感指数呈显著或 极显著相关性，因此，高温下的叶绿素、游离脯氨酸、m d a 含量和s o d 活性的变 化幅度可作为水稻开花期耐热性生理鉴定指标。对此4 项指标变化幅度与热敏感 指数进行逐步回归分析，所建立的回归方程可预测水稻开花期耐热性。 2 。灌浆期高温胁迫严重影响水稻的光合能力，酶保护机制和渗透调节能力。 叶片光合速率，叶绿素、可溶性糖、蛋白质、m d a 含量和s o d 活性都是与水稻灌浆 期耐热性密切相关的生理生化指标。但不同品种灌浆期耐热性存在相当大的差 异。 3 以水稻叶片光合速率，叶绿素、可溶性糖、蛋白质、m d a 含量和s o d 活性等 与灌浆期耐热性密切相关性状的耐热指数为指标，应用主成分分析法将其综合成 2 个新的彼此独立的综合指标，再利用隶属函数值法求出每一品种耐热性的综合 评价值，可较为全面、准确地评判各水稻品种的耐热性强弱。 4 全生育期高温胁迫加速了水稻植株衰老和保护性功能的丧失，导致生育后 期水稻叶片酶保护性机制失活，叶片渗透调节能力降低，干物质生产减少，茎鞘 物质转运受阻，茎鞘物质输出率和转换率都显著下降，导致产量显著降低。在整 个大环境升温情况下，应该注重生育中后期的田问管理。 关键词：水稻；高温胁迫；耐热性；鉴定指标；生理生化 a b s t r a c t t h ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u ti ng r o w t hc h a m b e ru n d e rb o t hn o r m a la n dh i g h t e m p e r a t u r et oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fh e a ts t r e s s o nm o r p h o l o g i c a l ，g r o w t ha n d d e v e l o p m e n ti n d e x e sa n dp h y s i o l o g i c a l a n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sd u r i n g f l o w e r i n g ，g r a i nf i l l i n gs t a g ea n dt h ew h o l eg r o w t hs t a g e i d e n t i f i c a t i o ni n d e x o fh e a t r e s i s t a n c ed u r i n gf l o w e r i n ga n dg r a i nf i l l i n gs t a g eh a db e e ne s t a b l i s h e dp r e l i m i n a r y t h ee f f e c t so fh e a ts t r e s so nm o r p h o l o g i c a l ，p h y s i o l o g i c a l ，b i o c h e m i c a la n dg r a i n y i e l dh a db e e nc a r r i e do u td e e pr e s e a r c h t h i sp a p e ra d e q u a t e l ye x p o u n d e da n d p r o v e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d h e a tr e s i s t a n c ei nr i c ea n dd i s c u s s e dt h ek e yp h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a l m e c h a n i s mo fh e a tr e s i s t a n c ed u r i n gg r a i nf l o w e r i n gs t a g e t h er e s u l t sf o l l o w e d ： 1 h i g ht e m p e r a t u r es t r e s so nf l o w e r i n gs t a g ed e c r e a s e dl e a v e s p h o t o s y n t h e s i sr a t e ， c o n t e n t so fc h l o r o p h y l l ，i n c r e a s e dc o n t e n t so fs o l u b l es u g a rc o n t e n t ，f r e ep r o l i n e c o n t e n t ，m a l o n d i a l d e h y d e ( m d a ) c o n t e n t ，a sw e l la s t h