高温下水稻开花习性对受精率的影响.doc

高温下水稻开花习性对受精率的影响周建霞张玉屏朱德峰林贤青向镜陈惠哲胡声博(中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室,杭州;通讯联系人,Email:cnriceqqcom) InfluenceofFloweringCharacteristicsonSpikeletFertilityunderHighTemperatureZHOUJianxia,ZHANGYuping,ZHUDefeng,LINXianqing,XIANGJing,CHENHuizhe,HUShengbo(StateKeyLaboratoryofRiceBiology,ChinaNationalRiceResearchInstitute,Hangzhou,China;Correspondingauthor,Email:cnriceqqcom)ZHOUJianxia,ZHANGYuping,ZHUDefeng,etalInfluenceoffloweringcharacteristicsonspikeletfertilityunderhightemperatureChinJRiceSci,():Abstract:you(mediumheatsensitive)andyou(heattolerant)weresubjectedtoheatstress(ninedaysorthreedays,)inphytotronatfloweringstagetodeterminetheinfluenceoffloweringcharacteristicsonspikeletfertilityunderhightemperatureTheresultsshowedthathightemperatureresultedinearlyfloweringofyouandyou,andtheformerhadobviousfloweringpeak,yetthelatterhadloworindistinctfloweringpeaksTherewasobviousinteractionbetweentemperatureandexposuredurationforyou,andspikeletfertilityreducedasthermalexposureprolongedHightemperaturedurationandtemperaturechangingpattern,whichhadaneffectonfloweringhabitinrice,affectedspikeletfertilitygreatlyKeywords:rice;floweringcharacteristics;spikeletfertility;hightemperature周建霞,张玉屏,朱德峰,等高温下水稻开花习性对受精率的影响中国水稻科学,():摘要:以籼稻优(中等敏感)和优号(耐高温)为材料采用人工气候箱在水稻抽穗开花期进行高温处理,研究高温下颖花开放特性对受精率的影响.结果表明,高温下优号与优花时较对照提前,优号花时集中,而优花时分散;优处理温度与高温处理时间之间存在互作,随着高温处理时间延长受精率下降;高温处理时段和变温模式直接影响水稻的开花习性,对受精率的影响很大.关键词:水稻;开花习性;受精率;高温中图分类号:Q;Q文献标识码:A文章编号:()由于人为和自然因素,全球温度将在世纪末升高.目前大部分水稻的生长温度接近最适宜生长温度.因此,生长期内平均温度升高或敏感期内偶尔出现的高温都会使水稻减产,如果不研究其机理并采取相应的防御措施,水稻的产量预计会在世纪末降低.水稻对高温敏感的时期,首先是抽穗开花期,其次为花粉母细胞减数分裂期和花粉充实期.在抽穗开花期内,开花当天高温的影响最大,其次是开花前d,而开花后d的影响相对较小.开花当天又以开花时最敏感,其次为临开花前,开花后h影响较小.开花时高温引起小穗不育主要是散粉性不好,花粉活力降低,柱头上萌发花粉粒数少引起的,而雌蕊的功能一般是正常的.陶龙兴等研究表明,高温对水稻开花习性的影响首先是花期缩短,花期集中,“粒间顶端优势”有所减弱;其次是花时分散,开花峰期峰值下降,虽未见花时提前,但见日初花量增加与花时向后延长h.Jagadish等研究表明,高温下,耐热品种IR和敏感品种Azucena在下开花高峰均比下提前min,除此之外,IR高温下开花数增加,Azucena开花数减少.Jagadish等还指出收稿日期:;修改稿收到日期:.基金项目:公益性行业(农业)科研专项(,);现代农业产业技术体系建设专项(CARSB).