盐胁迫对水稻籽粒灌浆特性及产量形成的影响

韦还和 张 翔 朱 旺 耿孝宇 马唯一 左博源 孟天瑶高平磊 陈英龙 许 轲 戴其根,*

1 江苏省作物遗传生理重点实验室 / 江苏省作物栽培生理重点实验室 / 江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心 / 扬州大学水稻产业工程技术研究院 / 农业农村部盐碱土改良与利用(滨海盐碱地)重点实验室 / 国家耐盐碱水稻技术创新中心华东中心, 扬州大学, 江苏扬州 225009; 2 扬州大学教育部农业与农产品安全国际合作联合实验室 / 扬州大学农业科技发展研究院, 扬州大学 225009

水稻是我国第一大口粮作物, 在粮食安全中起着举足轻重的作用[1]。当前, 我国粮食安全面临粮食需求迅速增长、耕地面积不断减少、淡水资源日益稀缺等多重挑战, “人、地、粮”矛盾依旧突出[2]。我国有234 万公顷沿海滩涂和1 亿公顷内陆盐碱地, 是我国最重要的后备耕地资源, 综合利用潜力巨大[3]。盐胁迫对水稻生长发育和产量形成的影响一直备受关注。如盐胁迫易破坏叶绿体结构, 降低叶绿素含量和叶片净光合速率, 进而抑制植株光合作用和同化物积累, 不仅加剧光合产物在主茎与分蘖之间的竞争, 引起部分分蘖因难以获得充足的养分而未能成穗; 而且加快植株衰老进程, 花后干物质积累量少, 库容充实差, 最终导致产量损失[4-5]。我国正大力开发利用沿海滩涂发展水稻生产, 但沿海滩涂水稻产量低且稳产性差[6-7], 一个重要原因是对盐胁迫下水稻生育特点和产量形成的研究不够深入和全面。水稻籽粒灌浆是影响水稻籽粒充实程度和产量形成的重要生理过程[8-9]。前人根据颖花开花时期的先后和在穗部着生位置的不同划分为强势粒和弱势粒。一般而言, 强势粒着生在稻穗上部、开花早、灌浆快、充实好; 弱势粒则着生在稻穗下部、开花迟、灌浆慢、充实差[10]。朱庆森等[11]采用Richards方程拟合了水稻强、弱势粒的灌浆动态过程, 并对强、弱势粒的灌浆特性及其与水稻产量形成的内在联系进行了深入分析。已有研究基于Richards 方程拟合分析了盐碱、高温、干旱、低温等非生物逆境胁迫对水稻籽粒灌浆特性的影响[12-15]。如左静红研究表明[13], 在轻、中、重度苏打盐碱胁迫条件下, 耐盐碱水稻品种与盐碱敏感水稻品种强势粒灌浆特性受外界因子影响作用较弱势粒小, 且一次枝梗性状相对于二次枝梗性状较为稳定。目前, 关于盐胁迫下水稻籽粒灌浆特性及其与产量形成的关联性研究较少, 且缺乏深入系统报道。本研究从籽粒灌浆特性角度深入探讨盐胁迫下水稻产量形成特征, 以期为江苏沿海滩涂水稻丰产栽培和灌浆阶段的管理调控提供理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

以江苏沿海滩涂主栽的常规粳稻南粳9108 和淮稻5 号为试验材料; 南粳9108 和淮稻5 号抽穗期和成熟期以及全生育期天数均较为一致。

1.2 试验设计与栽培管理

试验于2021年和2022年在扬州大学农学院试验农场盐池进行, 共12个盐池, 每个盐池内长3.6 m、内宽1.5 m、内深0.5 m。设置3个盐浓度梯度处理, 即对照(CK, 盐浓度0)、中盐(Medium-salinity stress,MS, 盐浓度0.15%)和高盐(High-salinity stress, HS,盐浓度0.3%)。每处理小区面积5.4 m2(3.6 m × 1.5 m),2次重复。各盐浓度处理小区按土壤体积、密度和盐浓度计算出各小区应施用的海盐重量(海盐选用浙江蓝海星盐制品厂生产的Q/ZLY型速溶海水晶), 并水稻秧苗移栽前3 d, 将海盐撒施至对应盐池中, 充分搅拌均匀。盐池上方建有遮雨棚, 以防因降雨引起池内盐分变化。