ea c t i v i t i e so fs u p e r o x i d e d i s m u t a s e ( s o d ) ，c a t a l a s e ( c a t ) a n dp e r o x i d a s e ( p o d ) i nl e a v e sa tf l o w e r i n gs t a g e c o r r e l a t i o na n a l y s i ss h o w e dt h a th e a ts u s c e p t i b i l i t yi n d e xs i g n i f i c a n t l yo rv e r y s i g n i f i c a n t l yc o r r e l a t e dw i t hr e l a t i v ec h a n g e dp e r c e n t a g eo fc o n t e n t so fc h l o r o p h y l l ， f r e ep r o l i n e ，m d aa n ds o da c t i v i t yu n d e rb o t hh i g ht e m p e r a t u r ea n dn o r m a l c o n d i t i o n s t h e r e f o r e ，t h e yc o u l db es e l e c t e da sp h y s i o l o g i c a li d e n t i f i c a t i o ni n d e x e s f o rh e a tt o l e r a n c ea tf l o w e r i n gs t a g ei nr i c e u s i n gs t e p w i s er e g r e s s i o ne q u a t i o nt o e v a l u a t et h eh e a tt o l e r a n c eo ff i c ec u l t i v a r sw a sc o n s i d e r e ds c i e n t i f i c a l l ya n dr e l i a b l y 2 t h ea b i l i t yo fp h o t o s y n t h e s i s ，o s m o t i ca d j u s t m e n ta n da n t i o x i d a t i v ee n z y m e a c t i v i t i e sw e r ee f f e c t e ds i g n i f i c a n t l yi nt h eh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o na tg r a i nf i l l i n g s t a g e t h ec o n t e n to fc h l o r o p h y l l ，s o l u b l es u g a r ，p r o t e i n ，m d a ，p h o t o s y n t h e s i sr a t e a n dt h ea c t i v i t yo fs o dw e r ec o r r e l a t e dw i t hh e a tr e s i s t a n c eo ng r a i nf i l l i n gs t a g e a n dh e a tt o l e r a n c eo ng r a i nf i l l i n gs t a g ew e r ed i f f e r e n tb e c a u s eo fd i f f e r e n tc u l t i v a r s 。 3 t h ec o n t e n to fc h l o r o p h y l l ，s o l u b l es u g a r , p r o t e i n ，m d a ，p h o t o s y n t h e s i sr a t ea n d t h ea c t i v i t yo fs o da r ec o r r e l a t i v ew i t hh e a tt o l e r a n c ea tg r a i nf i l l i n gs t a g e ，w h i c h w e r es y n t h e s i z e dt ot w on e wi n d e p e n d e n tc o m p r e h e n s i v ei n d i c e sb yp r i n c i p a l 2 c o m p o n e n ta n a l y s i s ，t h e nt h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no fe v e r yr i c ev