中国水稻科学(ChinJRiceSci),():http:/wwwricescicnDOI:/jissn小穗的不育性和颖花开放时刻与高温处理时段有关,试验中不育率低的处理中有更多的小穗在高温处理前完成开花从而避开了高温.小穗不育是由开花时高温引起的,开花h后的高温对受精率则没有影响.因此,高温对开花的影响,包括开花模式和开花速率,对于表征耐热性非常重要.以前的研究主要集中在小穗热害的生物学含义即热害对花粉粒大小、生理活性、柱头着粒数量及花药开裂时间、开裂程度等,而本研究以两个籼稻品种优号(耐热)和优(中等敏感)为供试品种来研究高温下水稻开花特性对受精率的影响.材料与方法供试品种与种植方式试验于年在中国水稻研究所富阳试验基地网室采用盆栽、人工气候箱模拟高温逆境的方法进行.智能人工气候箱具有自动变换温度湿度功能,并且可以保持气候箱内任何位置温度与设置的温度相差不超过,处理期间气候箱内湿度为.供试品种为优和优号.试验用盆高cm,直径cm,每盆装过筛均匀干土kg,每盆种植生长一致的秧苗丛.分蘖期除去多余分蘖,每丛保留个长势一致的分蘖.试验方法高温时段试验开花前、开花时和开花h后进行h高温处理(未进行高温处理的时段,植株放在气候箱附近),以气候箱外开放的颖花为室外对照,每个处理盆,处理时间为月日,选取的颖花均为:之间开放的颖花.开花前、开花时和开花后高温处理d(,:),每个处理盆(未进行高温处理的时段,植株放在气候箱附近).处理时间优为月日至月日,优号为月日至月日.颖花开放试验设置和两个温度,处理变温模式如下:(:),(:),(:),(:次日:);处理变温模式如下:(:),(:),(:),(:次日:).每个处理两盆,当每盆有个破口时放入气候箱内处理,室外对照放在气候箱附近,连续处理d.处理时间优为月日至月日,优号为月日至月日.每盆选取个穗标记,标记每h颖花开放数目,每天用不同的颜色标记.设置和两个温度进行处理,处理具体如下:(:),(:次日:);处理具体如下:(:),(:次日:).抽穗期第天高温,第天常温或者抽穗期第天常温,第天高温.优处理时间为月日至月日,优号为月日至月日.每盆选取刚破口的穗子个,用记号笔标记每天开放的颖花.水稻成熟时考种,分别计算抽穗期第天和第天开放颖花的受精率.测试项目与方法花药开裂观察当天已经开放的小花在FAA液中固定,经IKI染色后在显微镜下观察.花粉可染性每穗不同部位颖花置于FAA固定液中贮存,经IKI染色后在显微镜下观察.柱头上花粉数取朵当天已经开放的小花在FAA液中固定,用苯胺蓝染色,借助荧光显微镜观察柱头上花粉粒的数目.受精率受精率(饱粒数秕粒数)/(饱粒数秕粒数空粒数),空秕粒的鉴定按照陶龙兴等的方法进行.数据统计用EXCEL和SAS进行统计分析和作图.结果与分析高温时段试验优和优号均是开花时高温处理h受精率最低,而开花前和开花后h高温处理对受精率没有影响(图A).由图可见,开花时h高温处理严重影响优散粉,而对优号影响不大,柱头上萌发的花粉数目两个品种都显著下降.虽然开花前h高温处理对受精率没有影中国水稻科学(ChinJRiceSci)第卷第期(年月)OBF开花前高温处理h;ODF开花时高温处理h;OAF开花后高温处理h.TBF,ODBF,DF,ODAF,TAF分别指开花前d,开花前d,开花当天,开花后d,开花后d高温处理d.Bar值为SD.同一品种不同处理,柱上标相同字母者表示差异未达显著水平.OBF,ODF,OAFindicateexposuretoheatstressforonehourbefore,during,afterflowering,respectively;TBF,ODBF,DF,ODAF,TAFindicateonedayexposuretoheatstressd,dbeforeflowering,duringflowering,andd,dafterfloweringBarsindicateSDForacultivar,thecommonlowercaselettersindicatenodifferenceamongthetreatmentsatsignificancelevel图高温处理时段对水稻受精率的影响FigEffectsofheatstresspatternonspikeletfertilityA,D,G,J开花前高温处理h;B,E,H,K开花时高温处理h;C,F,I,L开花后高温处理h.A,D,G,J,Heatstressforhbeforeflowering;B,E,H,K,Heatstressforhduringflowering;C,F,I,L,Heatstressforhafterflowering图高温处理时段对柱头上花粉萌发和花药开裂的影响FigEffectsofheatstresspatternonpollengraingerminationonstigmaandantherdehiscence周建霞等:高温下水稻开花习性对受精率的影响表高温下水稻在各个时段开花比例TablePercentageofspikeletsatfloweringfortestedricevarietiesunderhightemperature品种Cultivar处理Treatment前Before后After优you对照CKbabbaabac优号you对照CKbabbabbac同一行中,数据后跟相同小写字母表示差异未达显著水平.Withinarow,figuresfollowedbycommonlowercaselettersarenotdifferentatsignificancelevel响,但优的花药开裂程度较小,优和优号柱头上的花粉数目都明显减少.由图B可见,两个品种都是开花当天受精率显著下降.除此之外,开花前d高温对优的受精率有显著影响,而对优号则影响不大.颖花开放试验高温对水稻开花习性的影响高温下优和优号开花较对照提前,高温扰乱了优的日开花习性,对优号影响较小(图);高温下优号较对照花期缩短,高温对优影响较小(图);最后,高温处理时间之外两个品种都有开放,优和优号分别有、在高温阶段外开放(表),这对整穗的受精率必定会产生影响.高温对受精率的影响随高温处理天数的增加,两品种受精率呈逐渐下降趋势,优较优号更为明显(图).此外,由表可以看出,两籼稻品种高温前开放的颖花柱头萌发花粉数显著多于高温处理期间开放的颖花,早开花特性有利于避开高温.不同时期高温处理对颖花开放和受精率的影响由图可以看出,高温促进优号开花,对优的影响较小.由图可以看出,优在TH处理中,后d常温下的受精率低于TN处理前d(常温)的受精率,优号则是TH后d的受精率与TN的前d差不多.总之,高温促进优号开花,高温对优的伤害有累积作优、优号颖花在月日(多云)开放.you,youanthesisonAugust(cloudy)图高温对水稻开花数目的影响FigEffectsofheatstressonnumberoffloweringspikelets中国水稻科学(ChinJRiceSci)第卷第期(年月)图高温对水稻每日开花数目累积百分率的影响FigCumulativedailypercentageofspikeletsatanthesisunderhightemperaturestress图高温对水稻每日受精率的影响FigEffectsofheatstressondailyspikeletfertility用.所以长时期高温下较短的开花期有利于获得较高的受精率.讨论颖花开放特性与受精率的关系籼稻的开花高峰期对温度变动的反应较粳稻敏感.高温下优号与优花时较对照提前,优号花时集中,而优花时分散,高温严重打乱了优的开花模式.开花时高温对受精率影响最大,而开花前高温影响其次,开花后高温影响最小,这与前人的研究结果一致.优号和优在高温前或高温后开花则一定程度上避开了高温.随着高温处理时间的延长,优的受精率明显下降,高温的延长对优号的影响则相对较小.开花前高温处理d对优的受精率影响很大,对优号的影响则不明显.说明高温对优的伤害有很强的累积性.Jagadish等研究的粳稻品种Azucena也存在很强的温度与时间的互作影响.颖花开放试验表明,高温增加了优号的每日开花数目,对优的影响较小.同样的高温下,优号的受精率并不比优高,但高温对其的累积伤害要小.因此,开花期提前有利于减少这种高温累积作用.除此之外,陶龙兴等研究还表明这可以使“粒间顶端优势”减弱,平均粒重提高.周建霞等:高温下水稻开花习性对受精率的影响TH指抽穗期前d高温处理,后d常温;TN指抽穗期前d常温,后d高温处理.TH,Subjectedtoheatstressinthefirstdaysduringheadingandintheseconddaysduringheading;TNistheopposite图不同时期高温对颖花开放的影响FigPercentageofspikeletsatanthesisexposedtohightemperatareT,;T,;T,图不同时期高温处理对水稻受精率的影响FigSpikeletfertilityinriceexposedtohightemperaturefordifferentdurations表供试水稻品种高温处理d后柱头萌发花粉数()TableNumberofgerminatedpollenonstigmafortestedricevarietiesonedayafterheattreatment()时段Period优you优号you:前Before:aa:后After:bb同一列中,数据后跟相同小写字母表示差异未达显著水平.Withinacolumn,figuresfollowedbycommonlowercaselettersarenotdifferentatsignificancelevel水稻耐高温胁迫能力存在基因型间的差异.