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水稻Oryza sativa是世界上最重要的粮食作物之一,全球超过一半的人以稻米为粮食[1]。近年来,随着中国水稻种植面积的提升,以及水稻的逐年丰收,水稻贮藏问题越来越突出。在世界范围内,每年因贮藏期间虫害和霉变等问题造成巨大的粮食损失,损失量超过总量的5%[2],严重影响粮食安全和食品安全。同时,贮藏过程中引起水稻种子发芽率下降,对水稻生产和育种过程也会产生不良影响。目前,水稻种子通常采用低温冷库贮藏,通过控制温度和湿度来改善其贮藏环境[3−4]。但这种方法成本高,也会造成环境污染。因此,筛选耐贮的水稻种质用于育种,是目前解决水稻贮藏问题最经济有效的途径之一,对保障国家粮食安全和用种安全,以及为企业和农户提供高发芽率的优质种质具有重大的意义。
水稻的耐贮性主要包括两方面内容:作为稻米消费,长时间贮藏后仍能保持原有风味;作为种子或种质保存,长时间贮藏后仍具有较强的活力[5]。目前学者对于水稻耐贮特性的研究集中在后者[6−10]。研究表明:水稻的耐贮性是一个受到遗传、生长发育、成熟以及收获后的环境等许多因素影响的一个复杂性状。目前,水稻种子耐贮性的评价指标通常采用发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数和半衰期表示。由于发芽率、发芽势的测定较为简单,同时也更贴近生产实际,因此一般将发芽率、发芽势作为评价水稻耐贮性的指标。水稻种子耐贮性的研究方法主要有自然老化法和人工老化法[11−12]。自然老化法是指种子在自然贮藏或种质保存的条件下,发芽力逐渐丧失的过程;人工老化是指采用高温高湿的环境来加速种子老化速度研究其耐贮藏性的方法[13]。王仪春等[14]研究发现:人工加速老化后种子劣变程度增加,表现为丙二醛(MDA)含量显著上升,抗氧化物酶活性均下降。张瑛等[15]连续6 a测定入库的水稻种子电导率,结果显示随着贮藏时间的延长,种子电导率先急速增长,再缓慢增长,之后迅速下降,说明电解质渗漏导致电导率大幅增加,膜透性增强。
由于自然老化最符合种子贮藏的自然特征,因此本研究采用自然老化法对不同品种的水稻种子耐贮性进行筛选鉴定,通过对耐贮品种与不耐贮品种的淀粉酶活性、抗氧化酶活性、MDA质量摩尔浓度以及脯氨酸(Pro)质量分数等生理指标之间的差异进行分析,为水稻耐贮种质筛选评价及耐贮特性研究提供理论依据。
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以220份水稻品种为材料,其中常规粳稻34份,常规籼稻11份,杂交稻175份。供试水稻种子在2015年由浙江省种子管理总站提供,所有品种均于黄熟期时收获。按照常规方法贮藏于浙江农林大学冷库中,贮藏温度为10~15 ℃,湿度为45%~65%。
采用自然老化处理,2015年测定其原始发芽率、原始发芽势(未经自然老化);分别于2020、2021年再次测定其发芽率、发芽势,并对筛选的耐贮和不耐贮品种的生理指标进行测定。
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参照ISTA标准[16],每个品种随机数取100粒种子,3次重复,用质量浓度为1.0%次氯酸钠消毒10 min后冲洗干净。将种子均匀放置在湿润的无菌发芽纸上,然后将种子置于30 ℃光照8 h (光照强度为12 000 lx),20 ℃黑暗16 h的培养箱中培养14 d,每天记载发芽数并适当补充水分。计算公式为:发芽率=14 d内正常发芽幼苗数/供试种子数×100%;发芽势=5 d内正常发芽幼苗数/供试种子数×100%。将发芽率下降幅度<5%且发芽势下降幅度<15%的品种作为耐贮品种,将发芽率下降幅度≥5%且发芽势下降幅度≥15%的品种作为不耐贮品种。
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采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定淀粉酶活性[17],过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸光法测定[18],过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定[19],超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑法测定[20],丙二醛采用硫代巴比妥酸显色法测定[21],脯氨酸采用磺基水杨酸提取酸性茚三酮显色法测定[22]。
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使用Excel 2010和GraphPad Prism 8.0进行数据的整理与作图,使用SPSS 19.0软件进行单因素方差(one-way ANOVA)分析(Duncan test)。
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随着贮藏时间的延长,不同品种的种子活力相关参数均呈现下降趋势(图1和图2)。常规粳稻的平均原始发芽率为87.6%,常规籼稻的平均原始发芽率为86.4%,杂交稻的平均原始发芽率为88.9%;贮藏5 a之后,常规粳稻、常规籼稻、杂交稻的平均发芽率分别下降了14.1%、10.2%、16.4%;平均发芽势分别下降了24.2%、19.6%、25.4%。贮藏6 a之后,常规粳稻、常规籼稻、杂交稻的平均发芽率分别下降了62.2%、23.4%、45.3%;平均发芽势分别降低了55.0%、38.1%、50.7%。不同类型水稻间种子活力的变化趋势保持一致。
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由表1可见:随着贮藏时间的延长,常规粳稻的发芽率不断下降。贮藏5 a,‘南粳44’‘Nanjing 44’、‘沈稻18’‘Shendao 18’、‘天稻丰’‘Tiandaofeng’、‘常农粳7号’‘Changnongjing 7’、‘秀水134’‘Xiushui 134’和‘平安粳稻11号’‘Pinganjingdao 11’的发芽率分别下降了2.4%、3.2%、3.3%、27.1%、23.9%、17.7%,其中发芽率‘沈稻18’的下降幅度最小,‘常农粳7号’的下降幅度最大,达显著差异(P<0.05)。贮藏6 a,发芽率的下降趋势与贮藏5 a一致。随着贮藏时间的延长,常规粳稻的发芽势不断下降。贮藏5 a,‘南粳44’‘沈稻18’‘天稻丰’‘平安粳稻11号’‘常农粳7号’‘秀水134’的发芽势分别下降了4.2%、10.7%、13.6%、20.5%、34.7%、54.0%。其中‘南粳44’发芽势的下降幅度最小,‘秀水134’的下降幅度最大,达显著差异(P<0.05)。贮藏6 a时的发芽势与5 a的下降趋势一致。在常规粳稻类型中,筛选出‘沈稻18’‘南粳44’‘天稻丰’等为耐贮品种,‘常农粳7号’‘秀水134’‘平安粳稻11号’等为不耐贮品种。
表 1 不同常规粳稻品种在不同贮藏时期发芽率和发芽势的变化
Table 1. Variation of germination rate and germination potential of different conventional japonica rice cultivars in different storage periods
类型 品种名 2015年 2020年 2021年 发芽率/% 发芽势/% 发芽率/% 发芽势/% 发芽率/% 发芽势/% 耐贮品种 ‘南粳44’ 96.3±0.6 a 91.7±0.6 a 93.3±0.6 a 88.0±2.0 b 84.3±4.2 b 66.0±1.0 c ‘沈稻18’ 97.0±1.0 a 90.0±2.0 a 94.7±1.2 a 81.3±1.5 b 82.3±5.5 b 59.0±2.0 c ‘天稻丰’ 94.7±1.5 a 86.7±1.5 a 91.7±2.3 a 76.3±2.5 b 73.7±5.8 b 59.3±6.4 c 不耐贮品种 ‘常农粳7号’ 97.0±1.0 a 89.3±0.6 a 76.3±2.1 b 66.3±1.5 b 38.0±5.3 c 33.3±2.1 c ‘秀水134’ 97.0±1.0 a 91.3±1.2 a 78.3±2.5 b 59.3±1.5 b 37.3±0.6 c 32.7±1.5 c ‘平安粳稻11号’ 95.7±0.6 a 88.0±1.0 a 81.3±2.5 b 73.0±3.6 b 25.7±1.2 c 22.7±2.1 c 说明:数据为平均值±标准差。不同小写字母表示同一品种在不同贮藏时期间差异显著(P<0.05) -
