全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2014, 50 (12): 1840~1844　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.03441840
收稿 2014-08-12　　修定 2014-11-22
资助 国家自然科学基金项目(30900874)、湖南省自然科学
基金项目(11JJ3026)、湖南省教育厅优秀青年基金项目
(13B052)和作物学开放基金项目(ZWKF201301)。
# 同等贡献。
* 通讯作者(E-mail: langtaoxiao@163.com, Tel: 0731-84635261;
E-mail: chenliyun996@163.com, Tel: 0731-84618757)。
高温对水稻胚乳淀粉合成关键酶活性及内源激素含量的影响
张桂莲1,2, 廖斌1, 武小金2, 肖应辉1, 肖浪涛3,*, 陈立云1,*
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: 以耐热性不同的两个水稻品系为材料, 研究了高温胁迫对胚乳淀粉合成关键酶活性及内源激素含量的影响。结果表
明, 高温胁迫下胚乳ADPG焦磷酸化酶活性(AGPase)、可溶性淀粉合成酶(SSS)和淀粉分支酶(SBE)活性升高, 到达峰值后
下降。耐热品系996胚乳淀粉合成酶类活性的下降幅度小于热敏感品系4628。高温下淀粉积累速率与AGPase、SSS活性
显著相关。高温下胚乳中ABA含量升高, IAA含量和Z+ZR含量降低, 热敏感品系4628胚乳中内源激素含量变化幅度均大
于耐热品系996。
关键词: 水稻; 高温; 胚乳; 淀粉合成关键酶; 激素
Effect of High Temperature on Activities of Enzymes Associated with Starch
Synthesis and Hormones Contents in Endosperm of Rice
ZHANG Gui-Lian1,2, LIAO Bin1, WU Xiao-Jin2, XIAO Ying-Hui1, XIAO Lang-Tao3,*, CHEN Li-Yun1,*
1,#College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2,#Post-Doctoral Innovation Base of Agricultur-
al 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: The experiment was carried out in growth chamber to investigate the effect of high temperature on the
activities of the key enzymes associated with starch synthesis and hormone contents in endosperm of two rice
(Oryza sativa) lines including the heat-tolerant line 996 and heat-sensitive line 4628. The results showed that
AGPase, SSS and SBE enzyme activities increased under high temperature stress, then decreased after the period
of the peak, the decreasing extent in heat resistant line 996 was lower than that in heat sensitive line 4628. There
was a significant correlation between the starch accumulation rate and the AGPase, SSS activities. The ABA content
increased, IAA content and Z+ZR content decreased under high temperature stress, the change scope of endogenous
hormone content in heat-tolerant line 996 was greater than that of heat-sensitive line 4628.
