全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2013, 39(4): 753759 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由辽宁省教育厅重点实验室项目(LS2010147)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 陈温福, E-mail: wfchen5512@yahoo.com.cn
第一作者联系方式: E-mail: syaurice@syau.edu.cn **同等贡献(Contributed equally to this work)
Received(收稿日期): 2012-09-10; Accepted(接受日期): 2012-12-11; Published online(网络出版日期): 2013-01-28.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20130128.0919.006.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2013.00753
强耐冷性水稻新品系 J07-23抗氧化系统对长期冷水胁迫的响应
王国骄** 王嘉宇** 苗 微 赵明辉 陈温福*
沈阳农业大学水稻研究所 / 农业部东北水稻生物学与遗传育种重点实验室 / 教育部与辽宁省共建北方粳稻遗传育种重点实验室,
辽宁沈阳 110866
摘 要: 为了阐明强耐冷性水稻对长期冷水胁迫抗性的生理基础, 以水稻新品系 J07-23 和冷敏感的栽培稻秀子糯为
试验材料, 研究长期冷水胁迫(19℃)下参试材料在开花期剑叶活性氧代谢、抗氧化酶活性、抗氧化剂含量的变化以及
成熟后的穗部性状。结果表明, 在长期冷水胁迫下, 秀子糯剑叶的 O产生速率、H2O2含量和 MDA含量显著增加, 抗
氧化系统中 SOD、CAT和 GR活性显著升高; J07-23剑叶 H2O2含量显著增加, 而 O产生速率和 MDA含量无显著变
化。J07-23 的抗氧化酶(SOD、CAT、POD、APX 和 GR)活性极显著升高, 抗氧化剂(AsA 和 GSH)含量及 AsA/DHA
值和 GSH/GSSG值也显著增加。依据耐冷性评价标准, J07-23具有极强耐冷性, 冷水胁迫下高的抗氧化酶活性和抗氧
化剂含量是其耐冷性的生理生化基础。
关键词: 水稻; 冷水胁迫; 活性氧; 抗氧化系统
Responses of Antioxidant System to Long-Term Cold Water Stress in New Rice
Line J07-23 with Strong Cold Tolerance
WANG Guo-Jiao**, WANG Jia-Yu**, MIAO Wei, ZHAO Ming-Hui, and CHEN Wen-Fu*
Rice Research Institute of Shenyang Agricultural University / Key Laboratory of Northeast Rice Biology, Genetics and Breeding, Ministry of Agri-
culture / Key Laboratory of Northern Japonica Rice Breeding, Ministry of Education, Shenyang 110866, China
Abstract: In order to clarify physiological basis of cold tolerance for rice (Oryza sativa L.) with strong cold tolerance under
long-term cold water stress, new rice line J07-23 and chilling-sensitive cultivated rice Xiuzinuo were used to understand effects of
long-term cold water stress (19℃) on reactive oxygen species metabolism, antioxidant enzyme activities, changes of antioxidants
contents of flag leaves at flowering stage and panicle traits at maturity in this study. The results showed that O generating rate,
H2O2 content and MDA content of flag leaves increased significantly in Xiuzinuo under long-term cold water stress and its SOD,
CAT and GR activities also increased significantly. H2O2 content of flag leaves increased significantly in J07-23, but there were no
significant changes in O generating rate and MDA content. Antioxidant enzyme (SOD, CAT, POD, APX, and GR) activities in-
creased very significantly, and antioxidants (AsA and GSH) contents, and AsA/DHA ratio and GSH/GSSG ratio also increased
significantly in J07-23. J07-23 has extremely strong tolerance to cold stress according to the evaluation standard of cold tolerance.
High antioxidant enzyme activities and antioxidants contents are the physiological and biochemical basis of cold tolerance for
J07-23 under cold water stress.
Keywords: Rice (Oryza sativa L.); Cold water stress; Reactive oxygen species; Antioxidant system
温度是影响作物生长发育和产量形成的重要生态因
子, 目前由于全球气候的变异加剧, 极端低温天气频繁出
现, 低温冷害更加严重[1-2]。水稻(Oryza sativa L.)是起源于
热带和亚热带地区的喜温作物, 对低温十分敏感, 低温冷
害是世界稻作生产和育种中的普遍问题。在我国北方稻区,
每 3~5年就发生一次较大的低温冷害, 而小的低温冷害每
年都发生[2-4]。因此, 筛选鉴定强耐冷性水稻种质和研究
耐冷性的生理机制 , 对于培育耐冷性水稻品种具有重要
意义。
活性氧 (ROS)是高等植物代谢过程的产物 , 在正常
情况下, ROS分子能够被各种抗氧化防御机制清除[5]。然
而, 在低温、盐、干旱等环境胁迫下, ROS产生和清除之
754 作 物 学 报 第 39卷