由表2可见:随着贮藏时间的延长,常规籼稻的发芽率不断下降。贮藏5 a,‘赣晚籼35号’‘Ganwanxian 35’、‘甬籼69’‘Yongxian 69’、‘赣晚糯7号’‘Ganwannuo 7’、‘温926’‘Wen 926’、‘扬稻6号’‘Yangdao 6’和‘甬籼15号’‘Yongxian 15’的发芽率分别下降4.3%、4.1%、3.2%、17.1%、17.4%、22.0%;其中,‘赣晚糯7号’的下降幅度最小,‘甬籼15号’的下降幅度最大,达显著差异(P<0.05)。贮藏6 a,发芽率的下降与5 a趋势一致。随着贮藏时间的延长,常规籼稻的发芽势不断下降。贮藏5 a‘甬籼69’‘ 赣晚糯7号’‘赣晚籼35号’‘温926’‘扬稻6号’‘甬籼15号’的发芽势分别下降2.9%、7.4%、8.8%、23.2%、30.5%、50.6%;其中‘甬籼69’的下降幅度最小,‘甬籼15号’的下降幅度最大,达显著差异(P<0.05)。贮藏6 a,发芽势的下降与5 a趋势一致。常规籼稻筛选出‘赣晚籼35号’‘赣晚糯7号’‘甬籼69’等为耐贮品种,‘温926’‘甬籼15号’‘扬稻6号’等为不耐贮品种。
表 2 不同常规籼稻品种在不同贮藏时期发芽率和发芽势变化
Table 2. Variation of germination rate and germination potential of different conventional indica rice cultivars in different storage periods
类型 品种名 2015年 2020年 2021年 发芽率/% 发芽势/% 发芽率/% 发芽势/% 发芽率/% 发芽势/% 耐贮品种 ‘赣晚籼35号’ 97.3±2.1 a 90.0±1.0 a 93.3±3.1 a 82.7±1.2 b 84.7±2.5 b 81.3±2.5 b ‘赣晚糯7号’ 96.0±1.0 a 91.3±1.2 a 93.0±1.7 a 85.0±3.6 a 78.3±5.9 b 70.0±4.0 b ‘甬籼69’ 95.0±1.0 a 83.0±2.6 a 91.3±3.2 a 80.7±3.1 a 72.0±7.5 b 63.3±2.1 b 不耐贮品种 ‘温926’ 91.7±1.5 a 88.7±2.1 a 78.3±0.6 b 72.0±2.0 b 52.3±5.1 c 41.3±1.5 c ‘甬籼15号’ 88.7±1.2 a 83.3±0.6 a 72.7±5.0 b 55.3±1.2 b 46.3±4.0 c 37.0±1.0 c ‘扬稻6号’ 87.7±2.3 a 81.3±1.5 a 74.7±2.5 b 62.3±2.5 b 29.7±7.1 c 26.0±1.0 c 说明:数据为平均值±标准差。不同小写字母表示同一品种在不同贮藏时期间差异显著(P<0.05) -
由表3所示:随着贮藏时间的延长,杂交稻的发芽率不断下降。贮藏5 a,‘两优培九’‘Liangyou Peijiu’、‘中浙优1号’‘Zhongzhenyou 1’、‘晶两优华占’‘Jingliangyou Huazhan’、‘深两优865’‘Shenliangyou 865’、‘两优1号’‘Liangyou 1’和‘隆香优130’‘Longxiangyou 130’的发芽率分别下降1.5%、2.1%、2.9%、21.5%、25.3%、35.6%;其中‘两优培九’的下降幅度最小,‘隆香优130’的下降幅度最大,达显著差异(P<0.05)。贮藏6 a,发芽率的下降趋势与5 a保持一致。随着贮藏时间的延长,杂交稻的发芽势不断下降。贮藏5 a,‘中浙优1号’‘晶两优华占’‘两优培九’‘深两优865’‘两优1号’‘隆香优130’的发芽势分别下降3.4%、3.5%、6.0%、25.2%、37.7%、46.3%;其中,‘中浙优1号’的下降幅度最小,‘隆香优130’的下降幅度最大,达显著差异(P<0.05)。贮藏6 a,发芽势的下降与5 a趋势一致。杂交稻品种筛选出‘两优培九’‘中浙优1号’‘晶两优华占’等为耐贮品种,‘隆香优130’‘深两优865’‘两优1号’等为不耐贮品种。
表 3 不同杂交稻品种在不同贮藏时期发芽率变化
Table 3. Changes of germination rate of different hybrid rice cultivars in different storage periods
类型 品种名 2015年 2020年 2021年 发芽率/% 发芽势/% 发芽率/% 发芽势/% 发芽率/% 发芽势/% 耐贮品种 ‘两优培九’ 97.7±1.5 a 89.0±3.0 a 96.3±1.5 a 84.0±2.0 a 92.7±2.1 a 78.0±1.0 b ‘中浙优1号’ 96.3±0.6 a 90.3±1.5 a 94.3±8.6 a 87.3±2.3 a 91.3±3.2 a 82.3±1.5 b ‘晶两优华占’ 96.0±1.0 a 89.0±1.0 a 93.3±0.6 a 86.0±1.0 a 92.3±0.6 a 77.0±1.0 b 不耐贮品种 ‘隆香优130’ 96.3±1.5 a 90.7±1.5 a 71.0±1.7 b 62.0±2.0 b 38.7±2.1 c 28.3±2.5 c ‘深两优865’ 96.0±2.0 a 86.0±1.7 a 79.0±2.0 b 68.7±3.1 b 24.7±3.1 c 18.3±1.5 c ‘两优1号’ 94.0±1.0 a 91.3±2.1 a 75.0±1.0 b 66.3±2.1 b 29.0±1.7 c 20.3±2.1 c 说明:数据为平均值±标准差。不同小写字母表示同一品种在不同贮藏时期间差异显著(P<0.05) -
常规粳稻不同耐贮品种间种子淀粉酶活性、抗氧化酶活性、MDA质量摩尔浓度和Pro质量分数存在明显差异(表4)。耐贮品种的α-淀粉酶、β-淀粉酶、CAT、POD、SOD活性和Pro质量分数的平均值比不耐贮品种分别高650%、74.5%、20.7%、23.3%、18.9%、25.0%;耐贮品种的MDA质量摩尔浓度平均值比不耐贮品种低了48.6%。其中,α-淀粉酶活性最强的依次为耐贮品种‘沈稻18’‘南粳44’‘秀水134’,均显著高于不耐贮品种(P<0.05);‘沈稻18’的α-淀粉酶活性比不耐贮品种‘天稻丰’显著高200.5% (P<0.05)。β-淀粉酶活性最强的依次为耐贮品种‘秀水134’‘沈稻18’‘南粳44’,其中‘秀水134’‘沈稻18’均显著高于不耐贮品种(P<0.05),‘秀水134’的β-淀粉酶活性比不耐贮品种‘常农粳7号’显著高167.4% (P<0.05)。抗氧化酶活性最强、Pro质量分数最高的为耐贮品种‘南粳44’,均显著高于不耐贮品种(P<0.05)。MDA质量摩尔浓度最低的为耐贮品种‘南粳44’,最高的为不耐贮品种‘天稻丰’。
表 4 不同品种常规粳稻生理指标变化
Table 4. Changes of physiological indexes of different cultivars of conventional japonica rice
类型 品种 α-淀粉酶活性/
(mg·g−1·min−1)β-淀粉酶活性/
(mg·g−1·min−1)CAT活性/
(×16.67 nkat·g−1)POD活性/
(×16.67 nkat·g−1)SOD活性/
(×16.67 nkat·g−1)MDA/
(μmol·kg−1)Pro/
(μg·g−1)耐贮品种 ‘南粳44’ 2.9±0.5 b 5.8±0.6 c 85.7±1.4 a 305.1±1.9 a 212.2±9.7 a 2.7±0.7 d 14.7±2.1 a ‘沈稻18’ 4.3±0.3 a 8.6±0.9 b 63.7±3.3 b 224.3±10.3 b 211.8±1.2 a 4.7±0.2 b 12.3±1.0 b ‘秀水134’ 1.8±0.1 c 12.3±1.8 a 62.4±1.8 b 133.7±3.6 d 118.9±3.1 d 4.0±0.1 bc 10.6±0.5 bc 平均值 3.0±1.3 A 8.9±3.3 A 70.6±13.1 A 221.0±85.7 A 181.0±53.8 A 3.8±1.0 A 12.5±2.1 A 不耐贮品种 ‘平安粳稻11号’ 0.4±0.2 d 5.5±0.3 c 62.9±1.3 b 181.5±2.1 c 122.7±3.5 d 3.3±0.1 cd 9.8±0.5 c ‘常农粳7号’ 0.6±0.1 d 4.6±0.3 c 64.2±0.5 b 182.1±1.7 c 159.6±8.7 c 9.2±0.9 a 9.9±0.4 c ‘天稻丰’ 0.2±0.2 d 5.3±0.1 c 48.4±1.2 c 174.1±3.1 c 174.3±2.9 b 9.7±0.8 a 10.5±1.4 bc 平均值 0.4±0.2 A 5.1±0.5 A 58.5±8.8 A 179.2±4.4 A 152.2±26.6 A 7.4±3.6 A 10.0±0.4 A 说明:数据为平均值±标准差。同列不同小写字母表示各品种间差异显著,同列不同大写字母表示不同耐贮性的平均值差异显著(P<0.05) -