2 年中参试水稻品种均于5 月21 日播种, 采用塑料软盘旱育秧, 6 月 10 日移栽。栽插密度为33.3 hill m-2(25 cm×12 cm), 每穴4 苗栽插。总施氮量270 kg hm-2, 基蘖肥∶穗肥 = 6∶4, 其中基肥在移栽前1 d 施用, 分蘖肥于移栽后10 d 施用, 穗肥于倒四叶、倒二叶等量施用。施过磷酸钙(含12% P2O5)1125 kg hm-2, 作基肥一次施用; 钾肥50%作为基肥,50%于倒四叶施用。秧苗移栽后采用湿润灌溉; 有效分蘖临界叶龄期的前1 个叶龄, 开始控水搁田; 拔节至成熟期实行干湿交替灌溉。病虫草害防治按常规高产栽培要求进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物重 于拔节期、抽穗期和成熟期进行取样, 每个处理取4穴。取样植株分成叶、茎鞘、穗3个部分放入烘箱中, 在80℃下进行恒温烘干, 待达到恒重后称重。

1.3.2 净光合速率和相对叶绿素含量 于抽穗后15 d和30 d, 选择晴天上午09:00—11:00, 利用Li-6400XT (Li-Cor, Lincoln Inc. 美国)便携式光合仪测定剑叶光合速率, 重复测定3次计算平均值。采用SPAD-520叶绿素仪测定叶片相对叶绿素含量。

1.3.3 籽粒灌浆动态 于抽穗期一次选择并标记同日始花、生长基本一致的稻穗250穗, 自开花至成熟期每隔4 d取标记穗8个, 按强势粒(穗顶部一次枝梗的籽粒)和弱势粒(穗基部2次枝梗的籽粒)分类。将取好的籽粒在80℃烘72 h至恒重, 然后剥壳称重,测定籽粒增重动态。

参照朱庆森等[11]的方法, 采用Richards 方法对籽粒灌浆过程进行拟合, 并计算相应的灌浆特征参数, 分析籽粒灌浆特性。以米粒重量W(去除谷壳)为因变量、开花后天数为自变量(开花当天为0), 用非线性最小平方法配成Richards 方程:

式中,W为各期米粒重量(mg),A为终极生长量(mg),t为开花后天数(d),B、N、K为方程参数。

籽粒灌浆特征参数的具体计算公式为:

灌浆阶段前期(0-t1)、中期(t2-t1)和后期(t3-t2)灌浆参数计算公式为:

1.3.4 强、弱势粒淀粉合成关键酶活性 各处理分别于穗后15、30 和45 d, 取标记穗5 个, 按强势粒(穗顶部一次枝梗的籽粒)和弱势粒(穗基部2 次枝梗的籽粒)分类, 于液氮中速冻3 min, 放入-70℃冰箱内保存, 按程方民等[16]的方法测定强、弱势粒籽粒的腺苷二磷酸焦磷酸化酶(AGPase)、淀粉合成酶(SSS)和颗粒型淀粉合成酶(GBSS)活性; 按照李太贵等[17]方法测定强、弱势粒籽粒的淀粉分支酶(SBE)活性。

1.3.5 产量测定 成熟期每处理调查100 穴, 计算有效穗数; 取20 穴调查每穗粒数、结实率和测定千粒重, 对每穗强势粒和弱势粒的籽粒数、结实率和千粒重进行测定。每小区实产收割50 穴, 脱粒后晾晒并称重。