间的平衡被打破, 导致 ROS 急剧增加[6]。ROS 具有极高
的活性和毒性, 能够对蛋白质、脂质、碳水化合物和 DNA
造成伤害, 最终导致细胞死亡[5]。各种环境胁迫导致 ROS积
累是引起世界范围内粮食作物减产的主要原因之一[6-9]。高
等植物拥有由抗氧化酶系统和非酶小分子抗氧化剂组成
的抗氧化防御系统来清除 ROS。抗氧化酶主要包括超氧
化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、
抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)、单脱
氢抗坏血还原酶(MDHAR)、脱氢抗坏血还原酶(DHAR);
非酶抗氧化剂主要有抗坏血酸(AsA)、谷胱甘肽(GSH)、
类胡萝卜素(Car)和 α-生育酚等。植物对低温胁迫的耐性
与其抗氧化系统清除 ROS的能力密切相关[1,10-14]。Guo等[10]
研究表明, 低温胁迫下水稻幼苗叶片的抗氧化酶(SOD、CAT
和 APX)活性和抗氧化剂(AsA 和 GSH)含量在耐冷性强的
品种中增加, 而在冷敏感品种降低。在玉米[12]、黄瓜[13]
和甘蔗[1]上的研究也表明, 低温胁迫下耐冷性强的品种抗
氧化酶活性高于冷敏感品种。抑制 GR活性的转基因番茄
在冷胁迫下 SOD、APX和 GR活性降低, AsA和 GSH含
量减少, 冷敏感性增强[14]。
本研究探讨冷水胁迫下不同耐冷性材料开花期剑叶
的活性氧积累和抗氧化防御系统的差异 , 以期为水稻耐
冷育种提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
选用强耐冷性水稻新品系 J07-23 和冷敏感水稻品种
秀子糯[15]为试验材料。J07-23 是沈阳农业大学水稻研究
所 2007 年从日本引进的水稻品系, 在栽培试验中表现出
强耐冷性。
1.2 试验设计
2010 年在沈阳农业大学水稻研究所田间试验基地内
进行盆栽试验, 每盆装过筛后的稻田土 10 kg, 同时每盆
施入尿素 1.5 g、磷酸二铵 1 g、氯化钾 0.7 g。春季按照常
规方法育苗, 待幼苗三叶一心时移栽, 单株插植, 每盆 2
株, 每个参试材料种植 10盆, 分蘖开始后挂牌标记主茎。
根据剑叶叶枕距判断主穗进入孕穗期的时间[16], 当
主穗剑叶叶枕距为4~2 cm时, 每个材料选择 5盆放入冷
水池(冷水池的长宽高为 22.0 m × 10.0 m × 0.5 m)中, 进行
恒温冷水循环处理, 直至成熟期结束。利用冷水制造机和
温度控制装置使冷水池循环灌溉的水温保持恒定 , 水温
设定为 19℃, 水层保持 0.4 m的深度, 24 h不间断冷水处
理。冷水制造机由北京惠诚佳仪科技有限公司生产, 型号
为 LS-1, 制冷功率 2.7 kW, 由微电脑 PLC 智能控制系统
控制温度, 控温精度为±1℃。以未经冷水处理的参试材料
为对照, 采用常规的水肥管理。
1.3 生理参数测定
在开花期 , 剪取剑叶保存于85℃的超低温冰箱中 ,
用于各项生理指标测定, 每个处理重复 3次。参照 Elstner
和 Heupel[17]的方法测定超氧阴离子产生速率。参照
Patterson 等[18]的方法测定过氧化氢含量。参照李合生[19]
的方法测定丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)和
过氧化物酶(POD)的活性。参照邹琦[20]的方法测定过氧化
氢酶(CAT)的活性。参照 Nakano 和 Asada [21]的方法测定
抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性。参照 Knörzer等[22]的
方法测定谷胱甘肽还原酶(GR)的活性。参照李忠光等[23]
的方法测定还原型抗坏血酸(AsA)及其氧化产物脱氢抗坏
血酸(DHA)含量和还原型谷胱甘肽(GSH)及氧化型谷胱甘
肽(GSSG)含量。
1.4 穗部性状调查及耐冷性分级
成熟期 , 每个品种选取 5 个主茎, 将其从根部剪断,
用于穗部性状的调查。调查项目包括每穗总粒数、秕粒数、
千粒重、结实率和空壳率。参照《水稻种质资源描述规范
和数据标准》中对孕穗期耐冷性评价的标准[16], 按空壳率
评价长期冷水胁迫下水稻的耐冷性, 共分 1~9级。1级空
壳率≤10%; 2级空壳率为 11%~20%; 3级空壳率为 21%~
30%; 4级空壳率为 31%~40%; 5级空壳率为 41%~50%; 6
级空壳率为 51%~60%; 7级空壳率为 61%~70%; 8级空壳
率为 71%~80%; 9级空壳率≥81%。
1.5 数据分析
冷水处理与未经冷水处理的参试材料的盆均采用完
全随机排列。使用 DPS 软件统计分析试验数据, 采用 t-
测验比较分析同一品种的冷水处理与对照之间的数据。
2 结果与分析
2.1 冷水胁迫对开花期剑叶活性氧代谢和MDA含量的影响
长期冷水胁迫下, 两参试材料剑叶的 O产生速率、
H2O2含量和 MDA含量均增加(表 1)。J07-23剑叶的O产
生速率比对照高 6.30%, 差异不显著, 而秀子糯的 O 产
生速率显著高于对照 10.25%。J07-23剑叶的 H2O2含量比
对照增加 9.94%, 差异显著 , 秀子糯的 H2O2 含量增加
22.77%, 极显著地高于对照。J07-23剑叶的 MDA含量比
对照增加 8.81%, 但差异不显著, 而秀子糯 MDA 含量增
加 18.49%, 差异显著。两参试材料相比, 长期冷水胁迫下
J07-23剑叶的O和 H2O2增加比例较低, 叶片受害较轻。
2.2 冷水胁迫对开花期剑叶抗氧化酶活性的影响
长期冷水胁迫下, 供试材料剑叶的 SOD、CAT、POD、
APX和 GR活性都呈升高趋势(表 2)。与对照相比, J07-23
剑叶 SOD、CAT和 GR活性分别升高了 10.53%、23.47%
和 25.87%, 差异均达到极显著水平; 而秀子糯 SOD、CAT
和 GR活性分别升高了 6.80%、10.47%和 11.48%, 差异均
达到显著水平。J07-23剑叶 POD和 APX活性分别比对照
升高了 10.53%和 23.47%, 差异极显著; 但秀子糯的 POD
和 APX活性分别升高了 4.01%和 8.48%, 差异不显著。两
参试材料相比, J07-23在长期冷水胁迫下剑叶抗氧化酶活
性增加的幅度更大。
第 4期 王国骄等: 强耐冷性水稻新品系 J07-23抗氧化系统对长期冷水胁迫的响应 755