常规籼稻不同耐贮品种间种子淀粉酶活性、抗氧化酶活性、MDA质量摩尔浓度和Pro质量分数存在明显差异(表5)。耐贮品种的α-淀粉酶、β-淀粉酶、CAT、POD、SOD活性和Pro质量分数的平均值比不耐贮品种分别高200%、137.5%、82.4%、80.5%、9.7%、11.4%;耐贮品种MDA质量摩尔浓度的平均值比不耐贮品种低了52.8%。其中,α-淀粉酶活性、POD活性达到显著差异(P<0.05)。耐贮品种‘赣晚籼35号’‘赣晚糯7号’‘甬籼69’的α-淀粉酶活性显著高于不耐贮品种‘农乐1号’‘甬籼15号’和 ‘扬稻6号’。β-淀粉酶活性和CAT活性最高的是耐贮品种‘甬籼69’,其中,β-淀粉酶活性分别比不耐贮品种高156.1%、252.1%、213.0%,差异显著(P<0.05)。POD、SOD活性最强的是耐贮品种‘赣晚糯7号’,显著高于不耐贮品种(P<0.05)。Pro质量分数最高的为耐贮品种‘甬籼69’,显著高于其他5个品种(P<0.05),但其他5个品种之间差异不显著。
表 5 不同品种常规籼稻生理指标变化
Table 5. Changes of physiological indexes of different cultivars of conventional indica rice
类型 品种 α-淀粉酶活性/
(mg·g−1·min−1)β-淀粉酶活性/
(mg·g−1·min−1)CAT活性/
(×16.67 nkat·g−1)POD活性/
(×16.67 nkat·g−1)SOD活性/
(×16.67 nkat·g−1)MDA/
(μmol·kg−1)Pro/
(μg·g−1)耐贮品种 ‘赣晚籼35号’ 4.5±0.5 a 11.2±1 b 54.9±2.6 c 328.1±11.6 b 210.8±6.7 b 2.3±0.2 e 10.1±0.6 b ‘赣晚糯7号’ 3.7±0.3 b 11.7±1 b 77.1±4.4 b 468.4±10.1 a 224.8±0.3 a 2.4±0.3 e 10.8±1.3 b ‘甬籼69’ 4.3±0.3 a 16.9±1.6 a 104.5±3.0 a 271.8±8.3 c 212.9±5.7 b 5.6±0.2 d 14.1±1.0 a 平均值 4.2±0.4 A 13.3±3.2 A 78.8±24.8 A 356.1±101.2 A 216.2±7.6 A 3.4±1.9 A 11.7±2.1 A 不耐贮品种 ‘农乐1号’ 1.2±0.2 d 6.6±0.4 c 46.3±1.7 d 127.7±10.8 e 211.7±4.8 b 7.2±0.3 b 10.3±1.2 b ‘甬籼15号’ 0.6±0.1 e 4.8±0.4 c 28.2±2.4 e 279.8±4.9 c 176.8±3.9 d 7.8±0.2 a 11.1±0.4 b ‘扬稻6号’ 2.3±0.2 c 5.4±0.5 c 55.0±1.2 c 184.4±1.9 d 202.9±1.7 c 6.7±0.2 c 10.2±0.2 b 平均值 1.4±0.9 B 5.6±0.9 A 43.2±13.7 A 197.3±76.9 B 197.1±18.2 A 7.2±0.6 A 10.5±0.5 A 说明:数据为平均值±标准差。同列不同小写字母表示各品种间差异显著,同列不同大写字母表示不同耐贮性的平均值差异显著(P<0.05) -
杂交稻不同耐贮品种间种子淀粉酶活性、抗氧化酶活性、MDA质量摩尔浓度和Pro质量分数存在明显差异(表6)。耐贮品种的α-淀粉酶、β-淀粉酶、CAT、POD、SOD活性和Pro质量分数的平均值比不耐贮品种分别高357.1%、186.0%、142.1%、161.9%、50.0%、83.3%;耐贮品种MDA质量摩尔浓度的平均值比不耐贮品种低了82.7%。其中,α-淀粉酶活性、CAT活性、SOD活性均达到显著差异(P<0.05)。其中,α-淀粉酶、β-淀粉酶活性最高的为耐贮品种‘两优培九’,显著高于不耐贮品种‘隆香优130’‘深两优865’‘两优1号’(P<0.05)。CAT活性最强、Pro质量分数最高的为耐贮品种‘中浙优1号’,均显著高于不耐贮品种(P<0.05);POD活性最强的为‘晶两优华占’,分别显著高出不耐贮品种‘隆香优130’‘深两优865’‘两优1号’308.6%、182.5%、113.7%。SOD活性最强,同时MDA质量摩尔浓度最低的为耐贮品种‘两优培九’,MDA质量摩尔浓度最高的为不耐贮品种‘隆香优130’。
表 6 不同品种杂交稻生理指标变化
Table 6. Changes of physiological indexes of different cultivars of hybrid rice
类型 品种 α-淀粉酶活性/
(mg·g−1·min−1)β-淀粉酶活性/
(mg·g−1·min−1)CAT活性/
(×16.67 nkat·g−1)POD活性/
(×16.67 nkat·g−1)SOD活性/
(×16.67 nkat·g−1)MDA/
(μmol·kg−1)Pro/
(μg·g−1)耐贮品种 ‘两优培九’ 8.5±0.2 a 22.4±0.4 a 133.5±5.7 b 201.4±3.7 c 229.9±7.6 a 2.0±0.6 e 12.0±0.4 c ‘中浙优1号’ 4.0±0.7 c 12.9±1.1 b 169.4±3.0 a 376.4±9.5 b 229.6±3.1 a 2.7±0.2 d 31.4±1.3 a ‘晶两优华占’ 6.6±0.2 b 13.5±0.1 b 119.9±1.3 c 430.3±11.3 a 206.9±1.6 b 2.2±0.5 e 16.1±1.8 b 平均值 6.4±2.3 A 16.3±5.3 A 140.9±25.6 A 336.0±119.7 A 222.1±13.2 A 2.3±0.4 A 19.8±10.2 A 不耐贮品种 ‘隆香优130’ 2.7±0.4 d 3.6±0.1 e 60.6±3.3 d 105.3±4.6 f 144.8±3.1 d 14.5±0.5 a 12.6±1.2 c ‘深两优865’ 0.6±0.1 e 8.7±0.2 c 53.8±2.2 d 152.3±4.8 d 175.8±3.7 c 7.5±0.3 c 10.6±0.7 cd ‘两优1号’ 0.9±0.1 e 4.7±0.4 d 60.2±3.4 d 127.5±7.2 e 123.8±2.5 e 12.2±0.4 b 9.4±0.7 d 平均值 1.4±1.1 B 5.7±2.7 A 58.2±3.8 B 128.3±23.5 A 148.1±26.2 B 11.4±3.6 A 10.8±1.6 A 说明:数据为平均值±标准差。同列不同小写字母表示各品种间差异显著,同列不同大写字母表示不同耐贮性的平均值差异显著(P<0.05) -
种子是遗传物质的载体和农业生产最基本的资料,是一个活的生命有机体。在水稻种子贮藏过程中会遇到各种逆境胁迫,胁迫因子会对种子的品质造成很大影响,进而对作物生产造成不可逆的影响[23]。同时种子内部在贮藏过程中的一系列代谢活动会引起贮藏养分的衰竭、化学组成的改变、细胞膜结构的破坏以及酶活性的丧失等变化。所有这些变化最终导致种子遗传完整性丧失,表现性状为种子活力的下降或丧失,对农业生产、储运和经营带来重大损失。因此从水稻种质资源中选取耐贮藏的优异品种进行育种和培育,是解决水稻种子贮藏问题的根本途径。
从本研究可以看出:不同水稻品种间耐贮性存在巨大的差异。常规粳稻、常规籼稻、杂交稻在贮藏5和6 a时,发芽率分别平均下降了12.8%、16.2%、14.8%;发芽势分别平均下降了23.0%、20.6%、20.4%。RAO等[24]研究认为:在耐贮性上籼稻>爪哇稻>粳稻。曾大力等[25]研究表明:籼粳指数与耐贮特性呈显著的正相关,籼稻比粳稻更耐贮藏。但不管是粳稻或籼稻,都存在耐贮性好或差的极端情况。本研究中,常规粳稻、常规籼稻、杂交稻的种子活力下降趋势基本一致,但下降幅度不同。水稻种子耐贮性与种子的寿命和种子活力紧密相关。种子活力受到种子发育、成熟期间或生长环境条件等多因素影响,尤其是温度、水分、光照、土壤和气候条件等。因此不同栽培条件以及不同田间管理的水稻品种其耐贮性有着很大不同[25],收获过早或过晚的种子其活力都大大降低[26−27]。侯文平等[28]研究表明:收获过早,种胚未完全成熟,干物质未完全充实籽粒,会造成种子产量降低;收获过晚,则导致种子自然老化,种子发芽率下降。因此适时收获是保持种子高活力,提高耐贮性的有效措施。
