全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (10): 1658~1668　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.10131658
收稿 2015-07-14　　修定 2015-09-11
资助 国家自然科学基金(31271641、31471438、31461143105和31171481)、江苏高校优势学科建设工程专项(PAPD-2014)、天津市应
用基础与前沿技术研究计划(青年项目15JCQNJC14800)、天津市农业科学院院长基金项目(14003和13009)、国家公益性行业(农
业)科研专项(201203031-2)和江苏省科技支撑计划项目(BE2014411)。
* 通讯作者(E-mail: jcyang@yzu.edu.cn; Tel: 0514-87979317)。
耐热耐旱性不同水稻品种的农艺和生理性状
段骅1,2, 苏京平1,2, 傅亮1, 剧成欣1, 刘立军1, 杨建昌1,*
1扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/粮食作物现代产业技术协同创新中心, 江苏扬州225009; 2天津市农作物研究所,
天津300112
摘要: 将籼稻品种‘黄华占’ (耐热耐旱型)和‘双桂1号’ (高温干旱敏感型)种植于盆钵, 于减数分裂期(抽穗前2~15 d)设置高温
(日最高温度为37.5 ℃)、干旱[土壤水势保持在(−30±10) kPa]及高温+干旱3种处理, 以同期自然温度和正常供水为对照, 观
察受精率、结实率、叶片光合速率和抗氧化保护酶活性、根系活力、花粉粒蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性等农艺和生
理性状。结果表明, 减数分裂期高温、干旱和高温+干旱处理均降低了两品种的受精率、结实率和产量, 耐热耐旱型品种
降低的幅度显著小于高温干旱敏感型品种。与高温干旱敏感型品种相比, 在高温、干旱及高温+干旱条件下, 耐热耐旱型
品种具有较高的叶片光合速率和抗氧化保护酶活性, 以及较高的根系氧化力和花粉粒蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性及其
基因表达量。这些生理性状特别是花粉育性和花粉中蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性及其基因表达量可作为选择耐热耐
旱型水稻品种的指标。
关键词: 水稻; 高温; 干旱; 受精率; 结实率; 生理性状
Agronomic and Physiological Traits of Rice Cultivars Differing in Heat and
Drought Tolerances
DUAN Hua1,2, SU Jing-Ping1,2, FU Liang1, JU Cheng-Xin1, LIU Li-Jun1, YANG Jian-Chang1,*
1Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology/Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain
Crops, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225009, China; 2Tianjin Crop Institute, Tianjin 300112, China
Abstract: We investigated this issue using two indica rice cultivars, ‘Huanghuazhan’ showing heat and drought
tolerances and ‘Shuanggui 1’ showing heat and drought sensitivities. Both cultivars were grown in pots, three
treatments—high temperature (maximum temperature at 37.5 ℃ during the day), soil drought [soil water poten-
tial at (−30±10) kPa] and high temperature plus soil drought were imposed during meiosis (2–15 d before head-
ing), and the natural temperature plus well-watered treatment was taken as the control. Agronomic and physio-
logical traits such as pollen fertility rate, filled-grain percentage, leaf photosynthesis, antioxidative systems, root
activity, and activities of the enzymes involved in sucrose-to-starch conversion in pollens were determined. The
results showed that the treatments of high temperature, soil drought and high temperature plus soil drought
during meiosis significantly made pollen fertility rate, fertilization rate, filled-grain percentage and grain yield
of both cultivars reduced. The reduction was much smaller for the heat- and drought-tolerant cultivars than the
heat- and drought-sensitive cultivar. Compared with the heat- and drought-sensitive cultivar, the heat- and
drought-tolerant cultivars exhibited a higher photosynthetic rate, stronger antioxidative systems of leaves, high-
er root oxidation activity and higher activities of gene expressions of the key enzymes involved in sucrose-to-
starch metabolic pathway under high temperature, soil drought and high temperature plus soil drought during
meiosis in pollens. The results suggest that these physiological traits, especially pollen fertility and activities
and gene expressions of the key enzymes involved in sucrose-to-starch metabolic pathway in pollens, could be
used as selection indices for heat- and drought-tolerant rice cultivars.
