抽穗期高温胁迫对水稻花药花粉和光合特性的影响

张文怡，白涛，何东，陈杏，梁万慧，易镇邪，刘红梅

抽穗期高温胁迫对水稻花药花粉和光合特性的影响

张文怡，白涛，何东，陈杏，梁万慧，易镇邪，刘红梅*

(湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128)

以热钝感品种创两优丰占、中间型品种Y两优1号和热敏感品种农香32为试验材料，于抽穗期利用人工气候室进行高温处理(最高温度39.0 ℃、相对湿度75%～80%、光照度5.0×105lx)，通过测定高温处理与对照处理(大田栽培)花粉、花药的性状与光合特性及外观品质等，分析抽穗期高温胁迫对水稻花粉、花药及光合特性的影响。结果表明：与对照相比，高温胁迫下创两优丰占、Y两优1号、农香32花药长分别增加了7.93%、10.96%、106.56%，花药宽增加了30.99%、56.79%、106.54%，花药体积分别增加了84.62%、167.92%、764.00%；
花粉直径分别增加了5.83、3.50、2.60 μm；
可育花粉率分别下降19.97%、23.12%、29.19%，柱头着粉数分别减少了10、8、9个，柱头花粉萌发率分别下降39.09%、39.83%、41.47%；
3个品种整精米长分别降低4.59%、5.66%、13.12%，宽分别降低2.01%、3.18%、10.42%，长宽比分别降低了2.44%、2.55%、3.33%，结实率分别下降了23.39%、24.59%、49.49%，千粒质量分别下降了8.92%、16.86%、17.79%；
3个水稻品种在高温胁迫下叶绿素荧光参数v/m分别下降了7.87%、8.24%、17.98%，PSII分别下降了19.05%、20.00%、24.14%，L分别下降了30.00%、33.33%、40.00%，NO平均上升了5.33%、7.46%、11.27%，表明其有效光能利用率、光反应中心活性和热耗散调节能力下降，胁迫解除后，v/m、PSII、L缓慢升高，NO缓慢降低。综上可知，高温胁迫下水稻花药和花粉膨大，花粉活力和柱头花粉萌发率降低，有效光能利用率降低；
在高温胁迫下，热钝感品种较热敏感品种具有较好的花粉活性和散落特性以及光合特性，这可能是水稻耐高温的关键因素。

水稻；
高温胁迫；
花药；
花粉；
光合特性；
结实性状

近年随着极端天气出现频率的逐渐增加，高温已成为影响作物生长、限制水稻优质安全生产的重要因素，因此，研究高温胁迫对水稻的影响具有一定的现实意义。

前人[1–2]研究指出，孕穗期高温导致水稻减产的程度与高温的强度及持续时间密切相关，温度越高、持续时间越长，花粉活力和散落特性受损越严重[3]。高温胁迫导致水稻叶片PSⅡ反应中心受到破坏或部分失活，产生光抑制[4]。高温对PSⅡ反应中心的影响主要表现为加速叶绿素和类胡萝卜素的降解，影响叶绿素体内的蛋白质合成，引起类囊体膜结构的变化，减弱光系统Ⅱ的电子传递[5]，最终引起v/m、PSII、L、NO等叶绿素荧光参数发生变化。

本研究中，以3个高温耐受能力不同的水稻品种为试验材料，通过分析抽穗期高温胁迫对水稻花药、花粉、光合特性、结实率的影响，探索水稻的耐高温机制，旨在为水稻生产防御高温危害、筛选耐热品种提供参考。

1.1　供试材料

供试的创两优丰占、Y两优1号、农香32分别为热钝感、中间型、热敏感品种，均由湖南农业大学水稻科学研究所提供。

1.2　方法

试验于2020年在湖南农业大学水稻科学研究所试验田和人工气候室进行。2020年5月21日播种，6月21日移栽至盆钵中(盆钵内径190 mm、高度200 mm)，每盆20株，每个品种36盆。于抽穗初期(7月11日，少数穗破口1～2 cm，大部分穗即将破口) ，每个品种随机选取18盆移入人工气候室进行高温处理，其余18盆(对照组)一直置于大田培养。

高温处理：06:00—09:00和20:00—24:00，31.0 ℃；
09:00—12:00，37.0 ℃；
12:00—16:00，39.0 ℃；
16:00—20:00，36.0 ℃；
24:00—翌日06:00，28.0 ℃。光照度5.0×105lx，日光照14 h，相对湿度75%～80%。连续处理6 d后，将盆栽移回至试验田。于处理前1 d、处理1～6 d，移回大田恢复培养1～3 d，每个品种分别选取3株植株的穗的花药、花粉、剑叶等进行检测，3次重复。

