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1、1水稻弱势籽粒粒重及淀粉合成关键酶活性昼夜变化规律及其化学调控摘 要本实验于2009-2010年在河南农业大学科教园区水稻实验田行。以大穗型粳稻品种新丰2号为试验材料。主要采用大田的方法，随机区组设计，设置三种化控剂（PR1、ABA、GA）处理，对孕穗后期（开花前7天左右）进行喷药处理，以喷清水（加吐温80）为对照。研究了三种化学调控剂在灌浆的各个时期对强弱势籽粒的粒重、可溶性糖含量、淀粉含量以及籽粒酶活性的昼夜变化的影响，根据测得的结果进行分析，从而得出影响弱势籽粒的关键因素以及如何提高弱势籽粒的充实度。结果表明：(1)灌浆速率在灌浆初期（花后5-12 d），强势粒平均比弱势粒高256%；而
2、在灌浆盛期（花后12-19d）及后期（19-32d），弱势粒平均分别比强势粒高1667%、15455%。(2)PR1处理可明显促进弱势粒的起始灌浆速率，及早启动弱势粒的灌浆。籽粒相对充实度在花后5-12d迅速降低，花后12-19d迅速上升，花后19-32d缓慢上升，呈先降后升的偏“v”型动态曲线。PR1处理在花后19d籽粒相对充实度明显高于对照和其他处理。（3）无论是强势粒还是弱势粒，在籽粒灌浆的各个时期（开花后5-35d）,可溶性糖的含量逐渐下降。（4）在在开花后5d到25d间，虽然可溶性糖含量逐渐下降，但是在同一时期弱势粒的可溶性糖含量比强势粒高。（5）三种化学调控剂对可溶性糖含量的作用：
3、对强势粒来说，GA1和ABA起正作用；对弱势粒来说，ABA对大多数弱势粒都起正作用，而PR1对强弱势粒都有负作用。（6）三种化学调控剂对淀粉含量的作用：在灌浆的各个时期，三种化学调控剂对淀粉含量的影响不同，在开花后15天后，对强势粒来说GA作用最大；对弱势粒来说也是GA的作用最大，但是ABA和GA对弱势粒中淀粉含量的作用相差不大。开花15天后，三种化学调控剂对强弱势粒的作用不大。（7）三种化学调控剂对籽粒酶活性的影响：弱势籽粒灌浆前期，PR1对三种酶均具有显著地促进作用。灌浆中期，7:00到13:00时ABA对SSS和GBSS具有抑制作用，在其他时间段PR1和ABA具有显著的促进作用。灌浆后期
4、，ABA和PR1对三种酶活性都具有抑制作用。关键词：水稻，强弱势粒，粒重，昼夜变化，调控剂目 录目 录2第一章 文献综述31.1 研究的目的与意义31.2 国内外研究进展31.3 对水稻弱势粒灌浆差机理的认识41.3.1 光合同化物供应限制41.3.2 库容限制41.3.3 “流”不畅51.4 化学调控对稻米的影响51.4.1 化学调控剂对籽粒灌浆的调节规律及作用机理51.4.2 化学调控剂对酶活性的影响61.5 前景展望6第二章 试验部分82.1 试验材料与方法82.1.1 试验设计82.1.2 测定项目与方法92.1.2.1 籽粒粒重的测定92.1.2.2 籽粒中可溶性糖、淀粉的测定92.