Key words: rice (Oryza sativa); high temperature; drought; fertilization rate; seed-setting rate; physiological trait
段骅等: 耐热耐旱性不同水稻品种的农艺和生理性状 1659
气候变化是21世纪全球农业面临的严峻挑战
之一。有报道称, 在从1906~2005年的100年时间
里, 地球表面平均温度上升了0.74 ℃, 预计到21世
纪末全球地表平均增温1.1~6.4 ℃, 作物遭受高温
胁迫将愈来愈严重(Parry等2007)。与此同时, 随着
人口的增长、城镇和工业的发展以及环境污染的
加重, 用于作物灌溉的水资源愈来愈匮乏, 作物干
旱面积逐年增加, 严重威胁作物特别是水稻生产
的发展(Mittler 2006)。有研究表明, 高温和干旱对
作物生长的影响具有叠加效应, 高温干旱复合胁
迫要远远超过高温或干旱单独因子对作物造成的
伤害(Shah和Paulsen 2003; Prasad等2011; 高焕晔等
2012)。因此, 培育或选用耐旱和耐高温作物品种,
研究应对高温干旱的措施, 已成为农业生产上的
迫切任务。
水稻减数分裂期和抽穗开花期是高温和水分
胁迫最敏感的时期(Belder等2004; Matsui等2001),
此时遭受高温或水分胁迫可造成小花退化或花粉
不育, 易形成空秕粒, 导致结实率和粒重降低, 从
而使产量严重下降(Jagadish等2010; Saini和West-
gate 1999)。以往虽有水稻减数分裂期干旱或高温
影响开花受精的研究(Matsui和Omasa 2002; Reh-
mani等2014), 但有关水稻减数分裂期高温和干旱
双重胁迫影响水稻受精结实的研究甚少, 特别是
有关耐热耐旱性不同水稻品种的农艺和生理性状
的研究尚未见研究报道。
水稻在花粉母细胞减数分裂期后, 幼穗发育
进入花粉内容充实期, 此时花粉开始迅速积累淀
粉等营养物质(Matsui等2001; Matsui和Omasa
2002)。在淀粉生物合成和积累过程中, 蔗糖合
酶、ADP-葡萄糖焦磷酸化酶、淀粉合酶等起重要
作用 (杨建昌等2001; 赵步洪等2004; Yang等
2003)。水稻减数分裂期高温和干旱双重胁迫如何
影响这些酶的活性及其基因表达鲜有研究报告,
而探明这些问题, 对于揭示高温和干旱双重胁迫
影响水稻开花受精的机理, 具有重要意义。为此,
本研究以耐热耐旱性不同的水稻品种为材料, 观
察了减数分裂期高温与干旱胁迫对水稻花粉育性
和产量的影响 , 比较分析了不同品种对高温胁
迫、干旱胁迫及高温干旱复合胁迫响应的差异及
其生理原因, 以期为选育耐高温和耐干旱水稻品
种及抗逆栽培提供理论参考。
材料与方法
1 材料
试验于2011~2012年在扬州大学农学院试验
盆栽场进行。水稻(Oryza sativa L.)供试的2个中熟
籼稻品种为: ‘黄华占’ (耐热耐旱型)和‘双桂1号’
(高温干旱敏感型), 耐热和热敏感类型品种的划分
主要依据它们在高温和干旱条件下减产的程度确
定。5月12~14日播种, 大田育秧; 6月9~12日移栽
至盆钵, 盆钵直径25 cm, 高30 cm, 内装过筛土约13
kg, 含有机质23.2 g·kg-1、有效氮95.2 mg·kg-1、速
效磷22.5 mg·kg-1、速效钾82.6 mg·kg-1。每盆3穴,
每穴2苗。移栽前每盆施2 g尿素和0.5 g磷酸二氢
钾作基肥, 移栽后7 d每盆施0.5 g尿素, 穗分化期每
盆施0.6 g尿素, 其余管理按常规高产栽培。‘黄华
占’和‘双桂1号’的始穗期分别为8月5~6日和8月
4~5日。
2 材料处理
2.1 高温处理
采用浙江求是公司生产的AGC-D003N顶置
光型人工气候室, 总面积39.2 m2。人工气候室能
模拟自然界气候条件(温度、湿度、光照、CO2),
温度和湿度的控制可按程序设定进行, 可进行恒
定控制和渐变控制; 具有CO2控制系统, 可根据需
要自动调节; 具有符合植物生长条件的光源, 使照
度均匀。
为使温度更加接近自然界高温气候条件, 人
工气候室内采用渐变温度控制 , 设定温度为
6 :00~8 :00 , 29 .0 ℃ ; 8 :00~10 :00 , 33 .0 ℃ ;
10:00~14:00, 37.5 ℃; 14:00~18:00, 33.0 ℃;
18:00~19:00, 29.0 ℃; 19:00~次日6:00, 28.0 ℃。温
度控制精度为±0.5 ℃; 处理期间日平均温度为31.4
℃, 对照(气象站测得数据)为28.5 ℃。设定恒湿
(50±5)%, 二氧化碳浓度为390 μmol·mol-1。设定光
照强度为 6 : 0 0 ~ 8 : 0 0 , 0 ~ 3 0 0 μ m o l · m - 2 · s - 1 ;
8:00~10:00, 300~700 μmol·m-2·s-1; 10:00~14:00,
700~1 100 μmol·m-2·s-1; 14:00~16:00, 300~700
μmol·m-2·s-1; 16:00~18:00, 0~300 μmol·m-2·s-1;
18:00~次日6:00, 0 μmol·m-2·s-1。处理期结束将稻
株移至室外继续生长。
植物生理学报1660
参照丁颖(1961)的划分法, 当主茎穗进入减数
分裂期时(根据解剖幼穗确定), 将放置于室外生长
的盆钵移至人工气候室内进行高温处理14 d, 至抽
穗前2 d 结束处理, 并移至室外继续生长, 每处理20
盆。温度处理期间不同处理的温度(平均值)日变
化曲线见图1。
图1 水稻减数分裂期高温处理期间的环境温度日变化
Fig.1 Daily change in ambient temperature during rice meiosis under high temperature
2.2 干旱处理
于减数分裂期(同2.1节)将放置于室外生长的
盆钵移至人工气候室内设置干旱(土壤水势为−30
kPa, 相当于沙壤土田间持水量的80%)处理14 d, 每