a r i e t i e s h e a t t o l e r a n c ew a so b t a i n e db ys u b o r d i n a t ef u n c t i o nv a l u em e t h o d ( s f v m ) ，c o n s e q u e n t l y ， e a c hc u l t i v a r h e a tt o l e r a n c ec o u l db ee v a l u a t e dc o m p l e t e l ya n dc o r r e c t l y 4 ，t h eh i g ht e m p e r a t u r es t r e s si nt h ew h o l eg r o w t hs t a g ea c c e l e r a t e dr i c ec a d u c i t ya n d l o s so fp r o t e c t e df u n c t i o n s ，a l s ol o s tt h ea c t i v i t i e so fa n t i o x i d a t i v ee n z y m e si nl e a v e s ， d e c r e a s e dt h eo s m o t i ca d ju s t m e n to fl e a v e s ，r e d u c e dt h ed r ym a t t e r sp r o d u c t i o n ， b l o c k e dt h et r a n s l o c a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no fd r ym a t t e r si ns t e m sa n ds h e a t h s ， d e c r e a s e dy i e l d ss i g n i f i c a n t l y , i nt h ec o n d i t i o no f h i g h e re n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e ，i t s h o u l db ei m p o r t a n tt os t r e n g t h e nt h ef a r m i n gm a n a g e m e n ti nt h el a t eg r o w t hs t a g e k e yw o r d s ： r i c e ；h i g ht e m p e r a t u r es t r e s s ；h e a tt o l e r a n c e ；i d e n t i f i e di n d e x ； p h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s 论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川农业大学 或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名嘭饥 _ 矿留年6 月刁同 关于论文使用授权的声明 本人完全了解四川农业大学有关保留、使用学位沦文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意四川农业 大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名： 导师签名： t 铷矽缪年6 月刁日 硝年多月矽同 1 月| j 吾 1 1 逆境和植物抗逆性 逆境是指对植物生存与生长发育不利使植物产生伤害的各种环境因素的总 称，根据环境的种类，又可将逆境分为生物逆境和非生物逆境。非生物逆境又称 胁迫，一般指寒冷、冰冻、炎热、干旱、涝害、盐渍等。 植物对逆境的抵抗和忍耐能力叫植物抗逆性，简称抗性。植物抗性的方式主 要表现在三个方面：避逆性、御逆性和耐逆性。( 1 ) 避逆性，指植物通过对生育 周期的调整来避开逆境的干扰，在相对适宜的环境中完成其生活史。( 2 ) 御逆性， 指植物处于逆境时，其生理过程不受或少受逆境的影响，仍能保持正常的生理活 性。这主要指植物体营造了适宜生活的内环境，免除了外部不利条件对它的危害。 ( 3 ) 耐逆性，指植物处于不利环境时，通过代谢反应来阻止，降低或修复逆境造 成的损伤，使其仍保持正常的生理活动。例如植物遇到干旱或低温时，细胞内的 渗透物质会增加，以提高细胞抗性。植物对逆境的抵抗往往具有双重性，即不同 的抗性方式可在植物体上同时表现，或在不同部位同时发生。 逆境往往使细胞膜变性，龟裂。细胞的区域化被打破，原生质的性质改变， 叶绿体，线粒体等细胞器结构遭到破坏【2 1 。 任何逆境下都会使光合速率下降，同化物形成减少，叶绿体受伤，叶绿素含 量降低，光系统遭到破坏，有关光合过程的酶系失活或变性。