表 1 长期冷水胁迫对开花期剑叶 O2܋产生速率、H2O2含量和 MDA含量的影响
Table 1 Effects of long-term cold water stress on O2܋ generating rate, H2O2 content and MDA content of flag leaves at flowering stage
J07-23 秀子糯 Xiuzinuo
生理指标
Physiological index 对照
Control
冷水处理
Treatment
变化比例 1)
Change
percentage (%)
t-测验
t-test
对照
Control
冷水处理
Treatment
变化比例 1)
Change
percentage (%)
t-测验
t-test
超氧阴离子产生速率
O generating rate (nmol min
1 g1 FW)
19.54±0.74 20.77±0.74 6.30 2.0309 18.95±0.75 20.89±0.85 10.25 2.9549*
过氧化氢含量
H2O2 content (μmol g1 FW) 40.72±1.86 44.77±1.70 9.94 2.7791
* 54.37±2.29 66.75±1.68 22.77 7.5536**
丙二醛含量
MDA content (nmol g1 FW)
24.55±1.06 26.72±1.29 8.81 2.2377 23.57±1.02 27.92±1.46 18.49 4.2309*
1) 变化比例=[(冷水处理平均值对照平均值)/对照平均值]×100%。*表示在 0.05水平差异显著; **表示在 0.01水平差异显著。
1) Change proportion = [(mean value in cold water treatmentmean value in control) / mean value in control]×100%. * Significant at the
0.05 probability level; ** Significant at the 0.01 probability level.

表 2 长期冷水胁迫对开花期剑叶 SOD、CAT、POD、APX和 GR活性的影响
Table 2 Effects of long-term cold water stress on SOD, CAT, POD, APX, and GR activities of flag leaves at flowering stage
J07-23 秀子糯 Xiuzinuo
生理指标
Physiological index 对照
Control
冷水处理
Treatment
变化比例 1)
Change
percentage (%)
t-测验
t-test
对照
Control
冷水处理
Treatment
变化比例 1)
Change
percentage (%)
t-测验
t-test
超氧化物歧化酶活性
SOD activity (U g1 FW)
439.5±12.4 485.8±10.2 10.53 4.9928** 416.8±12.0 445.1±12.5 6.80 2.8286*
过氧化氢酶活性
CAT activity (U g1 FW)
41.93±1.67 51.77±1.72 23.47 7.1036** 41.45±1.65 45.79±1.60 10.47 3.2789*
过氧化物酶活性
POD activity (U g1 FW)
408.3±8.8 454.1±11.2 11.22 5.5761** 419.8±14.1 436.6±15.3 4.01 1.4067
抗坏血酸过氧化物酶活性
APX activity (U g1 FW)
18.48±0.69 21.81±0.84 18.01 5.3300** 19.10±0.91 20.72±0.72 8.48 2.4181
谷胱甘肽还原酶活性
GR activity (U g1 FW)
1.62±0.05 2.03±0.07 25.87 8.8925** 1.47±0.07 1.67±0.07 11.48 3.0339*
1) 变化比例=[(冷水处理平均值对照平均值)/对照平均值]×100%。* 表示在 0.05水平差异显著; ** 表示在 0.01水平差异显著。
1) Change proportion = [(mean value in cold water treatmentmean value in control)/ mean value in control]×100%. * Significant at the
0.05 probability level; ** Significant at the 0.01 probability level.

