全 文 ：　　
第 27 卷 第 6 期 作　物　学　报 V o l. 27, N o. 6
2001 年 11 月 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA N ov. , 2001
初论杂交稻粒间顶端优势Ξ
王　熹　陶龙兴　徐仁胜　田淑兰
(中国水稻研究所农业部水稻生物学重点实验室, 浙江杭州 310006)
提　要　本文旨在论证杂交稻“粒间顶端优势”现象。研究结果表明杂交稻一穗中强势粒对弱势粒的灌
浆有抑制作用。去除强势粒, 弱势粒灌浆即可明显改善。外源 IAA 可部分代替强势粒对弱势粒灌浆的
抑制作用, 其表现类似水稻主茎与分蘖间的顶端优势现象。H PL C 分析籽粒内源 IAA 的结果表明强弱
势籽粒中内源吲哚乙酸水平差异明显, 这种差异似与强弱势粒对营养器官 (剑叶) 的内源 IAA 吸收能
力及籽粒合成吲哚乙酸的能力有关。
关键词　杂交水稻; 粒间顶端优势; 优势粒群; 劣势粒群; 内源 IAA
Ap ica l-gra in Super ior ity in Hybr id R ice
W AN G X i　TAO L ong2X ing　XU R en2Sheng　T IAN Shu2L ian
(K ey L ab. of R ice B iology , M OA , Ch ina N ationa l R ice R esearch Institu te, H ang z hou 310006, Ch ina)
Abstract　　A p ica l2gra in superio rity in hyb rid rice w as d iscu ssed in th is paper. It w as
dem on stra ted in the experim en t tha t the superio r gra in s inh ib ited the filling of the inferio r
sp ikelets w ith in a pan icle. T he filling sta tu s w ou ld be sign if ican t ly im p roved by rem oving of
the superio r gra in s. T h is ap ica l2gra in superio rity of superio r gra in s over inferio r sp ikelets
cou ld part ly be dem on stra ted by app lica t ion of the exogenou s IAA , sim ila r to the
phenom enon of the ap ica l dom inance of the m ain stem to the t illers. T he sign if ican t
d ifference of the IAA lever betw een superio r gra in s over inferio r sp ikelets w as determ ined by
H PL C analysis. T h is d ifference m ay be rela ted to the IAA up 2tak ing ab ility from flag leaf,
and to the IAA syn thesis of the sp ikelets them selves.
Key words　　H yb rid rice; A p ica l2gra in superio rity; Superio r gra in s; Inferio r sp ikelets;
Endogenou s IAA
20 世纪 70 年代, 中国稻作科学家首先成功地研究与推广了品种间三系杂交水稻, 显著
提高了水稻产量; 90 年代又利用广亲和基因选配三系或二系亚种间杂交稻。后者更具大穗特
性 (每穗颖花达 200～ 300 个) , 更高的产量潜力[ 1～ 3 ] , 有可能使稻谷产量达到 12～ 15 töhm 2;