处理重复20盆。在干旱处理的盆钵内安装真空表
式负压计(中国科学院南京土壤研究所生产)监测
土壤水势 , 每天6 :00~ 7 :00、12 :00~ 13 :00、
17:00~18:00定时记录负压计读数, 当负压计读数
低于设定值时, 每盆人工浇水200 mL, 用喷桶均匀
浇入, 使土壤水势保持在(−30±10) kPa。处理期结
束, 所有盆钵均进行浅水层灌溉。
2.3 高温干旱双重胁迫处理
于减数分裂期(同2.1节)将放置于室外生长的
盆钵移至人工气候室内, 设置高温处理(同2.1节)同
期进行干旱处理(同2.2节) 14 d, 每处理重复20盆。
处理期结束将稻株移至室外并进行浅水层灌溉。
2.4 对照
于减数分裂期将生长于室外的稻株移至人工
气候室内进行常温处理14 d, 每处理20盆。设定温
度为6:00~8:00, 29.0 ℃; 8:00~10:00, 33.0 ℃;
10:00~14:00, 33.0 ℃; 14:00~18:00, 33.0 ℃;
18:00~19:00, 29.0 ℃; 19:00~次日6:00, 28.0 ℃。温
度控制精度为±0.5 ℃。设定恒湿(50±5)%, 二氧化
碳浓度、光照强度设定同2.1节。进行浅水层灌
溉, 每处理重复20盆。
3 淀粉合成酶活性的测定
于高温、干旱或高温干旱开始处理后的第
15~16天(8月5~6日, 5%的植株开始抽穗), 各处理
选取100个生长大小基本一致的幼穗的中部颖花,
取出花粉粒用于测定蔗糖合酶、ADP-葡萄糖焦磷
酸化酶和淀粉合酶活性及相关基因表达。取出的
花粉经冰浴研磨, 加入2~3 mL 100 mmol·L-1 Tricine-
NaOH提取液, 于研钵中研磨(温度保持在0 ℃),
15 000×g下离心5 min (4 ℃), 上清液用于蔗糖合
酶、ADP-葡萄糖焦磷酸化酶和淀粉合酶活性测
定。酶的活性参照Yang等(2003)的方法测定。
4 RNA的提取、纯化与反转录
提取和纯化样品总RNA采用Invitrogen公司的
Plant RNA Reagent试剂和QIAGEN公司的RNeasy
Plant Mini Kit试剂盒。取50~60 mg花粉, 液氮冷冻
后研磨, 将研磨完成的碎末约40 mg加入含0.5 mL
预冷Plant Regent试剂的1.5 mL离心管中, 剧烈振
荡5~10次后室温放置5 min, 12 000×g下离心2 min
后吸取上清液至新的1.5 mL离心管中。加入约1/4
上层体积的5 mol·L-1 NaCl, 3/4体积的氯仿, 缓慢
颠倒混匀, 4 ℃下12 000×g离心10 min后, 吸取上清
液至紫色QIAshredder Spin Column管, 4 ℃下
20 000×g离心2 min, 将上清液(约300 μL)移至另一
离心管, 在其中加入0.5倍体积的无水乙醇并混匀,
迅速将混合液转移到粉色Rneasy Spin Column管,
段骅等: 耐热耐旱性不同水稻品种的农艺和生理性状 1661
4 ℃下10 000×g离心15 s, 将粉色离心管上层柱取
下放入新的无盖离心管, 丢弃下层液体, 加入300 μL
RW1缓冲液, 4 ℃下8 000×g离心15 s, 倒去下面离心
管中液体, 加入300 μL RPE缓冲液, 4 ℃下8 000×g
离心15 s, 倒去下面离心管中液体, 加入300 μL RPE
缓冲液, 4 ℃下12 000×g离心2 min, 取下粉色上柱放
入新离心管, 4 ℃下20 000×g离心2 min, 取下粉色
上柱放入新带盖离心管, 加入约30 μL RNase Free
水, 4 ℃下12 000×g离心1 min。带盖离心管中即为
提取RNA样品, −70 ℃冰箱保存。用琼脂糖甲醛变
性凝胶电泳和分光光度计扫描检测提取的RNA纯
度, 并将剩余的总RNA贮存于−70 ℃冰箱备用。
反转录试剂盒(Quant cDNA第一链合成试剂
盒)购于天根生化科技(北京)有限公司, 20 μL的反
转录反应体系参照说明书将RNA加入混合体系中,
37 ℃孵育60 min, 产物cDNA稀释10倍, 储存于−70
℃冰箱用于实时荧光定量分析。
5 基因引物设计
根据蔗糖合酶、ADP葡萄糖焦磷酸化酶、淀
粉合酶在植物器官中表现出的同工型特异性, 并
结合NCBI核酸数据库提供的相关基因序列信息,
按照荧光定量PCR引物设计原则, 利用Primer Pre-
mier 5.0 软件设计6个基因(SuS2、SuS4、AGP1、
SSI、SSIIa和SSIIc)的引物序列(表1), 并通过对引
物和试验数据的优化, 建立了没有非特异性扩增
的荧光定量分析参数。
表1 6个基因的编号和引物序列
Table 1 Codes in NCBI database and primer sequences of 6 genes
酶 基因 登录号 引物序列(5→3)
蔗糖合酶 SuS2 AK072074 TTCAGCAGGAGAAGCCGTCAGC
CCGGCGTTTATTTGAGGCAAGC
SuS4 AK102158 TCCGTGAACTGGCGAAGACT
CCCAAGTTCGTCACTTGCTG
ADP葡萄糖焦磷酸化酶 AGP1 Z21969 CAAGATCTACGTTCTCACCCAGTT
AGCACCTCCACAAAGCCATC
淀粉合酶 SSI AK109458 GGGCCTTCATGGATCAACC
CCGCTTCAAGCATCCTCATC
SSIIa AK101978 GGCCAAGTACCAATGGTGAA
GCATGATGCATCTGAAACAAAGC
SSIIc AK072339 GACCGAAATGCCTTTTTCTCG
GGGCTTGGAGCCTCTCCTTA
TUBULIN TCCATTGAAGGGCAAGTCTGG
CTTGGCAAATGCTTTCGCAG

6 实时荧光定量PCR分析
采用TaKaRa公司SYBR® Premix Ex Taq™ II
试剂盒, 25 μL体系中包含12.5 μL SYBR PET II,