在逆境胁迫下保持 较高的光合速率，减轻光抑制程度，与植物种或品种的抗逆性有关【3 l 。 逆境下植物的呼吸速率也发生变化，其变化进程因逆境种类而异。冰冻，高 温，盐渍和淹水胁迫时，呼吸速率逐渐降低：零上低温和干旱胁迫时，呼吸速率 先升高后降低。逆境促使脯氨酸等渗透调节物质的大量合成，使淀粉降解为葡萄 糖等可溶性糖，还促使蛋白质降解，可溶性氮增加。这与合成酶作用下降，水解 酶活性增强有关。 各种逆境胁迫时，植物体的水分状况有相似变化，即吸水力降低，蒸腾量降 低【4 1 ，但蒸腾量降低速率小于吸水量，使植物的含水量降低并产生萎蔫。植物形 成水分胁迫，细胞脱水，膜系统受害，透性加大。另一方面，植物含水量相对增 加，从而使植物抗逆性增强峰j 。 各种逆境因子直接或间接地对植物产生水分胁迫。水分胁迫时植物体内累积 4 各种有机和无机物质，提高细胞液浓度，降低其渗透势，这样植物就可以保持其 体内的水分，适应水分胁迫环境，这种现象称为渗透调节【6 j 。脯氨酸是最重要和 有效的渗透调节物质，多种逆境条件下，植物体内都积累脯氨酸，尤其是干旱时 积累最多。逆境下细胞内常常累积无机离子以调节渗透势，特别是盐生植物，它 们依靠细胞内累积的k + ，n a + ，m g + ，c 1 ，s o 。p ，n o 。一等无机离子来进行渗透调节。 在j 下常情况下，细胞内活性氧的产生和清除处于动态平衡状态，活性氧水平 很低，不会伤害细胞，可是当植物受到胁迫时，活性氧积累过程多，导致膜脂过 氧化。清除活性氧的酶系：s o d ，c a t 和p o d 活性与膜透性和膜脂过氧化水平之间 存在着负相关，能对膜系统起保护作用【3 4 一引。 a b a 是一种胁迫激素，它在调节植物对逆境的适应中最为重要。a b a 主要通 过关闭气孔，抑制气孑l 开放，保持组织内的水分平衡，增强根的透性，提高水的 通导性来增加植物的抗性【9 l 。在低温，高温，干旱和盐害等多种胁迫下，植物体 内a b a 含量大幅度升高。多种植物增加的内源a b a 含量与其抗性能力呈正相关， 外源a b a 也提高植物的抗逆性【1 0 1 。 植物经历了某种逆境后，能提高对另一些逆境的抵抗能力，这种对不良环境 中间的相互适应作用，称为交叉适应。多种逆境条件下，植物体内a b a 含量增加， 同时植物也会积累脯氨酸等渗透调节物质，从而提高对逆境的抵抗能力。生物 膜在多种逆境条件下有相似的变化，多种膜变化物质在胁迫下可能发生类似的反 应，使细胞内活性氧的产生和清除达到动态平衡。 1 2 水稻耐热性研究 1 2 1 高温对水稻的伤害机制 极端高温是限制作物最主要因子之一，在不同生育期均有影响，尤其以孕穗 期、抽穗丌花期和灌浆结实期影响最大。 高温胁迫导致植物体内0 2 - $ 1 1 h 2 0 2 大量产生，膜脂过氧化1 t 1 居0 ，细胞膜的完 整性破坏。研究发现，随高温胁迫时间延长，0 2 - 产生速率迅速增大，氧的自由 基的产生与清除的平衡被打破【1 2 】。高温使作物质膜饱和程度下降，质膜透性增大， 电解质外渗量增大，电导率升高，膜脂过氧化产物一丙二醛( m d a ) 的含量增大【1 3 】。 高温主要影响类囊体的物理化学性质和结构组织，导致细胞膜的解体和细胞组分 的降解。夜间高温胁迫引起水稻叶片叶绿素一蛋白复合体的结合度和叶绿素含量 下降，光合效率降低，出现氧化伤害症状【1 4 1 。灌浆期高温胁迫引起水稻剑叶叶绿 素含量、r u b p 羧化酶活性降低，光合速率显著下斛”】。高温胁迫后作物体内的蛋 白质发生降解，作物体内游离氨基酸含量增加，当氨基酸含量过高时，会使植物 产生氨中毒【1 6 j 。 1 2 2 水稻耐热的生理生化机制 1 2 2 1 渗透调节 渗透调节是植物耐热的重要生理机制，与耐热性有密切关系【1 7 18 1 。当受到 高温逆境时，作物组织会积累各种有机物质与无机物质，提高细胞液浓度，降低 其渗透势，保持一定的压力势，这样就可以较好保持其体内水分，适应高温造成 的水分胁迫环境。参与渗透调节物质有无机离子如k + 、可溶性糖、游离氨基酸、 脯氨酸等。高温胁迫下水稻叶片可溶性糖、可溶性蛋白质、游离氨基酸、脯氨酸 等含量增加【4 19 1 。研究较多的是游离脯氨酸，脯氨酸是最重要和有效的渗透调节 物质，其在抗逆中的作用有两点：一是作为渗透调节物质，保持原生质与环境的 渗透平衡；一是保持膜结构的完整性。研究结果表明，高温处理下游离脯氨酸含 量增加，同时处理温度越高，游离脯氨酸含量增加越多2 0 1 。高温胁迫条件下水稻 体内可溶性蛋白质和可溶性糖含量升高，可溶性糖浓度越高，细胞的保水能力越 强，植株耐热能力增强【2 。植株体内水分亏缺的程度也影响渗透调节能力，当水 分亏缺严重时，这种能力会嵌失。所有渗透调节都有一定局限性，表现在渗透调 节的暂时性、有限性和并不能完全维持生理过程2 2 1 。 1 2 2 2 抗氧化保护性物质 植物在遭受逆境胁迫过程中，产生的超氧阴离子自由基( 0 2 - ：) 、过氧化氢 ( h 2 0 2 ) 和单线态氧( 1 0 2 ) 等活性氧积累，在植物体内抗氧化保护酶系统如超 氧化物歧化酶( s o d ) 、过氧化氢酶( c a t ) 和过氧化物酶( p o d ) 及非酶类系 统如抗坏血酸( a s h ) 、还原性谷胱甘肽( g s h ) 等的协同作用下，活性氧能不断的产 生和被清除，使植物维护正常的代谢水平而免于伤害2 4 1 。