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摘 要： 摘要：以秧苗期耐冷性不同的 2 個水稻品種湘早秈 45 和三七十蘿為材料，利用光照培養箱分別設適溫(25℃， CK)和低溫(10℃)兩個處理，研究低溫下水稻秧苗生理特性及根尖解剖結構的變化，以探明低溫對水稻秧苗的影響機理。結果表明，與對照相比，低溫下幼苗總
摘要：以秧苗期耐冷性不同的 2 個水稻品種湘早秈 45 和三七十蘿為材料，利用光照培養箱分別設適溫(25℃， CK)和低溫(10℃)兩個處理，研究低溫下水稻秧苗生理特性及根尖解剖結構的變化，以探明低溫對水稻秧苗的影響機理。結果表明，與對照相比，低溫下幼苗總根數、最長根長、根鮮重、根干重、根系總吸收面積、活躍吸收面積和根系活力下降，且隨著處理時間的延長降低幅度增大，冷敏感品種湘早秈 45 幼苗的降幅大于耐冷品種三七十蘿;低溫下根系 SOD 活性、POD 活性表現為先增加后降低的趨勢，根系相對電導率、MDA 含量增加，耐冷品種三七十蘿根系 SOD 活性、POD 活性、相對電導率、MDA 含量變幅小于冷敏感品種湘早秈 45;低溫下根系分泌物游離氨基酸含量和可溶性糖含量呈現先增加后降低的趨勢，耐冷性品種三七十蘿變幅高于冷敏感品種湘早秈 45;低溫下冷敏感品種湘早秈 45 根尖薄壁細胞形狀不規則，排列疏松，細胞間隙大，維管束結構不清晰，木質部排列紊亂，而耐冷品種三七十蘿低溫下根尖薄壁細胞形狀較規則，細胞排列較緊密，細胞間隙小，維管束結構較清晰，木質部和韌皮部清晰可見。研究結果說明水稻幼苗受低溫激發通過誘導不同生理和形態變化以應對低溫的影響。
關鍵詞：水稻;低溫;秧苗;生理特性;根尖解剖結構
水稻幼苗生長的適宜溫度在 25～35℃，但在中國南方雙季稻區早稻播種后經常遭遇寒潮天氣，導致秧苗出現黃葉、生長遲緩，甚至卷葉和死苗現象，不僅使早稻產量受到影響，還由于生育期的推遲而影響晚稻的生產計劃和產量[1−2]。根系作為水稻的重要吸收和代謝器官，其生長和活力大小直接影響水稻的生長發育，間接決定著水稻地上部產量和品質 [3−4]。水稻根系生長的最適溫度為 28～32℃，溫度低于 28℃或高于 32℃均不利于根系生長[5]，低于 22℃ 次生根不能生長[6]。關于低溫對水稻生長發育影響研究多集中在植株地上部[7−8]，對根系影響的研究相對較少。程建峰等[9]研究表明，根際溫度主要影響水稻生長前期根系的形成和生長后期根系的衰竭，水溫對水稻根系的影響遠大于氣溫。龔明等[10]研究表明,水稻苗期根系對低溫的反應比葉片更敏感，水稻品種間耐冷性的差異可能就表現在根系耐低溫能力的強弱上。宋廣樹等[11]研究顯示，苗期低溫處理后，水稻根系活力下降，且處理時間越長、溫度越低，下降幅度越大。低溫下，水稻根系生長受阻，導致根系無法吸收足夠的水分來滿足地上部的需求，致使地上部分出現青枯或死苗，這可能是水稻苗期低溫危害的重要原因之一。目前對低溫下水稻根系形態和生理特性系統研究報道較少。因此，本試驗以耐冷性水稻品種三七十蘿和冷敏感品種湘早秈 45 為材料，擬通過苗期人工模擬低溫，從根系形態指標及生理特性方面進行研究，旨在揭示低溫脅迫對水稻根系的影響機理，以期為選育耐冷性水稻品種或改良現有超高產水稻品種的耐冷性提供理論依據。
1 材料與方法
1.1 供試材料
試驗于 2016 年和 2017 年在湖南農業大學水稻科學研究所進行。供試材料為耐冷性水稻品種“三七十蘿”和冷敏感水稻品種“湘早秈 45”，三七十蘿由湖南農業大學提供，湘早秈 45 由湖南某種子公司提供。二葉一心期幼苗在 8℃低溫下持續處置 5d，然后在適溫條件下恢復 5d，三七十蘿和湘早秈 45 的死苗率分別為 8.57%和 100%，說明兩品種苗期耐冷性差異顯著[12]。
1.2 試驗設置