2.3 冷水胁迫对开花期剑叶抗坏血酸代谢的影响
长期冷水胁迫使参试材料剑叶的 AsA 含量、总抗坏
血酸(AsA+DHA)含量和 AsA/DHA值升高, DHA含量降低
(表 3)。与对照相比, J07-23剑叶的 AsA含量增加了 14.42%,
差异显著; 而秀子糯的 AsA含量增加了 4.95%, 差异不显
著。J07-23 和秀子糯的 DHA 含量分别低于对照 2.39%和
0.97%, 差异均不显著。J07-23 剑叶的总抗坏血酸含量比
对照增加 7.00%, 秀子糯增加 2.22%, 差异均不显著。J07-23
剑叶的 AsA/DHA 值相对于对照极显著地增加了 17.23%,
秀子糯的AsA/DHA值增加了 6.01%, 与对照无显著差异。
长期冷水胁迫下 J07-23剑叶的 AsA含量和反映抗坏血酸
氧化还原状态的 AsA/DHA值显著高于秀子糯。
2.4 冷水胁迫对开花期剑叶谷胱甘肽代谢的影响
长期冷水胁迫下, 参试材料剑叶的 GSH 含量、总谷
胱甘肽(GSH+GSSG)含量和 GSH/GSSG值升高, GSSG含
量降低(表 4)。与对照相比, J07-23 剑叶的 GSH 含量和
GSH/GSSG 值分别升高 17.69%和 19.44%, 差异极显著,
总谷胱甘肽含量升高 10.81%, 差异显著。秀子糯的 GSH
含量、总谷胱甘肽含量和 GSH/GSSG 值分别升高了
6.76%、3.93%和 7.69%, 与对照间均无显著差异。J07-23
和秀子糯的 GSSG 含量分别低于对照 1.43%和 0.86%, 差
异均不显著。两参试材料相比, 在长期冷水胁迫下, J07-23
剑叶的 GSH含量、总谷胱甘肽含量和 GSH/GSSG值更高。
2.5 冷水胁迫对穗部性状的影响和耐冷性分级
长期冷水胁迫使参试材料的千粒重和结实率显著降
低(表 5)。J07-23 的穗粒数与对照相比无变化, 但秀子糯
的穗粒数降低了 8.92%, 差异显著。与对照相比, J07-23
的千粒重降低 8.59%, 差异显著, 秀子糯降低 18.77%, 差
异极显著。J07-23 和秀子糯的结实率分别低于对照 4.10%
和 37.84%, 差异均极显著。根据以空壳率为标准的耐冷性
评价方法, J07-23的空壳率为 7.99%, 对长期冷水胁迫的耐
性为 1级, 秀子糯的空壳率为 41.07%, 耐冷性为 5级。
3 讨论
ROS 是高等植物的叶绿体、线粒体和过氧化物酶体
等众多细胞器代谢过程中产生的副产品[6]。在正常情况下,

756 作 物 学 报 第 39卷

表 3 长期冷水胁迫对开花期剑叶 AsA、DHA、总抗坏血酸(AsA+DHA)含量和 AsA/DHA比值的影响
Table 3 Effects of long-term cold water stress on AsA, DHA, total ascorbate contents, and AsA/DHA ratio of flag leaves at flowering stage
J07-23 秀子糯 Xiuzinuo
生理指标
Physiological index 对照
Control
冷水处理
Treatment
变化比例 1)
Change
percentage (%)
t-测验
t-test
对照
Control
冷水处理
Treatment
变化比例 1)
Change
percentage (%)
t-测验
t-test
还原型抗坏血酸含量
AsA content (μmol g1 FW) 6.18±0.29 7.07±0.29 14.42 3.7454
* 5.36±0.21 5.62±0.29 4.95 1.2848
氧化型抗坏血酸含量
DHA content (μmol g1 FW) 4.88±0.17 4.77±0.13 2.39 0.9727 4.58±0.10 4.53±0.19 0.97 0.3580
总抗坏血酸(AsA+DHA)含量
Total ascorbate content (μmol g1 FW) 11.06±0.41 11.84±0.36 7.00 2.4459 9.94±0.29 10.16±0.44 2.22 0.7276
还原型/氧化型抗坏血酸值
AsA/DHA
1.27±0.05 1.48±0.06 17.23 5.0268** 1.17±0.03 1.24±0.05 6.01 2.0803
1) 变化比例=[(冷水处理平均值对照平均值)/对照平均值]×100%。* 表示在 0.05水平差异显著; ** 表示在 0.01水平差异显著。
1) Change proportion=[(mean value in cold water treatmentmean value in control)/ mean value in control]×100%. * Significant at the
0.05 probability level; ** Significant at the 0.01 probability level.

