全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (9): 923~928 923
收稿 2013-05-17　　修定 2013-06-17
资助 国家自然科学基金项目(30900874和30971745)、湖南省科
技计划博士后项目(2012RS4037)、湖南省自然科学基金
项目(11JJ3026)、湖南省教育厅青年基金项目(13B052)和
作物学开放基金项目(ZWKF201301)。
* 通讯作者(E-mail: chenliyun996@163.com; Tel: 0731-
84618757)。
# 同等贡献单位。
水稻花药对高温胁迫的生理响应
张桂莲1,2, 张顺堂2, 萧浪涛3, 武小金1, 肖应辉2, 陈立云2,*
1,#湖南农业大学农学院, 长沙410128; 2,#深圳市龙岗区农业科技推广中心博士后创新基地, 广东深圳518118; 3湖南农业大学
植物激素与生长发育湖南省重点实验室, 长沙410128
摘要: 为了探明水稻花药在高温胁迫下的生理反应及适应机理, 以耐热水稻品系996和热敏感水稻品系4628为材料, 在人工
气候室进行高温(9:00~17:00, 37 ℃; 17:00~9:00, 30 ℃)和适温处理(9:00~17:00, 30 ℃; 17:00~9:00, 25 ℃), 研究高温胁迫对水
稻花药可溶性糖、可溶性蛋白质、热稳定蛋白、维生素C含量、膜透性及内源激素含量等生理特性的影响。结果表明, 高
温使水稻花药中可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量和维生素C含量下降, 热稳定蛋白含量上升; 热敏感品系4628花药中丙
二醛含量和相对电导率在高温胁迫下增幅大于耐热品系996; 高温胁迫下, 水稻花药中GA3和IAA含量降低, ABA含量上升,
耐热品系996花药中GA3、IAA含量降低幅度小于热敏感品系4628, ABA含量增加幅度小于热敏感品系4628。
关键词: 水稻; 花药; 高温胁迫; 生理响应
Physiological Responses of Anther to High Temperature Stress in Rices
ZHANG Gui-Lian1,2, ZHANG Shun-Tang2, XIAO Lang-Tao3, WU Xiao-Jin1, XIAO Ying-Hui2, CHEN Li-Yun2,*
1,#Collegeof Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2,#Post-Doctoral Innovation Base of Agricultural
Science and Technology Promotion Center of Longgang District, Shenzhen, Guangdong 518118, China; 3Hunan Provincial Key
Laboratory of Phytohormones and Growth Development, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
Abstract: In order to ascertain the physiological reaction and mechanism of adaption to high temperature stress
of anther in rice, we treated heat-tolerant line 996 and heat-sensitive line 4628 with high temperature (9:00–
17:00, 37 ℃; 17:00–9:00, 30 ℃) treatment and optimal temperature (9:00–17:00, 30 ℃; 17:00–9:00, 25 ℃)
treatment in the growth chambers. The soluble sugar content, soluble protein content, heat stable protein con-
tent, vitamin C content, membrane permeability and endogenous hormone content of anther in rice were stud-
ied. The results showed that soluble sugar content, soluble protein content and vitamin C content of anther de-
creased under high temperature stress, but heat stable protein content increased; The increase scope of
malondialdehyde (MDA) content and relative conductivity in heat-sensitive line 4628 was greater under high
temperature stress than that of in heat-tolerant line 996; Under high temperature stress, GA3 and IAA content of
anther decreased, while ABA content of anther increased, the decreasing scope of GA3 and IAA content in heat
tolerant line 996 was less than that of heat-sensitive line 4628, the increasing scope of ABA content was less
than that of heat-sensitive line 4628.