1.4 数据处理

运用Microsoft Excel软件录入数据、计算, 用DPS软件作统计分析。

2 结果与分析

2.1 产量与穗部特征

由表1 可知, 盐胁迫处理显著降低水稻产量。与对照相比, 中盐和高盐胁迫下南粳9108 产量的降幅分别为23.8%～28.6%和56.4%～58.9%, 而淮稻5号的降幅依次为24.2%～27.8%和56.8%～ 58.9%。产量构成因素方面, 盐胁迫显著降低了穗数和每穗粒数。与对照相比, 南粳9108 中盐和高盐胁迫下穗数分别下降8.5%和20.7%, 每穗粒数分别下降13.9%和32.3%; 淮稻5 号中盐和高盐胁迫下穗数分别下降4.6%和19.6%, 每穗粒数分别下降16.6%和36.7%(2 年平均值)。就结实率和千粒重而言, 中盐和高盐处理下的结实率和千粒重均低于对照。方差分析结果表明, 水稻产量及其构成因素在处理间存在显著、极显著差异, 而在年份、年份 × 品种、年份 ×处理间均无显著差异(表1)。因此, 若无特殊说明,下文数据以2 年数据的平均值进行整理分析。

表1 盐胁迫对水稻产量及其构成因素的影响Table 1 Effects of salinity stress on rice grain yield and its components

中盐和高盐处理下水稻穗长较对照分别下降9.3%～9.6%和12.3%～12.5%。对南粳9108 和淮稻5号而言, 每穗强势粒的籽粒数均低于弱势粒的籽粒数, 结实率和千粒重则呈相反趋势。与对照相比, 中盐和高盐胁迫均降低了每穗强势粒和弱势粒的籽粒数、结实率和千粒重。盐胁迫下每穗强势粒的结实率和千粒重的降幅均低于弱势粒。如中盐和高盐胁迫下淮稻5 号每穗强势粒的千粒重的降幅分别为1.3 g(4.7%)和2.9 g (10.4%), 均低于中盐和高盐胁迫下弱势粒的降幅(1.6 g 和6.7%; 3.3 g 和13.9%) (表2)。

表2 盐胁迫对水稻穗部特征的影响Table 2 Effects of salinity stress on rice panicle traits

2.2 干物重和叶片光合特性

不同处理之间在拔节期、抽穗期和成熟期干物重差异均显著。与对照相比, 中盐和高盐胁迫下植株拔节期干物重分别低29.3%和51.1%; 抽穗期分别低26.7%和58.2%; 成熟期则分别低29.4%和61.0%(两品种平均)。与对照相比, 盐胁迫显著降低拔节期至抽穗期和抽穗期至成熟期干物质积累量。中盐和高盐胁迫下拔节期至抽穗期干物质积累量较对照分别低24.7%和63.6%, 抽穗期至成熟期干物质积累量则分别下降33.9%和65.5% (两品种平均)。对南粳9108 和淮稻5 号而言, 高盐和中盐胁迫下收获指数分别为0.538和0.519, 均显著高于对照(0.497) (表3)。

表3 盐胁迫对水稻干物重和收获指数的影响Table 3 Effects of salinity stress on dry matter weight and harvest index of rice

盐胁迫下水稻抽穗后15 d 和30 d 叶片净光合速率均低于对照。中盐和高盐胁迫下水稻抽穗后15 d叶片净光合速率(µmol m-2s-1)分别为21.5 和19.0,较对照(23.1)分别低7.1%和18.0% (两品种平均); 水稻抽穗后30 d 叶片净光合速率较对照分别低6.4%和20.2% (两品种平均)。与之类似, 盐胁迫下水稻抽穗后15 d 和30 d 叶片相对叶绿素含量均显著低于对照(表4)。

表4 盐胁迫对水稻抽穗后叶片净光合速率和相对叶绿素含量的影响Table 4 Effects of salinity stress on leaf photosynthetic rate and SPAD values of rice after heading

2.3 籽粒增重动态及拟合方程

由图1 可知, 对照和盐胁迫下水稻穗部强势粒粒抽穗后籽粒灌浆动态较为相似, 弱势粒亦呈类似趋势。对照和盐胁迫下水稻强势粒灌浆呈先快速上升后趋于平缓, 弱势粒籽粒灌浆曲线更近于直线(图1)。以抽穗后天数为自变量, 对应的米粒重为依变量, 拟合分析对照和盐胁迫下南粳9108 和淮稻5号穗部强、弱势粒籽粒增重过程, 各自最适的拟合曲线见表5。由表5 可知, 对照和盐胁迫处理下南粳9108 和淮稻5 号穗部强、弱势粒籽粒灌浆过程均以Richards 方程拟合较为适宜, 拟合系数一般都在0.980 左右(表5)。