表 4 长期冷水胁迫对开花期剑叶 GSH、GSSG、总谷胱甘肽(GSH+GSSG)含量和 GSH/GSSG比值的影响
Table 4 Effects of long-term cold water stress on GSH, GSSG, total glutathione (GSH+GSSG) contents, and GSH/GSSG
ratio of flag leaves at flowering stage
J07-23 秀子糯 Xiuzinuo
生理指标
Physiological index 对照
Control
冷水处理
Treatment
变化比例 1)
Change
percentage (%)
t-测验
t-test
对照
Control
冷水处理
Treatment
变化比例 1)
Change
percentage (%)
t-测验
t-test
还原型谷胱甘肽含量
GSH content (μmol g–1 FW) 0.135±0.006 0.159±0.006 17.69 5.0352
** 0.122±0.005 0.130±0.006 6.76 1.7090
氧化型谷胱甘肽含量
GSSG content (μmol g–1 FW) 0.076±0.002 0.075±0.002 1.43 0.6364 0.072±0.003 0.071±0.002 0.86 0.2898
总谷胱甘肽(GSH+GSSG)含量
Total glutathione content (μmol g–1 FW) 0.211±0.007 0.234±0.007 10.81 4.0379
* 0.194±0.008 0.201±0.007 3.93 1.2410
还原型/氧化型谷胱甘肽值
GSH/GSSG
1.781±0.065 2.127±0.086 19.44 5.5643** 1.700±0.056 1.830±0.093 7.69 2.0931
1) 变化比例=[(冷水处理平均值对照平均值)/对照平均值]×100%。* 表示在 0.05水平差异显著; ** 表示在 0.01水平差异显著。
1) Change proportion=[(mean value in cold water treatmentmean value in control)/ mean value in control]×100%. * Significant at the
0.05 probability level; ** Significant at the 0.01 probability level.

表 5 长期冷水胁迫对穗部性状的影响
Table 5 Effects of long-term cold water stress on panicle traits
J07-23 秀子糯 Xiuzinuo
穗部性状
Panicle trait 对照
Control
冷水处理
Treatment
变化比例 1)
Change
percentage (%)
t-测验
t-test
对照
Control
冷水处理
Treatment
变化比例 1)
Change
percentage (%)
t-测验
t-test
每穗总粒数
Total grain number per panicle
119.8±5.6 119.80±7.3 0 0 125.60±9.40 114.40±4.40 8.92 2.3977*
千粒重
1000-grain weight (g)
22.34±1.20 20.42±0.86 8.59 2.9022* 23.01±1.65 18.69±0.77 18.77 5.2871**
结实率
Seed setting rate (%)
95.95±1.22 92.01±0.67 4.10 6.3159** 94.80±2.06 58.93±1.08 37.84 34.5505**
空壳率
Percentage of unfilled grains (%)
4.05±1.22 7.99±0.67 97.28 6.3159** 5.20±2.06 41.07±1.08 689.68 34.5505**
1) 变化比例=[(冷水处理平均值对照平均值)/对照平均值]×100%。* 表示在 0.05水平差异显著; ** 表示在 0.01水平差异显著。
1) Change proportion = [(mean value in cold water treatmentmean value in control)/ mean value in control]×100%. * Significant at the
0.05 probability level; ** Significant at the 0.01 probability level.