將飽滿的水稻種子經常規消毒、浸種、催芽后，播于含有 96 孔的 PCR 板中(孔的底部剪掉)，每間隔 1 孔播種 1 粒，每板播種 48 粒，播后放在 1/2 濃度的營養液中進行培養，營養液配方參考國際水稻研究所吉田昌一[13]，每 3d 換一次營養液。至幼苗生長至二葉一心期，將每品種 10 塊 PCR 板含 480 株幼苗分別移入兩個人工氣候箱中進行處理，培養箱內光照為 12000lx，空氣相對濕度為 70%～80%。培養箱內溫度設兩個水平，一個為低溫處理(恒溫 10℃)，另一個為適溫處理(恒溫 25℃，CK)，分別于處理 24h、72d、120h 取樣進行各項生理指標的測定。試驗設 3 次取樣重復。
1.3 測定項目與方法
1.3.1 幼苗生長狀況
取 10 株幼苗進行單株總根數、最長根長、葉齡、株高的測量;取 100 株幼苗，將根與地上部分開，吸干表面水分后稱鮮重，然后在恒溫烘干箱 108℃殺青 30min，80℃烘干，冷卻后稱干重。
1.3.2 根系活力
取幼苗根系，參照李合生等[14]的方法，用 DS-11 A 型電導率儀測定根系電導率，用硫代巴比妥酸(TBA)法測定根系丙二醛含量，用 TTC 法測定根系活力，用甲烯藍染色法測定根系總吸收面積和活躍吸收面積，用氮藍四唑光還原法測定根系 SOD 活性，用愈創木酚法測定根系 POD 活性。
1.3.3 根系分泌物
取幼苗根系，參照李合生等[14]的方法，用蒽酮比色法測定可溶性糖含量，用茚三酮顯色法測定游離氨基酸含量。
1.3.4 根尖顯微結構
低溫處理 72h 后取根尖，參照汪曉麗等[15]的方法進行根尖顯微結構觀察。用 FAA 液固定，經酒精脫水，二甲苯透明及石蠟包埋后進行連續橫、縱向切片，切片經 1.0%的番紅和苯胺藍染色。在顯微鏡下觀察根系解剖結構并拍照。
1.4 數據處理
所有實驗數據處理和方差分析采用 Microsoft Excel 和 SPSS 軟件完成。為確保低溫處理試驗數據的可靠性，分別于 2016 年和 2017 年進行了兩次相同試驗材料的低溫模擬試驗，其中，2016 年為預試驗，以掌握光照培養箱進行低溫設置的準確性，方差結果表明兩年試驗數據不存在顯著差異，因此，文中采用 2017 年的試驗數據進行差異變化分析。
2 結果與分析
2.1 低溫對水稻幼苗根系形態和地上部形態的影響
由表 1 可見，在適溫(CK)下，與冷敏感水稻品種湘早秈 45 相比，耐冷性水稻三七十蘿幼苗的根條少但質量較好，長度和重量均相對較高，兩品種的各根系形態指標均表現正常，隨生育時間延長而增加。經過低溫處理后，兩品種的各根系形態指標(總根數、最長根長、根鮮重和根干重)均有一定程度的降低，且隨著低溫處理時間延長降低幅度逐漸增大。進一步分析可見，在低溫處理 24h、72h、 120h 后，湘早秈 45 的總根數、最長根長、根鮮重和根干重的降幅均大于三七十蘿。表明苗期遭遇 10℃低溫會對水稻幼苗根系生長產生不利影響，且對冷敏感品種湘早秈 45 的影響大于耐冷性品種三七十蘿。
從表 2 可見，在適溫(CK)下，兩個品種幼苗地上部分形態指標均表現正常，隨生育時間延長而增加。低溫處理下，兩個品種幼苗地上部分各形態指標(葉齡、株高、冠鮮重、冠干重)均有一定程度的降低，且隨著低溫時間延長降低幅度逐漸增大。進一步分析可見，在低溫處理 24h、72h、120h 后，冷敏感品種湘早秈 45 的葉齡、株高、冠鮮重與冠干重降幅均大于耐冷品種三七十蘿。表明苗期遭遇 10℃低溫會對水稻幼苗地上部生長產生不利影響，且對冷敏感品種湘早秈 45 的影響大于耐冷性品種三七十蘿。
2.2 低溫對水稻幼苗根系吸收面積和根系活力的影響
由表 3 可見，在適溫(CK)下，兩品種根系生長正常，根系吸收面積隨生育時間延長而增加。低溫處理下，兩品種幼苗的根系吸收面積指標(總吸收面積、活躍吸收面積、比面積)均有一定程度的降低，且隨著處理時間延長降低幅度逐漸增大。進一步分析可見，在低溫處理 24h、72h、120h 后，冷敏感品種湘早秈 45 的根系總吸收面積、活躍吸收面積、比面積的下降幅度均大于耐冷性品種三七十蘿。表明苗期遭遇 10℃低溫會對水稻幼苗根系吸收面積產生不利影響，且對冷敏感品種湘早秈 45 的影響大于對耐冷性品種三七十蘿。