上、下游引物各0.5 μL, 2 μL反转录cDNA模板, 9.5
μL DEPC水。每个样品做3次平行反应 , 利用
BioRad icycler iQ荧光定量仪完成扩增过程, 采用
三步法PCR扩增标准程序, 循环40次。
7 其他生理指标测定
于高温、干旱或高温干旱开始处理后的第
15~16天(8月5~6日 , 抽穗始期), 参照曹云英等
(2008)的方法调查花粉育性和花药开裂率。参照
王爱国和罗广华(1990)的方法测定活性氧生成速
率。参照Arakawa等(1981)的方法测定抗坏血酸
(AsA)含量。参照Mishra等(1993)的方法测定还原
性谷光甘肽(GSH)含量。参照杨建昌等(1996)的方
法测定叶片光合速率和根系氧化力。
8 考种与计产
于成熟期各处理取8盆计产, 取4盆用于考种,
考查每盆穗数和每穗粒数, 水漂后对空粒数、秕
粒数和饱粒数进行计数, 测定饱粒(比重≥1)千粒
重, 千粒重和考种时谷粒的含水量为13%。受精率=
(秕粒数+饱粒数)/总粒数×100%。
9 数据分析
本文数据、表及文字处理采用Office 2003软
植物生理学报1662
件, 其中部分数据用SPSS 19.0进行统计分析, 用
P=0.05最小显著极差法(LSD0.05)进行平均数显著
性检验, 用Sigmaplot 10.0绘图。因2年的试验结果
趋势一致, 故文中数据用2年的平均数表示。
实验结果
1 减数分裂期高温和干旱的影响
1.1 花粉育性、花药开裂与受精
减数分裂期高温、干旱以及高温干旱双重胁
迫均降低或显著降低各品种花粉可育率和花药开
裂率, 影响程度因品种类型不同而存在差异。高
温干旱敏感型品种‘双桂1号’在高温或干旱胁迫下
花粉可育率和花药开裂率下降幅度均显著大于耐
热耐旱品种‘黄华占’, 高温干旱双重胁迫下花粉可
育率和花药开裂率下降幅度均显著大于高温或干
旱单一胁迫; 受精率变化趋势与花药的可育率大
体一致(表2)。相关分析表明, 花药的开裂率与花
粉的可育率呈极显著相关(r=0.939**, P<0.01), 花粉
的可育率与花粉的受精率呈极显著相关(r=0.965**,
P<0.01), 表明减数分裂期高温或干旱胁迫影响花
药的开裂, 花粉育性降低, 或散落到柱头上的花粉
数减少, 从而影响花粉的受精。
表2 减数分裂期高温与干旱胁迫对花粉育性、花药开裂和受精率的影响
Table 2 Effects of high temperature and drought stresses during meiosis on pollen sterility, anther dehiscence and fertilized-spikelet rate
品种 处理 花粉可育率/%
花药开裂率/%
受精率/%
孔裂率 纵裂率 开裂率
‘双桂1号’ 对照 74.3c 39.0b 22.9b 61.9c 85.4bc
高温 61.1d 23.8d 14.6c 38.4d 82.1c
干旱 59.5d 21.3d 14.2c 35.4d 64.3d
高温+干旱 52.5e 19.4d 11.3c 30.6e 61.0d
‘黄华占’ 对照 87.3a 43.5a 46.0a 89.5a 92.7a
高温 85.3ab 43.9a 45.0a 88.9a 92.1a
干旱 81.9b 32.1c 43.9a 76.0b 87.6b
高温+干旱 80.7b 28.5c 44.4a 73.0b 85.5bc
同一列同一品种内不同字母表示在P<0.05水平上差异显著, 下表同。
减数分裂期不同胁迫处理使两品种产量均有
不同程度的下降。在高温处理下, ‘双桂1号’产量
下降幅度略大于‘黄华占’, 但差异较小; 两品种差
异主要表现在干旱处理上, ‘双桂1号’受胁迫产量
下降幅度显著大于‘黄华占’; 高温干旱双重胁迫时,
‘双桂1号’产量下降幅度显著大于‘黄华占’。从产
量构成因素分析, 因本试验是在减数分裂期进行
的高温处理, 故高温或干旱处理对每盆穗数无显
著影响, 主要影响每穗粒数和结实率, ‘双桂1号’在
高温和高温干旱双重胁迫下千粒重显著降低, ‘黄
华占’则在高温干旱双重胁迫下千粒重显著降低
(表3)。
表3 减数分裂期高温与干旱胁迫对水稻产量及其构成因素的影响
Table 3 Effects of high temperature and drought stresses during meiosis on rice yield and yield components
品种 处理 每盆穗数/个 每穗粒数/粒 结实率/% 千粒重/g 产量/g·盆-1 产量差/%
‘双桂1号’ 对照 20.3d 187.1a 80.4cd 21.5a 65.1b
高温 21.5cd 168.9b 78.0d 20.3b 57.6c −11.5
干旱 23.3bcd 158.8bc 59.6e 21.5a 47.4d −27.1
高温+干旱 21.5cd 169.4b 55.2f 19.9b 39.8e −38.9
‘黄华占’ 对照 25.0ab 161.2bc 90.3a 21.8a 79.4a
高温 24.5abc 147.5d 89.9a 21.7a 70.8b −10.8
干旱 24.0abc 157.8cd 84.6b 21.5a 68.9b −13.3
高温+干旱 27.0a 150.4cd 83.3bc 20.1b 67.8b −14.6

段骅等: 耐热耐旱性不同水稻品种的农艺和生理性状 1663
1.2 剑叶AsA、GSH含量和活性氧生成速率
在高温、干旱和高温干旱双重胁迫下, 剑叶
抗坏血酸(AsA)和还原性谷光甘肽(GSH)含量均有
不同程度的减少。在高温胁迫下, ‘双桂1号’ AsA
和GSH含量减少幅度与‘黄华占’相差不大。但在
干旱胁迫下, ‘双桂1号’ AsA和GSH含量减少幅度
远大于‘黄华占’。在高温干旱双重胁迫下, 两供试
品种AsA和GSH含量减少幅度均大于单一高温或
干旱胁迫时情形。不同品种之间比较, 耐热耐旱
型品种‘黄华占’的AsA和GSH含量均大于高温干