5、1.2.3 弱势籽粒中淀粉合成关键酶活性的测定92.2 结果与分析92.2.1 强弱势籽粒的粒重昼夜变化92.2.2 化学调控剂对灌浆各期籽粒可溶性糖含量昼夜变化的影响122.2.2化学调控剂对灌浆各期淀粉含量昼夜变化的影响142.2.4对籽粒酶活性昼夜变化的影响172.3 讨论192.4 结论20参考文献21致 谢24英文翻译25第一章 文献综述1.1 研究的目的与意义水稻是世界上最主要的粮食作物，品质的优劣直接影响其商品价值和种植推广，因此国内外都相当重视稻米品质的研究，长期以来我国水稻生产十分注重提高产景，提高水稻产量和改善稻米品质，具有重要的意义。水稻籽粒发育的好坏直接决定产量的高低和
6、品质的优劣，而籽粒的灌浆充实过程决定了最终的粒重和产量乃至稻米的品质。水稻灌浆过程中，穗上颖花分化存在先后顺序3，其籽粒的灌浆发育过程也不同步4-5。一般说来，开花早的强势粒灌浆启动快，具有较强的获取同化物的能力，因而籽粒充实度好、粒重高，而开花迟的弱势粒灌浆启动慢，获取同化物的能力差，往往结实率低，籽粒充实度差。研究发现，强、弱势粒闻在起始灌浆势、最大灌浆速率和平均灌浆速度上都存在明显差异3-6。自1941年长户一雄开始水稻籽粒增重的生长分析以来，籽粒的灌浆充实特性就成为水稻工作者关注的重要领域之一13。随着矮化育种、杂交稻育种等现代育种技术的发展，近年来，新株型（NPT）稻、两系杂交稻、直
7、立穗型稻、重穗型杂交稻及超级稻等新品种陆续成功培育，为水稻的生产提供了物质保障。但这些现代水稻品种或组合，均普遍存在籽粒充实度差的问题。袁隆平也指出，杂交水稻，尤其是亚种间杂交水稻籽粒充实不良是限制其推广的四大障碍之一。大量的研究结果和生产实践均证明，下部的弱势籽粒是水稻籽粒充实度差的主要部位，下部弱势籽粒充实度差已成为制约现代水稻品种产量潜力进一步提高的关键因素和技术瓶颈。因此而如何改善籽粒的灌浆特性，提高水稻籽粒的充实度，在很大程度上依赖于对水稻籽粒灌浆充实的生理生化过程的深入研究。水稻弱势籽粒灌浆充实问题的关键在于库强度40，即籽粒中碳氮代谢关键酶活性、内源激素含量等。Q酶、淀粉合成酶和
8、ADPG焦磷酸化酶是淀粉合成过程中的关键酶，酶活性的大小和峰值出现的时间因粒位、品种以及酶的不同而异。强势粒和弱势粒相比较，灌浆前期强势粒中3种酶的活性高于弱势粒，并且与平均灌浆将速率、最大灌浆速率、粒重以及谷粒充实率均呈显著或极显著的正相关；中后期酶的活性与灌浆速率和粒重成不同的负相关2。因此提高灌浆前期酶的活性具有十分重要的意义。围绕籽粒充实特性，众多学者开展了相关研究，明确籽粒充实度差的水稻品种基本表现为强势粒和弱势粒的异步灌浆5，并提出了多种充实度的表示方法5,25-26。植物激素对水稻籽粒的充实具有重要作用，但大量的研究围绕籽粒中内源激素含量的变化2526，外源激素对籽粒充实的影响研
9、究较少25，3435。本文通过化学调控研究了籽粒的昼夜变化规律。1.2 国内外研究进展近年来对灌浆期间胚乳中淀粉的合成、关键酶的动态变化已经有所研究1。长户一雄(1941)是最早开始水稻籽粒灌浆研究的，他观察到开花日序的早迟与粒重有密切关系，一般穗上部开花早的强势粒充实好、粒重高，而穗下部开花迟的弱势粒则正好相反。到20世纪60-70年代又有研究结果指出造成水稻同一穗上籽粒间灌浆的差异和强弱势粒间充实不同的原因不仅与开花日序有关，还与强弱势粒所处粒位及其能障水平高低有关。亚种间杂交稻穗型过大，弱势粒不但受上部强势粒的高度抑制，还受到大量中部籽粒的抑制。弱势粒较长时间处于低代谢水平，只有在中部籽
10、粒灌浆结束后，下部弱势粒才开始恢复代谢活性。由于长时间营养缺乏，部分弱势粒便失去代谢活性，完全停止发育而成为空粒。还有部分虽渡过了营养缺乏的“滞缓期”，但由于代谢活性较弱，且后期叶片或多或少衰老，同化物供应不如以前，最终充实不良成为秕粒。到了20世纪80年代，顾自奋等研究发现强弱势粒灌浆存在着明显的差异，但对结实过程中一度中止发育的籽粒而言，只要改善弱势粒的养分供应(后期合理施肥，防止叶片早衰）和增强弱势粒生理活性，可以提高弱势粒的充实度，这与前者的研究观点相反。进入20世纪90年代以后，人们开始对籽粒灌浆做了大量研究，了解到充实不良的品种多表现为异步灌浆类型，即强势粒开始灌浆浆和达到最大灌浆