开花较早,花粉活性高,花药长,花药基部开裂长度较长、开裂孔较大,是水稻耐高温胁迫的重要表型指标.热激蛋白的表达,提高花药的抗氧化能力,以及维持结构蛋白、酶和细胞膜的稳定性是增强柱头及柱头上花粉粒耐高温胁迫的重要生理机制.本研究中高温下优号较高温下花药开裂和散粉好(未发表数据),并且受开花前高温影响较小,高温对其累积伤害低,所以较优受精率高.因此,在水稻栽培和育种工作中,可选用花时较早,花期较短的水稻品种或通过人工措施调节花时和花期来减轻高温热害.高温设置方式对颖花开放的影响颖花开放时刻是否遭遇高温对其受精率影响很大.开花时间受遗传控制,也受到天气影响,尤其是中国水稻科学(ChinJRiceSci)第卷第期(年月)受温度的影响,因此,试验中高温模式的设置至关重要.目前常用的高温模式为短时高温,、长时高温和昼夜恒温.变温模式也存在很多方式,主要有直接升温、逐渐升温、正弦波形升温、分段式升温等.目前为止,升温模式仍然是高温诱导不育的另一个考虑因子.本研究采用了两种温度模式,逐步升温的短时段高温和直接升温的长时段高温.在颖花开放试验里()高温设置中就有很多颖花在非高温处理时间开放,即高温处理前和高温解除后开放,()高温设置中则是所有颖花均在高温下开放.在自然环境下,升温模式则主要是由气候类型(大陆性气候或海洋性气候)和某天的天气情况决定的.除此之外,在人为模拟高温进行高温鉴定时,温度的设置模式非常重要,在鉴定水稻耐热性时,升温模式、高温开始时间、高温持续时间、降温模式对开花的影响也应该考虑进去.参考文献:PachauriRKClimatechangeSynthesisreportContributionofWorkingGroupsI,IIandIIItothefourthassessmentreportCeccarelliS,GrandoS,MaatouguiM,etalPlantbreedingandclimatechangesJAgricSci,():任昌福,张洪松高温对杂交水稻开花结实的影响西南农学院学报,():李贤勇,李顺武,何永歆,等穗层自然高温对杂交水稻结实的影响西南农业学报,():MatsuiT,OmasaK,HorieTHightemperatureatfloweringinhibitsswellingofpollengrains,adrivingforceforthecaedehiscenceinrice(OryzasativaL)PlantProdSci,():MatsuiT,OmasaK,HorieTThedifferenceinsterilityduetohightemperaturesduringthefloweringperiodamongjaponicaricevarietiesPlantProdSci,():PrasadPVV,BooteKJ,AllenLH,etalSpecies,ecotypeandcultivardifferencesinspikeletfertilityandharvestindexofriceinresponsetohightemperaturestressFieldCropsRes,(/):SatakeT,YoshidaSHightemperatureinducedsterilityinindicaricesatfloweringJpnJCropSci,:陶龙兴,谈惠娟,王熹,等高温胁迫对国稻号开花结实习性的影响作物学报,():JagadishSVK,CraufurdPQ,WheelerTRHightemperaturestressandspikeletfertilityinrice(OryzasativaL)JExpBot,():王建军,申宗坦,石守鋆籼粳稻开花习性与遗传杂交水稻,:陈仁天,唐茂艳,王强,等水稻花期高温胁迫影响颖花育性生理机理研究进展南方农业学报,():KobayasiK,MasuiH,AtsutaY,etalFlowerOpeningTimeinriceCultivarDifferenceandEffectofWeatherFactorsJagadishS,MuthurajanR,OaneR,etalPhysiologicalandproteomicapproachestoaddressheattoleranceduringanthesisinrice(OryzasativaL)JExpBot,():RangZ,JagadishS,ZhouQ,etalEffectofhightemperatureandwaterstressonpollengerminationandspikeletfert