旱敏感型品种‘双桂1号’ (图2-A、B)。表明在高温
或干旱胁迫下耐热耐旱品种能较高温干旱敏感型
品种保持较高的抗氧化能力。
与在高温干旱胁迫下叶片抗氧化酶含量变化
相反, 不同胁迫处理明显增加高温干旱敏感型品
种‘双桂1号’活性氧生成速率, 而耐热耐旱品种活
性氧生成速率增加幅度较小(图2-C)。再次表明高
温或干旱胁迫下耐热耐旱品种具有较高的抗氧化
图2 减数分裂期高温与干旱胁迫对剑叶抗坏血酸(A)、还原型谷光甘肽(B)含量和超氧阴离子生成速率(C)的影响
Fig.2 Effects of high temperature and drought stresses during meiosis on ascorbic acid (A), reduced glutathione (B) contents and
superoxide radical production rate (C) of the flag leaf
能力。
1.3 剑叶光合速率和气孔导度
由图3-A可以看出, 减数分裂期不同胁迫处理
下, 两供试品种剑叶净光合速率均有所下降, 但品
种之间下降的幅度不同。在高温胁迫下, ‘双桂1
号’剑叶净光合速率下降的幅度与‘黄华占’大体相
同, 但在干旱胁迫下, ‘双桂1号’下降幅度远大于‘黄
华占’。在高温干旱双重胁迫下剑叶净光合速率下
降的幅度, 高温干旱敏感型品种‘双桂1号’明显大
于耐热耐旱品种‘黄华占’。
图3 减数分裂期高温与干旱胁迫对剑叶光合速率(A)和气孔导度(B)的影响
Fig.3 Effects of high temperature and drought stresseses during meiosis on net photosynthetic rate (A)
and stomatal conductance (B) of the flag leaf
植物生理学报1664
高温干旱胁迫下剑叶气孔导度变化趋势与净
光合速率变化趋势大体上一致。高温、干旱和高
温干旱双重胁迫均明显降低两供试品种气孔导度,
高温干旱双重胁迫加重了高温或干旱单一胁迫对
剑叶气孔导度的影响。高温干旱敏感型品种‘双桂
1号’在干旱和高温干旱双重胁迫下气孔导度下降
幅度大于耐热耐旱品种‘黄华占’ (图3-B)。
1.4 根系氧化力
减数分裂期高温与干旱胁迫均明显降低两供试
品种的根系氧化力, 高温干旱双重胁迫处理的影响
最大。与高温干旱敏感型品种‘双桂1号’相比, 耐热
耐旱型品种‘黄华占’受影响较小。‘黄华占’在高温
干旱双重胁迫下仍然保持较高的根系活力(图4)。
1.5 蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性
减数分裂期高温、干旱及高温干旱双重胁迫
明显降低了两供试品种花粉内容充实完成期花粉
图4 减数分裂期高温与干旱胁迫对根系氧化力的影响
Fig.4 Effects of high temperature and drought stresses during
meiosis on root oxidation activity
中蔗糖合酶(SuS)、ADP葡萄糖焦磷酸化酶(AGP)
和淀粉合酶(StS)活性。各处理对上述3个酶活性
的影响在品种间存在很大差异。对于高温干旱敏
感型品种‘双桂1号’, 对酶活性影响最大的处理是
高温干旱双重胁迫, 其次为干旱处理, 高温处理的
影响最小。对于耐热耐旱型品种‘黄华占’, 高温和
干旱处理对酶活性的影响均较小, 酶活性在这两
个处理间无明显差异; 高温干旱双重胁迫明显降
低了3个酶的活性。在两品种间比较, 在相同胁迫
处理下, ‘黄华占’的酶活性明显高于‘双桂1号’ (图
5)。
1.6 与淀粉合成相关酶基因的表达
花粉中两个蔗糖合酶同工型基因SuS2、SuS4
在不同品种间呈现不同表达特征。耐热耐旱型品
种‘黄华占’SuS2和SuS4基因在高温胁迫下较对照
明显上调, SuS2基因上调幅度更大。在干旱胁迫及
高温干旱双重胁迫下, SuS4基因较对照明显下调;
高温干旱敏感型品种‘双桂1号’SuS2、SuS4基因在
高温、干旱或高温干旱双重胁迫时下调幅度较小
或差异不明显。在相同胁迫处理下, 耐热耐旱型
品种‘黄华占’SuS2和SuS4基因的表达量明显高于
高温干旱敏感型品种‘双桂1号’ (图6-A、B)。
图6-C是花粉中ADP葡萄糖焦磷酸化酶基因
AGP1的表达量。从图中可见, 高温或干旱胁迫处
理下调了AGP1基因的表达, 以高温干旱敏感型品
种‘双桂1号’尤为明显。
花粉中淀粉合酶各同工型基因的相对表达量
有明显差异。其中, SSI和SSIIa两个基因的相对表
达量较高, 两者的相对表达量分别占各类基因总
图5 减数分裂期高温与干旱胁迫对水稻花粉中蔗糖合酶(A)、ADP葡萄糖焦磷酸化酶(B)和淀粉合酶(C)活性的影响
Fig.5 Effects of high temperature and drought stresses during meiosis on activities of sucrose synthase (A),
adenosine diphosphate-glucose pyrophosphorylase (B) and starch synthase (C) in pollens of rice
段骅等: 耐热耐旱性不同水稻品种的农艺和生理性状 1665
表达量的27.4%~32.0%和61.2%~71.3% (图6-D、
E), SSIIc相对表达量均较低(图6-F)。两供试品种
SSI、SSIIa和SSIIc基因的表达量在高温、干旱或
高温干旱双重胁迫下均降低。在相同胁迫处理下,
耐热耐旱型品种‘黄华占’SSI、SSIIa和SSIIc基因的
表达量明显高于高温干旱敏感型品种‘双桂1号’
(图6-D~F)。
2 植株生理性状与颖花受精结实的关系
对减数分裂期植株生理性状与颖花受精结实
部分指标进行相关分析, 结果表明, 叶片光合速
率、气孔导度、AsA含量、GSH含量和根系氧化
力等指标与花粉育性、受精率和结实率呈极显
著正相关(r=0.921**~0.979**), 活性氧生成速率与