Key words: rice (Oryza sativa); high temperature; endosperm; key enzymes of starch synthesis; hormone
近年来, 长江流域水稻产区极端高温发生频
率增加, 持续时间延长, 范围不断扩大, 造成授粉
不良(周建霞等2014)或影响胚乳灌浆, 导致空秕粒
增多、籽粒充实度下降, 垩白度增加和品质下降
(李太贵等1997; 李训贞等2002), 高温胁迫已成为
水稻优质的重要限制因素。据报道, 温度对稻米
品质形成的影响主要在水稻灌浆的前、中期(李训
贞等2002; 李太贵等1997; 程方民和张嵩午1999)。
淀粉分支酶(starch branching enzyme, SBE)活性对
温度变化的反应较为敏感, 温度过高过低都降低
该酶活性(金正勋等2005)。高温影响胚乳的淀粉
结构(程方民等2001)。不同温度下籽粒中蔗糖合
成酶(sucrose synthase, SS)和可溶性淀粉合成酶
(soluble starch synthase, SSS)的活性与淀粉含量关系
密切, 颗粒结合性淀粉合成酶活性与直链淀粉含量
的关系最为密切(程方民等2003)。ADPG焦磷酸化
酶(ADP-glucose pyrophosphorylase, AGPase)和SSS
活性对温度的影响反应较为迟钝(金正勋等2005)。
高温热害的机制归根结底在于高温胁迫破坏
水稻体内正常的生理代谢活动。在遭受高温胁迫
的过程中, 水稻体内的各种抗性物质和内源激素
张桂莲等: 高温对水稻胚乳淀粉合成关键酶活性及内源激素含量的影响 1841
都会发生变化, 产生防御胁迫的适应能力。王丰
等(2006)认为高温下早期灌浆加速及灌浆持续时
间缩短与籽粒中内源激素含量的变化有关。以往
在温度影响水稻籽粒灌浆的研究中, 多是在灌浆
期进行全程高温胁迫试验, 探讨高温对水稻胚乳
淀粉合成酶类活性和品质的影响。由于水稻灌浆
期高温天气往往是间断的, 并不是全程持续的, 而
且不同时段高温对稻米品质的影响不同, 本研究
在前期探讨高温影响稻米品质关键时期(抽穗后
8~21 d)的基础上(张桂莲等2013), 进一步探讨高温
胁迫下胚乳淀粉合成关键酶活性差异及其与淀粉
积累的关系, 以及内源激素含量的变化, 旨在揭示
高温对稻米品质的影响机理, 以期为耐高温品种选
育及相关抗高温栽培措施的应用提供理论依据。
材料与方法
1 供试材料
试验于2012~2013年在湖南农业大学水稻所
试验田进行。供试材料为水稻(Oryza sativa L.)耐
热品系996和热敏感品系4628, 二者在耐热性方面
具有显著差异。在异常高温条件下种植, 前者的
结实率为66.31%, 结实性和产量未受明显影响; 而
后者结实率为30.11%, 影响很大, 两品系均由湖南
农业大学水稻科学研究所提供。
2 试验方法
2012年3月30日播种, 4月27日移栽, 2013年4
月5日播种, 5月11日移栽。抽穗前20 d, 选生育进
程基本一致的植株带泥移入盆钵(盆钵内径266
mm, 高190 mm)中, 每钵3株。抽穗当天对穗进行
标记, 于抽穗第8天, 每品系选30盆移入人工气候
室进行高温(8:00~17:00, 37 ℃; 17:00~次日8:00, 30
℃)和适温(8:00~17:00, 30 ℃; 17:00~次日8:00, 25
℃)处理。处理期间相对湿度控制在75%左右, 植
株冠层光通量密度为850 µmol·m-2·s-1。连续处理
15 d后, 将所有植株置于适温条件下进行生长至成
熟。分别于处理1、4、8、12和15 d取标记穗中部
同一部位籽粒, 一部分用于酶活性和激素含量的
测定; 另一部分籽粒于105 ℃杀青30 min后, 80 ℃
烘干至恒重, 用于胚乳淀粉积累测定。高温处理15
d时, 测定直链淀粉含量。每处理重复3次。
参照沈波等(1997)方法测定SBE活性。参照
梁建生等(1994)和Nakamura等(1989)方法测定AG-
Pase和SSS活性。参照尹燕枰和董学会(2008)方法
测定胚乳淀粉含量。用ELISA方法测定籽粒胚乳
内源激素ABA、Z+ZR和IAA的含量。文中数据为
2年数据的平均值。
所有实验数据处理和方差分析采用Microsoft
Excel和SAS软件完成。
实验结果
1 高温对水稻胚乳淀粉合成关键酶活性的影响
1.1 高温对水稻胚乳SBE活性的影响
从图1可知 , 高温胁迫下 , 两品系籽粒胚乳
SBE活性先升高, 至处理第4天达到峰值, 随后下
降。对耐热品系996而言, 高温处理的胚乳SBE活
性高于适温处理。但对热敏感品系4628来说, 前
期高温处理的酶活性都高于适温处理; 至高温处