1.3　测定项目与方法

1.3.1花药与花粉性状的测定

花药长和宽的测定：用镊子从每个品种的3株处理穗分别剥取6个即将开颖的颖花，置于载玻片上，滴加1% I–KI溶液染色，在载有测微尺的光学显微镜下测定花药的长()和宽()，利用公式=0.342计算花药体积()。

可育花粉率的测定：从每个品种的3株处理穗分别取6个即将开颖的花药置于载玻片上，加2～3滴1% I–KI溶液，用镊子将其捣碎混匀，在显微镜下随机选取10个视野，统计可育花粉数，计算可育花粉率。

花粉直径的测定：从每个品种的3株处理穗分别取6个即将开颖的花药置于载玻片上，用镊子轻压使花粉散出，在显微镜下随机选取10个花粉粒测定直径，每个花药的测量尽量在5 min内完成，以防止失水收缩。

柱头着粉数的测定：从每个品种的3株处理穗分别剥取10个当天已开花的雌蕊于载玻片上，用乙酸洋红染色，在显微镜下计数柱头上粘着的花粉数。

柱头花粉萌发率的测定：从每个品种的3株处理穗分别取10个当天开花的雌蕊置载玻片上，于25 ℃、相对湿度80%的条件下培养，30 min后用1% I–KI溶液染色，显微镜下计数柱头上花粉发芽数，计算花粉萌发率[6]。

1.3.2光合特性的测定

叶绿素荧光参数的测定：处理期间每天08:00—09:00，从每个品种的3株处理穗分别选取具有代表性的剑叶10片，暗适应20 min以上，采用XJJQ977–FP110手持式叶绿素荧光仪测定并计算最大光能利用效率v/m、实际光能利用效率PSII、光化学淬灭系数L、非调节性能量耗散的量子产量NO。

叶绿素含量的测定：从每个品种的3株处理穗分别选取具有代表性的剑叶，避光保存至取样箱，剪掉功能叶尖端和底端部各2 cm，抽取主叶脉，剪碎剩余部分，称取0.20 g，加入10 mL 95%乙醇提取，避光静置24 h后转移到25 mL容量瓶，定容。用UV–450紫外可见分光光度计分别测定样品665、649 nm处的吸光度值，并计算叶绿素a和叶绿素b的含量[7]。

1.3.3粒形及结实性状

水稻成熟时，分别取处理组、对照组的所有穗进行考种，测定粒长、粒宽、结实率、千粒质量等指标。

1.4　数据分析

运用Excel 2016进行数据整理；
采用SPSS 25.0进行差异显著性分析。

2.1　高温胁迫对水稻花药的影响

由表1可知，高温胁迫下水稻花药的长、宽、体积均有所增加。与处理前相比，处理第6天创两优丰占、Y两优1号、农香32的花药长增幅分别为7.93%、10.96%、106.56%；
花药宽增幅分别为30.99%、56.79%、106.45%；
花药体积增幅分别为84.62%、167.92%、764.00%。可见，高温导致水稻花药膨大，且热敏感品种的增幅大于热钝感品种。

表1　高温胁迫下3个供试水稻品种的花药特性

同一品种同列数据不同字母示处理间的差异有统计学意义(＜0.05)。

2.2　高温胁迫对水稻花粉特性的影响

由表2可以看出，高温胁迫下花粉直径均有所增加。与处理前相比，处理第6天，创两优丰占、Y两优1号、农香32的花粉直径分别增加5.83、3.50、2.60 μm。随着处理时间的延长，水稻可育花粉率下降，至处理第6天，创两优丰占、Y两优1号、农香32的可育花粉率降幅分别为19.97%、23.12%、29.19%。高温胁迫下柱头着粉数减少，至处理第6天，3个品种的柱头着粉数分别减少了10、8、9个。随着高温处理时间的延长，柱头花粉萌发率逐渐降低，处理第 1 天，3个品种的柱头花粉萌发率分别下降了1.20%、8.01%、2.65%；
至处理第6天，分别下降了39.09%、39.83%、41.47%，差异均达显著水平。说明高温胁迫下热钝感品种的花粉特性较热敏感品种相对稳定。