花粉育性、受精率和结实率呈极显著负相关
(r=−0.945**~−0.995**)。花粉中SuS、AGP和StS活
性与花粉育性、受精率和结实率呈极显著正相关
(r=0.865**~0.986**)。胚乳中SuS2、SuS4、AG-
Pase、SSI、SSIIa和SSIIc基因表达与花粉育性、
受精率和结实率呈显著或极显著正相关(r= 0.710*~
0.987**) (表4)。
图6 减数分裂期高温与干旱胁迫对水稻花粉中编码蔗糖合酶基因(A、B)、ADP葡萄糖焦磷酸化酶基因(C)
和淀粉合酶基因(D~F)表达量的影响
Fig.6 Effects of high temperature and drought stresses during meiosis on the expressions of genes coding sucrose synthase (A and
B), adenosine diphosphate-glucose pyrophosphorylase (C) and starch synthase (D–F) in pollens of rice
表4 植株生理性状与颖花受精结实的相关性
Table 4 Correlations between physiological traits with spike-
let fertilization and seed-setting rate
生理性状 花粉育性 受精率 结实率
叶片光合速率 0.944** 0.973** 0.973**
气孔导度 0.979** 0.938** 0.951**
AsA含量 0.952** 0.975** 0.979**
GSH含量 0.841** 0.936** 0.921**
活性氧生成速率 −0.945** −0.990** −0.995**
根系氧化力 0.972** 0.973** 0.979**
SuS活性 0.986** 0.947** 0.958**
AGP活性 0.941** 0.926** 0.936**
StS活性 0.865** 0.924** 0.914**
SuS2 0.897** 0.759* 0.791*
SuS4 0.792* 0.710* 0.727*
AGPase 0.965** 0.979** 0.985**
SSI 0.981** 0.944** 0.947**
SSIIa 0.987** 0.897** 0.914**
SSIIc 0.924** 0.795* 0.823*
*和**分别表示在P<0.05和P<0.01水平上差异显著(n=8)。
讨 论
在大田生产中, 水稻经常同时受到多种非生
植物生理学报1666
物胁迫, 其中高温干旱胁迫最频繁, 尤以减数分裂
期和开花期的高温或干旱胁迫对作物产量影响最
为严重(Mittler等2001)。提高水稻品种对这些胁迫
的耐性 , 是适应未来气候变化的关键(Horie等
1996)。本研究表明, 减数分裂期高温、干旱以及
高温干旱双重胁迫均造成水稻产量降低, 但在品种
间存在很大差异。耐热耐旱型品种‘黄华占’在高
温或干旱胁迫下产量下降幅度较小, 而高温干旱敏
感型品种‘双桂1号’在高温或干旱胁迫下产量下降
幅度较大(表3), 表明通过培育或选用耐热耐旱品
种, 对于抵御或减缓高温干旱危害有重要作用。
已有研究认为, 减数分裂期高温或干旱造成
水稻减产的直接原因是因为花药异常开裂, 传粉受
阻和花粉发育异常(曹云英等2008; Matsui等2005;
Jagadish等2010; Namuco和O’Toole 1986; Sheoran
和Saini 1996)。本研究也观察到两供试品种在减数
分裂期不同胁迫处理下花粉败育和受精不良, 进而
导致结实率下降, 但两品种在胁迫处理下花粉败
育程度有所不同(表2)。有研究表明, 在高温或干
旱胁迫下花粉败育率高的品种, 表明其对高温或
干旱等逆境反应敏感, 反之, 抵抗高温和干旱等逆
境的能力则强(陶龙兴等2010; 张桂莲等2014)。笔
者建议水稻在高温和干旱胁迫下的花粉育性, 可
作为选育和选用耐热耐旱品种的直接指标。
本研究发现, 高温或干旱胁迫导致水稻叶片
中活性氧生成速率增加, 抗氧化物质AsA和GSH含
量降低, 但在高温和干旱胁迫下耐热耐旱型品种
活性氧增加、抗氧化物质降低的幅度较小(图2),
表明在高温干旱胁迫下耐热耐旱型品种能较热敏
感品种保持较高的抗氧化能力, 清除自由基的能
力强, 能在逆境下基本保持正常生理功能, 因此,
深入研究调控措施以调节抗氧化保护酶活性, 缓
解高温干旱胁迫对水稻造成的伤害, 有重要的生
产实践意义。
根系是植物的吸收器官, 同时也是重要的生
理代谢器官。根系功能的活跃可以通过供应充足
的营养、水分和激素来改善冠层生长, 从而确保
作物生产力的增加; 活跃的冠层又可以确保根系
所需碳水化合物的充足供应, 并保持活跃的根系
功能(Osaki等1997; Yang等2004; Zhang等2009)。
本研究表明, 在高温干旱胁迫下, 耐热耐旱型品种
较高温干旱敏感型品种拥有相对较高的光合速率
和根系氧化力, 且叶片光合速率和根系活力与结
实率显著相关(图3、图4)。这说明, 耐热耐旱型品
种较强的根系活力及其与地上部较好的协调关系,
延缓了其在高温干旱胁迫下产量下降的幅度。
以往研究表明, 在水稻籽粒中, SuS是催化蔗
糖降解的关键酶, 其活性被认为是库强的一个重
要指标(Kato 1995; Liang等2001), 而AGP和StS淀
粉合成的2个关键酶, 其活性高低与灌浆速率有密
切关系(Nakamura等1989; Nakamura和Yuki 1992;
杨建昌等2001; 赵步洪等2004)。本研究观察到, 减
数分裂期高温和干旱胁迫显著降低了花粉内容充
实完成期花粉中SuS、AGP和StS酶活性, 但耐热
耐旱型品种在高温或干旱胁迫下能保持较高的蔗
糖-淀粉代谢途径关键酶活性(图5)。由此可推测,
耐热耐旱型品种在高温或干旱胁迫下, 可通过保
持花粉较高的蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性, 保