大量文献报道:常规稻种子耐贮性较杂交稻种子好[29−30],并认为杂交稻种子易萌发的特点是导致种子耐贮性差的根本原因[31]。但在本研究中,杂交稻的发芽率、发芽势和生理指标优于常规粳稻、常规籼稻。但耐贮性较强的品种也具有较强的休眠特性,在育种过程中休眠性强的品系会被淘汰,因此就间接淘汰了耐贮性强的品系。闫蕴韬等[6]研究发现:水稻种子的休眠性和耐贮性呈正相关,但同时也发现不少休眠性弱而耐贮性强的种质材料,因此可以从水稻种质群体材料中筛选出耐贮性强但休眠性一般或较弱的种质资源,从而选育耐贮性强的水稻新品种。
α-淀粉酶与β-淀粉酶都是必不可少的分解淀粉的酶类。种子的萌发与淀粉酶呈高度正相关,淀粉酶活性越高,种子的萌发力越强[32],这与本研究结果一致:耐贮品种发芽率越高,淀粉酶活性越强;不耐贮品种发芽率低,淀粉酶活性也越低。在植株内,由于萌发需要启动一系列程序性的复杂的生理生化反应,许多活性物质如蛋白质、酶、激素等需要合成,这些合成反应都需要能量,因此较高的淀粉酶活性可以快速水解种子中储存的淀粉,从而提供充分的呼吸底物,以保障种子萌发中的能量供应。随着自然老化造成逆境胁迫加重,引起植株内质膜功能改变,质膜损伤加重,淀粉酶的活性受到抑制,不耐贮品种发芽率、发芽势也呈现出降低的趋势。
种子贮藏过程中受环境的诱导,活性氧(ROS)生成增加,为了消除ROS对蛋白质的损伤而造成的危害[33−35],植物发展了较为复杂的抗氧化体系调节蛋白质的氧化还原状态,以保持其正常的生理功能。其中CAT、SOD和POD等几种主要的酶一起构成了生物的抗氧化酶系统,这几种酶的活性高有利于清除活性氧、自由基的毒害,可以保持种子活力,增强其耐贮性。因此它们的活性高低与植物代谢及抗逆性密切相关[36]。本研究中,不耐贮品种的CAT活性均显著低于耐贮品种,说明不耐贮品种的各类生化反应受到抑制,导致过氧化氢的产量降低,因此该酶活性也逐步降低。不耐贮品种的POD活性均显著低于耐贮品种,这可能是随着逆境胁迫加深细胞代谢活动受到一定抑制,产生的过氧化物量减少,需要此酶的活性降低。不耐贮品种的SOD酶活性均显著低于耐贮品种,说明在不耐贮品种中,水稻种子内生化反应变化剧烈,产生的自由基和超氧阴离子较多,需要此酶较高的活性来应对。
水稻种子在贮藏期间受到逆境胁迫时,MDA质量摩尔浓度急剧增加,植物体通过调节体内脯氨酸含量来适应逆境[37−40]。本研究发现不耐贮品种的MDA质量摩尔浓度均显著高于耐贮品种;不耐贮品种的Pro质量分数均显著低于耐贮品种。说明在贮藏过程中,耐贮品种产生的MDA质量摩尔浓度较少,其膜脂过氧化程度较低,其抗氧化能力强,能减少有害物质的积累,有利于保持种子活力。同时耐贮品种能够通过调节体内Pro质量分数来适应逆境,有效抵御逆境对种子带来的伤害。这可能也是其耐贮藏的重要原因之一。
本研究结果表明:自然老化的水稻品种的耐贮性与淀粉酶、抗氧化酶、丙二醛、脯氨酸等生理指标密切相关。结合发芽数据与生理指标,筛选出一批耐贮品种,即‘南粳44’‘沈稻18’‘天稻丰’‘赣晚籼35号’‘赣晚糯7号’‘甬籼69’‘两优培九’‘中浙优1号’‘晶两优华占’。在今后的育种工作中,可增加以上品种的繁种和制种工作。不管是在常规粳稻、常规籼稻或是杂交稻中,均存在耐贮性好的材料和耐贮性差的材料,这种分布的多样性可以为发掘、利用和聚合耐贮藏基因,选育耐贮藏的水稻品种提供物质与遗传基础。
Screening and physiological characteristics of storable Oryza sativa germplasm resources
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摘要:
目的 水稻Oryza sativa种子的耐贮性是与种用价值、种源和粮食安全密切相关的重要性状。研究水稻种子耐贮特性,对水稻种质资源保存以及保障国家粮食安全具有重要意义。 方法 基于220份水稻品种,经过5~6 a的自然老化,通过室内标准发芽实验筛选出耐贮水稻品种,并进一步测定不同耐贮品种间的生理特性。 结果 随着自然老化时间的延长,不同水稻品种的发芽率和发芽势均呈现逐步降低的趋势。与种子初始质量相比,常规粳稻、常规籼稻、杂交稻的发芽率平均降低了62.2%、23.4%、45.3%;发芽势平均降低了55.0%、38.1%、50.7%。以发芽率下降幅度<5%且发芽势下降幅度<15%作为耐贮品种的评价标准,筛选出以‘南粳44’‘Nanjing 44’、‘沈稻18’‘Shendao 18’、‘天稻丰’‘Tiandaofeng’为代表的耐贮常规粳稻;‘赣晚籼35号’‘Ganwanxian 35’、‘赣晚糯7号’‘Ganwannuo 7’、‘甬籼69’‘Yongxian 69’为代表的耐贮常规籼稻;‘两优培九’‘Liangyou Peijiu’、‘中浙优1号’‘Zhongzheyou 1’、‘晶两优华占’‘Jingliangyou Huazhan’为代表的耐贮杂交稻。进一步研究发现:以上9个品种具有淀粉酶活性高、抗氧化酶活性高、脯氨酸质量分数高、丙二醛质量摩尔浓度低的特点。 结论 基于耐贮能力与生理特性,推荐‘南粳44’‘沈稻18’‘天稻丰’‘赣晚籼35号’‘赣晚糯7号’‘甬籼69’‘两优培九’‘中浙优1号’‘晶两优华占’等为耐贮种质,这为今后选育耐贮藏的水稻优良品种提供了新资源。图2表6参40 Abstract:Objective This study, with an investigation of the seed storability, an important trait closely related to seed value, provenance and food security, of rice (Oryza sativa), is aimed to survey the storability characteristics of rice seeds so as to promote the conservation of rice germplasm resources and the protection of national food security. Method Based on 220 rice cultivars, after 5−6 years of natural aging, rice varieties with good storage tolerance were selected employing laboratory standard germination experiment before the physiological characteristics of different cultivars were determined. Result (1) With the prolongation of natural aging time, the germination rate and germination potential of different rice cultivars showed a trend of gradual decrease. (2) Compared with the initial seed quality, the germination rates of conventional japonica rice, conventional indica rice and hybrid rice decreased by 62.2%, 23.4% and 45.3% on average, respectively whereas the germination potential decreased by 55.0%, 38.1% and 50.7% on average. (3) Based on the evaluation criteria (varies with a decrease in germination rate <5% and a decrease in germination potential <15% are regarded as storable cultivars), storable conventional japonica rice represented by ‘Nanjing 44’ ‘Shendao 18’ and ‘Tiandaofeng’ were screened out along with storable conventional indica rice represented by ‘Wanxian 35’ ‘Ganwannuo 7’ and ‘Yongxian 69’; the storable hybrid rice