由表 4 可知，在適溫(CK)下，兩品種幼苗根系生長正常，根系活力隨生育時間延長而增加。低溫處理下，兩品種的根系活力降低，且隨著處理時間延長降低幅度逐漸增大。進一步分析可見，在低溫處理 24h、72h、120h 后，冷敏感品種湘早秈 45 的根系活力下降幅度大于耐冷性品種三七十蘿。表明苗期遭遇 10℃低溫會對水稻幼苗根系活力產生不利影響，且對冷敏感品種湘早秈 45 的影響大于耐冷性品種三七十蘿。
2.3 苗期低溫對根系相對電導率和丙二醛含量的影響
由表 4 可知，在適溫(CK)下，兩品種幼苗根系相對電導率隨生育時間延長變幅不明顯。低溫處理下兩個品種的根系相對電導率增加，且隨著處理時間的延長增加幅度逐漸增大。進一步分析可見，在低溫處理 24h、72h、120h 后，冷敏感品種湘早秈 45 根系相對電導率增加幅度均大于耐冷性品種三七十蘿。表明苗期遭遇 10℃低溫對水稻幼苗根系產生了傷害，且對冷敏感品種湘早秈 45 的傷害程度大于耐冷性品種三七十蘿。
由表 4 可看出，在適溫(CK)下，兩品種根系 MDA 含量隨生育時間延長變幅不明顯。低溫處理下兩個品種的根系 MDA 含量增加，且隨著處理時間的延長增加幅度逐漸增大。進一步分析可見，在低溫處理 24h、72h、120h 后，冷敏感品種湘早秈 45 根系 MDA 含量增加幅度均大于耐冷性品種三七十蘿。表明苗期遭遇 10℃低溫對水稻幼苗根系產生傷害，且對冷敏感品種湘早秈 45 的傷害程度大于對耐冷性品種三七十蘿的傷害程度。
2.4 苗期低溫對幼苗根系 SOD 和 POD 活性的影響
由表 5 可看出，在適溫(CK)下，兩品種根系 SOD活性和POD活性隨生育時間延長變化幅度不明顯。低溫處理下，兩品種根系 SOD 活性和 POD 活性表現為先增加后降低趨勢，即處理初期根系 SOD 和 POD 活性增加，但隨著處理時間延長呈現降低趨勢。進一步分析可見，在處理 24h、72h、120h 后，冷敏感品種湘早秈 45 根系 SOD 活性和 POD 活性變幅均大于耐冷品種三七十蘿。表明低溫對冷敏感品種湘早秈 45 根系 SOD 活性和 POD 活性的影響大于對耐冷性品種三七十蘿的影響。
2.5 苗期低溫對幼苗根系分泌物游離氨基酸含量和可溶性糖含量的影響
由表 6 可知，在適溫(CK)下，兩品種根系分泌物游離氨基酸含量隨生育時間延長逐漸增加。低溫下根系分泌物游離氨基酸含量呈現先增加后降低趨勢，在低溫處理 24h、72h 后，湘早秈 45 根系分泌物游離氨基酸含量分別比對照增加 17.39%、 40.00%，在處理 120h 后比對照增加 14.29%;而三七十蘿在低溫處理 24h、72h 后，根系分泌物游離氨基酸含量分別比對照增加20.00%、46.43%，在處理120h 后比對照增加 26.67%，增加幅度大于湘早秈 45。表明低溫對冷敏感品種湘早秈 45 的影響大于對耐冷性品種三七十蘿的影響。
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由表 6 可知，低溫脅迫下，根系分泌物可溶性糖含量變化趨勢與游離氨基酸含量趨勢基本一致。低溫下三七十蘿根系分泌物可溶性糖含量增加幅度大于湘早秈 45，表明低溫對冷敏感品種湘早秈 45 根系分泌物的影響大于對耐冷性品種三七十蘿的影響。
2.6 苗期低溫對幼苗根尖解剖結構的影響
由圖 1 可知，在適溫(CK)下，兩品種幼苗根尖細胞形態結構正常，薄壁細胞形狀規則，排列緊密，細胞間隙小，維管束結構清晰。低溫下兩品種幼苗根尖細胞形態結構發生了變化。對冷敏感品種湘早秈 45 而言，低溫下根尖薄壁細胞形狀不規則，排列疏松，細胞間隙大，維管束結構不清晰，木質部排列紊亂;對于耐冷品種三七十蘿而言，低溫下根尖薄壁細胞形狀較規則，細胞排列較緊密，細胞間隙小，維管束結構較清晰，木質部和韌皮部清晰可見。表明低溫對耐冷品種三七十蘿根尖形態結構的影響小于冷敏感品種湘早秈 45。