证花粉内容的充实完成, 从而使得花粉有较高的
营养水平, 进而减缓高温干旱胁迫带来的伤害。
这一结果提示我们, 在育种上, 注意选择在高温和
干旱胁迫下花粉中SuS、AGP和StS活性强的材料,
有望培育出耐热耐旱品种; 通过栽培措施提高花
粉中上述各酶活性, 是生产上抵御高温干旱逆境
的一条有效途径。
值得注意的是, 在高温或干旱胁迫下, 耐热耐
旱型品种SuS2基因表达较对照上调, 高温干旱敏
感品种则下调, 说明遭遇高温或干旱胁迫时, 耐热
耐旱型品种可能通过上调体内相关基因表达促进
酶活性增强来抵御逆境带来的伤害; 且水稻花粉
中SuS2在不同胁迫处理下的基因表达差异与其
SuS活性的变化趋势显著相关。由此推测, 在水稻
花粉内容充实完成期涉及各类的SuS同工型中 ,
SuS2对其蔗糖代谢所催化环节的影响可能起着主
导作用。本研究还表明, 两供试品种在高温或干
旱胁迫下SSI基因和SSIIa基因的表达量与StS活性
的高低相一致, 均较对照显著下降, 但显著高于
SSIIc基因的表达量。韦克苏等(2009)也发现了类
似的结果。作者推测, SSI基因和SSIIa基因的共同
作用, 导致其编码合成的StS活性发生改变, 进而调
控淀粉合成。本研究中除了AGP1和SSIIc基因相
对表达量较低、高温干旱胁迫对其影响较小外,
段骅等: 耐热耐旱性不同水稻品种的农艺和生理性状 1667
其他各蔗糖-淀粉代谢途径关键酶同工型基因表达
量变化与蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性变化一
致。说明在高温干旱胁迫下, 耐热耐旱型品种蔗
糖-淀粉代谢途径关键酶基因相对表达量高, 促进
蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性增强, 有利于花粉
的充实完成。今后需要深入研究高温、干旱、或
高温干旱双重胁迫对更多的有关蔗糖-淀粉代谢途
径关键酶同工型基因表达的影响, 从而在分子水
平上阐明水稻应答高温、干旱等逆境的机理。
参考文献
曹云英, 段骅, 杨立年, 王志琴, 周少川, 杨建昌(2008). 减数分裂期
高温胁迫对耐热性不同水稻品种产量的影响及其生理原因.
作物学报, 34 (12): 2134~2142
丁颖 (1961). 中国水稻栽培学. 北京: 中国农业出版社, 160~165
高焕晔, 王三根, 宗学凤, 腾中华, 赵芳明, 刘照(2012). 灌浆结实期
高温干旱复合胁迫对稻米直链淀粉及蛋白质含量的影响. 中
国生态农业学报, 20 (1): 40~47
陶龙兴, 符冠富, 宋建, 熊杰, 乐明凯, 王熹(2010). 花期干旱胁
迫钝感与敏感水稻保持系的生理特性. 作物学报, 36 (10):
1796~1803
王爱国, 罗广华(1990). 植物的超氧物自由基与羟胺反应的定量关
系. 植物生理学通讯, 26 (6): 55~57
韦克苏, 张其芳, 程方民, 陈能, 谢黎红(2009). 花后高温下水稻可溶
性淀粉合酶同工型基因的表达模式. 作物学报, 35 (1): 18~24
杨建昌, 彭少兵, 顾世梁, Visperas RM, 朱庆森(2001). 水稻灌浆期
籽粒中3个与淀粉合成有关的酶活性变化. 作物学报, 27 (2):
157~164
杨建昌, 王志琴, 朱庆森(1996). 不同土壤水分状况下氮素营养对
水稻产量的影响及其生理机制的研究. 中国农业科学, 29 (4):
58~66
张桂莲, 张顺堂, 肖浪涛, 唐文帮, 肖应辉, 陈立云(2014). 抽穗开花
期高温胁迫对水稻花药、花粉粒及柱头生理特性的影响. 中
国水稻科学, 28 (2): 155~166
赵步洪, 张文杰, 常二华, 王志琴, 杨建昌(2004). 水稻灌浆期籽粒中
淀粉合成关键酶的活性变化及其与灌浆速率和蒸煮品质的关
系. 中国农业科学, 37 (8): 1123~1129
Arakawa N, Tsutsumi K, Sanceda NG, Kurata T, Inagaki C (1981). A
rapid and sensitive method for the determination of ascorbic acid
using 4,7-diphenyl-l,10-phenanthroline. Agric Biol Chem, 45 (5):
1289~1290
Belder P, Bouman BAM, Cabangon R, Guoan L, Quilang EJP, Yuan-
hua L, Spiertz JHJ, Tuong TP (2004). Effect of water-saving irri-
gation on rice yield and water use in typical lowland conditions
in Asia. Agr Water Manage, 65 (3): 193~210
Horie T, Matsui T, Nakagawa H, Omasa K (1996). Effects of elevated
CO2 and global climate change on rice yield in Japan. In: Oma-
sa K, Kai K, Taoda H, Uchijima Z, Yoshino M (eds). Climate
Change and Plants in East Asia. Tokyo: Springer Japan, 39~56
Jagadish SVK, Muthurajan R, Oane R, Wheeler TR, Heuer S, Bennett
J, Craufurd PQ (2010). Physiological and proteomic approaches
to address heat tolerance during anthesis in rice (Oryza sativa L.).