理15 d时, 胚乳SBE活性才低于适温处理的。整
个高温处理期间, 996籽粒胚乳SBE活性均高于
4628的。
图1 高温对胚乳SBE活性的影响
Fig.1 Effect of high temperature on SBE activity in endosperm
1.2 高温对水稻胚乳AGPase活性的影响
高温胁迫下, 两品系籽粒胚乳AGPase活性变
化趋势与SBE活性基本一致(图2)。耐热性不同品
系之间存在差异。在高温处理1~8 d, 热敏感品系
4628的AGPase活性均较适温处理明显升高, 在第4
天达高峰后, 下降幅度很大; 在第12和15天时, AGPase
活性低于适温处理。而高温处理的耐热品系996在
第4天的高峰过后下降幅度较适温处理的小。整个
高温处理期间, 996籽粒AGPase活性均高于4628
的。这表明一定程度的高温胁迫能短期提高AGPase
活性, 之后的活性下降与品种的耐热性有关。
植物生理学报1842
1.3 高温对水稻胚乳SSS活性的影响
由图3可见, 两品系籽粒SSS活性变化表现为
先升高, 至处理第4天达到峰值, 随后下降。在前
期(1~4 d), 高温处理的籽粒SSS活性升高, 且高于
适温处理; 达到峰值后, SSS活性下降且均低于适
温处理。整个高温处理期间, 996籽粒的SSS活性
变化幅度小于4628。可见, 耐热性不同品种间籽
粒SSS活性对高温的感应差异很大。
2.2 高温下胚乳淀粉积累速率与淀粉合成关键酶
活性之间的相关分析
从表1来看, 高温胁迫下, 两品系的胚乳淀粉
积累速率与SSS活性变化间的相关系数达到极显
著水平, 与AGPase活性变化的相关系数达到显著
水平, 而与SBE活性变化的相关系数未达到显著水
平。这说明高温胁迫下胚乳淀粉积累速率的差异
与SSS、AGPase活性变化密切相关, 而与SBE活性
变化的关系不大。
图2 高温对胚乳AGPase活性的影响
Fig.2 Effect of high temperature on AGPase activity in endosperm
图3 高温对胚乳SSS活性的影响
Fig.3 Effect of high temperature on SSS activity in endosperm
2 高温对水稻胚乳淀粉积累的影响
2.1 高温对水稻胚乳淀粉积累速率的影响
由图4可见, 高温下籽粒淀粉积累速率的动态
变化与淀粉合成关键酶活性变化趋势(图1~3)相似,
呈单峰特征, 峰值在高温处理第4天, 之后有所下
降。在前期(1~4 d), 高温处理的两品系淀粉积累速
率均高于同期适温; 峰值过后, 则明显低于适温处
理的。整个高温处理期间, 996籽粒淀粉积累速率
高于4628的。
图4 高温对胚乳淀粉积累速率的影响
Fig.4 Effect of high temperature on starch
accumulation rate in endosperm
表1 高温下淀粉积累速率与酶活性的相关性
Table 1 The correlation of starch accumulation rate and
enzyme activity under high temperature
品系
淀粉积累速率与酶活性的相关系数(r)
SSS AGPase SBE
996 0.9703** 0.9234* 0.7431
4628 0.9761** 0.8961* 0.7713
　　**表示在0.01水平上显著; *表示在0.05水平上显著。
耐热性品系996在高温胁迫下直链淀粉含量
为20.64%, 适温下直链淀粉含量为24.80%, 高温下
直链淀粉含量比适温降低16.77%。而热敏感品系
4628高温下直链淀粉含量为10.82%, 适温下为
12.63%, 高温下直链淀粉含量比适温降低14.33%。
高温下直链淀粉含量与SBE活性、AGPase活性、
SSS活性间相关性均不显著, 相关系数(r)分别为
0.8061、0.9242和0.1067, 这表明高温胁迫后稻米
直链淀粉含量的降低与其灌浆过程中SBE、AG-
Pase和SSS活性高低并无必然的联系。
张桂莲等: 高温对水稻胚乳淀粉合成关键酶活性及内源激素含量的影响 1843
3 高温对水稻胚乳内源激素含量的影响
3.1 高温对水稻胚乳ABA含量的影响
从图5可知, 灌浆结实期高温导致两品系籽粒
ABA含量的升高, 但随着灌浆进程的推移表现出
一定幅度的下降趋势, 高温处理前期(1~8 d)的下降
幅度较大, 后期(12~15 d)下降幅度较小。对996而
言, 高温处理下籽粒ABA含量均高于适温处理的。对
4628来说, 处理1~12 d, 籽粒ABA含量高于同期适