这些物质可以使0 2 _ 、 h 2 0 2 和c o o h 等转变为活性较低的物质，降低或消除它们对膜脂的攻击能力，使 膜脂不致发生过氧化作用而得到保护。有研究表明1 2 2 5 1 ，高温胁迫期间水稻叶 片s o d 、c a t 和p o d 均先升后降，即胁迫初期，活性增加，活性氧清除能力较高， 随着胁迫时间延长，活性下降，清除能力降低。耐热品系酶活性都高于热敏感品 6 系，具有较强的活性氧清除能力，从而能较好地维持细胞膜的稳定性。因此，作 物抗高温逆境的能力与保护酶活性的大小及其防御功能是相关联的。a s a 币i g s h 是植物体内有效清除活性氧的重要非酶类物质，它们可通过多种途径直接或间接 地猝灭活性氧自由基。 1 2 2 3 水稻耐热性的遗传及育种研究 经典遗传学极少涉及对水稻品种耐热性遗传基础的研究。近年来，随着分子 标记技术的发展和广泛应用，出现了利用分子标记对水稻耐热性进行遗传研究的 报道。曹立勇等【2 6 。2 7 1 利用籼粳交d h 群体，通过在田问及温室高温条件下对该群 体的结实率性状进行考查，结合分子标记连锁图谱，共检测到6 个具有加性效应 的q t l s ，同时还检n n 8 对加性- 力口性上位性效应。结果表明，水稻耐热性属于 典型的数量遗传性状，遗传基础非常复杂。水稻属于高温短日照作物，在整个生 长发育过程中要求有较高的温度。由于水稻苗期和花期易受寒害影响，因此以往 对水稻耐冷性研究较多，而对水稻耐热性研究较少；当前生产上推广的水稻品种 耐热性较差。国外从2 0 世纪7 0 年代就丌始水稻耐热性育种研究，国际水稻所 1 2 s 1 1 9 7 7 1 9 8 4 年在人工控温条件下从数百份材料中筛选出一批耐热性品系，我国 徐云碧【2 9 】等也报道过早稻不同品种耐热性的差异，但直到国家“八五 水稻育种 攻关项目中才增加水稻品种的抗热性鉴定内容，对各单位提供的新品种进行抗热 性鉴定3 0 1 。我国曾筛选出一些耐热性品种5 ，3 0 剞1 ，然而这些品种的农艺性状多 数不佳，难于直接利用。因此，迄今尚未见到通过育种方法育成的高产、适应性 好的耐热性新品种的报道。 1 3 水稻耐热性鉴定 1 3 1 耐热性鉴定方法 要鉴定作物的耐热性，首先要给作物创造一个适当的高温胁迫环境，然后选择 恰当的指标来区分作物间的耐热性差异。近年来，水稻耐热性研究方面取得了一 系列进展，在水稻耐热性状的筛选和耐热材料的鉴定方面也有研究，但还未有准 确有效的鉴定方法，主要有根掘产量形状为指标鉴定和一些生理指标的探讨归 纳。其方法，主要有以下几种：田间直接鉴定法、简棚遮盖法、人工气候室鉴定 法、田1 i 白j 远红外线增温鉴定法。 田间直接鉴定法是将供试品种在不同地区或同一地区分不同播期栽种，以不 同自然高温造成胁迫，直接按照作物产量或生长状况来评价品种的耐热性。此方 法简便易行，既真实地反映了作物在不同温度条件下的生长状况，又有产量指标， 结果很有说服力，是目前选择耐热性品种的主要方式。但受环境的影响大，重复性 较差。 简棚遮盖法是在田间用塑料薄膜覆盖增温，该法操作简单，投资少，但温度 等环境因子的可调性差。 人工气候室法是在能控制温度、湿度和光照的人工气候室内，研究不同生育 期内高温胁迫对生长发育、生理生化过程或产量的影响来鉴定作物耐热性。此方 法结果可靠，重复性好，但设备投资大。 田间远红外线增温鉴定法是在大田自然条件下，运用远红外增温设施，在水 稻不同生育期对田间植株进行极端高温处理，该方法能较全面的反映田间热害的 实际状况，但不能避免投资设备大，操作不方便的问题。 1 3 2 水稻耐热性的数量分析方法 水稻耐热性评价既需要高效的评价指标，也需要在分析过程中采用科学的数 量分析方法。国外从2 0 世纪7 0 年代开始就以高温胁迫后结实率与常温下结实率的 比值为指标进行耐热品种的筛选以及耐热性的数量遗传分析【3 2 1 。另一方面以千粒 重的下降为指标，筛选灌浆期耐热品种【3 3 1 。目前在作物耐热性鉴定研究中采用的 数量分析方法主要有如下几种： ( 1 )回归模型法：通过对各项指标与耐热系数的相关分析，建立各项指标与耐 热系数的回归模型，利用所建立的回归模型对水稻耐热性进行鉴定。 ( 2 ) 聚类分析法：根据多项指标所测数据，对供试材料进行系统聚类。根据聚 类图将参试材料分成等级，如耐热性强、耐热性中等、耐热性弱。 ( 3 ) 隶属函数法：耐热性隶属函数法确定耐热性先求出各耐热指标在各品种 中的具体隶属值：x 。，= ( x - x 山) ( x 。一x 嘲) 或x = 1 - ，( x - x 山) ( x 。一x 山) ，其中x 为各种品种的某一指标测定值，x 。，、x ；。分别为所有品种中此指标的 最大值和最小值。若所用指标与耐热性呈正相关，用式；反之用式。