表2　高温胁迫下3个供试水稻品种的花粉特性

同一品种同列数据不同字母示处理间的差异有统计学意义(＜0.05)。

2.3　高温胁迫对水稻光合特性的影响

2.3.1对叶绿素荧光参数的影响

由表3可知，高温胁迫下v/m、PSII、L随高温处理时间延长呈下降趋势，而NO持续升高。处理第1天，创两优丰占、Y两优1号、农香32 的v/m降幅分别为1.12%、1.18%、4.49%；
处理第6天，降幅分别为7.87%、8.24%、17.98%。处理第1天，3个品种的PSII降幅分别为4.76%、6.67%、6.90%；
处理第6天，降幅分别为19.05%、20.00%、24.14%。处理第1天，3个品种的L分别降低了10.00%、8.33%、20.00%；
处理第6天，L分别降低了30.00%、33.33%、40.00%。处理第1天，NO分别上升了1.33%、1.49%、2.82%；
处理第6天，分别增加了5.33%、7.46%、11.27%。高温处理结束，移至大田后v/m、PSII、L缓慢升高，NO缓慢降低。恢复3天后，较处理第6天，创两优丰占、Y两优1号、农香32的v/m的增幅分别为4.88%、3.85%、6.85%；
PSII增幅分别为23.53%、8.33%、4.55%；
L增幅分别为14.29%、12.50%、22.22%；
NO降幅分别为1.27%、2.78%、5.06%。可见，热钝感品种凭借良好的自身调节能力，随着胁迫解除，其光合机能部分恢复，而热敏品种的PSII 反应中心部分已受损伤或失活，其恢复程度不及热钝感品种。

表3　高温胁迫下3个供试水稻品种的叶绿素荧光参数

同一品种同列数据不同字母示处理间的差异有统计学意义(＜0.05)。

2.3.2高温胁迫对叶绿素a、叶绿素b含量及其比值的影响

由表4可知，高温胁迫下，随着处理时间的延长，叶绿素a、叶绿素b含量均呈下降趋势，其中，处理第1天，创两优丰占、Y两优1号、农香32的叶绿素a含量分别下降了3.78%、6.83%、8.96%；
处理第6天，分别下降了35.74%、36.10%、38.81%。高温对叶绿素b含量的影响较小，从而导致叶绿素a与叶绿素b的比值降低。处理第1天，创两优丰占、Y两优1号、农香32的叶绿素a与叶绿素b的比值分别降低了1.94%、3.74%、3.64%；
处理第6天，分别下降了20.54%、20.56%、33.05%。高温处理结束后，叶绿素a、叶绿素b含量均缓慢升高。恢复第3天较处理第6天，创两优丰占、Y两优1号、农香32的叶绿素a含量的增幅分别为39.57%、22.90%、25.00%；
叶绿素b含量的增幅分别为17.58%、5.19%、2.90%。综上可知，高温主要通过降低叶绿素a含量来影响叶绿素a与叶绿素b的比值，热敏感品种的降幅大于热钝感品种的。

表4　高温胁迫下3个供试水稻品种的叶绿素含量

同一品种同列数据不同字母示处理间的差异有统计学意义(＜0.05)。

2.4　高温胁迫对水稻外观品质和结实率的影响

从表5可知，抽穗期高温胁迫导致整精米长、整精米宽、长/宽、千粒质量、结实率均显著降低。创两优丰占、Y两优1号、农香32的整精米长分别降低了4.59%、5.66%、13.12%；
整精米宽分别降低了2.01%、3.18%、10.42%；
整精米长宽比分别降低了2.44%、2.55%、3.33%；
千粒质量分别降低了8.92%、16.86%、17.79%；
结实率分别降低了23.39%、24.59%、49.49%。综上可知，高温不仅会显著降低水稻的结实率和千粒质量，还会导致水稻的外观品质显著下降，热敏感品种的降幅大于热钝感品种的。

表5　高温胁迫下3个供试水稻品种的外观品质和结实率

“*”示同一品种处理间的差异有统计学意义(＜0.05)。

本研究结果表明：水稻抽穗期高温胁迫后花药的长、宽、体积及花粉直径均增加，热敏品种增加的幅度大于热钝感品种；
可育花粉率、柱头着粉数和柱头花粉萌发率均下降，导致花粉活力和可育性降低，结实率下降。高温胁迫使叶绿素荧光参数的v/m、PSII、L下降，光系统PSII的有效光能利用效率下降，NO显著上升，说明高温胁迫下水稻光保护能力下降，易受到光损伤。

前人研究结果[8–12]表明，水稻抽穗期遭遇高温会影响花粉成熟和发芽，使得受精率降低而形成空秕粒，最后结实率和千粒质量降低。高温胁迫导致水稻花粉膨大畸形，不育花粉数量增多，可育花粉率下降[13]。高温使得花粉粒具有黏性，黏性花粉粒填塞于裂药基部而留在花药内，加上可育花粉率下降，最后导致柱头花粉萌发率也随之下降[14–15]。本研究发现，热钝感品种柱头着粉数和花粉萌发率高于热敏品种，说明热钝感品种花粉对高温不敏感，高温胁迫处理下仍能保持正常的花粉萌发率。可见，抽穗期高温胁迫后可育花粉率和花粉萌发率可作为水稻耐热性鉴定的重要指标。