温处理的, 但在处理15 d时则略低于适温处理的。
这说明高温对水稻灌浆过程中籽粒内ABA的形成
和积累有显著的促进作用。两品系相比, 耐热品
系996籽粒中ABA含量高于热敏感品系4628的。
3.3 高温对水稻胚乳IAA含量的影响
从图7可知, 与籽粒中Z+ZR含量的动态变化
趋势相似, 高温胁迫下籽粒IAA含量降低, 且随着
处理时间延长表现出不断下降趋势。高温处理1~
12 d的籽粒IAA含量低于同期适温处理的, 但在高
温处理15 d时高于适温处理的。与耐热品系996相
比, 热敏感品系4628籽粒IAA含量下降幅度较大。
图5 高温对胚乳ABA含量的影响
Fig.5 Effect of high temperature on ABA content in endosperm
3.2 高温对水稻胚乳Z+ZR含量的影响
从图6可知, 与适温处理相比, 高温胁迫下籽粒
Z+ZR含量表现为降低趋势, 且随着灌浆进程的推移
呈现不断下降趋势, 但在处理15 d时有所回升。高温
处理的4628籽粒Z+ZR含量变化幅度大于996的, 但
整个高温处理期间, 996籽粒Z+ZR含量高于4628的。
图6 高温对胚乳Z+ZR含量的影响
Fig.6 Effect of high temperature on Z+ZR content in endosperm
图7 高温对胚乳IAA含量的影响
Fig.7 Effect of high temperature on IAA content in endosperm
讨　　论
水稻籽粒中的淀粉含量一般占糙米量的90%
以上, 水稻籽粒的灌浆过程主要为淀粉的合成和
积累过程。AGPase、SSS和SBE是籽粒淀粉合成
代谢的关键酶, 对水稻籽粒中淀粉合成和积累起
着重要的调节作用(梁建生等1994), 水稻胚乳灌浆
的最适温度为20~30 ℃, 过高或过低温度都会对淀
粉积累产生不良影响。本文结果表明, 短期高温
胁迫能刺激与淀粉合成关键酶活性的提高, 有利
于加速淀粉的积累, 但随着胁迫时间延长, 淀粉合
成关键酶的活性受抑制, 其程度与品种对高温的
耐性有关。从胚乳淀粉积累速率变化与淀粉合成
关键酶活性变化的相关系数看, 它与SSS和AGPase
的关系最为密切。这与程方民等(2001)、李木英
等(2007)的研究结果一致。
关于SBE活性的变化对水稻籽粒中淀粉组成
的影响, 目前的研究报道不一。Mizuno等(1992)认
为, SBE在淀粉合成过程中的作用是通过形成α-1,6
糖苷键, 从而形成分支的糖链, 因而是影响水稻籽
粒中淀粉的组成与结构的关键酶。Nakamura等
(1989)认为SBE是控制淀粉合成的关键酶, SBE与
植物生理学报1844
可溶性淀粉合成酶一起, 主要作用于支链淀粉的
合成过程。本文结果中SBE活性与淀粉积累速率
和直链淀粉含量间的的相关性不显著, 这说明高
温影响淀粉积累和直链淀粉含量的变化并不完全
与SBE活性有关。Kubo等(1999)和Fujita等(2003)
报道, 异淀粉酶(ISA)在支链淀粉合成中对淀粉分
支葡萄糖分子链的长短起主要作用, 而支链淀粉
酶(R酶)是在支链淀粉的多级簇状结构中水解α-1,6
糖苷键, 对分支链的数量起作用, 因此推测高温影
响使直链淀粉在淀粉总量中所占比例下降, 可能
与R酶水解淀粉分支α-1,6糖苷键的活性下降有关,
对此尚需进一步探讨。
植物内源激素的含量变化以及各种激素之间
的协同或拮抗, 调节着籽粒中蔗糖、氨基酸、蛋
白质及各种酶类的合成和运输速度, 进而调节籽
粒灌浆进程(Nakamura等1989; 李木英等2007)。据
Rook等(2001)研究, ABA能提高籽粒中AGPase和
SBE活性, 从而促进淀粉合成。杨建昌等(1999)报
道, 水稻灌浆初期, ABA主要通过提高籽粒中淀粉
合成酶、酸性转化酶及ATP酶的活性, 从而提高籽
粒对蔗糖的卸载和转化能力。本文结果表明, 与
适温相比, 高温胁迫下, 籽粒ABA含量升高, IAA含
量和Z+ZR含量降低, 与热敏感品系4628相比, 耐热
品系996籽粒中内源激素含量变化幅度小些, 这与
滕中华等(2010)研究结果一致。这说明高温胁迫
导致籽粒中内源激素比例(主要是ABA与各种激素
及激素总量的比值)失衡, 影响胚乳细胞内淀粉的
进一步合成及较高水平蔗糖的积累, 使籽粒提早
成熟, 淀粉合成速率迅速下降, 稻米品质变劣。耐
热性品种对高温耐受程度高于热敏感品种。由于
内源激素作用的机理涉及从激素与受体结合开始
到生理效应发生为止的信号转导过程, 其分子机
理和协同调控机制非常复杂, 有待进一步研究和
证实。
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