第 4期 王国骄等: 强耐冷性水稻新品系 J07-23抗氧化系统对长期冷水胁迫的响应 757


ROS 的产生和清除维持平衡状态 [5], 但是低温胁迫打破
了这种平衡, 引起细胞内的 ROS 迅速积累[10-11]。过量积
累的 ROS 会氧化膜脂中的多元不饱和脂肪酸, 其产物是
MDA, MDA 还能与酶蛋白发生链式聚合反应, 使膜的透
性增加, 破坏膜系统的完整性, 并对生物膜上的蛋白、酶
和离子通道造成伤害, 所以 MDA含量可以作为判定胁迫
下脂质受害程度的指标[1,6]。本研究表明, 长期冷水胁迫
下, 秀子糯开花期剑叶的 H2O2含量极显著升高, O产生
速率和MDA含量显著增加, 说明秀子糯叶片中ROS大量
积累 , 对生物膜造成严重伤害; 而 J07-23 剑叶的 O 、
H2O2和 MDA 增幅低于秀子糯, MDA 含量与对照差异不
显著。这些结果表明, 长期冷水胁迫下, J07-23 剑叶受害
轻, 对冷水胁迫的耐性更强。
为了控制胁迫条件下 ROS 的水平, 植物进化中已经
产生了一系列 ROS的清除酶和非酶抗氧化剂[6,24]。SOD、
CAT、POD、APX和 GR都是清除 ROS的关键酶[6-8,24]。
SOD能够催化O发生歧化反应生成H2O2和O2, 而 POD、
CAT、APX和 GR能够有效地清除 H2O2。POD能够清除
植物体内的 H2O2 [6,24]。CAT能歧化 H2O2生成 H2O和 O2,
并且在所有的酶中 CAT 具有最高的转换率 , 一分子的
CAT 酶每分钟可以将大约 600 万个 H2O2转换成 H2O 和
O2 [6]。APX可以利用 AsA作为电子传递体通过 AsA-GSH
循环清除 H2O2。APX 对 H2O2 (μM 级)的亲和性比 CAT 和
POD(nM级)更高, 在胁迫下对 ROS的清除发挥重要作用[6]。
GR是 AsA-GSH循环的关键酶, 通过维持 GSH 含量的稳
定在抗氧化防御系统中发挥关键作用[11,14]。Guo等[10]指出,
在低温胁迫下, 耐冷性强的水稻幼苗叶片的 SOD、CAT、
APX和GR活性显著升高, 而冷敏感的水稻抗氧化酶活性
降低。本研究表明 , 在长期冷水胁迫下 , 秀子糯剑叶的
SOD、CAT和 GR活性显著升高, 而 J07-23的 SOD、CAT、
POD、APX和 GR活性均极显著升高, 且增加幅度高于秀
子糯。这些表明, J07-23通过提高叶片抗氧化酶的活性清
除低温胁迫引起的 ROS 过量积累, 缓解低温胁迫对细胞
造成的伤害, 增强对冷水胁迫的耐性。
AsA 是植物体内含量最丰富的抗氧化剂, 能够阻止
或减轻 ROS造成的伤害[25-26]。在 AsA-GSH循环中, AsA
能与 APX反应还原 H2O2, 并且 AsA还能够直接清除O、
OH·和 1O2[6,24]。在正常的生理条件下, AsA在叶片和叶绿
体中主要以还原状态维持其有效性[25]。AsA 被氧化后生
成 MDHA 和 DHA, 2 种 AsA 的氧化型是不稳定的, 而
DHA能够通过 AsA-GSH循环系统被 GSH还原成 AsA。
GSH 还是 1O2、H2O2和最危险的 ROS 物质 OH·的潜在清
除剂[27-28]。因此, AsA和 GSH含量以及其氧化还原状态是
反应抗氧化系统效率重要参数[6,14,29]。对抑制 GR 活性的
转基因番茄的研究表明, 低温胁迫下转基因番茄的 AsA、
GSH 含量和 AsA/DHA、GSH/GSSG 值显著低于野生型,
导致转基因番茄 H2O2 大量积累, 对低温胁迫的敏感性增
加[14]。本试验结果表明, 在长期冷水胁迫下, J07-23剑叶
的 AsA 含量、AsA/DHA 值、GSH 含量和 GSH/GSSG 值
显著升高, 而秀子糯的这些参数无明显变化。这些说明,
在冷水胁迫下, J07-23通过提高 AsA-GSH循环清除 H2O2
的效率能更好地适应低温胁迫。
有研究表明, 孕穗期耐冷性较强的材料表现为穗粒
数和结实率的平均值大于弱耐冷性材料[30-31]。低温处理能
够明显推迟品种的抽穗期, 导致生育期延长, 影响后期籽
粒灌浆[32]。本试验结果表明, 长期冷水胁迫下, 秀子糯的
每穗总粒数、千粒重和结实率均低于 J07-23。结实率和空
壳率是评价水稻耐冷性的最可靠指标 [16,33], 根据耐冷性
评价标准, 水稻新品系 J07-23具有极强耐冷性。水稻的耐
冷性研究主要集中在耐冷性种质资源的筛选以及不同生
育时期耐冷性状的鉴定与相关分析方面 [31,34-35], 而对于
耐冷性生理基础的研究较少。人工恒定低温处理能够诱导
水稻低温的防御机制 , 有助于明确不同水稻品种耐冷的
生理基础[36]。本研究表明, 强耐冷性水稻 J07-23 在长期
冷水胁迫下叶片的抗氧化防御系统被激活 , 能够高效地
清除活性氧, 减轻低温胁迫造成的伤害, 这是 J07-23耐冷
性强的生理机制之一。未来全球气候变化加剧, 低温伤害
将会更加严重 , 深入研究水稻抗氧化防御系统的生理功
能将为水稻耐冷机制和抗逆育种提供新的依据。
References
[1] Sun F(孙富), Yang L-T(杨丽涛), Xie X-N(谢晓娜), Liu G-L(刘
光玲), Li Y-R(李杨瑞). Effect of chilling stress on physiological
metabolism in chloroplasts of seedlings of sugarcane varieties
with different chilling resistance. Acta Agron Sin (作物学报),
2012, 38(4): 732–739 (in Chinese with English abstract)
[2] Wang S-H(王石华), Tan X-L(谭学林), Tan Y-L(谭亚玲). Study
on cold tolerance at booting stage of rice reciprocal F2 popula-
tions generated from the hybrids grown under different altitude. J
Yunnan Agric Univ (云南农业大学学报), 2011, 26(6): 755–760
(in Chinese with English abstract)
[3] Dai L-Y(戴陆园), Ye C-R(叶昌荣), Yu T-Q(余腾琼), Xu F-R(徐
福荣). Studies on cold tolerance of rice, Oryza sativa L.: I. De-
scription on types of cold injury and classifications of evaluation
methods on cold tolerance in rice. Southwest China J Agric Sci
(西南农业学报), 2002, 15(1): 41–45 (in Chinese with English
abstract)
[4] Han L-Z(韩龙植), Qiao Y-L(乔永利), Koh H-J(高熙宗), Piao
Z-Z(朴钟泽), Won Y-J(元容在). Response of some agronomic
traits to cold selection at seedling stage in rice. Chin J Rice Sci
(中国水稻科学), 2002, 16(4): 315–320 (in Chinese with English
abstract)
[5] Foyer C H, Noctor G. Redox homeostis and antioxidant signaling:
a metabolic interface between stress perception and physiological
responses. Plant Cell, 2005, 17: 1866–1875
758 作 物 学 报 第 39卷