但相对较低的结实率限制了产量的进一步提高[ 4, 1, 5, 3 ]。研究表明, 一穗中劣势粒常表现低结
实率与低千粒重[ 6, 4, 1, 7 ]。在水稻育种家致力于基因改良的同时, 作物生理学家对杂交稻结实
障碍进行了近二十年的研究, 一致认为, 杂交稻结实的“两步灌浆”现象突出[ 8, 4, 5, 7 ] , 对其生Ξ 农业部“八五”重点项目 (85208202203202)、浙江省“九五”重点项目 (96110215)
作者介绍: 王熹 (19372)男, 研究员, 中国农业科学院博士导师
收稿日期: 2000208223, 接受日期: 2001203230
Received on: 2000208223, A ccep ted on: 2001203230

理原因的解释一曰“库源流失调”[ 1, 5, 2 ] , 一曰“灌浆能量障碍”[ 8, 6, 7 ]。我们基于前人关于多种
内源激素在籽粒发育成熟过程中起重要作用的研究[ 9～ 11 ] , 试图通过植物激素生理研究去了解
杂交稻“两步灌浆”的生理学本质, 为提高结实率提供理论依据。
1　材料与方法
1. 1　材料
主要供试水稻 (O ry z a sa tiva L. ) 有亚种杂交稻 (籼ö粳) : 协优 413 及恢复系中 413; 品种
杂交稻 (籼ö籼) : 汕优 10 及恢复系密阳 46; 品种杂交稻 (粳ö粳) 双优 23 及恢复系 91227。3H 2
IAA、3H 2T ry (T ryphane、色氨酸) 委托中国原子能科学研究院合成, 其放射性比强分别为
1. 369 mBqömL 和 1. 11 mBqömL。
1. 2　方法
1. 2. 1　开花日序与结实率及优、劣势粒的采样　　盆栽水稻抽穗后, 同天早上, 选择刚抽出
且长势一致的稻穗, 每一材料各挂牌 10 个, 下午 1 时后, 画图标记当天所开颖花。以后逐日
进行, 直至穗上全部颖花开完为止。以每穗顶端 3 个一次枝梗上的籽粒, 代表优势粒群, 基
部 3 个一次枝梗上的二次枝梗上的籽粒为劣势粒群。干物质积累动态测定同前人方
法[ 8, 4, 12, 7 ]。
1. 2. 2　外源 IAA 对籽粒灌浆的影响　　以协优 413 为材料, 每盆种 2 株稻苗。在孕穗期,
选取剑叶和倒二叶叶枕距为 5 cm 左右的长势一致的植株, 在齐穗前同一天挂牌标记穗顶端
刚露出叶鞘的稻穗 24 个。其中 4 穗留作对照, 另外 20 穗剪去顶端 3 个一次枝梗 (50 朵颖花左
右, 约占整穗的 1ö4) , 用微量移液管分别吸取 IAA 含量为 0, 10, 20 和 30 ngöΛL , 的羊毛脂
20 ΛL , 涂抹于剪去一次枝梗的穗轴顶部, 并套以纸袋, 以减少 IAA 光解。每个浓度处理 4
株, 1 周后重复一次。收获风干后对这部分籽粒逐粒称重, 粒重 20 m g 以上计作饱满粒, 20
m g 以下为空秕粒。
图 1　　水稻内源 IAA 含量的H PL C 分析
F ig. 1　　H PL C analysis of endogenous IAA
conten t in rice filling2grain
a: 标准样本 Standard samp le; b: 稻谷样本 rice samp le
1. 2. 3　优、劣势粒灌浆过程中 IAA 含量
的动态变化　　供试材料、田间试验设计、
取样方法同上。取样时间为上午 8 时至 9
时。籽粒样品用聚乙烯薄膜密封后置
- 30℃冰箱保存待用。
IAA 的提取基本按丁静等人[ 13 ]的方法
并稍加修改[ 14, 12 ]。提取液乙酸乙酯萃取 3
次, 35℃蒸干用 5 mL 80% 甲醇溶解后过
SEP2PA KC18 柱纯化, 最后用 60% 乙腈定
容。
采 用 W aters 高 效 液 相 色 谱 方 法
(H PL C)测定 IAA 含量, 以W aters 481 型
紫外检测器检测, 波长为 280 nm , 流动相
为 60% 乙腈 (乙酸钠缓冲液, pH = 3. 5) ,
流速 0. 7 mL öm in。外标法定量分析 IAA