再累加 指定品种各指标的耐热隶属值，求其平均值，根据各品种平均值大小强弱确定品 种耐热性。 ( 4 )耐热性综合评判：应用主成分分析法将彼此相关的单项指标转化为2 个累 8 计贡献率达到8 5 以上的相互独立的综合指标，根据每一品种的单项性状的耐 热系数和综合指标的标准化特征向量求出每一品种2 个综合指标的得分。计算每 一品种2 个综合指标得分的隶属函数值，并以综合指标的贡献率来确定2 个综合 指标的权重，在此基础上进行加权求和，从而得到每一品种灌浆期耐热性的综合 评判值( d 值) 。采用系统聚类分析方法对各品种的综合评判值( d 值) 进行数量分 类，同时结合生产实际的要求，可把每一品种划归为不同的耐性等级。 1 3 3 耐热性鉴定指标 耐热性鉴定指标主要分为生长发育指标和生理生化指标两大类。生长指标如 产量指标、叶面积、干物质积累、灌浆、结实等。生理生化指标很多，如光合作 用、呼吸作用、可溶性物质含量、脯氨酸含量、某些酶的活性、渗透调节能力等。 1 3 3 1 生长发育指标 关于水稻耐热性的生长指标方面的研究报道，主要是从产量和穗部性状方面 对作物进行的直接鉴定，比如产量、结实率、千粒重、穗长、枝梗数：不过还很 少有过利用生长发育指标对作物尉热性鉴定的研究报道，黄英金【3 4 1 对水稻灌浆期 耐热性研究提出，籽粒充实度、秕粒率、饱粒密度、垩白米率、垩白度等籽粒性 状指标可以用来评判水稻灌浆期耐热性的强弱。 1 。3 3 。2 生理生化指标 高温胁迫通过影响水稻的生理机制从而达到影响产量和品质的结果，多年 来，关于高温胁迫下水稻植株的生理生化反应做过许多试验，研究较多的是高温 胁迫条件下一些生理指标的变化规律，主要集中在渗透调节物质、某些保护性酶 类、膜透性物质等。渗透调节物质主要有可溶性糖、可溶性蛋白质、游离氨基酸、 脯氨酸等：保护性酶类主要有超氧化物歧化酶( s o d ) 、过氧化氢酶( c a t ) 、过氧 化物酶( p o d ) 等；膜透性物质主要是对m d a 的研究上。研究表明，在高温胁迫后， 渗透调节物质和保护性酶会有不同程度的增加，直接或间接对植株体起调节作 用，来增强水稻的耐热性，高温使作物质膜饱和程度下降，质膜透性增大，电解 质外渗量增大，电导率升高，膜脂过氧化产物一丙二醛( m d a ) 的含量增大 ! ! - 1 2 , 2 1 , 3 5 】。 所以，高温胁迫下，这些物质的含量可作为水稻耐热性鉴定指标。但对不同生育 期这些物质的变化规律及其与耐热性的关系还需进一步深入研究：在鉴定的准确 性方面还有待进一步探讨。 9 1 4 本研究目的和意义 水稻是世界最重要的粮食作物之一，全世界约1 2 的人口以之为主食。水稻 起源于低纬度的热带地区，形成了适应高温和短日照生态环境的特性【36 。但水稻 生长发育具有一定的适宜温度范围，其中，水稻孕穗至抽穗扬花期和灌浆结实期 对温度最敏感，温度过高会严重影响水稻开花受精和子粒灌浆结实，从而造成严 重的产量损失和品质下降3 7 。3 9 1 。近年来，全球气候变化异常，温室效应日益加剧， 高温胁迫已成为水稻生产的主要灾害性气候因素之一【4 0 - 4 1 。到2 1 0 0 年，地球平 均表面气温将上升1 8 - - 一4 o 【4 2 1 ，短期的极端高温出现频率大幅度提高，给农 作物安全生产带来极大隐患。而近几年我国南方稻区在抽穗扬花期一直受到持续 高温天气的困扰，给水稻产量造成极大的损失【4 3 小1 。因此，开展水稻耐热性研究 对促进水稻生产持续、稳步发展具有深远意义，如何在短期内筛选出一批耐热性 强的品种已是当务之急。 前人从上个世纪7 0 年代开始就以热胁迫后结合率的下降值为指标进行了耐 热性水稻品种的筛选【4 5 4 引，并且对于水稻耐热生理机制方面的研究也促进了水稻 耐热性研究的进一步发展【1 2 , 4 9 ，但从生理机制结合产量性状方面的研究还很少， 还没有一套准确的耐热性鉴定体系。高产是我们应用耐热性鉴定指标和方法鉴定 品种耐热性的前提条件，因此，我们认为耐热指标的筛选应注重高温条件下植株 生理生化特性与产量的关系，深入探讨高温胁迫下高产品种的性状变化规律，从 而建立快速、简便、易行且准确的耐热品种的筛选、鉴定指标，利用它对国内外 主要推广品种进行耐热性鉴定筛选，从而筛选鉴定出一批耐热性强的水稻品种或 材料直接应用于生产，对经常遭受高温危害的地区，特别是南方稻区持续稳定生 产，具有十分重要意义，必将会产生显著的社会、经济和生态效益。 1 0 2 材料与方法 2 1 供试材料： 本研究中材料为冈优5 2 7 、d 优5 2 7 、i i 优7 号、内香2 号及汕优6 3 等5 个 杂交籼稻品种。 2 2 试验处理 2 2 1 开花期 试验于2 0 0 6 年在四川温江四川农业大学水稻研究所进行。冈优5 2 7 、d 优5 2 7 、 i i 优7 号、内香优2 号，于4 月1 0 目播种，汕优6 3 于4 月l5 日播种( 以使5 个品种的 抽穗丌花期保持一致) ，待秧苗5 叶1 心时，每个品种选取生长整齐一致的秧苗，移栽 于大田。栽插规格为3 3 3 c m 1 6 7 c m ，每穴插单株，小区面积1 5 m 2 ，3 次重复。 