[6] Gill S S, Tuteja N. Reactive oxygen species and antioxidant ma-
chinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiol
Biochem, 2010, 48: 909–930
[7] Mittler R. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance.
Trends Plant Sci, 2002, 7: 405–410
[8] Mahajan S, Tuteja N. Cold, salinity and drought stresses: an
overview. Arch Biochem Biophys, 2005, 444: 139–158
[9] Tuteja N. Mechanisms of high salinity tolerance in plants. Meth
Enzymol: Osmosens Osmosignal, 2007, 428: 419–438
[10] Guo Z, Ou W, Lu S, Zhong Q. Differential responses of antioxi-
dative system to chilling and drought in four rice cultivars differ-
ing in sensitivity. Plant Physiol Biochem, 2006, 44: 828–836
[11] Liu J J, Lin S H, Xu P L, Wang X J, Bai J G. Effects of exogenous
silicon on the activities of antioxidant enzymes and lipid peroxi-
dation in chilling-stressed cucumber leaves. Agric Sci China,
2009, 8: 1075–1086
[12] Hodges D M, Andrews C J, Johnson D A, Hamilton R I. Antioxi-
dant enzyme responses to chilling stress in differentially sensitive
inbred maize lines. J Exp Bot, 1997, 48: 1105–1113
[13] Shen W, Nada K, Tachibana S. Effect of cold treatment on en-
zymic and nonenzymic antioxidant activities in leaves of chill-
ing-tolerant and chilling-sensitive cucumber cultivars. J Jpn Soc
Hortic Sci, 1999, 68: 967–973
[14] Shu D F, Wang L Y, Duan M, DenY S, Meng Q W. An-
tisense-mediated depletion of tomato chloroplast glutathione re-
ductase enhances susceptibility to chilling stress. Plant Physiol
Biochem, 2011, 49: 1228–1237
[15] Dai L-Y(戴陆园), Ye R-C(叶昌荣), Kudo S(工藤悟), Tanno
H(丹野久). Fifteen years research progress of Sino-Japanese co-
operation in rice cold tolerance research. Crop Germplasm Re-
sour (作物品种资源), 1998, (4): 40–48 (in Chinese with English
abstract)
[16] Han L-Z(韩龙植). Descriptors and Data Standard for Rice (Oryza
sativa L.)(水稻种质资源描述规范和数据标准). Beijing: China
Agriculture Press, 2005. pp 108–109 (in Chinese)
[17] Elstner E F, Heupel A. Inhibition of nitrite formation from hy-
droxylammonium chloride: a simple assay for superoxide dismu-
tase. Anal Biochem, 1976, 70: 616–620
[18] Patterson B D, MacRae E A, Ferguson I B. Estimation of hydro-
gen peroxide in plant extracts using titanium (IV). Anal Biochem,
1984, 139: 487–492
[19] Li H-S(李合生). Principles and Techniques of Plant Physiologi-
cal Biochemical Experiment (植物生理生化实验技术与方法).
Beijing: Higher Education Press, 2000. pp 164–261 (in Chinese)
[20] Zou Q(邹琦). A Guide of Phytophysiological Experiment (植物
生理学实验指导). Beijing: China Agriculture Press, 2000. pp
168–171 (in Chinese)
[21] Nakano Y, Asada K. Hydrogen peroxide is scavenged by ascor-
bate-specific peroxidase in spinach chloroplasts. Plant Cell
Physiol, 1981, 22: 867–880
[22] Knörzer O C, Durner J, Boger P. Alterations in the antioxidative
system of suspension-cultured soybean cells (Glycine max) in-
duced by oxidative stress. Physiol Plant, 1996, 97: 388–396
[23] Li Z-G(李忠光), Du C-K(杜朝昆), Gong M(龚明). Simultaneous
measurement of ASA/DHA and GSH/GSSG using a single ex-
traction system. J Yunnan Nor Univ (云南师范大学学报), 2003,
23(3): 67–70 (in Chinese with English abstract)
[24] Blokhina O, Virolainem E, Fagerstedt K V. Antioxidants, oxida-
tive damage and oxygen deprivation stress: a review. Ann Bot,
2003, 91: 179–194
[25] Smirnoff N. Ascorbate, tocopherol and carotenoids: metabolism,
pathway engineering and functions. In: Smirnoff N ed. Antioxi-
dants and Reactive Oxygen Species in Plants. UK: Blackwell
Publishing Ltd., 2005. pp 53–86
[26] Athar H R, Khan A, Ashraf M. Exogenously applied ascorbic
acid alleviates salt-induced oxidative stress in wheat. Environ Exp
Bot, 2008, 63: 224–231
[27] Larson R A. The antioxidants of higher plants. Phytochemistry,
1988, 27: 969–978
[28] Briviba K, Klotz L O, Sies H. Toxic and signaling effects of
photochemically or chemically generated singlet oxygen in bio-
logical systems. J Biol Chem, 1997, 378: 1259–1265
[29] Tausz M, Sircelj H, Grill D. The glutathione system as a stress
marker in plant ecophysiology: is a stress-response concept valid?
J Exp Bot, 2004, 55: 1955–1962
[30] Yang S-M(杨树明), Zeng Y-W(曾亚文), Du J(杜娟), Pu X-Y(普
晓英), Tai L-M(邰丽梅), Yang T(杨涛). Difference of phenotypic
diversity of cold tolerance traits at the booting stage for core col-
lection of rice landrace in different ecologies in Yunnan, China.
Ecol Environ Sci (生态环境学报), 2009, 18(5): 1887–1892 (in
Chinese with English abstract)
[31] Han L-Z(韩龙植), Cao G-L(曹桂兰), Yea J-D(芮钟斗), An
Y-P(安永平), Qiao Y-L(乔永利), Hwang H-G(黄兴九), Koh
H-J(高熙宗). Relationship between cold tolerance at the bud
bursting period and other traits related to cold tolerance in rice.
Acta Agron Sin (作物学报), 2004, 30(10): 990–995 (in Chinese
with English abstract)
[32] Zhang S-Y(张三元), Li C(李彻), Shi Y-H(石玉海), Zhang
J-G(张俊国), Yang G-L(杨桂兰). The study of cold resistance of
rice varieties in Jilin Province. J Jilin Agric Univ (吉林农业科
学), 1996, (1):16–19 (in Chinese with English abstract)
[33] Zeng Y-W(曾亚文), Li S-C(李绅崇), Pu X-Y(普晓英), Du J(杜
娟), Yang S-M(杨树明), Liu K(刘昆), Gui M(桂敏), Zhang H(张
浩). Ecological difference and correlation among cold tolerance
traits at the booting stage for core collection of rice landrace in
Yunnan, China. Chin J Rice Sci (中国水稻科学), 2006, 20(3):
第 4期 王国骄等: 强耐冷性水稻新品系 J07-23抗氧化系统对长期冷水胁迫的响应 759