11、速率的时间早，弱势粒在开花后相当长时间内生长处于停滞状态，待强势粒生长速率下降到十分微弱时才开始灌浆，因此弱势粒灌浆启动期明显滞后与籽粒增重速度缓慢是导致最终弱势粒充实不良的主要原因，并且认为这是由于弱势粒生理活性低和物质运转不畅所致，同化物供应不是主要限制因子。但也有学者指出，新株型NPT水稻产量低的主要原因是较多的小花未受精，部分原因是小穗因灌浆早期同化物供应不足而较早停止灌浆所致；但籼粳杂交稻充实度低的主要原因是同化物供应不足所致。在对弱势粒的研究中，我们考虑到了外源化学控制剂对植物生长的作用，本文就用三种化学调控剂即激素（PR1、ABA、GA）进行处理，观察强弱势籽粒的昼夜变化规律，进
12、而研究如何提高弱势粒充实度。1.3 对水稻弱势粒灌浆差机理的认识作物的灌浆期是决定作物产量和品质的关键时期8，水稻籽粒灌浆不仅受“源”同化物供应的影响，也受“库”活性的影响(Fukai等，1991)19。水稻籽粒的灌浆充实过程，实质上主要是胚乳细胞合成和积累淀粉的过程，是源器官制造的光合产物以蔗糖形式运输到籽粒后，在一系列酶促作用下形成淀粉的过程。因此，影响籽粒灌浆的因素均会对稻米的淀粉合成与积累过程产生影响。水稻的灌浆存在着强势粒和弱势粒的异步灌浆5，一般来说,着生在稻穗中上部早开花的强势粒,籽粒灌浆快,充实好,粒重高;着生在稻穗下部迟开花的弱势粒,灌浆慢,充实差,粒重低42。1.3.1 光
13、合同化物供应限制有学者指出3,光合同化物总是优先供应强势粒,当光合产物供应不足时,部分弱势粒的灌浆速度降低,甚至完全不能灌浆。在结实期进行剪叶或遮光,弱势粒灌浆速率减小,粒重降低;通过疏花或增加CO2浓度等处理,弱势粒灌浆速率增大,粒重提高9-16。朱庆森16,19等观察到,籼型杂交水稻强、弱势粒存在异步灌浆或“两段灌浆现象,即强势粒灌浆启动早,灌浆快,待强势粒灌浆高峰过后弱势粒才开始灌浆。他们观察到,灌浆期一度停滞生长的弱势粒,当同化物供应强度增强时可以恢复灌浆。王天铎43等推测,强、弱势粒灌浆的差异可能与启动灌浆的能障水平有关,强势粒要求的能障水平低,弱势粒要求的能障水平高。1.3.2 库
14、容限制一般将制造或供应光合产物的器官称作“源”,接受或累积光合产物的器官称作库24。在结实期,水稻籽粒是主要的“库”。Morhapatra等6报道,在整个灌浆期,水稻弱势粒中的氨酸和可溶性糖浓度均高于强势粒。Kato36通过去除穗中上部颖花以观察切除部分强势粒后对穗上剩余弱势粒生长的影响,发现去除部分强势花并不能显著改善穗上基部剩余二次枝梗籽粒的充实。鉴于此,他们认为限制水稻弱势粒灌浆的不是源,而是库容,即弱势粒较的库容(籽粒的容积)是弱势粒粒重低的主要原因。赵步洪等40观察到,在抽穗期剪去1/2叶片后,弱势粒粒重显著降低,但在灌浆期弱势粒中的蔗糖浓度不是降低了,而是增加。Yang等13以大穗
15、型品种扬稻6号和超级稻两优培九为材料,在抽穗期依据开花日期将上颖花分成若干组(第1天开花颖花为第1组,第2天开花的为第2组,依次类推),观察不同开花日序颖花的灌浆情况,发现穗上愈是迟开花的弱势颖花,灌浆初期籽粒中的蔗糖的浓度就愈高。这些结果说明灌浆初期弱势粒同化物基质浓度并不是限制其灌浆的主要因素。1.3.3 “流”不畅一般将从源到库的光合同化物运输称之为“流”13,23,而维管束系统则是水稻源-库之间光合同化物、水分和养分等运输的主要通道。由于直接测定光合同化物的运输有较大难度,因而目前主要通过观察维管束系统的结构来反映光合同化物的运输情况。在水稻穗维管束结构与强、弱势粒灌浆关系的研究方面,黄升谋24等观察到,与着生较多强势粒的穗中上部一次枝梗维管束相比,着生较多弱势粒的穗基部二次枝梗维管束导管面积和韧皮部面积较小,导管、筛管和伴胞分化数量少,单个导管、筛管和伴胞面积也较小,进而造成无机物和有机物运输不畅。有研究者指出,一些籼/粳亚种间杂交稻籽粒充实不良,一个重要原因就是导组织的颖花负荷量过重。但王志琴6等报道,与籽粒充实较好的杂交籼稻汕优63相比,籽粒充实较差的籼/粳亚种间杂交稻组合测03/扬稻4号及PC311/早献党18的伸长节间、穗颈和一次枝梗维管束和韧皮部数目较多、面积较大;两类型水稻颖花数与韧皮部面积的比值并无显著差异。还有研究者3-6认为