待到抽穗开花期当天，每个品种分别选取生长整齐一致的稻株6 株( 其中3 株为处 理株，3 株为对照株) ，带泥移栽至塑料桶内，将处理株移至光照培养箱进行高温处 理，设定温度( 0 8 ：0 0 - - 1 9 ：0 0 ，3 8 。c ；1 9 ：0 0 - - - 0 8 ：0 0 ，2 8 ) ；相对湿度8 0 ；白天光 照强度6 0 0 8 0 0 u m o l 。m - 2 s - i , 处理5 d ，处理以后移至室外自然生长，直至成熟。 2 2 2 灌浆期 试验于2 0 0 7 年在四川农业大学水稻研究所进行，除试验处理时期为灌浆期 ( 即开花后第7 天开始连续处理7 天) 外，设计同管理同开花期试验处理。 2 2 3 全生育期 试验于2 0 0 7 年在四川温江四川农业大学水稻研究所进行。冈优5 2 7 、d 优 5 2 7 、i i 优7 号、内香优2 号于4 月l o 同播种，汕优6 3 于4 月15 同播种( 以使 5 个品种的抽穗开花期保持一致) ，待秧苗5 叶l 心时，每个品种选取生长整齐一 致的秧苗，一部分移栽于大田，另选一些移栽于玻璃温室，关闭温室的门窗，使 温室内气温较田间气温高4 c 左右，让其全生育期都处在高温环境中生长，表1 2 所示为开花期前、后1 5 天温室内外1 0 ：0 0 、1 3 ：o o 、1 6 ：0 0 穗部温度的平均值。 并于分蘖期、孕穗期、开花期、灌浆期以大罔为对照分别进行项目测定，成熟时 考种。 2 。3 调查测定项目和方法 2 3 1 开花期、灌浆期 高温处理结束后，立即对处理及对照剑叶进行生理 指标测定。 2 3 1 1 叶绿素含量用日本产s p a d 一5 0 1 型叶绿素测定仪测定叶绿素含量s p a d 值，每处理测1 0 片叶，取平均值；用分光光度法【5 0 1 测定各叶绿素成分含量。 2 3 1 2 净光合速率用美国产l i 6 4 0 0 便携式光合仪于上午9 0 0 1 1 3 0 进行测定， 每处理选3 张叶片重复测定3 次，取平均值。 2 3 1 3 可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定【5 0 1 。 2 3 1 4 可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝g - 2 5 0 染色法测定【5 0 l 2 3 1 5 脯氨酸含量采用磺基水杨酸提取，茚三酮显色法测定【5 0 1 。 2 3 1 6 丙二醛含量( m d a ) 采用硫代巴比妥酸比色法【5 0 】测定。 2 3 1 7 抗氧化保护性酶活性参照任红旭等方法【5 1 1 提取酶液，酶活性按李合生方 法【5 0 】测定。 2 3 2 全生育期 2 3 2 1 叶片叶绿素含量和光合速率：从孕穗期丌始每隔1 0 天用叶绿素仪测定 叶片叶绿素含量s p a d 值，每品种取1 0 片叶平均；用光合测定仪测定叶片净光 合速率，重复3 次，测定时间选择晴天上午9 ：0 0 1 1 ：3 0 。 2 3 2 2 一些生理指标的测定：各小区分别于孕穗期、抽穗开花期和灌浆期选 取代表性剑叶，用氮蓝四唑( n b t ) 法测定s o d 活力；用硫代巴比妥酸比色 法【5 0 1 测定丙二醛含- 量( m d a ) ；用葸酮比色法测定【5 0 l 可溶性糖含量；用磺基水杨 酸提取，茚三酮显色法测定【5 0 1 脯氨酸含量。 2 3 2 3 叶面积、干物质积累和运转：抽穗丌花期和成熟期时分别测定各器官 ( 穗，叶，茎干) 干物质及总干物重，计算茎鞘物质输出量、输出率和转换率。 2 3 2 4 考种与计产：成熟时分处理和大f f l 对照进行考种，考查实粒数、空秕粒 数、千粒重，并去除四周边行、杂株，按实株计产。 2 4 统计分析方法 由于作物在不同生育期耐热性有差异，所以本试验确定了不同的基本鉴定指 标。 为消除背景因素对结实率的影响，以热敏感指数作为开花期耐热性的基本鉴 定指标。热敏感指数( h e a ts u s c e p t i b i l i t yi n d e x ，h s i ) = ( 常温结实率高温结实率) 1 2 常温结实率1 0 0 。 变化幅度= ( 高温胁迫值常温对照值) 常温对照值1 0 0 ，正值表示升高， 负值表示降低。 按“胁迫指数= 高温胁迫处理性状值常温对照性状值”分别计算出每一品种 各项性状的灌浆期耐热指数。为了最终能正确地计算、运用耐热隶属函数值，必 须统一各项性状指标的方向。为此，与耐热性方向不一致的性状，用“反胁迫指 数= 1 ( 高温胁迫处理性状值常温对照性状值) = 常温对照性状值高温胁迫处理 性状值”来计算其耐热指数( 表7 ) 。耐热指数( h e a tt o l e r a n c ec o e f f i c i e n t ，h t c ) = 高温胁迫产量常温对照产量 茎鞘物质输出率= ( 抽穗期茎鞘干重成熟期茎鞘干重) 抽穗期茎鞘干重10 0 茎鞘物质转化率= ( 抽穗期茎鞘干重成熟期茎鞘干重) 籽粒干重x1 0 0 所测数据在e x c e l 、s p s s 软件中进行分析和处理。 