Key words: rice; anther; high temperature stress; physiological responses
伴随全球工业化进程的加速, 地球平均气温
逐渐升高, 高温胁迫已成为自然界中最主要的非
生物胁迫之一。据国际水稻所研究, 在水稻生长对
环境敏感期间温度每升高1 ℃, 最终将导致产量损
失10%以上(Peng等2004)。在我国南方稻区, 夏季
高温会引起水稻不正常结实, 如不灌浆或灌浆不
良造成大量的空瘪粒, 使实粒重降低, 导致大面积
减产(黄英金等1999)。2003年夏季的持续异常高
温, 使我国长江流域稻作区中稻的结实率大面积
大幅度降低, 部分杂交中籼稻结实率降至35%, 产
量损失严重(王才林和仲维功2004)。高温热害已
成为限制我国南方稻区水稻优质安全生产的瓶颈。
高温对水稻整个生长发育过程都会产生影响,
但以孕穗期、抽穗扬花期和灌浆初期较敏感, 尤
植物生理学报924
其以开花期的雄性器官最为敏感。高温胁迫导致
花药不开裂或开裂受阻, 造成散发到柱头上的花
粉数不足, 花粉活力降低(Prasad等2006; 穰中文和
周清明 2 0 1 2 )。谢晓金等 ( 2 0 0 9 )、郭晶心等
(2010)、黄福灯等(2010)研究认为花粉活力、花粉
萌发率与胁迫温度的高低和持续时间长短都有关,
高温胁迫破坏了花药细胞膜结构与功能, 影响了
花粉活力与萌发能力, 且品种间存在显著差异。
邓云等(2010)研究认为抽穗前的高温直接导致水
稻花药组织和生殖细胞异常发育, 从而减少有效
花粉的形成和降低裂药与授粉性能, 可能成为田
间条件下持续高温引起水稻不育的重要原因。关
于高温导致结实率降低的原因及生理机制, 目前
研究大多仅限于某一方面, 而关于高温对水稻影
响机制的系统研究报道不多, 为此本文通过人工
模拟高温, 研究高温胁迫对水稻花药可溶性糖、
可溶性蛋白质、热稳定蛋白、维生素C含量、膜
透性及内源激素含量等生理特性的影响, 试图探
明高温胁迫对水稻花器官的影响机制, 为选育耐
热性水稻品种或改良现有超高产水稻品种的耐热
性提供理论依据。
材料与方法
1 供试材料
试验于2011年在湖南农业大学水稻研究所进
行。供试材料为耐热水稻(Oryza sativa L.)品系
996、热敏感水稻品系4628, 均由湖南农业大学水
稻所提供。
2 试验方法
2011年3月27日播种, 4月29日移栽。高温处
理前15 d选择生长发育进程基本一致的植株移栽
于盆钵(盆钵内径266 mm, 高190 mm)中, 每钵3株,
共60盆, 当每株有3个分蘖穗抽出剑叶1 cm左右时,
用红色纤维绳标记稻穗, 移入人工气候室分别进
行高温(9:00~17:00, 37 ℃; 17:00~9:00, 30 ℃)和适
温处理(9:00~17:00, 30 ℃; 17:00~9:00, 25 ℃), 处理
期间相对湿度控制在75%左右, 连续处理5 d后, 将
水稻植株移至室外让其自然生长。分别于处理第
1、2、3、4和5天上午取标记穗相同部位颖花的
花药测定各项生理指标, 每处理重复3次。用蒽酮
比色法(李合生等2000)测定花药可溶性糖含量; 用
考马斯亮蓝G-250染色法(李合生等2000)测定花药
可溶性蛋白质含量; 参照Fu等(1997)的方法测定花
药热稳定蛋白含量; 用比色法测定(李合生等2000)
花药维生素C含量; 参照李合生等(2000)的方法测
定花药丙二醛(MDA)含量; 参照张宪政(1992)方法
测定花药电解质渗漏率。用ELISA方法测定花药
内源激素(GA3、IAA、ABA)含量。
实验结果
1 高温胁迫对水稻花药可溶性糖含量的影响
可溶性糖是植物体内有效渗透调节物质, 可
溶性糖在细胞积累可以降低细胞的渗透势以维持
细胞的膨压, 防止细胞内大量的被动脱水。从图1
可以看出, 高温胁迫下, 花药中的可溶性糖含量明
显降低, 与对照相比, 在处理第3天, 耐热品系996
和热敏感品系4628分别比对照降低14.57%和
23.31%, 且随着高温胁迫时间延长, 可溶性糖含量
持续下降, 至处理末达最低, 耐热品系996和热敏
感品系4628分别比对照下降22.95%和29.52%。相