植物的叶绿素含量与光合作用密切相关，在温度胁迫时叶片活性氧的积累导致叶绿素a降解，叶绿素结构和功能遭到破坏，叶片捕捉和利用光能的能力降低[16]。高温导致叶绿素a/叶绿素b下降，类囊体的垛叠程度降低，光系统Ⅱ电子传递减弱[17]。本研究发现，热钝感品种有较好的抗逆能力，能够在原有基础上保持正常水平，受高温影响较小，且能够在解除胁迫后逐渐恢复正常水平；
热敏感品种的叶绿素含量和部分叶绿素荧光参数下降快，且解除胁迫后难以恢复到正常水平，影响正常生长发育。

本研究从花药、花粉和光合特性响应角度初步探讨了水稻的耐热性，但水稻耐热生理机制涉及到基因、蛋白质、代谢物等复杂的分子生化调控网络，还需要从基因组、蛋白组及代谢组等多组学角度进行更深入的探究。

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Effects of high temperature stress at heading stage on pollen and photosynthetic characteristics of rice anthers

ZHANG Wenyi，BAI Tao，HE Dong，CHEN Xing，LIANGWanhui，YI Zhenxie，LIU Hongmei*

(College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China)

The heat-insensitive cultivar Chuangliangyou fengzhan, the intermediate cultivar Y liangyou 1 and the heat-sensitive cultivar Nongxiang 32 were used as experimental materials, and an artificial climate chamber was used for high temperature treatment at the heading stage(the maximum treatment temperature was 39.0 °C; relative humidity 75%-80%; light intensity 5.0×105lx). The effects of high temperature stress at heading stage on pollen, anther and photosynthetic characteristics of rice were analyzed by measuring the characteristics, photosynthetic characteristics and appearance quality of pollen and anther under high temperature treatment and control treatment(field cultivation).The results showed that under high temperature stress, anther length of three rice varieties increased by 7.93%, 10.96% and 106.56%, and anther width increased by 30.99%, 56.79% and 106.54%, respectively. The anther volume increased by 84.62%, 167.92% and 764.00%, respectively. The pollen diameter increased by 5.83 μm, 3.50 μm and 2.60 μm , respectively. The fertile pollen rate decreased by 19.97%, 23.12% and 29.19%, stigma pollen number decreased by 10, 8 and 9, and stigma pollen germination rate decreased by 39.09%, 39.83% and 41.47%, respectively. The whole rice length of three varieties decreased by 4.59%, 5.66%, 13.12%,and width decreased by 2.01%, 3.18% , 10.42%, respectively. The length-width ratio decreased by 2.44%, 2.55% and 3.33%, respectively. The seed setting rate decreased by 23.39%, 24.59% and 49.49%, and the thousand grain weight decreased by 8.92%, 16.86% and 17.79%, respectively. Under high temperature stress, the chlorophyll fluorescence parameters of three rice varietiesv/mdecreased by 7.87%, 8.24%, 17.98%,PSIIdecreased by 19.05%, 20.00%, 24.14%,Ldecreased by 30.00%, 33.33%, 40.00%, respectively.NOincreased by 5.33%, 7.46% and 11.27%, respectively, indicating that its effective light energy utilization rate, photoreaction center activity and heat dissipation regulation ability decreased.With the stress relieved,v/m,PSII,Lslowly increased,NOslowly decreased, indicating that the effective light energy utilization rate, light reaction center activity and heat dissipation regulation ability slowly recovered.In conclusion, heat-insensitive cultivars had better pollen activity, scatter characteristics and photosynthetic characteristics than that of heat-sensitive cultivars, which may be the key factors of rice height tolerance.

rice; high temperature stress; anther; pollen; photosynthetic characteristics; fruiting traits

S511.01

A

1007-1032(2022)04-0379-07

张文怡，白涛，何东，陈杏，梁万慧，易镇邪，刘红梅．抽穗期高温胁迫对水稻花药花粉和光合特性的影响[J]．湖南农业大学学报(自然科学版)，2022，48(4)：379–385．

ZHANG W Y，BAI T，HE D，CHEN X，LIANGW H，YI Z X，LIU H M．Effects of high temperature stress at heading stage on pollen and photosynthetic characteristics of rice anthers[J]．Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences)，2022，48(4)：379–385．

http://xb.hunau.edu.cn

2021–11–16

2022–06–23

国家重点研发计划项目(2018YFD0301005)；
湖南省大学生创新性实验计划项目(S202010537022)；
湖南省农业农村厅项目(湘财农指[2020]64号)

张文怡(1996—)，女，重庆永川人，硕士研究生，主要从事水稻生理生化研究，19112129315@163.com；
*通信作者，刘红梅，博士，副教授，主要从事作物学研究，liuhongmei@hunau.edu.cn

责任编辑：毛友纯

英文编辑：柳正