表5 盐胁迫下水稻籽粒灌浆过程的拟合方程Table 5 Stimulation equations of grain-filling process of rice under salinity stress

2.4 籽粒灌浆特征参数

对照和盐胁迫下水稻穗部强势粒和弱势粒灌浆速率均呈先增加后下降趋势。与对照相比, 盐胁迫处理降低了强势粒和弱势粒灌浆阶段的最大灌浆速率和平均灌浆速率。如中盐和高盐胁迫下强势粒灌浆阶段的最大灌浆速率(mg grain-1d-1)分别为1.25和1.19 (两品种平均), 较对照(1.37)分别下降8.8%和13.1%。盐胁迫处理下强势粒和弱势粒达最大灌浆速率的时间和有效灌浆天数均高于对照。如中盐胁迫处理下强势粒和弱势粒达最大灌浆速率的时间和有效灌浆天数(d)分别为17.9 d 和29.2 d, 较对照(15.0和24.3)分别高19.3%和20.2% (两品种平均) (图2 和表6)。

图2 盐胁迫下水稻籽粒灌浆阶段的灌浆速率Fig. 2 Dynamics in grain-filling rate of rice under salinity stress

表6 盐胁迫下水稻籽粒灌浆特征参数Table 6 Grain-filling parameters of rice under salinity stress

根据灌浆速率曲线的2 个拐点, 将籽粒灌浆过程划分为前期、中期和后期3 个阶段(表7)。就强势粒和弱势粒而言, 强势粒在灌浆前、中、后期的平均灌浆速率均高于弱势粒, 灌浆前、中、后期的天数和灌浆量则呈相反趋势; 且强、弱势粒灌浆前、中、后期的灌浆量差异随盐胁迫程度的增加呈下降趋势。盐胁迫处理下强势粒和弱势粒灌浆前、中、后期的天数均高于对照, 平均灌浆速率和灌浆量则低于对照。如中盐和高盐胁迫下水稻灌浆中期强势粒的灌浆量(mg)分别为121.6 和109.0, 较对照(145.5)分别低16.4%和25.1% (两品种平均) (表7)。

表7 盐胁迫下水稻籽粒灌浆前、中、后期3 个阶段的特征Table 7 Grain-filling characteristics of early, middle, and late stages of rice under salinity stress

2.5 淀粉合成关键酶活性

水稻强、弱势粒中AGPase、SBE、GBSS 和SSS酶活性在抽穗后呈先升高后下降的单峰曲线变化,以花后30 d 的AGPase、SBE、GBSS 和SSS 酶活性最高。与对照相比, 中盐和高盐胁迫显著降低了水稻强、弱势粒中AGPase、SBE、GBSS 和SSS 酶活性, 且在高盐胁迫下AGPase、SBE、GBSS 和SSS酶活性的下降幅度更大。如与对照相比, 中盐胁迫下南粳9108 花后30 d 的AGPase、SBE、GBSS 和SSS 酶活性分别降低34.5%、23.5%、21.2%和21.3%,高盐胁迫下则分别下降 45.9%、44.1%、34.9%和39.3%。对照和盐胁迫处理下弱势粒AGPase、SBE、GBSS 和SSS 酶活性均显著低于强势粒, 且盐胁迫下弱势粒AGPase、SBE、GBSS 和SSS 酶活性的降幅亦高于强势粒。如与对照相比, 高盐胁迫下淮稻5 号强势粒花后45 d 的AGPase、SBE、GBSS 和SSS 酶活性分别降低52.6%、41.9%、55.3%和48.3%, 弱势粒则分别下降57.8%、57.1%、63.0%和64.8% (表8)。