265–271 (in Chinese with English abstract)
[34] Jin M-L(金铭路), Yang C-G(杨春刚), Yu T-Q(余腾琼), Guo
G-Z(郭桂珍), Tang C-F(汤翠凤), Zhang J-G(张俊国), A X-X(阿
新祥), Cao G-L(曹桂兰), Xu F-R(徐福荣), Liu X-H(刘宪虎),
Dai L-Y(戴陆园 ), Zhang S-Y(张三元 ), Han L-Z(韩龙植).
Evaluation of cold tolerance at different growing period for mini
core collection of rice (Oryza sativa L.) in China. J Plant Genet
Resour (植物遗传资源学报), 2009, 10(4): 540–546 (in Chinese
with English abstract)
[35] Liu C-W(刘昌文), Guo G-Z(郭桂珍), Yang C-G(杨春刚), Cao
G-L(曹桂兰), Zhang J-G(张俊国), Zhang S-Y(张三元), Han
L-Z(韩龙植). Difference of cold tolerance for Japonica rice va-
rieties from different places of the world under cold water irriga-
tion. J Plant Genet Resour (植物遗传资源学报), 2008, 9(1):
25–31 (in Chinese with English abstract)
[36] Li X(李霞), Dai C-C(戴传超), Cheng R(程睿), Chen T(陈婷),
Jiao D-M(焦德茂). Identification for cold tolerance at different
growth stages in rice (Oryza sativa L.) and physiological mecha-
nism of differential cold tolerance. Acta Agron Sin (作物学报),
2006, 32(1): 732–739 (in Chinese with English abstract)


~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~


更 正

本刊 2013 年第 3 期第 455–463 页《玉米出籽率、籽粒深度和百粒重的 QTL 分析》一文中的作者单位
更正为：
张伟强 1,2 库丽霞 1 张 君 1 韩赞平 1,3 陈彦惠 1,*
1 河南农业大学农学院, 河南郑州 450002; 2 驻马店市农业科学院, 河南驻马店 463000; 3 河南科技大学农学院, 河南洛阳 471003