represented by ‘Liangyoupeijiu’ ‘Zhongzheyou 1’ and ‘Jingliangyou Huazhan’. (4) It was further found that ‘Nanjing 44’ ‘Shendao 18’ ‘Tiandaofeng’ ‘Ganwanxian 35’ ‘Ganwanuo 7’ ‘Yongxian 69’ ‘Liangyou Peijiu’ ‘Zhongzhenyou 1’ and ‘Jingliangyou Huazhan’ had the characteristics of high amylase activity, high antioxidant enzyme activity, high proline content and low MDA content. Conclusion In terms of the storability and physiological characteristics, ‘Nanjing 44’ ‘Shendao 18’ ‘Tiandaofeng’ ‘Ganwanxian 35’ ‘Ganwannuo 7’ ‘Yongxian 69’ ‘Liangyoupeijiu’ ‘Zhongzheyou 1’ ‘Jingliangyou Huazhan’ are recommended and storable germplasms, providing new resources for the future selection of rice cultivars with storage tolerance. [Ch, 2 fig. 6 tab. 40 ref.] -
Key words:
- Oryza sativa /
- storability /
- seed vigor
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当前,树体高大、通风透光性差和管理粗放是导致针叶树种种子园采种难和雌球花花量不足的重要原因,制约着林木种子园的精细化经营和管理[1]。截顶影响营养物质流向和分配,促进结实母枝更新,是植株达到矮化效应的重要方法,对实现“果园式”林木种子园具有重要指导意义[2−3]。国外学者对花旗松Pseudotsuga menziesii进行夏季截顶和修枝后发现:虽然树冠体积减少了,但是枝条上雌雄球花密度显著增加,通过调控栽植间距,提高了单位面积球果产量[4];国内学者研究表明:截冠可提高樟子松Pinus sylvestris var. mongholica壮龄母树的产量和种子质量[3];对马尾Pinus massoniana截顶处理后发现:中产和高产无性系的雌球花量能提高20%以上[1]。
赤霉素(GAs)被认为是一种重要的双萜类植物生长调节剂,参与松树球花分化与茎伸长等许多重要的生长发育过程[5−6]。FERNÁNDEZ等[7]对辐射松Pinus radiata不同组织中内源GAs测定后发现:GA3在营养芽和雄球花中质量分数较高但比较稳定,而GA4则差异明显,推测GA4可能与它们的发育调节有关。赤霉素等激素比值的变化可表征树体内激素的不同吸收或运转规律。较高水平的Z型细胞分裂素和较低水平的脱落酸(ABA)及其代谢产物可能与雌球花的形成有关,在顶芽发育过程中GA和ABA往往表现出拮抗作用,外源注射GA4/7使顶梢ABA合成减少或通过其他途径加速了ABA代谢产物的分解,进而降低顶芽内源ABA及ABA分解代谢的主导产物ABA葡萄糖酯(ABA-ge)的质量分数,改变了它们的比值,进而提高雌球花的分化能力,增加雌球花的数量,但其机制尚不清楚[8−9]。
研究表明:外界因素首先通过植株内源激素质量分数及其比值的变化对生长和成花起作用[10]。营养芽转变为生殖芽也是植株体内各种激素在时间和空间上相互作用产生的综合结果,取决于促进和抑制开花这2类激素的平衡[11]。植物顶芽会抑制侧芽的发生,去除顶芽或抑制顶端优势则会促进侧芽的产生。截顶可通过抑制植株顶端优势形成,影响植株体内生长素和细胞分裂素的合成与再分配。在生产上,许多针叶树正是利用截顶与修枝、植物生长调节剂诱导等措施控制树体的生殖与营养生长平衡[12−13]。马尾松是中国南方主要的速生丰产优质用材树种和最重要的脂用树种[14],其雌球花多分布于主枝或侧枝顶端,生殖芽和营养芽都由新生枝梢产生,其生理状态与花芽分化密切相关[15−20]。因此,本研究采用盆栽控制试验,以高产的马尾松无性系为试材,在花原基形成前期设置生产上常用的截顶和赤霉素诱导试验,研究树体内源激素质量分数及其比值的变化和平衡,以期为马尾松结实母树的树体管理提供理论指导和技术支持。
1. 材料与方法
1.1 供试材料
试验地点位于浙江省淳安县林业总场有限公司姥山分场国家马尾松良种基地(29°32′34″N, 119°04′04″E)。供试材料选用马尾松第2代无性系种子园中结实能力强的209号无性系,于2017年选取无性系同一个母株上生长基本一致的穗条进行嫁接。2018年3月,将生长势相对一致、侧枝数量相近的无性系嫁接苗移栽至无纺布容器内。容器规格为直径70 cm,高度60 cm,每个容器内放入50 kg马尾松第2代无性系种子园内0~40 cm土层的酸性红壤,土壤pH 4.71、全氮3.59 g·kg−1、全磷0.34 g·kg−1、全钾16.90 g·kg−1、碱解氮248.00 mg·kg−1、速效磷5.48 mg·kg−1、速效钾228.00 mg·kg−1、有机质67.60 g·kg−1、交换性钙3.10 cmol·kg−1、交换性镁0.34 cmol·kg−1。每盆栽植1株,栽植后立即浇水,无性系植株按照完全随机配置,放置在铺设有地布的苗圃地内,株行距为1.5 m×1.5 m。苗木栽培常规管理。苗木培育期间,为保证生长条件和栽培管理一致,不施肥,干旱时滴灌,及时除草。
在处理前,对供试幼树的树高、地径、枝长、枝粗和轮枝数进行本底调查,树高为189.3~204.2 cm,地径为35.63~40.12 mm,枝长为45.5~96.5 cm,枝粗为17.89~21.68 mm,每株树均为3层轮枝。
1.2 试验设计和取样
1.2.1 截顶和赤霉素诱导试验处理
设置未截顶、截顶后保留1层轮枝、截顶后保留2层轮枝、未截顶+100 mg·L−1赤霉素(GA4/7)、未截顶+200 mg·L−1 GA4/7和未截顶+400 mg·L−1 GA4/7共6个处理,分别记为NT、T1、T2、NT+G100、NT+G200和NT+G400。每个处理设置3个重复,每个重复3个分株。在2021年6月15日,T1和T2截顶处理采用修枝剪自下而上分别一次性截除第1层和第2层轮枝处以上的顶梢,NT+G100、NT+G200和NT+G400处理在植株叶面分别均匀喷施100、200和400 mg·L−1的GA4/7混合液,喷施至针叶湿润且叶尖有液体下滴时为止,NT处理以喷施去离子水作为对照。
1.2.2 观测和取样
各处理在每株自下而上的第1层轮枝处(H1)和第2层轮枝处(H2)选择东、西、南、北4个方位的一级侧枝及顶梢(H3)作为固定观测对象。分别于2021年花原基形成前期(S1,6月20日)、花原基形成期(S2,7月20日)和花原基形成后期(S3,8月20日)测定枝长和枝粗。同时,于S1、S2和S3时期,分别在H1处4个方位的一级侧枝顶端选取1.0 g以上针叶,置于液氮中速冻,带回实验室,保存于−80 ℃超低温冰箱中,用于内源激素质量分数测定,研究截顶和GA4/7诱导对花原基形成期前后的针叶主要激素质量分数及其比值影响。2022年4月25日调查每株观测枝的雌球花数量。
此外,还针对T1、T2和NT处理,分别在截顶处理(2021年6月15日)后1、4、7、10、13、16和19 d取样。每次取样选取第1层轮枝处(H1)、第2层轮枝处(H2)一级分枝顶端和顶梢处(H3)的针叶,每个部位取样1.0 g以上,带回实验室,保存于−80 ℃超低温冰箱中,研究截除顶梢后短期内内源激素质量分数在时间和空间上的变化特征。每个处理设置3个重复,每个重复3个分株。
1.3 内源激素测定
委托南京瑞源生物技术有限公司采用安捷伦1290高效液相色谱仪串联Qtrap 6500质谱仪(AB公司)测定内源激素。测定的内源激素包括:吲哚乙酸(IAA)、脱落酸(ABA)、赤霉素(GA4和GA7)、水杨酸(SA)和玉米素核苷(ZR)。。
1.4 数据分析
采用SPSS 20.0软件对不同截顶强度和赤霉素诱导处理的结果进行差异性分析。试验数据经Levene检验满足方差齐性后,采用单因素和Duncan差异性检验(P<0.05)进行方差分析和多重比较。图和表中数据均为平均值±标准误。
2. 结果与分析
2.1 截顶与GA4/7诱导对马尾松雌球花量和新梢生长的影响