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含量, 每 3 个样品做一次标样校正。峰面积以M 730 型数据处理机处理, 最低检测量为 1. 0
ng。图 1 为H PL C 测定 IAA 时的出峰情况: 标样 5 ΛL (浓度为 1 m göL )经H PL C 测定出现一
个峰, 保留时间为 7. 0 m in。样品提取液经 0. 5 Λm 滤膜过滤后分样, 测定的保留时间为 7. 05
m in 的一个峰; 在样品提取液中加入 IAA , 此峰增强, 可见保留时间 7. 00～ 7. 05 m in 峰为
IAA 组分。
1. 2. 4　优、劣势粒灌浆过程中3H 2T ry 转化为3H 2IAA 的能力　　协优 413 网室盆栽, 每盆 2
株。孕穗期每株选取生长发育一致的 5 个分蘖挂牌, 用 5% 土温 20 作展布剂, 然后用取样器
吸取 20 Λl3H 2T ry 涂施剑叶。齐穗后 10d 取样 (优、劣势粒) , 于- 20℃保存备用。3H 2T ry 转化
为3H 2IAA 的能力用转化效率表示, 转化效率% = 3H 2IAA 的放射性ö(3H 2IAA 的放射性
图 2　　杂交稻及其恢复系开花与结实进程
F ig. 2　　F lo rat flow ering and seed sett ing
p rogress in hybrid rice and its resto rer
+ 3H 2T ry 的放射性)×100%。
1. 2. 5 　3H 2IAA 与3H 2T ry 的提取和测定　
　3H 2IAA 以乙酸乙酯萃取, 冻融后除色素,
35℃蒸发浓缩, 80% 乙醇定容, 用液闪计数器测
放射强度[ 15, 12 ]。3H 2T ry 的提取用样品 1g 经 5
mL 蒸馏水匀浆, 加 10 mL 蒸馏水静置过夜, 过
滤, 洗涤沉淀 2 次, 合并提取液, 浓缩, 用蒸馏
水定容至 10 mL , 用液闪计数器测放射强
度[ 15, 12 ]
2　结果
2. 1　颖花开花日序与籽粒结实
从图 2 可以看到, 杂交稻 (籼×粳) 协优 413
的一穗颖花 (220 朵) 开花历时 9 天, 前 3 天开花
占总颖花数的 50% 左右; 它的恢复系中 413, 一
穗颖花 (150 朵) 开花历时 6 天, 前 3 天开花占
70% 左右。协优 413 先开花颖花的结实率可达到
90% 以上, 中 413 可达到 80% 以上, 具有生长优
势。杂交稻比恢复系的先开花籽粒的生长优势更
明显。
2. 2　优、劣势粒群的生长差异
优势粒群基本上是穗顶部第一、二、三个一
次枝梗上的着粒, 它们 95% 以上为始花第一、二
天开花的颖花; 劣势粒群基本上是穗基部倒数第
一、二、三个一次枝梗的第二次枝梗上的着粒,
它们均为一穗中开花最迟的颖 花。优、劣势粒
群在供试的三个杂交组合及其恢复系中表现相似, 都是: (1) 优势粒群开花后立即灌浆, 劣
势粒群开花后灌浆启动迟缓, 待优势粒群生长发育完成后, 劣势粒群灌浆启动, 直至发育完
成。(2) 优势粒群的结实率高于劣势粒群。(3) 优势粒群的粒重高于劣势粒群。
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　　以协优 413 与中 413 的结果为例, 从图 3 可见: (1) 协优 413 的劣势粒群的灌浆比优势
粒群滞后 3 周, 中 413 的劣势粒群则滞后 2 周: (2) 协优 413 优势粒群的灌浆峰值可达到
2. 30 m gö粒. d- 1, 劣势粒群仅为 0. 45 m gö粒. d- 1, 两者相差 5 倍; 中 413 优势粒群的灌浆峰
值可达到 1. 85 m gö粒. d - 1, 其劣势粒群仅 1. 20 m gö粒. d- 1, 两者相差约 50% , 可见协优 413
的优势粒群对劣势粒群的抑制作用大于中 413 优势粒群对劣势粒群的抑制作用。
2. 3　优势粒群对劣势粒群生长的抑制作用
杂交组合优势粒群对劣势粒群的抑制作用, 类似于水稻主茎与分蘖间的“顶端生长优势”