表8 盐胁迫对水稻籽粒淀粉合成关键酶活性的影响Table 8 Effects of salinity stress on key enzymes activities involved in starch synthesis of rice grains

3 讨论

当前, 我国正大力开发利用沿海滩涂发展水稻生产。有关盐胁迫下水稻产量形成特征的研究备受关注。与对照相比, 中盐和高盐胁迫下水稻产量较对照分别下降26.3%和57.7% (两品种平均) (表1)。表明盐胁迫处理显著降低水稻产量, 这与前人的研究结果基本一致[6,18-19]。因试验条件和盐胁迫浓度等差异, 有关盐胁迫对水稻产量构成因素的影响结果并不完全一致[20-22]。如周根友等[20]研究表明, 在池栽条件下, 盐胁迫显著降低了水稻每穗粒数和千粒重, 此二者为盐胁迫下水稻减产的主导因素。周振玲等[22]在盆栽条件下发现盐胁迫逆境下耐盐水稻产量下降主要是由于穗数和每穗粒数的显著下降, 而结实率降幅较小; 盐敏感水稻产量的下降则主要是由于穗数、每穗粒数和结实率的同时下降。盐胁迫对耐盐水稻和盐敏感水稻的千粒重的影响差异均较小。本试验条件下(池栽), 盐胁迫下水稻穗数、每穗粒数、结实率和千粒重均显著低于对照(表1)。表明盐胁迫显著抑制水稻群体库容量及其库容充实性状,进而引起产量显著下降。

本试验条件下, 盐胁迫显著降低了水稻拔节期、抽穗期和成熟期干物重以及拔节期至抽穗期、抽穗期至成熟期干物重积累量(表3)。表明盐胁迫逆境限制抑制植株干物质积累, 这与前人研究结果基本一致[23-24]。盐胁迫下植株干物重降低与叶片光合作用易受盐胁迫的抑制紧密相关。研究表明[22,25-26],植株光合作用对盐胁迫异常敏感, 盐浓度越高、胁迫时间越长, 对于植株光合作用的抑制程度就越大。本试验条件下, 盐胁迫处理下抽穗后植株叶片光合速率和SPAD 值均显著低于对照(表4); 表明盐胁迫显著抑制植株叶片光合生理, 进而降低光合同化物积累。有关盐胁迫对水稻收获指数的影响已有较多研究报道, 但研究结果并非完全一致[18,27-28]。如Meng 等[18]研究表明, 盐胁迫逆境显著提高了籼粳杂交稻、常规粳稻和杂交籼稻的收获指数; 而Joshi等[28]研究表明盐胁迫显著降低水稻成熟期干物重和收获指数。本试验条件下, 与对照相比, 盐胁迫下显著提高水稻收获指数(表3), 这与Meng 等[18]的研究结果一致。表明成熟期干物重下降是盐胁迫下水稻产量下降的主要原因, 而非收获指数。本研究中盐胁迫下水稻收获指数有所增加可能与植株抽穗后同化物转运紧密相关。如前所述, 盐胁迫显著降低叶片净光合速率和SPAD 值(表4), 植株衰老进程大为加快, 促进营养器官同化物向穗部器官的过多转运,因而提高水稻收获指数[18,29]。

水稻籽粒充实度与其穗上着生的部位有关; 一般稻穗中上部早开花的强势粒, 灌浆快、充实好、粒重高; 稻穗下部迟开花的弱势粒, 灌浆慢、充实差、粒重低[10,30]。本研究中, 对照和盐胁迫下南粳9108 和淮稻5 号的每穗强势粒的千粒重和结实率均高于弱势粒。与对照相比, 中盐和高盐胁迫降低了每穗强势粒和弱势粒的籽粒数、结实率和千粒重;且盐胁迫下每穗强势粒的结实率和千粒重的降幅低于弱势粒(表2)。表明, 盐胁迫逆境易造成每穗强势粒和弱势粒的下降, 且显著抑制强、弱势粒的充实特性, 尤其是对于弱势粒。关于水稻籽粒灌浆类型,顾世梁等[31]根据强、弱势粒达到最大灌浆速率的时间间隔划分同步灌浆与异步灌浆, 提出时间间隔在5～10 d 以上的为异步灌浆, 小于5 d 的为同步灌浆。本试验条件下, 对照和盐胁迫下南粳9108 和淮稻5号的强、弱势粒达到最大灌浆速率的时间间隔均在5～10 d 以上(表6), 表明盐胁迫并未影响水稻强、弱势粒的灌浆类型。此外, 盐胁迫降低了强、弱势粒最大灌浆速率和平均灌浆速率, 增加了强、弱势粒达最大灌浆速率的时间和有效灌浆天数(表6)。表明盐胁迫下水稻籽粒灌浆起步慢、强度小、延迟整个灌浆进程, 进而引起结实率和千粒重的显著下降,进而造成产量大幅下降。