与S1时期相比,到S3时期时,T1和T2处理后H1处的枝长增长量分别比NT高181.55%和119.31% (P<0.05),枝粗增长量分别高出NT的35.78%和9.17% (P<0.05);H2处的枝长和枝粗增长量分别比NT高的150.45%和111.49% (P<0.05)。T1处理下的枝长和枝粗增长量略高于T2处理,但差异不显著(表1)。截顶后第2年,T1与T2处理的标准枝雌球花密度均显著高于NT,其中,T1处理H1处的雌球花密度较NT增加126.00%,T2处理H1和H2处的雌球花密度较NT分别增加82.67%和 66.52%。说明截顶削弱了顶端优势,促进下层结实母枝的生长和结实层下移,雌球花密度增加。
表 1 截顶和赤霉素诱导处理对雌球花密度和枝生长的影响Table 1 Effect of top pruning and gibberellin induction on female cones density and branch growth处理 H1 H2 H3 枝长净增
长量/cm枝粗净增
长量/cm雌球花密度/
(个·枝−1)枝长净增
长量/cm枝粗净增
长量/cm雌球花密度/
(个·枝−1)枝长净增
长量/cm枝粗净增
长量/cm雌球花密度/
(个·枝−1)NT 2.33±0.11 d 1.09±0.08 b 1.50±0.06 c 2.22±0.10 c 0.87±0.03 c 2.33±0.09 c 9.33±0.26 ab 1.66±0.09 a 2.94±0.13 b NT+G100 5.26±0.16 bc 1.03±0.06 b 2.93±0.12 ab 3.89±0.13 b 1.76±0.09 ab 3.17±0.15 ab 11.80±0.31 a 1.69±0.09 a 4.50±0.19 a NT+G200 8.42±0.25 a 1.18±0.09 ab 3.27±0.16 a 6.22±0.18 a 1.76±0.10 ab 3.39±0.16 ab 9.67±0.28 ab 1.06±0.04 ab 4.67±0.21 a NT+G400 6.14±0.17 b 1.56±0.11 a 2.67±0.10 ab 5.22±0.14 ab 2.01±0.12 a 3.33±0.16 ab 12.33±0.33 a 1.04±0.03 ab 3.33±0.15 b T1 6.56±0.18 b 1.48±0.09 a 3.39±0.16 a - - - - - - T2 5.11±0.14 bc 1.19±0.07 ab 2.74±0.11 ab 5.56±0.15 ab 1.84±0.11 ab 3.88±0.18 a - - - 说明:同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05);-表示无此项。 在S3时期,截顶与赤霉素处理相比,除T1和T2处理H1处的枝长增长量显著(P<0.05)低于NT+G200处理外,T1与T2处理的雌球花密度与NT+G100、NT+G200、NT+G400处理结果差异均不显著;T1和T2处理其他轮枝处的枝长和枝粗增长量与GA4/7各处理间差异不显著。说明截顶和赤霉素处理均促进了马尾松结实母枝生长和雌球花形成。
2.2 截顶和GA4/7诱导对不同时期针叶主要激素质量分数及其比值的影响
2.2.1 截顶的影响
在S1时期,与NT相比,T1和T2处理的针叶IAA质量分数分别下降11.24%和9.62%,T2处理的IAA质量分数高于T1处理,但随着截顶程度的加重而降低(图1A);T1和T2处理的GA7质量分数分别下降0.27%和1.26% (图1B),GA4分别下降9.36%和12.62% (图1C),ZR分别下降23.38%和18.77% (图1D),而ABA分别增加15.09%和8.15%,T1处理的ABA质量分数高于T2处理(图1E),但T1和T2处理两者间差异不显著。
在S2时期,无论截顶与否,针叶IAA、GA7、GA4和ZR质量分数均较S1时期增加,其中,T1处理的IAA、GA7、GA4和ZR质量分数分别增加了1.21、1.21、0.92和0.80 ng·g−1,T2处理分别增加了1.45、0.77、0.86和0.76 ng·g−1,显著高于NT处理的增加量(0.30、24.67、0.04和0.11 ng·g−1,P<0.05),截顶处理后ABA质量分数较S1时期降低,其中,T1和T2处理分别降低52.97和48.06 ng·g−1。说明受截顶影响,在之后1个月时间,IAA、GA7、GA4和ZR质量分数呈恢复增长变化,其质量分数在S2时期并未受截顶强度加重显著降低。
在S3时期,与S2时期相比,T1和T2处理下针叶IAA、GA7、GA4和ZR质量分数下降,其中,T1处理分别下降6.32%、7.21%、46.03%和30.04%,T2处理分别下降6.52%、5.52%、42.16%和28.03%;与S1时期相比,T1处理的针叶IAA、GA7、GA4和ZR质量分数分别增加7.34%、2.08%、2.65%和1.58%,T2处理分别增加9.30%、0.55%、4.32%和0.76%;而T1和T2处理的针叶ABA质量分数较S1和S2时期持续降低。
由图1F看出:在S1时期,T1和T2处理的(IAA+GA7+GA4+ZR)/ABA比值较低,分别为7.22和7.61,均低于NT (8.33),而在S2时期,T1和T2处理的(IAA+GA7+GA4+ZR)/ABA比值迅速增加,分别为11.32和11.23,均高于NT (10.21),进一步印证了在花原基形成前期实施截顶,内源激素的比值显著下降,在花原基形成期间,生长促进型激素恢复增长,抑制型激素下降,内源激素的比值显著增加。
2.2.2 截顶与GA4/7诱导的对比分析
由图1A~D可知:在S1时期,T1和T2处理的针叶IAA、GA7、GA4和ZR质量分数显著低于NT+G100、NT+G200和NT+G400处理,而ABA质量分数显著增加 (P<0.05),其中,T1处理下的IAA、GA7、GA4和ZR质量分数分别比GA4/7处理低38.25%~56.39%、24.05%~27.06%、73.91%~101.09%和47.39%~76.31%,ABA质量分数比GA4/7处理高15.92%~27.52%;T2处理下的IAA、GA7、GA4和ZR质量分数分别比GA4/7处理低35.77%~53.59%、25.30%~29.17%、80.79%~109.04%和40.08%~67.56%,ABA质量分数则比GA4/7处理高10.53%~22.88%。
在S1~S3期间,NT+G100、NT+G200和NT+G400处理的IAA质量分数逐渐降低,马尾松针叶GA7、GA4和ZR质量分数均先增加后降低,S3时期的激素质量分数低于S1时期,ABA则先降低后增加;截顶与GA4/7诱导后主要激素质量分数的变化趋势不同,T1和T2处理的马尾松针叶IAA、GA7、GA4和ZR质量分数均为先增加后降低,但是,S3时期的激素高于S1时期,ABA则为持续降低。从图1F可看出:在S2时期,NT+G400处理的(IAA+GA7+GA4+ZR)/ABA比值最高,比NT+G200、NT+G100、T2和T1处理依次高5.97%、12.34%、20.67%和21.64%。
2.3 截顶后短期内内源激素质量分数在时间和空间上的变化特征
2.3.1 短期内的动态变化
由图2A可知:在花原基形成前期截除顶梢,T1和T2处理的马尾松针叶IAA质量分数呈先降低后增加的趋势,到第16天时比NT高33.33%~45.45%。截顶后针叶的GA7质量分数趋势变化不显著,T1处理和T2处理的针叶GA7质量分数也均无显著性差异(图2B)。截顶后马尾松针叶的GA4质量分数呈显著下降 (P<0.05),在第10天达到最低,并比NT处理显著低24.26%~35.32% (P<0.05),之后逐渐增加(图2C)。T1和T2处理的马尾松针叶ZR质量分数均比NT处理显著低4.39%~57.65% (P<0.05),而T1和T2处理间差异不显著(图2D)。说明截顶处理打破了马尾松原有的激素平衡,使针叶中的IAA和GA4生长促进型激素出现短期内先下降后升高的现象。T1和T2处理的ABA质量分数呈降低趋势,但始终高于NT处理(图2E)。在第1~4天时,T1和T2处理马尾松针叶的SA质量分数急剧上升,之后逐渐下降,至第16天时,与NT处理差异不显著(图2F)。
2.3.2 不同高度处的空间变化