3 結論與討論
根系是作物養分和水分吸收的重要器官，也是很多物質合成、轉化的場所，在作物的生長發育和產量形成過程中發揮重要作用。根系性狀和地上部的性狀兩者彼此聯系，相互制約，構成一個統一的整體，根系的形態及機能與地上部具有非常緊密的關系。水稻根系數量和根系在土壤中的分布特征對地上部生長、產量有重要影響[16]。劉瑩等[17]的研究發現，根系是植物最先感受逆境脅迫的器官，逆境脅迫下根系形態上的變化最為直觀。本研究表明，與適溫對照相比，低溫處理下水稻幼苗根系生長受到影響，表現為根系的最長根長、總根數下降，根系活力、吸收面積降低，這與相關研究結果[18−20]相一致。不過不同耐冷性品種間受影響程度存在差異，冷敏感品種湘早秈 45 下降幅度大于耐冷品種三七十蘿，說明低溫脅迫阻礙了水稻幼苗根系的生長發育，耐冷品種三七十蘿根系受低溫影響較小，低溫下仍能保持較高的根系活力和吸收能力，有利于為地上部分輸送養分和水分。
低溫下水稻幼苗根系發生了膜脂過氧化，產生大量的膜脂過氧化產物丙二醛(MDA)，同時根系相對電導率升高，且隨著處理時間的延長 MDA 含量和相對電導率增幅逐步增大。植物原生質膜是細胞與環境的一個界面結構，可有效截取各種逆境引起的傷損，低溫下根系 MDA 含量增加，細胞質膜受損其質膜透性發生了變化，引起細胞內含物大量外滲，相對電導率上升，質膜透性越大根系受損越嚴重。這與相關研究結果[20,21−23]相一致。但耐冷性品種間受損程度存在顯著差異，冷敏感品種湘早秈 45 根系 MDA含量和相對電導率增加幅度大于耐冷品種三七十蘿，說明冷敏感品種湘早秈 45 根系細胞質膜在低溫下受損程度大于耐冷品種三七十蘿。
SOD 和 POD 是生物體內重要的保護酶, 可防御活性氧對細胞膜系統產生傷害，從而延緩細胞衰老[24−25]。低溫初期，幼苗根系保護酶活性增加，可對細胞內的活性氧進行清除，但隨著低溫處理時間延長保護酶活性下降，清除能力降低，這與相關研究結果[18,20,26]相一致。但耐冷性不同品種間存在差異，冷敏感品種湘早秈 45 根系 SOD、POD 活性的變幅大于耐冷品種三七十蘿，這說明耐冷性品種在脅迫下仍能保持較高的保護酶活性，清除代謝過程中產生的活性氧，減輕低溫對細胞膜造成的傷害。
可溶性糖、游離氨基酸是根系分泌物的主要組分，這些組分的增加對植物起到一定的保護作用，從而緩解植物受環境脅迫的傷害[27]。低溫下根系分泌物可溶性糖含量、游離氨基酸含量增加，但隨著處理時間延長有所下降，這表明低溫初期根系分泌物主要組分含量增加，隨處理時間延長根系分泌能力受到抑制，其變化趨勢與相關研究結果[27]基本一致。但耐冷性不同品種間存在差異，耐冷性品種可溶性糖含量、游離氨基酸含量變幅顯著高于冷敏感品種。表明耐冷品種三七十蘿根系分泌能力受抑制程度小于冷敏感品種湘早秈 45。
水稻根的后生木質部導管屬于大型導管，位于中柱內側，稻根通過導管將從外界環境中吸收的水分輸送到植株體內，導管的數目和大小是反映根的水分疏導能力指標[28]。劉恒等[29]研究表明，根木質部導管與作物抗逆性密切相關。本研究結果表明，低溫脅迫下，耐冷品種三七十蘿根尖仍能維持較好的維管組織, 從而保證水分和營養物質的正常供給;對冷敏感品種湘早秈 45，低溫脅迫下根尖薄壁細胞形狀不規則，排列疏松，細胞間隙大，維管束結構不清晰，木質部排列紊亂，從而引起輸導功能障礙, 使地上部得不到充足的水分和養分供應，導致植株地上部分失水萎蔫。根尖是根系生理活性最活躍的部分，根尖細胞的內質網、線粒體、高爾基體、核糖體、液泡、微體和質膜 ATPase 等對根的功能發揮具有重要作用[30]。有關低溫下水稻幼苗根尖的超微結構變化有待進一步研究。