同条件下耐热品系996可溶性糖含量高于热敏感
品系4628。
图1 高温胁迫对水稻花药可溶性糖含量的影响
Fig.1 Effect of high temperature stress on soluble sugar
content of rice anther
2 高温胁迫对水稻花药可溶性蛋白质含量的影响
细胞可溶性蛋白质是植物代谢的主要调控和
促进物质, 其含量的变化从一个方面反映了植物
合成和代谢的能力。由图2可以看出, 高温胁迫初
期, 水稻花药中可溶性蛋白质含量增加, 至处理第
3天达最大值, 耐热品系996比对照增加9.67%, 热
敏感品系4628则比对照增加6.43%, 随着高温胁迫
张桂莲等: 水稻花药对高温胁迫的生理响应 925
时间延长(处理3 d后), 开始呈下降趋势。这可能是
由于Rubisco等表达增强引起可溶性蛋白质含量增
加, 随着高温胁迫程度的加剧, Rubisco羧化酶活性下
降, 净光合速率减少, 导致可溶性蛋白质含量下降。
3 高温胁迫对水稻花药热稳定蛋白含量的影响
高温胁迫下, 两品系花药的热稳定蛋白含量
增加(图3), 且随着胁迫时间延长, 热稳定蛋白含量
保持上升趋势, 在整个高温胁迫处理期间, 耐热品
系996的热稳定蛋白含量始终高于热敏感品系
4628。
在处理第3天, 耐热品系996和热敏感品系4628分
别比对照下降15.79%和31.08%, 随高温胁迫程度
加重, 维生素C含量持续下降, 至处理第5天最低,
耐热品系996比对照下降29.73%, 而热敏感品系
4628则比对照下降36.62%, 相同条件下, 耐热品系
996下降幅度小于热敏感品系4628。
图2 高温胁迫对水稻花药可溶性蛋白质含量的影响
Fig.2 Effect of high temperature stress on soluble protein
content of rice anther
图3 高温胁迫对水稻花药热稳定蛋白含量的影响
Fig.3 Effect of high temperature stress on heat stable protein
content of rice anther
4 高温胁迫对水稻花药维生素C含量的影响
维生素C是一种小分子的抗氧化剂, 在抵制植
物体内活性氧的损伤过程中起重要作用。由图4
可知, 在高温胁迫下, 水稻花药维生素C含量下降,
图4 高温胁迫对水稻花药维生素C含量的影响
Fig.4 Effect of high temperature stress on vitamin C
content of rice anther
图5 高温胁迫对水稻花药MDA含量的影响
Fig.5 Effect of high temperature stress on MDA
content of rice anther
5 高温胁迫对水稻花药膜透性的影响
5.1 对水稻花药MDA含量的影响
丙二醛含量可反映植物细胞膜脂过氧化程度
和植物对逆境条件的反应强弱(Prasad 1996)。由
图5可见, 高温胁迫使水稻花药MDA含量增加, 随
胁迫时间延长, MDA含量迅速并持续上升。但是,
品种间的增加幅度有差异 , 热敏感品系4628的
MDA含量显著高于耐热性品系996 (第1天除外)。
植物生理学报926
5.2 对水稻花药相对电导率的影响
电解质外渗率是评价细胞膜透性的一种有效
方法, 电解质外渗率一般用相对电导率表示。图6
显示, 随热胁迫时间延长, 两品系花药相对电导率
逐步升高, 但耐热性品系996的相对电导率小于热
敏感品系4628, 说明其细胞膜的损伤较小, 这与
MDA表现的趋势相一致。
感品系4628的花药GA3含量比对照减少26.02%和
35.52%, 差异达显著水平。整个高温处理期间, 耐
热品系996花药GA3含量高于热敏感品系4628的。
6.2 对水稻花药ABA含量的影响
由图8可看出 , 在高温胁迫下 , 两品系花药
ABA含量均有所增加, 处理第3天, 耐热品系996和
热敏感品系4628花药ABA含量分别比对照增加
26.05%和37.62%, 且随着高温胁迫时间延长, 两品
系花药ABA含量持续增加, 至处理第5天, 热敏感
品系4628和耐热品系996的花药ABA含量比对照