在不同高度处,未截顶的马尾松针叶IAA质量分数从高到低依次为H3、H2、H1,T2处理IAA质量分数为H2大于H1;在第10天之后,T1处理H1处的针叶IAA质量分数显著高于T2处理(图2A,P<0.05)。在第13天之后,未截顶H3处的马尾松针叶GA7质量分数与H2和H1处相比差异不显著(图2B),T2处理H1处针叶GA7质量分数和H1处差异不显著,未截顶的针叶GA4质量分数从高到低依次为 H3、H2、H1,T2处理GA4质量分数为H2大于H1,T1处理H1处针叶的GA4质量分数在截顶后第10天低于T2处理,之后逐渐高于T2处理(图2C)。未截顶的ZR质量分数从高到低依次为 H3、H2、H1,T2处理针叶的ZR质量分数在H2处最高,T1处理H1处的ZR质量分数始终最低(图2D)。说明截顶强度影响着不同轮枝处针叶的IAA、GA4和ZR激素质量分数。未截顶的ABA质量分数从高到低依次为H1、H2、H3,T2处理ABA质量分数为H1大于H2,T1处理H1处的针叶ABA质量分数比T2处理高2.85%~7.84% (图2E)。未截顶时,SA质量分数在H1、H2和H3处差异不显著,随截顶程度的加重,在第1~13天,T1处理H1处的SA质量分数比T2处理H1处显著高1.88%~90.88% (P<0.05,图2F)。
3. 讨论
已有研究表明:通过截顶可以增加母树对光能的有效利用,影响叶面积与营养储藏水平,也对侧枝的生长具有重要影响[3, 21]。本研究发现:马尾松树体截顶后不仅促进了枝梢的生长,而且显著增加了雌球花密度。这与KOLPAK等[4]在夏季对花旗松进行截顶和修枝的研究结果相类似。截顶和修枝后花旗松枝条上的雌雄球花量增加,提高了单位面积球果产量。王福森等[2]研究也表明:樟子松截顶后促使母树结实层下移,平均单株球果数增加。截顶处理可以控制树体顶端优势,促使结实母枝更新。通过与赤霉素处理对比发现:截顶处理的雌球花密度与其差异不显著,说明截顶不仅可作为种子园树体管理的有效措施,而且也可促进雌球花形成。郑一等[1]研究马尾松不同结实能力无性系同样发现:截顶可提高中产和高产无性系的雌球花量20%以上。陈虎等[22]对16年生马尾松无性系截顶处理发现:随着截顶强度的增加,母树生长和结实能力增强,在保留1轮枝的情况下结实最多;HAN等[23]对红松P. koraiensis截干后同样得出结果枝数量增加,结实量提高的结果。因此,截顶处理可以控制马尾松树体顶端优势,促使结实母枝更新。植物激素,尤其赤霉素通过其自身前馈和反馈调节参与松树花器官发育并在调节植株生长、控制树势或适应逆境过程中发挥重要作用[7, 24]。马尾松顶端优势强,雌球花多分布在主枝或侧枝的顶端,植株顶芽会抑制侧芽的发生,去除顶芽或抑制顶端优势则会促进侧芽的产生。已有研究表明:树木木质部汁液中细胞分裂素和ABA质量分数与比值在胁迫信号传递中起着重要作用,较高质量分数的Z型细胞分裂素和较低水平的ABA及其代谢产物可能与雌球花的形成有关[25−26]。通过分析花原基形成期间3个阶段的主要激素质量分数与标准枝雌球花量相关性,均发现在花原基形成期,截顶处理后GA4、IAA、GA7和ZR质量分数与雌球花量相关性最高,与ABA质量分数呈显著负相关。研究表明:未截顶时,不同高度处的IAA、GAs和ZR质量分数从高到低依次为H3、H2、H1。在花原基形成前期截顶,受胁迫的影响,促进生长型激素IAA和GA4质量分数呈先降低后增加的动态变化,T2处理依然表现为H2大于H1,截顶后20 d左右,主要激素水平可恢复稳定;在花原基形成期,下部枝条的IAA、GAs和ZR质量分数较花原基形成前期显著增加,(IAA+GA+ZR)/ABA比值大幅提升,说明截顶削弱了顶端优势,促使下部侧枝的激素质量分数在空间上随高度的降低和截顶程度的加重而变化,打破了树体原有的养分平衡,可能通过内源激素的合成、极性运输和信号转导等途径,调节着营养生长与生殖生长之间的平衡。这可能是促进侧芽更快地生长和雌球花形成的主要原因之一[9, 20, 27]。
在顶芽发育过程中,GA和ABA往往表现出拮抗作用,外源注射GA4/7使顶梢ABA合成减少或通过其他途径加速了ABA代谢产物的分解,进而降低顶芽内源ABA及ABA分解代谢的主导产物ABA葡萄糖酯(ABA-ge)的质量分数。GA4/7的使用也可增加反式玉米素核苷(t-ZR)水平和降低异戊烯基腺嘌呤(IP型)细胞分裂素,改变了它们的比值,进而提高雌球花的分化能力,增加雌球花的数量[28−30]。本研究通过截顶处理和GA4/7诱导的对比试验同样得出:在花原基形成期,截顶和GA4/7诱导处理可显著降低ABA质量分数,增加ZR质量分数。国内外育种工作者已经利用GA4、GA7等极性较小的赤霉素可促进多种松树开花和诱导雌雄球花分化的能力,在生产上积累了丰富的经验[31−32]。虽然截顶处理与赤霉素诱导马尾松针叶的内源激素质量分数变化趋势有所不同,但均表明通过树体内主要激素质量分数及其比值平衡的变化,可以调控树体的生长发育,进而指导生产。此外,持续截顶或修枝措施,也是控制顶端优势的方式,对激素变化也有影响。但NEILSEN等[32]对辐射松修枝研究发现:持续修剪对枝条生长有长期影响,造成枝粗增长缓慢。
4. 结论
在花原基形成前期实施截顶和赤霉素处理均可促进马尾松结实母枝更新和雌球花形成,与针叶内源激素质量分数的变化密切相关。截除顶梢后,马尾松针叶的IAA、GA7、GA4和ZR质量分数显著下降,而ABA质量分数显著增加。截顶影响着内源激素重新分配,(IAA+GA7+GA4+ZR)/ABA比值在花原基形成期显著升高。截顶与GA4/7诱导后主要激素质量分数的变化趋势不同,在S1至S3时期,赤霉素诱导后的IAA质量分数逐渐降低,GA7、GA4和ZR质量分数先增加后降低,ABA质量分数则先降低后增加。研究结果表明:生产上通过持续截顶,优化截干技术和控制树势,配合激素诱导,可促进结实母树更新和调控雌球花形成。
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表 1 不同常规粳稻品种在不同贮藏时期发芽率和发芽势的变化
Table 1. Variation of germination rate and germination potential of different conventional japonica rice cultivars in different storage periods
类型 品种名 2015年 2020年 2021年 发芽率/% 发芽势/% 发芽率/% 发芽势/% 发芽率/% 发芽势/% 耐贮品种 ‘南粳44’ 96.3±0.6 a 91.7±0.6 a 93.3±0.6 a 88.0±2.0 b 84.3±4.2 b 66.0±1.0 c ‘沈稻18’ 97.0±1.0 a 90.0±2.0 a 94.7±1.2 a 81.3±1.5 b 82.3±5.5 b 59.0±2.0 c ‘天稻丰’ 94.7±1.5 a 86.7±1.5 a 91.7±2.3 a 76.3±2.5 b 73.7±5.8 b 59.3±6.4 c 不耐贮品种 ‘常农粳7号’ 97.0±1.0 a 89.3±0.6 a 76.3±2.1 b 66.3±1.5 b 38.0±5.3 c 33.3±2.1 c ‘秀水134’ 97.0±1.0 a 91.3±1.2 a 78.3±2.5 b 59.3±1.5 b 37.3±0.6 c 32.7±1.5 c ‘平安粳稻11号’ 95.7±0.6 a 88.0±1.0 a 81.3±2.5 b 73.0±3.6 b 25.7±1.2 c 22.7±2.1 c 说明:数据为平均值±标准差。不同小写字母表示同一品种在不同贮藏时期间差异显著(P<0.05) 表 2 不同常规籼稻品种在不同贮藏时期发芽率和发芽势变化
Table 2. Variation of germination rate and germination potential of different conventional indica rice cultivars in different storage periods
类型 品种名 2015年 2020年 2021年 发芽率/% 发芽势/% 发芽率/% 发芽势/% 发芽率/% 发芽势/% 耐贮品种 ‘赣晚籼35号’ 97.3±2.1 a 90.0±1.0 a 93.3±3.1 a 82.7±1.2 b 84.7±2.5 b 81.3±2.5 b ‘赣晚糯7号’ 96.0±1.0 a 91.3±1.2 a 93.0±1.7 a 85.0±3.6 a 78.3±5.9 b 70.0±4.0 b ‘甬籼69’ 95.0±1.0 a 83.0±2.6 a 91.3±3.2 a 80.7±3.1 a 72.0±7.5 b 63.3±2.1 b 不耐贮品种 ‘温926’ 91.7±1.5 a 88.7±2.1 a 78.3±0.6 b 72.0±2.0 b 52.3±5.1 c 41.3±1.5 c ‘甬籼15号’ 88.7±1.2 a 83.3±0.6 a 72.7±5.0 b 55.3±1.2 b 46.3±4.0 c 37.0±1.0 c ‘扬稻6号’ 87.7±2.3 a 81.3±1.5 a 74.7±2.5 b 62.3±2.5 b 29.7±7.1 c 26.0±1.0 c 说明:数据为平均值±标准差。不同小写字母表示同一品种在不同贮藏时期间差异显著(P<0.05) 表 3 不同杂交稻品种在不同贮藏时期发芽率变化