目前温度胁迫(高温、低温)和干旱等逆境下水稻籽粒灌浆特性及其与产量形成的关系已有较多研究报道[12-15,32-33], 但盐胁迫的相关研究相对较少。如陈红阳等研究表明[32], 结实期低温胁迫显著降低了水稻的千粒重、结实率和产量, 且随低温处理天数的增加降幅逐渐增大。结实期低温胁迫对弱势粒中淀粉合成关键酶活性变化影响大于强势粒, 弱势粒淀粉合成积累减慢, 含量降低, 导致水稻千粒重显著下降, 产量降低。王新鹏[33]研究表明, 孕穗期干旱胁迫显著降低寒地粳稻籽粒灌浆速率, 轻度干旱胁迫显著延长了强势粒灌浆活跃期, 但随着干旱胁迫程度加重, 强势粒灌浆活跃期缩短; 干旱胁迫显著延长了弱势粒灌浆活跃期。干旱胁迫显著降低强、弱势粒灌浆速率, 进而通过影响千粒重间接影响产量,尤其是弱势粒的灌浆速率对千粒重的影响更大。本试验条件下, 与对照相比, 盐胁迫处理提高了强势粒和弱势粒灌浆前、中、后期的天数, 灌浆前、中、后期的平均灌浆速率和灌浆量则显著下降。表明盐胁迫下强、弱势粒灌浆前、中、后期的籽粒灌浆速率下降幅度明显高于灌浆前、中、后期灌浆天数的增加幅度, 从而使籽粒充实性状明显变劣、粒重和产量显著下降。本研究还发现, 盐胁迫处理对弱势粒灌浆速率和灌浆量的抑制效应高于强势粒。水稻籽粒中淀粉占最终糙米干质量的80～90, 水稻籽粒灌浆及粒重增重的本质是淀粉合成与积累的过程;水稻籽粒淀粉的合成与积累受到AGPase、SBE、GBSS 和SSS 酶活性变化的调控[34]。与强势粒相比,处于劣势位的弱势粒维管束小, 生理结构薄弱, 盐逆境胁迫下争夺光合同化物的能力差, 没有充足的底物供应[18,35]; 同时弱势粒籽粒淀粉合成关键酶活性也因盐胁迫而受到限制(表8)。表明弱势粒对盐胁迫更为敏感, 盐胁迫对弱势粒淀粉合成影响更为明显, 最终造成弱势粒籽粒充实特性(结实率和千粒重)显著变劣。

4 结论

盐胁迫对水稻籽粒灌浆特性和产量形成有显著影响。与对照相比, 盐胁迫显著降低水稻产量; 中盐和高盐胁迫下产量降幅分别为26.3%和57.7%。盐胁迫降低水稻产量主要是由于穗数、每穗粒数、结实率和千粒重的显著下降。盐胁迫抑制植株叶片光合生理特性, 降低了抽穗后干物质积累量和成熟期干物重。尽管盐胁迫逆境增加了水稻强势粒和弱势粒灌浆天数, 但大幅降低了强势粒和弱势粒灌浆速率及其淀粉合成关键酶活性, 劣化籽粒充实性状, 显著降低粒重和产量。盐胁迫处理对弱势粒灌浆速率和灌浆量的抑制效应高于强势粒。