增加70.5%和48.4%, 差异达显著水平。高温胁迫
期间, 耐热品系996花药ABA含量低于热敏感品系
4628。
图6 高温胁迫对水稻花药相对电导率的影响
Fig.6 Effect of high temperature stress on relative
conductivity of rice anther
6 高温胁迫对水稻花药内源激素含量的影响
6.1 对水稻花药GA3含量的影响
由图7可看出, 在高温下, 两品系花药GA3含量
均有所下降, 处理第1天, 耐热品系996和热敏感品
系4628的花药GA3含量分别比对照下降1.58%和
2.65%, 且随着高温胁迫时间延长, 两品系花药GA3
含量持续下降, 至处理第5天, 耐热品系996和热敏
图7 高温胁迫对水稻花药GA3含量的影响
Fig.7 Effect of high temperature stress on GA3
content of rice anther
图8 高温胁迫对水稻花药ABA含量的影响
Fig.8 Effect of high temperature stress on ABA
content of rice anther
6.3 对水稻花药IAA含量的影响
由图9可看出, 在高温下, 两品系花药IAA含量
均有所下降, 处理第1天, 耐热品系996和热敏感品
系4628的花药IAA含量分别比对照下降1.37%和
2.05%, 且随着高温胁迫时间延长, 两品系花药IAA
含量持续下降, 至处理第5天, 耐热品系996和热敏
感品系4628的花药IAA含量比对照减少49.49%和
54.68%。处理期间, 耐热品系996花药IAA含量的
下降幅度小于热敏感品系4628。
讨　　论
干旱、高低温、盐渍等逆境影响植物的正常
生理代谢, 在胁迫过程中一些与逆境适应有关的
基因被启动表达, 新的蛋白质合成。热稳定蛋白
张桂莲等: 水稻花药对高温胁迫的生理响应 927
是植物处于胁迫条件下一系列抗逆基因表达的结
果, 其含量的高低是决定植物对高温逆境适应的
重要因素(Jinn等1995)。欧志英等(2005)对两个超
级杂交稻的高温耐受性的研究表明, 热稳定蛋白
含量高的品种有较高的耐高温能力。本研究结果
表明, 高温胁迫条件下, 水稻花药的热稳定蛋白含
量增加, 且随着胁迫时间的延长, 热稳定蛋白含量
保持上升趋势, 在整个胁迫期间, 耐热品系996的
热稳定蛋白含量始终高于热敏感品系4628。这说
明耐热品系996花药中较高的热稳定蛋白含量, 增
强了它耐受高温逆境的能力, 是其耐高温的生理
基础。
植物体内可溶性蛋白质和可溶性糖对细胞具
有渗透调节及保护细胞膜结构稳定的作用。MDA
是膜脂过氧化作用的最终产物, 其含量的高低是
膜脂过氧化程度的重要标志, 能引起对酶和膜的
严重损伤, 破坏细胞膜正常的结构和功能。汤日
圣等(2005)认为高温导致膜结构的破坏和可溶性
糖等渗透调节物质含量的降低。本研究结果表明,
高温导致水稻花药可溶性蛋白质、可溶性糖和维
生素C含量的降低, MDA含量则大幅度上升, 相对
电导率急剧增加。这就意味着高温胁迫对保护膜
结构与功能产生了很大伤害, 致使活性氧大量增
加, 使得膜脂过氧化作用加剧, 最终导致膜结构和
功能的破坏, 质膜透性显著增加。与热敏感品系
4628相比, 耐热品系996的花药在高温胁迫下仍能
保持较高可溶性蛋白质、可溶性糖和维生素C含
量以及较低的MDA含量和电解质外渗率, 因此能
保持膜结构及功能的相对稳定性, 减少细胞内容
物外渗, 减轻对花药的伤害。
GA3和IAA是促进型激素, 具有强烈促进花粉
萌发的特性(李训贞1990)。ABA是抑制型激素, 是
一种胁迫激素, 在逆境下含量增加。本研究结果
表明, 高温胁迫下, 水稻花药中GA3和IAA含量降
低, 导致花粉内促进自身萌发的物质减少, 花粉萌
发潜能下降; 而花药中ABA含量上升, 这可能是花
药对高温胁迫的生理反应, 增加了花药对高温逆
境的适应能力。高温下耐热品系996花药中具有
较高的GA3、IAA和较低的ABA含量, 因此能维持
较高的花粉萌发率。
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