Table 3. Changes of germination rate of different hybrid rice cultivars in different storage periods
类型 品种名 2015年 2020年 2021年 发芽率/% 发芽势/% 发芽率/% 发芽势/% 发芽率/% 发芽势/% 耐贮品种 ‘两优培九’ 97.7±1.5 a 89.0±3.0 a 96.3±1.5 a 84.0±2.0 a 92.7±2.1 a 78.0±1.0 b ‘中浙优1号’ 96.3±0.6 a 90.3±1.5 a 94.3±8.6 a 87.3±2.3 a 91.3±3.2 a 82.3±1.5 b ‘晶两优华占’ 96.0±1.0 a 89.0±1.0 a 93.3±0.6 a 86.0±1.0 a 92.3±0.6 a 77.0±1.0 b 不耐贮品种 ‘隆香优130’ 96.3±1.5 a 90.7±1.5 a 71.0±1.7 b 62.0±2.0 b 38.7±2.1 c 28.3±2.5 c ‘深两优865’ 96.0±2.0 a 86.0±1.7 a 79.0±2.0 b 68.7±3.1 b 24.7±3.1 c 18.3±1.5 c ‘两优1号’ 94.0±1.0 a 91.3±2.1 a 75.0±1.0 b 66.3±2.1 b 29.0±1.7 c 20.3±2.1 c 说明:数据为平均值±标准差。不同小写字母表示同一品种在不同贮藏时期间差异显著(P<0.05) 表 4 不同品种常规粳稻生理指标变化
Table 4. Changes of physiological indexes of different cultivars of conventional japonica rice
类型 品种 α-淀粉酶活性/
(mg·g−1·min−1)β-淀粉酶活性/
(mg·g−1·min−1)CAT活性/
(×16.67 nkat·g−1)POD活性/
(×16.67 nkat·g−1)SOD活性/
(×16.67 nkat·g−1)MDA/
(μmol·kg−1)Pro/
(μg·g−1)耐贮品种 ‘南粳44’ 2.9±0.5 b 5.8±0.6 c 85.7±1.4 a 305.1±1.9 a 212.2±9.7 a 2.7±0.7 d 14.7±2.1 a ‘沈稻18’ 4.3±0.3 a 8.6±0.9 b 63.7±3.3 b 224.3±10.3 b 211.8±1.2 a 4.7±0.2 b 12.3±1.0 b ‘秀水134’ 1.8±0.1 c 12.3±1.8 a 62.4±1.8 b 133.7±3.6 d 118.9±3.1 d 4.0±0.1 bc 10.6±0.5 bc 平均值 3.0±1.3 A 8.9±3.3 A 70.6±13.1 A 221.0±85.7 A 181.0±53.8 A 3.8±1.0 A 12.5±2.1 A 不耐贮品种 ‘平安粳稻11号’ 0.4±0.2 d 5.5±0.3 c 62.9±1.3 b 181.5±2.1 c 122.7±3.5 d 3.3±0.1 cd 9.8±0.5 c ‘常农粳7号’ 0.6±0.1 d 4.6±0.3 c 64.2±0.5 b 182.1±1.7 c 159.6±8.7 c 9.2±0.9 a 9.9±0.4 c ‘天稻丰’ 0.2±0.2 d 5.3±0.1 c 48.4±1.2 c 174.1±3.1 c 174.3±2.9 b 9.7±0.8 a 10.5±1.4 bc 平均值 0.4±0.2 A 5.1±0.5 A 58.5±8.8 A 179.2±4.4 A 152.2±26.6 A 7.4±3.6 A 10.0±0.4 A 说明:数据为平均值±标准差。同列不同小写字母表示各品种间差异显著,同列不同大写字母表示不同耐贮性的平均值差异显著(P<0.05) 表 5 不同品种常规籼稻生理指标变化
Table 5. Changes of physiological indexes of different cultivars of conventional indica rice
类型 品种 α-淀粉酶活性/
(mg·g−1·min−1)β-淀粉酶活性/
(mg·g−1·min−1)CAT活性/
(×16.67 nkat·g−1)POD活性/
(×16.67 nkat·g−1)SOD活性/
(×16.67 nkat·g−1)MDA/
(μmol·kg−1)Pro/
(μg·g−1)耐贮品种 ‘赣晚籼35号’ 4.5±0.5 a 11.2±1 b 54.9±2.6 c 328.1±11.6 b 210.8±6.7 b 2.3±0.2 e 10.1±0.6 b ‘赣晚糯7号’ 3.7±0.3 b 11.7±1 b 77.1±4.4 b 468.4±10.1 a 224.8±0.3 a 2.4±0.3 e 10.8±1.3 b ‘甬籼69’ 4.3±0.3 a 16.9±1.6 a 104.5±3.0 a 271.8±8.3 c 212.9±5.7 b 5.6±0.2 d 14.1±1.0 a 平均值 4.2±0.4 A 13.3±3.2 A 78.8±24.8 A 356.1±101.2 A 216.2±7.6 A 3.4±1.9 A 11.7±2.1 A 不耐贮品种 ‘农乐1号’ 1.2±0.2 d 6.6±0.4 c 46.3±1.7 d 127.7±10.8 e 211.7±4.8 b 7.2±0.3 b 10.3±1.2 b ‘甬籼15号’ 0.6±0.1 e 4.8±0.4 c 28.2±2.4 e 279.8±4.9 c 176.8±3.9 d 7.8±0.2 a 11.1±0.4 b ‘扬稻6号’ 2.3±0.2 c 5.4±0.5 c 55.0±1.2 c 184.4±1.9 d 202.9±1.7 c 6.7±0.2 c 10.2±0.2 b 平均值 1.4±0.9 B 5.6±0.9 A 43.2±13.7 A 197.3±76.9 B 197.1±18.2 A 7.2±0.6 A 10.5±0.5 A 说明:数据为平均值±标准差。同列不同小写字母表示各品种间差异显著,同列不同大写字母表示不同耐贮性的平均值差异显著(P<0.05) 表 6 不同品种杂交稻生理指标变化
Table 6. Changes of physiological indexes of different cultivars of hybrid rice
类型 品种 α-淀粉酶活性/
(mg·g−1·min−1)β-淀粉酶活性/
(mg·g−1·min−1)CAT活性/
(×16.67 nkat·g−1)POD活性/
(×16.67 nkat·g−1)SOD活性/
(×16.67 nkat·g−1)MDA/
(μmol·kg−1)Pro/
(μg·g−1)耐贮品种 ‘两优培九’ 8.5±0.2 a 22.4±0.4 a 133.5±5.7 b 201.4±3.7 c 229.9±7.6 a 2.0±0.6 e 12.0±0.4 c ‘中浙优1号’ 4.0±0.7 c 12.9±1.1 b 169.4±3.0 a 376.4±9.5 b 229.6±3.1 a 2.7±0.2 d 31.4±1.3 a ‘晶两优华占’ 6.6±0.2 b 13.5±0.1 b 119.9±1.3 c 430.3±11.3 a 206.9±1.6 b 2.2±0.5 e 16.1±1.8 b 平均值 6.4±2.3 A 16.3±5.3 A 140.9±25.6 A 336.0±119.7 A 222.1±13.2 A 2.3±0.4 A 19.8±10.2 A 不耐贮品种 ‘隆香优130’ 2.7±0.4 d 3.6±0.1 e 60.6±3.3 d 105.3±4.6 f 144.8±3.1 d 14.5±0.5 a 12.6±1.2 c ‘深两优865’ 0.6±0.1 e 8.7±0.2 c 53.8±2.2 d 152.3±4.8 d 175.8±3.7 c 7.5±0.3 c 10.6±0.7 cd ‘两优1号’ 0.9±0.1 e 4.7±0.4 d 60.2±3.4 d 127.5±7.2 e 123.8±2.5 e 12.2±0.4 b 9.4±0.7 d 平均值 1.4±1.1 B 5.7±2.7 A 58.2±3.8 B 128.3±23.5 A 148.1±26.2 B 11.4±3.6 A 10.8±1.6 A 说明:数据为平均值±标准差。同列不同小写字母表示各品种间差异显著,同列不同大写字母表示不同耐贮性的平均值差异显著(P<0.05) -
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