现象, 我们选用协优 413 的单穗作模拟顶端优势的试验: A 组为不作处理的正常穗; B 组剪
去优势粒群, 不作其它处理; C 组剪去优势粒群后, 在剪口处涂上含有 IAA 的羊毛脂 20 ΛL ,
其 IAA 含量分别为 10、20、30 ngöΛL , 在涂拌部位套以黑袋, 以减少 IAA 的光解。在成熟时
考查各处理的劣势粒群的结实状况, 从图 4 可以看出: (1) 未剪去优势粒群的一穗中的劣势
粒 (CK 1)结实率仅为 52% , 粒重仅为 13 m g; (2) 仅剪去优势粒群, 其劣势粒的结实率上升为
92% , 粒重也增高为 22. 5m g; (3) 剪去优势粒群后又涂抹 IAA , 看到劣势粒群的结实率与千
图 3　　杂交稻协优 413 及其恢复系中 413 的
强、弱势粒灌浆进程
F ig. 3　　Grain filling p rogress of superio r and
inferio r grain in hybrid rice X ieyou413
and its resto rer Zhong 413
Superio r grain (SG)　　 Inferio r grain ( IG)
　
图 4　　摘除杂交稻协优 413 穗顶部枝梗对
弱势粒结实率与粒重的影响
F ig. 4　　Effect of seed sett ing and grain w eigh t
of inferio r grains on superio r branches
clipped off in hybrid rice X ieyou 413.
CK1: Pan icle w ithout treatm ent; CK2: Pan icle
clipped off top 3 p rim ary branches; IAA : Panicle
clipped top 3 p rim ary branches and daubed IAA on the
apex, and a= 10 ngöΛL , b= 20 ngöΛL , c= 30 ngöΛL IAA
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粒重比CK2 下降。由此可见, 一穗中优势粒群对劣势粒群的抑制作用可以因剪去优势粒群而
解除, 也可为外源 IAA 而部分恢复。
2. 4　内源 IAA 对“粒间顶端优势”的调节
应用H PL C 分析协优 413 及其恢复系中 413 的优劣势粒群的内源 IAA 含量 (图 5) 可见:
(1) 协优 413 和中 413 优势粒群的籽粒内源 IAA 在开花后便迅速增加, 协优 413 在开花后一
周便达到峰值 4800 ngö粒, 此后迅速下降, 开花后 3 周下降到 500 ngö粒, 并维持这个水平直
至开花后 7 周籽粒成熟; 中 413 在开花后 2 周优势粒群为籽粒内源 IAA 含量达到峰值 3800
ngö粒, 以后迅速下降, 第 4 周为 800 ngö粒水平, 并维持此水平直至开花后 7 周籽粒成熟。
(2) 协优 413 劣势粒群的籽粒内源 IAA 含量在开花 3 周达到峰值 1500 ngö粒, 此后下降至开
花后 8 周籽粒成熟, 维持在 700 ngö粒水平; 中 413 在开花后 4 周劣势粒群的籽粒内源
IAA 2000 ngö粒, 此后缓缓下降, 至开花后 6～ 8 周维持在 1200 ngö粒水平。 (3) 协优 413 优
势粒群的内源 IAA 峰值约为劣势粒群的 3. 2 倍, 中 413 约为 2. 0 倍。由此可以推想: (1) 杂
交稻协优 413 与恢复系中 413 的优劣势粒开花后即出现的内源 IAA , 籽粒便开始具有摄取光
合物质的能力; (2) 优势粒内源 IAA 比劣势粒的内源 IAA 峰值高、出现早, 其生理活性强,
摄取光合物质的能力高于劣势粒; 正如经典植物生理学的解释, 水稻主茎与分蘖的顶端生长
优势是由于主茎富含内源 IAA 成为生长中心, 成为物质积累中心[ 9 ]
为什么优势粒群比劣势粒群富含内源 IAA ? 籽粒中的内源 IAA 主要由自身合成, 其次来