3 结果与分析 3 1 开花期高温胁迫对水稻的影响 3 1 1 高温处理对结实率的影响及品种耐热性评定 从表1 可以看出，高温处理后，各品种的结实率显著下降，下降程度都在 2 8 以上，由于品种间的耐热性差异，结实率下降幅度不同，各品种的热敏感指 数存在极显著性差异( t = 1 0 2 4 1 ) 。根据热敏感指数大小，5 个品种的耐热性排序为 汕优6 3 d 优5 2 7 冈优5 2 7 i i 优7 号 内香优2 号。 表l 高温、对照结实率和热敏感指数 t a b l e1p e r c e n t a g eo f s e e ds e t t i n gr a t ea n dh e a ts u s c e p t i b i l i t yi n d e x 注：同列数据后所带字母分别表示在0 0 5 和o 0 1 水平上差异显著性。 n o t e ：f i g u r e sf o l l o w e db yd i f f e r e n tl e t t e r sw i t h i nt h es a m ec o l u m nm e a ns i g n i f i c a n ta to 0 5a n do 0 ll e v e l r e s p e c t i v e l y 3 1 2 高温胁迫下水稻叶片叶绿素含量及光合速率及其与耐热性的关 系 由表2 可以看出，各品种的叶绿素总量比对照均有所下降，说明高温加速了 叶片叶绿素的衰减，但不同品种间下降程度有差异，耐热性强的品种下降幅度明 显要低于耐热性差的品种，其下降幅度与品种的热敏感指数有显著相关关系。在 开花期高温处理后，其叶片光合速率也明显低于对照，其下降幅度与品种的热敏 感指数的相关关系不显著，但对照的光合速率与品种的热敏感指数有显著负相关 关系。 1 4 表2 高温胁迫下水稻叶片叶绿素含量及光合速率与耐热性的关系 t a b l ezt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nc h l o r o p h y l lc o n t e n t ，p h o t o s y n t h e s i sr a t eo fl e a v e sa n d h e a tt o l e r a n c eo fc u l t i v a r s 注：r 指各指标与热敏感指数的相关系数。搴。宰丰分别表示达到0 0 5 和0 0 1 的显著水平，后同。 n o t e ：rm e a l l sc o r r e l a t i o nm a t r i xo f t h es i n g l ei n d e xa n dh i s ， ，m e a ns i g n i f i c a n ta t0 0 5a n do 。o ll e v e l ，r e s p e c t i v e l y , t h es a l t i ca sb e l l o w 表3 高温胁迫下水稻叶片游离脯氨酸、可溶性糖、m d a 含量和品种耐热性的关系 t a b l e3t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e np r o l i n e ，s o l u b l es u g a r , m d ac o n t e n ta n dh e a tt o l e r a n c eo f c u l t i v a r s 网优5 2 7 g a n g y o u 5 2 7 1 4 0 9o 8 0 17 5 8 6 d 优5 2 7 d i y o u 5 2 7 l ，31 60 6 7 59 5 i i 优7 号 e r y o u 7 1 1 1 40 7 5 64 7 3 内香优2 号 n e i x i a n g y o u 2 0 8 4 90 6 7 82 5 1 7 汕优6 3 5 4 03 7l4 5 4 50 5 7 00 4 7 52 0 4 9 2 5 0 6 4 0 2 3 ，4 54 2 5 60 5 3 80 4 5 2 3 2 4 2 9 4 5 6 2 30 4 9 00 3 9 72 3 4l 3 6 8 90 。6 1 30 4 6 l3 3 s h a n y o u 6 3 1 7 5 4 0 8 7 7 1 0 05 6 23 ，8 74 5 2 60 4 9 50 4 3 21 4 5 6 r0 9 3 9 o 6 0o 9 8 0 0 8 8 0o 9180 2 4 90 , 6 4 00 0 6 4o 9 91 3 1 3 高温胁迫下叶片脯氨酸、可溶性糖含量及其与耐热性的关系 表3 表明，游离脯氨酸和可溶性糖作为细胞内重要的渗透调节物质，在开花 期高温胁迫条件下，其含量均明显高于对照，总趋势是耐热性强的品种，其含量 增加幅度较大，反之，耐热性弱的品种，增加幅度较小。游离脯氨酸含量的变化 幅度与品种热敏感指数呈极