J Exp Bot, 61 (1): 143~156
Kato T (1995). Change of sucrose synthase activity in developing en-
dosperm of rice cultivars. Crop Sci, 35 (3): 827~831
Liang J, Zhang J, Cao X (2001). Grain sink strength may be related
to the poor grain filling of indica-japonica rice (Oryza sativa)
hybrids. Physiol Plant, 112 (4): 470~477
Matsui T, Kobayasi K, Kagata H, Horie T (2005). Correlation between
viability of pollination and length of basal dehiscence of the
theca in rice under a hot-and-humid condition. Plant Prod Sci, 8:
109~114
Matsui T, Omasa K (2002). Rice (Oryza sativa L.) cultivars tolerant
to high temperature at flowering: anther characteristics. Ann Bot,
89: 683~687
Matsui T, Omasa K, Horie T (2001). The difference in sterility due
to high temperatures during the flowering period among japoni-
ca-rice varieties. Plant Prod Sci, 4 (2): 90~93
Mishra NP, Mishra RK, Singhal GS (1993). Changes in the activities
of anti-oxidant enzymes during exposure of intact wheat leaves
to strong visible light at different temperatures in the presence of
protein synthesis inhibitors. Plant Physiol, 102 (3): 903~910
Mittler R (2006). Abiotic stress, the field environment and stress com-
bination. Trends Plant Sci, 11: 15~19
Mittler R, Merquiol E, Hallak-Herr E, Rachmilevitch S, Kaplan A,
Cohen M (2001). Living under a ‘dormant’ canopy: a molecular
acclimation mechanism of the desert plant Retama raetam. Plant
J, 25 (4): 407~416
Nakamura Y, Yuki K (1992). Changes in enzyme activities associated
with carbohydrate metabolism during the development of rice
endosperm. Plant Sci, 82 (1): 15~20
Nakamura Y, Yuki K, Park SY, Ohya T (1989). Carbohydrate me-
tabolism in the developing endosperm of rice grains. Plant Cell
Physiol, 30 (6): 833~839
Namuco OS, O’Toole JC (1986). Reproductive stage water stress and
sterility: I. Effect of stress during meiosis. Crop Sci, 26: 317~321
Osaki M, Shinano T, Matsumoto M, Zheng T, Tadano T (1997). A
root-shoot interaction hypothesis for high productivity of field
crops. Soil Sci Plant Nutr, 37: 445~454
Parry M, Canziani O, Palutikof J, van der Linden P, Hanson C (2007).
Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability.
植物生理学报1668
Cambridge: Cambridge University Press
Prasad PVV, Pisipati SR, Momčilović I, Ristic Z (2011). Independent
and combined effects of high temperature and drought stress
during grain filling on plant yield and chloroplast EF-Tu expres-
sion in spring wheat. J Agron Crop Sci, 197 (6): 430~441
Rehmani MIA, Wei G, Hussain N, Ding C, Li G, Liu Z, Wang S, Ding
Y (2014). Yield and quality responses of two indica rice hybrids
to post-anthesis asymmetric day and night open-field warming
in lower reaches of Yangtze River delta. Field Crops Res, 156:
231~241
Saini HS, Westgate ME (1999). Reproductive development in grain
crops during drought. Adv Agron, 68: 59~96
Shah NH, Paulsen GM (2003). Interaction of drought and high tem-
perature on photosynthesis and grain-filling of wheat. Plant Soil,
257: 219~226
Sheoran IS, Saini HS (1996). Drought-induced male sterility in rice:
changes in carbohydrate levels and enzyme activities associated
with the inhibition of starch accumulation in pollen. Sex Plant
Reprod, 9: 161~169
Yang C, Yang L, Yang Y, Ouyang Z (2004). Rice root growth and nu-
trient uptakeas influenced by organic manure in continuously and
alternately flooded paddy soils. Agric Water Manag, 70: 67~81
Yang J, Zhang J, Wang Z, Zhu Q, Liu L (2003). Activities of enzymes
involved in sucrose-to-starch metabolism in rice grains subjected
to water stress during filling. Field Crops Res, 81 (1): 69~81
Zhang H, Xue Y, Wang Z, Yang J, Zhang J (2009). An alternate wet-
ting and moderate soil drying regime improves root and shoot
growth in rice. Crop Sci, 49: 2246~2260