自营养器官。实验表明, 优势粒从营养器官摄取 IAA 能力高于劣势粒, 合成 IAA 能力也高
于劣势粒。我们在水稻始穗前, 对剑叶喂饲3H 2T ry 或3H 2IAA , 成熟期测定水稻优劣势粒的内
源3H 2IAA 的放射性强度。从试验结果 (表 1) 可以看出: (1) 无论协优 413 或中 413, 它们的
优势粒从剑叶吸收3H 2IAA 的能力均高于劣势粒, 协优 413 的劣势粒对3H 2IAA 的吸收量为优
劣势粒的 60. 8% , 中 413 劣势粒对3H 2IAA 的吸收量为优势粒的 73. 6% ; (2) 无论协优 413
或中 413 的优势粒, 从3H 2T ry 合成3H 2IAA 的能力均高于劣势粒, 约高 20 个百分点。
图 5　　优、劣势粒群籽粒的内源 IAA 含量
F ig. 5　　T he difference of endogenous IAA conten t betw een superio r and inferio r grain
Superio r grains (SG). Inferio r grains ( IG)
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表 1　　强、弱势粒对剑叶3H-吲哚乙酸的吸收
及3H-色氨酸转化成3H-吲哚乙酸的差异
Table 1　　3H- IAA uptake from f lag leaf and3H-Try tran sformation
to3H- IAA rate in super ior and infer ior gra in s
T reatm ent Item
X ieyou 413
Superio r
grains
Inferio r
grains
Zhong 413
Superio r
grains
Inferio r
grains
　3H 2IAA
　flag leaf
　3H 2IAA
　Bq. grain- 1 458. 8 279. 3 419. 4 308. 8
　3H 2t ry
　flag leaf
　3H 2IAA
　Bq. grain- 1 314. 7 189. 6 300. 6 189. 6
　3H 2t ry
　Bq. grain- 1 94. 5 170. 8 90. 6 162. 5
　T ransfo rm ation
　efficiency % 3 76. 9 52. 6 76. 8 53. 83　讨论我国 70 年代推广品种间杂交稻使产量从 6 töhm 2 提高到7. 5 töhm 2。90 年代育成亚种间杂交稻, 大面积的示范试验展现了 10～ 12 töhm 2 的产量水平。但是, 无论品种杂交稻或亚种杂交稻, 结实率均较低 (一般为70% ) , 限制了产量潜力的发挥。这是一个带普遍性的问题[ 3 ]。因此, 我国科学家十分重视杂交稻结实生理学的研究, 一致认为杂
交稻低结实率的原因是“两步灌
浆”, 劣势粒结实率低, 千粒重不高[ 4, 1, 5, 7, 16 ]。本文主要是从激素生理角度研究 IAA 对“籽粒
间顶端优势”的影响, 观察到外源 IAA 犹如优势粒对劣势粒灌浆的抑制作用和内源 IAA 对
优、劣势粒灌浆的调节作用 (图 5, 表 1)。这些实验结果进一步说明杂交水稻“粒间顶端优势”
现象的存在, 而内源 IAA 似可视为推动籽粒灌浆的活性物质[ 15 ]。
如何缓解“两步灌浆”, 提高结实率与产量, 我们认为, 首先要从育种上改善遗传缺陷,
从栽培上改善栽培技术与环境条件, 同时也可以从作物生理上应用外源植物生长物质调节杂
交稻优劣势粒。我们曾研究过植物生长延缓物质 S207、PP 333 调节杂交稻“粒间顶端优
势”[ 17, 12 ]、也试验过外源 GA 3 调节杂交稻“粒间顶端优势”[ 17, 15 ] , 结果表明 S207 (或 PP 333) 与
GA 3 的作用行为不同; 进一步的试验表明 GA 3 与 PP 333对调节“粒间顶端优势”有互补效应。
参　考　文　献
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